NIR Spektrometreleri Arasında Kalibrasyon Transferi: Yöntemler ve Fizibilite

Kalibrasyon transferi neden bir sorundur

Kimya ve ilaç endüstrisindeki ya da gıda ve yem sektöründeki bir proses NIR analizörü için çok değişkenli bir kalibrasyon; numune, referans analiz ve modelleme açısından büyük bir yatırımdır. Bu yüzden modeli bir kez kurup her cihazda çalıştırmak doğal bir istektir. Workman kalibrasyon transferini, tek bir spektral veritabanını ve onun üzerine kurulan modeli iki veya daha fazla cihaza, doğruluk ve kesinlik istatistiksel olarak korunarak uygulamak için kullanılan kemometrik teknikler olarak tanımlar ve tek bir kalibrasyonla birkaç cihazdan özdeş sonuç almanın teknoloji uzmanları için hâlâ ulaşılamamış bir hedef olduğunu belirtir [1]. Transfer, nominal olarak özdeş cihazlar arasında bile kolay değildir; çünkü üniteler arasında dalga boyu kaymaları ve absorbans yanıtı farkları bulunur [2]. Bu nedenle bir spektrometrede geliştirilen model, çoğu zaman başka bir cihazda ölçülen spektrumlarla doğrudan kullanılamaz [3]. Transfer belirsizliğinin birkaç bileşeni vardır: cihazın yeniden üretilebilirliği ve tekrarlanabilirliği, referans değerler, çok değişkenli matematik ve numune sunumunun tekrarlanabilirliği [1].

Üç yöntem ailesi

Fearn yaklaşımları üç başlıkta sınıflandırır: sağlam kalibrasyonlar oluşturmak, kalibrasyonları ayarlamak ve spektrumları ayarlamak [2]. Kalibrasyonlar, cihazlar arası değişkenliği azaltan spektral ön işlemlerle ve birkaç cihazdan gelen verilerin birleştirilmesiyle daha aktarılabilir hâle getirilir; referans değerleri bilinen az sayıda numuneden kestirilen eğim ve sapma (bias) düzeltmeleriyle ayarlanabilir; üçüncü başlık altında ise parçalı doğrudan standardizasyon ve Shenk ile Westerhaus'un patentli prosedürü gibi, her iki cihazda ölçülen numunelerin spektrumlarını kullanarak ikincil cihazın yanıtını ana cihazınkine eşleyen yöntemler yer alır [2].

Fikir, kemometrik adlandırmalardan daha eskidir. 1985 yılında Shenk, Westerhaus ve Templeton kalibrasyon denklemlerini 60 kapalı numune kullanarak bir ana taramalı monokromatörden altı başka cihaza aktarmıştır; kaba yem bileşenleri için cihazlar arası farkın standart hataları, kimyasal analizlerde laboratuvarlar arasında görülenden küçük çıkmış ve yalnızca 10 numuneyle bile tatmin edici bir transfer elde edilmiştir [4]. Aynı modeldeki monokromatörler için geliştirdikleri 1991 tarihli prosedür, dalga boyu skalasını bir polistiren standardıyla hizalamış ve taban çizgilerini kapalı bir konsantre numunesiyle ayarlamıştır; farklı cihaz ve sıcaklıklardan alınan spektrumlardan oluşan bir tekrarlanabilirlik dosyasının değiştirilmiş PLS regresyonuna eklenmesi, 19 ile 29,5 °C arasında ölçülen test numunelerinde cihazlar arası hatayı azaltmıştır [5]. Wang, Veltkamp ve Kowalski doğrudan standardizasyonu (DS) ve parçalı doğrudan standardizasyonu (PDS) tanımlamıştır: her iki cihazda ölçülen bir transfer seti, ikincil spektrumları ana cihazın yanıtına eşleyen bir dönüşüm verir; PDS bunu her seferinde komşu dalga boylarından oluşan küçük bir pencereyle yapar [6].

Cihaz karşılaştırmaları ne gösteriyor

En iyi yöntem cihazlara ve uygulamaya bağlıdır. Igne ve Hurburgh, bütün soya fasulyesi modelleri için iki Foss Infratec ve iki Bruins OmegAnalyzerG ünitesi arasında DS, PDS, sağlam standardizasyon, tahminlerin eğim-sapma veya yalnızca sapma düzeltmesi ve tek başına ön işlemeyi karşılaştırmıştır: modeller marka içinde ve markalar arasında, tek tek kalibrasyona benzer veya ondan daha iyi bir kesinlikle aktarılabilmiş; ikincil spektrumları değiştiren optik yöntemler diğerlerinden anlamlı ölçüde daha kötü sonuç vermiş ve tahminlerin basit bir düzeltmesiyle ya da düzeltme olmadan ön işleme, absorbans farklarını ve dalga boyu kaymalarını gidermeye yetmiştir [7]. Greensill ve ark., bir çözünür katı madde modelini aynı modeldeki dört diyot dizili spektrometre arasında aktarırken, değiştirilmiş bir dalgacık dönüşümünün diğer altı standardizasyon tekniğinden anlamlı ölçüde daha iyi ve model güncellemeyle aynı düzeyde performans gösterdiğini bulmuştur [8]. Hoffmann ve ark., her iki spektrometre tipinde yalnızca birkaç numune ölçerek, spektral aralık ve çözünürlükteki büyük farklara rağmen iki laboratuvar FT-NIR spektrometresinden alınan veri setlerini minyatür el tipi bir cihazın formatına PDS ile aktarmıştır [9].

Kompakt ve hat içi spektrometreler için buradan iki sonuç çıkar. Aynı diyot dizili modelin dört ünitesi bile bir modeli paylaşabilmek için standardizasyona ihtiyaç duymuştur [8]; dolayısıyla tasarım benzerliği tek başına bir modeli taşınabilir kılmaz. Üniteler arası farkların küçük olduğu durumlarda daha hafif yollar — ön işleme, birleştirilmiş kalibrasyon verisi ve eğim-sapma düzeltmesi [2][7] — yeterli olabilir; ancak bu, optik mimariden çıkarılarak değil, her cihaz ailesi için ölçümle gösterilmelidir.

Standart numunesiz transfer

Standarda dayalı yöntemler, aynı fiziksel numunelerin her iki cihazda ölçülmesini gerektirir; cihazlar birbirinden uzaksa veya kimyasal olarak kararlı standartlar yoksa bu zordur [10]. Mishra ve ark., standartsız kavramlar dâhil güncel teknikleri derlemiş ve standart numune ölçümlerine dayanmayan yaklaşımların, modelleri benzer cihazlar arasında paylaşılabilir kılma konusunda umut vaat ettiği sonucuna varmıştır [10]. Bir örnek, gizli değişken uzayında kaynak ve hedef dağılımlarını hizalayan bir düzenlileştirici ekleyen ve kısmen etiketli ya da etiketsiz hedef verisini kullanabilen alan-değişmez PLS'dir; Nikzad-Langerodi ve ark. bu yöntemi iki NIR veri seti üzerinde göstermiştir [11].

Bir cihaz ailesi için fizibilitenin değerlendirilmesi

Sonuç cihazlara, ürüne ve yönteme bağlı olduğundan transfer fizibilitesi bir spesifikasyon değil, ölçülen bir özelliktir. Yukarıdaki çalışmalarda üç adım tekrar eder:

• Önce cihazları kontrol edin. Dalga boyu kaymaları ve absorbans yanıtı farkları sorunun kökenidir [2]. ASTM E1866, çevrim içi proses spektrofotometreleri dâhil, tek değişkenli seviye sıfır ve seviye bir ile çok değişkenli seviye A ve seviye B testleriyle spektrofotometre performans testleri geliştirmeye yönelik prosedürler verir [12].
• Transfer yollarını gerçek veriler üzerinde karşılaştırın. Her iki cihazda bir transfer seti ölçün ve tek başına ön işlemeyi, eğim-sapma düzeltmesini ve PDS gibi bir spektral standardizasyonu karşılaştırın [7][8]; birden çok ünite varsa, spektrumlarını kalibrasyon setinde veya bir tekrarlanabilirlik dosyasında birleştirmek, her birini ayrı ayrı düzeltmeye bir alternatiftir [2][5].
• Aktarılan modeli yeni bir model olarak doğrulayın. ASTM E1655, spektrometrenin üretici spesifikasyonları içinde çalıştığını varsayarak çok değişkenli kızılötesi ve yakın kızılötesi nicel analiz uygulamalarını ve kalibrasyon performansının doğrulanmasına ilişkin ölçütleri ortaya koyar [13]; aktarılan model, ikincil cihazda referans analizi yapılmış numunelerle doğrulanır, çünkü referans değerler ve numune sunumu belirsizliğe optik kadar katkıda bulunur [1].

USTECH kalibrasyon transferine nasıl yaklaşıyor

USTECH kalibrasyonları caliX kemometri paketinde geliştirilir ve ProLine2550 hat içi FT-NIR analizöründe, ProLine17EC ve ProLine17ECS hat içi NIR analizörlerinde ve MasterLine17EC hat yanı analizöründe çalıştırılır. Bir ünitede kurulan bir model başka bir ünitede kullanılacaksa USTECH bunu bir transfer projesi olarak ele alır: ikincil cihazın performansı kontrol edilir [12], her iki ünitede bir transfer seti ölçülür, hafif ve ağır yollar karşılaştırılır [2][7] ve aktarılan model ikincil ünitede referans değerlere karşı doğrulanır [13]. Belirli bir modelin hangi yola ihtiyaç duyduğu, kendi numunelerinizle yapılan bir fizibilite çalışmasında belirlenir.