参比测量为何重要
化工或制药过程中的近红外分析仪并不直接测量吸光度。它记录的是原始强度光谱，其中包含光源的发射分布、光学元件的透过率和检测器的响应；反射率或透射率是将该光谱与参比测量相除而得到的。建立在此类光谱之上的多元定标假定信号中属于仪器的部分逐日保持不变。Workman 指出，要让同一定标随时间推移得出相同的结果仍然很困难，并将仪器的再现性和重复性以及样品呈现方式列为相关因素[1]。Wise 和 Roginski 认为，定标模型维护之所以必要，正是因为样品基质或仪器响应会随时间变化[2]。
参比材料：什么被当作“背景”来测量
对于漫反射，常用的参比是一种高反射、近似朗伯（Lambertian）的白色材料。美国国家标准局（NBS）曾将压制的聚四氟乙烯（PTFE）粉末表征为漫反射标准，报告了 200 至 2500 nm 的绝对反射率；同一研究还表明，其反射率取决于制备密度和厚度，污染物可引起荧光[3]。Spectralon 等烧结 PTFE 材料被广泛用于同一目的；Stiegman 等在商品 Spectralon 中发现了一种固有的烃类杂质，它在紫外照射下导致反射率下降，可通过真空烘烤去除[4]。因此，参比本身就是一个光学元件，其清洁度和状态需要加以控制。波长参比则是另一回事：NIST SRM 2036 是一种与烧结 PTFE 接触的稀土氧化物玻璃，经认证给出 975 nm 至 1946 nm 之间七个谱带的位置，用于在漫反射或透反射模式下核查 NIR 光谱仪的波长标尺[5]。
漂移的来源
漂移既有仪器方面的原因，也有过程方面的原因，而参比测量只能校正其中一部分：
- 仪器响应。Workman 关于仪器性能的章节将短期、中期和长期漂移，波长准确度和精密度，光度准确度，线性以及噪声视为需要分别测试的量[6]。新的参比比值可以补偿样品与参比共有的光源强度和检测器响应变化，但无法补偿波长轴的偏移，后者需要波长标准[5][6]。
- 温度。温度会非线性地改变振动光谱的形状；Wülfert 等在乙醇/水/2-丙醇混合物的短波 NIR 光谱上表明，这会降低局部 PLS 模型的预测能力，而包含温度变化的全局模型更为稳健，但灵敏度有所损失[7]。Hageman 等综述了建立温度稳健定标的方法[8]。这是一种样品效应，无法通过重新采集参比来消除。
- 过程接口。在在线安装中，探头窗口上的沉积物是光路的一部分。在一项流化床干燥的在线研究中，Bogomolov 等发现探头结垢对水分预测准确度只有轻微影响，探头在不中断工艺的情况下定期清洁并重新校准[9]；影响的大小因应用而异，应加以核查而非想当然。
仪器性能测试
ASTM E1866 给出了设计紫外、可见、NIR 和中红外分光光度计性能测试的基本程序，包括单变量的 Level Zero 和 Level One 测试，以及用于快速日常检查的多变量 Level A 和 Level B 测试；它也适用于在线过程分光光度计[10]。此类测试可以提示故障或运行变化，但不能对其进行诊断或定量，也不用于比较不同制造商的仪器[10]。ASTM E1944 为实验室 FT-NIR 光谱仪定义了 Level Zero 和 Level One 测试，使分析人员能够借助兼容的核查样品，将仪器某一天的性能与其以往性能进行比较；该标准明确不适用于专用的过程 FT-NIR 分析仪[11]。波长标尺核查依赖 SRM 2036 等有证标准物质[5]，光度和噪声测试及其标准则见于 NIR 手册类文献[6]。
多久重新采集一次参比，以及如何检测漂移
上述来源均未规定通用的参比重采间隔；频率取决于仪器及其环境变化的快慢以及性能测试的结果。ASTM D6122-25 涵盖使用多元模型的在线、近线和实验室红外及拉曼（Raman）分析仪，它要求核查仪器性能，通过离群检测将每条光谱与定标空间进行比对，并要求结果在用户规定的限度内与主要测试方法一致[12]。该标准指出，仪器性能测试可以显示离群检测方法是否对仪器响应的变化作出反应[12]。在日常使用中，这提供了三种互补的信号：性能测试结果的趋势、光谱离群统计量的上升，以及与实验室参考值之间不断扩大的差异。Wise 和 Roginski 提出了一套路线图，用于依据此类证据判断何时需要维护，以及原因在于仪器还是样品[2]；如果仪器响应本身发生了变化，则适用标准化和定标转移方法[1]。
USTECH 的做法
过程 FT-NIR 分析仪 USTECH ProLine2550 将集成温度控制与基于内部波长参比的自动校准相结合，并随机提供参比校准板；ProLine17EC 监测光源状态和光学窗口完好性；近线分析仪 MasterLine17EC 采用 Spectralon 参比标准。ASTM E1866 和 D6122 所述类型的性能检查[10][12]可与过程模型中的离群监测相结合。特定安装需要怎样的参比计划和哪些检查，需通过使用贵方样品和工艺条件的可行性研究来确定。
参考文献
- [1] Workman, J.J. Jr. (2018). A review of calibration transfer practices and instrument differences in spectroscopy. Applied Spectroscopy, 72(3), 340–365. doi:10.1177/0003702817736064
- [2] Wise, B.M., Roginski, R.T. (2015). A calibration model maintenance roadmap. IFAC-PapersOnLine, 48(8), 260–265. doi:10.1016/j.ifacol.2015.08.191
- [3] Weidner, V.R., Hsia, J.J. (1981). Reflection properties of pressed polytetrafluoroethylene powder. Journal of the Optical Society of America, 71(7), 856–861. doi:10.1364/JOSA.71.000856
- [4] Stiegman, A.E., Bruegge, C.J., Springsteen, A.W. (1993). Ultraviolet stability and contamination analysis of Spectralon diffuse reflectance material. Optical Engineering, 32(4), 799–804. doi:10.1117/12.132374
- [5] Choquette, S.J., Duewer, D.L., Hanssen, L.M., Early, E.A. (2005). Standard Reference Material 2036 near-infrared reflection wavelength standard. Applied Spectroscopy, 59(4), 496–504. doi:10.1366/0003702053641414
- [6] Workman, J. Jr. (2021). Instrument performance calibration. In: Ciurczak, E.W., Igne, B., Workman, J. Jr., Burns, D.A. (Eds.), Handbook of Near-Infrared Analysis, 4th ed., 163–185. CRC Press, Boca Raton. doi:10.1201/b22513-11
- [7] Wülfert, F., Kok, W.Th., Smilde, A.K. (1998). Influence of temperature on vibrational spectra and consequences for the predictive ability of multivariate models. Analytical Chemistry, 70(9), 1761–1767. doi:10.1021/ac9709920
- [8] Hageman, J.A., Westerhuis, J.A., Smilde, A.K. (2005). Temperature robust multivariate calibration: an overview of methods for dealing with temperature influences on near infrared spectra. Journal of Near Infrared Spectroscopy, 13(2), 53–62. doi:10.1255/jnirs.457
- [9] Bogomolov, A., Mannhardt, J., Heinzerling, O. (2018). Accuracy improvement of in-line near-infrared spectroscopic moisture monitoring in a fluidized bed drying process. Frontiers in Chemistry, 6, 388. doi:10.3389/fchem.2018.00388
- [10] ASTM E1866-97(2021). Standard Guide for Establishing Spectrophotometer Performance Tests. ASTM International, West Conshohocken, PA. store.astm.org/e1866-97r21.html
- [11] ASTM E1944-98(2021). Standard Practice for Describing and Measuring Performance of Laboratory Fourier Transform Near-Infrared (FT-NIR) Spectrometers: Level Zero and Level One Tests. ASTM International, West Conshohocken, PA. store.astm.org/e1944-98r21.html
- [12] ASTM D6122-25. Standard Practice for Validation of the Performance of Multivariate Online, At-Line, Field and Laboratory Infrared Spectrophotometer, and Raman Spectrometer Based Analyzer Systems. ASTM International, West Conshohocken, PA. store.astm.org/d6122-25.html