使用Brimrose AOTF-NIR光谱仪测量药物提取物的固体%含量

1. 操作摘要

使用Brimrose Luminar 3030自由空间光谱仪收集药物提取物（丹桂香浸膏）的光谱数据。样品的固体%含量已知，然后加水降低固体含量。利用固体%含量的参考数据和光谱数据创建校正模型。校正模型的结果极好，显示使用Brimrose自由空间光谱仪测量这类药物提取物的固体%含量是的确可行的。使用一些样品创建验证集。利用校正模型和验证集进行预测，预测的结果证实校正模型能获取极好的结果。自由空间光谱仪被改进为透射方式操作。推荐订购配有转换为透射方式附件的Brimrose Luminar 3030自由空间光谱仪，允许进一步校正和测试。

1. 介绍

声光可调滤波器（AOTF）的原理基于光在各向异性介质中的声折射。装置由粘在双折射晶体上的压电导层构成。当导层被应用的射频（RF）信号激发时，在晶体内产生声波。传导中的声波产生折射率的周期性调制。这提供了一个移动的相栅，在特定条件下折射入射光束的部分。对于一个固定的声频，光频的一个窄带满足相匹配条件，被累加折射。RF频率改变，光的带通中心相应改变以维持相匹配条件。

光谱的近红外范围从800nm到2500 nm延伸。在这个区域最突出的吸收谱带归因于中红外区域的基频振动的泛频和合频。是基态到第二激发态或第三激发态的能级跃迁。因为较高能级跃迁连续产生的概率较小，每个泛频的强度连续减弱。由于跃迁的第二或第三激发态所需的能量近似于第一级跃迁所需能量的二倍或三倍，吸收谱带产生在基频波长的一半和三分之一处。触简单的泛频以外，也产生合频。这些通常包括延伸加上一个或多个振动方式的伸缩。大量不同合频是可能的，因而近红外区域复杂，有许多谱带彼此部分叠加。
现在，NIRS被用作定量工具，它依赖化学计量学来发展校正组成的参照分析和近红外光谱的分析的关联。近红外数据的数学处理包括多元线性回归法（MLR）、主成分分析法（PCA）、主成分回归法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）和识别分析。所有这些算法可以单独或联合使用来得到有价值组成的定性描述和定量预测。
 
III. 方法
Brimrose公司得到5瓶不同固体%含量的丹桂香浸膏样品。其中3瓶样品的含量为71%，一瓶为72%，另一瓶为70%。使用Brimrose Luminar 3030自由空间光谱仪收集光谱数据，单一光程透射方式操作。每一个样品收集7张光谱。每个样品的第一张光谱是取自瓶内的原始样品。一部分样品被置于1mm裂缝容器的顶部，一个石英载片被放在上面以生成具有1mm单一光程的均匀样品。样品被放于光束下面，仪器扫描光谱范围。检测器在样品的底部收集透过样品的光。得到光谱数据后，新鲜样品的一部分被称重，添加已知量的水。样品再次置于光谱仪下获取光谱数据。这样的步骤每个样品做7次，获取总共35张谱图。每一张光谱都是250次扫描的平均结果。波长范围从900nm到1690nm，2nm的分辨率。光谱数据以透射方式收集并处理为一阶微分。使用化学计量学软件程序解译器从光谱数据和参考数据创建校正模型。验证集从样品中的某一些创建，这些验证集被用来生成来自校正模型的预测。
IV.结果

1. 光谱

图2.  丹桂香浸膏的35个不同固体%含量样品的吸收光谱
样品的吸收光谱显示在1450nm区的变化。这是水的吸收区域，也是期望看到光谱数据的改变归因于水含量和固体%含量改变的区域。

图3. 丹桂香浸膏的35个不同固体%含量样品的一阶微分光谱
一阶微分光谱显示光谱数据的最大改变发生在910nm~950nm区，1100nm~1200nm区和1300nm~1550nm区。随后的图显示了在这些波长区的放大的一阶微分光谱。

图4.  在910~950nm波长区的放大的一阶微分光谱

图5. 在1100~1200nm波长区的放大的一阶微分光谱

图6. 在1300~1500nm波长区的放大的一阶微分光谱
2.回归和模型化
偏最小二乘回归法被用于吸收光谱和一阶微分光谱。结果是近似的，因而决定使用从吸收光谱计算得到的模型。

图 7.  PLS 1 回归模型用于丹桂香浸膏的固体%含量.
PLS 1回归模型关联丹桂香浸膏的固体%含量和使用Brimrose Luminar 3030自由空间光谱仪收集的光谱数据。模型使用6个主成分，显示固体%含量和光谱数据间的极好相关性。光谱数据和参照数据间的关联的相关系数等于0.992。对于如此有限的研究，这个结果是非常好的。根据过去的大量应用经验，能够肯定的说，使用具有更多样品的样品集可以创建和参考方法具有同样精度的模型。

图 8.   PLS 1 回归模型用于固体 %含量的相关系数
 
回归系数指明哪个波长区域包含用于模型的光谱信息。清楚的看到在1300nm~1550nm范围有大系数，也是一阶微分光谱显示的最大变化的波长区。在1450nm水的吸收和这些改变的某一些肯定归因于水含量的改变。然而，一阶微分光谱中的变化和回归系数的变化都发生在一个把这些变化仅仅解释为水含量改变的很宽的波长区。由于加水，固体浓度发生改变， 来自920nm~1100nm区的对回归的贡献或许反应这些变化。
 

3. 预测

通过数据集以外的一点和不包括这个数据点的校正模型来预测，然后使用校正模型进行预测固体%含量，预测值和参照值比较。这种程序做了5次，得到5个预测的结果，并显示在下表中。
 

 
表1.丹桂香浸膏的固体%含量的参考值和预测值比较。
预测的结果极好，证实PLS 1回归模型关联固体%含量和使用Brimrose Luminar 3030自由空间光谱仪收集的光谱数据的有效性。一个校正模型在取出一个点用于验证后只包含34个点，可以预期使用较大的数据集可以获取更好的结果。
 
V.结论和推荐
Bimrose AOTF-NIR光谱仪使用光谱数据和校正模型确实能够预测丹桂香浸膏的固体%含量。这次实验结果非常好，特别考虑小数据集用于校正模型。使用更大的数据集进一步校正和测试将产生更精确的结果。这项研究的数据是以透射方式收集的。因为丹桂香浸膏高浓度时的非常大的粘度，在线透射测量或许是难以实现。从处理样品的实际考虑，最有效的方法是提供配有透射测量附件的Luminar 3030自由空间光谱仪。用于收集丹桂香浸膏光谱数据的理想仪器是配有转换为透射测量方式的附件的Luminar 3030自由空间光谱仪。因此，推荐购买Brimrose Luminar 3030自由空间光谱仪，允许进一步校正和试验。