1. 操作摘要

使用Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀收集藥物提取物（丹桂香浸膏）的光譜數據。樣品的固體%含量已知，然后加水降低固體含量。利用固體%含量的參考數據和光譜數據創建校正模型。校正模型的結果極好，顯示使用Brimrose自由空間光譜儀測量這類藥物提取物的固體%含量是的確可行的。使用一些樣品創建驗證集。利用校正模型和驗證集進行預測，預測的結果證實校正模型能獲取極好的結果。自由空間光譜儀被改進為透射方式操作。推薦訂購配有轉換為透射方式附件的Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀，允許進一步校正和測試。

1. 介紹

聲光可調濾波器（AOTF）的原理基于光在各向異性介質中的聲折射。裝置由粘在雙折射晶體上的壓電導層構成。當導層被應用的射頻（RF）信號激發時，在晶體內產生聲波。傳導中的聲波產生折射率的周期性調制。這提供了一個移動的相柵，在特定條件下折射入射光束的部分。對于一個固定的聲頻，光頻的一個窄帶滿足相匹配條件，被累加折射。RF頻率改變，光的帶通中心相應改變以維持相匹配條件。

光譜的近紅外范圍從800nm到2500 nm延伸。在這個區域最突出的吸收譜帶歸因于中紅外區域的基頻振動的泛頻和合頻。是基態到第二激發態或第三激發態的能級躍遷。因為較高能級躍遷連續產生的概率較小，每個泛頻的強度連續減弱。由于躍遷的第二或第三激發態所需的能量近似于第一級躍遷所需能量的二倍或三倍，吸收譜帶產生在基頻波長的一半和三分之一處。觸簡單的泛頻以外，也產生合頻。這些通常包括延伸加上一個或多個振動方式的伸縮。大量不同合頻是可能的，因而近紅外區域復雜，有許多譜帶彼此部分疊加。

現在，NIRS被用作定量工具，它依賴化學計量學來發展校正組成的參照分析和近紅外光譜的分析的關聯。近紅外數據的數學處理包括多元線性回歸法（MLR）、主成分分析法（PCA）、主成分回歸法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）和識別分析。所有這些算法可以單獨或聯合使用來得到有價值組成的定性描述和定量預測。

III. 方法

Brimrose公司得到5瓶不同固體%含量的丹桂香浸膏樣品。其中3瓶樣品的含量為71%，一瓶為72%，另一瓶為70%。使用Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀收集光譜數據，單一光程透射方式操作。每一個樣品收集7張光譜。每個樣品的第一張光譜是取自瓶內的原始樣品。一部分樣品被置于1mm裂縫容器的頂部，一個石英載片被放在上面以生成具有1mm單一光程的均勻樣品。樣品被放于光束下面，儀器掃描光譜范圍。檢測器在樣品的底部收集透過樣品的光。得到光譜數據后，新鮮樣品的一部分被稱重，添加已知量的水。樣品再次置于光譜儀下獲取光譜數據。這樣的步驟每個樣品做7次，獲取總共35張譜圖。每一張光譜都是250次掃描的平均結果。波長范圍從900nm到1690nm，2nm的分辨率。光譜數據以透射方式收集并處理為一階微分。使用化學計量學軟件程序解譯器從光譜數據和參考數據創建校正模型。驗證集從樣品中的某一些創建，這些驗證集被用來生成來自校正模型的預測。

IV.結果

1. 光譜

圖2.? 丹桂香浸膏的35個不同固體%含量樣品的吸收光譜

樣品的吸收光譜顯示在1450nm區的變化。這是水的吸收區域，也是期望看到光譜數據的改變歸因于水含量和固體%含量改變的區域。

圖3. 丹桂香浸膏的35個不同固體%含量樣品的一階微分光譜

一階微分光譜顯示光譜數據的最大改變發生在910nm~950nm區，1100nm~1200nm區和1300nm~1550nm區。隨后的圖顯示了在這些波長區的放大的一階微分光譜。

圖4.? 在910~950nm波長區的放大的一階微分光譜

圖5. 在1100~1200nm波長區的放大的一階微分光譜

圖6. 在1300~1500nm波長區的放大的一階微分光譜

2.回歸和模型化

偏最小二乘回歸法被用于吸收光譜和一階微分光譜。結果是近似的，因而決定使用從吸收光譜計算得到的模型。

圖 7.? PLS 1 回歸模型用于丹桂香浸膏的固體%含量.

PLS 1回歸模型關聯丹桂香浸膏的固體%含量和使用Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀收集的光譜數據。模型使用6個主成分，顯示固體%含量和光譜數據間的極好相關性。光譜數據和參照數據間的關聯的相關系數等于0.992。對于如此有限的研究，這個結果是非常好的。根據過去的大量應用經驗，能夠肯定的說，使用具有更多樣品的樣品集可以創建和參考方法具有同樣精度的模型。

圖 8.? ?PLS 1 回歸模型用于固體 %含量的相關系數

回歸系數指明哪個波長區域包含用于模型的光譜信息。清楚的看到在1300nm~1550nm范圍有大系數，也是一階微分光譜顯示的最大變化的波長區。在1450nm水的吸收和這些改變的某一些肯定歸因于水含量的改變。然而，一階微分光譜中的變化和回歸系數的變化都發生在一個把這些變化僅僅解釋為水含量改變的很寬的波長區。由于加水，固體濃度發生改變， 來自920nm~1100nm區的對回歸的貢獻或許反應這些變化。

3. 預測

通過數據集以外的一點和不包括這個數據點的校正模型來預測，然后使用校正模型進行預測固體%含量，預測值和參照值比較。這種程序做了5次，得到5個預測的結果，并顯示在下表中。

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表1.丹桂香浸膏的固體%含量的參考值和預測值比較。

預測的結果極好，證實PLS 1回歸模型關聯固體%含量和使用Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀收集的光譜數據的有效性。一個校正模型在取出一個點用于驗證后只包含34個點，可以預期使用較大的數據集可以獲取更好的結果。

V.結論和推薦

Bimrose AOTF-NIR光譜儀使用光譜數據和校正模型確實能夠預測丹桂香浸膏的固體%含量。這次實驗結果非常好，特別考慮小數據集用于校正模型。使用更大的數據集進一步校正和測試將產生更精確的結果。這項研究的數據是以透射方式收集的。因為丹桂香浸膏高濃度時的非常大的粘度，在線透射測量或許是難以實現。從處理樣品的實際考慮，最有效的方法是提供配有透射測量附件的Luminar 3030自由空間光譜儀。用于收集丹桂香浸膏光譜數據的理想儀器是配有轉換為透射測量方式的附件的Luminar 3030自由空間光譜儀。因此，推薦購買Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀，允許進一步校正和試驗。