摘?? 要??? 本文采用 AOTF 近紅外光譜技術(shù)以自由空間方式對(duì)噴霧干燥器中的微晶纖維素樣品 進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，針對(duì) 4 種不同產(chǎn)品類型的微晶纖維素樣品分別建立了主成分分析模型和 偏最小二乘法（PLS1）回歸模型。通過主成分分析模型，結(jié)果顯示 4 種產(chǎn)品類型是相互獨(dú)立 的。通過偏最小二乘法（PLS1），建立了濕度的回歸模型，模型的校準(zhǔn)圖相關(guān)系數(shù)是 0.9935， SEC 值是 0.1772，模型的驗(yàn)證圖相關(guān)系數(shù)是 0.9930，SEP 值是 0.1833。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AOTF-NIR Luminar3030 自由空間光譜儀利用使用光譜數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)模型，能夠快速準(zhǔn)確地預(yù)測微晶纖維 素的濕度水平。

主題詞?? 聲光可調(diào)濾光器；近紅外光譜；微晶纖維素；偏最小二乘法（PLS1）

微晶纖維素（Avicel™）是一種無臭無味細(xì)微的白色粉末，已不具有纖維性而流動(dòng)性極 佳，不溶于水、有機(jī)溶劑及微酸等，而部分溶于微堿中，其純度極高，無論有機(jī)或無機(jī)的雜 質(zhì)含量極微。

因其氫氧基群所以與水具親和力，但吸濕度有 一定限量，因其結(jié)晶度比一般木漿纖維還高，相 對(duì)地稀釋度較低，在 25℃相對(duì)濕度 65%時(shí)，平衡 濕度約 8%。除了強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、酮氨和氧化劑外， 微晶纖維素對(duì)所有溶劑都很穩(wěn)定。微晶纖維素具有纖維狀結(jié)構(gòu)，多孔性，優(yōu)良的粘合性能，良好的片劑硬度、可壓性、稀釋性及快速崩解。 因此，微晶纖維素常在醫(yī)藥產(chǎn)品生產(chǎn)中用做片劑填充劑 (稀釋劑) 、膠囊助流劑等。微晶纖 維素較其他常用輔料相比，具有更好的粘合性能，可作直接壓片的粘合劑。微晶纖維素在咀 嚼片中也是較為常用的輔料。

微晶纖維素顆粒的質(zhì)量直接影響到壓片性能，導(dǎo)致裂片的因素很多，顆粒的粒度組成之 間的結(jié)合力是關(guān)鍵因素。在生產(chǎn)中由于微晶纖維素質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致顆粒的質(zhì)量難以掌握， 重現(xiàn)性不好，顆料之間的差異較大，從而影響片重差異。當(dāng)微晶纖維素的含水量超過 3%時(shí)， 混合及壓片過程中，有產(chǎn)生靜電的傾向，從而出現(xiàn)分離和條痕現(xiàn)象。常規(guī)檢測微晶纖維素的 濕度有一定的難度，而且無法實(shí)現(xiàn)在線檢測。近紅外光譜分析（Near Infrared Spectroscopy, NIR）具有簡便快速、無污染以及樣品的非破壞性等特點(diǎn)，非常適合做在線檢測。

90 年代末，來自航天技術(shù)的聲光可調(diào)濾光器（Acousto-Optic Tunable Filter , 縮寫 AOTF）技術(shù)的問世，被認(rèn)為是“90 年代近紅外光譜儀最突出的進(jìn)展”。 AOTF 是利用超聲波 與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件，與通常的單色器相比，光學(xué)系統(tǒng)無移動(dòng)性部件，波長切換快、重現(xiàn)性好，程序化的波長控制使得這種儀器的應(yīng)用具有更大的靈活性。AOTF 技術(shù)與 NIR 的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)室和在線檢測提供了可能。 AOTF－NIR 的這些優(yōu)點(diǎn)使其近年來在工業(yè)在線和現(xiàn)場（室外）分析中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 本文采用 AOTF 在線近紅外光譜儀直接在噴霧干燥器上以自由空間式對(duì)樣品進(jìn)行快速檢測。

1. 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?儀器條件和樣品處理

儀器：美國 BRIMROSE 公司的 Luminar 3030 自由空間式在線近紅外光譜儀，Snap!光譜 采集處理軟件，The Unscrambler 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件，波長范圍從 1200nm 到 2200nm，波 長增量為 2nm。 樣品：將儀器直接安裝在噴霧干燥器的一個(gè)窗口上，在線采集微晶纖維素樣品的近紅外 光譜。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

把一臺(tái) Brimrose Luminar3030 自由空間光譜儀安裝在噴霧干燥器的一個(gè)窗口上，光譜 是從 4 種不同成品類型的水分含量變化的微晶纖維素收集的。為了找到濕度的參考值，每個(gè) 樣品都收集一個(gè)光譜。波長范圍從 1200nm 到 2200nm，波長增量為 2nm。光譜以吸收模式被 收集起來，再處理成一階微分光譜。使用 The Unscrambler 軟件程序進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)分析。 通過分離 4 種不同成品的微晶纖維素得到的光譜數(shù)據(jù)而建立一個(gè)主成分分析模型，來進(jìn)行定 性分析。通過光譜數(shù)據(jù)和與濕度的參考數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，建立一個(gè)偏最小二乘法（PLS1）模型， 來進(jìn)行定量分析。

2. 結(jié)果與討論

2.1 近紅外光譜數(shù)據(jù)的采集

在微晶纖維素的吸收光譜上可以清晰地看到，有一個(gè)很大的變化，并且在 1900 納米和1950 納米之間還出現(xiàn)了波峰。這是一個(gè)水分吸收的波長范圍，也是期望找到由于濕度的變化而在光譜數(shù)據(jù)里產(chǎn)生變化的一個(gè)范圍。

一階微分光譜顯示了從 1400 納米到 1450 納米、從 1900 納米到 1950 納米的的水分吸收 區(qū)內(nèi)的變化。這表示濕度變化與光譜數(shù)據(jù)緊密相聯(lián)。化學(xué)計(jì)量學(xué)分析將證實(shí)使用 Brimrose 自 由空間光譜儀獲得的數(shù)據(jù)是與濕度變化是相關(guān)聯(lián)的。

2.2 回歸與建模

分析圖 3 中 4 種不同的顏色代表 4 種不同產(chǎn)品類型的微晶纖維素。很顯然，4 種產(chǎn)品類 型是相互獨(dú)立的。這種獨(dú)立很重要，因?yàn)檫@樣可以為每一種產(chǎn)品類型建立校準(zhǔn)模型。每種特 定產(chǎn)品的模型比多種產(chǎn)品的綜合模型產(chǎn)生的結(jié)果要精確的多。主成分分析模型能夠用來見證 微晶纖維素的產(chǎn)品類型，正確的校準(zhǔn)模型可以用于濕度預(yù)測。

與微晶纖維素內(nèi)濕度密切相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)圖顯示出理想的檢測結(jié)果。79 號(hào)樣品 作為異常值被去掉，1-10 號(hào)樣品的參考值有疑問也被去掉。相關(guān)系數(shù)是 0.9935，SEC 值是 0.1772。重要的一點(diǎn)是光譜數(shù)據(jù)是受制于 4 種產(chǎn)品的。給一組數(shù)量龐大、各不相同的樣品建 立校準(zhǔn)模型是允許模型忽略由于其他因素造成的光譜差異的，其重點(diǎn)是放在由于重要變量引 起的差異上。就此情況，盡管 4 種產(chǎn)品類型產(chǎn)生了光譜差異，但是模型足以充分顯示由于濕 度而引起的光譜差異。當(dāng)每種產(chǎn)品建立了自己的模型，檢測結(jié)果會(huì)更好。模型顯示一定范圍 的微晶纖維素內(nèi)濕度與光譜數(shù)據(jù)相關(guān)性，檢測結(jié)果的驗(yàn)證圖也將證明這一點(diǎn)。

微晶纖維素的偏最小二乘法（PLS1）回歸模型的驗(yàn)證圖證實(shí)了校準(zhǔn)圖中的理想結(jié)果。其 相關(guān)系數(shù)是 0.9930，SEP 值是 0.1833。這些數(shù)字表明，使用 Brimrose 光譜儀和一個(gè)校準(zhǔn)模 型獲得的光譜數(shù)據(jù)能夠測量微晶纖維素的濕度。

回歸系數(shù)顯示了為模型提供相關(guān)信息的波長區(qū)域。此模型的回歸系數(shù)肯定了相關(guān)信息來自波長范圍為 1400 納米到 1450 納米、1900 納米到 1950 納米的水分吸收區(qū)域。

2.3 結(jié)果預(yù)測

預(yù)測程序用一個(gè)校準(zhǔn)模型使用光譜數(shù)據(jù)去檢測的假定變量。建立一個(gè)與濕度相關(guān)聯(lián)的光 譜數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型，并且在程序中用這個(gè)模型對(duì)微晶纖維素的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線預(yù)測。如果 一個(gè)被測變量超出了特定的范圍，預(yù)測結(jié)果可以用來建立過程警報(bào)。這個(gè)警報(bào)可以連接到過 程控制系統(tǒng)，可以在過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的調(diào)節(jié)。該程序可以應(yīng)用通過分離不同的產(chǎn)品類 型來鑒定一個(gè)特定的產(chǎn)品類型的主成分分析模型。程序然后選擇適合那種產(chǎn)品類型的特定的 校準(zhǔn)模型。特定的校準(zhǔn)模型將提供最好最準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

3. 結(jié) 論

這次研究結(jié)果說明，Brimrose AOTF-NIR Luminar3030 自由空間光譜儀使用光譜數(shù)據(jù)和 一個(gè)校準(zhǔn)模型，能夠很快、很精確地預(yù)測微晶纖維素的濕度水平。自由空間光譜儀的技術(shù)可 在過程中無任何干擾地進(jìn)行光譜的快速檢測。AOTF 可以在沒有移動(dòng)部件的情況下，進(jìn)行快 速檢測，這使得自由空間光譜儀在工業(yè)過程的使用效果非常理想。

模型的結(jié)果很完美，過去的經(jīng)驗(yàn)也表明，隨著檢測樣品數(shù)量的增加，模型會(huì)更加精確。 盡管使用一個(gè)偏最小二乘法（PLS1）模型檢測 4 種微晶纖維素的產(chǎn)品類型的濕度的結(jié)果不錯(cuò)， 但是如果 4 種微晶纖維素分別建立自己的模型，檢測結(jié)果會(huì)更好。主成分分析模型可以選擇 相應(yīng)產(chǎn)品類型，然后調(diào)用相應(yīng)的模型進(jìn)行濕度分析。這些模型可以進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，而且，也 可在過程控制系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的警報(bào)，警戒線，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。