采用AOTF 近紅外光譜技術(shù)測(cè)定磺胺甲嘧啶 和玉米淀粉中混合物均勻度

摘 要 本文分別掃描不同濃度梯度的磺胺甲嘧啶，嘗試對(duì)磺胺甲嘧啶進(jìn)行近紅外定量分析的可行性，通過(guò)建立回歸模型，證明了利用光譜數(shù)據(jù)測(cè)定磺胺甲嘧啶活性%是可行性的,而在磺 胺甲嘧啶和玉米淀粉混合均勻度的觀察中，可以看到，在對(duì)兩種混合物進(jìn)行不同程度的混合 時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同混合程度樣品的光譜差別是顯而易見的。

關(guān)鍵詞 聲光可調(diào)；近紅外光譜；磺胺甲嘧啶；均勻度；偏最小二乘法

近紅外(NIR)光譜法是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種綠色分析技術(shù)，并以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)開始應(yīng)用 于中藥分析, 以往多采用傅立葉變換近紅外光譜儀。20 世紀(jì) 90 年代末出現(xiàn)了第 5 代聲光可 調(diào)（AOTF）近紅外光譜儀，被稱為“90 年代近紅外光譜儀最突出的進(jìn)展”。這種新型的近紅 外光譜儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重現(xiàn)性好和儀器環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，將過(guò)去必須在室內(nèi)， 且對(duì)溫度、濕度、灰塵、防震均有嚴(yán)格要求的各項(xiàng)檢測(cè)轉(zhuǎn)移到了生產(chǎn)在線和現(xiàn)場(chǎng)（室外）。 最近幾年，AOTF-近紅外光譜分析儀引進(jìn)國(guó)內(nèi)，已經(jīng)開始應(yīng)用于煙草及化工行業(yè)中 。

在制藥企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，混料均勻度的檢測(cè)一般依靠傳統(tǒng)的方法，依靠積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)混 料的均勻度進(jìn)行人為地控制，而實(shí)際操作過(guò)程中由于各種影響因素的變化，往往導(dǎo)致混合均 一度操作的時(shí)間有所不同，而近紅外光譜分析方法在這里就有了用武之地。本文擬用 AOTF 近紅外光譜技術(shù)來(lái)對(duì)磺胺甲嘧啶和玉米淀粉中混合過(guò)程中均勻度的變化情況進(jìn)行光譜檢測(cè)， 以期達(dá)到對(duì)磺胺甲嘧啶和玉米淀粉中混合物均勻度進(jìn)行定量檢測(cè)的目的。

1．實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器條件和樣品

儀器：美國(guó) BRIMROSE 公司產(chǎn) AOTF-NIR 自由空間（Free Space TM）近紅外光譜儀， 主要部件包括：光學(xué)部分、控制部分、電源適配器。軟件包括 SNAP!光譜處理軟件和 CAMO 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件。

掃描參數(shù)設(shè)置：光譜范圍 1100～2300nm，波長(zhǎng)增量 2.0nm，平均次數(shù) 100，測(cè)樣方式為漫反射。

樣品：磺胺甲嘧啶和玉米淀粉樣品的不同比例的混合物。

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

采用 Brimrose 公司 AOTF-NIR 自由空間（Free Space TM）近紅外光譜儀掃描磺胺甲嘧啶和玉米淀粉樣品的光譜數(shù)據(jù)。本次研究由兩部分構(gòu)成： 第一部分為定量模型的建立。掃描不同磺胺甲嘧啶活性%的樣品，樣品包括以下活性%：0，20，40，60，80，100，活性%增加時(shí)，從光譜圖中分析差別，然后利用光譜數(shù)據(jù)和活性%的值來(lái)建立 PLS1 回歸模型。 第二部分為磺胺甲嘧啶和玉米淀粉混合均勻度的觀察。將等量的兩種成分置入小瓶中，不混合掃描光譜。然后輕度混合，混合多次后再劇烈混合，在每次混合后掃描光譜，是為了 觀察混合增加時(shí)光譜的差別是否可以監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示混合加強(qiáng)時(shí)有非常明顯的差別，特別是 在劇烈混合的樣品的光譜中。在測(cè)定 75%活性和 25%玉米淀粉時(shí)重復(fù)這一過(guò)程，結(jié)果相似。

提供了兩種純成分，玉米淀粉和磺胺甲嘧啶，另外樣品的磺胺甲嘧啶活性%分別為：20， 40，60，80。采用近紅外光譜儀掃描樣品的光譜數(shù)據(jù)。在玻璃小瓶中盛裝樣品并且透過(guò)小瓶 對(duì)樣品進(jìn)行掃描，光譜儀上的特殊附件允許透過(guò)小瓶的底部對(duì)樣品進(jìn)行掃描。

1．3 數(shù)據(jù)處理

本研究的第一部分為掃描純成分和預(yù)混合的樣品，每個(gè)樣品掃描 5 次，總共獲取 30 個(gè) 光譜。波長(zhǎng)范圍為 1100nm-2300nm，波長(zhǎng)增量為 2nm，每次掃描 100 次平均為一個(gè)光譜，原 始透過(guò)光譜處理為吸收光譜和一階階分光譜，處理完成的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入 The Unscrambler 化 學(xué)計(jì)量學(xué)軟件包，建立 PLS1 回歸模型。

本次研究的第二部分為觀察磺胺甲嘧啶和玉米淀粉的混合過(guò)程。這兩部分不經(jīng)過(guò)混合倒 入小瓶中并掃描光譜，然后輕度混合，混合多次后再劇烈混合，在每次混合后掃描光譜。參 數(shù)設(shè)置與本次研究第一部分相同，原始透過(guò)光譜處理為吸收光譜和一階微分光譜，以便觀察 隨著混合水平的增加，光譜的差別是否明顯。

2. 結(jié)果與分析

2． 1 預(yù)混合樣品的光譜和建模結(jié)果分析

原始透過(guò)光譜處理為吸收光譜和一階微分光譜。圖 2~圖 5 顯示吸收光譜和一階微分的 光譜。

吸收光譜顯示有不同磺胺甲嘧啶活性%樣品的光譜的差別，圖 3 顯示因?yàn)榛前芳奏奏せ?性%不同而導(dǎo)致光譜差異變化明顯的波長(zhǎng)區(qū)域。

圖 3 中標(biāo)注的數(shù)字是磺胺甲嘧啶活性%的數(shù)據(jù)。可以清楚地看出，活性%增加時(shí)，這一 區(qū)域吸光度的值也增加。這說(shuō)明，活性%的定量建模應(yīng)該是可行的。

圖 4 顯示預(yù)混合樣品的一階微分光譜。含活性 0%的樣品的光譜與不含活性分子的樣品是決然不同的。圖 5 顯示的是與磺胺甲嘧啶活性%有關(guān)的光譜差異明顯的波長(zhǎng)范圍。

在這一波長(zhǎng)區(qū)域的光譜差別清晰可辨。吸收光譜和一階微分光譜都導(dǎo)入 The Unscrambler 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件程序用于建模。建立 PLS1 回歸模型。采用吸收光譜的模型結(jié)果較好，圖 6 顯示的就是這個(gè)模型。

磺胺甲嘧啶活性%的回歸模型顯示吸收光譜和參照值之間的相關(guān)性非常好。校正和驗(yàn)證 的相關(guān)系數(shù)高達(dá) 0.9923 和 0.9910，主成分?jǐn)?shù)為 2，使用更多的樣品建模的效果會(huì)更好。模型 證明了利用光譜數(shù)據(jù)測(cè)定磺胺甲嘧啶活性%是可行性的。圖 7 的載入分量圖表明，活性%變 化時(shí)，模型將波長(zhǎng)區(qū)域（在此區(qū)域可以看到圖案）的信息載入光譜。下圖顯示了載入分量圖。

PLS1 回歸模型載入分量圖的峰值預(yù)示著模型獲取相關(guān)信息的波長(zhǎng)區(qū)域。模型從大量波 長(zhǎng)范圍內(nèi)獲取相關(guān)信息，但最多的信息來(lái)自于 1930nm-2210nm 的波長(zhǎng)范圍。載入分量圖表 明，模型是使用相關(guān)信息來(lái)互動(dòng)的。模型顯示，用光譜數(shù)據(jù)測(cè)定磺胺甲嘧啶活性%是可行的， 預(yù)示著利用光譜數(shù)據(jù)對(duì)其他參數(shù)（如濕度）的定量測(cè)定也應(yīng)該是可行的。本次研究的第二部 分為加強(qiáng)混合的同時(shí)掃描混合物。下面顯示了研究中這一部分的光譜。

2．2 混合量不同的樣品光譜及光譜分析

圖 8 是具有四種不同混合水平的 50%活性和 50%玉米淀粉的混合物的吸收光譜。第一組 光譜是在將這兩種粉末放入小瓶（并未混合）之后收集的，第二組光譜是在有少量的混合之 后收集的，第三組光譜是在有更多的混合之后收集的，第四組光譜是在加強(qiáng)了混合之后收集 的，混合均勻的樣品的光譜有很大的差別。因小瓶的定位不同，有一個(gè)小的基線漂移，化學(xué) 計(jì)量學(xué)建模能很好地處理基線漂移，在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化的系統(tǒng)將不會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。需要注 意的事情是光譜外形的差別，圖 9、圖 10 顯示了混合均勻樣品清晰差別的波長(zhǎng)區(qū)域。

混合均勻的樣品的光譜差別非常明顯。如果樣品更大或者用其他方式混合，其他樣品的 差別會(huì)更明顯。圖 11 的一階微分光譜消除了所有基線漂移的影響，使四種類型的樣品之間 的差別更為明顯。

混合均勻的樣品的一階微分光譜的差別同樣非常明顯。基線漂移影響的消除使得其他樣 品之間的差別更為明顯。圖 12、圖 13 顯示了隨著混合水平的提高而光譜的波長(zhǎng)區(qū)域。

吸收光譜和一階微分光譜都顯示，混合物均勻水平可從光譜數(shù)據(jù)中分析出來(lái)。實(shí)際應(yīng) 用將均勻混合物的目標(biāo)光譜作為背景文件，光譜儀不間斷地掃描并將獲取的光譜和背景光譜 進(jìn)行比較，一旦獲取的光譜與背景光譜相符，光譜儀就顯示混合完成。這一過(guò)程在測(cè)定 75% 活性的磺胺甲嘧啶的混合物時(shí)重復(fù)進(jìn)行。圖 14、圖 15 顯示了 75%活性不同混合水平的吸收 光譜和一階微分光譜。

雖然 75%活性不同混合水平的差別沒有 50%活性樣品的明顯，但仍然很清晰。差別不明 顯的原因可能有兩個(gè)：一是樣品中更多的磺胺甲嘧啶使得光譜的差別變小；二是在混合樣品 時(shí)的人為誤差。在第二次樣品混合時(shí)將粉末混合到近于第三次混合的水平是可能的。差別仍 然足夠明顯，可分辨出混合的水平；混合結(jié)束時(shí)，仍然可以將獲取的光譜和背景目標(biāo)光譜匹 配起來(lái)。

3．結(jié)論

本次研究結(jié)果表明，采用 Brimrose AOTF-NIR 自由空間（Free Space TM）光譜儀測(cè)定活 性成分和玉米淀粉混合物中的磺胺甲嘧啶活性%以及從光譜數(shù)據(jù)中測(cè)定混合物均勻度都是 可行的。

回歸模型顯示了吸收光譜和磺胺甲嘧啶活性%之間良好的相互關(guān)系。吸收光譜和一階微 分光譜都顯示了混合物水平增加時(shí)的圖形，混合均勻的樣品的差別也非常明顯。本次研究的 結(jié)果是可以改進(jìn)的，過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，在校正集模型中使用 100 個(gè)或更多的樣品將使模 型更完善，預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確。關(guān)于混合水平，使用有恒定方式的更大的樣品組來(lái)混合粉末結(jié)果 會(huì)更好。同時(shí)也已證明，實(shí)驗(yàn)室研究的結(jié)果也可應(yīng)用于實(shí)際在線環(huán)境。

Brimrose AOTF-NIR 自由空間（Free Space TM）光譜儀是實(shí)時(shí)在線過(guò)程檢測(cè)的理想工具。 AOTF 技術(shù)無(wú)移動(dòng)部件，不需重新校正系統(tǒng)便可快速掃描。在混合應(yīng)用中，無(wú)移動(dòng)部件是非 常重要的，因?yàn)楣庾V儀與電池組將一起裝載于混料機(jī)上。已混合的粉末的光譜將被用作背景， 獲取的光譜將與背景光譜做比較，當(dāng)獲取的光譜與背景光譜相匹配時(shí)，光譜儀便知道混合完 成。光譜的差別表明混合均勻度測(cè)量方法是可行的。本次研究第一部分的結(jié)果表明對(duì)磺胺甲 嘧啶活性%的定量測(cè)量是可行的，對(duì)其他參數(shù)定量測(cè)定也是可能的。第二部分表明使用光譜 數(shù)據(jù)測(cè)定混合物均勻度是可行的。