采用 AOTF 近紅外光譜技術(shù)測定藥物原料的化學(xué)成分
摘要 本文采用 Brimrose AOTF 近紅外光譜儀和校正集模型測定原始粉狀抗生素的純度和濕 度，建立了測量粉狀抗生素純度的偏最小二乘回歸模型，使用 4 個(gè)主成分，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEP）為 0.1，相關(guān)系數(shù)為 0.957，在克服了代表樣品數(shù)量小、范圍窄以及參考方法的不精 確等影響因素后，Brimrose AOTF 近紅外光譜儀也能準(zhǔn)確測量粉狀抗生素的濕度。
關(guān)鍵詞 聲光可調(diào)；近紅外光譜；抗生素；偏最小二乘法
近紅外(NIR)光譜法是近年來發(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,傳統(tǒng)的紅外分光光度技術(shù)采用棱鏡或光柵做色散元件，以這些色散元件為核 心的紅外光譜測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本高，使得分析檢測僅適于實(shí)驗(yàn)室條件下 應(yīng)用。自20世紀(jì)80年代后期，一種新型的色散元件——聲光可調(diào)濾光器（Acousto-optic tunable filter，簡稱AOTF）逐漸受到人們的重視。AOTF是基于各向異性的雙折射晶體的聲 光衍射原理，利用超聲波與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件。與傳統(tǒng)的基于機(jī)械調(diào)諧 分光元件的光譜儀器相比，以AOTF作為分光元件的光譜儀具有明顯的優(yōu)越性：它結(jié)構(gòu)簡單， 光學(xué)系統(tǒng)無移動(dòng)性部件，體積小，集光能力強(qiáng)，最吸引人之處在于它的波長切換快、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，尤其是外部防塵和內(nèi)置的溫 度、濕度集成控制裝置，大大提高了儀器的環(huán)境適應(yīng)性，加之全固態(tài)集成設(shè)計(jì)產(chǎn)生優(yōu)異的避 震性能，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,最近幾年， AOTF-近紅外光譜分析儀引進(jìn)國內(nèi)，已經(jīng)開始應(yīng)用于煙草及化工行業(yè)中。
對醫(yī)藥原料進(jìn)行定性和定量分析的一些傳統(tǒng)方法單調(diào)乏味，占用大量時(shí)間，需要寶貴的 人力、物力和大量時(shí)間來測定原料的成分，無法保證工業(yè)流水線操作的連續(xù)性，且樣品經(jīng)預(yù) 處理，化學(xué)分析后，無法再回收利用，Brimrose AOTF 近紅外光譜儀提供了快速、精確并且 環(huán)保的方法，確定相同的參數(shù)只需要較少的時(shí)間和勞動(dòng)，即可得出非常精確的檢測結(jié)果，有 望成為傳統(tǒng)化學(xué)分析儀器的的良好替代產(chǎn)品。
1．實(shí)驗(yàn)部分
1．1 儀器條件和樣品
儀器：美國 BRIMROSE 公司產(chǎn)的 Luminar 2000 型近紅外光譜儀，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 1200～2200nm，波長增量 2.0nm，平均次數(shù) 200，測樣方式為漫反射。
1．2 實(shí)驗(yàn)方法
提供了 30 個(gè)固態(tài)粉狀原料抗生素樣品，樣品中給出了純度和濕度參考值。采用 Brimrose AOTF-NIR Luminar 2000 近紅外光譜儀收集 30 個(gè)樣品的光譜數(shù)據(jù)。將光纖束漫反射探頭安 裝在分析儀上，在 1200nm-2200nm 的波長范圍內(nèi)掃描光譜數(shù)據(jù)，每個(gè)樣品收集 200 個(gè)掃描結(jié) 果并將這些結(jié)果平均為一個(gè)光譜，每個(gè)樣品數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間約為 20 秒。光譜以透過率模式 收集，然后處理為吸收光譜和一階微分光譜。采用獲取的光譜數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)建立化學(xué)計(jì)量 學(xué)模型。
1．3 數(shù)據(jù)處理
對光譜數(shù)據(jù)的處理：光譜經(jīng)過一階微分（9 點(diǎn)光滑），然后轉(zhuǎn)換為 UNS 數(shù)據(jù)格式，最后 導(dǎo)入 CAMO 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件 The Unscrambler，利用樣品的純度和濕度的基礎(chǔ)性質(zhì)數(shù)據(jù)和光 譜數(shù)據(jù)建立校正模型。
2. 結(jié)果與分析
2.1 光譜
從圖 2、圖 3 中的光譜數(shù)據(jù)可以清楚地看出，噪音是非常少的。水分在約 1450nm-1950nm 處吸收，一階微分光譜顯示這些波長區(qū)域的峰值。濕度內(nèi)容的變化而導(dǎo)致的光譜數(shù)據(jù)的變化 能夠在這一區(qū)域顯示出來。
2．2 回歸和建模
圖 4、采用 PCA 分析法樣品的得分圖
主成分分析法用于確定樣品的質(zhì)量差別,經(jīng)常與 PLS（偏最小二乘法）結(jié)合來確定除了使用 PLS 定量分析過的參數(shù)差別外，樣品中是否還有其他差別。此處所采用的 PCA 分析法就 是這種情況的范例。得分圖清楚地將樣品分為三個(gè)組，樣品中有一些差別，原因可能是不同 的提供者或不同的粒徑。如果使用的樣品組足夠大的話，化學(xué)計(jì)量學(xué)分析法就非常好，足以 消除這些差別，并且集中于所研究的參數(shù)差別上。使用從多個(gè)提供者或不同粒徑的樣品中獲 取的數(shù)據(jù)點(diǎn)的模型，可消除由提供者或粒徑產(chǎn)生的光譜差別，并且只集中于因純度或濕度不 同而產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)的差別。
圖 5、原始粉狀抗生素 30 個(gè)樣品的純度 PLS1 回歸模型
反映原始粉狀抗生素中光譜數(shù)據(jù)和純度之間相互關(guān)系的 PLS1 回歸模型的結(jié)果非常好。使用了 4 個(gè)主成分，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEP）相當(dāng)于 0.1，鑒于樣品組樣品數(shù)量少、數(shù)據(jù)范圍 窄，SEP=0.1 是非常好的一個(gè)結(jié)果。過去的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，使用有 100 個(gè)或更多樣品的樣品 組將會(huì)建立更精確、更完善的模型。使用帶有其他偏差（如不同提供者和不同粒徑）的更大 的樣品組也會(huì)建立更完善的模型。
圖 6、原始粉狀抗生素 30 個(gè)樣品濕度變化圖
樣品濕度的精確模型是無法建立的。 其原因是多方面的。 樣品中濕度的范圍是 12.5%-13.5%，對于只有 30 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)組來說，這是一個(gè)非常小的范圍。純度的范圍也是很 小的，采用精確的參考方法來確定實(shí)際純度值，從而使精確的模型得以建立起來。使用 Karl Fischer 方法確定參考濕度值，這一方法的精確度是 0.2%。樣品濕度的范圍僅為參考方法誤 差的 5 倍，這使得建立精確的模型非常困難。另一個(gè)潛在的問題是，樣品存儲(chǔ) 6 個(gè)月，這可 能引起濕度變化。有三種方式改進(jìn)校正集的結(jié)果：（1）光譜數(shù)據(jù)采集后直接獲取參考數(shù)據(jù)；（2）使用更精確的參考方法；（3）擴(kuò)大校正集的范圍。以上條件具備的話，Brimrose 光譜儀也將能夠精確的預(yù)測原始粉狀抗生素的濕度。
3．結(jié)論
研究結(jié)果表明，采用 Brimrose AOTF 近紅外光譜儀和校正集模型測定原始粉狀抗生素的 純度和濕度是可行的。建模時(shí)有一些問題，但這些問題是因?yàn)闃悠方M小、范圍窄以及參考方 法的不精確而造成的。結(jié)果表明，這些問題一旦解決，Brimrose 光譜儀就能夠預(yù)測純度和 濕度。過去的經(jīng)驗(yàn)表明，采用大的樣品組時(shí)，建模的精確性和適應(yīng)性將大大提高；同時(shí)還表 明，從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)建立的模型可以很容易地轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)在線工業(yè)環(huán)境。Brimrose 產(chǎn)品速度 快、精確度高，是過程控制的理想選擇。產(chǎn)品無移動(dòng)部件，這使 Brimrose 光譜儀在工業(yè)環(huán) 境中的應(yīng)用非常完美，并且，AOTF 技術(shù)使數(shù)據(jù)采集速度相當(dāng)快，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線過程控制。
