采用AOTF近红外光谱仪检测微晶纤维素（Avicel）的湿度
摘 要 本文采用 AOTF 近红外光谱技术以自由空间方式对喷雾干燥器中的微晶纤维素样品 进行实时在线检测，针对 4 种不同产品类型的微晶纤维素样品分别建立了主成分分析模型和 偏最小二乘法（PLS1）回归模型。通过主成分分析模型，结果显示 4 种产品类型是相互独立 的。通过偏最小二乘法（PLS1），建立了湿度的回归模型，模型的校准图相关系数是 0.9935， SEC 值是 0.1772，模型的验证图相关系数是 0.9930，SEP 值是 0.1833。实验结果表明，AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪利用使用光谱数据和校准模型，能够快速准确地预测微晶纤维 素的湿度水平。
主题词 声光可调滤光器；近红外光谱；微晶纤维素；偏最小二乘法（PLS1）
微晶纤维素（Avicel™）是一种无臭无味细微的白色粉末，已不具有纤维性而流动性极 佳，不溶于水、有机溶剂及微酸等，而部分溶于微碱中，其纯度极高，无论有机或无机的杂 质含量极微。
因其氢氧基群所以与水具亲和力，但吸湿度有 一定限量，因其结晶度比一般木浆纤维还高，相 对地稀释度较低，在 25℃相对湿度 65%时，平衡 湿度约 8%。除了强酸、强碱、酮氨和氧化剂外， 微晶纤维素对所有溶剂都很稳定。微晶纤维素具有纤维状结构，多孔性，优良的粘合性能，良好的片剂硬度、可压性、稀释性及快速崩解。 因此，微晶纤维素常在医药产品生产中用做片剂填充剂 (稀释剂) 、胶囊助流剂等。微晶纤 维素较其他常用辅料相比，具有更好的粘合性能，可作直接压片的粘合剂。微晶纤维素在咀 嚼片中也是较为常用的辅料。
微晶纤维素颗粒的质量直接影响到压片性能，导致裂片的因素很多，颗粒的粒度组成之 间的结合力是关键因素。在生产中由于微晶纤维素质量不稳定，导致颗粒的质量难以掌握， 重现性不好，颗料之间的差异较大，从而影响片重差异。当微晶纤维素的含水量超过 3%时， 混合及压片过程中，有产生静电的倾向，从而出现分离和条痕现象。常规检测微晶纤维素的 湿度有一定的难度，而且无法实现在线检测。近红外光谱分析（Near Infrared Spectroscopy, NIR）具有简便快速、无污染以及样品的非破坏性等特点，非常适合做在线检测。
90 年代末，来自航天技术的声光可调滤光器（Acousto-Optic Tunable Filter , 缩写 AOTF）技术的问世，被认为是“90 年代近红外光谱仪最突出的进展”。 AOTF 是利用超声波 与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，光学系统无移动性部件，波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性。AOTF 技术与 NIR 的结合实现了仪器的小型化，为实现产品质量的实验室和在线检测提供了可能。 AOTF－NIR 的这些优点使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来越广泛的应用。 本文采用 AOTF 在线近红外光谱仪直接在喷雾干燥器上以自由空间式对样品进行快速检测。
1. 实验部分
1.1 仪器条件和样品处理
仪器：美国 BRIMROSE 公司的 Luminar 3030 自由空间式在线近红外光谱仪，Snap!光谱 采集处理软件，The Unscrambler 化学计量学软件，波长范围从 1200nm 到 2200nm，波 长增量为 2nm。 样品：将仪器直接安装在喷雾干燥器的一个窗口上，在线采集微晶纤维素样品的近红外 光谱。
1.2 实验方法
把一台 Brimrose Luminar3030 自由空间光谱仪安装在喷雾干燥器的一个窗口上，光谱 是从 4 种不同成品类型的水分含量变化的微晶纤维素收集的。为了找到湿度的参考值，每个 样品都收集一个光谱。波长范围从 1200nm 到 2200nm，波长增量为 2nm。光谱以吸收模式被 收集起来，再处理成一阶微分光谱。使用 The Unscrambler 软件程序进行化学计量学分析。 通过分离 4 种不同成品的微晶纤维素得到的光谱数据而建立一个主成分分析模型，来进行定 性分析。通过光谱数据和与湿度的参考数据相互关联，建立一个偏最小二乘法（PLS1）模型， 来进行定量分析。
2. 结果与讨论
在微晶纤维素的吸收光谱上可以清晰地看到，有一个很大的变化，并且在 1900 纳米和1950 纳米之间还出现了波峰。这是一个水分吸收的波长范围，也是期望找到由于湿度的变化而在光谱数据里产生变化的一个范围。
一阶微分光谱显示了从 1400 纳米到 1450 纳米、从 1900 纳米到 1950 纳米的的水分吸收 区内的变化。这表示湿度变化与光谱数据紧密相联。化学计量学分析将证实使用 Brimrose 自 由空间光谱仪获得的数据是与湿度变化是相关联的。
2.2 回归与建模
分析图 3 中 4 种不同的颜色代表 4 种不同产品类型的微晶纤维素。很显然，4 种产品类 型是相互独立的。这种独立很重要，因为这样可以为每一种产品类型建立校准模型。每种特 定产品的模型比多种产品的综合模型产生的结果要精确的多。主成分分析模型能够用来见证 微晶纤维素的产品类型，正确的校准模型可以用于湿度预测。
与微晶纤维素内湿度密切相关的光谱数据的校准图显示出理想的检测结果。79 号样品 作为异常值被去掉，1-10 号样品的参考值有疑问也被去掉。相关系数是 0.9935，SEC 值是 0.1772。重要的一点是光谱数据是受制于 4 种产品的。给一组数量庞大、各不相同的样品建 立校准模型是允许模型忽略由于其他因素造成的光谱差异的，其重点是放在由于重要变量引 起的差异上。就此情况，尽管 4 种产品类型产生了光谱差异，但是模型足以充分显示由于湿 度而引起的光谱差异。当每种产品建立了自己的模型，检测结果会更好。模型显示一定范围 的微晶纤维素内湿度与光谱数据相关性，检测结果的验证图也将证明这一点。
微晶纤维素的偏最小二乘法（PLS1）回归模型的验证图证实了校准图中的理想结果。其 相关系数是 0.9930，SEP 值是 0.1833。这些数字表明，使用 Brimrose 光谱仪和一个校准模 型获得的光谱数据能够测量微晶纤维素的湿度。
回归系数显示了为模型提供相关信息的波长区域。此模型的回归系数肯定了相关信息来自波长范围为 1400 纳米到 1450 纳米、1900 纳米到 1950 纳米的水分吸收区域。
预测程序用一个校准模型使用光谱数据去检测的假定变量。建立一个与湿度相关联的光 谱数据校准模型，并且在程序中用这个模型对微晶纤维素的湿度进行实时、在线预测。如果 一个被测变量超出了特定的范围，预测结果可以用来建立过程警报。这个警报可以连接到过 程控制系统，可以在过程中进行实时、在线的调节。该程序可以应用通过分离不同的产品类 型来鉴定一个特定的产品类型的主成分分析模型。程序然后选择适合那种产品类型的特定的 校准模型。特定的校准模型将提供最好最准确的预测结果。
3. 结 论
这次研究结果说明，Brimrose AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪使用光谱数据和 一个校准模型，能够很快、很精确地预测微晶纤维素的湿度水平。自由空间光谱仪的技术可 在过程中无任何干扰地进行光谱的快速检测。AOTF 可以在没有移动部件的情况下，进行快 速检测，这使得自由空间光谱仪在工业过程的使用效果非常理想。
模型的结果很完美，过去的经验也表明，随着检测样品数量的增加，模型会更加精确。 尽管使用一个偏最小二乘法（PLS1）模型检测 4 种微晶纤维素的产品类型的湿度的结果不错， 但是如果 4 种微晶纤维素分别建立自己的模型，检测结果会更好。主成分分析模型可以选择 相应产品类型，然后调用相应的模型进行湿度分析。这些模型可以进行实时预测，而且，也 可在过程控制系统中设置相应的警报，警戒线，实现生产过程的自动控制。
2.3 结果预测
