采用AOTF 近红外光谱技术测定磺胺甲嘧啶 和玉米淀粉中混合物均匀度
摘 要 本文分别扫描不同浓度梯度的磺胺甲嘧啶，尝试对磺胺甲嘧啶进行近红外定量分析的可行性，通过建立回归模型，证明了利用光谱数据测定磺胺甲嘧啶活性%是可行性的,而在磺 胺甲嘧啶和玉米淀粉混合均匀度的观察中，可以看到，在对两种混合物进行不同程度的混合 时，结果发现不同混合程度样品的光谱差别是显而易见的。
关键词 声光可调；近红外光谱；磺胺甲嘧啶；均匀度；偏最小二乘法
近红外(NIR)光谱法是近年来发展迅速的一种绿色分析技术，并以其独特的优点开始应用 于中药分析, 以往多采用傅立叶变换近红外光谱仪。20 世纪 90 年代末出现了第 5 代声光可 调（AOTF）近红外光谱仪，被称为“90 年代近红外光谱仪最突出的进展”。这种新型的近红 外光谱仪具有结构简单、体积小、重现性好和仪器环境适应性强的特点，将过去必须在室内， 且对温度、湿度、灰尘、防震均有严格要求的各项检测转移到了生产在线和现场（室外）。 最近几年，AOTF-近红外光谱分析仪引进国内，已经开始应用于烟草及化工行业中 。
在制药企业生产过程中，混料均匀度的检测一般依靠传统的方法，依靠积累的经验对混 料的均匀度进行人为地控制，而实际操作过程中由于各种影响因素的变化，往往导致混合均 一度操作的时间有所不同，而近红外光谱分析方法在这里就有了用武之地。本文拟用 AOTF 近红外光谱技术来对磺胺甲嘧啶和玉米淀粉中混合过程中均匀度的变化情况进行光谱检测， 以期达到对磺胺甲嘧啶和玉米淀粉中混合物均匀度进行定量检测的目的。
1．实验部分
1.1 仪器条件和样品
仪器：美国 BRIMROSE 公司产 AOTF-NIR 自由空间（Free Space TM）近红外光谱仪， 主要部件包括：光学部分、控制部分、电源适配器。软件包括 SNAP!光谱处理软件和 CAMO 化学计量学软件。
扫描参数设置：光谱范围 1100～2300nm，波长增量 2.0nm，平均次数 100，测样方式为漫反射。
样品：磺胺甲嘧啶和玉米淀粉样品的不同比例的混合物。
1．2 实验方法
采用 Brimrose 公司 AOTF-NIR 自由空间（Free Space TM）近红外光谱仪扫描磺胺甲嘧啶和玉米淀粉样品的光谱数据。本次研究由两部分构成： 第一部分为定量模型的建立。扫描不同磺胺甲嘧啶活性%的样品，样品包括以下活性%：0，20，40，60，80，100，活性%增加时，从光谱图中分析差别，然后利用光谱数据和活性%的值来建立 PLS1 回归模型。 第二部分为磺胺甲嘧啶和玉米淀粉混合均匀度的观察。将等量的两种成分置入小瓶中，不混合扫描光谱。然后轻度混合，混合多次后再剧烈混合，在每次混合后扫描光谱，是为了 观察混合增加时光谱的差别是否可以监测。结果显示混合加强时有非常明显的差别，特别是 在剧烈混合的样品的光谱中。在测定 75%活性和 25%玉米淀粉时重复这一过程，结果相似。
提供了两种纯成分，玉米淀粉和磺胺甲嘧啶，另外样品的磺胺甲嘧啶活性%分别为：20， 40，60，80。采用近红外光谱仪扫描样品的光谱数据。在玻璃小瓶中盛装样品并且透过小瓶 对样品进行扫描，光谱仪上的特殊附件允许透过小瓶的底部对样品进行扫描。
1．3 数据处理
本研究的第一部分为扫描纯成分和预混合的样品，每个样品扫描 5 次，总共获取 30 个 光谱。波长范围为 1100nm-2300nm，波长增量为 2nm，每次扫描 100 次平均为一个光谱，原 始透过光谱处理为吸收光谱和一阶阶分光谱，处理完成的光谱数据导入 The Unscrambler 化 学计量学软件包，建立 PLS1 回归模型。
本次研究的第二部分为观察磺胺甲嘧啶和玉米淀粉的混合过程。这两部分不经过混合倒 入小瓶中并扫描光谱，然后轻度混合，混合多次后再剧烈混合，在每次混合后扫描光谱。参 数设置与本次研究第一部分相同，原始透过光谱处理为吸收光谱和一阶微分光谱，以便观察 随着混合水平的增加，光谱的差别是否明显。
2. 结果与分析
2． 1 预混合样品的光谱和建模结果分析
原始透过光谱处理为吸收光谱和一阶微分光谱。图 2~图 5 显示吸收光谱和一阶微分的 光谱。
吸收光谱显示有不同磺胺甲嘧啶活性%样品的光谱的差别，图 3 显示因为磺胺甲嘧啶活 性%不同而导致光谱差异变化明显的波长区域。
图 3 中标注的数字是磺胺甲嘧啶活性%的数据。可以清楚地看出，活性%增加时，这一 区域吸光度的值也增加。这说明，活性%的定量建模应该是可行的。
图 4 显示预混合样品的一阶微分光谱。含活性 0%的样品的光谱与不含活性分子的样品是决然不同的。图 5 显示的是与磺胺甲嘧啶活性%有关的光谱差异明显的波长范围。
在这一波长区域的光谱差别清晰可辨。吸收光谱和一阶微分光谱都导入 The Unscrambler 化学计量学软件程序用于建模。建立 PLS1 回归模型。采用吸收光谱的模型结果较好，图 6 显示的就是这个模型。
磺胺甲嘧啶活性%的回归模型显示吸收光谱和参照值之间的相关性非常好。校正和验证 的相关系数高达 0.9923 和 0.9910，主成分数为 2，使用更多的样品建模的效果会更好。模型 证明了利用光谱数据测定磺胺甲嘧啶活性%是可行性的。图 7 的载入分量图表明，活性%变 化时，模型将波长区域（在此区域可以看到图案）的信息载入光谱。下图显示了载入分量图。
PLS1 回归模型载入分量图的峰值预示着模型获取相关信息的波长区域。模型从大量波 长范围内获取相关信息，但最多的信息来自于 1930nm-2210nm 的波长范围。载入分量图表 明，模型是使用相关信息来互动的。模型显示，用光谱数据测定磺胺甲嘧啶活性%是可行的， 预示着利用光谱数据对其他参数（如湿度）的定量测定也应该是可行的。本次研究的第二部 分为加强混合的同时扫描混合物。下面显示了研究中这一部分的光谱。
2．2 混合量不同的样品光谱及光谱分析
图 8 是具有四种不同混合水平的 50%活性和 50%玉米淀粉的混合物的吸收光谱。第一组 光谱是在将这两种粉末放入小瓶（并未混合）之后收集的，第二组光谱是在有少量的混合之 后收集的，第三组光谱是在有更多的混合之后收集的，第四组光谱是在加强了混合之后收集 的，混合均匀的样品的光谱有很大的差别。因小瓶的定位不同，有一个小的基线漂移，化学 计量学建模能很好地处理基线漂移，在实际应用中优化的系统将不会产生这种现象。需要注 意的事情是光谱外形的差别，图 9、图 10 显示了混合均匀样品清晰差别的波长区域。
混合均匀的样品的光谱差别非常明显。如果样品更大或者用其他方式混合，其他样品的 差别会更明显。图 11 的一阶微分光谱消除了所有基线漂移的影响，使四种类型的样品之间 的差别更为明显。
混合均匀的样品的一阶微分光谱的差别同样非常明显。基线漂移影响的消除使得其他样 品之间的差别更为明显。图 12、图 13 显示了随着混合水平的提高而光谱的波长区域。
吸收光谱和一阶微分光谱都显示，混合物均匀水平可从光谱数据中分析出来。实际应 用将均匀混合物的目标光谱作为背景文件，光谱仪不间断地扫描并将获取的光谱和背景光谱 进行比较，一旦获取的光谱与背景光谱相符，光谱仪就显示混合完成。这一过程在测定 75% 活性的磺胺甲嘧啶的混合物时重复进行。图 14、图 15 显示了 75%活性不同混合水平的吸收 光谱和一阶微分光谱。
虽然 75%活性不同混合水平的差别没有 50%活性样品的明显，但仍然很清晰。差别不明 显的原因可能有两个：一是样品中更多的磺胺甲嘧啶使得光谱的差别变小；二是在混合样品 时的人为误差。在第二次样品混合时将粉末混合到近于第三次混合的水平是可能的。差别仍 然足够明显，可分辨出混合的水平；混合结束时，仍然可以将获取的光谱和背景目标光谱匹 配起来。
3．结论
本次研究结果表明，采用 Brimrose AOTF-NIR 自由空间（Free Space TM）光谱仪测定活 性成分和玉米淀粉混合物中的磺胺甲嘧啶活性%以及从光谱数据中测定混合物均匀度都是 可行的。
回归模型显示了吸收光谱和磺胺甲嘧啶活性%之间良好的相互关系。吸收光谱和一阶微 分光谱都显示了混合物水平增加时的图形，混合均匀的样品的差别也非常明显。本次研究的 结果是可以改进的，过去的经验已经表明，在校正集模型中使用 100 个或更多的样品将使模 型更完善，预测更为准确。关于混合水平，使用有恒定方式的更大的样品组来混合粉末结果 会更好。同时也已证明，实验室研究的结果也可应用于实际在线环境。
Brimrose AOTF-NIR 自由空间（Free Space TM）光谱仪是实时在线过程检测的理想工具。 AOTF 技术无移动部件，不需重新校正系统便可快速扫描。在混合应用中，无移动部件是非 常重要的，因为光谱仪与电池组将一起装载于混料机上。已混合的粉末的光谱将被用作背景， 获取的光谱将与背景光谱做比较，当获取的光谱与背景光谱相匹配时，光谱仪便知道混合完 成。光谱的差别表明混合均匀度测量方法是可行的。本次研究第一部分的结果表明对磺胺甲 嘧啶活性%的定量测量是可行的，对其他参数定量测定也是可能的。第二部分表明使用光谱 数据测定混合物均匀度是可行的。
