采用 AOTF-NIR 光谱技术测定流水线上皮肤贴剂量水平

摘 要 本文采用美国 Brimrose 公司 AOTF-NIR 产品 Luminar3030 自由空间光谱仪测定一 种应用在皮肤贴的药物的剂量水平，分别对高剂量水平和低剂量水平的样品建立了偏最小二 乘法（PLS1）回归模型。高剂量水平样品模型的相关系数为 0.9574，对于剂量范围在 500 到 700 之间的预测标准偏差是 1.30，低剂量水平模型的模型相关系数为 0.9498。预测标准 偏差是 1.70。完全能够满足实时在线过程控制要求。实验结果表明，通过使用 Brimrose 公 司 AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪和一个校准模型获取的光谱数据对生产线上移 动的皮肤贴内的药物剂量水平测定是可行的。

关键词  声光可调滤光器；近红外光谱；皮肤贴；偏最小二乘法（PLS1）

 

 

传统的红外分光光度技术采用棱镜或光栅做色散元件，以这些色散元件为核心的红外光 谱测量系统，结构复杂，设计和生产成本高，使得分析检测仅适于实验室条件下应用。自 20 世纪 80 年代后期，一种新型的色散元件——声光可调滤光器（Acousto-optic tunable filter，简称 AOTF）逐渐受到人们的重视。AOTF 是基于各向异性的双折射晶体的声光衍射 原理，利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件。与传统的基于机械调谐分光元 件的光谱仪器相比，以 AOTF 作为分光元件的光谱仪具有明显的优越性：它结构简单，光学 系统无移动性部件，体积小，集光能力强，最吸引人之处在于它的波长切换快、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，尤其是外部防尘和内置的温度、 湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设计产生优异的避震性 能，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。

本实验使用美国 Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪测定一种应用 在皮肤贴的药物的剂量水平。贴片脱离了压力在生产线上移动时，它们通过光谱仪的光学模 块，检测贴片的时间理论上是没有限制的，因为这个过程是不间断的。可是检测时间被限制 在大约 4 秒钟（100 个检测结果），这是因为在生产中要求扫描 8 个通道，每个通道大约一 分钟。校准结果非常好，也说明当它们在生产线上移动时，测量贴片的药物剂量水平是可行 的。使用在线监测贴片的药物剂量水平的主要目的是可以快速调整过程参数，不需要花上几 个小时等待实验室的结果。调整在几分钟内就可以完成，一旦产品被检测合格，就能够快速 进入下一个生产环节。一个额外的益处是能够以非常小的成本不间断地监督生产过程，校验 使用的喷嘴是否工作正常。另一个好处是能够通过光谱分析检测贴片的所有成分。缺少一种 成分都会建立一个报警的异常值。在更高的一个层次上，把光学模块从一个通道移动到另一

 

 

个通道的系统可以是全自动的，可以积累结果来进行统计分析。这次研究结果非常理想，说 明了 AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪可以测定在生产线上移动的皮肤贴内的药物剂 量水平。

1.实验部分

 

1.1 仪器条件和样品

仪器：美国 BRIMROSE 公司产的 AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪。

检测器为 InGaAs，波长范围为 1200nm 到 2100nm，2nm 的波长增量，扫描次数为

100。Unscrambler 定量分析软件。

样品：生产线上的皮肤贴。

1.2 实验方法

Brimrose 公司的 AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪可以安装在皮肤贴的生产线 上。当贴片沿着生产线移动时仪器收集光谱，每次扫描得到 100 个结果然后平均到一个光谱 中去。每次扫描的数据获取时间大约是 4 秒，可以检测生产产品的 8 个通道，所有的 8 个通 道检测一次只需要一分钟。波长范围是 1200nm 到 2100nm，波长增量是 2nm。原始透过光谱 数据以漫反射的形式被收集起来，再被处理成吸收光谱和一阶微分光谱。被采集光谱的贴片 区切分用于实验室分析，提供用于建模的参考值。然后使用光谱数据和参考值就可以建立一 个偏最小二乘法回归模型了。建模的参考值数据应包含贴片中高和低的药物剂量水平。

 

2. 结果与讨论

2.1 光谱图

图 1、移动着的皮肤贴的吸收光谱图                

   图 2、皮肤贴的一阶微分光谱图

 

观察吸收光谱和一阶微分光谱图可以清楚得看到在光谱图中由于高剂量水平形成了明

显的差异。低剂量水平的吸收光谱和一阶微分光谱图在这里并没有显示出来，因为他们 和高剂量水平的光谱图太相似了。但是化学计量分析却可以区别高低剂量水平之间的不同。 2.2   回归与建模

贴片中高剂量水平参考值和光谱数据相关联的偏最小二乘法回归模型显示了理想的结

果，如图 3 所示，相关系数为 0.9574。对于剂量范围在 500 到 700 之间的预测标准偏差是 1.30。这种精确度是远高于实时在线过程控制要求的。随着产品数目的增加，这个模型的功 能和精确度都会大大增加的。

图 3、皮肤贴中的高剂量水平的                      4、皮肤贴中的低剂量水平的

偏最小二乘法回归模型图                          偏最小二乘法回归模型

低剂量水平的偏最小二乘法回归模型的结果也很理想，如图 4 所示，模型相关系数为 0.9498。预测标准偏差是 1.70，完全能够满足实时在线过程控制要求。随着产品数目的增 加，这个模型的功能和精确度都会大大增加的。

3．结  论

这次研究的结果非常理想，说明了通过使用 Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3030 自 由空间光谱仪和一个校准模型获取的光谱数据对生产线上移动的皮肤贴内的药物剂量水平 测定是可行的。

自由空间光谱仪应用在实时、在线测量剂量水平的测量和应用在过程控制上都是一种理 想的工具。光谱仪的速度可以进行快速测定分析，并在初始阶段和产品质量方面产生巨大的 经济效益，把不合格的原料减少为零。实时测定剂量水平的功能是在剂量水平趋向于所允许 水平时能及时发出警报。过去的经验说明，更多的样品会使模型功能更加强大，检测结果更 加精确。这次研究中的校准模型的结果非常理想，如果样品更多的话，结果会更加理想。这 次研究充分说明了使用 Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪来测量皮肤 贴中的药物剂量水平的可行性。

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声光可调滤光器；近红外光谱；皮肤贴；偏最小二乘法（PLS1）

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