纖維素酯之FT-NIR判別分析-從現場到實驗室的方法轉移

介紹

近紅外光（NIR）光譜法是食品業或製藥業等高度受控製程環境中常用的分析工具。近紅外光譜區域的光可輕易穿透玻璃容器、視窗及光纖，因此非常適合直接在線分析製程中的材料，而無需取樣後再送至實驗室分析。光纖探頭通常用於即時且遠端地量測製程中的材料。此外，裝於玻璃小瓶中的樣品亦可直接分析，不僅避免分析人員接觸樣品，也可避免分析物暴露於環境中。

NIR分析方法通常是在受控的實驗室環境中，利用研究型儀器進行開發與測試。儀器的靈活性及受控的環境最適合用來收集理想標準樣品組的光譜資料，並建立最佳的分析模型與方法參數。當方法建立完成後，便可部署至製程用NIR儀器上。此類儀器通常具有較高的耐用性，並專為工業製程環境中的日常材料分析而設計。

有時候，已部署並被接受的分析方法在現場運行時可能會失效，因此需要回到實驗室重新檢視。在這種情況下，測試樣品會被送回中央實驗室，作為方法分析與故障排除的一部分。此評估與修正過程同樣需要將現場所使用的方法轉移至分析實驗室儀器上，並確保實驗室與現場儀器之間的性能高度一致。

本應用文張展示了如何將方法由製程儀器Thermo Scientific™ Antaris™ II FT-NIR Analyzer，見圖1，轉移至實驗室儀器Thermo Scientific™ Nicolet™ iS50 Spectrometer，見圖2，以進行分析、評估與修正。我們使用一系列醋酸纖維素酯（cellulose acetate esters）作為模型系統，以驗證此種「反向方法轉移」（從現場到實驗室）的穩健性。

圖1. Antaris II近紅外光譜分析儀用於現場使用。

圖2. Nicolet iS50高階傅立葉轉換紅外光譜儀可擴充至近紅外光譜範圍。

Nicolet iS50 FTIR光譜儀可進行完整配置以執行近紅外光譜分析，非常適合在實驗室中開發預計部署至製程儀器上的分析方法。Nicolet iS50光譜儀可透過樣品室中的穿透模式或外接模組進行近紅外光譜資料收集，例如圖3所示的積分球（integrating sphere）或光纖探頭。Thermo Scientific TQ Analyst™ 化學計量學軟體可用於分析方法的開發與最佳化，並可將建立完成的方法轉移至現場製程系統。本研究則採取相反的方式，即將已在現場建立完成的方法「轉移回」實驗室環境中使用。

圖 3. Nicolet iS50近紅外模組包含積分球及光纖槍。

選擇醋酸纖維素酯（cellulose acetate esters）作為模型材料組，是因為其在製藥領域被廣泛應用於藥物控制釋放系統。此外，醋酸纖維素酯具有多種不同型態，其可控制的孔隙率與溶解特性，使其成為固體劑型中良好的賦形劑與包覆材料。纖維素中的每一個葡萄糖單元都有三個可以進行酯化反應的羥基。酯化程度的定量測量通常以百分比或取代度（Degree of Substitution, DS）表示。特定材料的DS值代表每個葡萄糖單元上平均存在的酯基數量，其範圍介於0至3之間。

本研究所分析的醋酸纖維素材料進一步以丙酸酯基（propionate）或丁酸酯基（butyrate）進行不同程度的衍生化。然而，這些衍生化材料在外觀上十分相似，因此難以辨識。此外，由於其化學結構相近，往往需要耗時的分析技術才能加以區分。所幸，傅立葉轉換近紅外光譜法（FT-NIR）能夠以極高的速度與準確度區分不同種類的纖維素酯。

在本次分析中，所使用的現場方法來自於一個製程環境，該環境中需定期對九種不同的醋酸纖維素酯進行分類。表 1列出了所使用的九種纖維素材料，以及其酯化取代的類型與百分比。在此製程方法中，樣品被裝入玻璃瓶中，並利用 Antaris II 積分球模組進行三至四次分析。每次掃描之間，先將瓶中的樣品搖勻，再輕敲玻璃瓶使其適度壓實。此操作可在確保樣品密度一致的同時，也增加取樣區域的變化性。

表1：所使用纖維素材料的識別與特性。

樣品的掃描範圍為 10,000 至 4,000 cm⁻¹，解析度為 8 cm⁻¹，掃瞄次數為16次。為降低基線偏移的影響，資料以一次微分光譜進行分析。圖4顯示了不同纖維素材料之間的一次微光譜差異，以及化學計量分析所使用的光譜區域。

圖4：不同纖維素材料之間在一次微分光譜中的差異，以及化學計量分析所使用的區域。

使用 TQ Analyst 軟體進行判別分析。三維主成分(PCA)得分圖見圖5顯示，在現場方法中，不同纖維素酯類型之間的區分非常清楚，可見不同顏色的點群彼此分離良好。為了評估從製程儀器到實驗室儀器的方法轉移，使用Nicolet iS50 NIR模組對多個樣品進行重新分析，並採用與原始研究相同的量測參數。

圖5：三維主成分得分圖顯示了現場方法中不同纖維素酯類型之間清楚的區分結果。注意，不同顏色的點群彼此之間分離良好。

首先，將 38% 醋酸纖維素丁酸酯（B 38）樣品分別在Nicolet iS50 NIR模組的積分球上，以及使用光纖探頭進行分析。光纖探頭的測試方式包括直接壓在樣品上量測，以及透過 0.5 kg 玻璃瓶側壁進行量測。所得到的光譜比較如圖6所示。Nicolet iS50 光譜儀所獲得的光譜（為便於比較已做偏移處理），與使用 Antaris II製程儀器所取得的光譜幾乎完全一致，且不論採用何種量測方式皆如此。

圖6：重新分析樣品以評估從製程儀器到實驗室儀器的方法轉移。
Nicolet iS50光譜儀所獲得的光譜與使用Antaris II分析儀所取得的光譜完全一致，不論採用何種量測方式皆然。

接著，使用九種醋酸纖維素酯中的三種樣品進行方法轉移測試，包括 38% 丁酸酯、52% 丁酸酯，以及 48% 丙酸酯化樣品。這些樣品分別以積分球與光纖探頭進行重複測量。所得光譜再以現場方法進行分析，以確認是否能在未進一步修改方法的情況下正確分類。

表2 顯示結果：所有由 Nicolet iS50 取得的樣品光譜皆被正確分類。馬氏距離（Mahalanobis distance）用於衡量樣品與特定類別的匹配程度；本質上，它表示樣品點到圖 3中某一群集的距離，數值越小代表樣品越可能「屬於」該類別。

表 2：使用九種不同醋酸纖維素酯中的三種樣品（38% 丁酸酯、52% 丁酸酯或 48% 丙酸酯化）進行方法轉移測試之結果。
所有由Nicolet iS50取得的樣品光譜皆被正確分類。

馬氏比值（Mahalanobis Ratio）則為「到第二接近類別的距離」與「到最近類別的距離」之比，用於評估判別能力：比值越高，代表該光譜越接近正確類別，且與最近的錯誤類別差異越大，即分類效果越好。

其中 48% 丙酸酯樣品的比值最低，原因是其與 45% 及 47% 丙酸酯樣品極為相似。然而，即便是這些較具挑戰性的樣品仍然被正確分類。所有樣品皆被正確歸類，且比值表現良好，顯示反向方法轉移是可行的。相反地，若出現分類不一致，則可能代表校正確實失效或樣品存在真實差異，能為分析人員提供修正現場方法的依據。