Spectrul NIR

Cosmic Gamma X

UV IR Micro UHF

Scurte

Medii

Lungi

Ultra violet Infrared

Near Mid Far

1 400 750 2500 16000 1000000 nm

Radio

Vis

• Spectrul NIR ≈ 800nm – 2500nm.

• Echipamentul asigura evidentierea structurilor care prezinta spectru in domeniul 1000nm – 2300nm.

• Fiecare spectru generat este o medie a 100 de scanari.

Imagistica chimică in infrarosu apropiat:

Tehnica NIR-CI

• NIR-CI reprezintă o nouă metoda cu ajutorul căreia se pot aprecia calitativ şi cantitativ structuri componente ale unei probe.

• Această tehnică nedestructivă combină preluarea de imagini macroscopice si/sau microscopice cu spectroscopia tradiţională NIR.

• Funcţionalitatea materialelor avansate se datoreaza structurii, distribuţiei şi interacţiunii componentelor acestora. Schimbări in localizarea spaţială a componentelor pot determina apariţia de proprietăţi noi (dorite sau nu). Astfel abilitatea de identificare chimică cât şi de localizare a componentelor constitutive este deosebit de importantă în înţelegerea comportării unei structuri.

Avantajele utilizării tehnicii NIR-CI

Vedere laterală a dispozitivului NIR-CI

Specificaţii tehnice ale dispozitivului SisuChema

• Domeniul spectral: 1000 – 2500 nm, • Mod de operare: High speed push-broom hyperspectral• Selectie spectrală/pixel: 6.3 nm• Rezoluţia spectrală: 10 nm• Distributia pixelilor pe linie: 320• Corespondentul mărimii pixelului in probă: de la 30 la 300 microni.• Domeniul de vizibilitate in probă: de la 10 la 100 mm.• Mărimea maximă a probei: 100 x 100 x 40 mm (WxLxT)• Timpul de scanare: 3 - 10 s pentru imagini cu 320x320 pixeli spaţiali

şi cu 256 de benzi spectrale. • Datele: fişiere cu extensia bil, compatibile cu programele de prelucrare

Evince şi ENVI.• Calibrarea instrumentului: instrumentul este livrat cu calibrare

spectrală. Înaintea scanării fiecărei probe aparatul se calibrează automat prin măsurarea unui standard intern.

• .

Tehnica NIR-CI• Spectrul NIR este colectat

pentru fiecare pixel de catre o matrice detectoare, care crează si cubul 3D format din spectrele spaţiale cu lungimile de undă corespunzătoare imaginilor preluate de la proba.

• Integrarea completă a informaţiilor spaţiale şi spectrale adaugă o nouă dimensiune a analizei datelor: abilitatea de a examina simultan interdependenţa atributelor fizice şi chimice ale probei. Noua dimensiune formează baza pentru informaţiile unice care nu se pot obţine prin alte metode.

O analiza NIR-CI consta în trei paşi:• Achiziţia datelor, care include:

pregătirea probelor, setarea instrumentului şi obţinerea spectrelor primare.

Informatiile primare sunt organizate ca structură 3D de date cu 2 axe spaţiale şi o axă pentru lungimea de undă, si care constituie cubul hiperspectral.• Procesarea datelor: cubul hiperspectral este prelucrat prin analize uni- sau multi-variabile de date si care se concretizeaza in „imagini“ chimice . Procesarea include:

selectarea lungimii de undă, preprocesarea spectrală, şi date de analiză subsecvenţială pentru a genera imagini

chimice si care să ofere distribuţia fiecărui component din probă. • Procesarea imaginilor: procesul prin care imaginile chimice se transferă in informaţii relevante şi utile si care constau in descrierea calitativă şi cantitativă a proprietăţilor unei probe in directa corelaţie cu aspectele investigate, cum ar fi: măsurarea distribuţiei concentraţiei unui principiu activ.

• Echipamentul SisuChema utilizează o interfaţă grafică asigurată de ChemaDAQ şi diferite formate de imagine.

• Cu ajutorul tehnicii de analiză prin programul Evince se obţin informaţii eficiente şi relevante asupra unei probe. Programul Evince este utilizat pentru analiza datelor sub formă de imagine hiperspectrală.

• Vizualizări ale rezultatelor sunt disponibile atât pentru imaginile neprocesate cât şi pentru rezultatele obtinute. Vizualizările imediate ale modificărilor intervenite fac prelucrarea rapidă şi eficientă.

EchipamentulSisuChema

Achiziţia datelor

ChemaDAQ

Prelucrare si modelare

EVINCE

• Interfaţă ce are instrumente de bază pentru controlul sistemului şi achiziţia de date.

• Imaginile spectrale sunt achiziţionate în timp real.

• Imaginile sunt achiziţionate în manieră push-broom, practic imaginea se construieşte in timpul scanarii probei.

• Imaginea se obţine şi se construieşte linie cu linie şi simultan se obţin toate lungimile de undă pentru fiecare linie.

ChemaDAQ

EVINCE• Soft utlizat pentru explorarea datelor de imagine hiperspectrale.• Interfată grafică ce permite importarea imaginilor create de ChemaDAQ

precum şi a altor formate.• Prin utilizarea programului EVINCE utilizatorul poate să-şi extragă

informaţiile relevante din cubul de date.• Sunt disponibile numeroase vizualizări atât pentru datele primare cât şi

pentru cele procesate.

Funcţii pe care le indeplineste:Analiza completă a rezultatelor sub formă de imagine hiperspectrală şi analiza spectrală pentru fiecare pixel.Clasificarea conţinutului imaginii.Cuantificarea conţinutului imaginii. Detectarea lungimii de undă caracteristice.Comprimarea imaginii utilizând diverse tehnici de modelare multivariabilă, precum PCA (Principal Component Analysis) PLS (Partial Least Squares regression) şi PLS-DA (Partial Least Squares Discriminant Analysis).Tabele pentru predicţia, clasificarea şi cuantificarea imaginilor necunoscute utilizând modele de calibrare salvate.

www.umbio.comhttp://www.umbio.com/products/evince/software/software.asp

Tipuri de probe care se pot analiza

• SisuCHEMA măsoară spectrul de reflectanţă al probelor, deci se recomandă probe în stare solidă şi mai puţin în stare fluidă.

• Granule, filme, fibre...• Grosimea probei maxim 10mm....• Corespondentul mărimii pixelului in

probă: de la 30 la 300 microni.• Domeniul de vizibilitate in probă: de la 10

la 100 mm.

AplicaţiiInformaţii privind:• Compoziţia chimică• Determinarea cantitativă a componentelor unei probe.• Distribuţia componenţilor in probă.

Domenii de aplicaţii ale dispozitivului:• Determinări nedestructive pe tablete farmaceutice, referitoare la

distribuţia şi concentraţia componenţilor.• Studiul uniformităţii blendurilor.• Determinarea domeniului şi mărimii particulelor şi distribuţiei

componenţilor chimici în amestecurile heterogene.• Identificarea formelor polimorfe.• Verificarea conformităţii specificaţiilor chimice şi fizice.• Explorarea relaţiei structură/funcţie a unui material

Analiza morfologiei unei tablete

Proprietăţi importante precum disoluţia, pot fi alterate în mod radical de morfologia tabletei, de asociaţiile chimice şi fizice ale ingredienţilor. Fiind mai mult decât „o imagine drăguţă” imaginile NIR pot evidenţia dacă substanţa activă este bine sau nu dispersată în tabletă. Imaginile chimice NIR permit evaluarea cantitativă a uniformităţii blendurilor. Imaginile pot fi analizate statistic utilizând o histogramă, pentru a furniza rezultate obiective, cantitative şi reproductibile.

Evidenţierea distribuţiei

substanţei active într-o tabletă

-imaginea chimică NIR a unei tablete prezintă localizarea şi morfologia ingredientelor active ca şi a excipienţilor. -imaginea, colectată în domeniul infraroşu apropiat, furnizează o înţelegere intuitivă a relaţiei dintre componenţi.

Identificarea chimică a componenţilor în polimeri

laminaţi

• Parametrii fizici şi chimici (compoziţia, raportul dintre miez şi înveliş, uniformitatea şi grosimea învelişului) pot fi determinaţi utilizând tehnica NIR-CI. Se pot evidenţia astfel următorii parametrii:

• Uniformitatea şi grosimea învelişului;

• Defecte în polimeri• Contaminanţi în probe biologice

şi agricole.• Schimbări morfologice asociate

cu boli ale ţesuturilor.• Fiziologia varietăţilor hibride în

seminţe.• Contaminarea cu proteine a

produselor alimentare vegetale.• Relaţia structură/funcţie.

Modul de transpunere a informaţiilor chimice specifice

unor probe funcţionalizate

Identificarea chimică a componenţilor în polimeri laminaţi

Identificarea contaminanţilor şi a impurităţilor

• Tehnicile spectroscopice NIR convenţionale furnizează doar superpoziţia spectrală a constituenţilor chimici (un spectru mediat). În contrast, imaginile chimice NIR furnizează informaţii complete pentru fiecare pixel. Rezultatul este astfel mult mai sensibil fiind direct proporţional cu numărul de pixeli şi cu marimea imaginii. Se pot identifica astfel cantităţi foarte mici de impurităţi.

Evidenţierea impurităţilor

Utilizarea tehnicii NIR-CI pentru caracterizarea

unor compozite magnetice pe bază de

bloc-copolimeri poli(succinimidă)/poli(etil

en glicol)

Conţinut ferită:polimer=1:1, raport confirmat şi de analiza termică.

• Contrastul in imaginile chimice este comparat prin Metoda analizei componentului principal (Metoda PCA).

• Datele spectrale se descompun intr-un set de numere mici de clasificare utilizând metoda PLS-DA (partial least squares (PLS-DA) regression). Clasificarea prin metoda PLS-DA permite includerea de informaţii ce privesc atât variabilele spectrale cât şi variabile de răspuns (de ex: raportul componenţilor într-un blend, distribuţia de concentraţie a unui anumit component).

Utilizarea tehnicii NIR-CI pentru evaluarea omogenităţii unor

blenduri pe bază de poli(acid

aspartic)/poli(etilen glicol)

• Evince permite incadrarea unor clase de spectre in acord cu librăria de referinţe şi astfel se poate realiza prelucrarea cu modelul PLS-DA atât cantitativ cât şi calitativ. Clasei principale (componentei principale) i se atribuie concentraţia 1. Rezultatul, prin utilizarea modelului PLS-DA este un “scor” care optim variază între 0 şi 1.

Valoarea prezisă a componentelor in amestec

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Bins

Number of pixeles

PAS:PEG = 1:1 PAS:PEG = 8:2

MwPEG

= 2000Da

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

PAS:PEG = 8:2PAS:PEG = 1:1

MwPEG

= 4000DaNumber of pixeles

Bins

Valorile STD ale scorului imaginii histogramei sunt

aceleaşi cu erorile standard de predicţie date de softul Evince.

Blenduri omogene distribuţie a histogramei normale.

Valoria apropiate ale STD omogenitatea blendurilor.

Masa moleculara PEG [Da]

PAS/PEG[%]

PAS % PEG %

STD%PAS

STD%PEG

2000 50/50 57 43 12.903 12.968

80/20 88 12 7.899 8.005

4000 50/50 56 44 10.579 10.531

80/20 91 9 12.808 12.978

Mulţumiri

• Dr. Aurica P. Chiriac• Drd. Manuela Pintilie