摘要 ?采用聲光可調(diào)濾光器（AOTF）-近紅外（NIR）自由空間光譜儀和 Unscrambler 化學計 量學光譜分析軟件，把膠囊樣品分別分成兩組和三組進行研究，結(jié)果表明，安慰劑和活性膠 囊的鑒別實現(xiàn)了百分之百的鑒別，使用 Brimrose AOTF-NIR 自由空間光譜儀收集光譜來對膠 囊定性是可行的，當在校正集中使用更多的樣品時，校正模型的功能更強大、更精確。 關(guān)鍵詞 ?聲光可調(diào)；近紅外光譜；薄膜膠囊；主成分聚類法

近紅外光譜主要是有機分子的倍頻與合頻的吸收光譜。有機物近紅外光譜主要包括 C-H、N-H、O-H等含氫基團的倍頻與合頻吸收帶。這些是在近紅外譜區(qū)做復雜天然物品質(zhì) 分析的前提。近紅外(NIR)光譜法是近年來發(fā)展迅速的一種綠色分析技術(shù)，并以其獨特的優(yōu) 點開始應用于中藥分析,傳統(tǒng)的紅外分光光度技術(shù)采用棱鏡或光柵做色散元件，以這些色散 元件為核心的紅外光譜測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復雜，設計和生產(chǎn)成本高，使得分析檢測僅適于實驗 室 條 件 下 應用 。 自 20 世紀 80 年代 后期 ，一 種 新型 的 色 散 元 件 —— 聲 光可 調(diào)濾 光 器（Acousto-optic tunable filter，簡稱AOTF）逐漸受到人們的重視。AOTF是基于各向異性 的雙折射晶體的聲光衍射原理，利用超聲波與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件。與傳 統(tǒng)的基于機械調(diào)諧分光元件的光譜儀器相比，以AOTF作為分光元件的光譜儀具有明顯的優(yōu)越 性：它結(jié)構(gòu)簡單，光學系統(tǒng)無移動性部件，體積小，集光能力強，最吸引人之處在于它的波 長切換快、重現(xiàn)性好，程序化的波長控制使得這種儀器的應用具有更大的靈活性，尤其是外 部防塵和內(nèi)置的溫度、濕度集成控制裝置，大大提高了儀器的環(huán)境適應性，加之全固態(tài)集成 設計產(chǎn)生優(yōu)異的避震性能，使其近年來在工業(yè)在線和現(xiàn)場（室外）分析中得到越來越廣泛的 應用,最近幾年，AOTF-近紅外光譜分析儀引進國內(nèi)，已經(jīng)開始應用于煙草及化工行業(yè)中，本 文擬用AOTF－NIR技術(shù)測定含有不同成分的薄膜膠囊進行分類，為膠囊的快速分類提供依 據(jù)。

1．實驗部分

1.1 儀器條件和樣品

儀器：美國 BRIMROSE 公司產(chǎn)的 AOTF-NIR 自由空間近紅外光譜儀，主要部件包括： 光學部分、控制部分、電源適配器。軟件包括 SNAP!光譜處理軟件和 CAMO 化學計量學軟 件。

掃描參數(shù)設置：光譜范圍 1100～2200nm，波長增量 2.0nm，平均次數(shù) 300，測樣方式為漫反射。

1.2 實驗方法

光譜采集：儀器使用 BRIMROSE 公司專用的 SNAP!掃描軟件進行光譜采集。對光譜數(shù) 據(jù)的處理：光譜經(jīng)過一階微分（9 點光滑），然后轉(zhuǎn)換為 UNS 數(shù)據(jù)格式，最后導入 CAMO 化學計量學軟件 The Unscrambler，利用 AOTF-NIR 自由空間光譜儀對薄膜包裝中的 2 組膠 囊掃描光譜數(shù)據(jù)。第一組（安慰劑）中膠囊中只含有賦形劑粉末，第二組(活性)中的膠囊包 含賦形劑粉末和 Aleve 粉末，每組掃描 50 個樣本，用來進行分類分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

一階微分光譜顯示這兩組之間的區(qū)別清晰可辨，光譜數(shù)據(jù)被導入化學計量學軟件包 The Unscrambler 來進行化學計量學分析，使用主成分分析法來看一下是否在 2 組之間是相隔離 的。結(jié)果表明兩者之間有隔離，模型的數(shù)據(jù)也顯示著光譜差異的同一波長范圍為分類提供了 相關(guān)信息。偏最小二乘法回歸模型是通過賦予安慰劑藥片任意數(shù)值 1 并賦予活性藥片任意數(shù) 值 2 創(chuàng)建的，模型顯示了精確的結(jié)果，也說明通過掃描膠囊和對藥片賦值也可以進行分類分 析。如果這個值小于 1.5，那么膠囊就被劃分為安慰劑，如果大于 1.5 就被劃分為活性的藥 物。為了增加模型的可靠性，可使用 Brimrose Luminar 預測軟件建立一個預測文件。每組出 10 個膠囊，不用于校準而用于預測，對兩組膠囊都進行掃描。

2..結(jié)果與分析

對 3 組膠囊樣品進行研究。第一組樣品的膠囊中不含有藥末，第二組樣品膠囊中有賦形 劑粉末，但沒有活性成分粉末，第三組樣品膠囊中既有賦形劑粉末又有活性 Aleve 粉末。第 二組記為 P 組，第三組記為 A 組。波長范圍從 1100nm 到 2200nm，波長增量為 2nm。250 次掃描平均一張光譜。膠囊被分成 5 個條形組進行，從 P 組和 A 組中取 50 個膠囊樣品，使 用與測空膠囊相同的參數(shù)來對其進行掃描。原始光譜數(shù)據(jù)以透過率的形式收集起來，后處理 為吸收光譜和一階微分光譜。為了使光譜差異更加明顯，先把 A 組和 P 組各自的 5 個小組 中的每個條形組的光譜做平均化處理，得到 A 組的 5 個平均光譜和 P 組的 5 個平均光譜。 引入主成分分析法來檢驗一下使用光譜數(shù)據(jù)是否能對其進行分類，偏最小二乘法回歸模型是 通過賦予 P 組任意數(shù)值 1 并賦予 A 組任意數(shù)值 2 創(chuàng)建的。使用 Brimrose luminar 預測軟件建 立一個預測文件，每組提取 10 個膠囊，不包括模型中用于分類預測的種類。

2.1 光譜圖

原始透過光譜圖是不容易解釋的。為了使兩組之間的差異更加清晰，光譜被處理為吸 收光譜和一階微分。

一階微分光譜圖消除了基線漂移的影響，并經(jīng)常用于檢測微小光譜差異。在這兩組的一 階微分光譜中有些差異，不過因為有太多的數(shù)據(jù)點，看到差異是很難的，為了使差異更清楚， 10 個光譜平均到一個光譜中去，這樣每組獲得 5 個平均光譜，圖 4 中顯示了這一平均光譜。在安慰劑和活性藥物組一階微分平均光譜圖中，他們之間的差異是清晰可見的。圖 5~圖 9 顯示了在差異清晰的波長區(qū)的一階微分的放大部分。

這 5 組的光譜差異非常明顯，主成分分析模型將顯示兩組光譜分離的波長區(qū)是分類分析的主要區(qū)域。在這個波長范圍內(nèi)，它們的差異很小但很清楚。化學計量分析經(jīng)常使用這種很小的差異進行定性和定量分析，甚至在沒有很明顯的差異的情況下也能夠建立精確、功能強大的模型。

在 1900nm 附近光譜差異大而明顯，主成分分析模型將顯示，這一波長區(qū)會提供兩組樣 品的分類分析的很多信息。

2.2 回歸與建模

主成分分析模型的分析圖顯示了數(shù)據(jù)點之間的分離，也說明不管是否是同一組的都能用 光譜數(shù)據(jù)分類。這種分離是很明顯的，活性樣品組的數(shù)據(jù)點之間的距離比安慰劑組的數(shù)據(jù)點 之間的距離更近，因它的光譜相對獨立性小一些，重要的是這兩組是相互獨立的，情況如圖 10，只使用一種主成分，X-加載圖將說明這種分離是基于能看到清晰的光譜差異的波長區(qū)域。

在主成分分析模型的 X-載入分量圖中的波峰顯示了分類分析的相關(guān)的波長區(qū)，并在同 一個波長區(qū)域內(nèi)可以看到光譜差異，這也說明模型正在使用相關(guān)信息進行分類，事實上只使 用了一種主成分就簡單明了的給出了分離的數(shù)據(jù)，對這 2 組樣品進行分類分析的另一種方法 就是建立一個偏最小二乘回歸模型，然后把任意數(shù)值 1 賦于一組，2 賦予另一組，這種分析 通過給活性組數(shù)值 2 和安慰劑組數(shù)值 1 后進行，圖 12 顯示這種模型的結(jié)果。

這種分類分析的方法把任意值 1 和 2 分派給兩組。當掃描一個膠囊時，模型會選擇一個 基于光譜數(shù)據(jù)的數(shù)值。任何數(shù)值小于 1.5，就劃為安慰劑類，比 1.5 大的就劃為活性類，這 是平均光譜的模型，使用 100 個光譜進行預測，之所以能這樣做是因為更多的數(shù)據(jù)點需要考 慮在膠囊中的變化，如在水皰中的微小差別和活性膠囊中的藥片的定位，兩個模型的預測誤 差標準都是 0.2，使用較多數(shù)據(jù)點的模型能夠進行更精確的預測，往模型里添加更多的數(shù)據(jù) 點能使模型更精確。

2.3 預測結(jié)果

通過分別分派給安慰劑組和活性樣品組任意數(shù)值 1 和 2 的偏最小二乘法回歸模型和校正 光譜建立一個預測文件，這個界面可以進行結(jié)果的預測。每組中取 10 個沒有用于建立校正 模型的膠囊，對其進行結(jié)果預測。每個膠囊都被掃描過，“成分值”欄顯示著預測值。10 個 安慰劑膠囊的值都小于 1.5，最大值是 1.08，10 個活性膠囊的值都大于 1.5，最小值是 1.68。 結(jié)果很清楚地說明可以使用 Brimrose 近紅外光譜儀獲得的光譜數(shù)據(jù)對安慰劑和活性膠囊進 行分類。如果校正集中增加更多的檢測樣品，效果會更好。

3.結(jié)論

這次研究的結(jié)果證明了使用 Brimrose 自由空間近紅外光譜儀獲得的光譜數(shù)據(jù)對安慰劑 和活性膠囊進行分類是切實可行的，預測結(jié)果證明了對這兩種膠囊的分類分析的可行性，過 去的結(jié)果已經(jīng)證明當 100 個或更多的樣品在校正集中使用時，校正模型的功能更強大、更精 確，在這種情況下，當添加更多的樣品來顯示在水皰、膠囊和活性膠囊里藥片的定位中的任 何一個小的差異，模型會更加準確，Brimrose 近紅外光譜儀理想的掃描速度和無移動部件使 其成為用于實時、在線測量的理想工具。AOTF 技術(shù)可以快速、精確地掃描，不需要重新校 正系統(tǒng)，一個宏程序使得儀器允許在光束的照射下在傳送帶上移動，優(yōu)化系統(tǒng)可以使掃描速 度達到 10 秒/個，當然也得考慮傳送帶上的膠囊間距離，得出結(jié)論，這次研究結(jié)果證明了使 用光譜數(shù)據(jù)對安慰劑和活性膠囊進行分類的可行性。