MXPA99009386A - Metodo para estandarizar espectrometros raman para obtener calibraciones estables y transferibles - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para proveer un análisis cuantitativo preciso y exacto de la composición química y/o las propiedades físicas de una muestra desconocida, el cual utiliza los espectros de Raman estándares de una pluralidad de muestras conocidas para construir una calibración normalizada (Paso Cl), la cual es aplicada a un espectro de Raman estándar de la muestra desconocida, obtenido de un aparato de espectrometría de Raman particular o cualquier aparato de espectrometría de Raman similar, el cual es utilizado para irradiar simultáneamente un material de referencia y al menos una muestra, por lo cual se obtienen sus espectros de Raman convolucionados respectivos. La utilización de una característica de dispersión de la energía estándar, definida, y un espectro de Raman estándar (Paso P2) del material de referencia, una función convolucionada es determinada (Paso 116) y aplicada para producir un espectro de Raman desconvolucionado de la Muestra (Paso R7). Este espectro desconvolucionado es multiplicado por una función de respuesta fotométrica estándar para producir un espectro de Raman estándar de la muestra (Paso R8), por lo cual se proporciona un análisis cuantitativo exacto y preciso.

Description

MÉTODO PARA ESTANDARIZAR ESPECTRÓMETROS RAMAN PARA OBTENER CALIBRACIONES ESTABLES Y TRANSFERIBLES Campo de la Invención Esta invención se refiere a la calibración y estandarización de los espectrómetros Raman y, más particularmente, a un método para estandarizar espectrómetros Raman de tal modo que se puedan generar calibraciones transferibles, estables, que se relacionan con respuestas espectrales a los análisis cuantitativos de las muestras o los procesos, utilizando cualquiera de una pluralidad de espectrómetros Raman similares que pueden ser sometidos a condiciones ambientales o instrumentales variables.

Antecedentes de la Invención La calibración se refiere a un proceso de utilización de datos empíricos y conocimiento previo para determinar como estimar análisis cuantitativos a partir de nuevas mediciones. Muchos instrumentos analíticos Ref.031794 proporcionan una respuesta que no se relaciona directamente con las mediciones analíticas deseadas. Por ejemplo, un cromatograma puede proporcionar una serie de picos que se relacionan con las cantidades de los componentes inyectados para el análisis. Sin embargo, cada componente puede tener diferentes factores de respuesta que podrían desviar el análisis a menos que una calibración sea efectuada para determinar los factores de respuesta de los componentes individuales. De manera similar, las mediciones espectroscópicas tales como la espectroscopia del infrarrojo próximo (NIRS) y la espectrocopia de Raman, proporcionan espectros vibratorios que se refieren a los movimientos moleculares de los componentes individuales. Cada componente tiene distintos movimientos vibratorios y cada movimiento vibratorio tiene un cierto factor de respuesta dependiente de las características de la molécula. Los factores de respuesta afectan las intensidades relativas de cada banda vibratoria de tal modo que las mediciones directas de las intensidades vibratorias no producirán directamente una información composicional exacta. La calibración proporciona los medios por los cuales son contados los factores de respuesta relativos en la transformación del espectro vibratorio a la información composicional cuantitativa.

La espectroscopia de Raman mide la dispersión o difusión inelástica de la radiación incidente desde una muestra y compara la radiación dispersada o difundida con la radiación incidente para proveer un espectro de pérdida de energia (Stokes) o ganancia de energia (anti-Stokes) que se relaciona con los movimientos vibratorios de las moléculas muestreadas. Los espectros de Raman obtenidos pueden ser relacionados con los análisis cuantitativos deseados. La espectroscopia de Raman puede proporcionar respuestas de señal multivariable rápidas y precisas en una pluralidad de longitudes de onda para los medios ambientes de proceso sobre la linea o in situ. Un resumen de la espectroscopia de Raman analítica es provista en J. G. Grasselli y B.J. Bulkin, editores, Analytical Raman Spectroscopy, 1991, John Wiley & Sons, Nw York.

En sus aplicaciones más poderosas, tanto el NIRS como la espectroscopia de Raman requieren el desarrollo de calibraciones que correlacionan las respuestas de las señales multivariables adquiridas con las mediciones analíticas cuantitativas obtenidas por algún método analítico de referencia, por ejemplo, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) , cromatografía de gases, o análisis gravimétrico. Varios enfoques para desarrollar calibraciones se han descrito, por ejemplo, en H. Martens y T. Naes, Multivariate Calibration, 1989, John Wiley & Sons, New York, e incluyen métodos tales como regresión lineal múltiple (MLR), regresión del componente principal (PCR), y regresión por cuadrados mínimos parcial (PLS), entre otros. El problema general de la construcción de una calibración radica en la determinación de las relaciones entre un conjunto de respuestas de la señal multivarible, X, y un conjunto de mediciones cuantitativas, Y, de tal modo que las nuevas mediciones de las respuestas de la señal multivariable para una muestra desconocida pueden ser transformadas para dar cantidades exactas de los componentes de la muetra desconocida. Típicamente, las respuestas de la señal multivariable, X, y las mediciones cuantitativas, Y, son obtenidas por un número de muestras conocidas que contienen la totalidad de las variaciones esperadas en la composición y estado físico que se correlacionan con las mediciones analíticas de las muestras desconocidas. Por lo tanto, el desarrollo de una calibración consume mucho tiempo, es costosa, y tediosa.

Una vez que una calibración es generada, existen un número de situaciones que podrían provocar que la misma llegue a ser inexacta. Por ejemplo, un componente del instrumento podría fallar catastróficamente, requiriendo el reemplazo; el componente de reemplazo puede diferir del componente original, provocando un cambio en las respuestas de la señal multivariable medida e introduciendo por lo tanto un desplazamiento o desviación en los análisis cuantitativos obtenidos con la calibración original. De manera similar, los componentes del instrumento pueden cambiar en su carácter porque los mismos envejecen o porque los mismos están expuestos a varias condiciones ambientales, por ejemplo, cambios de temperatura y humedad. Cualquier cambio o desviación que afecte la respuesta de la señal medida puede crear un cambio o desplazamiento en las predicciones cuantitativas de la calibración. Además, una calibración generada utilizando las respuestas de la señal medidas con un instrumento puede no ser exacta cuando se apliquen a las respuestas de la señal medidas con otro instrumento a causa de las diferencias en las funciones de la respuesta entre los dos instrumentos. Claramente, podria ser altamente deseble encontrar una manera de obtener una calibración estable que pudiera ser transferida desde un instrumento hasta otro y que todavía proporcione predicciones cuantitativas exactas. Tal calibración podría ser particularmente útil cuando se aplique a un análisis cuantitativo de los procesos de fabricación. Si la calibración como se desarrolló pudiera ser transferida confiablemente entre los diferentes instrumentos sujetos a condiciones ambientales variables, la misma podría ser aplicada a instrumentos múltiples en varios sitios de fabricación y haciendo posible por consiguiente lograr una calidad más uniforme entre los procesos y los productos.

La estandarización está definida aquí como el proceso de utilizar los datos empíricos y el conocimiento previo para determinar como generar y mantener una calibración de tal modo que los análisis cuantitativos derivados de las nuevas mediciones de una muestra o proceso dado, sean iguales, dentro de los limites de error prescritos, a los análisis cuantitativos derivados de las mediciones previas de una muestra o proceso idéntico utilizando los mismos o diferentes instrumentos. Varios enfoques a la estandarización de instrumentos se describen en O.E. DeNoord, "Multivariate Calibration Standardization" en Chemom. Intell. Lab. Syst., 1994, vol. 25, pp. 85-97, y en E. Bouveresse y D.L. Massart, "Standardisation of Near-Infrared Spectrometric Instruments: A Review" en Vib. Spect., 1996, vol. 11, pp. 3-15, las descripciones de las cuales son incorporadas aquí para referencia.

En una estrategia de estandarización particularmente relevante para la presente invención, los datos de medición adquiridos bajo nuevas condiciones, por ejemplo, con un instrumento diferente, a una temperatura diferente, o en un tiempo posterior, son transformados de tal modo que los mismos lleguen a ser equivalentes a los datos que podrían haber sido adquiridos bajo las condiciones originales para los cuales una calibración fue construida. En este enfoque, una calibración es desarrollada para un instrumento (un instrumento de referencia) , y los datos medidos en un segundo instrumento (un instrumento de blanco u objetivo) son transformados para que parezca como si los mismos fueran medidos sobre el instrumento de referencia. Las transformaciones requeridas son determinadas de las comparaciones de los espectros para las "muestras de transferencia", las cuales son las muestras con propiedades y composiciones conocidas que son medidas sobre los instrumentos tanto de referencia como de blanco u objetivo. Las diferencias entre los espectros obtenidos para las muestras de transferencia sobre los dos instrumentos son utilizadas para producir correlaciones que pueden transformar un espectro medido sobre el instrumento de blanco u objetivo para que parezca como si los mismos hubieran sido medidos sobre el instrumento de referencia.

Shenk et al, en la Patente U.S. No. 4,866,644, la descripción de la cual es incorporada aquí para referencia, describe un método en donde una serie de muestras estándar (típicamente 30 muestras) son medidas sobre tanto un instrumento de referencia como un instrumento de blanco u objetivo. Se utilizaron técnicas de correlación estadísticas para determinar factores de corrección que, cuando se aplican a los datos para una muestra desconocida desde un instrumento de blanco u objetivo, provee una salida que es substancialmente la misma que podría ser obtenida si la muestra de prueba desconocida fuera medida con el instrumento de referencia.

Maggard, Patente U.S. No. 5,243,546, la descripción de la cual es incorporada aquí para referencia, describe un método para la estandarización de un instrumento de blanco u objetivo con respecto a un instrumento de referencia, por lo cual el número de muestras transferidas medidas sobre el instrumento de blanco u objetivo puede ser significativamente más pequeño que el número requerido para calibrar originalmente el instrumento de referencia.

Kowalski et al., Patente U.S. No. 4,459,677, la descripción de la cual se incorpora aquí para referencia, describe varios enfoques para transferir una calibración multivariable desde un instrumento de referencia hasta un instrumento de blanco u objetivo que utiliza una variedad de métodos para establecer una correlación entre los datos obtenidos para transferir muestras medidas sobre ambos instrumentos.

Los métodos descritos en las tres referencias mencionadas anteriormente, están basadas en un instrumento de referencia que es utilizado para construir la calibración original. Si el instrumento de referencia original llegara a ser inhabilitado, una nueva calibración podría tener que ser generada sobre un nuevo instrumento de referencia.

Villamoes et al., en la Solicitud Internacional PCT WO 96/24832, la descripción de la cual es incorporada aquí para referencia, describe un método en donde un espectro (o alguna parte del mismo) de al menos una muestra estándar es elegido para que sea una "respuesta estándar". Las mediciones de la(s) misma (s) muestra (s) estándar (es) sobre cualquier instrumento de blanco u objetivo son comparadas con la respuesta estándar definida previamente para determinar los parámetros que, cuando se aplican a las mediciones de una muestra desconocida, genernl un espectro substancialmente idéntico a uno generado en el espectrómetro utilizado para definir la respuesta estándar. Sin embargo, el espectrómetro real utilizado para generar la respuesta estándar no necesita ser mantenida como un instrumento de referencia.

Una desventaja de los métodos de estandarización descritos anteriormente es su dependencia de las muestras de transferencia de la composición conocida y estable. Las muestras de transferencia deben ser muy estables de modo que cualesquiera diferencias entre los datos medidos bajo las nuevas condiciones y los datos medidos bajo las condiciones originales se refieren solamente a cambios en las condiciones de medición y no a cambios en las muestras. En muchos casos, las muestras de transferencia no son suficientemente estables para ser mantenidas durante períodos largos de tiempo, entonces es necesario emplear como las muestras de transferencia las mezclas preparadas de los componentes con las concentraciones especificadas. Es improbable que tales mezclas puedan ser preparadas repetidamente con exactamente las mismas cantidades de los componentes. Además, los métodos que están basados en las mediciones de las muestras de transferencia no son muy adecuados para los instrumentos utilizados para el análisis en los procesos industriales. Los instrumentos del proceso industrial están localizados frecuentemente en los entornos de las condiciones ambientales ampliamente variables tales como, por ejemplo, la temperatura y la humedad. Las características espectroscópicas de una muestra de transferencia pueden variar con las condiciones ambientales, particularmente la temperatura, debida a los efectos químicos y/o físicos tales como, por ejemplo, la unión de hidrógeno, la degradación, la evaporación etc., que son fuertemente dependientes de la temperatura. Los cambios espectroscópicos inducidos en la muestra de transferencia por las condiciones ambientales pueden ser independientes de las variabilidades en la respuesta del instrumento o en el proceso que es analizado, conduciendo a errores de calibración que son introducidos por el propio proceso de estandarización.

Los métodos de estandarización que no requieren las mediciones de las muestras de estandarización químicas, han sido descritos en Ruhl et al., Patente U.S. No. 5,357,336, y Ganz et al., Patente U.S. No. 5,303,165, las descripciones de las cuales son incorporadas aquí para referencia. Estos métodos están basados en las mediciones espectrales de un interferómetro Fabry-Perot como un material de referencia estándar. Los espectros medidos para el interferómetro son utilizados para determinar los parámetros de calibración de la longitud de onda y de la intensidad que son utilizados subsiguientemente para estandarizar cada espectro de las muestras medidas para que aparezca como si el mismo fuera medido con los mismos parámetros de longitud de onda e intensidad como si estuvieran presentes cuando la calibración original fue construida.

Aunque aplicables en principio a muchos tipos de análisis espectrométrico, los métodos descritos en estas dos últimas preferencias son mejor adecuados para mediciones de absorción, en donde la intensidad de la radiación desde la fuente del instrumento es medida haciéndolos pasar a través de al muestra. La radiación relativamente intensa desde la fuente del instrumento pasa a través del interferómetro, y la modulación de la intensidad de la luz creada por el interferómetro tiene una magnitud suficiente para asegurar una determinación exacta y precisa de las posiciones y las intensidades de los máximos y mínimos en el espectro de interferencia resultante. Estos métodos no son muy adecuados para la espectroscopia de Raman, en donde las intensidades de la radiación medidas son extremadamente débiles comparado con las mediciones de absorción, y para las cuales no existe producción de luz cuando no existe difusión de Raman por la muestra.

Un método de estandarización de un espectrómetro de Raman para compensar diversas variabilidades posibles del aparato se describe por Alsmeyer et al., Patentes U.S. Nos. 5,455,673, 5,638,172, y 5,652,653, las descripciones de las cuales con incorporadas aquí para referencia. El método proporciona una "estandarización dinámica" que abarca la medición simultánea de los espectros para un material de la muestra y un material de referencia. Una función de convolución de los dos espectros es determinada, la cual puede ser aplicada a los datos de la muestra para producir un espectro de Raman estándar de la muestra que ha sido compensado para verificar las variabilidades o variaciones en la respuesta del instrumento. Aunque el método descrito en las Patentes U.S. Nos. 5,455,673, 5,638,172, y 5,652,653 es muy útil en la compensación para las variaciones del instrumento y proporciona una estandarización a corto plazo de un instrumento de Raman único, no proporciona un medio para compensar las variaciones de instrumento a instrumento o para los cambios o desplazamientos a largo plazo en la función de respuesta del instrumento. El método por lo tanto no se provee para la generación de una calibración fuerte que puede ser transferida a una pluralidad de instrumentos y que sea estable durante períodos prolongados de tiempo.

Los métodos de estandarización conocidos y descritos previamente, son todos viables en ciertas situaciones, pero los mismos no proporcionan el complemento, solidez y confiabilidad deseados para estandarizar espectrómetros de Raman analíticos en un medio ambiente de proceso industrial.

En muchos casos, los factores diferentes de las variaciones instrumentales pueden afectar los espectros medidos de una manera que provoque que una calibración llegue a ser inexacta. Por ejemplo, en las corrientes de proceso líquidas o fundidas, los efectos de interferencia tales como burbujas, materiales particulados, y turbidez pueden alterar la intensidad total de la radiación difundida o dispersada de un modo no predecible. De manera similar, para las muestras sólidas, la forma de la muestra, la uniformidad, y el grosor pueden afectar la intensidad total de la señal observada. Cuando se obtienen espectros de Raman de un modo multiplexado, es decir, las respuestas de la señal en todas las longitudes de onda son medidas simultáneamente, el efecto de tales interferencias es multiplicar un espectro completo por una constante desconocida que es única con respecto a aquel espectro colectado individualmente. Las respuestas espectrales que han sido multiplicadas por un número al azar desconocido no son adecuadas para la calibración directamente utilizando los enfoques estadísticos multivariables usuales que son conocidos en la técnica.

Una solución al problema de construcción de técnicas de calibración utilizando espectros que no están normalizados a las mismas escalas de intensidad, se han descrito en Alsmeyer et al., Patente U.S. No. 5,610,836, la descripción de la cual es incorporada aquí para referencia. En este método, un conjunto de respuestas de señal multivariable tales como espectros, representados ,por una matriz X, son obtenidos para un conjunto de muestras de calibración que tienen un conjunto de cantidades conocidas, representadas por una matriz Y. La matriz X puede representar espectros que no están normalizados a las mismas escalas de intensidad debido a factores de interferencia, como se describió anteriormente. Las matrices X e Y son empleadas para calcular un conjunto de multiplicadores de normalización que, cuando se aplican a la matriz X, generan un conjunto de respuestas de la señal multivariable que han sido normalizadas a las mismas escalas de intensidad. Este conjunto normalizado de respuestas de la señal es utilizado entonces para generar una calibración que proporciona un análisis exacto de una muestra de constitución desconocida por un aparato analítico particular. El método descrito en la Patente U.S. No. 5,610,836, aunque compensa ciertas variaciones en los procesos o muestras que son analizadas, no proporcionan la compensación para la variabilidad en el aparato.

Problema gue va a ser Resuelto por la Invención La capacidad para efectuar los análisis cuantitativos en la línea o in situ de los procesos de fabricación industrial pueden mejorar substancialmente la calidad, eficiencia, y seguridad de los procesos proporcionando datos analíticos de tiempo real que pueden ser utilizados para verificar las corrientes de proceso de la reacción química por las cuales se controla el proceso. Las muestras de las corrientes de proceso que pueden ser examinadas de manera útil de acuerdo con la presente invención, incluyen una variedad de composiciones poliméricas, que incluyen, por ejemplo, composiciones celulósicas y materiales poliméricos tales como los poliésteres o las poliolefinas que son producidas por la reacción de compuestos reactivos de peso molecular inferior. Las muestras que van a ser analizadas por el método de la invención también pueden comprender el material contenido en un proceso de destilación así como el material situado en un organismo viviente. La espectroscopia de Raman es capaz por consiguiente de proporcionar respuestas de señal multivariable rápidas y precisas para los análisis cuantitativos en la línea o in sítu de una gran variedad de materiales. Para lograr análisis cuantitativos confiables de estos materiales, es altamente deseable establecer calibraciones sólidas y confiables para cualquier número de espectrómetros de Raman que no se desvien o cambien a causa de las variaciones instrumentales y pueden ser transferidos confiablemente desde un aparato de Raman hasta otro. La presente invención proporciona un método de estandarización para espectrómetros de Raman que hace posible que esta meta sea lograda. Las calibraciones resultantes también permiten el análisis cuantitativo exacto y preciso de una amplia variedad de muestras de composición desconocida.

Breve descirpción de la invención De acuerdo con la presente invención, la misma es un método para producir un espectro de Raman estándar desde una muestra utilizando un aparato de espectrometría de Raman particular o cualquier aparato de Raman similar que comprende una fuente de radiación substancialmente monocromática, medios, de excitación óptica, medios de colección óptica de referencia, al menos un medio de colección óptica de la muestra, un espectrógrafo, y un detector de redes de canales múltiples.

Un material de referencia y al menos una muestra son irradiados utilizando el aparato de espectrometría de Raman, y espectros de Raman convolucionados del material de referencia y la muestra son adquiridos simultáneamente, utilizando un canal de referencia y un canal de la muestra, respectivamente, del detector de redes de canales múltiples. Ninguna de las puntas o picos de ruido son identificadas opcionalmente y removidas de los espectros convolucionados del material de referencia y la muestra para los espectros convolucionados despuntados producidos.

Utilizando una segunda fuente de radiación, cada uno de los medios de colección ópticos y el espectrógrafo son irradiados, y las señales resultantes son detectadas por el detector, produciendo un espectro de referencia fotométrico para cada medio de colección óptico. Cada uno de los espectros de Raman convolucionados despuntados opcionalmente del material de referencia y la muestra son divididos entre el espectro de referencia fotométrico correspondiente para producir los Espectros de Raman convolucionados compensados del material de referencia y la muestra.

Utilizando una tercera fuente de radiación, el espectrógrafo es irradiado, y las señales resultantes son detectadas en cada canal del detector, produciendo un tercer espectro de la fuente de radiación para cada canal del detector. Desde el tercer espectro de la fuente de radiación para cada canal y una característica de dispersión de energía estándar definida, es construida una ecuación de correlación de energía/longitud de onda correspondiente para cada canal del detector. Cada una de estas ecuaciones es aplicada a cada espectro de Raman convolucionado compensado, correspondiente, del material de referencia y la muestra, para producir espectros de Raman convolucionados del material de referencia y la muestra. El espectro del material de referencia así obtenido puede ser corregido opcionalmente para remover las señales del fondo.

Una función de convolución es determinada a partir de un espectro de Raman estándar definido del material de referencia y el espectro de Raman convolucionado linearizado corregido opcionalmente del material de referencia. La función de convolución es aplicada para ajustar el espectro de Raman convolucionado linearizado de la muestra, por lo cual se produce un espectro de Raman desconvolucionado de la muestra. El espectro de Raman desconvolucionado de la muestra es multiplicado por una función de respuesta fotométrica estándar definida para producir un espectro de Raman estándar de la muestra no solamente desde un aparato de espectrometría de Raman particular sino desde cualquier aparato de Raman similar.

Además de acuerdo con la presente invención, la misma es un método para proporcionar un análisis cuantitativo exacto y preciso de la composición química y/o las propiedades físicas de una muestra desconocida generando una calibración estandarizada que puede ser aplicada a un aparato de espectrometría de Raman particular, o a alguno similar.

Utilizando una pluralidad de muestras de composición química y/o propiedades físicas conocidas y el aparato de espectrometría de Raman, se produce un conjunto de respuestas de señal multivariable que comprenden los espectros de Raman estándares de las muestras. A partir del conjunto de respuestas de la señal multivariable y la composición química y/o las propiedades físicas conocidas de las muestras, se construye una calibración normalizada. La calibración normalizada es aplicada a un espectro de Raman estándar obtenido desde una muestra de composición química y/o propiedades físicas desconocidas para proporcionar un análisis cuantitativo exacto y preciso de la muestra desconocida.

Breve Descripción del Dibujo La Figura 1 es un diagrama esquemático del método de la invención para estandarizar espectrómetros de Raman y obtener calibraciones transferibles, estables.

Descripción Detallada de la Invención La presente invención es un método para estandarizar un espectrómetro de Raman de tal modo que una calibración sólida y estable que está relacionada con las respuestas espectrales de Raman a los análisis cuantitativos de las muestras o procesos pueda ser generada, mantenida, y transferida a cualquier número de espectrómetros similares. Este método de estandarización requiere: definir un estado estándar de espectrómetro deseado que especifica las características de dispersión de la energía y las características de respuesta fotométrica para un espectrómetro en una aplicación dada; transformar los espectros medidos en "espectros estándar" que tienen la misma dispersión de energía y características de respuesta fotométrica que aquellas definidas para el estado estándar del espectrómetro, 'las funciones requeridas para llevar a cabo estas transformaciones son derivadas de las mediciones de los materiales de referencia estándares que tienen propiedades espectroscópicas bien conocidas; utilizando los espectros estándar, construir una calibración multivariable normalizada que compense las diferencias de intensidad multiplicativa entre los espectros estándares; y aplicar la calibración normalizada para predecir los análisis cuantitativos desde los espectros estándares obtenidos en mediciones subsiguientes.

En contraste con los métodos conocidos en la técnica, el estado estándar del espectrómetro como se definió en la presente invención no es derivado de las mediciones o espectros obtenidos de cualquier espectrómetro de "referencia" particular sino más bien es una construcción que define las características deseadas para un espectrómetro en una aplicación dada. En contraste con los métodos conocidos en la técnica, los materiales estándares empleados para derivar las funciones de transformación no son estándares de "transferencia" porque los mismos no están relacionados en la composición química con las muestras o el proceso para el cual la calibración está siendo generada. Los procesos individuales conocidos en la técnica para transformar los espectros medidos en espectros estándares y generar una calibración multivariable normalizada son incapaces de proporcionar el nivel de estandarización requerido para un espectrómetro de Raman de proceso. El método de la presente invención constituye una combinación novedosa y no obvia de procesos individuales conocidos para construir una calibración estable que puede ser transferida desde un espectrómetro de Raman a cualquiera de una pluralidad de instrumentos similares, incluyendo aquellos utilizados para los análisis de procesos industriales .

El método de la presente invención es aplicable a los espectrómetros de Raman para los cuales un espectro de referencia y un espectro de la muestra que va a ser analizada son adquiridos simultáneamente, como se describió en la Patente U.S. No. 5,455,673 descrita previamente. El espectro de referencia puede ser un fragmento adecuado del espectro de la muestra que permanece sin cambio cuando la muestra cambia de composición, temperatura, etc. Sin embargo, en general es raro que una muestra exhibirá un fragmento espectral adecuado que puede ser utilizado como un espectro de referencia. En una modalidad más preferida, el proceso es aplicado a espectrómetros de multicanales que utilizan un rayo láser como una fuente de una radiación de excitación monocromática, un espectrógrafo de rejilla para la dispersión de la longitud de onda (o energía) , y un detector de la red tal como, por ejemplo, un detector del dispositivo acoplado a la carga (CCD) . La fuente de rayo láser irradia simultáneamente tanto un material de referencia como una o más muestras que van a ser analizadas, y las respuestas espectrales de Raman del material de referencia y la(s) muestra (s) son adquiridas simultáneamente utilizando un conjunto diferente de elementos detectores, o pixeles, para detectar la radiación desde el material de referencia y de cada muestra.

Puesto que cada conjunto de pixeles actúa efectivamente como un detector diferente, y la radiación de cada proceso o muestra es colectada y transmitida al detector por diferentes elementos ópticos, por ejemplo, diferentes filtros o fibras ópticas, cada muestra o proceso es medido esencialmente con un instrumento diferente. La referencia aquí a diferentes espectrómetros por lo tanto, también pertenece a diferentes canales de un espectrómetro multicanales.

Un diagrama esquemático del método de la presente invención se muestra en la Figura 1 para el caso de una muestra que es analizada. En la situación en donde las muestras múltiples están siendo analizadas simultáneamente, los pasos mostrados dentro del trazado punteado son efectuados para cada canal del espectrómetro utilizado para adquirir los espectros de la muestra.

Medio Ambiente de Raman Universal Estandarizado (SURE) Las respuestas de la señal de Raman multivariables medidas para una muestra o proceso dado dependen no solamente de la muestra o proceso medido sino que también de muchos factores instrumentales, que incluyen: (1) las características de la dispersión del espectrómetro, (2) la energía de la radiación de la fuente de excitación, (3) el número de elementos de pixel del detector que son iluminados por la radiación dispersada y para los cuales son medidas las señales de intensidad, (4) la eficiencia de los cuantos, o la sensibilidad, de cada pixel del detector a diferentes longitudes de onda, y (5) el rendimiento, es decir, las características de transmisión, de los dispositivos ópticos de colección (sonda, fibras, filtros, espectrómetro, etc.). La totalidad de estos factores puede variar de instrumento a instrumento y/o de medición a medición. Sin embargo las energías de desplazamiento de Raman y las intensidades espectrales de las características vibratorias más importantes para el análisis cuantitativo son determinadas por las características espectroscópícas de las muestras que son analizadas, no por el instrumento utilizado para el análisis. Por lo tanto el presente método de estandarización requiere la determinación de la región de energía importante para la aplicación de interés, la especificación de la resolución de energía necesaria para lograr el análisis deseado, y la definición de una función de respuesta de intensidad "ideal". Estos factores son utilizados entonces para definir las funciones que describen las características de dispersión de la energía y la función de respuesta de la intensidad deseada para un espectrómetro para la aplicación dada. Las funciones así definidas no dependen de las características de cualquier espectrómetro particular sino que en lugar de esto caracterizan el estado de un espectrómetro que tiene las características deseadas para una aplicación dada. Un espectrómetro así caracterizado proporciona un estado estándar en el cual las mediciones de los espectrómetros actuales van a ser transformadas. Este estado estándar definido es referido aquí como el Medio Ambiente de Raman Universal Estandarizado (SURE) . La caracterización del SURE requiere la definición de tres parámetros que establecen las energías y las escalas de intensidad relativa de cada punto en un espectro: (a) una característica de dispersión de la energía estándar, (b) un espectro estándar del material de referencia, y (c) una función de respuesta fotométrica estándar. Estos parámetros se describen en las secciones que siguen. (a) Característica de dispersión de la energía estándar El paso Pl en la Figura 1 define la característica de dispersión de la energía estándar para el SURE, el cual especifica el número de puntos de los datos que van a ser incluidos en cada espectro estándar y el espaciado de energía entre los puntos de los datos. En una modalidad preferida, la característica de dispersión de la energía del SURE es elegida para que sea lineal en la energía, es decir, el espaciado de la energía entre los puntos adyacentes en el espectro es constante. Una base de dispersión de la energía lineal facilita el proceso de la estandarización dinámica, la cual se describe posteriormente. Se puede establecer, por ejemplo, que la región de energía de desplazamiento de Raman de importancia para una aplicación dada está comprendida entre 500 cm"1 y 2000 c "1 y que el espaciado de energía entre los puntos de 3 cm"1 es deseado. Las bases de dispersión de la energía podrían ser definidas entonces de tal modo que cada espectro comprendería 501 puntos (i=0-500), igualmente espaciados en 3 cm"1. Una vez que el número de puntos y el espaciado de energía entre los puntos está definidos, a cada punto se le asigna un valor de energía específico. La selección del valor de energía específico es arbitrario, sin embargo, y sirve solamente como un número utilizado para facilitar los cálculos llevados a cabo en los procesos de estandarización dinámica y linearización, los cuales serán descritos posteriormente. Por razones de conveniencia, los valores de energía específicos son elegidos para que sean aproximadamente iguales a aquellos esperados para la medición real. Por consiguiente, para el ejemplo anterior, una escala de energía podría ser establecida de tal modo que el primer punto (i=0) corresponde a una energía de desplazamiento de Raman de 500 cm"1 y cada uno de los otros puntos corresponde a una energía de Raman de (3i + 500) cm"1. Si se prefiere, la escala de energía puede ser establecida en unidades de energía de radiación total en lugar de la energía de desplazamiento de Raman. Por ejemplo, si una fuente de excitación con una longitud de onda nominal de 800 nm, que corresponde a una energía de radiación de 12,500 c "1, fuera utilizada para las mediciones en el ejemplo anterior, las energías absolutas de cada punto podrían tener valores asignados de (12,000 - 3i) crrf1. La selección de la escala de energía absoluta es arbitraria, sin embargo, y no necesita necesariamente correlacionarse con las energías absolutas medidas realmente.

Los espectrómetros que van a ser utilizados para las mediciones deben ser configurados de tal modo que el intervalo de energía medido realmente sea igual a o mayor que aquellas definidas para el SURE. Una vez definida, la característica de dispersión de la energía, es decir, el número de puntos por espectro y las energías que corresponden a cada punto, son almacenados en la forma digital para uso futuro en el proceso de linearización, que va a ser descrito subsiguientemente. (b) Espectro estándar del material de referencia El paso P2 en la Figura 1 define un espectro de referencia estándar, SR(v), para el SURE. El espectro de referencia estándar debe ser una representación verdadera de la forma subyacente de un espectro medido del material de referencia estándar. La selección del material de referencia es arbitraria, pero debe ser un material que proporcione una respuesta espectral de Raman consistente y confiable. Por ejemplo, el diamante es un material de referencia preferido a causa de que el mismo es estable química y físicamente y su espectro de Raman es simple, comprendiendo un solo pico con la energía de desplazamiento de Raman de 1332 cm"1.

El espectro de referencia estándar puede ser una representación teórica de la porción no variable de un espectro de referencia medido (por ejemplo, una función de distribución gaussiana o lorentiziana que corresponde estrechamente con la forma de pico de un espectro de referencia medido) ; el mismo también puede ser un espectro de referencia medido previamente que ha sido ajustado o suavizado. Preferentemente, el espectro de referencia estándar es obtenido promediando los diversos espectros de referencia medidos y transformando el espectro promedio en una base de dispersión de la energía lineal utilizando el proceso de linearización, el cual será descrito posteriormente. Una vez definido, el espectro de referencia estándar es almacenado en una forma digital, que va a ser utilizada en el proceso de estandarización dinámico, que también va a ser descrito posteriormente . (c) Función de respuesta fotométrica estándar La intensidad de la radiación medida en cada pixel del detector es una función de la intensidad de la radiación producida por la dispersión de Raman en la muestra y la eficiencia con la cual esta radiación es colectada, dispersada, y detectada. Un espectro de Raman medido es por lo tanto una convolución del espectro de la muestra verdadera con alguna función de respuesta instrumental. La función que describe la eficiencia total para colectar y detectar la radiación en cada longitud de onda o energía es referida aquí como la función de respuesta fotométrica. Esta función depende del rendimiento, o la eficiencia de la transmisión, de cada componente óptico, es decir, sondas, filtros, fibras, etc., utilizados para colectar y transmitir la radiación dispersada o difundida al detector y de la eficiencia de cada pixel del detector, la cual varía generalmente con la longitud de onda o la energía. A causa de las variabilidades o variaciones en los componentes y detectores ópticos, la función de la respuesta fotométrica variará de instrumento a instrumento. De manera semejante, cualesquiera cambios en los componentes de un instrumento dado pueden crear cambios en la función de respuesta fotométrica y por lo tanto cambios en los espectros medidos. El paso P3 en la Figura 1 define la función de la respuesta fotométrica estándar para el SURE. Aunque la función de respuesta fotométrica de un espectrómetro dado dependerá de las características específicas de sus componentes, la elección de la función de respuesta fotométrica estándar para el SURE es arbitraria. La misma puede ser definida como igual a la función de respuesta fotométrica medida para un espectrómetro dado o, alternativamente, como el promedio de una pluralidad de funciones de respuesta fotométricas medidas para varios espectrómetros diferentes. En algunas aplicaciones, puede ser deseable pesar o ponderar algunas regiones de un espectro más que otras cuando se construye una técnica de calibración multivariada; para tales aplicaciones, la función de respuesta fotométrica estándar puede ser definida para simular una detección más eficiente en algunas regiones espectrales que en otras. Preferentemente, y de manera más simple, la función de respuesta fotométrica estándar, SP, puede ser definida de modo que la eficiencia de la detección total sea independiente de la energía y por lo tanto igual a la unidad en todas las energías: p (v) = 1 (para toda v) Una vez definida, la función de respuesta fotométrica estándar es almacenada en la forma digital que va a ser utilizada en la transformación de los espectros medidos en el SURE.

Las funciones elegidas para definir el SURE son construcciones matemáticas que describen el estado de un espectrómetro deseado para una aplicación particular.

Por definición, estas funciones son independientes de las características de cualquier espectrómetro particular y las mismas no cambian o se desplazan. Una vez definidas y almacenadas en la forma digital, las mismas pueden ser mantenidas y transferidas a cualquier localización y utilizadas en otros procesos matemáticos para transformar los espectros medidos realmente con cualquier espectrómetro en los espectros que tienen las mismas características de dispersión de la energía y las características de intensidad relativa como aquellas definidas para el SURE. Los espectros que han sido transformados son referidos aquí co o "espectros estándares". Los siguientes procesos individuales son utilizados para calibrar las características de intensidad y dispersión de la energía de un espectrofotómetro y para transformar los espectros medidos en espectros estándares: (1) medición de espectros convolucionados y remoción de las puntas cósmicas (2) compensación fotométrica (3) linearización (4) corrección opcional del fondo del espectro de referencia (5) estandarización dinámica (6) ponderación de los espectros estándares (7) desarrollo de una calibración normalizada. Cada uno de estos procesos será descrito en las secciones que siguen. (1) Medición de los Espectros Convolucionados y Remoción de las Puntas Cósmicas En el paso RÍA de la Figura 1, un espectro convolucionado, RR(x), es adquirido para el material de referencia, es decir, un espectro convolucionado con la función de respuesta del espectrómetro utilizada para adquirir el espectro. En el paso R1B de la Figura 1, un espectro convolucionado, Rs(x), es adquirido para la muestra o proceso que es analizado. Estos dos pasos son efectuados simultáneamente utilizando la misma fuente de radiación de excitación para irradiar tanto el material de referencia como la muestra o proceso que es analizado.

Las "puntas" de ruido creadas por los rayos cósmicos y otras interferencias no relacionadas con las respuestas espectrales verdaderas de la referencia o muestra frecuentemente son observadas en las mediciones de los detectores de CCD. Los métodos para detectar y remover estas puntas de ruido ya se conocen en la técnica y han sido descritas, por ejemplo, en H. Takeuchi et al., "Simple and Efficient Method to Elimínate Spike Noise From Spectra Recorded on Charge-Couple Device Detectors" en Appl. Espectrosc, 1993, vol. 47, pp. 129-131, la descripción de la cual es incorporada aquí para referencia.

En los pasos R2A y R2B de la Figura 1, un procedimiento de despuntado apropiado, denotado TD[], es utilizado para remover las puntas de ruido desde el espectro de referencia convolucionado y el espectro de la muestra convolucionado, respectivamente, para dar los espectros "despuntados": DR(x) = TD[RR(x)] y Ds(x) = TD[Rs(x)] (2) Compensación Fotométrica La compensación fotométrica se refiere aquí a un proceso por el cual los espectros medidos sobre cualquier espectrómetro dado son compensados por las variabilidades o variaciones en la función de la respuesta fotométrica del espectrómetro. Todos los espectros medidos con un espectrómetro dado son compensados utilizando un espectro medido para algún "estándar fotométrico". El estándar fotométrico debe proporcionar un espectro de radiación estable, reproducible, y bien caracterizado que tiene intensidades substanciales en todas las longitudes de onda analizadas por el espectrómetro y es invariable sobre una amplia gama de condiciones ambientales tales como la temperatura y la humedad. Cualesquiera diferencias entre dos mediciones espectrales del estándar fotométrico deben reflejar las diferencias en las funciones de respuesta fotométrica del (de los) instrumento (s) utilizado (s) para adquirir los espectros y no las diferencias en los espectros del estándar.

Los estándares fotométricos que comprende fuentes de emisión de luz blanca han sido descritos, por ejemplo, en M. Fryling et al., "Intensity Calibration and Sensitivity Comparisons for CCD/Raman spectrometers" en Appl. Spectrosc, 1993, vol. 47, pp. 1965-1974, e Y. Wang y R.L. McCreery, "Evaluation of a Diode Laser/Charged Coupled Device Spectrometer for Near-infrared Spectroscopy" en Anal. Chem., 1989, vol. 61, pp. 2647-2651, las descripciones de las cuales son incorporadas aquí para referencia. Las fuentes de emisión de luz blanca tienen perfiles espectrales bien caracterizados y proporcionan espectros de radiación amplia que pueden ser sintonizados para ajustar la temperatura del radiador.

Sin embargo, existen desventajas para utilizar las fuentes de emisión de luz blanca como los estándares fotométricos en el medio ambiente del proceso industrial. Una desventaja es que frecuentemente es difícil lanzar reproduciblemente la radiación de la emisión hacia los dispositivos ópticos de colección de un espectrómetro, conduciendo a variaciones substanciales en los perfiles espectrales medidos. Esto es especialmente verdadero en un medio ambiente de proceso industrial en donde frecuentemente es difícil localizar la fuente cerca de los dispositivos ópticos de muestreo del espectrómetro. Además, el perfil espectral de una fuente de luz blanca depende fuertemente de la temperatura del emisor de la radiación. En un medio ambiente de proceso, la temperatura ambiente frecuentemente fluctúa substancialmente, haciendo difícil estabilizar la temperatura de la fuente de luz blanca. Los estándares fotométricos que comprenden materiales fluorescentes con perfiles de fluorescencia bien caracterizados, amplios, se describen por ejemplo, en H. Hamaguchi, "Calibrating Multichannel Raman Spectrometers" en Appl. Spec. Rev., 1988, vol. 24, pp. 137-174, la descripción de la cual es incorporada aquí para referencia. Un material fluorescente tiene la ventaja de que el mismo puede ser transportado fácilmente a los dispositivos ópticos de muestreo, y el material puede ser irradiado por la misma fuente de rayo láser utilizada en el análisis de Raman, siempre que el rayo láser tenga la suficiente energía para excitar la fluorescencia en el material. Una desventaja de muchos materiales fluorescentes es que los mismos frecuentemente no son estables durante períodos prolongados de tiempo, especialmente cuando se irradian con radiación lasérica intensa. Además, existen pocos materiales conocidos que fluorescen cuando son excitados con radiación del infrarrojo próximo (800-1000 nm) , una región de importancia para la espectroscopia de Raman del proceso industrial. Para aplicaciones de Raman que utilizan la radiación de excitación del infrarrojo próximo, una modalidad preferida de la presente invención utiliza un estándar fotométrico fluorescente que comprende un vidrio de silicato impurificado con óxidos metálicos. Los vidrios impurificados de este tipo se describen en, por ejemplo, E. J. Sharp et al., "Chromium-Ytterbium Energy Transfer in Silicate Glass" en J. Appl. Phys., 1973, vol. 44. p. 4098, la descripción del cual se incorpora aquí para referencia. La fluorescencia puede ser generada por la excitación del infrarrojo cercano de estos materiales, y sus espectros de fluorescencia no son afectados substancialmente por factores tales como la potencia del rayo láser, la longitud de la irradiación, o la temperatura ambiente o la humedad. En esta modalidad, la radiación desde la fuente de excitación del espectrómetro es transmitida al estándar del vidrio impurificado con los mismos dispositivos ópticos utilizados para transmitir la radiación de la fuente a la referencia o la muestra durante la operación normal del espectrómetro; la radiación de la fluorescencia desde el estándar es colectada y detectada entonces con los mismos dispositivos ópticos y los canales detectores que se utilizaron en la operación normal del espectrómetro. La respuesta espectral de un estándar fotométrico apropiado es medido en los pasos MÍA y M2A de la Figura 1, dando espectros estándares fotométricos PR(x) y Ps(x) para, respectivamente, los canales de referencia y de muestreo. Esto es efectuado iluminando por completo los dispositivos ópticos de colección, desde el punto de muestreo hasta el detector, de cada canal con la radiación emitida por el estándar fotométrico, por lo cual se adquieren los espectros. La respuesta fotométrica de un espectrómetro no se espera que cambie substancialmente a menos que un componente óptico cambie substancialmente o sea reemplazado, que ocurra una recolocación de los componentes, o que se lleve a cabo un cambio substancial en las condiciones del medio ambiente. Por lo tanto, los espectros estándares fotométricos necesitan ser adquiridos solo ocasionalmente, por ejemplo, durante el ajuste del instrumento inicial, después del reemplazo de los componentes o el mantenimiento del espectrómetro, o como una verificación periódica, cuando sea mandado por la exactitud de análisis requerido para una aplicación dada. Una vez adquirido, el espectro del estándar fotométrico para cada canal es almacenado en la forma digital y utilizado para compensar cada espectro adquirido con este canal del espectrómetro durante la operación normal. En el paso R3A de la Figura 1, el espectro de referencia despuntado, DR(x), está dividido por el espectro del estándar fotométrico medido sobre el canal de referencia para dar un espectro de referencia compensado fotométricamente: CR(x) = DR(x)/PR(x) En el paso R3B de la Figura 1, el espectro de la muestra despuntado, Ds(x), está dividido entre el espectro del estándar fotométrico medido sobre el canal de la muestra para dar un espectro de la muestra compensado fotométricamente: Cs(x) = Ds(x)/Ps(x) (3) Linearización Un espectrógrafo dispersa la radiación en sus componentes de longitud de onda de tal modo que, cuando se proyectan sobre un plano en el detector, la posición del pixel de un componente de longitud de onda dada, con respecto a una aproximación de primer orden, está relacionado linealmente con sus longitud de onda. Sin embargo, la energía de la radiación es proporcional al recíproco de su longitud de onda. Por lo tanto, la posición del pixel es una función no lineal de la energía, y el espaciado de energía entre las posiciones del pixel no es constante. El número de pixeles (puntos de los datos) que se extienden a un intervalo de energía dado en una parte de un espectro es diferente de aquellos que para un intervalo de energía igual en una parte diferente del espectro. Las regiones de diferentes energía serán ponderadas efectivamente de manera diferente en una calibración multivariable que es construida utilizando los espectros que tienen bases de dispersión de la energía no lineales. Si el espectrómetro fuera perfectamente estable, las diferencias en los factores de ponderación efectiva a diferentes energías a través del espectro podrían no cambiar y podrían ser compensadas fácilmente en la técnica de calibración. Sin embargo, cualesquiera variabilidades o variaciones del instrumento que puedan crear desplazamientos en las energías de la radiación dispersada de Raman, por ejemplo, los desplazamientos en la longitud de onda del rayo láser de excitación, también crean diferencias en los factores de ponderación efectivos a través del espectro medido, y estas diferencias deben ser compensadas en cada espectro individual . Aunque esta compensación se puede hacer directamente, los errores en el proceso de compensación pueden ser relativamente grandes, conduciendo a errores de predicción grandes en la calibración. En la presente invención, los efectos de ponderación de la dispersión de la energía no lineal del espectrómetro son removidos efectivamente transformando todos los espectros medidos en los espectros equivalentes para los cuales la relación entre la posición del pixel y la energía de la radiación es lineal y para los cuales los puntos de los datos espectrales están espaciados igualmente en las unidades de energía. Esta transformación es referida aquí como lineariza ci ón . Una calibración multivariable construida con los espectros linearizados será compensada igualmente en todas las regiones de energía a menos que otros factores de ponderación estén incluidos a propósito. La compensación de los desplazamientos de la energía espectral en los espectros linearizados es significativamente más simple que para los espectros no linearizados, y los errores de compensación residuales son significativamente inferiores, conduciendo a una precisión y exactitud mejorada de los análisis cuantitativos. La linearización es efectuada en dos pasos: (i) calibración de las características de dispersión del espectrómetro, y (ii) interpolación de los espectros iniciales para dar espectros que tienen puntos de datos espaciados igualmente en unidades de energía, los espaciados son iguales a aquellos definidos en la característica de dispersión de energía estándar del SURE. (i) Calibración de las características de dispersión del espectrómetro Las características de dispersión de la longitud de onda de un espectrómetro pueden ser definidos de varias formas diferentes. El método particular utilizado aquí es para definir la longitud de onda, ?, como la expansión en series de potencias en la posición del pixel, x: ? = a0 + a?x+ a2x + a3x + Con una buena aproximación, esta serie puede ser truncada a los dos primeros términos, produciendo una expresión lineal que se relaciona con la longitud de onda y la posición del pixel: La calibración de las características de la longitud de onda de los espectrómetros con los detectores de la red o arreglo ha sido descrita extensamente en, por ejemplo, J. T. Brownrigg, "Wavelenght Calibration Methods for Low-Resolution Photodiode Array Spectrometers" en App. Spectrosc, 1993, vol. 47, pp. 1007-1014; M. Diem et al., "A Simple Algorithm to Convert Diode Array Spectral Data to Linear Wavelength or Wave Number Scales in Computer Enhanced Spectrosc., 1986, vol. 3, pp. 29-33; M.

Blanco et al., "Wavelength Calibration Transfer between Diode Array UV-Visible Spectrometers" en Appl. Spectrosc., 1995, pp. 593-597; D. A. Cárter y J. E. Pemberton, "Frequency/Wavelength Calibration of Multipurpose Multichannel Raman Spectrometers. Part I: Instrumental Factors Affecting Precisión", ibid., pp. 1550-1560; D. A. Cárter y J. E. Pemberton, "Frecuency/Wavelength Calibration of Multipurpose Multichannel Raman Spectrometers. Part II: Calibration Fit Considerations", ibid., pp. 1561-1576; y J. Cho et al., "Wavelength Calibration Method for a CCD Detector and Multichannel Fiber-Optic Probes", ibid., pp. 1841-1845, las descripciones de las cuales se incorporan aquí para referencia. En general, la calibración es efectuada midiendo espectros para los materiales de referencia estándares que tienen características espectrales a longitudes de onda conocidas o a energías de desplazamiento de - Raman conocidas, o ambas. Las posiciones del pixel medidas para las características espectrales conocidas son tratadas con una regresión entonces contra las longitudes de onda (energías) conocidas para determinar los coeficientes de la ecuación de calibración que relaciona la posición del pixel con la longitud de onda (energía) . En muchas aplicaciones espectroscópicas, se considera necesario establecer valores exactos de las energías de desplazamiento de Raman de todos los puntos en el espectro. Tales aplicaciones requieren que las energías de radiación absolutas, con relación a la energía de la fuente de excitación, sean conocidas exactamente para cada punto en el espectro. Esto requiere estándares que proveen las características espectrales que tienen energías de desplazamiento de Raman bien conocidas. La mayoría de tales estándares, los cuales usualmente son compuestos químicos orgánicos, ya son conocidos en la técnica. Para las aplicaciones analíticas cuantitativas que utilizan los métodos de calibración de multivariables, sin embargo, no se requiere una calibración rigurosa de las energías de desplazamiento de Raman absolutas. Una calibración muy precisa y exacta puede ser generada sin conocer las energías de radiación absolutas de cada punto en el espectro. Una calibración multivariable determina las relaciones entre las cantidades o concentraciones de los componentes de la muestra, como se determinaron por algún método analítico de referencia, y la forma de un espectro medido, es decir, las intensidades de radiación relativas en cada punto en un espectro. Ni los valores absolutos ni las unidades dimensionales, por ejemplo, la posición del pixel, la longitud de onda, o la energía, de la base de dispersión necesitan ser conocidas para obtener predicciones cuantitativas exactas de la técnica. Los criterios de calibración de la dispersión más importantes para las aplicaciones del análisis ccuantitativo multivariable es que la base de dispersión sea la misma para cada espectro medido. Cualquier material de referencia estándar que proporcione calibraciones reproducibles de la base de dispersión es suficiente, aún si el mismo no provee valores absolutos exactos de las energías de desplazamiento de Raman para cada punto en el espectro. El material de referencia estándar preferido en la presente invención es una fuente de emisión atómica. Una ventaja de utilizar una fuente de emisión atómica para la calibración es que las longitudes de onda de la radiación de las líneas de emisión atómica son bien conocidas y no varían substancialmente con las condiciones ambientales tales como la temperatura y la humedad. Además, las longitudes de onda de la radiación y las energías de las líneas de emisión atómica son constantes; las mismas no dependen de la energía o longitud de onda de alguna fuente de excitación externa, como lo hacen las características espectrales de los estándares de desplazamiento de Raman químicos. Las lampares de emisión atómica también son relativamente económicas y son fácilmente transportadas desde un lugar hasta otro. La dispersión de la longitud de onda del espectrómetro es calibrada en los pasos M2A y M2B de la Figura 1 para el canal de referencia y el canal de muestreo, respectivamente, como sigue: El espectrómetro es iluminado en el punto de muestreo con la radiación desde una fuente de emisión atómica estándar, y los espectros son registrados. Las posiciones del pixel aproximadas de las líneas de emisión atómicas son identificadas como las posiciones del pixel real que corresponden al máximo local en los espectros de emisión medidos que exceden un umbral de intensidad dada. Sin embargo, a causa de que el número de los pixeles del detector y la resolución del espectrómetro son finitos, es posible que los máximos de intensidad verdadera de las líneas de emisión ocurran en las posiciones que descansan entre los pixeles adyacentes. Para obtener una precisión y exactitud suficientes en la determinación de los coeficientes de dispersión, es necesario interpolar los espectros medidos para localizar las posiciones precisas de los máximos de la intensidad como una fracción de un pixel. Esto puede ser efectuado con cualquier algoritmo de interpolación apropiado. En una modalidad preferida, esto es efectuado tomando el primer derivado del espectro adquirido e interpolando el primer espectro del derivado para determinar las posiciones del pixel fraccionario más precisas que corresponden a los cruces con cero. El conjunto de posiciones del pixel más exactas son regresadas entonces contra el conjunto de longitudes de onda conocidas de las líneas de emisión atómicas para determinar los valores de los coeficientes de dispersión ao y ai en la ecuación de calibración anterior. Los valores más precisos y exactos para los coeficientes de dispersión pueden ser obtenidos repitiendo este procedimiento muchas veces (típicamente algunos cientos) y promediando los muchos valores obtenidos tanto para ao Los coeficientes de dispersión ao y ai no deben cambiar a menos que el espectrómetro cambie de alguna manera que altere sus características de dispersión. Tales cambios se puede esperar que ocurran periódicamente bajo las condiciones normales encontradas en la mayoría de los medios ambientes de proceso y de laboratorio, y también en cualquier momento que un cambio mayor se haga al espectrómetro, por ejemplo, el movimiento a una nueva colocación, el reemplazo de una dispersión que afecta los componentes ópticos, etc. Los pasos M2A y M2B deben ser repetidos por lo tanto periódicamente como un procedimiento de mantenimiento. La frecuencia requerida de la recalibración dependerá de la precisión del análisis requerida para la aplicación de interés y eel medio ambiente que rodea al espectrómetro. (ii) Interpolación de los espectros originales La característica de dispersión de energía estándar definida para el SURE especifica el número de puntos y las energías de radiación que corresponden a cada punto en un espectro estándar. Sin embargo, en general las propiedades de la dispersión de un espectrómetro real diferirán de aquellas definidas para un espectro estándar. Sin embargo, una vez que los valores de los coeficientes de dispersión ao y ai han sido determinados para un espectrómetro dado, cada espectro medido con este espectrómetro puede ser transformado en un espectro equivalente que tiene el mismo número de puntos y el mismo espaciado de energía entre los puntos como aquellos definidos para el SURE. Esta transformación, denotada como TL[], es aplicada en los pasos R4A y R4B de la Figura 1 al espectro de referencia y al espectro de la muestra, respectivamente, para dar los espectros de referencia y de muestreo linearizados: LR(V) = TL[CR(X)] Ls(v) = TL[Cs(x)] La transformación es efectuada como sigue: La energía de radiación absoluta que corresponde a cada punto en un espectro medido es calculada desde su posición del pixel medida y el coeficiente de dispersión como E = he = he ? a0 + axx en donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, ? es la longitud de onda de la radiación que corresponde a cada punto. Las unidades de energía utilizadas para este cálculo se eligen para que sean las mismas que aquellas utilizadas para definir la característica de dispersión de energía estándar del SURE. Por ejemplo, si la característica de dispersión de energía estándar fuera definida para las energías de radiación absoluta en unidades de número de onda (cm"1) , y los coeficientes de dispersión para el espectrómetro fueran determinadas para las longitudes de onda en unidades de nanómetros, la energía que corresponde a cada punto en un espectro medido es calculada como ?(nm) a0 + a2x Alternativamente, si ia característica de dispersión SURE está definida en términos de la energía de desplazamiento de Raman en unidades de cm"1, y los coeficientes de dispersión para el espectrómetro es án determinados para las longitudes de onda (en unidades de nm) , entonces la energía en cada punto en un espectro medido es calculada como E(cm_1) = Eexícm"1) - 107 , en donde Eex es la energía de radiación nominal de la fuente de excitación. No tiene importancia que la energía nominal de la fuente de radiación no pueda ser igual a la energía exacta de la fuente de radiación durante la medición de los espectros. Solamente es importante que la energía calculada para cada punto en el espectro con relación a aquella de todos los otros puntos en el espectro sea absoluta y que la escala de energía sea la misma que aquella definida para la característica de dispersión de energía estándar del SURE. Un valor absoluto de la energía es calculado para cada punto simplemente para facilitar el cálculo de las energías relativas y para proporcionar una escala de energía bien definida para el proceso de interpolación descrito posteriormente . Una vez que las energías relativas para todos los puntos en un espectro medido son conocidas, la relación entre las intensidades de radiación medidas y las energías de radiación relativas es determinada por el ajuste del espectro a una función deseada que es utilizada subsiguientemente para predecir las intensidades de radiación esperadas en las energías especificadas por la característica de dispersión de la energía estándar de SURE. Cualquier función deseada que proporcione la exactitud y precisión requerida para una aplicación dada puede ser utilizada en el proceso de interpolación. La modalidad preferida de la presente invención utiliza un algoritmo de interpolación de función cúbica para interpolar un espectro medido para determinar las intensidades de radiación esperadas en las energías especificadas por la característica de dispersión de energía estándar. Los algoritmos de función cúbica se describen, por ejemplo, en W. H. Press et al., Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing, 1986, Cambridge University Press, pp. 86-89, la descripción de la cual se incorpora aquí para referencia. Por definición, el espectro producido por este procedimiento de interpolación tiene la misma característica de dispersión de la energia, es decir, el mismo número de puntos que corresponde a las mismas energías, como aquellas definidas para el SURE. Se debe enfatizar que aunque las energías que corresponden a los puntos en un espectro linealizado han sido especificadas en el proceso anterior que van a ser iguales a aquellas definidas para el SURE, las mismas realmente no son iguales a las energías de desplazamiento de Raman que fueron medidas. El propósito del proceso de linearización es simplemente transformar todos los espectros medidos en espectros equivalentes que tienen todos el mismo número de puntos con el mismo espaciado de energía constante entre los puntos. La linearización facilita el proceso de estandarización dinámico y mejora la exactitud y la precisión de los análisis cuantitativos derivados de los espectros estandarizados. (4) Corrección del Fondo Opcional del Espectro de Referencia El paso R5 en la Figura 1 es utilizado para corregir el espectro de referencia, si se desea, para remover las características espectrales no deseadas que no están relacionadas directamente con la señal de Raman de interés. Por ejemplo, si el diamante es utilizado como un material de referencia, su espectro de Raman puede contener un fondo fluorescente tenue debido a las impurezas de color en la gema. Diferentes diamantes pueden exhibir niveles de fluorescencia ligeramente diferentes, mientras que sus picos de Raman son todos casi idénticos. En tales casos, es deseable remover la señal de fluorescencia no deseada del espectro pero reteniendo el pico que surge de la dispersión o difusión de Raman. Esto puede ser efectuado por cualesquiera métodos que remueva las características espectrales indeseables mientras que se retiene la forma de la característica de Raman de interés. Por ejemplo, un espectro corregido puede ser generado asignando un valor de intensidad cero a todos los puntos de los datos que descansan fuera del intervalo de energía especificado que se extiende sobre la característica de Raman de interés mientras que se resta una intensidad de la línea base de los valores de intensidad originales para todos los puntos de datos que descansan dentro de este intervalo de energía.' La operación de corrección del fondo, denotado aquí como TB[], es aplicado al espectro de referencia linearizado para dar el espectro de referencia corregido: BR(v) TB[LR(V)] (5) Estandarización Dinámi ca El proceso de estandarización dinámica descrito en las Patentes U.S. Nos. 5,455,673, 5,638,172, y 5,652,653 compensa las variabilidades o variaciones en la longitud de onda y/o intensidad de la radiación de la fuente de excitación; el mismo también puede compensar las inestabilidades de colocación mecánica menores del detector y el elemento de dispersión óptica dentro de un espectrómetro dado. La estandarización dinámica es efectuada por: (a) determinar la función de convolución que describe las variaciones espectrales entre el espectro de referencia linearízado corregido opcionalmente y el espectro de referencia estándar definido previamente, paso R6 en la Figura 1, y (b) aplicar la función de convolución al espectro de la muestra línearizado para producir un espectro de la muestra desconvolucionada, paso R7 en la Figura 1. La función de convolución que describe las variaciones espectrales entre el espectro de referencia medido y el espectro de referencia estándar puede ser determinado en un número de formas diferentes, por ejemplo por computación iterativa, la cual, sin embargo, es extremadamente tediosa y consume mucho tiempo. Un método preferido es efectuar una transformación de Fourier sobre tanto el espectro de referencia linearizado corregido, BR(v), como el espectro de referencia estándar, SR(v), utilizando un algoritmo de la transformada de Fourier (FT) como se describió, por ejemplo, en el texto mencionado previamente por Press et al., pp. 381-383 y pp. 407-412, las descripciones de las cuales son incorporadas aquí para referencia. La función de convolución, f(z), es determinada entonces dividiendo el FT del espectro medido entre el FT del espectro estándar: f (z) = BR(z) [/]SR(z) en donde una virgulilla ( ) denota la FT de una función y [/] representa la división compleja la cual se toma en cuenta para los componentes tanto real como imaginariao del FT. La función de convolución calculada, f(z), contiene la información necesaria requerida para compensar las variaciones instrumentales y las inestabilidades que ocurren durante la adquisición del espectro de la muestra. El FT del espectro de la muestra, Ls' (v) , es dividido entonces entre f(z), utilizando nuevamente la división compleja, y el FT inverso del resultado es calculado para dar un espectro de la muestra desconvolucionado, SD(v) : SD(v) = FT^Ls ) [/]f (z)> en donde FT"1 denota la operación de transformación de Fourier inversa. Aunque el proceso de estandarización dinámica por sí mismo es muy exitoso en la compensación de varias capacidades y proporciona una estandarización a corto plazo de un espectrómetro de Raman único, como se demostró en las Patentes U.S. Nos. 4,455,673, 5,638,172, y 5,652,653, el mismo no proporciona la compensación para las variaciones de instrumento a instrumento o los cambios en la función de respuesta de los instrumentos. Si la estandarización dinámica es aplicada directamente a los espectros medidos, un espectro desconvolucionado desde un espectrómetro puede no representar las mismas energías e intensidades relativas como un espectro desconvolucionado desde otro espectrómetro, debido a las variaciones en las funciones de respuesta fotométrica y las características de dispersión entre los instrumentos. Sin embargo, la exactitud y precisión mejorada de los análisis cuantitativos puede ser obtenida, y una calibración sólida y transferible puede ser generada, si la estandarización dinámica es aplicada a los espectros que han sido primero compensados fotométricamente y linearizados por los métodos descritos anteriormente. Si las funciones estándares definidas para el SURE son utilizadas para aplicar la compensación fotométrica, la linearización, y la estandarización dinámica sobre todos los espectrómetros, entonces las variaciones en las energías y las intensidades relativas de los espectros estándares desde los espectrómetros .diferentes son reducidos ampliamente. (6) Ponderación de los Espectros Estándares En el paso R8 de la Figura 1, el espectro de la muestra desconvolucionada, SD(V), es multiplicado por la función de respuesta fotométrica estándar definida para el SURE, SP(v), para dar el espectro de la muestra estándar, Ss (v) : En algunas aplicaciones puede ser deseable ponderar algunas regiones de un espectro más pesadamente que otras cuando se construye una calibración multivariable. Para estas aplicaciones, la función de respuesta fotométrica estándar puede ser definida de modo que estas regiones del espectro sean multiplicadas por un factor más grande que las otras regiones del espectro. En los casos en donde la ponderación selectiva del espectro no es deseada, la función de respuesta fotométrica estándar está definida para que sea independiente de la energía e igual a las unidades en todas las energías. En este caso, el espectro de la muestra estándar es igual al espectro de la muestra desconvolucionada que resulta del paso R7, es decir, el paso R8 no tiene efecto sobre el espectro. Todos los espectros estándares generados por las transformaciones descritas anteriormente han sido compensadas por las variaciones instrumentales de modo que las mismas parece que son las mismas que fueron obtenidas sobre el mismo espectrómetro que opera en el mismo estado estándar que aquel definido para el SURE. Una calibración multivariable construida utilizando los espectros estándares puede ser utilizada por lo tanto para predecir los análisis cuantitativos de cualesquiera otros espectros estándares que han sido transformados al SURE, independientemente del espectrómetro particular con el cual los espectros fueron adquiridos. (7) Desarrollo de la Calibración Normalizada En muchos casos, los factores diferentes de las variaciones instrumentales pueden afectar los espectros medidos de una manera que las transformaciones descritas anteriormente no pueden compensar. Por ejemplo, en las corrientes de proceso líquidas o fundidas, la interferencia sistemática o los efectos al azar tales como las burbujas, los materiales particulados, y la turbidez pueden alterar la intensidad total de la radiación dispersada o difundida de un modo no predecible. De manera similar, para las muestras sólidas, la forma de la muestra, la uniformidad, y el grosor pueden afectar la intensidad total de la señal observada. Cuando los espectros de Raman son obtenidos de un modo multiplexado, es decir, las respuestas de la señal en todas las longitudes de onda son medidas simultáneamente, el efecto de tales interferencias es multiplicar un espectro completo por una constante desconocida que es única con respecto a aquella del espectro colectado individualmente. Las respuestas espectrales que han sido multiplicadas por un número al azar desconocido no son adecuadas para la calibración directamente utilizando los enfoques estadísticos multivariables usuales que son conocidos en la técnica.

Como se señaló previamente, la Patente U.S. No. 5,610,836 describe un método para construir las calibraciones utilizando espectros que no son normalizados con respecto a las mismas escalas de intensidad. En el paso Cl de la Figura 1, los espectros estándares obtenidos para un conjunto de muestras con composiciones o propiedades conocidas son utilizados para generar una calibración normalizada de acuerdo con el método de esta referencia. Una vez generada, la calibración normalizada' es aplicada a un espectro estándar de una muestra desconocida, el paso R9 de la Figura 1, para predecir la composición o propiedad de la muestra desconocida. El siguiente ejemplo ilustra adicionalmente la invención: Ejemplo - Análisis Cuantitativo de las Mezclas de Xileno La capacidad técnica del método de la presente invención para estandarizar los espectrómetros de Raman de tal modo que se puedan generar, mantener y transferir técnicas de calibración sólidas y estables que se relacionan con las respuestas respectrales de Raman a los análisis cuantitativos de las muestras o procesos, a cualquier espectrómetro similar, se demostró analizando un conjunto de muestras de 17 mezclas químicas que comprenden concentraciones variables de para-, meta-, y orto-xileno. Las muestras fueron preparadas por la ponderación cuidadosa de cantidades variables de cada componente en la mezcla. La concentración de porcentaje molar de cada componente se calculó a partir de los pesos medidos (véase la TABLA 1) . Dos espectrómetros de Raman, referidos posteriormente como SPEC1 y SPEC2, fueron utilizados para efectuar los análisis cuantitativos de las mezclas. Cada espectrómetro se construyó para que contenga un diodo lasérico multimodal de 700 mW que genera radiación próxima a 797 nm que fue acoplada a un cable de fibra óptica con núcleo de cuarzo de sílice de 100 µm (Spectra Diode Lab, Inc. San José, CA, modelo número SDL-2372-P3) . La radiación incidente fue dividida en dos haces de luz con un separador de haces de luz de fibra óptica (Oz Optics Ltd., Carp., Ontario, Canadá, modelo número FOBS-12-555-MMM-750-50/50) . Cada haz de luz fue enfocado sobre un cable de fibra óptica de cuarzo y sílice, amortiguado con poliimida, con núcleo de 200 µm (Fiberguide Industries, Stirling, NJ) . Los dos cables de fibra óptica transmitieron la radiación tanto a una sonda de la muestra como a una sonda de referencia. La radiación en cada cable de fibra óptica fue filtrada previo a la introducción de las sondas individuales. Los filtros fueron diseñados para transmitir solamente un intervalo de longitud de onda estrecha próximo a 800 nm (Omega Optical, Brattleboro, VT, modelo número 800 BP10) y se insertaron en dispositivos de retención de filtro de fibra óptica fijos (Oz Optics, Ltd., modelo número ND-200-55-750-M-30) . Las sondas ópticas de fibra tanto de la muestra como de referencia fueron construidas en el alojamiento utilizando el método descrito en Buchanan et al., Solicitud U.S. No. de Serie 08/450,597, ROBUST SPECTROSCOPIC OPTICAL PROBÉ, presentada el 25 de mayo de 1995, ahora la patente U.S. No. 5,657,404, la descripción de la cual es incorporada aquí para referencia. La sonda de referencia se utilizó para iluminar un fragmento de diamante pequeño. La sonda de la muestra se insertó en un tubo de muestra de acero inoxidable 316 en el cual las muestras de xileno mezcladas fueron colocadas. La radiación dispersada o difundida desde tanto la referencia como la muestra se colectan por fibras de 200 µm individuales colocadas estrechamente alrededor de las fibras de excitación en las sondas. La radiación dispersada o difundida colectada se filtró para remover casi toda la radiación lasérica dispersada de Rayleigh previo a la introducción de la fibra de retorno. Cada filtro (Omega Optical, número de modelo 800 REFLP) se sujetó en un dispositivo de sujeción de filtro de fibra óptica fijo (Oz Optics, Ltd., modelo número ND-200-55-750-M-30) . Ambas fibras de retorno fueron dirigidas nuevamente hacia un Espectrógrafo Acton SpectraPro (Acton Research Corporation, Acton, MA) , utilizando una rejilla de 300 muescas/mm que brilla a 750 nm. La rejilla sobre el SPEC 1 se centró a una longitud de onda de 901 nm. La rejilla del SPEC2 se centró a 899 nm. Los dos espectrógrafos fueron centrados a propósito a diferentes longitudes de onda para enfatizar el éxito del presente método de estandarización. Un adaptador de fibra acondicionado con ocho entradas de fibra de 200 µm se conectó a la entrada de cada espectrógrafo para hacer posible que hasta ocho señales de Raman sean adquiridas simultáneamente sobre cada instrumento. Las fibras fueron distribuidas en un arreglo lineal y colocadas directamente en el frente de la ranura de entrada del espectrógrafo. Una de estas ocho fibras se conectó a la sonda de referencia y otra se conectó a la sonda de muestra. La radiación dispersada desde el monocromador se detectó por un detector de CCD enfriado termoeléctricamente (Princeton Instruments, Trenton, NJ, modelo número TEA/CCD-512-TKM/2) y se convirtió en una señal electrónica. La microplaqueta de CCD fue un detector retroiluminado, de 512x512 pixeles Techtronix. El instrumento se controló utilizando el STQ130 Software Utilities provisto por Princeton Instruments, incorporado en un sitio para el programa desarrollado dentro del alojamiento para efectuar los algoritmos de transformación y de adquisición de datos necesarios . Una lámpara de emisión atómica que contiene gas argón (Oriel, modelo número AR-6030) se utilizó para calibrar las características de dispersión de cada canal de cada espectrómetro, utilizando siete líneas de emisión con longitudes de onda conocidas a 826.4522 nm, 840.821 n , 842.4648 nm, 852.1442 nm, 912.2967 nm, 922.4499 nm, y 965.7786 nm. Un tinte fluorescente del infrarrojo próximo patentado se utilizó como un estándar fotométrico. Una solución diluida del tinte fue colocada en un tubo de muestra de acero inoxidable equipado para acomodar la sonda óptica ya sea de la muestra o de la referencia. Las funciones de respuesta fotométricas de los canales de referencia y de muestreo de cada instrumento fueron medidas sumergiendo la sonda correspondiente en la solución del tinte y midiendo un espectro de fluorescencia sobre cada canal, utilizando el diodo lasérico como una fuente de excitación de la fluorescencia . Para la aplicación de la mezcla de xileno, el estado estándar del SURE se definió como sigue: (a) Característi ca de dispersión de la energía estándar: Cada espectro estándar comprendió 800 puntos de datos espaciados igualmente en 2 cm"1 en unidades de energía de desplazamiento de Raman, que se extienden sobre un intervalo de energía desde 352 cm"1 hasta 1950 cm"1. (b) Espectro de referencia estándar: Un fragmento de diamante fue utilizado como el material de referencia para estas mediciones. El espectro de referencia estándar fue obtenido midiendo varios espectros de la referencia del diamante sobre SPEC1 y promediando los resultados para obtener un espectro promedio. El espectro promedio fue linearizado entonces para transformarlo en la característica de dispersión de la energía estándar, utilizando un algoritmo de interpolación de función cúbica como se describió en el texto mencionado previamente de Press et al. El espectro de referencia fue corregido del fondo entonces para remover el ruido de la línea base y las señales de fluorescencia residuales ajusfando todos los puntos fuera de un intervalo de 60 puntos que rodea el máximo del pico de Raman del diamante a intensidad cero, y restando una intensidad de la línea base de todos los puntos dentro de esto intervalo. El espectro resultante fue almacenado como el espectro de referencia estándar. (c) Función de respuesta fotométri ca estándar: La función de la respuesta fotométrica estándar se definió como igual a las unidades en todos las energías de desplazamiento de Raman. Los espectros de Raman fueron adquiridos sobre el SPEC1 para once muestras de xíleno (A-K en la TABLA 1) que fueron utilizados como un conjunto de la muestra de calibración. Seis diferentes mezclas (L-Q en la TABLA 1) sirvieron como un conjunto de muestra de validación independiente. Los espectros de Raman para las muestras de validación fueron adquiridas sobre tanto el SPEC 1 como el SPEC 2. Los espectros de referencia y de la muestra fueron adquiridos para cada muestra en un orden al azar, utilizando un período de integración de 30 segundos. Dos calibraciones fueron construidas para predecir a partir de los espectros de Raman medidos, las composiciones, como por ciento en mol de cada uno de los tres componentes, de las mezclas de xileno. La calibración de control, CALI, fue construida utilizando los espectros medidos no procesados como la respuesta de la señal multivariable (matriz X) . Una calibración de acuerdo con la presente invención, CAL2, fue construida utilizando los espectros que fueron transformados en los espectros estándares por el método de la invención, incorporando el método de normalización descrito en la Patente U.S. No. 5,610,836 descrita previamente. Un algoritmo de mínimos cuadrados parcial (PLS) (UNSCRAMBLER, Computer Aided Modeling A.S., Trondheim, Noruega) fue utilizado para construir ambas 'calibraciones. Las concentraciones de por ciento en mol conocidas de las mezclas fueron utilizadas como las mediciones cuantitativas (matriz Y) para ambas calibraciones . Utilizando los 23 espectros adquiridos (11 muestras de calibración sobre SPEC1, 6 muestras de validación sobre SPEC1, y 6 muestras de validación sobre SPEC2), cada calibración se aplicó para predecir las composiciones, como el por ciento en mol de cada componente, de las mezclas de xileno. El CALI de control fue aplicado a los espectros que no han sido estandarizados. El CAL2 de la invención se aplicó a los espectros que fueron transformados en espectros estándares . El error de la raíz del cuadrado promedio de la calibración (RMSEC) y el error del cuadrado promedio de la predicción (RMSEP) se calcularon para estimar las capacidades predictivas de cada calibración. El RMSEC se calculó para cada componente de la mezcla como: 11 RMSEC (i) + / S [p(i) - k(i)] n=l 11 en donde i = para-, meta-, u orto-xileno, p(i) es el valor del por ciento en mol predicho, k(i) es el valor del por ciento en mol conocido, y la suma se extiende sobre las once muestras del conjunto de calibración. El RMSEP para cada componente de la mezcla se calculó para el conjunto de la muestra de validación utilizando los espectros medidos ya sea sobre SPEC1 (RMSEP-SPEC1) o sobre SPEC2 (RMSEP-SPEC2) : RMSEP (i) + / S [p(i) - k(i)]: n=l en donde la suma se extiende sobre las seis muestras del conjunto de validación. Los resultados son resumidos en la TABLA 2. El RMSEC promedio para la calibración CAL2 de la invención es aproximadamente tres veces más pequeño que aquel para la calibración de control CALI, y el RMSEP-SPEC1 promedio para CAL2 es casi cuatro veces más pequeño que aquel para CALI. Estos resultados demuestran que la exactitud y precisión de una calibración es mejorada significativamente cuando la misma es generada utilizando los espectros que han sido transformados al SURE. De manera más importante, el RMSEP-SPEC2 para CAL2 de la invención es consistentemente menor que 0.15 por ciento en mol para cada componente de la mezcla, mientras que RMSEP-SPEC2 para el CALI de control excede 3.5 por ciento en mol para cada componente. Para CAL2, el RMSEP-SPEC2 promedio es solamente ligeramente más grande que el RMSEP-SPEC1 promedio (0.124 por ciento en mol contra 0.104 por ciento en mol), aún cuando la rejilla del espectrógrafo de SPEC2 fue fijada a propósito a una longitud de onda diferente que aquella para SPECl. Estos resultados demuestran claramente que una calibración generada utilizando el proceso de la presente invención puede ser transferida exitosamente a otros instrumentos y utilizada para proporcionar análisis cuantitativos exactos y precisos.

TABLA 1: Composiciones de las Muestras de Xileno Mezcladas TABLA 2 Errores del Valor Cuadrático Promedio (% en Mol; de la calibración (RMSEC) y la predicción (RMSEP) para las mezclas de xileno La presente invención ha sido descrita con detalle con referencia particular a las modalidades preferidas de la misma, pero se sobreentenderá que se pueden hacer variaciones y modificaciones dentro del espíritu y alcance de la invención.

Se hace constar que con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes

Claims (49)

REIVINDICACIONES

1. Un método para producir un espectro de Raman estándar a partir de una muestra utilizando un aparato de espectroscopia de Raman particular o cualquiera de una pluralidad de aparatos de espectrometría de Raman similares, cada uno de los aparatos de espectrometría de Raman comprende una fuente de radiación substancialmente monocromática, medios ópticos de excitación, medios de colección óptica de referencia, al menos un medio de colección óptica de la muestra, un espectrógrafo, y un detector del arreglo de canales múltiples, el método está caracterizado porque comprende : (a) utilizar el aparato de espectrometría, irradiar simultáneamente un material de referencia y al menos una muestra; (b) definir una característica de dispersión de la energía, estándar, un espectro de Raman estándar del material de referencia, y una función de respuesta fotométrica estándar; (c) adquirir simultáneamente a más de una longitud de onda, un espectro de Raman convolucionado del material de referencia utilizando un canal de referencia del detector de la red o arreglo de canales múltiples y un espectro de Raman convolucionado de la muestra utilizando un canal de muestra del detector de la red de canales múltiples, los espectros convolucionados comprenden la región de energia de desplazamiento de Raman incluida dentro de la característica de dispersión de la energía estándar; (d) identificar y remover opcionalmente las puntas de ruido de cada uno de los espectros de Raman convolucionados del material de referencia y de la muestra, por lo cual se producen los espectros de Raman convolucíonados despuntados del material de referencia y la muestra; (e) irradiar cada uno de los medios de colección ópticos y el espectrógrafo utilizando una segunda fuente de radiación y detectar las señales resultantes con el detector, por lo cual se produce un espectro de referencia fotométrico correspondiente para cada medio de colección óptico; (f) dividir cada uno de los espectros de Raman convolucionados despuntados opcionalmente del material de referencia y de la muestra por el espectro de referencia fotométrico respectivo correspondiente, por lo cual se producen espectros de Raman convolucionados compensados del material de referencia y de la muestra; (g) irradiar el espectrógrafo utilizando una tercera fuente de radiación y detectar las señales resultantes en cada canal del detector de canales múltiples, por lo cual se produce un espectro de la tercera fuente de radiación respectivo para cada canal del detector; (h) a partir del espectro de la tercera fuente de radiación correspondiente para cada canal del detector y la característica de dispersión de la energía estándar, construir una ecuación de correlación de la energía/longitud de onda correspondiente para cada canal del detector; (i) aplicar la ecuación de correlación de la longitud de onda/energía correspondiente para cada canal del detector a cada espectro de Raman convolucionado compensado correspondiente del material de referencia y de la muestra, por lo cual se producen los espectros de Raman convolucionados linearizados del material de referencia y de la muestra; (j) opcionalmente corregir el espectro de Raman convolucionado, linearizado, del material de referencia para remover las señales del fondo, por lo cual se produce un espectro de Raman convolucionado linearizado corregido del material de referencia; (k) determinar una función de convolución desde el espectro de Raman estándar del material de referencia y el espectro de Raman convolucionado linearizado corregido opcionalmente del material de referencia, (1) aplicar la función de convolución para ajustar el espectro de Raman convolucionado, linearizado, de la muestra, por lo cual se produce un espectro de Raman desconvolucionado de la muestra; y (m) multiplicar el espectro de Raman desconvolucionado de la muestra por la función de respuesta fotométrica estándar, por lo cual se produce el espectro de Raman Estándar de la muestra a partir de un aparato de espectrometría de Raman particular o desde cualquiera de una pluralidad de aparatos de espectrometría de Raman similares.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de radiación substancialmente monocromática comprende un rayo láser.

3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el rayo láser es un diodo lasérico multimodal.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el espectro de Raman convolucionado de la muestra incluye el espectro de Raman convolucionado del material de referencia.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material de referencia comprende el diamante.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el detector de la red de canales múltiples comprende un dispositivo acoplado a la carga.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda fuente de radiación incluye la radiación fluorescente obtenida de un vidrio de silicato impurificado con al menos un óxido metálico o de una solución de un tinte fluorescente.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda fuente de radiación incluye una fuente de emisión de luz blanca o una fuente de radiación de cuerpo negro.

9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la tercera fuente de radiación comprende una fuente de emisión atómica.

10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la fuente de emisión atómica es una lámpara de argón.

11. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la tercera fuente de radiación incluye un material que tiene un espectro de Raman con características espectrales que corresponden a las energías de desplazamiento de Raman conocidas .

12. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la aplicación de la ecuación de correlación de la energía/longitud de onda correspondiente para cada canal del detector a cada espectro de Raman convolucionado compensado correspondiente del material de referencia y la muestra, es llevada a cabo utilizando un algoritmo de interpolación de función cúbica.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la definición del espectro de Raman estándar del material de referencia se lleva a cabo ajusfando un espectro de Raman convolucionado adquirido previamente del material de referencia o promediando una pluralidad de espectros de Raman adquiridos previamente del material de referencia.

14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la determinación de la función de convolución se lleva a cabo utilizando un algoritmo de la transformada de Fourier.

15. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la característica de la dispersión de la energía estándar comprende una pluralidad de puntos espaciados lejos, cada uno de estos puntos corresponde a ,un valor de energía específico.

16. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque cada uno de los puntos está separado de los puntos adyacentes por una cantidad igual de energía, constante.

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la función de respuesta fotométrica estándar comprende una función de ponderación, la función de ponderación es aplicada a la pluralidad de puntos que comprenden la característica de dispersión de la energía estándar.

18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque la función de ponderación pondera puntos específicos de la pluralidad de puntos más pesadamente que los otros puntos.

19. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de los espectros de referencia fotométricos correspondientes para cada medio de colección óptico es modulado a lo largo de un eje de intensidad por los medios de colección óptica respectivos, el espectrógrafo, y el detector.

20. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de los espectros de la tercera fuente de radiación correspondientes para cada canal del detector es modulada a lo largo de un eje de dispersión de la energía/longitud de onda por el espectrógrafo y el detector.

21. Un método para proporcionar un análisis cuantitativo exacto y preciso de la composición química y/o las propiedades físicas de una muestra desconocida generando una calibración estandarizada que puede ser aplicada a un aparato de espectrometría de Raman particular o cualquiera de una pluralidad de aparatos de espectrometría de Raman similares, cada uno de los aparatos de espectrometría de Raman comprende una fuente de radiación substancialmente monocromática, medios ópticos de excitación, medios de colección óptica de referencia, al menos un medio de colección óptica de la muestra, un espectrógrafo, y un detector del arreglo de canales múltiples, el método está caracterizado porque comprende : (a) utilizar el aparato de espectrometría, irradiar simultáneamente un material de referencia y al menos una muestra que tiene una composición química y/o las propiedades físicas conocidas con la fuente de radiación substancialmente monocromática; (b) definir una característica de dispersión de la energía, estándar, un espectro de Raman estándar del material de referencia, y una función de respuesta fotométrica estándar; (c) adquirir simultáneamente a más de una longitud de onda, un espectro de Raman convolucionado del material de referencia utilizando un canal de referencia del detector de la red o arreglo de canales múltiples y un espectro de Raman convolucionado de la muestra utilizando un canal de muestra del detector de la red de canales múltiples, los espectros convolucionados comprenden la región de energía de desplazamiento de Raman incluida dentro de la característica de dispersión de la energía estándar; (d) identificar y remover opcionalmente las puntas de ruido de cada uno de los espectros de Raman convolucionados del material de referencia y de la muestra, por lo cual se producen los espectros de Raman convolucionados despuntados del material de referencia y la muestra; (e) irradiar cada uno de los medios de colección ópticos y el espectrógrafo utilizando una segunda fuente de radiación y detectar las señales resultantes con el detector, por lo cual se produce un espectro de referencia fotométrico correspondiente para cada medio de colección óptico; (f) dividir cada uno de los espectros de Raman convolucionados despuntados opcionalmente del material de referencia y de la muestra entre el espectro de referencia fotométrico respectivo correspondiente, por lo cual se producen espectros de Raman convolucionados compensados del material de referencia y de la muestra; (g) irradiar el espectrógrafo utilizando una tercera fuente de radiación y detectar las señales resultantes en cada canal del detector de canales múltiples, por lo cual se produce un espectro de la tercera fuente de radiación correspondiente para cada canal del detector; (h) a partir del espectro de la tercera fuente de radiación correspondiente para cada canal del detector y la característica de dispersión de la energía estándar, construir una ecuación de correlación de la energía/longitud de onda correspondiente para cada canal del detector; (i) aplicar la ecuación de correlación de la longitud de onda/energía correspondiente para cada canal del detector a cada espectro de Raman convolucionado compensado correspondiente del material de referencia y de la muestra, por lo cual se producen los espectros de Raman convolucionados linearizados del material de referencia y de la muestra; (j) opcionalmente corregir el espectro de Raman convolucionado, linearizado, del material de referencia para remover las señales del fondo, por lo cual se produce un espectro de Raman convolucionado linearizado corregido del material de referencia; (k) determinar una función de convolución desde el espectro de Raman estándar del material de referencia y el espectro de Raman convolucionado linearizado corregido opcionalmente del material de referencia, (1) aplicar la función de convolución para ajustar el espectro de Raman convolucionado, linearizado, de la muestra, por lo cual se produce un espectro de Raman desconvolucionado de la muestra; y (m) multiplicar el espectro de Raman desconvolucionado de la muestra por la función de respuesta fotométrica estándar, por lo cual se produce el espectro de Raman Estándar de la muestra; (n) repetir el proceso descrito en los pasos precedentes (a) a (m) utilizando una pluralidad de muestras de composición química y/o propiedades físicas conocidas, por lo cual se produce un conjunto de respuesta de señal multivariable que comprenden los espectros de Raman estándares de las muestras; (o) a partir del conjunto de respuestas de la señal multivariable que comprende los espectros de Raman estándares para las muestras y a partir de la composición química y/o propiedades físicas conocidas de las muestras, construir una calibración normalizada, y (p) aplicar la calibración normalizada a un espectro de Raman estándar obtenido de una muestra de la composición química desconocida y/o las propiedades físicas utilizando el aparato de espectrometría de Raman o cualquier aparato de espectrometría de Raman similar que tiene substancialmente los mismos elementos que el aparato de espectrometría de Raman, por lo cual se proporciona un análisis cuantitativo exacto y preciso de la composición química y/o las propiedades físicas de la muestra.

22. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la fuente de radiación substancialmente monocromática comprende un rayo láser.

23. El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque el rayo láser es un diodo lasérico multimodal.

24. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el espectro de Raman convolucionado de la muestra incluye el espectro de Raman convolucionado del material de referencia.

25. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el material de referencia comprende el diamante.

26. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el detector de la red de canales múltiples comprende un dispositivo acoplado a la carga.

27. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la segunda fuente de radiación incluye la radiación fluorescente obtenida de un vidrio de silicato impurificado con al menos un óxido metálico o de una solución de un tinte fluorescente.

28. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la segunda fuente de radiación incluye una fuente de emisión de luz blanca o una fuente de radiación de cuerpo negro.

29. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la tercera fuente de radiación comprende una fuente de emisión atómica.

30. El método de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque la fuente de emisión atómica es una lámpara de argón.

31. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la tercera fuente de radiación incluye un material que tiene un espectro de Raman con las características espectrales que corresponden a las energías de desplazamiento de Raman conocidas .

32. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la aplicación de la ecuación que correlaciona la longitud de onda/energía correspondiente para cada canal del detector a cada espectro de Raman convolucionado compensado correspondiente del material de referencia y de la muestra, se lleva a cabo utilizando un algoritmo de interpolación de función cúbica.

33. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la definición del espectro de Raman estándar del material de referencia se lleva a cabo ajusfando un espectro de Raman convolucionado adquirido previamente del material de referencia o promediando una pluralidad de espectros de Raman convolucionados adquiridos previamente del material de referencia.

34. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la determinación de la función de convolución se lleva a cabo utilizando un algoritmo de la transformada de Fourier.

35. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la característica de dispersión de la energía estándar comprende una pluralidad de puntos espaciados lejos, cada uno de los puntos corresponde a un valor de energía específico.

36. El método de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque cada punto está separado de los puntos adyacentes por una cantidad igual, constante, de energía.

37. El método de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque la función de respuesta fotométrica estándar comprende una función de ponderación, la función de ponderación es aplicada a la pluralidad de puntos que comprenden la característica de dispersión de la energía estándar.

38. El método de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque la función de ponderación pondera los puntos específicos de la pluralidad de puntos más pesadamente que otros puntos.

39. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque cada uno de los espectros de referencia fotométricos correspondientes para cada medio de colección óptica es modulado a lo largo de un eje de intensidad por los medios de colección óptica respectivos, el espectrógrafo, y el detector.

40. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque cada uno de los espectros de la tercera fuente de radiación correspondiente para cada canal del detector son modulados a lo largo de un eje de longitud de onda/dispersión de la energía por el espectrógrafo y el detector.

41. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la construcción de la calibración normalizada para el aparato de espectrometría de Raman se lleva a cabo utilizando el análisis del factor principal o un algoritmo de mínimos cuadrados parcial .

42. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la muestra desconocida comprende una composición polimérica.

43. El método de conformidad con la reivindicación 42, caracterizado porque la composición polimérica comprende una composición celulósica.

44. El método de conformidad con la reivindicación 42, caracterizado porque la composición polimérica comprende un material polimérico producido por la reacción de los compuestos reactivos de peso molecular inferior.

45. El método de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado porque el material polimérico comprende un poliéster.

46. El método de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado porque el material polimérico comprende una poliolefina.

47. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la muestra desconocida comprende el material situado en una corriente de proceso de la reacción química.

48. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la muestra desconocida comprende el material situado en un aparato de destilación.

49. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la muestra desconocida comprende el material situado en un organismo viviente.