RU2805385C2 - Method for correcting amplitude changes in spectrometer - Google Patents

Method for correcting amplitude changes in spectrometer Download PDF

Info

Publication number
RU2805385C2
RU2805385C2 RU2021132832A RU2021132832A RU2805385C2 RU 2805385 C2 RU2805385 C2 RU 2805385C2 RU 2021132832 A RU2021132832 A RU 2021132832A RU 2021132832 A RU2021132832 A RU 2021132832A RU 2805385 C2 RU2805385 C2 RU 2805385C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
spectral data
corr
absorption
mathematical transformation
Prior art date
Application number
RU2021132832A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021132832A (en
Inventor
Пер Ваабен ХАНСЕН
Йеппе Сандвик КЛАУСЕН
Original Assignee
ФОСС Аналитикал А/С
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ФОСС Аналитикал А/С filed Critical ФОСС Аналитикал А/С
Publication of RU2021132832A publication Critical patent/RU2021132832A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2805385C2 publication Critical patent/RU2805385C2/en

Links

Abstract

FIELD: spectroscopic measurements.
SUBSTANCE: invention concerns a method for correcting changes in the amplitude of the output signal of a spectrometric device. The method includes exposing a sample in a sample holder to electromagnetic radiation with a plurality of wave numbers, determining absorption intensities of the electromagnetic radiation in the sample with multiple wave numbers, and providing the determined absorption intensities indexed by wave number as spectral data to a computer device. The amplitude of the output signal is corrected by applying a mathematical transformation (Icorr). Mathematical transformation (Icorr) is calculated by determining the difference (Δ(SBZ)/) between the first derivative of log-transformed spectral data (SBZ) for the sample of zero material in the first range (x1) of wave numbers and the first derivative of log-transformed spectral data (SBZ) for the sample of zero material in the second range (x2) of wave numbers and calculating the mathematical transformation (Icorr) as a function inversely dependent on a certain difference (Δ(SBZ)/).
EFFECT: increasing the accuracy of measurements.
6 cl, 8 dwg, 3 tbl

Description

[0001] Настоящее изобретение относится к способу компенсации изменения амплитуды на выходе спектрометра, относящегося к типу спектрометров для генерации спектральных данных для неизвестных образцов, содержащихся в держателях образцов, и, в частности, к компенсации изменения амплитуды вследствие изменений длины оптического пути через держатель образца.[0001] The present invention relates to a method for compensating for changes in amplitude at the output of a spectrometer, a type of spectrometer for generating spectral data for unknown samples contained in sample holders, and, in particular, for compensating for changes in amplitude due to changes in the optical path length through the sample holder.

[0002] В типовых спектрометрах, выполненных с возможностью генерации спектральных данных для неизвестных образцов, излучатель света и детектор света выполнены с возможностью определения пути света, на котором находится рассматриваемый образец, при взаимодействии образца со светом. Как правило, держатель образца, например, содержащий кювету для образцов жидкости или твердых частиц, используют для размещения образцов в пределах пути света воспроизводимым образом. Держатель образца имеет внутренний объем для приема образца и имеет поверхности, обычно противоположные поверхности, по меньшей мере участки которых прозрачны для света, взаимодействующего с образцом. Разделение между указанными прозрачными участками ограничивает длину оптического пути через держатель образца и, таким образом, через образец, находящийся в держателе образца.[0002] In typical spectrometers configured to generate spectral data for unknown samples, the light emitter and light detector are configured to determine the path of light along which the sample in question is located when the sample interacts with the light. Typically, a sample holder, for example containing a liquid or solid sample cuvette, is used to place samples within the light path in a reproducible manner. The sample holder has an internal volume for receiving the sample and has surfaces, typically opposing surfaces, at least portions of which are transparent to light interacting with the sample. The separation between said transparent areas limits the length of the optical path through the sample holder and thus through the sample contained in the sample holder.

[0003] Обычный способ получения требуемых спектральных данных в любом спектрометре представляет собой генерацию спектра пропускания (или поглощения) образца. Для этого получают так называемый однолучевой спектр (SBS), который содержит спектральные данные, относящиеся как к образцу, так и к спектрометру. Чтобы выделить спектральные данные, относящиеся к образцу, аналогичный однолучевой спектр (SBZ), как правило, измеряют на так называемом нулевом материале, таком как вода или материал на водной основе, если, например, образец, подлежащий измерению, представляет собой жидкость или воздух, или если, например, образец, подлежащий измерению, представляет собой твердое тело. Такие однолучевые спектры SBZ обеспечивают такие же эффекты, которые связаны со спектрометром, что и спектры SBS образца, но эффекты, обусловленные образцом, отсутствуют. Затем спектр нулевого материала используют, чтобы обеспечить зависящий от длины волны нулевой уровень в спектральной области, в которой собирают спектральные данные.[0003] A common method for obtaining the required spectral data in any spectrometer is to generate a transmittance (or absorption) spectrum of the sample. To do this, a so-called single-beam spectrum (SB S ) is obtained, which contains spectral data related to both the sample and the spectrometer. To isolate spectral data related to a sample, a similar single-beam spectrum (SB Z ) is typically measured on a so-called null material such as water or a water-based material if, for example, the sample to be measured is liquid or air , or if, for example, the sample to be measured is a solid. These single-beam SB Z spectra provide the same spectrometer-related effects as the SB S spectra of the sample, but there are no sample-related effects. The spectrum of the null material is then used to provide a wavelength-dependent null in the spectral region in which the spectral data is collected.

[0004] Затем однолучевой спектр образца (SBS) разделяют на однолучевой спектр нулевого материала (SBZ) на тех же длинах волн во всех соответствующих спектрах, чтобы получить так называемый двухлучевой спектр образца (DBS), который по существу является спектром пропускания образца относительно нулевого материала и относится только к свойствам пропускания образца. Как хорошо известно, при вычислении для него отрицательного log10 получают спектр поглощения для образца. Эти операции выполняются в арифметическом блоке вычислительного устройства, которое связано со спектрометром и которое встроено в спектрометр или представляет собой отдельное устройство, но функционально соединенное со спектрометром, например, в виде соответствующим образом запрограммированного персонального компьютера.[0004] The single-beam spectrum of the sample (SB S ) is then divided by the single-beam spectrum of the null material (SB Z ) at the same wavelengths in all relevant spectra to obtain the so-called double-beam spectrum of the sample (DB S ), which is essentially the transmittance spectrum of the sample relative to zero material and relates only to the transmission properties of the sample. As is well known, calculating the negative log 10 for it yields the absorption spectrum for the sample. These operations are performed in the arithmetic unit of the computing device, which is connected to the spectrometer and which is built into the spectrometer or is a separate device, but functionally connected to the spectrometer, for example, in the form of a suitably programmed personal computer.

[0005] Со временем выходной сигнал спектрометра изменяется. Один аспект этого изменения может быть описан как изменение амплитуды, в результате которого на одних и тех же длинах волн для одного и того же образца в двух аналогичных в остальном спектрометрах или в двух сеансах использования одного и того же спектрометра в различные периоды времени получают разные измеренные значения амплитуды. Как правило, это связано с износом держателя образца, в результате которого изменяется расстояние между противоположными прозрачными частями и, следовательно, изменяется длина оптического пути через держатель образца. Как известно, согласно закону Бера-Ламберта (Beer-Lambert) поглощение света образцом при заданном волновом числе (длине волны) пропорционально длине оптического пути через образец. Таким образом, по мере износа держателя образца и изменения длины оптического пути амплитуда выходного сигнала спектрометра изменяется и требуется ее регулярная компенсация.[0005] Over time, the spectrometer output changes. One aspect of this change can be described as a change in amplitude, which results in different measurements at the same wavelengths for the same sample in two otherwise similar spectrometers, or in two runs using the same spectrometer at different times. amplitude values. Typically this is due to wear on the sample holder, which changes the distance between opposing transparent parts and therefore changes the optical path length through the sample holder. As is known, according to the Beer-Lambert law, the absorption of light by a sample at a given wave number (wavelength) is proportional to the length of the optical path through the sample. Thus, as the sample holder wears and the optical path length changes, the amplitude of the spectrometer output signal changes and requires regular compensation.

[0006] Чтобы компенсировать изменение амплитуды спектрометра, обычно спектрометр периодически стандартизируют. Указанная стандартизация известна из патента США 9,874,515, в котором раскрыт способ определения отклонения длины оптического пути через образец в кювете. Этот способ включает: воздействие на образец электромагнитным излучением с множеством волновых чисел, определение поглощения электромагнитного излучения в образце с множеством волновых чисел, определение первого волнового числа, связанного с первым уровнем поглощения из полосы поглощения, в частности, полосы поглощения для воды в спектре (SBZ) поглощения нулевого луча нулевой жидкости, и второго волнового числа, связанного со вторым уровнем поглощения из указанной полосы поглощения, причем второе волновое число отличается от первого волнового числа, определение разности между первым волновым числом и вторым волновым числом, и определение отклонения длины оптического пути на основании указанной разности. Исходя из этой разности в длине оптического пути, изменение интенсивности может быть вычислено с использованием закона Бера-Ламберта и компенсировано в последующих спектральных измерениях.[0006] To compensate for changes in the amplitude of the spectrometer, the spectrometer is typically standardized periodically. This standardization is known from US Pat. No. 9,874,515, which discloses a method for determining the deviation of the optical path length through a sample in a cuvette. This method involves: exposing a sample to multiple wavenumber electromagnetic radiation, determining the absorption of electromagnetic radiation in the multiple wavenumber sample, determining the first wavenumber associated with the first absorption level from the absorption band, in particular the absorption band for water in the spectrum (SB Z ) absorption of the zero ray of the zero liquid, and a second wavenumber associated with a second absorption level from said absorption band, the second wavenumber being different from the first wavenumber, determining the difference between the first wavenumber and the second wavenumber, and determining the deviation of the optical path length based on the specified difference. From this difference in optical path length, the change in intensity can be calculated using the Beer-Lambert law and compensated for in subsequent spectral measurements.

[0007] К сожалению, записанный таким образом спектр (SBZ) поглощения нулевого луча включает в себя информацию не только о нулевом материале (например, нулевой жидкости) в кювете, но также и фоновую информацию об элементах, в том числе информацию об атмосферном воздухе, в пределах пути света между излучателем света и детектором света, который не связан с нулевым материалом, но влияет на интенсивность света.[0007] Unfortunately, the zero beam absorption spectrum (SB Z ) recorded in this way includes information not only about the zero material (eg, zero liquid) in the cuvette, but also background elemental information, including information about atmospheric air , within the light path between the light emitter and the light detector, which is not associated with the null material but affects the light intensity.

[0008] Как раскрыто в патенте США 9,874,515, эта фоновая информация может быть определена с использованием результата измерения для воздуха, т.е. измерения, при котором кювета содержит только воздух. В этом случае образец отсутствует во время спектрального анализа, а однолучевой спектр содержит информацию только о кювете с образцом, воздухе внутри кюветы, отражении от зеркал, спектре испускания электромагнитного источника, чувствительности детектора и т.д. Однако расстояние между противоположными прозрачными окнами типовой кюветы составляет около 50 мкм, в результате чего удаление всего образца и обеспечение присутствия в кювете только воздуха затруднено во время выполнения таких фоновых измерений. Разборка и тщательное просушивание кюветы для каждого измерения компенсации нецелесообразны, как и замена кюветы для образца на сухую для каждого измерения компенсации.[0008] As disclosed in US Pat. No. 9,874,515, this background information can be determined using the air measurement result, i.e. measurements in which the cuvette contains only air. In this case, the sample is absent during spectral analysis, and the single-beam spectrum contains information only about the sample cuvette, the air inside the cuvette, reflection from mirrors, emission spectrum of the electromagnetic source, detector sensitivity, etc. However, the distance between the opposing clear windows of a typical cuvette is about 50 µm, making it difficult to remove the entire sample and ensure that the cuvette is only air-filled during such background measurements. Disassembling and thoroughly drying the cuvette for each compensation measurement is not practical, nor is replacing the sample cuvette with a dry one for each compensation measurement.

[0009] Во избежание этого применяют известную из патента США 9,874,515 математическую оценку фонового спектра. Такая оценка оказалась недостаточно точной при определенных обстоятельствах и для определенных вариантов применения.[0009] To avoid this, the mathematical estimation of the background spectrum known from US patent 9,874,515 is used. This assessment has proven to be insufficiently accurate in certain circumstances and for certain applications.

[0010] Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ коррекции изменения амплитуды выходного сигнала спектрометрического прибора, включающий воздействие на неизвестный образец в держателе образца электромагнитным излучением с множеством волновых чисел; определение с помощью спектрометрического прибора значений интенсивности поглощения электромагнитного излучения в неизвестном образце с множеством волновых чисел; передача на компьютерное устройство, связанное со спектрометрическим прибором, определенных значений интенсивности поглощения, индексированных по волновому числу, в качестве спектральных данных; и применение с помощью компьютерного устройства математического преобразования к спектральным данным для коррекции изменения амплитуды выходного сигнала спектрометрического прибора; причем способ дополнительно включает вычисление на компьютерном устройстве математического преобразования путем определения разности между значениями поглощения в двух различных диапазонах волновых чисел в первой производной спектральных данных, при определении интенсивности поглощения, индексированной по волновому числу, для образца нулевого материала; и вычисление математического преобразования как функции, обратно зависящей от определенной разности. Таким образом, путем вычисления первой производной и последующего вычитания двух близких друг к другу сигналов существенно уменьшают зависимость от фонового спектра.[0010] According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for correcting changes in the amplitude of an output signal of a spectrometer instrument, comprising exposing an unknown sample in a sample holder to electromagnetic radiation having a plurality of wave numbers; determination, using a spectrometric device, of the absorption intensity of electromagnetic radiation in an unknown sample with many wave numbers; transmitting to a computer device associated with the spectrometric instrument certain absorption intensities, indexed by wave number, as spectral data; and applying, by means of a computer device, a mathematical transformation to the spectral data to correct for changes in the amplitude of the output signal of the spectrometer; wherein the method further includes calculating on a computer device a mathematical transformation by determining the difference between absorption values in two different wavenumber ranges in the first derivative of the spectral data, determining the wavenumber-indexed absorption intensity for a sample of the zero material; and calculating the mathematical transformation as a function inversely of the specified difference. Thus, by calculating the first derivative and then subtracting two signals close to each other, the dependence on the background spectrum is significantly reduced.

[0011] В некоторых вариантах осуществления вычисление математического преобразования также включает вычисление коэффициента коррекции на влажность в виде наклона/пересечения для выбранных областей влажности в спектре поглощения.[0011] In some embodiments, calculating the mathematical transformation also includes calculating a slope/intercept moisture correction factor for selected moisture regions in the absorption spectrum.

[0012] Этот коэффициент коррекции на влажность эффективно компенсирует влияние влажности в фоновой информации и имеет то преимущество, что эта компенсация может быть выполнена независимо от любой фактической известной фоновой информации.[0012] This humidity correction factor effectively compensates for the effect of humidity in the background information and has the advantage that this compensation can be performed independently of any actual known background information.

[0013] В этих вариантах осуществления вычисление математического преобразования включает определение разности между значениями поглощения в двух различных диапазонах волновых чисел в первой производной спектральных данных для нулевого образца материала; и вычисление математического преобразования как функции, обратно зависящей от суммы определенной разности и коэффициента коррекции на влажность.[0013] In these embodiments, calculating the mathematical transformation includes determining the difference between absorption values in two different wavenumber ranges in the first derivative of the spectral data for a null material sample; and calculating a mathematical transformation as a function inversely dependent on the sum of the determined difference and the moisture correction factor.

[0014] Предпочтительно, чтобы образец нулевого материала был основан на воде, в частности, номинально чистой воде (воде, в которой любые примеси или добавки не оказывают заметного влияния на измеренные спектральные данные воды). Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что человеческие ошибки при приготовлении образца нулевого материала могут быть минимизированы.[0014] Preferably, the null material sample is based on water, particularly nominally pure water (water in which any impurities or additives do not appreciably affect the measured spectral data of the water). This provides the advantage that human errors in preparing a sample of zero material can be minimized.

[0015] Эти и другие преимущества, связанные с настоящим изобретением, станут очевидными после ознакомления с нижеследующим описанием аспектов, не предполагающих ограничения и приведенных в качестве примера вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:[0015] These and other advantages associated with the present invention will become apparent upon reading the following description of non-limiting and exemplary embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings, in which:

на фиг. 1in fig. 1 схематично показан вариант осуществления предлагаемого аппарата согласно настоящему изобретению;schematically shows an embodiment of the proposed apparatus according to the present invention; на фиг. 2in fig. 2 представлен схематический вид сверху в разрезе держателя образца, показанного на фиг. 1;is a schematic top cross-sectional view of the sample holder shown in FIG. 1; на фиг. 3in fig. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ определения коэффициента коррекции согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;is a flowchart illustrating a method for determining a correction factor according to one embodiment of the present invention; на фиг. 4in fig. 4 представлено графическое изображение однолучевых спектров воды (первая производная);a graphical representation of single-beam spectra of water (first derivative) is presented; на фиг. 5in fig. 5 представлено графическое изображение области однолучевых спектров воды, показанных на фиг. 7, на котором указаны положения волновых чисел для коррекции на влажность;presents a graphical representation of the region of single-beam spectra of water shown in Fig. 7, which shows the positions of the wave numbers for humidity correction; на фиг. 6in fig. 6 представлено графическое изображение нескорректированных спектров поглощения для молока;a graphical representation of the uncorrected absorption spectra for milk is presented; на фиг. 7in fig. 7 представлено графическое изображение однолучевых спектров воды; и a graphical representation of single-beam spectra of water is presented; And на фиг. 8in fig. 8 представлено графическое изображение спектров поглощения для молока, скорректированных в соответствии со способом согласно настоящему изобретению.is a graphical representation of absorption spectra for milk corrected according to the method of the present invention.

[0016] Далее со ссылкой на фиг. 1 и 2 будет описан вариант осуществления предложенного в настоящем изобретении аппарата 100 в контексте спектроскопии поглощения. Аппарат 100 содержит излучающее устройство 200, интерферометрическое устройство 300, детектор 400 и измерительное устройство 500. Кроме того, держатель 600 образца для размещения образца, подлежащего анализу, выполнен с возможностью размещения в аппарате 100.[0016] Next, with reference to FIG. 1 and 2, an embodiment of the apparatus 100 of the present invention will be described in the context of absorption spectroscopy. The apparatus 100 includes an emitting device 200, an interferometric device 300, a detector 400, and a measuring device 500. In addition, a sample holder 600 for housing a sample to be analyzed is configured to be placed in the apparatus 100.

[0017] Излучающее устройство 200 содержит источник 210 излучения, который выполнен с возможностью испускания полихроматического инфракрасного излучения в направлении, обозначенном буквой R на фиг. 1 и 2.[0017] The emitting device 200 includes a radiation source 210 that is configured to emit polychromatic infrared radiation in the direction indicated by R in FIG. 1 and 2.

[0018] Интерферометрическое устройство 300 содержит необходимое оборудование для реализации спектроскопии с преобразованием Фурье, которое хорошо известно специалистам в данной области техники. Например, интерферометрическое устройство 300 содержит коллиматор, который коллимирует инфракрасное излучение, и дополнительное оборудование, содержащееся в интерферометре, например, оптические компоненты, такие как зеркала и линзы.[0018] Interferometric device 300 contains the necessary equipment for implementing Fourier transform spectroscopy, which is well known to those skilled in the art. For example, interferometric device 300 includes a collimator that collimates infrared radiation, and additional equipment contained in the interferometer, such as optical components such as mirrors and lenses.

[0019] Детектор 400 выполнен с возможностью обнаружения входящего инфракрасного излучения, которое проходит через держатель 600 образца, см. подробнее ниже.[0019] The detector 400 is configured to detect incoming infrared radiation that passes through the sample holder 600, see below for more details.

[0020] Измерительное устройство 500 содержит компьютер 510, который соединен с детектором 400 для сбора необработанных данных об обнаруженном инфракрасном излучении. С применением этого соединения измерительное устройство 500 выполнено с возможностью определения коэффициента пропускания в дискретном количестве каналов, расположенных через равные промежутки вдоль оси волновых чисел. Компьютер 510 содержит процессор для обработки собранных данных, соответствующее компьютерное программное обеспечение, а также дополнительное оборудование, хорошо известное специалистам в данной области техники. Кроме того, компьютер 510 выполнен с возможностью хранения собранных данных и обработанных данных в запоминающем устройстве. Согласно настоящему варианту осуществления используется процедура, включающая в себя алгоритмы преобразования Фурье, для преобразования необработанных данных от детектора 400 в данные об интенсивности в зависимости от волнового числа. Кроме того, компьютер 510 выполнен с возможностью графического представления данных в виде двумерных графиков, см. фиг. 4-8, на которые ниже имеются ссылки.[0020] The measurement device 500 includes a computer 510 that is coupled to the detector 400 to collect raw data about the detected infrared radiation. Using this connection, the measuring device 500 is configured to determine the transmittance in a discrete number of channels spaced at regular intervals along the wavenumber axis. Computer 510 includes a processor for processing collected data, associated computer software, and additional equipment well known to those skilled in the art. In addition, the computer 510 is configured to store collected data and processed data in a storage device. According to the present embodiment, a procedure including Fourier transform algorithms is used to convert the raw data from detector 400 into intensity data as a function of wavenumber. In addition, the computer 510 is configured to graphically represent data in the form of two-dimensional graphs, see FIG. 4-8, which are referenced below.

[0021] Излучающее устройство 200, интерферометрическое устройство 300, детектор 400 и измерительное устройство 500 в дальнейшем будут упоминаться как FTIR-спектрометр или просто спектрометр. Далее ниже будет описан способ коррекции отклонений интенсивности (или изменений амплитуды) указанного FTIR-спектрометра.[0021] The emitting device 200, the interferometric device 300, the detector 400 and the measuring device 500 will hereinafter be referred to as an FTIR spectrometer or simply a spectrometer. A method for correcting intensity deviations (or amplitude changes) of said FTIR spectrometer will now be described below.

[0022] Держатель 600 образца размещают между интерферометрическим устройством 300 и детектором 400. Кроме того, держатель 600 образца выполнен с возможностью вмещения жидкого образца, подлежащего выполнению спектрального анализа путем пропускания через него инфракрасного излучения. Например, жидкий образец может представлять собой молоко или вино. В настоящем варианте осуществления жидкий образец в основном содержит воду 610, которая служит эталоном или так называемой «нулевой» текучей средой и используется для выполнения коррекции отклонений длины оптического пути в кювете, см. подробнее ниже. Образец 610 воды помещают в кювету 620, которая частично состоит из фторида кальция. Наружная поверхность кюветы 620 имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Кювета 620 имеет внутренние стенки 630, оконные элементы 640, разделители 650, полости 660 и пространство 622 для образца для вмещения образца 610, см. вид сверху в разрезе на фиг. 2. Понятно, что внутренние стенки 630 и оконные элементы 640 прозрачны для инфракрасного излучения, которое пропускают через образец 610. Следует отметить, что разделители 650 не обязательно должны быть прозрачными. Например, разделители 650 могут быть изготовлены из пластмассы. Объем пространства 622 для образца можно изменять, изменяя длину разделителей 650. Как видно на чертеже, разделители 650 образуют длину оптического пути в кювете 620. Кроме того, имеется впускное отверстие 670 для введения образца 610 в пространство 622 для образца и выпускное отверстие 680 для удаления образца 610 из пространства 622. Согласно некоторым вариантам осуществления образец 610 находится в движении во время проведения измерения, протекая от впускного отверстия 670 к выпускному отверстию 680 через пространство 622 для образца, как показано стрелками на фиг. 2. Однако в других вариантах осуществления во время проведения измерения образец 610 остается неподвижным в пространстве 622 для образца и в таких вариантах осуществления впускное отверстие 670 и выпускное отверстие 680 могут быть исключены.[0022] The sample holder 600 is placed between the interferometric device 300 and the detector 400. In addition, the sample holder 600 is configured to receive a liquid sample to be performed spectral analysis by passing infrared radiation through it. For example, the liquid sample may be milk or wine. In the present embodiment, the liquid sample mainly contains water 610, which serves as a reference or so-called “null” fluid and is used to perform correction for path length deviations in the cuvette, see more below. A water sample 610 is placed in a cuvette 620, which is partially composed of calcium fluoride. The outer surface of the cuvette 620 has the shape of a rectangular parallelepiped. Cuvette 620 has interior walls 630, window elements 640, dividers 650, cavities 660, and a sample space 622 for housing sample 610, see sectional top view of FIG. 2. It will be understood that the interior walls 630 and window elements 640 are transparent to infrared radiation that is passed through the sample 610. It should be noted that the dividers 650 do not necessarily need to be transparent. For example, the spacers 650 may be made of plastic. The volume of the sample space 622 can be varied by changing the length of the spacers 650. As seen in the drawing, the spacers 650 define the optical path length in the cell 620. In addition, there is an inlet 670 for introducing sample 610 into the sample space 622 and an outlet 680 for removing sample 610 from space 622. In some embodiments, sample 610 is in motion during measurement, flowing from inlet 670 to outlet 680 through sample space 622, as indicated by arrows in FIG. 2. However, in other embodiments, sample 610 remains stationary in sample space 622 during measurement, and in such embodiments, inlet 670 and outlet 680 may be eliminated.

[0023] Расстояние, которое проходит инфракрасное излучение в пространстве 622 для образца, упоминается как длина оптического пути. Поскольку излучение проходит через образец 610 под прямым углом к боковому краю кюветы 620, в направлении R на фиг. 1 и фиг. 2 длина L оптического пути совпадает со значением внутренней длины кюветы 620 между оконными элементами 640. По мере износа кюветы 620 длина L оптического пути изменяется (увеличивается).[0023] The distance that infrared radiation travels in sample space 622 is referred to as the optical path length. Since the radiation passes through the sample 610 at right angles to the side edge of the cuvette 620, in the direction R in FIG. 1 and fig. 2, the optical path length L is the same as the internal length of the cuvette 620 between the window elements 640. As the cuvette 620 wears, the optical path length L changes (increases).

[0024] Поскольку оконные элементы 640, контактирующие с образцом 610 воды, изготовлены из фторида кальция, они со временем растворятся. В течение срока службы кюветы 620 она также может быть повреждена другими химическими веществами. Например, толщина T (см. фиг. 2) оконных элементов 640 со временем уменьшается. Следовательно, длина L пути со временем будет увеличиваться, т.е. будет происходить отклонение длины оптического пути. Кроме того, следует отметить, что кюветы, помещенные в разные аппараты одного и того же типа 100, по умолчанию имеют разные значения длины оптического пути. Например, разные значения длины оптического пути могут быть получены в результате растворения кювет в разной степени, даже если кюветы в некоторый момент времени были по существу одинаковыми. Кроме того, длина разделителей 650 может варьироваться между разными кюветами 620, что приводит к варьированию длины оптического пути. Таким образом, чтобы характеристики разных аппаратов одного и того же типа 100 были более похожими, а характеристики одного и того же аппарата 100 были более стабильными во времени, необходимо компенсировать изменение длины оптического пути.[0024] Since the window elements 640 in contact with the water sample 610 are made of calcium fluoride, they will dissolve over time. During the life of the 620 cuvette, it may also be damaged by other chemicals. For example, the thickness T (see FIG. 2) of window elements 640 decreases over time. Consequently, the length L of the path will increase over time, i.e. There will be a deviation in the optical path length. In addition, it should be noted that cuvettes placed in different devices of the same type 100 have different optical path lengths by default. For example, different optical path lengths can result from diluting the cells to different degrees, even if the cells were essentially the same at some point in time. In addition, the length of the spacers 650 may vary between different cells 620, resulting in variations in the optical path length. Thus, in order for the performance of different devices of the same type 100 to be more similar, and the performance of the same device 100 to be more stable over time, it is necessary to compensate for the change in optical path length.

[0025] Приведенный в качестве примера вариант осуществления способа коррекции отклонений интенсивности в аппарате 100 (в данном случае, например, FTIR-спектрометре) согласно настоящему изобретению описан ниже со ссылкой на блок-схему, представленную на фиг. 3. Как будет понятно из нижеследующего описания, коррекция отклонения длины оптического пути также означает коррекцию отклонения интенсивности. Согласно настоящему приведенному в качестве примера варианту осуществления в способе используется однолучевой спектр SBZ образца нулевой жидкости, который в данном случае представляет собой образец номинально чистой воды (образец воды может содержать небольшие количества других компонентов, например, около 0,01 % по объему моющего средства), для определения отклонений длины оптического пути в кювете. После того, как спектрометр 100 будет скорректирован с использованием результатов измерений на образце воды, его можно использовать для измерений на других жидких образцах, таких как молоко или вино, для количественного определения исследуемых компонентов в этих образцах способом, хорошо известным в данной области техники.[0025] An exemplary embodiment of a method for correcting intensity deviations in an apparatus 100 (in this case, for example, an FTIR spectrometer) according to the present invention is described below with reference to the flowchart shown in FIG. 3. As will be clear from the following description, correcting the optical path length deviation also means correcting the intensity deviation. In this exemplary embodiment, the method uses a single beam spectrum SB Z of a zero liquid sample, which in this case is a sample of nominally pure water (the water sample may contain small amounts of other components, for example about 0.01% by volume detergent ), to determine deviations in the optical path length in the cuvette. Once the spectrometer 100 has been adjusted using measurements on a water sample, it can be used to make measurements on other liquid samples, such as milk or wine, to quantify the components of interest in those samples in a manner well known in the art.

[0026] Согласно настоящему способу может быть определена коррекция интенсивности, Iкорр, на которую корректируют значения поглощения () для образца относительно нулевого материала (в данном случае воды), для которого выполняют измерения в держателе образца с длиной L оптического пути, до указанных значений (), измеренных в держателе образца со стандартной длиной L0 оптического пути. Это может быть выражено следующим образом:[0026] According to the present method, an intensity correction, I corr , by which the absorption values are adjusted ( ) for a sample relative to a zero material (in this case water), for which measurements are performed in a sample holder with optical path length L, to the specified values ( ), measured in a sample holder with a standard optical path length L0 . This can be expressed as follows:

Из этого следует, что коррекция интенсивности представляет собой следующее соотношение между указанными двумя длинами оптического пути:It follows that the intensity correction is the following relationship between these two optical path lengths:

[0027] Задача настоящего изобретения заключается в разработке способа, с помощью которого можно определить Iкорр без использования эталонного материала, имеющего известное поглощение.[0027] It is an object of the present invention to provide a method by which I corr can be determined without the use of a reference material having known absorbance.

[0028] Логарифмическое преобразование однолучевого спектра нулевого материала SBZ, в данном случае воды, обеспечивает преобразование значений интенсивности (значений по оси y) в единицы поглощения, после чего однолучевой спектр SBZ может быть разложен на его различные компоненты следующим образом:[0028] A logarithmic transformation of the single-beam spectrum of the null material SB Z , in this case water, provides a conversion of intensity values (y-axis values) into absorption units, after which the single-beam spectrum of SB Z can be decomposed into its various components as follows:

где SBвоздуха представляет собой однолучевой спектр воздуха, а представляет собой поглощение для воды по отношению к воздуху на длине L оптического пути. Из уравнения (3) следует, что:where SB of air is the single-beam spectrum of air, and represents the absorption for water relative to air over the optical path length L. From equation (3) it follows that:

где представляет собой поглощение для воды по отношению к воздуху на длине L0 оптического пути.Where represents the absorption for water relative to air over the optical path length L0 .

Уравнение (2) можно переписать в виде уравнения (4) следующим образом:Equation (2) can be rewritten as equation (4) as follows:

[0029] Чтобы уменьшить влияние фона, как правило, до незначительного уровня, согласно настоящему способу вычисляют первую производную. Производная фонового SBвоздуха изменяется медленно, в то время как производная для поглощения SBZ для воды будет изменяться гораздо быстрее, в частности, на переднем и заднем краях полос поглощения для воды в однолучевом спектре воды SBZ, таким образом, из уравнения (5) следует:[0029] To reduce background influence to typically negligible levels, the present method calculates the first derivative. The derivative of the background air SB changes slowly, while the derivative for the water SB Z absorption will change much more quickly, particularly at the leading and trailing edges of the water absorption bands in the single-beam spectrum of water SB Z , thus from equation (5) follows:

При получении производных для двух разных волновых чисел (или диапазонов), x1 и x2, расположенных близко друг к другу на оси x (оси волновых чисел), также можно пренебречь любым наклоном фона. Предпочтительно, чтобы два разных волновых числа (или диапазона), x1 и x2, были выбраны таким образом, чтобы наклоны в спектре воды относительно спектра воздуха в этих точках (или диапазонах) сильно различались. Математически это можно выразить следующим образом:When taking derivatives for two different wavenumbers (or ranges), x 1 and x 2 , located close to each other on the x-axis (wavenumber axis), any background tilt can also be neglected. Preferably, two different wavenumbers (or ranges), x 1 and x 2 , are chosen so that the slopes in the spectrum of water relative to the spectrum of air at these points (or ranges) are very different. Mathematically this can be expressed as follows:

И можно проще переписать следующим образом:And you can simply rewrite it like this:

где:Where:

Δ(SBZ) / = log10(SBZ(x1)) / - log10(SBZ(x2)) / Δ(SB Z ) / = log 10 (SB Z (x 1 )) / - log 10 (SB Z (x 2 )) / представляет собой разницу в наклоне для измеренного однолучевого нулевого спектра водыrepresents the difference in slope for the measured single-beam null spectrum of water Δ(SBвоздуха) /= log10(SBвоздуха(x1)) / - log10(SBвоздуха(x2)) / Δ(SBair)/=log10(SBair(x1))/- log10(SBair(x2))/ представляет собой разницу в наклоне для фона измеренного однолучевого нулевого спектра водыrepresents the difference in slope for the background of the measured single-beam null spectrum of water / = ( /(x1) - /(x2)) / = ( / (x 1 ) - / ( x2 )) Разница в наклоне спектра поглощения для воды по отношению к спектру воздуха при номинальной длине оптического путиDifference in the slope of the absorption spectrum for water relative to the spectrum of air at the nominal optical path length

[0030] Затем фон может быть разложен на составляющую, обусловленную сухим воздухом на пути света, SBвоздуха, сухого, и, необязательно, составляющую, обусловленную влажностью воздуха на пути света, Sbвлажн., таким образом:[0030] The background can then be decomposed into a component due to dry air in the light path, SB air, dry , and, optionally, a component due to humidity of the air in the light path, Sb wet. , Thus:

Из уравнения (8) получим:From equation (8) we get:

Тогда коррекция интенсивности Iкорр может быть выражена следующим образом:Then the intensity correction I corr can be expressed as follows:

или:or:

В случае использования значений c1, c2 и формулы для коррекции на влажность (коррвлажн.), их необходимо определить экспериментально:In the case of using the values of c 1 , c 2 and the formula for correction for humidity (corr . humidity ), they must be determined experimentally:

константа c1 зависит исключительно от поглощения для воды относительно воздуха при номинальной длине L0 оптического пути;the constant c 1 depends solely on the absorption for water relative to air at the nominal optical path length L 0 ;

константа c2 представляет собой вклад в фон из-за сухого воздуха, в частности, но не преимущественно, это может быть средний вклад для множества аппаратов 100; иthe constant c 2 represents the contribution to the background due to dry air, in particular, but not predominantly, this may be the average contribution for a plurality of devices 100; And

коррекция, коррвлажн. представляет собой коррекцию, основанную на амплитуде сигнатуры влажности в однолучевом спектре SBZ нулевого материала (в данном случае воды), и в некоторых случаях, когда ее влияние незначительно, может быть проигнорирована.correction, corr . humidity is a correction based on the amplitude of the moisture signature in the single-beam SB Z spectrum of the zero material (in this case water), and can be ignored in some cases where its effect is negligible.

В соответствии с настоящим изобретением коррвлажн. вычисляют как наклон/пересечение в выбранных областях влажности следующим образом:In accordance with the present invention, corr. calculated as slope/intercept in selected moisture regions as follows:

константа c3 описывает влияние влажности на коррекцию интенсивности Iкорр; иconstant c 3 describes the effect of humidity on intensity correction I corr ; And

константа c4 представляет собой смещение между значениями интенсивности в двух положениях пика при отсутствии влажности. Она приближается к нулю, когда пик1 и пик2 приближаются друг к другу.the constant c 4 represents the offset between the intensity values at the two peak positions in the absence of humidity. It approaches zero as peak 1 and peak 2 approach each other.

[0031] Влажность (из-за воды в газовой фазе, т. е. водяного пара) обеспечивает инфракрасный спектр с картиной интерференционных полос. Соотношение между впадиной (пик 2) и соседним пиком (пик 1) на этой картине интерференционных полос может быть использовано в качестве меры количества водяного пара на пути света. Константы c1, c2, c3 и c4 определяют эмпирически путем измерения однолучевого нулевого спектра SBz воды на одном или более аппаратах 100 одинакового типа с использованием кювет с длинами оптического пути, покрывающими ожидаемое изменение, например, от 50 мкм до 60 мкм или от 37 мкм до 44 мкм. Регистрируют влияние на спектр известного образца (например, молока, вина, глицерина или другого химического раствора) и корректируют константы до тех пор, пока все спектры не станут идентичными. Эту задачу необходимо выполнить только один раз для аппарата данного типа и использовать в будущем для всех аппаратов этого типа.[0031] Humidity (due to water in the gas phase, i.e. water vapor) provides an infrared spectrum with an interference fringe pattern. The relationship between the valley ( peak 2 ) and the adjacent peak ( peak 1 ) in this fringe pattern can be used as a measure of the amount of water vapor in the light's path . The constants c 1 , c 2 , c 3 and c 4 are determined empirically by measuring the single-beam null spectrum SB z of water on one or more apparatus 100 of the same type using cells with optical path lengths covering the expected change, for example, from 50 μm to 60 μm or from 37 µm to 44 µm. Record the effect on the spectrum of a known sample (for example, milk, wine, glycerol or other chemical solution) and adjust the constants until all spectra are identical. This task needs to be performed only once for a given machine type and can be used in the future for all machines of that type.

[0032] В некоторых вариантах осуществления ось x (или шкалу волновых чисел) однолучевого спектра стандартизируют перед выполнением коррекции оси y (амплитуды). Это может быть достигнуто с применением способа, хорошо известного в данной области техники, который состоит в применении математического преобразования к спектру, с помощью которого измеренные данные стандартизируют вдоль оси x. В настоящем приведенном в качестве примера варианте осуществления стандартизация по оси x основана на пике CO2 в инфракрасном диапазоне.[0032] In some embodiments, the x-axis (or wavenumber scale) of the single-beam spectrum is standardized before performing the y-axis (amplitude) correction. This can be achieved using a method well known in the art, which consists of applying a mathematical transformation to the spectrum by which the measured data is standardized along the x-axis. In the present exemplary embodiment, the x-axis standardization is based on the infrared CO 2 peak.

[0033] Как известно, указанная стандартизация по оси x включает стандартизацию шкалы волновых чисел оптического спектра, записанного с помощью аппарата 100, путем обеспечения оптического спектра, записанного с помощью аппарата 100 и содержащего спектральные картины, полученные для компонентов атмосферного воздуха на пути света в аппарате 100; выбор спектральной картины, полученной для компонентов атмосферного воздуха в аппарате 100, в данном случае CO2 в воздухе; определение одного или более значений положения, зависящих от волнового числа, связанных с выбранной спектральной картиной; выполнение математического преобразования на основании разности между определенным значением или значениями и соответствующим эталонным значением или значениями для выбранной спектральной картины, и применение математического преобразования к оптическим спектрам, последовательно записанным с помощью аппарата 100, для стандартизации шкалы волновых чисел.[0033] As is known, said x-axis standardization involves standardizing the wavenumber scale of the optical spectrum recorded by apparatus 100 by providing an optical spectrum recorded by apparatus 100 containing spectral patterns obtained for components of atmospheric air along the path of light in the apparatus 100; selecting the spectral pattern obtained for the components of atmospheric air in the apparatus 100, in this case CO 2 in the air; determining one or more wavenumber dependent position values associated with the selected spectral pattern; performing a mathematical transformation based on the difference between the determined value or values and a corresponding reference value or values for the selected spectral pattern, and applying the mathematical transformation to the optical spectra sequentially recorded by the apparatus 100 to standardize the wavenumber scale.

[0034] Кроме того, коррекция на влажность коррвлажн. может быть использована в других способах определения коррекции интенсивности, таких как, например, способ, раскрытый в патенте США 9,874,515, для компенсации фоновых эффектов.[0034] In addition, humidity correction corr . may be used in other methods for determining intensity correction, such as, for example, the method disclosed in US Pat. No. 9,874,515, to compensate for background effects.

[0035] Далее со ссылкой на блок-схему, показанную на фиг. 3, также будет описан приведенный в качестве примера вариант осуществления способа согласно настоящему изобретению. Способ (блок 700) включает воздействие на нулевую жидкость, содержащую известное количество по меньшей мере одного компонента (в данном случае образец воды) 610, полихроматическим инфракрасным излучением (блок 710) от излучающего устройства 200. Излучение изображено волнистыми линиями на фиг. 1 и 2. Детектор 400 обнаруживает входящее инфракрасное излучение, которое было передано через интерферометрическое устройство 300, образец 610 воды, а также кювету 620, определяя таким образом (блок 720) уровни интенсивности для волновых чисел в диапазоне от приблизительно 900 см-1 до приблизительно 3500 см-1 с использованием измерительного устройства 500. Более конкретно, в этом диапазоне определяют уровни интенсивности для дискретного набора, как правило, распределенных через равные промежутки волновых чисел. Данные интенсивности, индексированные по данным волнового числа, сохраняют в запоминающем устройстве компьютера 510 как однолучевой спектр нулевого материала SBZ. Компьютер 510 обрабатывает сохраненные данные, используя подходящее математическое преобразование, с получением (блок 730) log10-преобразованных уровней интенсивности (или поглощения), стандартизованных по оси x (шкале волновых чисел).[0035] Next, with reference to the block diagram shown in FIG. 3, an exemplary embodiment of the method according to the present invention will also be described. The method (block 700) includes exposing a null liquid containing a known amount of at least one component (in this case a water sample) 610 to polychromatic infrared radiation (block 710) from an emitter 200. The radiation is depicted by wavy lines in FIG. 1 and 2. Detector 400 detects incoming infrared radiation that has been transmitted through interferometric device 300, water sample 610, and cuvette 620, thereby determining (block 720) intensity levels for wavenumbers ranging from about 900 cm -1 to about 3500 cm -1 using measuring device 500. More specifically, in this range intensity levels are determined for a discrete set of typically equally spaced wavenumbers. The intensity data, indexed by the wavenumber data, is stored in the computer memory 510 as a single beam spectrum of the null material SB Z . Computer 510 processes the stored data using a suitable mathematical transformation to produce (block 730) log 10 -transformed intensity (or absorbance) levels standardized on the x-axis (wavenumber scale).

[0036] Вычисляют первую производную, log10(SBZ)/ этого спектра поглощения (блок 740) по меньшей мере в области спектра, характеризующейся поглощением для воды приблизительно 1650 см-1. Это может быть выполнено на компьютере 510 с использованием известного алгоритма Савицкого-Голея. Вычисляют разность между двумя диапазонами в первой производной Δ(SBZ)/ (блок 740), где два диапазона характеризуются близостью к полосе поглощения для воды приблизительно 1650 см-1, предпочтительно на более высоком плече волнового числа в полосе для воды. В настоящем варианте осуществления используют диапазоны 1740-1746 см-1 и 1844-1850 см-1. Это проиллюстрировано с помощью пунктирной линии на фиг. 4, с помощью которой показаны репрезентативные однолучевые спектры воды первой производной, полученные с помощью множества приборов 100 одного типа (в данном случае четырех: они обозначены как прибор 1, прибор 2, прибор 3 и прибор 4 на фиг. 4).[0036] Calculate the first derivative, log 10 (SB Z ) / of this absorption spectrum (block 740) at least in the spectral region characterized by absorption for water of approximately 1650 cm -1 . This may be performed on computer 510 using the well-known Savitzky-Golay algorithm. The difference between the two bands in the first derivative Δ(SB Z ) / is calculated (block 740), where the two bands are characterized by proximity to the water absorption band of approximately 1650 cm -1 , preferably on the higher wavenumber arm of the water band. In the present embodiment, the ranges 1740-1746 cm -1 and 1844-1850 cm -1 are used. This is illustrated by the dotted line in FIG. 4, which shows representative single-beam spectra of first derivative water obtained using a plurality of instruments 100 of the same type (in this case, four: these are designated instrument 1, instrument 2, instrument 3, and instrument 4 in FIG. 4).

[0037] Коррекцию на влажность, коррвлажн., когда ее используют, вычисляют (блок 750) в соответствии с уравнением (13) для компенсации влияния влажности окружающей среды на коррекцию интенсивности Iкорр. В настоящем варианте осуществления используют диапазоны 1832-1840 см-1 (пик 1) и 1814-1822 см-1 (пик 2). Это проиллюстрировано с помощью пунктирной линии на фиг. 5, с помощью которой показаны репрезентативные однолучевые спектры воды, полученные с помощью того же множества (в данном случае четырех) приборов 100, упомянутых выше в отношении фиг. 4.[0037] Humidity correction, humid corr. , when used, is calculated (block 750) in accordance with equation (13) to compensate for the effect of ambient humidity on the intensity correction I corr . In the present embodiment, the ranges of 1832-1840 cm -1 ( peak 1 ) and 1814-1822 cm -1 ( peak 2 ) are used. This is illustrated by the dotted line in FIG. 5, which shows representative single-beam spectra of water obtained using the same plurality (in this case four) of instruments 100 mentioned above in relation to FIG. 4.

[0038] Затем вычисляют коррекцию интенсивности, Iкорр (блок 760), как величину, обратную коррекции интенсивности, 1/Iкорр, вычисленной в соответствии с уравнением (12). Указанная коррекция интенсивности, Iкорр, затем может быть применена (блок 770) к оптическим спектрам, последовательно записанным с помощью аппарата 100, для стандартизации шкалы интенсивности поглощения (ось y).[0038] The intensity correction, Icorr, is then calculated (block 760) as the reciprocal of the intensity correction, 1/ Icorr , calculated in accordance with equation (12). This intensity correction, Icor , can then be applied (block 770) to the optical spectra sequentially recorded by apparatus 100 to standardize the absorption intensity scale (y-axis).

[0039] Далее будет описан пример применения данного способа для стандартизации выходного сигнала множества приборов 100 одного и того же типа, в данном случае четырех приборов, упомянутых выше в отношении фиг. 4 и 5, с помощью которых выполняют измерения на одном и том же образце молока. Следует понимать, что на следующих фигурах, которые приведены для иллюстрации измерений, выполненных с помощью каждого из указанных четырех приборов, различия между приборами могут быть настолько малы, что визуально будут представлены как перекрывающиеся. Различия между указанными четырьмя приборами можно будет легче различить по числовым значениям, представленным в прилагаемых таблицах, от таблицы 1 до таблицы 3 включительно.[0039] Next, an example of applying this method to standardize the output of multiple devices 100 of the same type will be described, in this case the four devices mentioned above in relation to FIG. 4 and 5, with the help of which measurements are performed on the same milk sample. It should be understood that in the following figures, which are provided to illustrate measurements made with each of these four instruments, the differences between the instruments may be so small as to visually appear to overlap. The differences between these four instruments can be more easily distinguished by the numerical values presented in the accompanying tables, from Table 1 to Table 3 inclusive.

[0040] Результат определения поглощения для молока, измеренного на четырех различных приборах 100 одного и того же типа, показан на фиг. 6 в зависимости от волновых чисел. Каждый из спектров на фиг. 6 представлен в виде интерполяционной кривой на двумерном графике с величиной поглощения по вертикальной оси и соответствующим волновым числом по горизонтальной оси спектра. Согласно альтернативному графическому представлению график может представлять собой график рассеяния. Как видно на чертеже, значения поглощения при одном и том же волновом числе незначительно различаются между приборами. Это приводит к различиям в количестве компонентов одного и того же образца молока, определяемых хемометрически на основании этих спектров поглощения известным способом в каждом из приборов. При применении моделей прогнозирования для жира, белка, лактозы, общего количества твердых веществ (total solids, TS) и твердых веществ без жира (solids non-fat, SNF) к нескорректированным спектрам для набора, в данном случае пятнадцати стандартных образцов молока, были получены следующие среднеквадратические ошибки (Root Mean Square Error, RMSEP) между приборами и их общее среднее значение - результаты в г/100 мл:[0040] The absorbance result for milk measured on four different instruments 100 of the same type is shown in FIG. 6 depending on wave numbers. Each of the spectra in Fig. 6 is presented as an interpolation curve on a two-dimensional graph with the absorption value on the vertical axis and the corresponding wavenumber on the horizontal axis of the spectrum. In an alternative graphical representation, the graph may be a scatter plot. As can be seen in the drawing, the absorption values at the same wavenumber differ slightly between instruments. This leads to differences in the amount of components of the same milk sample determined chemometrically based on these absorption spectra in a known manner in each of the instruments. By applying prediction models for fat, protein, lactose, total solids (TS), and solids non-fat (SNF) to uncorrected spectra for a set, in this case fifteen standard milk samples, the following Root Mean Square Error (RMSEP) between instruments and their overall average - results in g/100 ml:

ЖирFat БелокProtein ЛактозаLactose TST.S. SNFSNF Прибор 1Device 1 0,1470.147 0,1320.132 0,1880.188 0,4790.479 0,3490.349 Прибор 2Device 2 0,1340.134 0,1410.141 0,1950.195 0,4900.490 0,3520.352 Прибор 3Device 3 0,0400.040 0,0410.041 0,0680.068 0,1460.146 0,1170.117 Прибор 4Device 4 0,3200.320 0,3130.313 0,4500.450 1,1151.115 0,8180.818 СреднееAverage 0,1900.190 0,1850.185 0,2650.265 0,6590.659 0,4820.482 Относительная ошибка*Relative error* 5,30 %5.30% 5,08 %5.08% 5,28 %5.28% 5,11 %5.11% 5,15 %5.15% *Средняя ошибка относительно средней концентрации для параметра.
Таблица 1: Прогнозирование для компонентов молока с использованием скорректированных спектров для каждого прибора
*Average error relative to the average concentration for the parameter.
Table 1: Prediction for milk components using corrected spectra for each instrument

Такой уровень характеристик неприемлем для пользователя, которому требуются по существу одинаковые результаты от разных приборов.This level of performance is unacceptable for a user who requires essentially the same results from different instruments.

[0041] Следуя способу согласно настоящему изобретению, получают однолучевой спектр воды (SBZ) на каждом из четырех приборов (см. фиг. 7) и на компьютере 510 определяют первую производную спектра поглощения для каждого из этих однолучевых спектров, стандартизованных по оси волновых чисел. Эти первые производные показаны на фиг. 4, на которой также изображены (пунктирными линиями) две области, для которых необходимо вычислить разность Δ(SBZ)/. Как видно на фиг. 7 и фиг. 4, значения на оси Y для каждого волнового числа немного отличаются для каждого из четырех приборов 100. Записанный однолучевой спектр обрабатывают с помощью компьютера 500 прибора 100, который генерирует соответствующий спектр для определения коррекции на влажность, коррвлажн., для каждого прибора на основании значений интенсивности в двух областях, показанных пунктирными линиями на фиг. 5. Затем в каждом приборе соответствующий компьютер 500 вычисляет коэффициент коррекции интенсивности Iкорр, специфический для каждого из четырех приборов.[0041] Following the method of the present invention, a single-beam spectrum of water (SB Z ) is obtained on each of the four instruments (see FIG. 7) and the first derivative of the absorption spectrum is determined at computer 510 for each of these single-beam spectra, standardized along the wavenumber axis. . These first derivatives are shown in Fig. 4, which also shows (by dotted lines) two areas for which it is necessary to calculate the difference Δ(SB Z ) / . As can be seen in FIG. 7 and fig. 4, the Y-axis values for each wavenumber are slightly different for each of the four instruments 100. The recorded single-beam spectrum is processed by the computer 500 of the instrument 100, which generates a corresponding spectrum to determine the humidity correction, corr. , for each instrument, based on the intensity values in the two regions shown by the dashed lines in FIG. 5. Then, in each device, the corresponding computer 500 calculates the intensity correction factor I corr specific for each of the four devices.

ПриборDevice Коррекция интенсивности (I корр )Intensity correction ( I corr ) 11 0,99790.9979 22 0,99530.9953 33 0,97400.9740 44 0,88230.8823 Таблица 2: Коэффициенты коррекции интенсивности для каждого прибораTable 2: Intensity correction factors for each device

[0042] Затем коэффициент коррекции Iкорр для каждого прибора может быть применен к данным поглощения, собранным с помощью каждого из приборов (например, данным поглощения для одного и того же образца молока, показанным на фиг. 6), и скорректированным (или стандартизованным по оси y) данным поглощения для каждого прибора с целью обеспечения еще большего соответствия. Это проиллюстрировано на фиг. 8, где показаны спектры поглощения для молока, показанные на фиг. 6, но каждый из них скорректирован с использованием соответствующего коэффициента коррекции интенсивности, Iкорр, для прибора, с помощью которого записан соответствующий спектр молока (см. таблицу 2). [0042] The correction factor Icor for each instrument can then be applied to the absorbance data collected by each instrument (e.g., absorbance data for the same milk sample shown in FIG. 6) and corrected (or standardized to y-axis) of the absorbance data for each instrument to provide even better consistency. This is illustrated in FIG. 8, which shows the absorption spectra for milk shown in FIG. 6, but each of them is corrected using the corresponding intensity correction factor, I corr , for the device with which the corresponding spectrum of milk was recorded (see table 2) .

[0043] При применении этой коррекции к набору, в данном случае из пятнадцати, стандартных образцов молока, получают следующие среднеквадратические ошибки (RMSEP) между приборами и их общее среднее значение при выполнении прогнозирования для жира, белка, лактозы, общего содержания твердых веществ (TS) и твердых веществ, не содержащих жир (SNF) - результаты в г/100 мл:[0043] By applying this correction to a set of, in this case fifteen, standard milk samples, the following inter-instrument root mean square errors (RMSEP) and their overall average are obtained when performing predictions for fat, protein, lactose, total solids (TS ) and solids free of fat (SNF) - results in g/100 ml:

ЖирFat БелокProtein ЛактозаLactose TST.S. SNFSNF Прибор 1Device 1 0,0070.007 0,0110.011 0,0060.006 0,0130.013 0,0100.010 Прибор 2Device 2 0,0070.007 0,0100.010 0,0170.017 0,0340.034 0,0220.022 Прибор 3Device 3 0,0160.016 0,0140.014 0,0080.008 0,0410.041 0,0210.021 Прибор 4Device 4 0,0120.012 0,0170.017 0,0100.010 0,0220.022 0,0120.012 СреднееAverage 0,0110.011 0,0140.014 0,0110.011 0,0300.030 0,0170.017 Относительная ошибка*Relative error* 0,32 %0.32% 0,39 %0.39% 0,23 %0.23% 0,24 %0.24% 0,19 %0.19% *Средняя ошибка относительно средней концентрации для параметра.
Таблица 3: Прогнозирование для компонентов молока с использованием скорректированных спектров для каждого прибора
*Average error relative to the average concentration for the parameter.
Table 3: Prediction for milk components using corrected spectra for each instrument

Эти ошибки очень малы по сравнению с типовой ошибкой прогнозирования 0,8% по отношению к значениям указанных компонентов, определенным известными мокрыми химическими способами.These errors are very small compared to the typical prediction error of 0.8% with respect to the values of the indicated components determined by known wet chemical methods.

[0044] Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что применение способа в соответствии с настоящим изобретением допускает большую стандартизацию выходных сигналов между различными приборами 100 одного и того же типа, а также замену стандартизации выходных сигналов одного и того же прибора 100 как длины оптического пути через кювету 620.[0044] It will be apparent to one skilled in the art that the application of the method in accordance with the present invention allows for greater standardization of output signals between different devices 100 of the same type, as well as replacing the standardization of output signals of the same device 100 as the length of the optical paths through ditch 620.

[0045] Как также будет очевидно для специалиста в данной области техники, вместо выражения спектральной информации об электромагнитном излучении с применением волнового числа можно использовать длину волны или частоту без отступления от заявленного изобретения.[0045] As will also be apparent to one skilled in the art, instead of expressing spectral information about electromagnetic radiation using wavenumber, wavelength or frequency can be used without departing from the claimed invention.

Claims (6)

1. Способ коррекции изменения амплитуды выходного сигнала спектрометрического прибора (300) из-за изменений длины (L) оптического пути через держатель (600) образца, включающий воздействие на неизвестный образец в держателе (600) образца электромагнитным излучением со множеством волновых чисел; определение с помощью спектрометрического прибора (300) интенсивностей поглощения электромагнитного излучения в неизвестном образце со множеством волновых чисел; предоставление на компьютерное устройство (510), связанное со спектрометрическим прибором (300), определенных значений интенсивности поглощения, индексированных по волновому числу, в качестве спектральных данных; генерацию с помощью компьютерного устройства (510) значений поглощения относительно нулевого материала на основании спектральных данных; и применение с помощью компьютерного устройства (510) математического преобразования (Iкорр) к сгенерированным значениям поглощения для коррекции изменения амплитуды выходного сигнала спектрометрического прибора (300); причем способ дополнительно включает вычисление на компьютерном устройстве (510) математического преобразования (Iкорр) путем определения разности (Δ(SBZ)/) между первой производной логарифмически преобразованных спектральных данных (SBZ) для образца нулевого материала в первом диапазоне (x1) волновых чисел и первой производной логарифмически преобразованных спектральных данных (SBZ) для образца нулевого материала во втором диапазоне (х2) волновых чисел; и вычисление математического преобразования (Iкорр) как функции, обратно зависящей от определенной разности (Δ(SBZ)/).1. A method for correcting changes in the amplitude of the output signal of a spectrometer instrument (300) due to changes in the length (L) of an optical path through a sample holder (600), comprising exposing an unknown sample in the sample holder (600) to electromagnetic radiation of multiple wave numbers; determining, using a spectrometric device (300), the absorption intensities of electromagnetic radiation in an unknown sample with a plurality of wave numbers; providing to a computer device (510) coupled to the spectrometer instrument (300) determined wavenumber-indexed absorption intensities as spectral data; generating, using a computer device (510), absorption values relative to the zero material based on the spectral data; and applying, by a computer device (510), a mathematical transformation ( Icorr ) to the generated absorption values to correct changes in the amplitude of the output signal of the spectrometer instrument (300); wherein the method further includes calculating on the computer device (510) a mathematical transformation (I corr ) by determining the difference (Δ(SB Z ) / ) between the first derivative of the logarithmically transformed spectral data (SB Z ) for a sample of zero material in the first range (x 1 ) wavenumbers and the first derivative of logarithmically transformed spectral data (SB Z ) for a sample of zero material in the second range (x 2 ) of wavenumbers; and calculating the mathematical transformation (I corr ) as a function inversely dependent on a certain difference (Δ(SB Z ) / ). 2. Способ по п. 1, согласно которому вычисление математического преобразования (Iкорр) также включает коррекцию на влажность воздуха на пути света между излучающим устройством (200) и детектором (400) спектрометрического прибора (300) путем определения коэффициента коррекции на влажность (коррвлажн.) в виде наклона/пересечения в выбранных областях влажности в спектральных данных (SBZ) для образца нулевого материала; и вычисление математического преобразования (Iкорр) как функции, обратно зависящей от суммы определенной разности (Δ(SBZ)/) и коэффициента коррекции на влажность (коррвлажн.).2. The method according to claim 1, according to which the calculation of the mathematical transformation (I corr ) also includes correction for air humidity in the light path between the emitting device (200) and the detector (400) of the spectrometric device (300) by determining the humidity correction factor (corr). moisture ) as slope/intercept in selected moisture regions in spectral data (SB Z ) for a sample of zero material; and calculating the mathematical transformation ( Icorr ) as a function inversely dependent on the sum of a certain difference (Δ(SB Z ) / ) and the humidity correction factor (corr . humidity ). 3. Способ по п. 1, согласно которому образец нулевого материала содержит образец номинально чистой воды.3. The method of claim 1, wherein the sample of zero material contains a sample of nominally pure water. 4. Способ по п. 1, согласно которому значения интенсивности поглощения определяют с применением спектроскопии с преобразованием Фурье.4. The method according to claim 1, according to which the absorption intensity values are determined using Fourier transform spectroscopy. 5. Способ по п. 1, согласно которому спектральные данные для нулевого материала (SBZ) содержат спектральные данные, стандартизированные по волновому числу.5. The method of claim 1, wherein the spectral data for the null material (SB Z ) comprises spectral data standardized by wavenumber. 6. Аппарат (100), содержащий спектрометрический прибор (300), выполненный с возможностью осуществления спектроскопии с преобразованием Фурье для образца в держателе (600) образца, и связанное с ним вычислительное устройство (510), выполненное с возможностью приема спектральных данных от спектрометрического прибора (300) и применения к ним математического преобразования, хранимого в запоминающем устройстве, доступном для связанного вычислительного устройства (510), которое обеспечивает коррекцию преобразования спектральных данных для изменения амплитуды на основании значений интенсивности поглощения, определенных спектрометрическим прибором (300); при этом связанное вычислительное устройство (510) запрограммировано с возможностью функционирования таким образом, чтобы аппарат (100) выполнял способ согласно любому из предшествующих пунктов.6. An apparatus (100) comprising a spectrometric instrument (300) configured to perform Fourier transform spectroscopy on a sample in a sample holder (600) and an associated computing device (510) configured to receive spectral data from the spectrometric instrument (300) and applying to them a mathematical transformation stored in a storage device accessible to the associated computing device (510), which corrects the transformation of the spectral data to change the amplitude based on the absorption intensity values determined by the spectrometer instrument (300); wherein the associated computing device (510) is programmed to operate such that the apparatus (100) performs the method according to any of the preceding paragraphs.
RU2021132832A 2019-08-28 2020-05-29 Method for correcting amplitude changes in spectrometer RU2805385C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201901010 2019-08-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021132832A RU2021132832A (en) 2023-09-28
RU2805385C2 true RU2805385C2 (en) 2023-10-16

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1418417A2 (en) * 2002-09-30 2004-05-12 Spectromedical Inc. Method for calibrating spectrophotometric apparatus
RU2575946C1 (en) * 2012-02-29 2016-02-27 Нэшнл Юниверсити Корпорейшн Кагава Юниверсити Device to measure spectral characteristics and method to measure spectral characteristics
US9606050B2 (en) * 2011-08-19 2017-03-28 Foss Analytical A/B Method for compensating amplitude drift in a spectrometer and spectrometer performing said method
US9874515B2 (en) * 2013-06-04 2018-01-23 Foss Analytical A/S Method of and apparatus for correcting for intensity deviations in a spectrometer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1418417A2 (en) * 2002-09-30 2004-05-12 Spectromedical Inc. Method for calibrating spectrophotometric apparatus
US9606050B2 (en) * 2011-08-19 2017-03-28 Foss Analytical A/B Method for compensating amplitude drift in a spectrometer and spectrometer performing said method
RU2575946C1 (en) * 2012-02-29 2016-02-27 Нэшнл Юниверсити Корпорейшн Кагава Юниверсити Device to measure spectral characteristics and method to measure spectral characteristics
US9874515B2 (en) * 2013-06-04 2018-01-23 Foss Analytical A/S Method of and apparatus for correcting for intensity deviations in a spectrometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2400715C2 (en) Spectrometre calibration method
US7847935B2 (en) Method and apparatus for gas concentration quantitative analysis
EP2414817A1 (en) Spectroscopy having correction for broadband distortion for analyzing multi-component samples
US7796261B2 (en) Spectrophotometer
RU2624337C1 (en) Method and device for intensity excursion adjustment in spectrometer
Boysworth et al. Aspects of multivariate calibration applied to near-infrared spectroscopy
RU2571185C2 (en) Method to compensate for amplitude drift in spectrometer and spectrometer realising specified method
RU2805385C2 (en) Method for correcting amplitude changes in spectrometer
CN113795748A (en) Method for configuring a spectrometric device
Tseng et al. Internet-enabled near-infrared analysis of oilseeds
US11965823B2 (en) Method of correcting for an amplitude change in a spectrometer
Dunko et al. Moisture assay of an antifungal by near-infrared diffuse reflectance spectroscopy
JPH0414298B2 (en)
RU2823906C1 (en) Method of determining length of optical path through cuvette
US20230011975A1 (en) Method of determining an optical pathlength through a cuvette
US20240328939A1 (en) Method and system for analysing a sample based on data
WO2022102685A1 (en) Spectroscopic analysis system, calculating device, and calculating program
WO2021038315A1 (en) Standardizing the output of an electrical property sensor using a reference magnitude obtained by an optical spectrometer