TW310366B

TW310366B - Process to use multivariate signal responses to analyze a sample

Info

Publication number: TW310366B
Application number: TW085115566A
Authority: TW
Inventors: Charles Alsmeyer Daniel; Alvin Nicely Vincent
Original assignee: Eastman Chem Co
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 1997-07-11
Also published as: CA2243677C; JP2000504822A; WO1997028436A1; CA2243677A1; RU98116218A; DE69711602D1; AU2245997A; CN1214767A; AR005523A1; ATE215693T1; DK0877923T3; US5610836A; ZA97786B; MY133615A; ID15854A; EP0877923A1; BR9707214A; PT877923E; CO4560399A1; EP0877923B1

Description

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) " —™' 發明範園本發明係關於分析未知組成之試樣，且更特定士之，係關於一種自隨機乘子所擾動之多元訊號回應建立校準以分析試樣之方法。發明背景校準係指使用寶驗數據與先前知識’以決定如何經由一些數學方法自新度量値以估計定量分析之方法。許多分析儀器係提供不直接關於所要定量度量値之回應。例如，層析圖含有一系列吸收峰，其係關於被注射以供分析之成份之量，但各成份可能具有不同回應因數，其將使分析產生偏差，除非實施校準以測定及修正此等個別回應因數。同樣地，光譜度量法，譬如自紅外線光譜學所得者，係提供關於個別成份之分子運動之振動光譜各振動具有— 定之回應因數，依分子之特性而定。例如，經基官能性係提供強振動特色，而碳-硫鍵则在紅外光譜中產生弱振動特色。此等回應因數會影嚮各振動帶之相對強度，以致振動強度之直接分析將不會產生正確定量度量値^校準係提供一種方式’藉此方式將相對回應因數考應在振動光譜數據之轉換成定量度量値上。近紅外光譜測定法（N1RS)係提供分子振動資料，其係間接地相關於許多相對較複雜化學混合物之所要定量度量値。N1RS儀器配置、資料收集及校準，係討論於等人，" 近紅外線分析（NIRA):定量與定性分析技術"， -4 ** 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )' ----------β------ΐτ------1 . (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 310366 A7 Μ _____E7 ___ 五、發明説明（2 )

Appl. Spec. Rev. 1986.第 22 卷，第 335-399 頁；Miller/ 合成聚合體之近紅外線光譜學··，Appl. Spec. Rev., 1991,第26卷，第227-339頁 ;及Martin,"於近紅外線反射光譜學上之最近進展 "，Appl. Spec. Rev., 1992,第27卷，第325-383頁中，其揭示内容係併於本文供參考。NIRS係度量八射輻射在不同波長下之吸光率，以探查振動光譜。輻射在不同波長下之吸光率，係顯示有不同振動存在，其依次可與所要之定量度量有關聯。N1RS係爲高度有用之技術，其可對線上或原位處理環境提供快速且精確之多元訊號回應3 拉曼光譜測定法係爲NIRS之亙補分析技術，其亦提供分子振動訊息。拉曼光譜測定法係度量來自試樣之入射輻射之非彈性散射，並比較非彈性地散射之輛射對入射輻射能，以提供能量損耗光譜，其係關於取樣分子之振動。能量損耗光譜可與所要之定量度量有關聯。拉曼光譜測定法亦可提供快速且精確之多元訊魏回應。由於在Raman中之散射程序與在NIRS中之吸光程序比鲛下之對比性質，故可藉此兩種技術解決不同定量度量問题σ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填符本頁) 經常有數種會干擾之系統或隨機作用，可擾亂代表性多元訊號回應取得《此種作用極少帶有與所要定量度量値有關之訊息。此等作用可能會因不良訊號通過、不安定輻射源、不安定檢測器特徵、隨機偶發性發射或各種干擾背景程序而造成。通常係藉由預處理原始多元訊號回應，以減少此等作用對於随後校準程序之衝擊t有用之預處理技術包括，例如：訊號平滑化法，譬如移動平均濾波器與花鍵 ___________________________________________________________________________ - 5 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公‘犛） !—- A.7 B7 五、發明説明（3 ) 濾波器；雙光束參考修正法，譬如在美國專利5,455,673中所揭示之標準化方法；平均定中心法；微分導數處理法，意即計算第一階或第二階導數；窄帶濾波器；軸轉變，譬如使用花键功能；儀器回應彌補作用；及乘算訊號修正估計〇

NIRS與拉曼光譜測定法兩者，在其最有用之應用中，係需要發展校準模式，以使所獲得之多元訊號回應與藉由參考技術所獲得之定量度量値產生關聯。NIRS度量値之修正與校準，係描述於例如Geladi等人，"關於肉類近紅外線反射度光譜之線性化與散射修正，"Appl. Spec., 1985,第39卷，第491-500頁；Isaksson等人，"乘算散射修正（MSC)與線性改良在NIR 光譜學上之效果"，Αρρί. Spec.，1988,第42卷，第1273-丨284頁； Aastveit等人，"近紅外線反射度光譜學：於草料品質分析上關於局部校準之不同策略"，Appl. Spce., 1993,第47卷，第463-469 頁；[saksson等人，"應用至肉類產品之近紅外線漫射透光率數據之片式乘算散射修正”，Appl. Spec,丨卯3,第47卷，第702-709 頁；及Miller等人，，，近紅外線光譜學之行程長度絛正方法經濟部中央棣準局貝工消費合作社印製 ”，Appl. Spec., 1990,第44卷，第895-898頁，其揭示内容均併於本文供參考。光漫射固體之所有NIRS與拉曼光譜，均會受到粒子大小及存在於試樣中之液體所影嚮。例如，在液體試樣中，混濁、微粒子及氣泡之量，或於溶液折射率上之改變，均可改變所觀察訊號之強度。對固體試樣而言，試樣形狀、均勻性及厚度，均可改變所觀察訊號之強度。對粉末狀或粒一 - _ —. _ 6 — 本紙張尺度適用中剩轉準（CNS)鐵格（训/所公讀） ~~—~ - A 7 B7 32〇366 五、發明説明（4 ) 狀試樣而言，材料之粒子大小、形狀及/或填充密度，均可改變所觀察訊號之強度。 ©試樣不會隨著時間:變化時，或若時間侬.存性試樣之光讀係以多重化方式收集，意即在所有波長下之回應係同時度量時，在所觀察訊號強度上變化之衝擊，係爲以—個未知常數乘以每一個光譜，該常教對於個別收集之光譜係爲獨特的。已被乘上未知随機數:之光譜回應，不適合直接使用一般多元統計途徑（譬如PCR或pLS)之校準a處理正規化門題之數種途板’已在先前提出，例如在與Naes，多

Mm Wiley & Sons,紐約，1989,第 336-35丨頁，其揭示内容係併於本文供參考。此等途徑包括藉閉合之正規化、内標準及乘算散射修正（MSC) « 藉閉合方法之正規化，係將每—點之原始儀器回應除以所有儀器回應點之和。當相對儀器回應適於問题之解決時，此方法是最有用的。但是，在其中成份之回應變化很大疋狀況中，藉閉合程序之正規化會引進人工相互關係，這使其不適合提供其中回應係與試樣之化學组成成正比之光譜组。内裇準之使用可有效解決一些正规化問题使用此方法，係將具有已知回應特徽之添加物引進試樣中。添加物之引進係提供一種獲得正規化常數之方式，可藉此常數修正多及•訊號回應。雖然此方法可用於―些狀況中，但其需要將添加物引進試樣中，其在製造環境中可能是不實除的。因此，内標準方法無法對正規化問题提供一般解決方式。 --- _ I I II—· "7 · 本紙張尺度逯用中國國家標準（CNS ) Λ4^Γ77ί.〇χ 297公着ρ------- --------{,;衣------，玎------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本1) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 —-______ Β.7 五、發明説明（5 ) ~ ~ MSC方法係基於以下事實’光散射之波長依存性係與化學爲基礎之光吸收率之波長依存性不同。由於此等依存性 ’在許多波長下之資料可用以區別例如光吸收與光散射間之不同。MSC可適合用以分析含有數種成份且其全部具有類似光譜之未知試樣，但其在光譜回應係代表在寬廣組成範圍内改變之數種成份之狀況中，並未能良好地進行工作〇爲在製造環境中獲取定量度量値，對線上監控之一項常用途控，係自物流中不斷移除少量物質，然後經過”取樣系統"處理，以備分析。通常，取樣系統係調理試樣，例如藉由移除氣泡、微粒予及混濁；調節溫度；或通常係提供恒定觀察條件。這將允許分析裝置，譬如多元光譜學系統’收集可再現性之光譜，達與試樣組成有關聯所必須之程度。在有利情況中，欲被分析之物流可具有—種光譜"記號" ’其使得光譜回應能夠正規化_。例如，主要成份之—可具有不同光譜回應，其不會干擾試樣中其他成份之光譜回應。在此種限制狀況下，於行程長度、混濁度或其類似情況上之變異，可藉比例方法修正，以產生強效校準，但此途徑並不能應用於許多工業製造狀況。亦可利用實驗室中所調配之合成試樣，模擬被認爲是在處理物流中之物質，以估計校準値。但是，實際經驗顯示通常較佳是在原位校準多元訊號回應，其方式是度量程序中之多元訊號回應，並將其與得自被移離製造物流中之物 -8 « 本紙張尺度適用中國國家標準蚬格~~ -- ——.---------1裝------訂------1 (請it閱讀背面之注意事項再填寫本I)

五、發明説明（6 ) 料試樣之定量度量値作比較。在此狀況中*光譜將含有令人感興趣之眞實系統之所有變異。欲藉本發明解決之間題未知組成之試樣藉分析裝置之分析，通常會產生數據，其係被數據收集位置處占優勢之狀態所擾動。例如，若在分析下之試樣係位於蒸餾塔或反應器中，則氣泡或微粒子之存在’會造成取樣體積上之隨機變異性，阻止試樣之正確分析。克服此隨機變異性之影嚮，係需要建立校準値，以彌補試樣體積差異或其他阻止正確定量分析之干擾。此項需求係藉由本發明之方法而得到滿足α 發明摘述衣發明係針對一種藉分析裝置分析未知組成試樣之方法。此方法係利用得自一组試樣之一組分析度量値與—組參考度量値。使用第一個分析裝置得自此組試樣之此組分析度量値’係包含第一組多元訊號回應，其係經調整以移除與第一個分析裝置有關聯之操作變異性，於是提供經調整訊號回應之第一個矩陣。使用第二個分析裝置得自此組試樣之此組參考度量値，係包含第二組多元訊號回應，其係經調整以移除與第二個分析裝置有關聯之操作變異性，於是提供經調整訊號回應之第二個矩陣a 將此兩個經調整訊號回應之矩陣之一，分解成矩陣乘積，其包含一個由一組主要因數所組成之矩陣，及一個由與被包含於此組中之各主要因數有關聯之量所組成之矩陣建壓縮訊號回應矩陣乘積，其包含一個由主要因數組之 --- -9- 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Λ4规格~--- (請先閱蜻背面之注意事項再填寫衣I) 訂經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 31〇366 Λ.7 B7 7 五、發明説明（子集所組成之矩陣，及一個由典被包含在此子集中之各主要因數有關聯之量所組成之矩陣，3使用該後述矩陣，計算出投影矩陣。建立第一個正規化矩陣乘積，其包含正規化矩陣及經調整訊號回應之兩個矩陣中之另—個s自此第一個正規化矩陣乘積與投影矩陣，建立壓縮正规化矩陣乘積。計算出使第一個正規化矩陣乘積與壓縮正規化矩陣乘積間之差異降至最低之正規化矩陣之數値，於是產生最遴宜之正規化矩陣。建立第二個正規化矩俾乘積，其包含最適宜之正規化矩陣’及已被分解成矩陣乘積之經調整訊號回應之矩陣，該已被分解成之矩陣乘積係包含第一組主要因數及與其每一個有關聯量之矩陣。利用經調整訊號回應之另—個矩陣與第二個正規化矩陣乘積，建立―個可用於分析藉由第一個刀析裝置而彳于自未知組成試樣之訊號回應之校準値。將此杈準値應用至得自試樣之訊號回應，以使得其组成能夠被精確地測定。本發效果本發明之方法係爲一種優於傳統多元校準方法之顯著改良法，其包括一個正規化步驟，以彌補試樣體積或散射效率上t變異性，或其他可能造成來自不同試樣回應上之乘算變異之干擾此方法係於混濁、氣泡及/或微粒子存在 F ’意即在譬如蒸傭塔、沉搬器、結晶器、煮沸液髏及多種非均相反應之許多一般工業程序中所遭遇之情況下，提 _ - 10- 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS > Λ4規格（210/297¾^ ---- , I 裝------訂-----1^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製經濟部中央標準局員工消費合作社印褽 A7 -— ----- B.7 五、發明説明（β ) ~~ ~~ 供未知組成試樣之多元分析之精確原位校準。發明詳述關於建立校準函數之許多一般途徑，係爲此項技藝中所已知。例如’多重線性回歸(臟)、主要成份回歸㈣及邵份最小平方回歸_)，均需要以統計释爲基礎之方法，其係利用多元訊號回應之多重度量値，以針對所採用之特定校準途徑衍生出”最良好"校準模式3此等途徑需要在實質上相同觀察條件下收集訊號回應，譬如光譜。因此，例如透射或反射NIRS光譜，必須在試樣中以相同行程長度收集’漫反射NIRS必須在具有相同散射效率之試樣上收集，及拉曼光譜必須使用恒定激發強度及可再現性試樣體積收集。校準之最簡易形式經常被稱爲單變回歸，其中係度量一種變數，並將一種性質模式化。此種校準間题之解答，可被描述爲測定方程式（1)之係數。 y = b + m * X (i) 其中y爲令人感興趣之被分析物之參考定黃度景値，及m 與b爲使儀器回應X對組成產生關聯之常數。這玎容易地經由在不同y含量下度量X，並使一條直線配合此等數據而解決。在此經簡化之情況中，若以随機數乘以备個別試樣或觀察之X，則在無其他訊息下顯然無法解出ra與b °再者，當超過一種成份在特定儀器回應下具有影嚮時，單變回歸技術係受到限制。在更一般性情況中，數種成份係在各波長下回應，因此 -11 - 本紙張尺度逋用中國國家橾準（CNS ) A4規格（21〇X297公f ) --------A.;衣------IT------^ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央樣隼局貝工消費合作杜印製 A7 B7 7、發明説明（9 ) 該方程式變成： yzbo + b/Xi + Vxf.' +bn*xn (2) 其中下標係蓉別不同波長、延遲時間、位移或其顧似情況下之常數與分析回應。此項問，題之立出方程式，允許―種成份之原始回應，經由使用其他分析回應訊息，修·正被其他成份所致之干擾。於此情況中，必須度量具有已知組成之足夠試樣，以使得能夠解出侧於\常數之一組方程式。當將各多元訊號回應乘以一個未知随機數時，方程式（2) 變成得： y = b0+ L * (bj * X, + B2* X2 + ... + Bn* Xn) (3) 其中L爲對各試樣，且因此是對一組方程式中之各方程式之不同常數。此項問題之立方程式，係提供具有非已知一般解答之一組非線性方程式。解答方程式（2)之另一個途徑’係爲多重線性回歸^j^R) 。-MLR係使用一系列矩陣逆轉，以得到来知校準常數。由於在使用矩陣逆轉上之數學複雜化，當數據之分量係在同一直線上時，於MLR應用上可能遭遇嚴重困難，在此種情況中，使用MLR解答校準係數或許是不可能的。建立校準模式之另一個一般途徑，係利用資料壓縮。資料壓縮技術之實例包括：主要因數分析（PFA)、主要成份回歸（PCR)及部份最小平方回歸（Pl,SR)。 PFA爲一種最小平方技術，其有時被稱爲主要成份分析 (PCA)，其係描述於Malinowski與Howery，於也_舉占之因數分析 John Wiley & Sons，紐約，1980,第8-22頁中，其揭示内容係併於 _ 丨丨 _—. __________" 12 * —_ 本紙張尺度適用中國國家標率 ( CNS > Μ規格（210X297公着：! ----- -------- - -------. I Ϊ·1 I ....... 人^.. ... I (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（10) 本文供參考。此項技術之使用，將於隨後描述。一般而言，建立一項校準需要使用第一個分析裝置，從一組試樣獲得一組獨立多元訊號回應，及使用第二個分析裝置從一組試樣獲得第二組回應，並找尋彼等間之關係。本發明之方法係利用一組分析度量値，其包含使用第一個分析裝置得自一組試樣之第一組多元訊號回應，以及包含第二組多元訊號回應之一組參考度量値，其係藉第二個分析裝置得自一組試樣。可能被随機乘子擾動之第一組多元訊號回應，係經調整以移除與第一個分析裝置有關聯之操作變異性之影嚮，於是獲得經調整訊號回應之矩陣X。藉第二個分析裝置得自此組試樣之第二組訊號回應，係經調整以移除與第二個裝置有關聯之操作變異性影嚮，於是獲得矩陣Y。矩陣X可被分解成矩陣乘積AB，如下述： X = AB (4) 其中矩陣B表示一組主要因數，而矩陣A表示各此等主要因數之量。各主要因數亦稱爲特性矢量，包括矩陣B，其係於數學上正交其餘主要因數，且代表多元訊號回應上之特定變異。第一组數個主要因教，係包括含.有重要結構訊息之子集，但連續因數係含有诚少量之訊息及更多隨機變異或噪聲。藉由選擇主要因數之適當子集，則結構變異可被加強，而噪聲變異則被降低‘ 正如在先前提及之Malinowski與Howery參考資料第72-87頁中所討論者，其揭示内容係併於本文供參考，可使用各種 -13- 本紙張凡度適用中國國家梂隼（CNS ) Λ4規格（210X 297.公釐） n 1J1· I am— n nn -!1-1 nn n^i .^1^1 ml、一-OJIf m n -·-1-1 nn (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五發明説明（11 ) 標準’以選擇欲被保留在後續分析中之因數之數目3通常係選擇最有助於描述X矩陣上變異之若干數目之主要因數。代表主要因數中所選定子集之矩陣，係藉由在字母上加上’’帽子"指稱之，例如B。多元訊號回應之壓縮，可藉由選擇足夠描述具有最小噪聲之回應之主要因數而達成。關於經愿縮子集之主要因數之選擇，可藉由觀察當增加成份時變異之改變速率，然後建立可提供最具物理重要訊息之彼等因數之子集而達成。自此項分析，建立代表主要因數予集之矩陣色，及代表與各王要因數子集有關聯量之矩陣A ,則矩陣人與色之乘積形成一個壓縮訊號回應矩陣： X ^ AB (5) 此近似法允許校準問题得以再定義，以克服共線性限制，並可用於杈準之發展，其條件是每一個所獲得之光譜均具有一致之正規化乘予。但是，在許多工業製程物流及/或關於某些分析儀器配置上，係極端地難以符合此項標準。本發明之方法係對校準問题提供一種獨特解決辦法，其不需要一致乘算乘子，意即光譜路徑長度或散射體積可以改變〇迄今所提出之校準方法，均需要整組光譜具有可再現強度，其係與取樣物質之組成成正比。在許多可能有用之應用中，係獲得高品質NiRS與拉曼光譜，惟具有整體強度會隨著不同光譜而改變之事實。於—種恢復正確光譜強度之方法不存在下，此等強度變異將使得爲達成锖確校準之努 -14' _ . { 裝訂 ^ (請先閑讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 3ί〇3β6

AT ~--—--—_____ _Β 7 五、發明説明（12 ) —'~ —— 力挫敗。田對於-個試樣得自一個分析裝置之度量値，數目 ^

’且’且來自第二個分析裝置之多元訊號回應祐書窝成教 Η > q , K 、χ双㈢ < 另—個有序組時，此等組集係提供相同試樣《兩個不同多元表示法β此校準問题係爲找尋_種方法，此方法係利用對於試樣使用—種裝置所獲得之參考度量値乂找尋正規化常數與校準係數，其可應用於使用另—個裝置彳于自試樣而被包含在多元訊號回應中之訊息，於是使得兩組分析度量値等效ΰ在本發明之前，尚未有提供校準以使得有用分析能夠被達成之此项問题之解決辦法。此方法之第一個步驟，是使用第一個分析裝置，自—组式樣獲得一組原始多元訊號回應，此等回應可以多種分析裝置獲得，例如：拉曼光譜測定、近紅外光譜測定、紫外光譜測定、核磁共振光譜測定、可見光譜測定、質量光譜測定、氣相層析、液相層析、重量測定、體積測定、滴定測定及黏度測定裝置。此等儀器可包括根據本發明之第— 個或第二個分析裝置。在本發明之較佳具體實施例中，第一個裝置係爲拉曼或近紅外線光譜計，而第二個裝置係爲核磁共振光譜計或液相或氣相層析裝置。在此等具體實施例中’第一組分析度量値係包含拉曼光譜或近紅外光譜，而第二組參考定量度量値則包含核磁共振光譜或液相或氣相層析譜。訊號回應之絕對強度並不重要；因此，例如拉曼或NIRS 度量法之行程長度，不必對不同光譜之取得保持恒定。然 • 15, ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) ( 21〇>' (請先閑讀背面之注意事項辱填寫本! 裝. -訂· 經濟部中央標準局員工消費合作社印製經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ---— —_B7五、發明説明（13 ) ~~ ~ ~ ~ 後》周整原始多疋訊號回應，以移除與分析裝置有關聯之操作變異性影嚮。此種調整可包括例如調整基線、採用導數、選擇總體回應之一部份以供使用等。 PFA使得光譜組中之總體變異能夠被估計及分配在不同主要成份中，於是提供壓縮矩陣χ之基礎。矩陣γ可以類似方式描述。根據本發明之方法，各主要因數之量Α在兩種表示法中，係被強制爲相同。因此，γ之定義變成： Y = AC (6) 其中關於Y之主要因數係以c表示。傳統上，γ之壓縮係已被進行而與X無關》以保持定量上有用之數據被包含在矩陣Y中’同時抑制随機噪聲。但是，在本發明之方法中， Y之壓縮係完全以來自矩陣X之訊息爲基礎u 於Y之因數分析中利用A，則可獲得用以描述藉由第二個刀析裝置對各試樣之.度量値之主要因數之估計値。產生矩陣0作爲Y之主要因數之壓縮予集之此種程序，偏離一般因數分析途徑之處，在於其係在一個矩陣上使用PFA作爲使不同但推測上相關之矩陣因數分解之基礎。在正規化問題解答上之另一個重要成份，係爲適當方式之測定，以使正規化乘予加入此方法之立方程式中。若矩陣Y係使用乘法對角線正規化矩陣N調整，則獲得正規化參考度量値矩陣乘積W : W = NY (7) W於單位上係與X矩陣列中之相對強度成正比，且係代表正規化第二個矩陣組以供校準„ N矩陣之逆轉，係爲使 _ -16* 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) AO見格（210X 297公Ί1' (請先閲靖f面之注意事項再填1¾本頁) 裝· 丁、-°

L Λ 7 Β7 五、發明説明（14 X矩陣中之行列正規化所雪暴:令& 強肖、,x人見化所需要〈矩陣，以致使其具有正確强度以配合麵陣γ ,, t影矩其與㈣係提供壓縮正規化度量値矩陣w，其可自A計算而得，如下述： ^Α(ΑΤΑ)-ΛΤ (8) 万程式⑻中’人τ係表示入之移項，及係表示您逆轉。於是W之壓縮可表示如下： W = sw (9) 玉意W係包含相關於x中主要成份之訊息， W與你間之差異係爲下述之累積結$，於X與γ矩陣兩者=度量値上之誤差’在回應上之非線性，及由於第—組與第，’·見度量値不成正比且具有不同正規化常數之事實所造成之差異。測定使貨與你間之差異降至最低之正規化乘子乏組集，會產生一組最適宜正規化乘子，其可被稱爲No 0 藉此方法所發現之正規化常數，係爲使多元訊號回應正規化所需要者之倒數，因此最適宜正規化矩陣之逆矩陣係用以調整多元訊號回應，以產生矩陣χΝ : ΧΝ-Ν0-ίχ (1〇) ΧΝ可與Υ —起使用於任何一般多元分析技術中，譬如 MLR、PCR或PLSR，以建立可用於藉第—個分析裝置定量測定未知試樣組成之校準。可將此校準應用於例如試樣之拉曼或近紅外光譜，以修正重要振動特徵之強度，於是允 -17 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） , f一裝------訂------{ (#it閱讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製經濟部中央標準局員工消費合作社印袋 Λ 7 Β7 五、發明説明（15 ) 許精確定世分析n 根據本發明之方法，係測定正规化矩陣N中使W與W間之差異降至最低之數値。針對此项N的可選擇數種可能之度量法，包括：個別誤差絕對値（總和，誤差平方之總和，或誤差之各種加權總和。任何特定選擇，將會導致正规化常數之特定估計値"在一較作遠樫屮，f方誤差之總和係被選擇作爲誤差極小化度t法。如上述，使w與W間之差異降至最低之正規化矩陣之敢適K數値，係被稱爲N。。正规化乘子之最佳化，可藉數種方法屮之任一種達成，包括反覆估計或極小化程序，或Μ佳係利用一組導出之方程式。在一個有用之途徑中，保產生-組止規化常數，其係提供W與W間差異之最小均方根極小化，其可關於Nk丨對所有k，以數學方式表示爲極小化表示式（丨v) °Σ ί： (n - Σ He u)2 (11) 在表示式（11)中，M表示試樣在該組集屮之數目，且n表示藉第二個分析裝置對各試樣所度量之回應數目。一種進行表示式（丨υ極小化之較佳方式，係爲關於n,,,對所有i獲得部份導數，達到光譜匕數目，並設定此結果等於零。造成下列方程式： 0 = έ {Σ 1 Σ = （12) q~X -18- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本ί ) ——< 袈------訂-------,ί • km i nn nn nn nn 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210>: 297公釐） A 7 B? 經濟部中央標準局員工消費合作社印製五、發明説明（16 ) 其屮對各試樣有一個方仅入·於方作Λ (12)屮被包1¾在大括弧中之項，係定義元I：〇丨，k。符號ί丨，k爲Kroeniker cJ函數，當尸k時，其具有其中一個數値，而在其他情況下爲零‘、由於X或Y矩陣之任何任意倍数，亦提供此等方程式之解答，故在此等方租式中之自由度係低於試樣之數3 °因此，需要另一個方裎式；一種適t選擇是具有等於試樣數目之係數之總和Μ，或： ^ - Σ (13) 可將方程式（12)與（13)合併，其方式是使D矩陣擴張具有各元素等於一之一列，及藉由界定一個新穎矩陣P，其係爲列矩陣，於各元素中均具有零値，惟其中具有Μ之最後·一列除外。於是，Ν。之數値可按下列計算： N〇=(DTD)' 1 DTP (14) 在以表示式（11)代表之特定操作中，各個別差異係被確認，具明確地包含正规化乘子。此表示式，其係藉由形成此等個別誤差平方之總和而導出，使得能夠達成藉方程式 :12)表示之平方誤差總和之分析極小化。當加入方程式（13) 中所提供之條件，以確保此等方程式可以求解時，已發現一組線性方程式，以描述正规化常數之解答 '、藉（11)-(14)所表示之途徑，係對正规化常數提供ί吏用一組線性方程式之封閉形式解答。所述方法在X與Υ上係爲對稱的"本發明之方法己經描 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X 297公釐）請先聞请背面之注意事項再填寫本頁) 訂經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 310366 A7 ________B 7 1111 ' I I ι,,ι »|„.|. __ ........... 五、發明説明（17 ) 述’其係使用被随機乘子所擾動之回應之矩陣X，且苑陣 Y係代表試樣藉第二個分析裝置所得之參考度量値。但是，本發明之方法可同樣有利地應用在其中矩陣γ表示被擾動多元訊號回應組集之狀況中a 本發明之方法係於混濁、氣泡及/或微粒子存在下，譬如經常在工業程序中所遭遇者，例如蒸餾、聚合、非均相反應、沉澱、結晶等之情況下’提供多元分析之精確原位校準。因此，欲藉分析裝置度量之未知组成試樣，可位在例如蒸餾塔内或其頭部。或者，其可爲固體或固體/液體混合物。此試樣可包含反應混合物之成份，例如在連續反應器中之物流。此反應混合物可包含多相-固態、液態及氣態。下述實例係進一步説明本發明3 實例1 -混合二甲苯拉曼光譜之校準本發明方法之能力，係進一步使用一組混合二甲苯試樣証實。此等試樣係藉由小心稱量不同量之各成份至混合物中而製成。計算十一種含有對_、間_及鄰·二甲苯試樣之莫耳濃度百分比，其中各成份之濃度範圍從25至40莫耳百分比’並將其作爲參考度量値（矩陣使用a 建立含有2.0瓦特多模二極體雷射，使用8〇〇毫微米激發操作及拉引線至100微米矽石石英核芯光纖電纜（光譜二接體實驗室公司，San Jose, CA型，編號SDL-2372-P3)之拉曼儀器。使用光纖光束分裂器（〇z光學公司（Carp，Ontario, Canada),型號 FOBS-12-555-MMM-750-50/50)，使入射輻射分裂成兩個光束， ________ - 20 - 本紙張尺度適用中國國家操準（CNS ) A4規格（2丨0 X 29.7公鼇i ~' I 111—.111《扣衣訂— I I ‘ 〜 (請先闊讀背而之注意事項再填寫本f} 經濟部中央橾準局貝工消費合作杜印製 A? _____m 五、發明説明（18 ) 並使兩光束聚焦在個別200微米核芯而經聚醯亞胺緩衝之石英碎石光纖電境（Fiberguide工業，Stirling^ NJ)上。此兩個光纖係傳送輻射至試樣探針與參考探針。在各光纖電纜中之輻射，係在進入個別探針之前經濾波。濾波器（ω光學公司，Bratt丨eboro, VT型號800 BP10)係經設計只傳送狹窄能帶，並袜插入®定之光纖濾波器保持裳置 (Oz 光學公司，型號 ND-200-55_750-M-30)中，使用參考光纖探針，以照射小金剛石碎片，其係採用作爲參考物質。將此試樣探針插入316不銹鋼試樣管件中，其中已放置經混合之二甲苯試樣c 來自參考物與試樣之散射輕射，係藉由靠近激發纖維附近放置之個別200微米纖維收集。經收集之散射福射係經遽波’以在進入返回纖維之前，移除幾乎所有Rayldgh散射無射。被保持在固定光纖滤波器保持裝置（〇z光學公司型號^-200-55-75(^30)中之遽波器（ω光學公司 ’ ^ ，係經設計以通過所要之拉曼散射料，同時有效不想要之輕射。兩個返回纖維均向後指向ACt〇n SpectraPr〇光譜儀（Act〇n研究公司，Acton, ΜΑ)。此光譜計係使用具有三個色散光栅之轉盤型光柵系統建立而成。使用300溝槽/毫米之光柵，以分析及提供大約Π00公分-1光譜覆蓋區域a 將具有八個200微米輸入端式樣之纖維接合器，連接至光譜計入口，使得能夠達到八個拉曼通道收集^纖維係經排列成線性陣列’並直接放置在入口狹縫前方。此八個光譜 _______ -21- 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS、A4規格(------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁 -訂

L 經濟部中央標準局員工消費合作社印t ______B7 五、發明説明（19) ' ~ 計纖維之一，係被連接至試樣探針纖維，及另一個係連接至參考探針纖維。經分散之輻射，係藉Princeton儀器 (Trenton, NJ)熱電冷卻之CCD檢測器進行檢測，並轉化成電子訊號。此CCD晶片爲Techtronix 512 X 512像元，背照射式檢測系統。此儀器係使用由Princeton儀器公司所提供之CSMA數據獲取軟體加以控制；獲得30秒光譜。--種如在Press等人，用數字表H秘袜學計算之技藤,1986, Cambridge大學出版社，第86-89頁中所述之立方花鍵内推法，係用以提供等間隔橫座標數據。應用美國專利5,455,673中所述之標準化方法，以移除譜帶形狀與譜帶位置變異。所形成之標準化波形係在傅立葉區域藉三點半寬度，Gaussian變寬作用與兩點半宽度，Lorenztian變窄函數平滑化與十一個參考度量値（矩陣 Y)有關聯之十一個標準化波形，係作爲多元訊號回應（矩陣X)使用。使用此等X與Y數値，建立三個校準模式。校準丨係利用3因數PLSR，而校準1-2係在PLSR建立之前，採用MSC。根據本發明方法之校準1-3，係將3因數正規化與3因數 PLSR合併，以建立校準模式。一組獨立之六個具有不同對- ' 間-及鄰·二甲苯組合物之有效混合物，係自經稱重之諸成份量調配而成。計算莫耳百分比濃度，並與得自相應標準化波形及各校準1-1、1-2 及1-3之定量分析作比較。關於此有效組之RMS標準誤差，係對各化學成份進行測定，並包含在表1A中。 _____-22- ____ 本紙張又度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 ----------入一衣-- {請先閲讀背面之注意事項再填寫本f ) -訂 310366 A 7 B7 五、發明説明（20 )

表1A 26 校準模式 1-1 比較 1-2 比較 1-3 本發明校準方法有效RJM.S 標準誤差

有效 RMS 標準誤差

PLSR

MSC/PLSR

正規化 PLSR 0.118 0.420 0.082 0.094 2.980 0.096 標準姨差 0.147 0.134 經濟部中央標準局員工消費合作社印製於表】A中之數據顯示利用本發明方法（校準丨-3)之整體& 良，係勝過利用3因數PLSR (校準1-1)，以及實質上改良伸勝過MCS/PLSR方法（校準1-2)。應牢記在心的是，在此實例中之光譜，係在良好控制> 實驗室條件下獲得。爲模擬製造環境之起泡/混濁物流^ 將十一個標準化校準波形中之每一個，及六個標準化有致波形中之每一個，乘以随機地產生之乘算常數，其範圓從 0.5 至 1.5。校準1-4係自Y與X矩陣數據，在随機乘子已被應用後建立。校準I-5係自經擾動矩陣，恨據本發明之方法逮立。表 1B含有有效標準誤差，其係在將校準丨4與1-5應用至六個標準化有效波形’並將其與對於經調配混合物所計算而得之组成作比較後測得。於表1B中之結果，钲實外加隨機乘予對於校準Μ能力之不利作用；與校準μ丨比較，有效之標準誤差鮮各成份係遠爲較差。對照上而言，根據本發明方法之校準丨_5，:於较 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210 X 29?公1 )

(.請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 袈- -1° L. 一、Γ——五經濟部中央標準局員工消費合作社印製發明説明（21 A 7 B7 锓動疋數據組，係產生基本上與藉由校嘴拚從叫仪平U對無擾動矩陣所獲得者相同之結果。表1B 杈準模式編號校準方法有效RMS 標準誤差對-二甲笨 1-4 PLSR 9.03 __.比較 1-5 正规*化/ 0.084 本發明 PLSR t .................... 有效RMS 標準誤差間-二甲笨 0.099 有效RMS 標準誤差鄰-二甲苯 8.66 9.34 0.132 ............ t 7 丨| "丨|| mi | 此等結果係説明本發明方法對於建立精確校準模力。由於随機影嚮，譬如起泡、混濁、微粒子及會改變試樣體積之類似情況，經常會在製造設備中遭故本發明係提供有價値之利益，在於使得能狗在此條件下正確分析未知组成試樣> 實例2 -線上聚酯製造之校準與分析爲更冗整地证實本發明方法在製造狀況中之利益製造狀況中在處理條件上之波動會造成取樣體積上，故將已按實例1中所述而建立之拉曼儀器，放置製造設備中。安裝光學探針，以致使取樣尖端伸入、熔融態之聚酯液流中。試樣孔係位在數呎之試樣，且每隔四小時移除少量寡聚物試樣。將此試樣藉振（NMR )分析，以測定第一階段(酯交換作用）反應式之能随機地遇到，種不利，於該之干擾在聚酯流動中探針内核磁共之程度其相應之拉曼光譜與NMR分析結果，係經排列成矩陣陣 -24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（210x297公釐1 --------《裝------訂------f.v' (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（22 ) 列，並用以建立三個不同校準模式。校準2-1之立方程式，係利用三因數PLSR，而校準2-2則在PLSR之前利用MSC程序。校準2_3係根據本發明之方法建立。藉各校準所獲得之獨立有效組之標準誤差，係示於表2中表2 校準編號校準方法 # i RMS ' 標準誤差 2-1 比較 PLSR 9.07 2-2 比較 MSC/PLSR 1.23 2-3 本發明正規化/ PLSR 0.12 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. tr 經濟部中央梂準局貝工消費合作社印製所收集拉曼光譜之檢查，顯示在整體信號強度上之急騍變異。此等干擾之影嚮，係由校準2-1顯示，其中在拉曼試樣體積上之干擾，使得常用之校準方法不可靠。利用校準 2-2之MSC/PLSR程序獲得改良，·，應用校準2_3所獲得之小標準誤差，係驚人地証實衣發明使用製造條件下所獲得之多元訊號回應，對於試樣分析之價値< 本發明已特別參考其較佳具體實施例詳細描述，但應明暸的是，其變型與修正可在本發明之精神與範園内達成。

L 4. -25- 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公着

Claims

經濟部中央標準局負工消费合作社印裝 510366 λa Eg C8 __m六、申請專利範圍 ~~- ~ - l. 一種藉分析裝置分析未知組成試樣之方法，其係利用得自一組試樣之一組分析度量値與—組參考度量値，該方法包括：使用第一個分析裝置，使該組試樣接受度量，於是獲知組刀析度量値，其包含第一組多元訊號回應；調整M第一組多元訊號®應以移除與該第一個分析裝置有關聯之操作變異性之影嚮，於是獲得經調整訊號回應之第一個矩陣；使用第一個分析裝置，使該组試樣接受度量’於是獲得一组參考度量値，其包含第二组多元訊號回應；調整該第二組多元訊號回應以移除與該第二個分析裝置有關聯之操作變異性之影嚮，於是獲得經調整訊號回應之第二個姖陣；使該經調整訊號回應之矩陣之—分解成矩陣乘積，其包含一個由一组主要因數所組成之矩陣，及一個由與該主要因數組中之每一個有關聯之量所組成之矩陣；建互壓縮訊號回應矩陣乘積，其包含—個由該主要因數组之子集所组成之矩陣，及一個由與被包含在該子集中之各主要因數有關聯之量所組成之矩陣；自該由與被包含在該子集中之各主要因數有關聯之量所組成之矩陣，計算投影矩陣；建互第一個正規化矩陣乘積，其包含正規化矩陣及該經調整訊號回應矩陣中之另一個；建JL壓縮正規化矩陣乘積，其包含該投影矩陣及該 -26 - 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐 i請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V mV Mam Μ 訂· L Λί5 Β8 C8 —"— -— m 六、申請專利範圍一· ——~— 一第一個正规化矩陣乘積；計算使該第一個正規化矩陣乘積與該壓縮正規化矩陣乘積間之差異降至最低之正規化矩陣之數値，於是產生最適宜正規化矩陣；建立第二個正規化矩陣乘積，其包含該最適宜正规化矩陣及該經調整訊號回應之矩陣之一：自該經調整訊號回應之矩陣之另一個與該第二個正規化矩陣乘積，建立一個可用以分析藉該第一個分析裝置得自該未知組成試樣之訊號回應之校準：及應用該校準’以分析藉該第一個分析裝置得自該未知組成试樣之訊號回應，於是使得該試樣之组成能夠被精確地測得。 2·根據申請專利範園第1項之方法，其中經調整以移除與第一個分析裝置有關聯之操作變異性影嚮之第一組多元訊號回應，係包含經調整訊號回應之第一個矩陣x，及經調整以移除與第二個分析裝置有關聯之搮作變異性影嚮之第二組多元訊號回應，係包含經調整訊號回應之第二個矩陣Y，該方法進一步包括：經濟部中央梂準局貝工消費合作社印製使矩陣X分解成矩陣乘積AB，其中矩陣B表示第一組主要因數，而矩陣A表示與各該第一組主要因數有關聯之量；建立代表主要因數子集之矩陣色及代表與各該主要因數子集有關聯量之矩陣人，其中該矩陣A與§之乘積係形成壓縮訊號回應矩陣一__ -27- 本紙張从適用中關家標準（CNS ) A4規格（2丨? '一 310366 AS Β8 __ CS —-—--_ D8 穴、申請專利範圍 - χ = Λβ ；自Α計算投影矩陣§，其中 s = a(AtA)1at ；自Y建立第一個正規化矩陣乘積w，其中 W = NY, N包含正規化矩陣，其使得W與X成正比；自§與W建立壓縮矩陣乘積灸，其中 w = sw ；計算使得W與w間之差異降至最低之N之數値，於是產生最適宜正规化矩陣N。；自N〇與X建立第二個正规化矩陣乘積Xn，其中 Χν=Ν〇·*Χ ; 自Υ與ΧΝ建立--個可用以分析藉該第一個分析裝置得自該未知組成試樣之訊號回應之校準：及應用該校準以分析藉該第一個分析裝置得自該未知組成試樣之訊號回應，於是使得該試樣之組成能夠被精確地測得。 3·根據申請專利範圍第丨項之方法，其中該第一個分析裝置係選自包括拉曼光譜測定、近紅外光譜測定、紫外光 /可見光譜測定、核磁共振光譜測定、質量光譜測定、氣相層析、液相層析、重量測定 '體積測定、滴定測定及黏度測定裝置。 4.根據申請專利範園第3項之方法，其中該第一個分析裝 — -28- 本紙張XJtit财g财縣（CNS ) Α4祕（21Gx2<m?H '~~一~—~~ " ' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 」經濟部中央標準局貝工消費合作社印褽 • 1Γ. 六、申請專利範圍 A 8 HE CS 08 經濟部中央標率局貝工消費合作社印製置係爲拉曼光譜測定裝置岑，诚械4 衣最或近紅外光譜測定裝置。 5·根據申請專利範固第丨項之淫技、 φ負 < 歹法，其中該第二個分析裝 = _ j疋近紅外光譜測定、紫外光 ^見光4 W疋、核磁共振先缯測定、質量光譜測定、氣相滑析 '液相層析、重量測定、_測定、滴定測定及黏度測定裝置。 , 6. 根據申請專利範圍第5項之方法，其中該第二個分析裝直係選自包括核磁共振光譜測定、氣相層析及液相層析裝置。 7. 根據申請專利範圍第4或6项之方法其中該组參考度量値係包含核磁共振光譜，且該组分析度量値係包含— 種光譜，選自包括拉曼光譜與近紅外光譜。 8. 根據中請專㈣圍第1項之方法，其中該未知組成試樣包括固體、液體或兩者。 9. 根據申請專利範圍第8项之方法在於其沸點下之液體。 10. 根據申请專利範圍第8項之方法且進一步包含蒸氣。 U·根據申請專利範圍第1項之方法包含反應混合物之成份。其中該試樣爲接近或其中該試樣爲液體，其中該未知组成誠樣 HI I I (請先閱讀背面之注意事項4填寫本I ---1 裝. 訂 29 良紙張尺歧财關家料（CNS)