WO2023001752A1

WO2023001752A1 - Verfahren und system zur analyse einer probe anhand von daten

Info

Publication number: WO2023001752A1
Application number: PCT/EP2022/070046
Authority: WO
Inventors: Tom Landgraf; Robert Brückner
Original assignee: Senorics Gmbh
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2023-01-26
Also published as: DE102021118559A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten, die durch ein Messinstrument erzeugt wurden, welches in N Kanäle aufgeteilt ist. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: i. Erfassen von Messdaten y(x) mit zumindest einer Auswahl der N Kanäle des Messinstruments in einem sich zwischen den ausgewählten Kanälen überschneidenden Bereich von x; ii. Auswählen eines Wertes x_j aus dem sich überschneidenden Bereich von x; iii. Ermitteln von den jeweiligen Anteil der ausgewählten Kanäle an der bei x_j erfassten Gesamtantwort y _tot (x _j ) quantifizierenden Koeffizienten; iv. Wiederholen der Schritte ii. und iii. für M Werte (I).

Description

Verfahren und System zur Analyse einer Probe anhand von Daten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten, die durch ein Messinstrument erzeugt wurden, welches in N Kanäle aufgeteilt ist, ein computerimplementiertes Verfahren, eine zugehörige Vorrichtung zur Datenverarbeitung und ein zugehöriges Computerprogrammprodukt, sowie ein System zur Analyse einer Probe, aufweisend ein in N Kanäle aufgeteiltes Messinstrument zur Erzeugung von Daten der Probe und eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung, die mit dem Messinstrument über einen Kommunikationslink verbunden ist, wobei die Vorrichtung zur Datenverarbeitung das Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten ausführt.

Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR-Spektroskopie) ist eine optische Messmethode, die die Identifizierung, Unterscheidung und Quantifizierung von Substanzen in gasförmigen, flüssigen oder festen Zusammensetzungen erlaubt.

Die Auswertung von spektralen Daten im NIR-Wellenlängenbereich bzw. bei Wellenlängen l von ca. 350 nm bis ca. 2500 nm erfordert wegen der starken Überlagerung der Absorptionsbanden der Substanzen komplexe Rechenalgorithmen, die häufig mit dem allgemeinen Stichwort „Chemometrie“ beschrieben werden. Diese Algorithmen arbeiten auf der Grundlage statistischer Methoden. Über Verfahren wie die multivariate lineare Regression, die Hauptkomponentenanalyse oder Support-Vektor-Maschinen können die gemessenen spektralen Daten mit chemischen Größen, wie z. B. der Konzentration einer Substanz, korreliert oder unbekannte Stoffe identifiziert werden. Dabei müssen die Algorithmen auf der Basis von Messdaten (die auch künstlich erzeugt werden können) bekannter Reinstoffe und Mischungen trainiert werden, um dann die relevanten Größen liefern zu können. Die Abbildung zwischen spektralen Daten und den gesuchten chemischen Größen bezeichnet man als chemometrische Kalibrierung.

Es gibt mehrere Gründe, warum eine chemometrische Kalibrierung, die mit einem bestimmten, ersten Messinstrument erstellt wurde, nicht ohne Weiteres Spektren eines anderen, zweiten Messinstruments Vorhersagen kann. So können bereits zwischen zwei baugleichen Messinstrumenten aus derselben Serie so große bauartbedingte Abweichungen bestehen, dass eine Übertragung der chemometrischen Kalibrierung von einem auf das andere Messinstrument nicht ohne Korrektur möglich ist. Aber auch die Alterung oder eine Neujustage eines Messinstruments können dazu führen, dass ein einmal erstellter Kalibrierungsalgorithmus abgeändert werden muss. Zu diesem Zweck wird ein Kalibrierungstransfer durchgeführt, der es idealerweise erlauben sollte, eine chemometrische Kalibrierung von einem Instrument auf ein anderes mit statistisch gleichbleibender Genauigkeit zu übertragen.

Ein häufig verwendeter Ansatz zum Kalibrierungstransfer wird mit „Piecewise Direct Standardization“ (PDS) bezeichnet. Die Grundlage der PDS besteht darin, eine Stützstelle bei einer Wellenlänge im Spektrum des ersten Messinstruments auf einen Wellenlängenbereich im Spektrum des zweiten Messinstruments um die Stützstelle herum zu beziehen. Eine lineare Regression der Stützstelle bei einer Wellenlänge im Spektrum des ersten Messinstruments auf den Wellenlängenbereich im Spektrum des zweiten Messinstruments ergibt ein Regressionsmodell für jede Stützstelle. Die Regressionsvektoren können in einer Transfermatrix zusammengefasst werden, mittels derer das transferierte aus dem Ursprungsspektrum erhalten werden kann.

Beispielsweise beschreibt die US 5459677 B1 ein Verfahren zur Übertragung eines chemometrischen Kalibrierungsmodells von einem Referenzinstrument zu einem Zielinstrument. Das Verfahren beinhaltet die Messung von Transferproben mit dem Referenzinstrument zur Generierung einer Referenzinstrumentantwort für jede Transferprobe. Diese Messungen werden mit dem Zielinstrument wiederholt, wobei eine Zielinstrumentantwort für jede Transferprobe erfasst wird. Dann werden Transferkoeffizienten erzeugt, mit denen eine multivariate Abschätzung der Referenzinstrumentantwort aus der Zielinstrumentantwort vorgenommen werden kann, wobei die Abbildung für die Gesamtheit der Transferproben erfolgt. Mit Hilfe dieser Transferkoeffizienten kann im Folgenden aus der Zielinstrumentantwort für eine unbekannte Probe die Referenzinstrumentantwort für diese Probe abgeschätzt werden.

Die DE 4434 168 A1 betrifft ein Farbmessgerät, mit dem ohne Filter oder Gitter die spektrale Verteilung einer Strahlung vollständig erfasst werden kann. In der aktiven Ausführung umfasst die Erfindung z. B. eine Lichtquelle und eine Anzahl m von Sensoren mit unterschiedlicher spektraler Charakteristik. Die Sensoren müssen linear unabhängig voneinander sein und den abzudeckenden Wellenlängenbereich in Überlappung detektieren. Zur Kalibrierung der Vorrichtung muss mit ihr ein Satz aus m Eichstandards mit bekannter Reflexionscharakteristik nacheinander vermessen werden, um m Kalibrierfunktionen bilden zu können, d. h. jeder der m Eichstandards wird mit der Lichtquelle beleuchtet und die Intensität des reflektierten Lichts mit jedem der m Sensoren gemessen. Zur Auswertung der Kalibrierung wird ein Gleichungssystem gebildet, in dem die bekannte Reflexionscharakteristik jedes Eichstandards mittels Kalibrierkoeffizienten mit der jeweils gemessenen Intensität aller Sensoren in Beziehung gesetzt wird. Diese Kalibrierkoeffizienten werden bei der Messung eines unbekannten Gegenstands dazu verwendet, die gemessene Intensität an einer bestimmten Stützstelle, an der Kalibrierkoeffizienten definiert sind, in die wahre Intensität umzurechnen.

Nachteilig an dieser Vorrichtung und der dazugehörigen Kalibrierung ist insbesondere, dass Eichstandards verwendet werden müssen und Messunsicherheiten direkt in den Koeffizienten abgebildet werden. Messinstrumente, wie z. B. Spektrometer, die Messdaten y zur Analyse einer Probe in Abhängigkeit eines bestimmten Parameters x erfassen, z. B. eine durch Wechselwirkung mit der Probe beeinflusste Intensität elektromagnetischer Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, können in eine Anzahl N von Kanälen aufgeteilt sein, wobei jeder der N Kanäle die Messdaten y bevorzugt in einem bestimmten Bereich von x oder bei einem bestimmten x erfasst, aber auch zur Erfassung von y in einem Bereich von x oder bei einem bestimmten x geeignet ist, welcher oder welches einem anderen Kanal zugeordnet ist.

Beispielsweise kann ein Spektrometer in N Kanäle aufgeteilt sein, wobei jeder der N Kanäle einen Filter aufweist, der einen bestimmten Wellenlängenbereich bevorzugt passieren lässt oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich eine größere Sensitivität aufweist als in anderen Wellenlängenbereichen, wobei sich die Wellenlängenbereiche, in denen die Kanäle zur Gesamtantwort des Spektrometers beitragen, zumindest teilweise zwischen den Kanälen überschneiden.

In der EP 3 152785 B1 ist ein organischer Photodetektor (OPD) offenbart, der zur Detektion elektromagnetischer Strahlung im NIR-Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums geeignet ist. Bei dem beschriebenen OPD ist die photoaktive Schicht zwischen zwei Spiegelflächen, z. B. zwei Elektroden mit einander zugewandten reflektiven Flächen, angeordnet, wodurch eine optische Mikrokavität gebildet wird. Für elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge, die die Resonanzbedingung der optischen Mikrokavität erfüllt, bilden sich stehende Wellen in der Mikrokavität aus. Die EQE des OPD ist für eine solche Wellenlänge signifikant erhöht. Typischerweise ist die Resonanzbedingung einer optischen Kavität, die als Fabry-Perot- Kavität ausgebildet ist, erfüllt, wenn für deren optische Länge n-L gilt: n-L = (/ Ά cos cr)/2, wobei n die effektive Brechzahl über die physikalische Länge L der Kavität, die, unter Vernachlässigung der Eindringtiefe des elektromagnetischen Felds in das die Spiegelflächen aufweisende Material, dem Abstand der Spiegelflächen voneinander entspricht, / die Ordnung der sich ausbildenden stehenden Welle, L die Wellenlänge der einfallenden Welle und a den Einfallswinkel der einfallenden Welle in Bezug auf eine Richtung parallel zur physikalischen Länge L der Kavität bezeichnen. Bei zur physikalischen Länge L paralleler Bestrahlung der Kavität (er = 0) ist die Resonanzbedingung erfüllt, wenn die optische Weglänge der Kavität ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der einfallenden Welle ist. Realiter werden einfallende Wellen mit Wellenlängen, die sich in einem Bereich um die Wellenlänge, für die oben erwähnte Resonanzbedingung gilt, befinden, durch die Kavität verstärkt. So ist im Vergleich mit einem OPD mit einer entsprechenden photoaktiven Schicht, die nicht in einer Mikrokavität angeordnet ist, die EQE des OPD mit Mikrokavität erhöht, wenn die optische Weglänge zwischen den Spiegelflächen der Mikrokavität 25 % bis 75 % der Wellenlänge der einfallenden Welle beträgt. Im Folgenden wird der Begriff „Resonanzwellenlänge“ für die Wellenlänge verwendet, bei der die Resonanzbedingung der Mikrokavität erfüllt und die EQE maximal ist.

Vorteilhaft kann durch Variation des Abstands der Spiegelflächen die Resonanzwellenlänge variiert werden. Auf diese Weise kann mit Hilfe einer Abfolge von einer Anzahl N von OPD der beschriebenen Art mit ansteigenden optischen Längen der jeweiligen Kavität der OPD ein Spektrometer zur Detektion elektromagnetischer Strahlung in einem ausgedehnten Wellenlängenbereich bereitgestellt werden. Jeder OPD weist eine der optischen Länge seiner Kavität entsprechende Resonanzwellenlänge auf und entspricht einem Kanal des Spektrometers, so dass das Spektrometer N Kanäle aufweist.

Der Stand der Technik sieht vor, dass bei einer Messung über den ausgedehnten Wellenlängenbereich des Spektrometers das gesamte mit einem Kanal des Spektrometers erfasste Signal aufintegriert und der Resonanzwellenlänge des den Kanal konstituierenden OPD zugeordnet wird. Dementsprechend umfasst eine mit dem Spektrometer aufgenommene Messreihe N einzelne Werte.

Insbesondere zwei Aspekte sind problematisch an dieser Vorgehensweise: Zum einen geht durch die Integration des Signals und der Zuordnung zur nominellen Resonanzwellenlänge spektrale Information, die im Signal eines Kanals enthalten ist, verloren, und gleichzeitig kommt es zu einer Mischung der unterschiedlichen Wellenlängen zugeordneten Information. Zum anderen können sich die tatsächliche Resonanzwellenlänge eines bestimmten Kanals eines ersten Messinstruments und die tatsächliche Resonanzwellenlänge eines bestimmten Kanals eines zweiten Messinstruments mit etwa gleicher nomineller Resonanzwellenlänge voneinander unterscheiden, was den Transfer der chemometrischen Kalibrierung von einem auf das andere Messinstrument verkompliziert. Gleiches gilt für den Transfer einer an einem Referenzspektrometer bei bestimmten, festgelegten Wellenlängen erzeugten chemometrischen Kalibrierung.

Zur Überwindung der Nachteile des Stands der Technik wird ein Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten, die durch ein Messinstrument erzeugt wurden, welches in N Kanäle aufgeteilt ist, vorgeschlagen, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist: i. Erfassen von Messdaten y(x) mit zumindest einer Auswahl der N Kanäle des Messinstruments in einem sich zwischen den ausgewählten Kanälen überschneidenden Bereich von x; ii. Auswählen eines Wertes xy aus dem sich überschneidenden Bereich von x; iii. Ermitteln von dem jeweiligen Anteil der ausgewählten Kanäle an der bei xy erfassten Gesamtantwort y_tot(xy) quantifizierenden Koeffizienten; iv. Wiederholen der Schritte ii. und iii. für M Werte {x_j,m}_m=i·

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt sich folgender Verfahrensschritt an die Verfahrensschritte i. bis iv. an: v. Erstellen der Koeffizientenmatrix enthaltend die in den Verfahrensschritten iii. und iv. ermittelten Koeffizienten zur Entmischung der Anteile der ausgewählten Kanäle an der Gesamtantwort.

Bei x handelt es sich um die Variable, in deren Abhängigkeit das Messsignal y (die Antwort) eines Kanals gemessen wird. Die Gesamtantwort y_tot(xy) setzt sich aus den von den gewählten Kanälen bei xy erzeugten Werten für y zusammen.

Die Auswahl der Kanäle, die zur Ermittlung der Koeffizienten heranzuziehen ist, ist dabei so zu treffen, dass alle Kanäle umfasst sind, in denen bei dem Wert x, Information enthalten ist, d.h. alle Kanäle, bei denen y(x,) einen signifikanten Beitrag zu y_tot(xy) liefert. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können anwendungsspezifisch demgemäß auch Teilspektren analysiert werden.

Zur Bestimmung der Koeffizienten kann z. B. die Methode der kleinsten Quadrate (LSQ, z. B. bounded NNLSQ) angewendet werden.

Bei den Koeffizienten handelt es sich um generalisierte Koeffizienten, die keiner Zuordnung zu bestimmten Proben, z. B. Eichstandardproben, unterliegen. Bevorzugt ist x die Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung, besonders bevorzugt i NIR- Bereich. Bei y kann es sich z. B. um einen Strom, eine Intensität, die EQE, etc. handeln. In dieser bevorzugten Ausgestaltung kann das Verfahren auch als „spektrales Entmischen“ bezeichnet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf eine Anordnung von OPD mit ansteigenden Resonanzwellenlängen, z. B. zur spektralen Entmischung der EQE der einzelnen OPD, angewendet werden.

Dem Fachmann ist klar, dass das Matrix-Vektor-Produkt nur bestimmt ist, wenn die Anzahl der Spalten der Koeffizientenmatrix und die Anzahl der Komponenten des Vektors, mit dem die Matrix multipliziert wird, übereinstimmt. Die Anzahl der Komponenten des Produkts entspricht der Anzahl der Zeilen der Matrix.

Für das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet das, dass die Matrix beispielsweise eine M N- Matrix ist, also M Zeilen und N Spalten hat, wobei M kleiner oder größer N sein kann, oder M = N. Die Anzahl der Spalten der Koeffizientenmatrix und die Anzahl der Komponenten des Vektors, mit dem die Koeffizientenmatrix multipliziert wird, kann über die Anzahl der Kanäle des Messinstruments hinaus erhöht werden, indem z. B. für eine zweite, dritte, etc., von der ersten Probe verschiedene Probe mit demselben Messinstrument ermittelte Messdaten y(x) einbezogen werden.

Die Werte xy sind frei aus dem gesamten mit jedem Kanal vermessenen Bereich von x wählbar. In diesem Sinne können die über den gesamten vermessenen Bereich verteilten xy gleich voneinander beabstandet sein, oder der Abstand zwischen einem ersten und einem zweiten xy unterscheidet sich vom Abstand zwischen dem zweiten und einem dritten xy. Zweckmäßigerweise können die xy beispielsweise in einem Bereich von x, in dem das Messsignal viel Information enthält, enger beabstandet sein als in einem Bereich von x, der weniger Information enthält.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist also dazu geeignet, die Anzahl der Einzelwerte einer Messreihe, die mit dem Messinstrument erzeugt wurde, zu erhöhen, z. B. über die Anzahl der Kanäle des Messinstruments hinaus. Dies kann als vorteilhafte Erhöhung der Auflösung einer Messung bezüglich x aufgefasst werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht vorteilhaft die Anwendung von Kalibrierungsmodellen, die aus Literaturdaten für die zu analysierenden Messungen, z. B. Spektren, erstellt worden sind, oder von Kalibrierungsmodellen, die aus nicht mit dem Messinstrument erfassten Messungen erstellt worden sind und eine von der Auflösung des Messinstruments verschiedene Auflösung bezüglich x haben können, auf die mit dem Messinstrument erfassten Daten. Gleiches gilt für Messungen, die mit voneinander verschiedenen Messinstrumenten der gleichen Serie erfasst worden sind, sich aber bezüglich x voneinander unterscheiden, z. B. dadurch, dass die Resonanzwellenlängen eines Kanals k_j bei einem ersten und bei einem zweiten Messinstrument voneinander abweichen. Hier ergibt sich ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, dass die Koeffizienten bzw. die Koeffizientenmatrix z. B. mit dem ersten Messinstrument ermittelt werden, und auf dem zweiten Messinstrument (und entsprechend weiteren Messinstrumenten) derselben Serie dann lediglich die ermittelten Koeffizienten bzw. die Koeffizientenmatrix gespeichert ist und zur Entmischung der mit dem zweiten Messinstrument erfassten Daten angewendet werden kann. Die Koeffizienten müssen bzw. die Koeffizientenmatrix muss also nicht mit jedem der Messinstrumente einer Serie ermittelt werden, sondern kann nach der Ermittlung auf einem „Referenzinstrument“ auf Weiteren implementiert werden.

Die Messdatenerfassung muss vorteilhaft nicht an geeichten Standardproben vollzogen werden, sondern erfolgt an einer z. B. im Hinblick auf die Vermeidung lokaler linearer Abhängigkeiten optimierten Auswahl der zu analysierenden Proben. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten, die durch ein Messinstrument erzeugt wurden, welches in N Kanäle aufgeteilt ist, wobei das computerimplementierte Verfahren zumindest die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a. Bereitstellen von Messdaten y(x), die zumindest mit einer Auswahl der N Kanäle des Messinstruments in einem sich zwischen den ausgewählten Kanälen überschneidenden Bereich von x gemessen wurden; b. Auswählen eines Wertes xy aus dem sich überschneidenden Bereich von x; c. Ermitteln von den jeweiligen Anteil der ausgewählten Kanäle an der bei xy_m erfassten Gesamtantwort y_tot(xy_,m) quantifizierenden Koeffizienten; d. Wiederholen der Schritte b. und c. für M Werte { x/_,m}m=i

In einer Ausführungsform umfasst das computerimplementierte Verfahren des Weiteren folgenden Verfahrensschritt: e. Erstellen der Koeffizientenmatrix enthaltend die in den Verfahrensschritten c. und d. ermittelten Koeffizienten zur Entmischung der Anteile der ausgewählten Kanäle an der Gesamtantwort. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung, umfassend Mittel zur Ausführung des computerimplementierten Verfahrens.

Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das computerimplementierte Verfahren auszuführen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Analyse einer Probe, aufweisend ein in N Kanäle aufgeteiltes Messinstrument zur Erfassung von Daten der Probe und eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung, die mit dem Messinstrument über einen Kommunikationslink verbunden ist, wobei das System das erfindungsgemäße Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten gemäß den Schritten i. bis iv. bzw. bis v. oder das computerimplementierte Verfahren gemäß den Schritten a. bis d. bzw. bis e. ausführt.

In einer Ausgestaltung des Systems handelt es sich bei dem Messinstrument um ein Spektrometer, so dass x der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entspricht.

Dadurch, dass die Übertragung einer Kalibrierung eines Messinstruments nicht mehr an einen bestimmten, einem Kanal zugeordneten Wert x, z. B. die Resonanzwellenlänge eines Kanals, gebunden ist, erlauben es die verschiedenen Aspekte der Erfindung auch auf besonders vorteilhafte Weise, Analysedienste im Auftrag einer Vielzahl von Kunden bereitzustellen unter Verwendung einer Vielzahl von Messinstrumenten, die mit einer zentralen Vorrichtung zur Datenverarbeitung, z. B. einem Prozessor, verbunden sind, in die mindestens ein Kalibrierungsmodell geladen ist, das so konfiguriert ist, dass es ein vorhergesagtes Ergebnis einer interessierenden Eigenschaft aus Messdaten erzeugt, die von einer Vielzahl von Proben unter Verwendung der Messinstrumente erfasst werden, wobei das Bereitstellen von Analysediensten das Übertragen des vorhergesagten Wertes der interessierenden Eigenschaft an einen Kunden umfasst, für den Analysedienste für eine bestimmte Probe eines Materials erforderlich sind.

Im Rahmen dieser Beschreibung wird im Sinne der Kürze der Begriff "mindestens ein(e)" verwendet, welcher bedeuten kann: eins, genau eins, mehrere (z. B. genau zwei, oder mehr als zwei), viele (z. B. genau drei oder mehr als drei), etc. Dabei muss „mehrere" oder „viele“ nicht unbedingt bedeuten, dass es mehrere oder viele identische Elemente gibt, sondern mehrere oder viele im Wesentlichen funktional gleiche Elemente. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.

Die Erfindung wird im Folgenden durch Ausführungsbeispiele anhand von Figuren erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.

Dabei zeigt die

Fig. 1 Messdaten y(x), hier die EQE in Abhängigkeit von der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung, die mit jeweils einem der vier Kanäle eines Messinstruments im gesamten dargestellten Bereich von x erfasst wurden;

Fig. 2 einen Vergleich von mit drei voneinander verschiedenen Spektrometern erzeugten Messkurven jeweils vor und nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie mit einer Referenzmessung.

Fig. 1 zeigt das gemessene Signal von vier OPD, die den Kanälen eines Spektrometers entsprechen, hier die EQE in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Bei jedem der OPD ist die photoaktive Schicht in einer optischen Mikrokavität angeordnet, so dass für elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge, die die Resonanzbedingung der optischen Mikrokavität erfüllt, die EQE des OPD maximal ist. Eine Erhöhung der EQE wird auch in einem ausgedehnten Bereich um die jeweils angegebene Resonanzwellenlänge herum beobachtet, so dass ein Resonanzpeak eine vergleichsweise große Halbwertsbreite aufweist. Des Weiteren ist die EQE von OPD mit hoher Resonanzwellenlänge zu niedrigen Wellenlängen hin erhöht, wie insbesondere den mit dem OPD mit einer Resonanzwellenlänge von 1790 nm ermittelten Messdaten zu entnehmen ist. Bei der Integration des gesamten, mit einem OPD gemessenen Signals über den Wellenlängenbereich geht die spektrale Charakteristik der einzelnen OPD verloren.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt, indem eine Anzahl von Wellenlängen aus dem gezeigten Wellenlängenbereich ausgewählt wird, wobei die gewählten Wellenlängen nicht mit einer Peakposition identisch sein müssen. Exemplarisch sei die Wellenlänge li = 1250 nm herausgegriffen. Zum gesamten Signal bei li tragen die vier OPD bzw. Kanäle des Spektrometers zu unterschiedlichen Anteilen bei: Den größten Anteil liefert der OPD mit einer Resonanzwellenlänge von 1335 nm, den geringsten Anteil der OPD mit einer Resonanzwellenlänge von 1790 nm. Die Anteile der OPD bzw. Kanäle werden durch Koeffizienten beschrieben. Diese Verfahrensschritte werden für die gewählte Anzahl von verschiedenen Wellenlängen wiederholt und die Koeffizientenmatrix erstellt. Die Verfahrensschritte können auch simultan für alle gewählten Wellenlängen ausgeführt werden.

Fig. 2 zeigt einen Vergleich von jeweils drei Messreihen, die mit drei verschiedenen Spektrometern (device) A (erste Reihe), B (zweite Reihe) und C (dritte Reihe) erzeugt wurden, vor (raw measurements, linke Spalte) und nach (unmixed measurements, rechte Spalte) Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie mit einer Referenzmessung der Proben (reference, mittlere Spalte). Bei den Proben handelt es sich um eine Mischung von Flüssigkeiten mit einem Wassergehalt von 0 % (durchgezogene Linie), 40 % (kurz gestrichelte Linie) und 90 % (lang gestrichelte Linie).

Bei den in der linken Spalte dargestellten Messkurven, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren nicht angewendet wurde (raw measurements), ist zu erkennen, dass eine Messkurve aus einer der Anzahl der Kanäle des Messinstruments entsprechenden Anzahl von Einzelwerten besteht, zwischen denen linear interpoliert wurde. Ein Einzelwert wird dadurch erzeugt, dass die Messdaten y(x), im gezeigten Fall der Transmissionsgrad elektromagnetischer Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, mit einem Kanal des Spektrometers gemessen, über x integriert und der Wert des Integrals für den Transmissionsgrad der Resonanzwellenlänge des Kanals zugewiesen wird.

Die in der rechten Spalte dargestellten Messkurven (unmixed measurements) wurden durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Messdaten y(x), hier wieder Transmissionsgrad elektromagnetischer Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, erzeugt, wobei mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils ein Wert bei 16 zusätzlichen Wellenlängen generiert wurde.

In der mittleren Spalte sind Referenzkurven für die drei Proben gezeigt, die mittels eines hochauflösenden Laborspektrometers gemessen wurden, wobei zum besseren Vergleich hier ebenfalls nur Messwerte bei 16 Wellenlängen dargestellt sind.

Die jeweils an derselben Probe mit verschiedenen Spektrometern erzeugten Messkurven weisen zwar im Wesentlichen untereinander den gleichen Verlauf auf und geben auch qualitativ den Verlauf der zugehörigen Referenzkurve wieder, unterscheiden sich allerdings quantitativ teilweise signifikant (z. B. bei einer Wellenlänge von etwa 1240 nm), und insbesondere die mit den Spektrometern A und C erzeugten Messkurven zeigen Artefakte.

Nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens weichen die an derselben Probe mit verschiedenen Spektrometern erzeugten Messkurven nur wenig voneinander und von der zugehörigen Referenzkurve ab. Auch der isosbestische Punkt der Messkurven wird wiedergegeben. Der Kalibrierungstransfer zwischen den Messkurven und die Anwendung chemometrischer Modelle, die z. B. an der Referenzkurve erstellt wurden, auf die Messkurven kann dementsprechend mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich vereinfacht werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten, die durch ein Messinstrument erzeugt wurden, welches in N Kanäle aufgeteilt ist, aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: i. Erfassen von Messdaten y(x) mit zumindest einer Auswahl der Kanäle des Messinstruments in einem sich zwischen den ausgewählten Kanälen überschneidenden Bereich von x; ii. Auswählen eines Wertes xy aus dem sich überschneidenden Bereich von x; iii. Ermitteln von den jeweiligen Anteil der ausgewählten Kanäle an der bei xy_m erfassten Gesamtantwort y_tot(xy_,m) quantifizierenden Koeffizienten; iv. Wiederholen der Schritte ii. und iii. für M Werte {x_j,m}_m=i·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Verfahrensschritt iv. folgender Verfahrensschritt anschließt: v. Erstellen der Koeffizientenmatrix enthaltend die in den Verfahrensschritten iii. und iv. ermittelten Koeffizienten zur Entmischung der Anteile der ausgewählten Kanäle an der Gesamtantwort.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass M = N.

4. Computerimplementiertes Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten, die durch ein Messinstrument erzeugt wurden, welches in N Kanäle aufgeteilt ist, aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: a. Bereitstellen von Messdaten y(x), die zumindest mit einer Auswahl der N Kanäle des Messinstruments in einem sich zwischen den ausgewählten Kanälen überschneidenden Bereich von x gemessen wurden; b. Auswählen eines Wertes xy aus dem sich überschneidenden Bereich von x; c. Ermitteln von den jeweiligen Anteil der ausgewählten Kanäle an der bei xy_m erfassten Gesamtantwort y_tot(xy_,m) quantifizierenden Koeffizienten; d. Wiederholen der Schritte b. und c. für M Werte { /_,m}_m=i

5. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Verfahrensschritt d. folgender Verfahrensschritt anschließt: e. Erstellen der Koeffizientenmatrix enthaltend die in den Verfahrensschritten c. und d. ermittelten Koeffizienten zur Entmischung der Anteile der ausgewählten Kanäle an der Gesamtantwort.

6. Vorrichtung zur Datenverarbeitung, umfassend Mittel zur Ausführung des computerimplementierten Verfahrens nach Anspruch 4 oder 5.

7. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 auszuführen.

8. System zur Analyse einer Probe, aufweisend ein in N Kanäle aufgeteiltes Messinstrument zur Erfassung von Daten der Probe und einen Prozessor, der mit dem Messinstrument über einen Kommunikationslink verbunden ist, wobei das System das Verfahren zur Analyse einer Probe anhand von Daten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 oder das computerimplementierte Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5 ausführt.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messinstrument ein Spektrometer ist.

10. Verwendung der mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 ermittelten Koeffizienten oder der mittels des Verfahrens nach Anspruch 2 ermittelten Koeffizientenmatrix oder der mittels des computerimplementierten Verfahrens nach Anspruch 4 ermittelten Koeffizienten oder der mittels des computerimplementierten Verfahrens nach Anspruch 5 ermittelten Koeffizientenmatrix für eine chemometrische Kalibrierung.