Spektroskopie und Chemometrie Neuigkeiten Wöchentlich #48+49, 2016

Leider ist der Eintrag nur auf English verfügbar.

Arbeitsweisen zur NIR Kalibrierung – Erstellung von NIRS-Spektroskopie Kalibrierungskurven

Kennen Sie den Effekt, dass Sie bevorzugt ihre Lieblings-Datenvorbehandlungen in Kombination durchprobieren und oft die gleichen Wellenlängen-Selektionen anhand der visualisierten Spektren ausprobieren?

Man probiert z.B. sechs bis zehn Kombinationen aus, bis man davon sein favorisiertes Kalibrationsmodell auswählt, um es dann weiter zu optimieren. Da fallen dann plötzlich Ausreisser (Outlier) auf, weil man in die Tiefe geht, also mit den Daten vertraut ist, man kennt mittlerweile die Spektren-Nummern der Ausreisser und ist mit den Extremwerten vertraut.

Jetzt fokussiert man sich auf die Hauptkomponenten (Principal Components, Latent Variables, Faktoren) und achtet darauf nicht zu über-fitten und nicht zu unter-fitten. Das ganze dauert ein paar Stunden und schliesslich begnügt man sich mit dem gefundenen Modell.

Was wäre nun, wenn man in all den zu Beginn ausprobierten Varianten, die gefundenen Ausreisser entfernt und nochmals berechnet und vergleicht? Wären die Ergebnisse besser als die von der bisherigen Modell Wahl? Man probiert es nicht aus? Weil es mühsam ist und wieder Stunden dauert?

Wir haben eine Software entwickelt die dies so vereinfacht, dass auch die Anzahl der Modell Variationen beliebig erhöht werden kann. Die Varianten Erzeugung läuft automatisiert mit einem intelligenten Regelsystem, so auch die Optimierung und das Vergleichen der Modelle und schliesslich die finale Auswahl des Besten Kalibrations Modell.

Unsere Software beinhaltet alle üblichen bekannten Datenvorbehandlungs Methoden (Preteatments) und kann diese sinnvoll kombinieren. Da viele Preteatments direkt abhängig sind von der Wellenlängen Selektion, so z.B. die Normalisierungen die innerhalb eines Wellenlängen-Bereiches die Skalierungsfaktoren ermittelt, um die Spektren damit zu normieren, werden die Pretreatments mit dem Wellenlängen-Bereichen kombiniert. So kommt eine Vielzahl von sinnvollen Modell Einstellungen zusammen die alle berechnet und optimiert werden.

Für die automatische Auswahl der relevanten Wellenlängen Bereiche kommen verschiedene Methoden zum Einsatz, die sich an den Spektren Intensitäten orientieren. So werden z.B. Bereiche mit Totalabsorption nicht verwendet, oftmals störende Wasserbanden entfernt oder beibehalten.

Über all die berechneten Modell Variationen können so zusammenfassende Outlier Analysen gemacht werden. Werden durch die gefahrenen Versuche neue Outlier (Hidden Outlier) entdeckt, können alle bisherigen Modelle automatisch ohne diese Ausreisser nachberechnet, optimiert und verglichen werden.

Aus dieser Vielzahl berechneter Modelle mit deren Statistischen Güte Bewertungen (Prediction Performance) kann nun die optimale Kalibration ausgewählt werden. Dazu wird nicht einfach nach dem Vorhersage Fehler (Prediction Error, SEP, RMSEP) oder nach dem Bestimmtheitsmaß (Coefficient of Determination r2) sortiert, sondern mehrere Statistik- und Testwerte gemeinsam zur umfänglichen Beurteilung der optimalen Kalibration herangezogen.

Somit haben wir eine Plattform geschaffen, die es ermöglicht hochgradig automatisiert das zu tun, was ein Mensch niemals mit einer handelsüblichen Software tun kann.

Wir bieten damit die grösste Anzahl auf Ihr Applikations-Problem angepasste Modellierungs-Berechnungen und wählen die beste Kalibration für Sie aus!

Das heisst, unsere Ergebnisse sind schneller, genauer, robuster und objektiv ausgewählt (Personen unabhängig) und für Sie ganz einfach anzuwenden.

Die Kontrolle über die von uns gelieferten Modelle haben Sie vollumfänglich, denn wir liefern einen klar strukturierten und detaillierten Bauplan der  kompletten Kalibration, mit allen Einstellungen und Parametern, mit allen notwendigen Statistischen Kenngrössen und Grafiken.

Anhand dieses Bauplans können Sie das quantitative Kalibrations Modell selbst in der von Ihnen verwendeten Software nachstellen, nachvollziehen und vergleichen. Sie haben so alles im Griff, für die Modell-Validierung und die Modellpflege.

Der Datenschutz ist uns sehr wichtig. Die NIR Daten, die Sie uns für die Kalibrations-Erstellung kurzzeitig zu Verfügung stellen bleiben selbstverständlich Ihr Eigentum. Ihre NIR Daten werden nach Abschluss des Auftrags bei uns gelöscht.

Interessiert, dann zögern Sie nicht uns zu kontaktieren.

NIR Spectroscopy Calibration Report for quantitative predictive models

When you send your quantitative NIR spectra data to our NIR Calibration Model Service, you get a detailed calibration report (calibration protocol) of the found optimal calibration settings, so you are able to see all insights and easily re-build the model in your NIR/Chemometric software.

Here is a part of our calibration report, that exactly describes the data used in the calibration set (CSet), the validation set (VSet) and the test set (TSet). The numbers are the number ids of the spectra in your delivered NIR data file.


The calibration method settings and parameters are
Waveselection : the variable selection or wavenumber selection or wavelength selection
Pretreatments : the spectral data pre-processing
PCs : the number of Principal Components (PC) or Latent Variables (LV)
Method : the modeling method algorithm used, e.g. PLS

Then the statistical analysis of the PLS model by the different sets (CSet, VSet, Tset).

Calibration Report

Statistical analysis of calibration, validation and test results : 1 Name, 2 Unit, 3 N : number of spectra, 4 N : number of samples, 5 Average spectra count per sample, 6 Reference values, 7 Min, 8 Mean, 9 Median, 10 Max, 11 Standard deviation, 12 Skewness : left (-) or right (+) lack of symmetry, 13 Kurtosis : flat (-) or peaked (+) shape, 14 Model statistics, 15 RPD, 16 R², 17 RMSEC, RMSEP, RMSET : root mean square of prediction errors, 18 SEC, SEP, SET : standard error (bias corrected), 19 Bias, 20 Skewness of prediction errors, 21 Kurtosis of prediction errors, 22 Intercept, 23 Slope, 24 Intercept (reverse), 25 Slope (reverse), 26 Sample Prediction Repeatability Error, 27 Sample Prediction Repeatability Error (of Missing data MSet)

This shows how we deliver the optimal settings. With the statistical values, the NIR model predicted values of all spectra and additional plots you are able to compare with your re-built model to verify that the models perform nearly equally.

Angepasste NIR Kalibrationen

Steigern Sie Ihren Gewinn mit optimierter NIR Genauigkeit


Wir helfen Ihnen, die optimalen Einstellungen für eine höhere NIR Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu finden.

Sie können Ihre eigenen NIR-Kalibrierungs Modelle mit diesen optimierten Einstellungen erzeugen.

Wir bieten einen quantitative NIR-Kalibrierung und Optimierungs Service.

Neu: White Paper (English) über die Details, was dahinter steckt.


NIR Messgenauigkeit Verbessern

  • näher an Ihre Produkt Spezifikationsgrenzwerte gehen und Rentabilität maximieren
  • Optimierung Ihrer Modelle ergeben eine Prozessoptimierung und Optimierung der Produktivität
  • Wettbewerb gegen andere NIR-Anbieter in einer Machbarkeitsstudie

Einfach anzuwenden

  • kompatibel mit jedem NIR Anbieter
  • keine Installation, kein Lernen
  • quantitative NIR Calibration Development as a Service

Sicherheit

  • hilft häufige Fehler bei der Methodenentwicklung zu vermeiden
  • bevor Sie Ihre Lösung validieren und freigeben für den Einsatz in der Produktion:
    • überprüfen Sie ob eine bessere Kalibrierung gefunden werden kann
    • vergleichen Sie Ihre Kalibrierung mit Lösungen anderer Experten

Geschwindigkeit

  • keine umständliche Versuch-und-Irrtum Modellierungs Schritte
  • Rechenzeit auf unseren Hochleistungs-Infrastruktur auslagern
  • schnelle Ergebnisse, Kalibrierungen innerhalb weniger Tage entwickelt

Festpreisangebote

  • Fixkosten, hängt nur von Datengröße ab (nicht Stundensatz für Service)
  • enorme Einsparung bei den Methodenentwicklungs Kosten
  • einfach zu planen
Mehr Vorteile, für wen und wo, erfahren Sie mehr, Kontakt

NIR Spektroskopie und Chemometrie Umfragen, Erhebungen und Wertungen (Teil 3)

10. NIR in Supply Chain Where in the supply chain are your NIR instruments located? 11. NIR Usage How long has your company used NIR spectroscopy? 12. NIR instruments How many NIR instrument units are in use in your company? 13. NIR Mobile How much is the mobile hand-held percentage of total NIR devices in your company? 14. Calibration Source How do you get the NIR Calibrations developed? 15. Calibration Training How often do the operators get training about NIR Spectroscopy and Chemometrics? 16. NIR PreCalibrations How many NIR Pre-Calibration, NIR factory calibrations or NIR starter calibrations have you in use? 17. Calibration Spectra How many Spectra does your quantitative Calibration have in average? Please vote and see the assessments below. Part 1, Part 2
NIR in Supply Chain
Where in the supply chain are your NIR instruments located?
NIR Usage
How long has your company used NIR spectroscopy?
NIR instruments
How many NIR instrument units are in use in your company?
NIR Mobile
How much is the mobile hand-held percentage of total NIR devices in your company?
Calibration Source
How do you get the NIR Calibrations developed?
Calibration Training
How often do the operators get training about NIR Spectroscopy and Chemometrics?
NIR PreCalibrations
How many NIR Pre-Calibration, NIR factory calibrations or NIR starter calibrations have you in use?
Calibration Spectra
How many Spectra does your quantitative Calibration have in average?
Part 1, Part 2

NIR Kalibrationsentwicklung

Die Mehrheit der NIR Kalibrierungen werden unter Verwendung einer kleinen Anzahl von verschiedenen Parametereinstellungen erzeugt und allzu oft eingeschränkt durch die zu Verfügung stehende Zeit die ein Benutzer hat, deren spektroskopisches und chemometrisches Fachwissen und die Fähigkeit (mühsames bedienen der Software) alle möglichen Parametereinstellungen zu wählen und zu kombinieren, die für gute Kalibrierungen erforderlich sind.

Es gibt viele veröffentlichte Normen und Richtlinien (Protokolle) für die Entwicklung von NIR-Kalibrierungen von Normierungsbehörden wie ASTM, EMEA, ICH, IUPAC, ISO, USP, PASG etc. sowie viele gute Empfehlungen und Richtlinien die in verschiedenen Lehrbüchern und Fachbeiträgen gefunden werden können.

Die Schwierigkeit mit so vielen ‘Protokollen’ für den NIR Benutzer besteht darin, dass sie alle verfügbar und in ihren Denkprozessen präsent sind während der Kalibrierungs Arbeit und zusätzlich beim Ausführen, Überprüfen und Bewerten aller manuell erzeugten Kalibrierungen. Dies ist zeitaufwendig und manchmal langweilig wiederholende Arbeit.

Um dies für die Person die NIR-Kalibrierung entwickeln zu vereinfachen, haben wir die guten Praktiken Protokolle gesammelt und sie in unseren Service integriert, der die Kalibrierungs Erstellung und das Evaluierungsverfahren automatisiert.

zu Teil 2

NIR Spektroskopie und Chemometrie Umfragen, Erhebungen und Wertungen (Teil 2)

5. Calibration Precision

Was glauben Sie, können NIR-Kalibrierung Modelle genauer sein als die Referenzwerte?

6. Calibration Maintenance

Wie oft aktualisieren Sie Ihre quantitative Kalibrierungen pro Jahr?

7. Quantitative Calibrations

Wie viele quantitative (%) Kalibrierungen haben Sie im Einsatz?

8. Quantitative Parameters

In allen Ihrer quantitative Kalibrierungen, wie viele Parameter (Eigenschaften) haben Sie insgesamt?

9. Qualitative Calibrations

Wie viele qualitative (Identifikation) Kalibrierungen haben Sie im Einsatz?

Bitte stimmen Sie und sehen Sie die Einschätzungen unten.

Calibration Precision
What do you believe, can NIR calibration models be more accurate than reference method?
Calibration Maintenance
How often do you update your quantitative calibrations per year?
Quantitative Calibrations
How many quantitative (%) calibrations do you have in use?
Quantitative Parameters
In all your quantitative calibrations, how many parameters (properties) you have in total?
Qualitative Calibrations
How many qualitative (identification) calibrations do you have in use?

Teil 1

Wozu wird eine NIR-Kalibrierung verwendet?

NIR Kalibrationen werden zur NIR Inhaltsanalyse als produktive analytische Methode verwendet. Das ist ein zweistufiges Verfahren.

  • Erstens wird mit einem NIR-Spektrometer eine zerstörungsfreie optische Abtastung einer Probe vorgenommen, das ein gemessenes Spektrum innert Sekunden liefert.
  • Zweitens kann ein NIR-Kalibrierungs Modell eine quantitative Vorhersage (analysieren, bestimmen, schätzen) von mehreren Bestandteilen, Inhaltsstoffen, Inhalten, Analyten, Assay, API und andere Parameter und Attribute (chemische, physikalische, biologische, biochemische, sensorisch) zusammengefasst Eigenschaften, aus einem einzigen Spektrum innert Millisekunden liefern.

Die NIR-Analyse ist eine sehr schnelle, zerstörungsfreie Analyse-Methode, die

ein Ersatz oder Ergänzung langsamer Methoden sein kann, wie nasschemische Analyse, Chemielabor, sensorischen Panels oder Rheologie (Viskosität).

Oder eine NIR Kalibration öffnet die Tür zu neuen Möglichkeiten der Analytik, Qualitätssicherung und Prozesskontrolle, durch die neu Entwicklung von Kalibrationsmodellen für Parameter die unmöglich scheinen, weil sie auf die menschliche Wissen, Erfahrungswerten oder sensorische, wie Geschmack Bewertung beruhen.

Wenn Sie eine NIR-Instrument besitzen, dann können Sie Ihre Proben systematisch vermessen und damit Ihre eigene Kalibrierung Modelle entwickeln.

Was sind vorentwickelte NIR Vor-Kalibrierungen?

Es gibt eine Menge von Begriffen, die das gleiche bedeuten, Vorkalibrierung oder NIR-Starter-Kalibrierung oder vorgefertigte Kalibrierung oder vorinstallierte Kalibrierung oder Kalibrierung Paket oder vorentwickelte Kalibrierungen oder NIR Vorkalibrierung oder globale Kalibrierungen oder NIR Global Kalibrations Paket oder lokale Kalibrierungen oder ready-to-use NIR-Kalibrierungen oder Werkskalibrierungen oder Starter Kalibrierung oder Kalibrierungen von der Stange oder werkseitig kalibriert oder vorberechnete Modelle oder Start-up-Kalibrierungen Kalibrierungsgleichungen oder vorgefertigte NIR-Kalibrierungen oder Kalibrierungs Bibliothek oder mathematisches Modell. Es sind Kalibrierungs Modelle, die bereitgestellt und entwickelt wurden von einem Kalibrierungs Spezialisten. Diese haben eine Menge von Proben über Jahre gesammelt und mit NIR vermessen und mit Referenzmethoden analysiert. Die NIR-Spektren werden dann gegen die Referenzwerte kalibriert. Dies nennt man eine NIR-Kalibrierung oder Eichungs-Modell oder manchmal Kalibrierkurve oder Kalibrierungsgleichung. Normalerweise wird eine Vorkalibrierung als Datei die kompatibel zur verwendeten NIR-Analyse-Software geliefert. Eine solche Kalibrierung Datei enthält weder die Spektren noch die Referenzwerte.

Also wie kann das funktionieren?

Das einzige was die Datei enthält ist eine Beschreibung, wozu es verwendet wird (z.B. Eiweiß in Futtermitteln) und das Chemometrische Modell, repräsentiert als gespeicherte Liste von Vektoren und Matrizen. Sie können diese nicht zu visualisieren, es ist eine Black-Box-Datei. Sie haben keinen Einblick, wie die Kalibrierung erfolgt ist, wie die Einstellungen sind, wie die Vorhersage Leistung ist. Sie können die Kalibrierung nicht mit Ihren Daten erweitern um sie Ihrem Produkt oder Spezialitäten anzupassen. Meistens sind die Pre-Kalibrierung Dateien geschützt, so können Sie es nur mit einer kostenpflichtigen Lizenz mit der Software Nutzen oder sogar auch nur auf einem bestimmen Instrument z.B. via Serien-Nummer. Dies sind einige (nicht so bekannte) Beschränkungen. Aber solche Starter-Kalibrierungen sind sehr nützlich, um einen schnellen und einfachen Start mit einem neuen NIR-Spektrometer zu haben. Das ist der Hauptgrund, warum Vor-Kalibrierungen zur Verfügung stehen. Der zweite Grund ist, weil eine Sammlung von Spektren wiederverwendet werden kann, um solche Vor-Kalibrierungen zu bauen.

Die Zukunft vorhersagen?

Sind sehr alte Spektren nützlich, die Zukunft vorherzusagen? Um ein Kalibrierungs Modell mit neu gesammelten Daten anzupassen, wächst die Kalibrierung und enthält immer mehr und mehr Redundanz. Das heisst, sie besteht aus sehr ähnlichen Spektren aus dem gleichen Konzentrationsbereich. Also welche Spektren können entfernt werden, um die Kalibrierung zu verbessern? Sie stellen sich diese Frage vielleicht nicht, weil Sie oft hören, dass je mehr Spektren in ein Modell aufgenommen werden, desto besser wird es sein. Warum einige Spektren entfernen?
  • Nicht benötigte Redundanzen
  • Macht die Kalibrierung kleiner und weniger komplex
  • Passt die Kalibrierung besser an die aktuelle jetzige Situation und der nahen Zukunft an
  • Entfernen von längst vergangenen Saison Daten bei natürlichen Produkten, weil die Natur sich verändert
  • Und natürlich schlechte Ausreißer entfernt werden sollten

Benutzerdefinierte NIR Kalibrierung

Bauen Sie Ihre eigenen Kalibrierungen die perfekt angepasst sind an die spezielle Probenmatrix Ihrer Produkte und die von Ihnen bevorzugten Rohstoffe von Ihren lokalen Zulieferern. Die Natur wächst unterschiedlich, je nach geographischer Region, durch die Jahreszeiten und von Jahr zu Jahr. Wie Sie wissen, ist NIR-Spektroskopie keine absolute Methode, darum muss man darüber nachdenken, diese aktuellen wechselnden Effekte in Ihre Modelle zu kalibrieren. Wenn Sie die Spektren und die Referenzwerte besitzen dann sind Sie in der Lage, Ihre eigenen Kalibrierungs Modelle zu bauen und zu re-kalibrieren wenn nötig. So haben Sie die volle Kontrolle über Kalibrations Updates (auch als bewegte Modelle bekannt).

Schlussfolgerung

Ein NIR-Gerät kann nur NIR-Spektren messen. Also die Nützlichkeit von NIR kommt mit den Kalibrierungen. Das ist sehr wichtig zu wissen beim Kauf eines solchen Instruments. Für einen schnellen Start können Sie vorgefertigte Kalibrierungen verwenden. Gute zuverlässige Kalibrierungen werden von Drittanbietern zu  relativ hohen Preisen angeboten, im Bereich eines günstigen NIR-Instruments! Um erfolgreich voranzukommen wird dringend empfohlen, Ihre eigene Multivariate Kalibrierung mit Ihren eigenen Daten von Ihren eigenen Produkten zu entwickeln, vor allem bei Verwendung von natürlichen Rohstoffen. Daher müssen Sie das nötige Wissen über Chemometrie, Multivariate Analysis (MVA), Spektroskopie und der verwendeten Software erlangen um gut optimierte Kalibrierungen erstellen zu können. Es lohnt sich eigene Kalibrationen zu erstellen, denn so können Sie auch Produkt Eigenschaften kalibrieren, die nicht mit den angebotenen Pre-Kalibrationen abgedeckt sind.

Was ist NIR-Spektroskopie? (einfache Erklärung, einfach erklärt)

In den meisten Fällen leuchtet eine gewöhnliche Halogen Lampe deren harmlose Strahlung auch den Nah-Infrarot (NIR) Bereich beinhaltet auf die Probe und das reflektierte Licht wird gemessen. Das Licht verliert etwas Energie an und in der Probe, abhängig von deren physikalischen Beschaffenheit und chemischen (Molekular) Struktur. Der fehlende Teil des Lichts ergibt ein Fingerabdruck der Probe, der mathematisch analysiert wird mittels vorgefertigten NIR Kalibrationsmodellen (erzeugt mit chemometrischen Methoden) basierend auf bekannten Proben. Dies ermöglicht es, gleichzeitig mehrere physikalische- und chemische Eigenschaften (Bestandteil, Zutaten,  Analyt) innert wenigen Sekunden und für die Proben zerstörungsfrei zu bestimmen.