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 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

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.