INFORMATION DEUX/13 ÉDITION SPÉCIALE NIRS. Solutions en spectroscopie proche infrarouge par Metrohm NIRSystems. Théorie de la spectroscopie NIR

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1 INFORMATION DEUX/13 ÉDITION SPÉCIALE NIRS Solutions en spectroscopie proche infrarouge par Metrohm NIRSystems Théorie de la spectroscopie NIR Instruments NIR et logiciel pour le laboratoire et le process Applications NIRS et domaines d utilisation

2 02 Chère lectrice, cher lecteur, Depuis ma fenêtre, j aperçois la silhouette du mont Säntis qui émerge progressivement. Cette montagne a une ligne très caractéristique et tout le monde en Suisse orientale reconnaît immédiatement son contour. Lorsqu un échantillon est exposé à la lumière d une gamme de longueurs d onde définie, une portion de cette lumière est absorbée. Si le spectre restant ressemble à une chaîne montagneuse des Alpes, il y a de fortes chances qu il s agisse d un spectre NIR (NIR = nearinfrared, proche infrarouge). La lumière dans la gamme de longueurs d onde NIR déclenche une vibration des molécules selon un moment dipolaire variable (molécule asymétrique) ou inductible, avant d être absorbée lors du processus. Les substances pures présentent des spectres très caractéristiques. Si ces substances sont diluées ou d une moins grande pureté, ces spectres se modifient. L apparition d un nouveau pic à côté du Säntis attirerait grandement l attention... Prenons un exemple concret : le médicament sur la table de nuit, est-il de l aspirine ou du glucose? Le spectre NIR recèle cette information. Quelle est la teneur en eau de l aspirine : 5, 10 voire 15 %? Le spectre NIR donne la réponse. La spectroscopie NIR est une méthode spectroscopique parmi de nombreuses autres, et dispose de plusieurs avantages : elle fournit une réponse rapide aux questions analytiques, car cette mesure demande moins d une minute. Elle ne requiert ni réactif supplémentaire ni chimie par voie humide, car la mesure des échantillons se fait de manière directe et non-destructive. La mesure est très simple et peut même être réalisée par un personnel non qualifié : «n importe qui peut faire de la spectroscopie NIR!». Comme toutes les méthodes analytiques, la spectroscopie NIR a ses limites : de nombreuses substances n absorbent pas dans la gamme proche infrarouge et les limites de détection sont généralement supérieures à celles des méthodes traditionnelles de chimie par voie humide. De plus, la calibration est complexe et l interprétation des spectres est difficile pour l analyse des mélanges de substances. La méthode la plus adaptée doit être choisie en fonction de l analyse en question : la spectroscopie NIR offre de nouvelles possibilités d analyse et peut identifier les propriétés physiques et chimiques d un échantillon. Il faut souvent combiner plusieurs méthodes pour atteindre l objectif fixé ; le système NIR est souvent calibré par titrage ou par chromatographie ionique. Alors, pourquoi utiliser la spectroscopie NIR de Metrohm? La nouvelle gamme de produits «Metrohm NIRSystems» étend notre offre d équipements d analyse, proposant ainsi au client de nombreux avantages. Avec la spectroscopie NIR, Metrohm investit dans une méthode rapide et pratique qui ne requiert aucun produit chimique et satisfait aux principes d une «chimie verte» et durable comme le revendique l Agence pour la protection de l environnement américaine (EPA). Mais Metrohm ne peut pas faire surgir une nouvelle méthode analytique d un simple coup de baguette magique. C est pourquoi Metrohm a constitué une alliance stratégique avec FOSS, une société scandinave disposant de dizaines d années d expérience dans la spectroscopie. Metrohm est dorénavant le distributeur exclusif mondial des dispositifs de spectroscopie NIR de FOSS pour Éditorial

3 03 l industrie chimique, pétrochimique et pharmaceutique, ainsi que pour la formation et l analyse environnementale. Par cette alliance, FOSS pourra encore mieux concentrer ses activités sur les marchés de l agro-alimentaire. Outre les appellations Metrohm, Metrohm Applikon et Metrohm Autolab, vous verrez dorénavant également apparaître la marque «Metrohm NIRSystems designed by FOSS». Nous sommes votre partenaire expert en matière de solutions pour relever tous vos défis analytiques, que ce soit en laboratoire ou pour les process de production industrielle. J espère que vous apprécierez cette édition spéciale de Metrohm Information, avec ses nombreux détails intéressants sur les nouvelles méthodes développées par la société. Dr Kai Henning Viehweger Directeur des ventes et marketing du groupe Metrohm INFORMATION

4 04 Table des matières ArOH RNH2 ArOH RNH2 ArOH CONH2 RNH2 ArCH RNHR ArCH ArCH CONHR ArCH SH CH CH CH CH CH CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH ,100 1,300 1,500 1,700 1 Longueur d'onde [nm] Éditorial Spectroscopie NIR 02 Introduction Histoire et importance de la spectroscopie NIR 05 Théorie une première approche Interaction de la lumière et de la matière physique 06 Oscillateur harmonique et anharmonique 07 Implications pour la spectroscopie NIR 07 NIRS, MIR et Raman 08 Techniques de prétraitement des données et de réduction des données 09 Instruments et logiciel Vision Systèmes d analyse de laboratoire et atline 12 Systèmes d analyse en ligne 16 Logiciel Vision 19 Applications Nouvelles «Application Notes» et «Application Bulletins» de Metrohm 20 Standards Pharmacopées et normes internationales 22 Secteurs industriels pour la spectroscopie NIR Biotechnologie ; chimie ; formation, R&D ; pétrochimie ; pharmaceutiques ; polymères ; papier et pâte à papier ; textiles ; autres 24 Nouveau : autres applications et version électronique La version électronique de notre magazine client Metrohm Information et les archives de toutes les éditions de 2005 à 2013 sont disponibles sur Table des matières

5 Introduction 05 Une partie des participants à la formation NIRS qui s est tenue à Herisau en mars 2012 De nombreux instruments pour la spectroscopie proche infrarouge (spectroscopie NIR (near infrared) ou NIRS (near-infrared spectroscopy) sont venus s ajouter au portefeuille de produits Metrohm. Les clients bénéficient ainsi d un choix encore plus vaste pour trouver la solution parfaite à leurs besoins d analyse en laboratoire comme en production. Pour pouvoir offrir les solutions de spectroscopie NIR à la pointe de la technologie, Metrohm a conclu une alliance stratégique avec le fabricant danois FOSS. Tandis que Metrohm devient l unique distributeur au niveau international des instruments de NIRS de FOSS pour l industrie chimique, pétrochimique, pharmaceutique et environnementale, FOSS peut concentrer ses activités sur l agro-alimentaire. Les deux sociétés renforcent de cette manière leur position de leader sur leurs marchés respectifs. La filiale américaine FOSS NIRSystems devient Metrohm NIRSystems et la société FOSS continuera de produire les instruments et les logiciels pour Metrohm NIRSystems, ce qui lui permettra de bénéficier du puissant programme de R&D de FOSS en technologie NIR. Dans cette édition spéciale de Metrohm Information, vous allez découvrir ce qu est exactement la spectroscopie NIR, quelles sont les applications qui peuvent vous être utiles et quelles solutions vous pouvez vous procurer auprès de Metrohm. Commençons par quelques considérations générales concernant cette «nouvelle» méthode d analyse. Histoire et importance de la spectroscopie NIR La spectroscopie proche-infrarouge est une technique d analyse polyvalente. Elle a été utilisée pour la première fois par le département américain de l agriculture (USDA) vers le milieu des années 60 afin de détecter les propriétés internes des pommes qui étaient à l époque ravagées par une maladie dévastatrice, appelée «maladie vitreuse». Depuis ces prémices, la spectroscopie NIR est devenue une méthode courante, permettant de réaliser des analyses rapides et non-destructives sur une grande variété de matrices dans de nombreux secteurs industriels. Dans l industrie pharmaceutique et chimique, l analyse NIR a été implémentée avec succès depuis près de 30 ans maintenant. Les applications initiales se concentraient sur les tests de matières premières. Plus récemment, l attention s est tournée vers l analyse de formules solides et liquides pour le contrôle qualité des produits finis et le contrôle en cours de production (IPC, in-process control) pour les opérations de fabrication. La spectroscopie NIR est d ailleurs un outil spectroscopique majeur pour le PAT (process analytical technology), un cadre réglementaire publié par la FDA (Food and Drug Administration, l administration américaine de contrôle des médicaments et denrées alimentaires) pour l industrie pharmaceutique. Pour l inspection des matières premières, les échantillons sont scannés tels qu ils sont reçus et l identité et la qualité des substances sont confirmées sur la base d algorithmes de reconnaissance des spectres. En tant qu outil de mesure et de test en cours de production, la spectroscopie NIR (associée aux techniques de régression statistique) fournit des informations chimiques presque en temps réel pour le contrôle des processus de production de produits chimiques et les systèmes de récupération de solvants ainsi que pour les opérations de séchage, de mélange et d extrusion. Afin de s assurer que la stratégie d analyse la mieux appropriée est mise en œuvre et que des méthodes NIR robustes sont développées, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques optiques de l échantillon, la sensibilité et sélectivité de l analyte au même titre que les exigences de production et de contrôle. Bandes spectrales NIR et bandes d absorption La spectroscopie proche infrarouge est basée sur l absorption mesurée dans la région proche de l infrarouge du spectre électromagnétique ( nm ou cm -1 ), qui s étend de l extrémité du domaine spectral visible au domaine de l infrarouge moyen (MIR, mid-infrared). Les bandes d absorption fondamentales des groupes fonctionnels de substances chimiques sont situées dans la région MIR et sont très puissantes. Afin d abaisser les absorbances à la gamme linéaire d un détecteur, il faut utiliser des longueurs de trajet très faibles ou des échantillons dilués. Aucune préparation de l échantillon n est nécessaire lorsqu on utilise les bandes d absorption de combinaison plus faibles ou les bandes dites d absorption harmoniques de ces bandes fondamentales. Elles se situent dans le domaine NIR du spectre. INFORMATION

6 06 Théorie première approche Des appellations telles que «spectroscopie vibrationnelle harmonique» et «spectroscopie vibrationnelle anharmonique» illustrent à quel point la théorie NIRS est loin d être simple. Bien que l étude de l ensemble des bases théoriques de la spectroscopie vibrationnelle dépasse les objectifs de cette édition spéciale NIRS, il est impératif d aborder certains principes de base qui faciliteront l interprétation des spectres. Interaction de la lumière et de la matière physique La spectroscopie utilise la lumière, c est à dire le rayonnement électromagnétique, à fi n d analyse des matériaux par la description du transfert d énergie entre la lumière et la matière physique. L énergie d un seul photon (la particule de lumière) est défi nie de la façon suivante : (Éq 1) Constante de Planck en m 2 kg/s Fréquence de la lumière en s -1 Vitesse de la lumière en m/s Longueur d onde de la lumière en m Nombre d ondes de la lumière en m -1 Généralement, les nombres d ondes sont indiqués en cm -1. Pour convertir la longueur d onde en nombres d ondes, la réciproque de la longueur d onde en nm est multipliée par Éq 1 indique que plus la longueur d onde est courte, plus le nombre d ondes est important et l énergie du photon, grande. Le spectre électromagnétique est divisé en plusieurs domaines. Chaque domaine correspond à un type spécifi que de molécule ou de transition atomique, par conséquent, à une technique spectroscopique spécifi que. Les rayons gamma et X qui ont des longueurs d onde de l ordre du pm et du nm faible sont très nocifs, car ils rompent les liaisons chimiques et ionisent les molécules. Le rayonnement UV couvre le domaine nm et le rayonnement visible (VIS), le domaine nm. L absorption des photons dans le domaine UV/VIS transfère les électrons des orbitales moléculaires de basse énergie aux orbitales moléculaires de haute énergie et le retour à l état de base se traduit par une fl uorescence. Le rayonnement appelé «proche infrarouge» défi nit le domaine entre 780 et 2500 nm environ. Les molécules peuvent absorber la lumière infrarouge sans réémission ultérieure par l excitation de certaines fréquences vibrationnelles. L échantillon absorbe les fréquences de la lumière polychromatique qui correspond à ses transitions vibrationnelles moléculaires. Théorie

7 r-r e Force 07 Oscillateur harmonique le cas idéal Ces vibrations moléculaires peuvent être décrites comme le système vibrant le plus simple en utilisant le modèle physique classique de l oscillateur harmonique diatomique. Deux masses vibrantes reliées par un ressort à une constante de force donnée génèrent des variations de la distance internucléaire. En combinant la loi de Hooke à la loi de la force de Newton, la fréquence vibrationnelle correspond à : (Éq 2) Selon la loi de Hooke, l énergie du potentiel V de l oscillateur harmonique est une fonction quadratique du déplacement des atomes vibrants. La fonction parabolique est symétrique au niveau de la longueur d équilibre des liaisons r e. (Éq 3) Fréquence de liaison de la bande d absorption Constante de force de la liaison Masse réduite des atomes liés Énergie potentielle Distance internucléaire Distance internucléaire à l état d équilibre Déplacement des atomes vibrants Les considérations de mécanique quantique en utilisant l équation de Schrödinger permettent seulement des transitions entre des niveaux d énergie proches et équidistants. La condition préalable à l absorption d un photon de lumière est que la fréquence du photon de lumière soit égale à la différence d énergie entre deux états vibrationnels de la liaison. Mais l absorption d énergie requiert également bien d autres conditions. Absorption d énergie selon la théorie de la résonance Selon la théorie de la résonance, un moyen de transférer correctement l énergie vers la molécule doit être trouvé (par ex. en exerçant un contact physique). Pour les vibrations moléculaires, ce transfert s opère par le biais de la polarité moléculaire, c est-à-dire que l interaction du rayonnement infrarouge avec une molécule en vibration intervient uniquement lorsque la vibration est accompagnée d un changement du moment dipolaire μ. Selon Éq 4, seules les molécules hétéronucléaires et diatomiques présentent des transitions (vibrationnelles-spectrales) entre les photons de la lumière et les vibrations moléculaires. L atome d hydrogène est l atome le plus léger. De ce fait, les liaisons avec l hydrogène présentent les plus grandes vibrations (C H, N H, O H, et S H). Toutefois, aussi bon que soit le modèle d oscillateur harmonique, il ne réussit pas à décrire la réalité de bien des façons. Oscillateur anharmonique la réalité Au sens du modèle d oscillateur harmonique, des énergies infi nies peuvent être stockées dans la molécule sans rupture des liaisons. L expérience montre toutefois que toutes les molécules se dissocient, si seulement suffi - samment d énergie est appliquée et que la liaison vibrante est étendue. De plus, de puissantes forces de répulsion sont observées lorsque les atomes sont compressés les uns contre les autres. En raison de cette anharmonicité mécanique, c est-à-dire la dissociation des liaisons et la répulsion coulombienne, le modèle classique avec boules et ressorts doit être revu. De plus, l anharmonicité autorise des transitions entre des états énergétiques non-contigus où Δv = ± 2, 3,... De plus, les niveaux d énergie vibrationnelle ne sont plus équidistants et les différences d énergie diminuent à mesure que le nombre quantique v augmente. Implications pour le NIRS Pour résumer, l occurrence et les propriétés spectrales des bandes d absorption NIR sont, en dehors de la variation du moment dipolaire, dues à une anharmonicité mécanique importante des atomes vibrants. Cela se traduit par des transitions harmoniques qui correspondent à des nombres quantiques supérieurs à un et qui apparaissent comme des multiples de la fréquence vibrationnelle fondamentale. Les transitions harmoniques apparaissent entre 780 et 2000 nm environ. La première harmonique et les harmoniques supérieures sont bien moins probables que la fréquence vibrationnelle fondamentale. C est la raison pour laquelle les bandes sont plus faibles. des modes de combinaison qui apparaissent dans les molécules polyatomiques où plusieurs modes vibrationnels interagissent. Ils sont la somme des multiples de chaque fréquence en interaction. Leurs bandes d absorption apparaissent entre 1900 et 2500 nm. les états énergétiques non-équidistants d une vibration. Les transitions permises deviennent donc plus faibles en énergie. (Éq 4) Oscillateur harmonique Dissociation Énergie potentielle Oscillateur anharmonique Distance interatomique Distance internucléaire

8 Domaine de la deuxième harmonique Domaine des bandes de combinaison Domaine de la troisième harmonique Domaine de la première harmonique H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O 08 ROH ROH ROH RCO 2 H RCO 2 R ArOH RNH 2 ArOH RNH 2 ArOH CONH 2 RNH 2 POH ROH RNH 2 ArCH RNHR ArCH ArCH CONHR ArCH SH CONH 2 CONH 2 (H) CH CH CH CH CH CHO CH CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CC CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH ,100 1,300 1,500 1,700 1,900 2,100 2,300 2,500 Longueur d'onde [nm] Figure 1 : Bandes d analyse majeures et positions relatives des pics pour les absorptions proche infrarouge importantes. La plupart des produits chimiques et biologiques présente des absorptions uniques qui peuvent être utilisées pour une analyse qualitative et quantitative. Domaine NIR du spectre Au regard de ce qui précède, il est évident que les bandes d absorption les plus importantes apparaissant dans le domaine NIR sont liées aux bandes harmoniques et aux bandes de combinaison des vibrations moléculaires fondamentales des groupes fonctionnels C H, N H, O H et S H observées dans le domaine spectral MIR (Figure 1, Tableau 1). Tableau 1 : Longueurs d onde en nm et nombres d onde en cm -1 de certaines bandes dans le proche infrarouge de composés organiques et composés soufrés Longueur d onde Nombre d onde [nm] [cm -1 ] Affectation combinaison élongation S H combinaison élongation C H combinaison élongation N H ; combinaison élongation O H première harmonique élongation C H première harmonique élongation N H ; première harmonique élongation O H combinaison élongation C H seconde harmonique élongation C H seconde harmonique élongation N H ; seconde harmonique élongation O H troisième harmonique élongation C H troisième harmonique élongation N H NIRS, MIR et Raman Les techniques spectroscopiques excellent par leur possibilité d obtenir rapidement des informations exactes à partir des spectres haute résolution d échantillons solides et liquides sans nécessité de préparation préalable (NIRS) ou réduite (Raman) de l échantillon. Les avantages du NIRS, infrarouge moyen (MIR, mid-infrared) et Raman sont nombreux (Tableau 1). Ces trois techniques spectroscopiques sont économiques et permettent une analyse non seulement qualitative et quantitative mais aussi non-invasive et non-destructive. Elles présentent également d autres avantages, notamment celui de n exiger aucun réactif et de ne produire aucun déchet ou encore de ne requérir aucun produit chimique auxiliaire supplémentaire. Pour toutes ces raisons, les techniques spectroscopiques sont idéales pour le contrôle qualité dans l industrie et la surveillance de production. Il existe une technique adaptée à presque chaque application. La technique la plus souple, toutefois, reste le NIRS. En particulier, la disponibilité d outils d évaluation chimiométrique et d un logiciel, ainsi que de systèmes basés sur la fibre optique, ont fait du NIRS un outil précieux dans le secteur de la recherche universitaire et du contrôle qualité dans l industrie. Le NIRS permet de mesurer plusieurs valeurs en une seule détermination. Dans l environnement de production, le NIRS se distingue par la possibilité d effectuer des mesures sur site et un échantillonnage à distance, et l une des raisons à cela, et non la moindre, est que le spectromètre peut être placé très loin du point d échantillonnage. Le NIRS permet d effectuer des analyses à travers certains matériaux d emballage translucides, ce qui en fait une technique parfaitement adaptée au contrôle qualité des matières premières. La profondeur de pénétration permet d analyser des matériaux bruts. Les liaisons intermoléculaires de l hydrogène et les interactions dipolaires altèrent l énergie vibrationnelle, génèrant des décalages au sein des bandes d absorption existantes, voire même la formation de nouvelles bandes d absorption. Le fait que les spectres soient fortement affectés par des paramètres physiques (tels que la taille des particules, la densité et la teneur en humidité) est précisément la raison pour laquelle le NIRS est parfaitement adapté à l étude de ces caractéristiques. Théorie

9 Tableau 2 : Quelques caractéristiques des spectroscopies NIR, MIR et Raman Raman MIR NIR Nombre d ondes cm cm cm -1 Liaisons liaisons homonucléaires, telles que liaisons polaires, telles que liaisons contenant H telles que C C, C=C, S S C=O, C O, C F C H, O H, N H, S H Bandes d absorption dues à rayonnement diffusé rayonnement absorbé (vibration de base) rayonnement absorbé (harmoniques et combinaison) Absorption forte faible faible Bandes d absorption bien résolues, peuvent être affectées à bien résolues, peuvent être affectées à série de bandes se chevauchant des groupes chimiques spécifiques des groupes chimiques spécifiques Intensité du signal mauvaise bonne bonne Quantification intensité (I) ~ concentration log I 0 /I ~ concentration (loi de Beer-Lambert) log I 0 /I ~ concentration (loi de Beer-Lambert) Conditions d excitation variation de la polarisabilité variation du moment dipolaire μ variation du moment dipolaire μ Sélectivité haute haute faible, requiert calibration et chimiométrie Interférence ligne de base de fluorescence large eau eau, caractéristiques physiques (par ex. taille de l échantillon, forme et solidité) Taille des particules indépendante dépendante dépendante Applicabilité pour atline, online et inline bonne mauvaise bonne Source du rayonnement monochromatique (domaine laser vis/nir) polychromatique par globar tungsten polychromatique par globar tungsten Préparation d échantillon aucune réduite (sauf ATR*) aucune 09 *ATR = attenuated total reflection (réflexion totale atténuée) Le NIRS, plus que MIR et Raman, fait partie des méthodes indirectes ou secondaires. Afin d obtenir des informations, ses spectres doivent être comparés à des méthodes primaires ou de référence. Ainsi, des procédures mathématiques sont appliquées aux spectres pour établir un «modèle de prédiction» NIR permettant de décrire la composition de l échantillon étudié. Évaluation multivariée des données par chimiométrie Les spectres d absorption NIR sont souvent complexes et possèdent normalement de larges bandes d absorption se chevauchant. Les propriétés chimiques, physiques et structurelles de toutes les espèces présentes dans un échantillon influencent les spectres mesurés. De même, les différences minimes d un échantillon à l autre dans une série d échantillons peuvent générer de très faibles différences spectrales, ce qui signifie que les données d absorption NIR obtenues (spectres mesurés) dépendent de plus d une variable simultanément, et sont donc à ce titre multivariées. La chimiométrie utilise des procédures mathématiques et statistiques pour effectuer l analyse multivariéee des données afin de filtrer les informations corrélées selon une caractéristique particulière à partir d une vaste quantité de données. Dans l analyse NIR qualitative et quantitative, la portion pertinente de données spectrales NIR multivariée est extraite sans perte d informations importantes, tout en éliminant les informations indésirées (par ex. les interférences ou le bruit). Les modèles NIR décrivent la manière selon laquelle les caractéristiques spectrales multivariées mesurées (par ex. les valeurs d absorption des échantillons mesurées à de nombreuses longueurs d onde différentes) sont associées aux propriétés des analytes (par ex. les concentrations des analytes). Méthodes d analyse de référence requises Une analyse de données NIR complète commence par la classification et l identification d un échantillon mesuré et se poursuit par la qualification et la quantification. Les méthodes d analyse quantitative et qualitative requièrent une calibration et une validation préalables. Les échantillons représentatifs, ainsi que les résultats exacts obtenus par des méthodes d analyse de référence (par ex. les concentrations des échantillons analysés), sont nécessaires pour calibrer et valider les données d absorption NIR. Pour la détermination de la teneur en eau par spectroscopie NIR, par exemple, le titrage Karl Fischer peut être appliqué comme méthode d analyse de référence. Pour l identification, la qualification et la quantification, le nombre d échantillons qui sera suffisant pour couvrir la variation normale d un échantillon à l autre dépend de la complexité de la matrice de l échantillon et/ou de l interférence due à la matrice sur le signal de l analyte concerné. INFORMATION

10 (a) 10 Absorbance Longueur d onde [nm] Figure 3 : Détermination de l humidité dans l éthanol : (a) spectres NIR des échantillons d éthanol contenant différentes quantités d eau ; (b) spectres correspondants en dérivée seconde ; (c) section élargie des spectres en dérivée seconde entre 1828 et 1972 nm (première harmonique de la vibration de la liaison O-H de l eau). Prétraitement des données Les variations d un échantillon à l autre sur l ensemble de la longueur du trajet qu ont à effectuer les photons avant d atteindre le détecteur sont dues à une répartition hétérogène des particules dans un échantillon, à des différences de taille des particules, à des variations de la densité des échantillons, à des différences morphologiques des échantillons (forme et rugosité de surface de l échantillon), etc. Ces facteurs influencent les spectres NIR mesurés et sont source de décalages de la ligne de base ainsi que de variations de l échelle (variations de l intensité). Lorsque des informations sur l apparence physique d un échantillon ne sont pas nécessaires, les données brutes NIR doivent être prétraitées afin d éviter des résultats incorrects. Parmi un certain nombre de prétraitements testés, le prétraitement optimal est celui qui se caractérise par le plus faible nombre d erreurs statistiques obtenues lors de l analyse des données (régression linéaire). Les méthodes classiques de prétraitement comprennent le centrage de la moyenne, l élimination de la tendance, les dérivées premières et secondes, le lissage, la mise à l échelle automatique, etc. Le prétraitement basé sur les dérivées de second ordre est très utilisé et permet de résoudre les pics à proximité et d améliorer la résolution des spectres (Figure 3). Techniques de réduction des données L identification, la calibration et la validation sont basées sur les spectres de quelques dizaines à des centaines d échantillons similaires. Chaque spectre d échantillon NIR est constitué des données collectées à des centaines, voire à des milliers de longueurs d onde différentes, qui s additionnent pour constituer un vaste panel d informations sur les spectres NIR qu il s agit de traiter. Les absorptions mesurées lors d un spectre ne sont pas indépendantes les unes des autres, mais sont au contraire étroitement liées. On parle alors de multicolinéarité et cela peut poser problème (mauvaise prédiction) avec des modèles de régression linéaire utilisés pour la calibration. Les calibrations sont développées par des régressions de données sur les spectres NIR, mesurées par rapport aux valeurs des concentrations des analytes déterminées par des méthodes d analyse de référence. L analyse en composantes principales (ACP), méthode de compression de données très courante (réduction du volume de données), est utilisée comme technique de reconnaissance des schémas sans surveillance dans une analyse NIR qualitative. Elle est appliquée sur des données prétraitées. L ACP décompose de manière mathématique les variables initialement corrélées (absorptions à de nombreuses longueurs d onde) en un ensemble bien plus restreint de variables latentes non-corrélées (composantes principales en tant que vecteurs). L ensemble approprié de composantes principales représente les variations les plus courantes dans l ensemble de données analysé. La première composante principale de cet ensemble est calculé de manière à représenter la plus grande variance parmi les données. Chaque composante principale suivante doit être orthogonale à la composante principale qui la précède et est calculée de manière à avoir la plus grande variance restante possible, et ce jusqu à ce qu il ne reste plus que du bruit. Il convient d éviter l «overfitting» (le fait de choisir de trop nombreuses composantes principales si bien qu une ou plusieurs d entre elles ne représentent plus que du bruit ou des interférences indésirables), car ceci pourrait nuire à la solidité et à la performance de prédiction du modèle impliqué. De même, l «underfitting» doit également être évité, l utilisation d un nombre trop restreint de composantes principales pouvant générer des pertes de données importantes. Modèles de régression linéaire La calibration est réalisée au moyen de modèles appropriés décrivant la relation entre les variables dépendantes et indépendantes. Un exemple de cette procédure est premièrement décrit par l utilisation de données univariées de mesures à longueur d onde unique où la variable indépendante est l absorbance mesurée à une seule et même longueur d onde (X) qui est mesurée pour plusieurs standards de calibration dont les concentrations (variable dépendante, Y) ont été déterminées par une méthode d analyse de référence. Dans la mesure où la loi de Beer-Lambert est respectée, la relation Y = f(x) peut être exprimée par une calibration univariée en utilisant la régression linéaire. Les paramètres calculés «pente» et «ordonnée» du modèle sont utilisés pour prédire de nouveaux échantillons. Les données multivariées requièrent une calibration multivariée, lequel applique le même principe de base que celui qui vient d être décrit pour les données à variable unique. Les variables indépendantes sont les absorbances à un certain nombre de longueurs d onde et à plusieurs variables dépendantes (valeurs de concentration) peuvent être comptabilisées. Il existe toute une série de modèles de régression éprouvés pouvant être utilisés pour la calibration multivariée. Théorie

11 (b) Intensité de la dérivée seconde 11 Longueur d onde [nm] (c) Intensité de la dérivée seconde Longueur d onde [nm] Un des modèles de régression couramment utilisé, dont se sert le logiciel Vision Metrohm NIRSystems, est celui de la régression linéaire multiple (RLM) appliquée sur des spectres en dérivée seconde sur un ensemble d échantillons de calibration. Pour pallier le problème de multicolinéarité et obtenir un modèle de prédiction solide et effi cace, le nombre de longueurs d onde utilisées pour l analyse est considérablement réduit. En principe, l utilisation de la RLM implique de prendre en compte seulement deux à dix longueurs d onde sélectionnées avec soin. Elles font partie d une portion représentative de spectres enregistrés, qui n est pas, ou moins infl uencée par les interférences. Une autre technique de calibration très utilisée est la régression par les moindres carrés partiels (PLS, partial least squares). Comparée à la RLM, la PLS permet d inclure plus d informations dans le modèle de calibration et n est pas limitée par la multicolinéarité. La régression par PLS réalise simultanément la réduction de dimensionnalité de la matrice X et la régression. Par analogie aux composantes principales de la RCP (régression sur composantes principales), la PLS fait appel aux «composantes PLS» qui sont déterminées de manière à maximiser la covariance entre les données spectrales (variables indépendantes) et les concentrations (variables dépendantes). Approche pratique de l analyse de données NIR et informations complémentaires Les Application Notes et Application Bulletin Metrohm NIRSystems proposent une approche pratique détaillée pour une évaluation effi cace des données de mesure spectroscopiques NIR par des procédures chimiométriques de base intégrées à notre logiciel Vision. Nous examinerons de plus près ces documents plus loin dans cette édition spéciale de Metrohm Information. Il est toutefois toujours intéressant d élargir ses connaissances au-delà de la simple «boîte noire» et de comprendre les phénomènes agissant en arrière-plan, ici en particulier, ceux de la chimiométrie. Notre monographie (en anglais) donne une vision globale intéressante de la chimiométrie et de l analyse spectroscopique NIR. Elle explique les aspects théoriques de la spectroscopie NIR et fournit de nombreuses astuces pratiques. Cette monographie peut être téléchargée gratuitement sur en saisissant la référence EN dans le champ de recherche.

12 Famille Metrohm NIRSystems Laboratoire 12 Instruments et logiciel Vision NIRS XDS Analyzer NIRS DS2500 Analyzer NIRS Analyzer PRO NIRS XDS RapidContent Analyzer NIRS XDS SmartProbe Analyzer NIRS XDS RapidLiquid Analyzer NIRS Analyzer PRO DirectLight/NonContact NIRS XDS RapidContent Analyzer Solids NIRS XDS Interactance OptiProbe Analyzer NIRS Analyzer PRO ContactReflection NIRS XDS MultiVial Analyzer NIRS XDS Transmission OptiProbe Analyzer NIRS Analyzer PRO FiberSystem NIRS XDS MasterLab Analyzer Vous trouverez dans les pages suivantes un bref aperçu des appli cations possibles avec les systèmes d analyse Metrohm NIRSystems.Pour de plus amples informations, veuillez consulter nos pages internet sur ou nos brochures produits. Systèmes d analyse de laboratoire et atline Les systèmes d analyse de laboratoire Metrohm NIRSystems, avec leur monochromateur breveté, peuvent fonctionner en CQ (contrôle qualité), R&D et laboratoires d usine. Des accessoires d échantillonnage modulaires permettent d effectuer les analyses de poudres, granulés, boues, matériaux solides, gélatineux, pâteux et de liquides troubles ou clairs. Étant donné que les analyses NIR sont réalisées sur des échantillons non modifiés, la présentation des échantillons à l instrument est l aspect le plus important de l analyse NIR. La conception modulaire des systèmes d analyse de laboratoire Metrohm NIRSystems garantit l optimisation des analyses pour des types d échantillons spécifiques. Les systèmes d analyse NIRS XDS MasterLab Analyzer réalisent des mesures de la transmission et du coefficient de réflexion sur toutes les formes solides. Le NIRS XDS RapidContent Analyzer réalise l analyse du coefficient de réflexion sur des matériaux placés dans des sacs, des flacons ou Bénéficiez de notre service d assistance complet Metrohm NIRSystems facilite l intégration de la spectroscopie NIR à vos techniques d analyse et propose son assistance pour assurer un fonctionnement optimal de vos instruments. Vous pouvez vous inscrire à l une de nos formations sur le fonctionnement de l instrument NIRS XDS et le développement de méthodes (formation sur 3½ jours) dans les locaux de Metrohm et/ou vous inscrire à une formation sur la maintenance au cours de laquelle vous apprendrez à effectuer la maintenance de votre NIRS XDS analyzer. Vous pouvez également acheter notre documentation de validation Vision sur CD ou faire effectuer la certification de performance de l instrument sur une base semi-annuelle sur votre site par un ingénieur certifié. des coupelles, et l analyse de la transflexion de liquides dans des béchers. Le NIRS XDS RapidContent Analyzer avec Solids Module permet d effectuer un échantillonnage de poudres hétérogènes, matériaux fibreux, flocons et granulés sur une large plage. Le NIRS XDS RapidLiquid Analyzer réalise l analyse de la transmission à température contrôlée de liquides dans des cuves ou des flacons. Le NIRS XDS SmartProbe Analyzer permet des analyses de matériaux solides et liquides à effectuer directement dans les conteneurs de transport. Les sondes à fibre optique autorisent l utilisation d instruments de laboratoire pour la surveillance de la réaction et l augmentation de productivité. Étant donné qu aucune préparation d échantillon n est nécessaire, les analyses NIR en laboratoire peuvent être réalisées rapidement et de manière reproductible par différents membres du personnel. Sa rapidité, sa propreté et sa simplicité font du NIR la méthode d essai idéale en production. Les méthodes développées en laboratoire s appliquent facilement sur site pour l inspection des matières premières et les essais atline. Les méthodes NIR online sont développées en utilisant la fibre optique comme «fenêtre» sur le processus. La technologie de scannage brevetée de Metrohm NIRSystems permet de choisir les longueurs d onde de manière optimale, le développement efficace de calibration et une mise en œuvre simple. La technologie XDS NIR offre une performance du système d analyse très avancée et une adaptabilité poussée de l instrument en vue d améliorer le développement des méthodes, de minimiser le temps de mise en œuvre et d assurer la possibilité de transférer la méthode sans pertes. Les méthodes d identification, qualitatives et quantitatives, sont facilement crées grâce au logiciel Vision, convivial et compatible réseau. L analyse est réalisée de manière précise et exacte par simple appui sur un bouton ou un clic de souris. Instruments et logiciel

13 Processus NIRS XDS Process Analyzer NIRS XDS Process Analyzer SingleFiber SinglePoint NIRS XDS Process Analyzer Microbundle SinglePoint NIRS XDS Process Analyzer DirectLight/NonContact NIRS XDS Process Analyzer SingleFiber 4 Channels NIRS XDS Process Analyzer Microbundle 4 Channels NIRS XDS Process Analyzer SingleFiber 9 Channels NIRS XDS Process Analyzer Microbundle 9 Channels NIRS XDS RapidContent Analyzer Le NIRS XDS RapidContent Analyzer, permet d effectuer des mesures rapides et non-destructives de formules pharmaceutiques et de produits chimiques sous forme solide et liquide. Grâce au RapidContent Analyzer, vous pouvez remplacer les essais de routine, réduire le temps de production du produit et quasiment éliminer les temps de quarantaine. Les tests de composition ou d identification des matériaux sont réalisés soit en laboratoire, soit atline, sur des échantillons placés dans leurs flacons, sacs ou bouteilles d origine. Le Solids Module étend l analyse à quasiment toute forme solide, qu il s agisse de poudres fines ou de matériaux granuleux grossiers, en granulés ou sous forme de flocons. Grâce à la taille adaptable d un spot d illumination, fonction disponible en option, vos échantillons peuvent être éclairés de manière ajustée à leurs propriétés physiques. NIRS XDS MultiVial Analyzer Le NIRS XDS MultiVial Analyzer, vous donne accès à la nouvelle génération d analyse dédiée NIR pour effectuer des mesures rapides et non-destructives de matériaux solides contenus dans des flacons. Grâce au MultiVial Analyzer, contrôlez facilement plusieurs produits les uns à la suite des autres de manière automatique. Les tests de composition ou d identification du matériau sont réalisés soit en laboratoire, soit atline, sur des échantillons placés dans des flacons. Ce système d analyse supporte l enregistrement de spectres en mode non surveillé, l opérateur peut donc en parallèle préparer d autres échantillons ou analyser des données, etc. Le mécanisme d échantillonnage polyvalent du MultiVial Analyzer dispose d une plateforme d échantillonnage mobile (X-Y) qui permet de manipuler un plateau contenant plusieurs flacons. Grâce à une fonction intégrée permettant de varier la taille d un spot, l échantillon peut être éclairé de manière ciblée en fonction du diamètre des flacons utilisés. L iris de centrage d échantillon est fourni pour l analyse d un seul échantillon, tandis que la cellule optionnelle pour matériaux granuleux grossiers étend l analyse à quasiment toute forme solide, qu il s agisse de poudres fines ou de matériaux granuleux grossiers, granulés ou flocons. INFORMATION

14 14 NIRS XDS MasterLab Analyzer Le NIRS XDS MasterLab Analyzer est basé sur la technologie proche infrarouge XDS et sert à effectuer des mesures rapides et non destructives de comprimés, de substances solides et de liquides. Grâce au MasterLab Analyzer, vous pouvez remplacer les tests de routine, réduire le temps de production du produit et quasiment éliminer les temps de quarantaine. Ce système d analyse supporte l enregistrement de spectres en mode non surveillé, l opérateur peut donc en parallèle préparer d autres échantillons ou analyser des données, etc. Le MasterLab Analyzer propose aux fabricants de produits pharmaceutiques une méthode d essai rapide et fiable, couvrant toute la gamme des dosages sous forme solide : comprimés à couches multiples, enrobés ou à noyau, gélules, caplets, tablettes gélifiées et gélules de gel. Le mécanisme d échantillonnage polyvalent du MasterLab Analyzer permet d effectuer une analyse du coefficient de réflexion ou de la transmission en mode automatisé et non surveillé, de plusieurs comprimés ou flacons disposés sur un plateau. NIRS XDS SmartProbe Analyzer Le NIRS XDS SmartProbe Analyzer, basé sur la technologie proche infrarouge XDS, sert à effectuer des mesures rapides et non-destructives de formules pharmaceutiques et produits chimiques sous forme solide et liquide. Grâce au SmartProbe Analyzer, vous pouvez remplacer les tests de routine, réduire le temps de production du produit et quasiment éliminer les temps de quarantaine. Le SmartProbe Analyzer est construit selon une conception robuste adaptée aussi bien aux environnements d entrepôt que d usine. Les tests critiques d identité et de qualité de substances actives sous forme liquide ou solide sont réalisés directement dans le conteneur de transport d origine. Sa conception ergonomique et portable est très pratique ; il suffit de placer la sonde dans l échantillon et d appuyer sur le déclencheur. Le résultat, réussite ou échec, s affiche sur la poignée après chaque essai. Il suffit de charger le plateau, de l insérer dans le MasterLab Analyzer et de laisser le mécanisme d échantillonnage mobile (X-Y) positionner correctement chacun des comprimés/flacons et les analyser. Grâce à une fonction intégrée permettant de varier la taille d un spot, l échantillon peut être éclairé de manière ciblée en fonction du diamètre des flacons utilisés. La cellule optionnelle pour matériaux granuleux grossiers étend l analyse aux formes solides hétérogènes, qu il s agisse de poudres fines ou de matériaux granuleux grossiers, granulés ou flocons, en effectuant une moyenne sur une large plage. Instruments et logiciel

15 15 NIRS XDS Interactance OptiProbe Analyzer Le NIRS XDS Interactance OptiProbe Analyzer est conçu pour remplacer les tests de routine, réduire le temps de production du produit et minimiser le temps d analyse en laboratoire. L Interactance OptiProbe Analyzer est conçu pour la surveillance des réactions en laboratoire et à la manière d un banc de développement de méthodes pour des applications de production à plus grande échelle. Avec l Interactance OptiProbe Analyzer, vous utilisez à la fois les sondes de coefficient de réflexion et d immersion adaptées à une vaste gamme d échantillons. La sonde à coefficient de réflexion est utilisée pour scanner des matériaux solides, des liquides à forte dispersion et des boues. La sonde d immersion analyse les produits aqueux, les liquides et solvants clairs. La fibre optique de l Interactance OptiProbe Analyzer permet de le connecter directement dans des environnements d échantillonnage difficiles et/ou dangereux. NIRS XDS Transmission OptiProbe Analyzer Le Transmission OptiProbe Analyzer est conçu pour la surveillance en laboratoire de produits aqueux, liquides et solvants clairs ainsi que les échantillons visqueux. Le Transmission OptiProbe Analyzer est tout à fait adapté à des applications de processus à plus grande échelle et des mesures atline. Ce système d analyse permet d analyser facilement les échantillons visqueux, étant donné qu il utilise des flacons jetables, ce qui réduit le temps de nettoyage. Grâce au Vial Heater Module optionnel, le système équilibre également la température de l échantillon (jusqu à 200 C) en mode non surveillé avant l analyse des données afin d améliorer la productivité du laboratoire. NIRS XDS RapidLiquid Analyzer Le NIRS XDS RapidLiquid Analyzer, permet d effectuer des analyses rapides et non-destructives de formules pharmaceutiques et produits chimiques sous forme liquide. Le XDS RapidLiquid Analyzer est conçu pour fournir rapidement des résultats quantitatifs et qualitatifs destinés au contrôle et à l assurance qualité. Grâce au RapidLiquid Analyzer, il est possible d analyser quasiment tous les liquides ou suspensions, tant en laboratoire qu en situation atline. Les échantillons sont analysés très facilement dans des cuves en quartz ou des flacons jetables pour faciliter le nettoyage. La chambre d échantillon est contrôlée en température, fournit un environnement stable pour l échantillon, un point essentiel pour des mesures précises. NIRS DS2500 Analyzer Avec cet instrument, l analyse NIR a fait un nouveau pas vers l avenir de l analyse de routine. Ce système d analyse offre une exactitude exceptionnelle sur une vaste gamme de longueurs d onde, allant de 400 à 2500 nm. Robuste, simple d utilisation et certifié IP65, il résiste à l humidité, à la poussière, aux vibrations et aux fluctuations de température. Ce haut niveau de solidité fait du NIRS DS2500 un système adapté à une utilisation atline par tout opérateur dans les usines de production. Le DS2500 est conforme à la législation relative aux produits pharmaceutiques et supporte les débits qu implique l industrie des nutraceutiques. INFORMATION

16 16 Systèmes d analyse en cours de production Les systèmes d analyse NIR pour process fournissent des informations chimiques en cours de production quasi en temps réel, même dans des conditions difficiles. L interface avec l échantillon de processus dépend du type d échantillon et des conditions de production. Des sondes de coefficient de réflexion et de transmission par contact sont utilisées pour l analyse de liquides clairs à opaques, ainsi que de solides. Les mesures du coefficient de réflexion sans contact sont réalisées sur des matériaux transportés dans des trémies ou dans des lignes de transport ou de convoyage. Généralement, la lumière NIR projetée par l instrument est transférée à l échantillon par le biais d une fibre optique. Pour que les performances d analyse restent optimales, le nombre de fibres utilisées dans le faisceau de fibres optiques est augmenté à mesure que les propriétés de dispersion de la lumière de l échantillon augmentent (Tableau 3). Les systèmes d analyse NIR à monofibre sont employés généralement pour l analyse de liquides clairs. Les systèmes d analyse NIR à microfaisceau surveillent les milieux liquides à faible dispersion, les suspensions et les processus de séchage. Les systèmes d analyse NIR à faisceau complet sont destinés aux applications particulièrement difficiles, comme la surveillance du séchage de milieux hydratés ou l analyse de constituants de faible niveau. La longueur de l interface à fibre optique peut être de 1 m (grand faisceau de fibres) à 150 m (monofibre). L utilisation de fibres optiques plus longues permet au système d analyse d être placé hors des zones de classification électrique ou de sécurité, ou de zones où règnent des conditions de fonctionnement difficiles comme en cas de fortes variations de température. Il est possible de surveiller jusqu à neuf lignes de production ou points d échantillonnage séparés, à l aide d un système multiplexé Metrohm NIRSystems. Le multiplexage permet de réduire à la fois les coûts par point de mesure et les coûts globaux de mise en œuvre d un système d analyse de process. Les systèmes d analyse de Metrohm NIRSystems, le logiciel, le support d application et les services couvrent une gamme complète de besoins associés aux process industriels, tels que le développement des process, les tests des matières premières, la surveillance en production, la détermination à point final, le séchage, le contrôle qualité et les essais de stabilité. NIRS XDS Process Analyzer mono-fibre Le NIRS XDS Process Analyzer monofibre représente la nouvelle génération de systèmes d analyse pour process fournissant une analyse en temps réel dans l industrie des produits pharmaceutiques et chimiques. Des mesures non-destructives et exactes sont réalisées directement sur la ligne de production ou dans la cuve de réaction. Typiquement, les mesures concernées comprennent la surveillance des réactions et la détermination à point final au cours des process en raffinerie, dans la pétrochimie et sur les polymères, la récupération des solvants dans les usines d ingrédients pharmaceutiques actifs (IPA) et l analyse des films et revêtements de polymères extrudés. L utilisation de mono fibre optique, des sondes associées et de cellules d écoulement permet d effectuer des analyses selon un bon rapport coût/ efficacité sur une vaste gamme de types d échantillons, depuis les liquides clairs aux films transparents. Ce système d analyse est disponible en point unique ou multiplexer. Deux configurations en multiplexeur du système d analyse permettent d obtenir de quatre à neuf points d échantillonnage. Cette méthode économique pour effectuer des mesures à distance permet d installer le système d analyse dans une zone non restreinte, ce qui diminue les coûts d installation et de fonctionnement. Instruments et logiciel

17 17 Tableau 3 : Comparaison de l interface à fibre optique, de la taille du faisceau de fibres optiques et du mode de mesure. Pour que les performances d analyse restent optimales, le nombre de fibres est augmenté à mesure que la turbidité de l échantillon augmente. Interface pour fibre optique Taille/nombre des fibres Longueur des fibres [m] Monofibre Petits faisceaux de fibres Petits faisceaux de fibres Grands faisceaux de fibres 600 μm, 1 éclairage / 1 collecte 200 μm, 40 éclairage / 40 collecte 200 μm, 40 éclairage /40 collecte 200 μm, 210 éclairage /210 collecte Type d échantillon Mode Liquides clairs, films fins, gaz Transmission 1 75 Liquides et suspensions troubles Transmission 1 75 Poudres et films Coefficient de réflexion 1 15 Pâtes, boues, granulés, fibres Coefficient de réflexion NIRS XDS Process Analyzer microfaisceau Le NIRS XDS Process Analyzer permet une analyse en temps réel dans les industries des produits pharmaceutiques et chimiques. Des mesures nondestructives et exactes sont réalisées directement sur la ligne de production, dans le granulateur, le dispositif de séchage ou le réacteur. Les systèmes d analyse sont utilisés tout au long de la production afin d assurer une performance optimale pour des échantillons variant fortement. Le nombre de 80 fibres (40 fibres d éclairage/40 fibres de collecte) permet de réaliser une analyse selon un bon rapport coût-efficacité pour des échantillons allant de liquides clairs à des suspensions et des solides. Configurez le système d analyse avec une sonde de coefficient de réflexion, une sonde d immersion ou deux sondes de transmission afin d optimiser l interface selon votre type d échantillon spécifique. Le XDS Process Analyzer microfaisceau est disponible en configuration en point unique ou multiplexer pour la mesure de jusqu à quatre ou neuf points d échantillonnage. Cette méthode économique pour effectuer des mesures à distance permet d installer le système d analyse dans une zone non restreinte, ce qui diminue les coûts d installation et de fonctionnement. NIRS XDS Process Analyzer DirectLight/NonContact Basé sur la technologie proche infrarouge XDS, le NIRS XDS Process Analyzer DirectLight/NonContact permet une analyse en temps réel. Des mesures non-destructives et exactes peuvent être réalisées partout où un produit est en déplacement et accessible, par exemple au-dessus d une bande de convoyage, toile ou feuille. Une mesure du coefficient de réflexion sans contact permet d obtenir une analyse chimique approfondie de produits solides peu jusqu à très compacts, homogènes ou hétérogènes. La mesure sans contact est utilisée pour le contrôle qualité de fibres, de feuilles, de stratifiés et de produits composés de toile, tels que plastiques, papiers et textiles. La tête de l instrument est fixée à l extrémité d une fibre optique. Une source de lumière de haute intensité, placée dans la tête du capteur, éclaire l échantillon. La lumière interagit avec l échantillon et est renvoyée par réflexion vers la tête du capteur où elle est captée par le faisceau de fibres de collecte et envoyée vers l instrument pour dispersion et détection du signal. La conception robuste, brevetée du XDS Process Analyzer offre un niveau encore jamais atteint de performance cohérente, sûre et fiable de l instrument et permet d effectuer des analyses dans des environnements industriels difficiles. La surveillance par proche infrarouge (NIR) s intègre parfaitement aux initiatives de technologie analytique en process (PAT) telles que proposées par la FDA. INFORMATION

18 18 NIRS Analyzer PRO Le NIRS Analyzer PRO est un système d analyse en production basé sur la technologie des barrettes de diodes haute résolution. Il sert à effectuer des analyses non-destructives de produits tels que granulés, poudres, boues ou substances opalescentes, directement sur la ligne de production sans nécessité de dérivation. Ce système d analyse est logé dans un boîtier robuste, monté à un endroit adéquat dans la zone de production. Les mesures s affichent dans la zone de commande et les résultats peuvent être envoyés à un système de régulation pour un contrôle automatique en circuit fermé. De plus, ce système d analyse aide à optimiser l utilisation des matières premières et à produire de manière cohérente au plus proche des valeurs cibles. L utilisation d un instrument correspondant précisément aux besoins améliore le développement de méthodes, minimise les efforts de mise en œuvre et assure la transférabilité du modèle de calibration entre différents systèmes d analyse. Le NIRS Analyzer PRO est disponible avec des interfaces dédiées, basées sur la technologie des coefficients de réflexion ou de transmission, selon ce qui est le plus adapté à chaque domaine d application. Les mesures sont réalisées directement sur l échantillon en déplacement sur la ligne de production. Une source de lumière haute intensité avec double lampe éclaire l échantillon directement ou via une fibre optique. La lumière interagit avec l échantillon et la lumière reflétée ou transmise est mesurée par le détecteur à barrette de diodes. La lampe de secours du système à double lampe garantit la disponibilité et l exactitude de l analyse, même après un changement de lampe. La gamme complète de longueurs d onde est mesurée instantanément, ce qui permet d effectuer des mesures d une grande d exactitude même sur des échantillons en déplacement rapide. Les calibrations sont transférables entre différentes unités, ce qui assure une facilité d extension aux autres points de mesure. L intégration aux systèmes de régulation en cours de production est possible via l interface OPC de Metrohm. Coefficient de réflexion de fenêtre Il est possible de réaliser une analyse inline de produits pâteux, en granulés, en poudre, etc. dans des canaux ou des systèmes de transport sans dérivation. Les produits passent sur la fenêtre d interface. L interface de réflexion de fenêtre peut être facilement installée sur la ligne de production en utilisant les cellules de débit standard GEA Tuchenhagen ou en soudant une bride pour l interface dans la paroi du canal ou du système transport. Lumière directe L analyse inline de produits où le contact direct est impossible d un point de vue technique, par exemple, quand le produit est transporté sur une bande transporteuse. Instruments et logiciel

19 19 Logiciel Vision Logiciel Vision pour l analyse de données NIR Le logiciel Vision Metrohm NIRSystems pour l analyse de données NIR chimiques ou pharmaceutiques est disponible en version pour un utilisateur unique ou multi-utilisateurs. Vision SC/SP Single-User Vision pour l analyse dans le secteur chimique/pharmaceutique Le logiciel d acquisition de spectres, de développement de méthodes et d analyse de routine pour l analyse dans le secteur chimique ou pharmaceutique. Cette version propose un accès aux instruments NIR en réseau à un seul utilisateur (une seule copie de Vision par instrument). La version du logiciel pour l industrie pharmaceutique peut être entièrement validée et est conforme à la réglementation 21 CFR Part 11. Vision MC/MP Multi-User Vision pour l analyse dans le secteur chimique/pharmaceutique Version multi-utilisateurs du logiciel Vision d acquisition de spectres, de développement de méthodes et d analyse de routine pour l analyse dans le secteur chimique ou pharmaceutique. Cette version propose une gestion centralisée de toutes les bases de données de spectres et comprend 5 licences, chacune pour un poste de travail. La version du logiciel pour l industrie pharmaceutique est entièrement validée et est conforme à la réglementation 21 CFR Part 11. INFORMATION

20 20 Applications Les spécialistes des applications de Metrohm NIRSystems ont préparé une sélection de «Application Bulletins» et «Application Notes» qui présentent les avantages de cette méthode NIR nondestructive : des mesures réalisées extrêmement rapidement et ne requérant pratiquement aucune préparation des échantillons et aucun réactif coûteux ou toxique. Cette littérature dédiée aux applications peut être téléchargée sur ; vous trouverez un aperçu ci-dessous. De plus, certaines branches importantes y sont présentées, où la spectroscopie proche infrarouge est utilisée de manière intense, ainsi que des suggestions concernant les instruments de Metrohm NIRSystems que nous recommandons pour des applications en laboratoire ou en ligne. Application Bulletin AB-358 : Analyse de l humidité résiduelle dans les compositions pharmaceutiques lyophilisées par la spectroscopie proche infrarouge (NIRS) Cet Application Bulletin décrit une approche de développement de méthodes proche infrarouge pour la détermination de l humidité résiduelle dans des produits pharmaceutiques lyophilisés typiques. Un ensemble d échantillons de calibration a été préparé en ajoutant différentes quantités d eau dans les fl acons d échantillons. Les spectres proche infrarouge des coeffi cients de réfl exion de ces échantillons de calibration ont été enregistrés et des algorithmes de régression linéaire multiple (RLM) ont été appliqués afi n de corréler les modifi cations du spectre à des valeurs d humidité mesurées de manière expérimentale par un titrage Karl Fischer. Application Notes AN-NIR-001 : Détermination de substances actives sous formes pharmaceutiques solides par l addition de standard à l état solide Deux des antalgiques majeurs, l aspirine et le paracétamol, sont comparés à des échantillons génériques du point de vue de l uniformité du contenu à l aide de tests par spectroscopie proche infrarouge. La méthode de l addition standard est utilisée pour la quantifi cation. Afi n de réduire la plupart des effets liés à la taille des particules et aux différences de compacité, on utilise les spectres en dérivée seconde. AN-NIR-002 : Analyse non-destructive de comprimés individuels à l aide du NIRS XDS RapidContent Analyzer Cette Application Note montre le potentiel du NIRS en tant qu outil de contrôle rapide (< 30 s) et non-destructif pour les formes pharmaceutiques solides (comprimés par ex.). La spectroscopie NIR ne requiert ni préparation d échantillons ni solvant d aucune sorte. Les interférences par dispersion sont réduites à un minimum par la conversion des spectres en dérivée seconde. AN-NIR-003 : Analyse de la fraction de copolymères dans les granulés de polymères par spectroscopie proche infrarouge Cette Application Note décrit la détermination des fractions de copolymères dans les granulés de polyéthylène (PE) et d acétate de polyvinyle (APV) par NIRS. La détermination de la composition des mélanges polymères dure moins de 30 secondes et ne requiert aucune préparation d échantillon. En utilisant les spectres en dérivée seconde et la méthode de régression linéaire (ou méthode des moindres carrés), il est possible d effectuer des analyses quantitatives de manière très simple. Applications