四代质量:光谱三人组

约翰·p·哈蒙德

技术经理，Starna科学有限公司，52-54福勒路，Hainault，埃塞克斯IG6 3UT，英国

DOI:https://doi.org/10.1255/sew.2022.a13
©2022
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介绍

在上一篇文章中，¹我们集中讨论了“光谱学专家工具包中的螺丝刀”UV/可见光谱(照片)仪及其相关软件在我们四代人的发展过程中是如何演变的。在这篇文章中，我们现在将看看盒子里其他三种相关的光谱技术/工具，即荧光，近红外(NIR)和拉曼;并讨论这些技术的“什么”、“在哪里”和“如何”被用于提高与它们相关的测量过程的质量。

因此，本文使用了前面描述的时间段中的四代人，并揭示了一些值得讨论的有趣点。这个年表有效地描绘了这些技术从研究到分析质量保证(QA)的演变，以及与之相关的质量要求。

然而，出于对大量可用参考文献的尊重，让我们快速声明这篇文章的目的不是讨论适当科学的理论，如果读者对此感兴趣，那么任何优秀和著名的文本(其中一些在下文中被引用)都应该参考。

1^圣一代:1975年之前

在此期间，基本理论被建立起来，在某些情况下，仪器仪表在纯研究导向的环境中发展起来。然而，与它们的紫外/可见光对应物不同，今天我们实验室中的仪器，正如我们将看到的，越来越多的其他技术领域将依赖于后来的发展。例如，改进基本组件的质量和/或大小，数据处理等，这些创新将在年表中酌情讨论。

荧光

在20世纪50年代，美国国立卫生研究院的罗伯特·鲍曼博士开发了一种荧光分光光度计，或称“SPF”，使科学家能够使用荧光来识别和测量体内的微量物质。那些熟悉荧光应用的人会认出这个名字，特别是因为它出现在美国制造的系列2 (AB2)系统的Aminco-Bowman名称中，在当时的许多科学论文中被引用为测量仪器。

近红外光谱

近红外(NIR)光谱区域位于780 nm和2500 nm (4000 cm)之间¹到12,800厘米¹)连接了更广为人知和分析使用的UV-Vis (190-780 nm)和红外(4000-600 cm)区域¹）.直到最近，它还被称为“被遗忘的”地区。

近红外区域的振动光谱主要半岛综合体育官方APP下载德甲由泛音和组合组成，这些泛音和组合比它们起源的基本中红外振动弱得多。由于在近红外范围内的摩尔吸收率很低，辐射可以穿透数毫米到材料中，包括固体，正是这种能力使许多最近的应用得以发展。许多材料，如玻璃，在这个区域是相对透明的。光纤技术很容易在近红外范围内实现，可以在其他可能无法访问的环境中监控过程。

近红外光谱范围内最常见的测量方法是透射和反射光谱法。入射的近红外辐射被样品吸收或散射，并被测量为透过率，T，或反射率，R,分别。反射光谱是透射和反射的混合，其中一个反射器被放置在样品后面，这样通过样品并返回探测器的光路与相同厚度的样品的透射测量相比是两倍。反射被用来描述任何双通道传输技术。光可以从样品后面的漫反射或镜面(镜面)反射器反射。这种配置可以适应于与某些反射或光纤探测系统共享仪器几何结构，其中源和探测器位于样品的同一侧。

如上一篇文章所述，¹Cary 14型UV- Vis分光光度计是一种双束记录分光光度计，设计用于在紫外，可见光和近红外波长(UV/Vis/NIR)的宽光谱范围内工作。这包括波长从185 nm到870 nm, Cary Model 14B，外观几乎相同，测量波长从0.5 nm到6.0µm。

拉曼

虽然阿道夫·斯米卡尔在1923年预言了光的非弹性散射，但直到1928年才被实际观测到。拉曼效应是以其发现者之一的印度科学家C.V.拉曼的名字命名的，他于1928年与K.S.克里希南一起在有机液体中观察到这种效应，格里戈里·兰德斯伯格和列昂尼德·曼德尔施塔姆分别在无机晶体中观察到这种效应。拉曼因这一发现获得了1930年的诺贝尔物理学奖。捷克斯洛伐克物理学家乔治·普拉泽克(George Placzek)在1930年至1934年间提出了拉曼效应的系统开创性理论。汞弧成为主要光源，先用照相法检测，后用分光光度法检测。

在它被发现后的几年里，拉曼光谱学被用来提供第一个分子振动频率的目录。半岛综合体育官方APP下载德甲通常情况下，样品被放置在一个长管中，用气体放电灯产生的一束过滤单色光沿其长度照射。被样品散射的光子通过管子末端的光学平板收集。为了最大限度地提高灵敏度，样品高度浓缩(1 M或更多)和使用相对大的体积(5 mL或更多)。

现代拉曼光谱学几乎总是使用半岛综合体育官方APP下载德甲激光作为激发光源;然而，激光直到发现该效应30多年后才出现，第一台激光于1960年问世。

2^nd世代:1975年至2000年

在此期间，就像在本系列的许多文章中一样，我们看到了数字生成系统的快速演变，我们现在非常熟悉，并与数据爆炸相关，需要证明这些值的准确性。

荧光

从个人的角度来看，荧光是一种光谱技术，形成了我学位课程的论文主题，但在实践中，直到接近千禧年，它才成为一种技术。人们对这项技术的普遍兴趣的复苏，无疑是由两本与荧光有关的参考卷的出版引起的，即1981年UVSG出版的标准出版物，²还有一个技术参考，^3.现在它是3^{理查德·道金斯}版，已成为同义的名字。从技术角度来看，该技术的高灵敏度促进了其在检测限较低的应用领域的应用。然而，这种应用在多个领域的增加，总是涉及到受管制的行业，如水质，制药等，这也促使了国际监管机构初步起草适当的标准。此外，在相关的发展中，聚合酶链反应(PCR)于1983年由美国生物化学家卡里·穆利斯在Cetus公司发明;穆利斯和生物化学家迈克尔·史密斯(Michael Smith)共同获得了1993年的诺贝尔化学奖，他们开发了其他操纵DNA的基本方法，但这种应用将在下一代得到更多。

荧光标准

近红外光谱

近红外(780 - 2500nm)区域由于水、蛋白质等在该区域产生的光谱的复杂性，多年来一直被分析人员忽视。然而，由于当时有许多不同的多元数学校准方法，广义上被称为“化学计量学”，它在粮食和食品工业的原材料和QA程序中找到了新的和重要的应用;由Technicon公司推广的“Infralyser”于1986年4月注册。

此外，20世纪90年代FT-NIR仪器的到来，以及人们越来越意识到近红外信号中独特的信息内容，可以提供物理和化学信息，这促进了近红外光谱系统在许多行业中用于定性和定量目的的部署。

这些应用通常涉及将样品的近红外光谱与参考光谱进行比较，并根据为特定应用开发和验证的接受标准评估相似性。相比之下，定量分析的应用涉及近红外光谱属性和样品性质之间的预测关系的发展。这些应用通常使用数值模型来定量预测样品的化学和/或物理性质，基于近红外光谱属性。例如含水量，含量均匀性，硬度，颗粒大小，填料密度等。

拉曼

在这个时期，拉曼在本质上仍然是研究科学家的工具，直到下一代，我们才看到它“成熟”成为一种调查和/或QA技术。技术进步使得拉曼光谱学更加灵敏，特别是自20世纪80年代以来。半岛综合体育官方APP下载德甲最常见的现代探测器现在是电荷耦合装置，取代了以前使用的光电二极管阵列和光电倍增管。可靠、稳定、廉价的窄带宽激光器的出现也对该技术的可用性产生了影响。

3.^{理查德·道金斯}一代:2000年到2020年

荧光

如上所述，荧光检测广泛应用于PCR，该技术成为基因检测和研究中许多程序的基础，包括分析古代DNA样本和识别感染因子。利用PCR技术，非常少量的DNA序列拷贝在一系列温度变化周期中被指数级放大。在此期间，PCR成为医学实验室研究中常用且必不可少的技术，应用范围广泛，包括生物医学研究和刑事取证。此外，在这一时期的后半段，荧光技术进入临床和诊断市场，最终在Covid-19诊断中广泛使用PCR检测。

此外，由于大量高稳定性化学荧光探针和标记物的开发和使用，加上多孔板格式，显微镜和光学筛选荧光在其应用领域得到了极大的扩展。

从个人的角度来看，这种发展类似于20世纪50年代开发的化学比色试剂阵列(没有双关语)，可以通过可见光谱(照片)测量精确定量金属物种，远远早于原子吸收光谱法的发展;半岛综合体育官方APP下载德甲其中最著名的可能是双硫腙。

此外，在这一时期，在20世纪80年代，我们看到了量子点的发展，这是一种独特的荧光活性物种，在“白光”照射下产生的颜色与粒子的大小(以纳米为单位)有关;但是，就像我们在这里和本系列之前的文章中讨论的许多开发一样，直到它们在下一代中商用，人们的兴趣才真正起飞。

量子点

从监管的角度来看，所需标准的起草工作，例如上一代结束时开始的ASTM国际标准，都在本届会议上完成。⁴

近红外光谱

近红外中可用的样品呈现模式的多功能性，即基于光纤探针的系统，以及后来的小型手持单元，结合强大的信号处理电子器件的可用性，在这一时期彻底改变了该技术在质量控制实验室之外的两个主要制药领域的使用。

首先，在原材料仓库的货物接收区，散装材料现在可以在收到后立即检查其身份和符合规格。与其他光谱学测量一样，近红外辐射与物质之间的相互作用半岛综合体育官方APP下载德甲为定性和定量评估样品的化学成分提供了信息。此外，由于样品对近红外光谱的影响，可以对样品的物理性质进行定性和定量表征。示例应用用途包括化学性质基本不同的化合物、活性药物成分(api)、辅料、染料、包装材料、多晶体、异构体和物理特征(如晶体与非晶态)的识别。

其次，近红外光谱法现在可以提供一种宝贵的工具，帮助符合制药PAT计划，因为探针可以很容易地安装在工艺流程、混合器等中，以进行定性分析，例如，反应途径、产品干燥、造粒、混合和或含量均匀性、监测起泡包装的最终产品等。

拉曼

拉曼技术被视为近红外技术在上述许多应用领域的补充技术，已在从机场安检到识别药物(包括假货和假药)的筛查系统中得到应用。

因此，不出所料，在此期间，美国药典(USP)扩展了他们的光谱通章，包括适当的87x和187x章节，用于近红外和拉曼，如前面所述。半岛综合体育官方APP下载德甲⁵

4^th世代:从2021年起

进入这一代，我们可以看到这三种光谱技术已经发展成熟，有了相关的参考文献和调控标准。然而，我们都意识到过去两年Covid-19大流行的影响，(希望)当我们开始摆脱其巨大影响时，我们可以反思由此导致的光谱学在临床和/或生物学应用方面的重大转变。半岛综合体育官方APP下载德甲

这些变化将在本系列的下一篇，也是最后一篇文章中进行更全面的讨论，因为我们“走向未来”，并讨论上一个千年最后几十年的科幻小说是否正在成为科学事实?

参考文献

1. j·p·Hammond，“四代质量:软件和数据完整性——一个必不可少的伙伴关系?””,Spectrosc。bdapp官方下载安卓版欧洲34 (2),-(2022)。https://doi.org/10.1255/sew.2022.a7
2. 紫外光谱组，荧光光谱标准， j·n·米勒主编。查普曼和霍尔(1981)。ISBN: 978-94-009-5904-0
3. jr Lakowicz,荧光光谱原理半岛综合体育官方APP下载德甲， 3^{理查德·道金斯}经济日报。施普林格(2006)。https://link.springer.com/book/10.1007/978-0-387-46312-4
4. ASTM E2719-09,荧光仪器校准和鉴定的标准指南(2014)。
5. C. Burgess和J.P. Hammond，“美国药典(USP)光谱总论的现代化”，Spectrosc。bdapp官方下载安卓版欧洲27 (1),每股26到29(2015)。https://doi.org/10.1255/sew.2015.a1;C. Burgess和J.P. Hammond，“美国药典(USP)光谱总论现代化的最新进展”，Spectrosc。bdapp官方下载安卓版欧洲29 (6),15 - 17日(2017年)。https://doi.org/10.1255/sew.2017.a1