石化和炼油行业中的近红外光谱：符合ASTM标准的质量控制和产品筛查工具——第5部分
2022年1月24日
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Near-infrared spectroscopy and ASTM. Learn more about method development, method validation, and results validation.
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ASTM国际的发展历史
美国材料与试验协会（ASTM）是一个目前已提供12,500多项国际标准的组织。它的起源可以追溯到1898年，当时ASTM由一群科学家和工程师组成，以解决影响快速发展的铁路行业的频繁断轨问题。该组织制定了用于制造铁轨的钢材标准。
起初，该组织被称为“美国材料试验协会”（1902年），1961年更名为“美国材料与试验协会”。2001年，ASTM正式更名为“ASTM国际”，并增加了“全球标准”的口号。2014年，该口号被修改为“帮助我们的世界更好地运转”。现在，除了美国，ASTM国际还在比利时、加拿大、中国和秘鲁设有办事处。
ASTM国际旨在确保在工程项目中使用的材料满足质量和标准要求。因此，他们必须就工程师和技术人员使用的单一语言达成一致，以增强其兼容性，并最终开发了一个以字母A-G的形式按行业分组的系统。目前，大约有150个国家使用了12500多项ASTM标准，其逐渐渗透并增强了消费者的信心，从而增加了不同市场间的贸易。
ASTM D02委员会——关于石油产品、液体燃料和润滑油
ASTM D02委员会成立于1904年，目前每年召开两次为期五天的技术会议，约有1000名会员（约2500人）出席。D02委员会对814项在石油产品和润滑油标准化的各方面发挥着重要作用的标准拥有管辖权，这些标准发表在《ASTM标准年鉴》（第05.01卷至第05.06卷）中。
近红外光谱——一种符合ASTM的工具，可用于评估石化产品的质量
近红外光谱（NIRS）是石化行业中既快速又可靠的质量控制方法，已拥有30多年的历史。然而，许多公司仍未考虑在其QA或QC实验室中使用近红外光谱，其原因可能是：应用经验有限或对使用近红外光谱作为替代方法的普遍犹豫。
许多公司不知道的是：现在已有许多ASTM标准是关于如何使用近红外光谱作为传统方法的替代方法的。图1显示了几个与近红外光谱相关的ASTM标准。
ASTM E1655（近红外光谱定量分析方法开发）和ASTM E1790（近红外光谱定性分析方法开发）适用于所有行业（如：聚合物、化学、石化等）。
ASTM D6122（方法验证）、ASTM D8321（多变量分析的开发与验证）和ASTM D8340（性能鉴定）专用于石化行业。这三个标准于2020年发布，其中ASTM D8340已于2021年底更新。
方法开发
ASTM E1655：红外多变量定量分析标准规程
本规程涵盖了用于测定材料物理或化学特性的红外光谱仪的多变量校准指南，适用于近红外（NIR)光谱区域（约780-2500nm）进行的分析。
ASTM E1790：近红外定性分析标准规程
本规程涵盖了近红外（NIR）光谱在液体和固体定性分析中的应用。本规程基于以下假设：大多数近红外定性分析将使用专门为此目的设计的仪器进行，并配备计算机化数据处理算法。
方法验证
ASTM D6122：多变量在线、旁线、现场和实验室红外光谱仪以及基于拉曼光谱仪的分析系统性能验证标准规程
本规程涵盖了用于计算液体石油产品和燃料的物理、化学或质量参数（即特性）的实验室、现场、过程（在线或旁线）红外（近红外或中红外分析仪，或两者兼有）和拉曼分析仪的测量验证要求。
这些要求包括以下主题：
- 分析仪校准
- 近红外光谱与实验室方法（处理和未处理样品）的相关性
- 试用验证
- 一般和持续验证
结果验证
ASTM D8321：基于光谱测量预测石油产品、液体燃料和润滑油性能的多变量分析的开发和验证标准规程
本规程涵盖了用于测定石油产品、液体燃料（包括生物燃料）和润滑油的物理、化学和性能特性的红外（IR)光谱仪和拉曼光谱仪的多变量校准指南，适用于近红外（NIR)光谱区域（约780-2500nm）进行的分析。
本标准的主要目的是建立校准期间测试结果的有效性。
ASTM D8340：光谱分析系统性能鉴定标准规程
本规程涵盖了对振动光谱分析仪系统建立的基于性能鉴定的要求，该系统用于预测基准试验方法产生的材料试验结果（前提是基准试验方法对相同材料进行了试验）。
此外，它还包括关于多变量模型的规定要求，包括多元线性回归（MLR）、偏最小二乘（PLS）、主成分回归（PCR）、交叉验证和异常统计，以及仪器注意事项。
关于近红外光谱方法所需的准确度，预期协议和用户要求是：近红外光谱预测值的标准误差应等于或小于实验室方法的重现性。
DS2500近红外油品分析仪和Vision Air软件均符合ASTM D8340
温度稳定性，见5.4节：
本标准中包含了有关近红外光谱分析仪温度稳定性的规定要求。5.4节要求在分析仪系统硬件中谨慎控制样品温度，或在建模或软件中补偿温度变化的影响。瑞士万通DS2500近红外油品分析仪针对这一问题的解决方案如图2所示。
可在我们的免费手册中了解更多关于瑞士万通DS2500近红外油品分析仪进行石化分析的可能性。
分析仪波长准确度和精密度，见6.3 节：
6.3节要求分析仪应包括一种可证明其在供应商规范范围内运行的方法。因此，分析仪应包括仪器性能测试，以证明其在历史预期限值内运行。此外，分析仪还应具有验证波长/频率精密度和准确度的方法。而且，波长精密度验证必须收集足够光谱，用于建立满足或超出用户规范的多变量模型。用于校准的分析仪的波长精密度以及分析仪到分析仪的波长准确度和重现性必须足以使分析仪通过规程D6122进行验证。瑞士万通对此的解决方案是Vision Air软件软件，如图3所示。
供应商创建的全球多变量模型，见8.2.2 节：
多变量模型可以是标准化测试方法、用户或供应商建立的全球多变量模型或用户建立的特定现场多变量模型。全球多变量模型是通过使用可代表在多个设施或地点生产的材料样品和数据开发的模型。一些地点可能会从一个全球模型开始，然后向其中添加特定现场的样品。瑞士万通为DS2500近红外油品分析仪提供了多种预校准模型 ，如图4所示。
可在我们的免费手册中，了解我们为石化行业提供的近红外光谱预校准模型。
手册：燃油的质量控制——使用近红外光谱预校准模型快速获得结果
异常值统计，见9.3、9.4和9.5节：
这些章节阐述了异常值处理的要求。识别和处理异常值对于成功满足这种基于性能的规程非常重要，可使用与建立预测模型相同或不同的软件来识别和处理异常值。对于确定特性值的样品分析，软件应根据用户设定的标准指示光谱是否被识别为异常值。样品分析表明：被确定为异常值的样品未达到预期性能。
Vision Air是瑞士万通可见-近红外光谱仪的通用软件，可满足各类仪器用户的独特需求。它提供了针对常见任务优化的特定界面——简化常规测量、方法开发、异常值处理，以及数据和仪器管理，还可与第三方软件（如：Uncrambler）兼容（图5）。
总结
在石化行业，管理层的典型要求通常是：质量控制要快、运行成本要低、反馈要快、操作要安全。
而使用者的典型要求是：分析要准确、精确，仪器要易用、快速、安全。
近红外光谱符合所有这些要求，而且如本文所示，该技术得到了多项ASTM方法开发、方法验证和结果验证标准的支持。
通过在石化行业使用近红外光谱，制造商不仅提高了石化产品的筛查和质量控制效率，而且完全符合国际公认的标准。
本系列的其他部分
本文主要介绍了ASTM标准的相关话题，以及如何使用近红外光谱作为石化和炼油行业的理想质量控制工具。其他部分主要介绍：
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