MAVERICK光譜原始數(shù)據(jù)分析及OPC UA通信

MAVERICK設(shè)備概述

908 Devices的產(chǎn)品MAVERICK是一款基于拉曼光譜技術(shù)的在線生物過(guò)程分析（PAT）設(shè)備。它使用拉曼光譜技術(shù)和基于介質(zhì)化學(xué)和設(shè)備物理，而非經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建的De Novo模型，可以自動(dòng)解釋光譜并量化過(guò)程參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)葡萄糖、乳酸和總細(xì)胞密度（TCD）的同時(shí)測(cè)量。

盡管908 Devices的MAVERICK設(shè)備的全新模型在生物過(guò)程分析中提供了即插即用的低成本快速解決方案，但我們必須承認(rèn)，目前它提供的參數(shù)還是有限的。這可能會(huì)在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景中，限制了MAVERICK設(shè)備的使用范圍和效果。

然而，值得注意的是，MAVERICK設(shè)備本身也是出色的拉曼光譜檢測(cè)設(shè)備。為了彌補(bǔ)這一局限性，MAVERICK設(shè)備同時(shí)提供了原始數(shù)據(jù)（Raw Data）輸出。這意味著用戶可以利用原始光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)自己的需求和目標(biāo)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和處理，這為用戶提供了更大的靈活性。

MAVERICK數(shù)據(jù)格式

MAVERICK設(shè)備將原始光譜數(shù)據(jù)保存為HDF5格式，文件擴(kuò)展名為“.MSP”（MAVERICK Spectral文件）。HDF5是一個(gè)開(kāi)源非營(yíng)利性管理的格式，最初設(shè)計(jì)用于支持云和并行計(jì)算環(huán)境中的大型數(shù)據(jù)集。大多數(shù)現(xiàn)代建模/計(jì)算軟件平臺(tái)支持HDF5文件格式，包括Python、Matlab、SAS、JMP和R。盡管SIMCA不原生支持HDF5文件，但可以使用Python腳本（提供示例代碼）將MAVERICK數(shù)據(jù)加載到SIMCA兼容的項(xiàng)目格式中。

MAVERICK采集方式

在測(cè)量運(yùn)行時(shí)，MAVERICK會(huì)持續(xù)自動(dòng)地從光譜儀CCD中采集交替的明場(chǎng)和暗場(chǎng)圖像對(duì)。明場(chǎng)和暗場(chǎng)圖像都會(huì)保存在MSP文件中。MAVERICK每采集一幀圖像的曝光時(shí)間為5秒。每個(gè)明場(chǎng)圖像是在激光照射下進(jìn)行的5秒采集。每個(gè)暗場(chǎng)圖像也是等效時(shí)間的采集，但沒(méi)有激光照射。MAVERICK會(huì)持續(xù)采集和保存這些明場(chǎng)和暗場(chǎng)圖像對(duì)，直到測(cè)量被暫停或停止。

這些數(shù)據(jù)都會(huì)保留在MSP文件中。

MAVERICK后處理方法

推薦的后處理方法包括暗場(chǎng)減法和響應(yīng)/量子效率校正。暗場(chǎng)減法是從明場(chǎng)圖像中減去暗場(chǎng)圖像，可以消除測(cè)量中的偽跡，如探測(cè)器暗電流、ADC電壓偏移和雜散光。響應(yīng)/量子效率校正在使用或比較多臺(tái)MAVERICK設(shè)備（或其他拉曼光譜儀）的數(shù)據(jù)時(shí)，強(qiáng)烈建議應(yīng)用。

MAVERICK特殊之處和注意事項(xiàng)

當(dāng)將MAVERICK的拉曼光譜數(shù)據(jù)與其他拉曼系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，尤其是在信噪比方面，必須考慮曝光時(shí)間和激光功率的差異。由于MAVERICK的采集時(shí)間通常比其他系統(tǒng)快得多，這對(duì)于實(shí)時(shí)控制回路和環(huán)境光管理至關(guān)重要，因此不應(yīng)僅將MAVERICK的5秒光譜與其他系統(tǒng)的30分鐘光譜進(jìn)行比較。在后處理中，可以根據(jù)需要增加平均值，以比較所需的等效曝光時(shí)間。例如，平均6個(gè)處理過(guò)的拉曼光譜相當(dāng)于1分鐘的采集時(shí)間，平均60個(gè)處理過(guò)的拉曼光譜相當(dāng)于10分鐘的采集時(shí)間。

MAVERICK的拉曼光譜數(shù)據(jù)與市面上其他商用785nm激發(fā)拉曼平臺(tái)非常相似，有一些值得的注意的方面包括：

·       有用的拉曼位移范圍大約為300到3200 cm^-1（盡管MSP文件中提供了小于300cm^-1的數(shù)據(jù)）

·       液體/固體形態(tài)中的拉曼特征具有約6-8 cm^-1的固有線寬。低于此線寬的光譜儀分辨率對(duì)線寬沒(méi)有明顯作用。

·       從生物過(guò)程中獲取的MAVERICK數(shù)據(jù)將顯示水和樣品的拉曼活性成分等特征。

·       藍(lán)寶石中將會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)拉曼位移帶。它們的存在和強(qiáng)度是有意義的——MAVERICK的連續(xù)性能驗(yàn)證檢查依賴于這些位移帶。MAVERICK的全新模型中也使用了這些藍(lán)寶石位移特征。

·       如果MAVERICK無(wú)法在拉曼光譜中看到幾個(gè)關(guān)鍵的性能驗(yàn)證特征：藍(lán)寶石、水和其他幾個(gè)專(zhuān)有方面，它實(shí)際上會(huì)中斷數(shù)據(jù)采集。因此，它不能用作通用拉曼光譜儀。

MAVERICK的OPC UA特性

MAVERICK的優(yōu)勢(shì)并非只在于其強(qiáng)大的拉曼數(shù)據(jù)處理能力，它在工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)上也有獨(dú)到之處，它不僅可以輸出模擬信號(hào)，同時(shí)相較于市場(chǎng)上的其他競(jìng)品，MAVERICK的一大優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)OPC UA（OLE for Process Control Unified Architecture）的全面支持。

OPC UA是一種用于工業(yè)自動(dòng)化和通信的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。它起源于1994年，由一群工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的軟件和硬件供應(yīng)商組成的OPC基金會(huì)開(kāi)發(fā)。OPC UA協(xié)議的優(yōu)勢(shì)包括跨平臺(tái)工作的靈活性、數(shù)據(jù)安全性以及隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息的可擴(kuò)展性。在生物制藥領(lǐng)域，OPC UA提供了構(gòu)建控制系統(tǒng)工作流的基礎(chǔ)模塊。

MAVERICK的OPC UA使用方法

一．連接OPC UA 客戶端

要使用MAVERICK的OPC UA功能，您只需要將MAVERICK Hub連接到本地網(wǎng)絡(luò)，即可在“系統(tǒng)信息”條目中，找到分配給 MAVERICK 的 IP 地址。（圖1）

圖 1.系統(tǒng)信息屏幕顯?MAVERICK IP 地址

為了讀取數(shù)據(jù)，您需要 OPC-UA 客?端。我們以“UaExpert Client”（如圖2）為例，該軟件可以免費(fèi)使?。無(wú)論您使用何種客戶端，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是相同的，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)是由 OPC-UA 服務(wù)器創(chuàng)建的，但客?端程序在菜單的呈現(xiàn)和排列??可能有所不同。

    圖2. UaExpert 及版本信息

要添加 OPC 服務(wù)器，請(qǐng)選擇“服務(wù)器 ?> 添加”或選擇符號(hào)“+”（圖3中的橙?圓圈）。

圖 3. 添加服務(wù)器菜單和?具欄按鈕

接下來(lái)，雙擊“?定義發(fā)現(xiàn)”下的“雙擊添加服務(wù)器...”，然后輸?MAVERICK的IP地址，如圖4所?。

圖4. 輸?服務(wù)器的 URL

輸?此信息后，您將看到此窗?，其中“OK”按鈕呈灰?。（如圖5）

圖5. 添加服務(wù)器 - ?定義發(fā)現(xiàn)

接下來(lái)，單擊放?鏡符號(hào)旁邊的箭頭，然后雙擊“NodeOPCU”?本以顯?“Replace Hostname”窗?，按“Yes”繼續(xù)。（圖6）

圖 6. 替換主機(jī)名

這將產(chǎn)? OPCUA 服務(wù)器下的加密選項(xiàng)列表。選擇“None”，將?份驗(yàn)證設(shè)置選擇保留為“Anonymity”。單擊“確定”。（圖7）

圖7. 加密選項(xiàng)

為了連接到服務(wù)器，請(qǐng)打開(kāi)“服務(wù)器 -> 連接”或按插頭符號(hào)（圖8中的橙?圓圈）

圖 8. 連接到服務(wù)器

?次連接到服務(wù)器時(shí)，您可能會(huì)遇到此證書(shū)驗(yàn)證窗?警告，表明證書(shū)不受信任。選擇“Trust Server Certificate”。這應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致從“Bad Certificate Untrusted”更改為“Good”。選擇“Continue”。（圖9）

圖9. 證書(shū)驗(yàn)證

二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由 OPC-UA 服務(wù)器傳輸并顯?在““Adress Space”中。（圖10）

圖 10. 地址空間

左鍵單擊特定分析物會(huì)產(chǎn)?關(guān)鍵詳細(xì)信息：Node Id、Display Name、Value、MinimumSamplingInterval。(圖11)

圖 11. 屬性

左鍵單擊“Address Space”內(nèi)的變量，按住按鈕并將其拖動(dòng)到“Data Access View”中。包含所有信息的變量將顯?在“Data Access View”內(nèi)，這其中變量將實(shí)時(shí)顯?和更新。（圖 12）

圖 12. 數(shù)據(jù)訪問(wèn)視圖

您還可以通過(guò)右鍵單擊數(shù)據(jù)訪問(wèn)視圖??部分的任意位置并選擇“add custom node”來(lái)將分析物添加到數(shù)據(jù)訪問(wèn)視圖。將 Node ID 粘貼到?本框中，并將第?個(gè)輸?框“NsIndex”設(shè)置為 1。請(qǐng)注意，第?個(gè)輸?框的值應(yīng)始終為1。圖13顯?了添加了所有 MAVERICK 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)視圖。

圖 13. 數(shù)據(jù)訪問(wèn)視圖中顯?的所有 Maverick 節(jié)點(diǎn)