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)驗數(shù)據(jù)構(gòu)建的De Novo模型，可以自動解釋光譜并量化過程參數(shù)，從而實現(xiàn)葡萄糖、乳酸和總細胞密度（TCD）的同時測量。

盡管908 Devices的MAVERICK設(shè)備的全新模型在生物過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，目前它提供的參數(shù)還是有限的。這可能會在一些特定的應(yīng)用場景中，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設(shè)備。為了彌補這一局限性，MAVERICK設(shè)備同時提供了原始數(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)，對這些數(shù)據(jù)進行建模和處理，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，文件擴展名為“.MSP”（MAVERICK Spectral文件）。HDF5是一個開源非營利性管理的格式，最初設(shè)計用于支持云和并行計算環(huán)境中的大型數(shù)據(jù)集。大多數(shù)現(xiàn)代建模/計算軟件平臺支持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兼容的項目格式中。

MAVERICK采集方式

在測量運行時，MAVERICK會持續(xù)自動地從光譜儀CCD中采集交替的明場和暗場圖像對。明場和暗場圖像都會保存在MSP文件中。MAVERICK每采集一幀圖像的曝光時間為5秒。每個明場圖像是在激光照射下進行的5秒采集。每個暗場圖像也是等效時間的采集，但沒有激光照射。MAVERICK會持續(xù)采集和保存這些明場和暗場圖像對，直到測量被暫?；蛲Ｖ埂?/span>

這些數(shù)據(jù)都會保留在MSP文件中。

MAVERICK后處理方法

推薦的后處理方法包括暗場減法和響應(yīng)/量子效率校正。暗場減法是從明場圖像中減去暗場圖像，可以消除測量中的偽跡，如探測器暗電流、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MAVERICK設(shè)備（或其他拉曼光譜儀）的數(shù)據(jù)時，強烈建議應(yīng)用。

MAVERICK特殊之處和注意事項

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)進行比較時，尤其是在信噪比方面，必須考慮曝光時間和激光功率的差異。由于MAVERICK的采集時間通常比其他系統(tǒng)快得多，這對于實時控制回路和環(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間。例如，平均6個處理過的拉曼光譜相當(dāng)于1分鐘的采集時間，平均60個處理過的拉曼光譜相當(dāng)于10分鐘的采集時間。

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線寬沒有明顯作用。

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

·       藍寶石中將會出現(xiàn)幾個拉曼位移帶。它們的存在和強度是有意義的——MAVERICK的連續(xù)性能驗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寶石位移特征。

·       如果MAVERICK無法在拉曼光譜中看到幾個關(guān)鍵的性能驗證特征：藍寶石、水和其他幾個專有方面，它實際上會中斷數(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)勢并非只在于其強大的拉曼數(shù)據(jù)處理能力，它在工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)上也有獨到之處，它不僅可以輸出模擬信號，同時相較于市場上的其他競品，MAVERICK的一大優(yōu)勢在于其對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)自動化領(lǐng)域的軟件和硬件供應(yīng)商組成的OPC基金會開發(fā)。OPC UA協(xié)議的優(yōu)勢包括跨平臺工作的靈活性、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，該軟件可以免費使?。無論您使用何種客戶端，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是相同的，因為該結(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，請選擇“服務(wù)器 ?> 添加”或選擇符號“+”（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，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，單擊放?鏡符號旁邊的箭頭，然后雙擊“NodeOPCU”?本以顯?“Replace Hostname”窗?，按“Yes”繼續(xù)。（圖6）

圖 6. 替換主機名

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

圖7. 加密選項

為了連接到服務(wù)器，請打開“服務(wù)器 -> 連接”或按插頭符號（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，您可能會遇到此證書驗證窗?警告，表明證書不受信任。選擇“Trust Server Certificate”。這應(yīng)該會導(dǎo)致從“Bad Certificate Untrusted”更改為“Good”。選擇“Continue”。（圖9）

圖9. 證書驗證

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產(chǎn)?關(guān)鍵詳細信息：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)，這其中變量將實時顯?和更新。（圖 12）

圖 12. 數(shù)據(jù)訪問視圖

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

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