computación óptica multivariada

La computación óptica multivariante , también conocida como computación de factores moleculares, es un enfoque para el desarrollo de instrumentos espectroscópicos de detección comprimida , particularmente para aplicaciones industriales como el soporte analítico de procesos . Los métodos espectroscópicos "convencionales" suelen emplear métodos multivariantes y quimiométricos , como la calibración multivariante , el reconocimiento de patrones y la clasificación , para extraer información analítica (incluida la concentración) de datos recopilados en diferentes longitudes de onda. La computación óptica multivariante utiliza un ordenador óptico para analizar los datos a medida que se recopilan. El objetivo de este enfoque es producir instrumentos sencillos y robustos que, a la vez, conserven las ventajas de las técnicas multivariantes para la exactitud y precisión del resultado.

Un instrumento que implementa este enfoque puede describirse como una computadora óptica multivariante . Dado que describe un enfoque, en lugar de un rango de longitud de onda específico, las computadoras ópticas multivariantes pueden construirse utilizando una variedad de instrumentos diferentes (incluidos el infrarrojo por transformada de Fourier ( FTIR ) ^{[ 1 ]} y el Raman ^{[ 2 ]} ).

El "software" en computación óptica multivariante se codifica directamente en un motor de cálculo espectral de elementos ópticos, como un elemento óptico multivariante (MOE) basado en filtro de interferencia , una rejilla holográfica , un filtro sintonizable de cristal líquido , un modulador espacial de luz (SLM) o un dispositivo de micromirror digital (DMD), y es específico para la aplicación particular. El patrón óptico para el motor de cálculo espectral está diseñado con el propósito específico de medir la magnitud de ese patrón de múltiples longitudes de onda en el espectro de una muestra, sin medir realmente un espectro. ^{[ 3 ]}

La computación óptica multivariante permite diseñar instrumentos con las matemáticas del reconocimiento de patrones integradas directamente en un ordenador óptico, que extrae información de la luz sin registrar un espectro. Esto posibilita alcanzar la velocidad, la fiabilidad y la robustez necesarias para los instrumentos de control de procesos en línea y en tiempo real.

La computación óptica multivariante codifica un vector de regresión óptica analógica de una función de transmisión para un elemento óptico. La luz que emana de una muestra contiene la información espectral de dicha muestra, independientemente de si se detecta o no su espectro. A medida que la luz atraviesa la muestra a través del elemento, la intensidad normalizada, detectada por un detector de banda ancha, es proporcional al producto escalar del vector de regresión con dicho espectro; es decir, es proporcional a la concentración del analito para el que se diseñó el vector de regresión. La calidad del análisis es, por lo tanto, igual a la calidad del vector de regresión codificado. Si la resolución del vector de regresión se codifica con la resolución del instrumento de laboratorio a partir del cual se diseñó dicho vector, y la resolución del detector es equivalente, entonces la medición realizada mediante computación óptica multivariante será equivalente a la realizada con ese instrumento de laboratorio por medios convencionales. Esta técnica está ganando terreno en un nicho de mercado para la detección en entornos hostiles. En concreto, se ha adoptado para su uso en la industria petrolera para la detección de la composición de hidrocarburos en pozos petrolíferos y el monitoreo de oleoductos. En tales situaciones, las mediciones de calidad de laboratorio son necesarias, pero en entornos hostiles. ^{[ 4 ]}

Aunque el concepto de utilizar un único elemento óptico para la regresión y detección de analitos se sugirió en 1986, ^{[ 5 ]} el primer dispositivo con concepto MOC completo fue publicado en 1997 por el grupo Myrick en la Universidad de Carolina del Sur , ^{[ 6 ]} con una demostración posterior en 2001. ^{[ 7 ]} La técnica ha recibido un gran reconocimiento en la industria óptica como un nuevo método para realizar análisis ópticos con ventajas para la detección en entornos hostiles. ^{[ 4 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} La técnica se ha aplicado a la espectroscopia Raman, ^{[ 2 ] [ 11 ] [ 12 ]} espectroscopia de fluorescencia , ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} espectroscopia de absorbancia en el UV-Vis , ^{[ 7 ] [ 20 ]} NIR ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} y MIR , ^{[ 24 ] [ 25 ]} microscopía , ^{[ 26 ]} espectroscopia de reflectancia ^{[ 27 ]} e imágenes hiperespectrales . ^{[ 11 ] [ 20 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} En los años transcurridos desde la primera demostración, se han demostrado aplicaciones para la defensa, ^{[ 30 ]} la ciencia forense, ^{[ 31 ]} el monitoreo de reacciones químicas, ^{[ 6 ] [ 32 ]} el monitoreo ambiental , ^{[ 8 ] [ 33 ] [ 34 ]} el reciclaje, ^{[ 21] [ 35 ]} alimentos y medicamentos, ^{[ 28 ] [ 36 ]} ciencias médicas y de la vida, ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} y la industria petrolera. ^{[ 4 ] [ 10 ] [ 25 ] [ 32 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} La primera demostración publicada del uso de MOC en entornos hostiles fue en 2012 con un estudio de laboratorio con temperaturas de 150 °F a 350 °F y presiones de 3000 psi a 20 000 psi, ^{[ 10 ]} seguido en 2013 con ensayos de campo en pozos petroleros. ^{[ 42 ]}