Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Информационные технологии широко используются не только в науке, но и в повседневной аналитической практике. Информационные технологии имеют дело с использованием компьютеров и программного обеспечения для создания, хранения, обработки данных, для передачи и получения информации в необходимом виде посредством цифровых технологий. Разработка ИТ-решений различного уровня сложности на всевозможных платформах, в частности информационно-экспертных и информационно-аналитических систем для различных методов химического анализа является одной из приоритетных задач современной аналитической химии, над которой активно работают целые научные школы. Применение информационно-аналитических систем позволяет совершенствовать метрологические и технико-эксплуатационные характеристики методик контроля качества и стандартизации продукции, обеспечивать эффективное методическое, метрологическое и математическое сопровождение химического анализа, в том числе методик контроля биологически активных веществ.
В связи с наличием большого количества альтернативных валидизирован-ных методик требуются достоверные критерии оценки их качества, безопасности и надежности. Необходимо создание процедур оптимизации технико-эксплуатационных, потребительских характеристик методик на основе количественных критериев качества, набора правил, алгоритмов и баз данных, объединенных в информационные системы.
В настоящее время в инструментальном анализе БАВ доля электрохимических методик составляет около 10%, спектрофотометрических - 60%, а методик с применением ВЭЖХ - 30%. Чтобы минимизировать расходы и трудозатраты на разработку новых методик, повысить экологическую безопасность рабочего места аналитика и лаборатории в целом при выполнении инструментального анализа в последнее десятилетие активно разрабатываются экспертные и информационно-аналитические системы (ИАС), позволяющие по установленным правилам, с минимальным предварительным экспериментом находить подходящие условия выполнения анализа. Как правило, в инструментальных методах анализа в процессе пробоподготовки аналит переводят в раствор. В аналитическую ячейку детектора аналит подается в виде водного, водно-органического или неводного раствора. Оптимизация технико-эксплуатационных свойств индивидуальных и смешанных растворителей, применяемых в химическом и фармацевтическом анализе, остается актуальной проблемой.
Острой проблемой контроля качества продукции из натурального сырья является ее фальсификация, востребованными остаются задачи усовершенствования методов идентификации многокомпонентных смесей вариативного состава и построение на их основе контрольных карт и ИАС, а также внедрение цифровых технологий для повышения эффективности тест-анализа качества продукции.
При создании, совершенствовании и унификации методов контроля качества лекарственных средств на этапах их разработки, производства и потребления актуальным является формирование новых принципов регистрации и обработки аналитического сигнала. В этом плане перспективным направлением является применение цифровых технологий, в частности, использование возможностей
цифрового видеосигнала. Методики, разработанные на основе использования цифровых устройств, экономичны, экспрессны, не требуют специальной подготовки и высокой квалификации оператора, документируются в электронном виде.
Суммируя вышесказанное, компьютеризация, внедрение информационных и цифровых технологий в химический анализ БАВ является актульной проблемой.
В работе обобщены результаты исследований, выполненных автором на кафедре фармацевтической химии и фармацевтической технологии Воронежской государственной медицинской академии в соответствии с планами НИР ВГМА, с Координационным планом Научного совета РАН по адсорбции и хроматографии на 2000-2004 г. (код 2.15.7.2, раздел «Синтез и исследование свойств полимерных сорбентов и носителей для хроматографии», тема «Разработка экспертной системы поиска оптимальной бинарной подвижной фазы при хроматографическом разделении пищевых и физиологически активных веществ»). Часть работы выполнена в рамках гранта Министерства образования РФ по теме «Исследование закономерностей влияния содержания токсикантов в объектах производственной деятельности на окружающую природную среду», раздел «Разработка и реализация экспресс-тестов при анализе содержания токсикантов в объектах производственной деятельности» (код 87.15.03). Исследования были поддержаны грантом РФФИ 06-08-00448-а «Разработка методов диагностики качества продукции по параметрам цветности с применением цифровых технологий» (2006-2008 гг.).
Цель диссертационной работы - разработка и применение информационно-аналитических систем, мультисенсорных и цветометрических видеосистем с унифицированными критериями и интегральными показателями для химического анализа растворов биологически активных веществ.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
- формирование структурированной по аналитическим свойствам индиви
дуальных и бинарных растворителей (плотность, вязкость, пределы прозрачности
в УФ области спектра, показатель преломления, диэлектрическая проницаемость,
элюирующая способность, температура кипения, температура вспышки и др.) ба
зы данных бинарных растворителей.
- создание прототипа ИАС, позволяющего решать задачу определения оп
тимальных технико-эксплуатационных свойств растворителей и эффективность
инструментальной методики определения БАВ с применением обобщенных кри
териев и обобщенных целевых функций;
- алгоритмизация построения идентификационных зон, контрольных карт,
позволяющих по экспериментальным данным проводить экспертизу качества жи
ровой продукции, обнаруживать ее фальсификацию и разработка прототипа ИАС
для идентификации многокомпонентной смеси триглицеридов и аминокислот в
растительных маслах, животных жирах и молоке;
разработка цифровых цветометрических способов идентификации и количественного анализа водных инъекционных лекарственных растворов, витаминов, растительных экстрактов БАВ, водных растворов фенольных соединений;
унификация способов количественной интерпретации многомерного аналитического сигнала мультисенсорных систем и разработка приемов многопараметрической градуировки и интегральных показателей для оптических мультисенсорных систем, основанных на анализе видеосигнала от нескольких чувствитель-
ных элементов;
создание оригинальной микрофотографической мультисенсорной системы, основанной на регистрации цифрового изображения набухающих в анализируемом растворе гранул ионогенных и неионогенных полимеров для количественного определения БАВ в водных и водно-этанольных растворах;
проведение метрологических исследований методик, основанных на регистрации цифрового изображения, сопоставление характеристик этих методик с параметрами спектрофотометрических методик и визуальной экспертизы;
разработка способа свертки и интерпретации ИК-спектроскопических данных при определении содержания общего белка в слезной жидкости;
Научная новизна работы:
Впервые получены при разных рабочих температурах изотермы плотности, вязкости, проницаемости, поверхностного натяжения бинарных растворителей, применяемых в качестве экстрагентов в жидкостно-жидкостной экстракции (ЖЖЭ) и подвижных фаз (ПФ) для ВЭЖХ. Эмпирические зависимости использованы как составляющие целевые функции при оптимизации условий ЖЖЭ и ВЭЖХ. Разработан и опробован при оптимизации и унификации обращенно-фазовых методик ВЭЖХ обобщенный критерий элюирующей способности растворителей.
Теоретически обоснованы и экспериментально испытаны количественные критерии выбора оптимальных растворителей для экстракционно-хроматографического метода анализа с рефрактометрическим, спектрофотометри-ческим и электрохимическим способами детектирования.
Показано, что цветометрические методы применимы для разработки методик количественного определения содержания БАВ в водных растворах и биологических жидкостях. Найдены условия получения аналитического сигнала (координат цвета в системе RGB), обеспечивающие воспроизводимость и правильность измерений. Впервые предложено применять обобщенные количественные зависимости параметров цвета от концентрации аналита по двум цветным тестам аминокислот, дипептидов и белков в водных растворах - с ионами Си2+ и нингидри-ном, фенольных соединений - с диазотированным исрт-нитроанилином и хлоридом железа(Ш).
Показана возможность при регистрации методом цифровой микроскопии применения в качестве аналитического сигнала эффектов набухания полимерных ионогенных и неионогенных сорбентов в виде сферических гранул в водных растворах аминокислот, глицилглицина и лизоцима. Набор гранул различных полимеров впервые использован в качестве чувствительных элементов сенсоров. Создан прототип оптической мультисенсорной системы, основанной на видеорегистрации объемных эффектов нескольких гранул в анализируемом растворе. Теоретически обоснован и экспериментально проверен выбор материалов гранул для использования их в качестве чувствительных элементов мультисенсорной системы при определении аминокислот и водорастворимых лекарственных средств в растворах. Показана возможность количественного определения общего белка в изотонических растворах и слезной жидкости на основе цифровой микрофотографической регистрации эффектов набухания гранул.
Разработан обобщенный показатель на основе лепестковых диаграмм (ЛД) с
6 несколькими осями в полярных координатах для визуализации и количественной обработки многомерного мультисенсорного, хроматографического или ИК-спектроскопического сигнала. Для этих целей предложено использовать ЛД «площадь (высота) пика - номер характеристического пика», «относительный объём (диаметр) - номер набухающей гранулы», «интенсивность компонент цветности - номер цветной реакции».
Разработан способ контроля общего белка в СЖ и диагностики офтальмологических заболеваний с использованием метода ИК-спектроскопии.
Разработаны алгоритмы идентификации продуктов, представляющих собой многокомпонентные смеси с вариативным составом, содержащие примеси или фальсифицирующие добавки такого же качественного состава, что и основной продукт (на примере растительных масел и животных жиров). Разработаны принципы построения и прототип экспертно-аналитической системы, позволяющей по контрольным картам проводить экспертизу жиров на соответствие заявленному сертификату или ГОСТ. Система включает базу данных (БД) по жирнокислотному составу (16 жирных кислот) и интегральные показатели (па tnmB, tomepa, кислотное, йодное, пероксидное и другие числа).
Практическая значимость:
Создана база данных (БД) по растворителям, применяемым для пробоподго-товки методом жидкостно-жидкостной экстракции (ЖЖЭ), выполнена рейтинговая оценка индивидуальных и бинарных растворителей для экстракционно-инструментальных методик определения. В оболочке MS Excel и MS Access создан прототип ИАС, которая в рамках заданных граничных условий по обобщенным критериям и обобщенным целевым функциям находит оптимальные технические решения при выборе индивидуальных или бинарных растворителей для про-боподготовки и реализации конкретных инструментальных методик.
Усовершенствованы экстракционно-инструментальные методики определения фенольных соединений в водных растворах, в гидрофильных и гидрофобных средах и материалах, в частности, методики определения антиоксидантов фенольного типа в присутствии низкомолекулярных фенолов, капсаициноидов и ионола в перцовых пластырях, синэстрола, ионола в гидрофобных лекарственных формах.
Разработаны унифицированные способы установления фальсификации растительных масел и жиров по хроматографическим и интегральным данным. Предложены контрольные карты (КК) и лепестковые диаграммы (ЛД), визуализирующие многокритериальные идентификационные зоны для процедуры идентификации.
Определена межприборная воспроизводимость интенсивностей компонент цвета в цветовой модели RGB для цифровых регистрирующих устройств - фотокамер (ЦФК) и планшетных сканеров (ПС) ведущих фирм-производителей.
Сконструированы специальные боксы для фотографического и сканермет-рического способов регистрации видеосигнала. В оболочке пакетов программ Mathcad и MS Excel разработаны алгоритмы обработки цветных изображений, построения градуировочных зависимостей, расчета цветных чисел, концентраций и погрешности измерения. Разработан комплекс методик: определения цветности растительных масел, воды, экстрактов растительных пигментов, лекарственных форм в виде растворов с применением цифровой фотографии и сканерметрии;
цветометрического определения аминокислот, фенолов в водных растворах, нитритов в моче, нитропроизводных в лекарственных формах с использованием одной или двух цветных реакций; определения общего белка в слезной жидкости и способ диагностики некоторых офтальмологических заболеваний методом ИК спектроскопии.
Разработаны способы определения содержания лизоцима в изотоническом растворе, вимпоцетина, дротаверина, новокаина и пирацетама в инъекционных лекарственных формах, растительных экстрактов в водно-спиртовых растворах с использованием цифровой микрофотографии эффектов набухания полимерных гранул в анализируемых растворах.
Приоритет и новизна выполненных исследований подтверждены патентами РФ на изобретения и полезную модель.
Методики определения БАВ и диагностики апробированы на предприятии ОАО «ЭкоВатер», ООО «Аглютен», на кафедре фармацевтической химии и фармацевтической технологии ВГМА, ОАО «Воронежский молочный комбинат», АООТ «ЗРМ Бутурлиновский».
Личный вклад автора. Результаты, полученные в соавторстве и отражённые в диссертации, заключаются в теоретическом обосновании и постановке проблемы, разработке общих алгоритмов и подходов, в системном анализе собственных и литературных данных. Все экспериментальные работы выполнены автором под его руководством или при личном участии.
Положения, выносимые на защиту:
Принципы и продукционные правила построения информационно-аналитических систем для подбора индивидуальных и смешанных растворителей, применяемых в экстракционно-инструментальных методах анализа, основанные на критериях оптимальности физико-химических и технико-эксплуатационных свойств растворителей, критериях их совместимости с аналитами, аппаратурой и способами детектирования.
Новый подход к поиску оптимальных решений при выборе условий инструментального анализа растворов БАВ, состоящий в численном решении системы уравнений, определяющих частные и обобщенные критерии, частные и обобщенные целевые функции, характеризующие систему «матрица - растворитель - ана-лит - детектирующее устройство».
Усовершенствованные способы определения БАВ в растворах с использованием экстракционно-хроматографических методик, в которых реализованы оптимизированные с помощью информационно-аналитической системы составы растворителей для пробоподготовки методом жидкостно-жидкостной экстракции и составы подвижных фаз для ВЭЖХ.
Способы решения задач идентификации, проверки подлинности, обнаружения фальсификации многокомпонентной смеси БАВ с использованием контрольных карт и баз данных, интегрированных в простые информационно-аналитические системы, заключающиеся в установлении одного или нескольких контролируемых значений определяемых показателей, выходящих за коридор допустимых значений с учетом погрешности определения этих показателей.
Унифицированный способ свертки, визуализации и интерпретации многомерного аналитического сигнала от мультисенсорной, хроматографической или
ИК-спектроскопической системы в виде контрольных карт с идентификационными зонами и в виде лепестковых диаграмм с несколькими осями в полярных координатах. Применимость геометрических параметров лепестковых диаграмм, построенных в оболочке прикладных математических программ Microsoft Excel и MathCAD: площади, периметра, коэффициента близости векторных массивов, фрактальности в качестве интегральных идентификационных критериев, а площади и периметра - для количественных измерений концентраций аналита.
Возможность применения параметров цветности, полученных с использованием цифровых изображений, для контроля качества фармацевтической и пищевой продукции и количественного анализа БАВ. Эффективность использования 2-х цветных реакций для цветометрического определения БАВ в растворах.
Возможность применения эффектов набухания-контракции нескольких (5-12) гранул ионогенных и неионогенных полимеров, зарегистрированных с помощью цифровых технологий, в качестве мультисенсорной системы для идентификации и количественного анализа растворов БАВ в связи с тем, что гранулы из разных материалов проявляют селективную чувствительность к составу растворов, а эффекты набухания зависят от природы и концентрации аналитов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях, симпозиумах и конгрессах:
Всерос. конф. "Химический анализ веществ и материалов", М., 2000; I, II, IV, V, VI Всерос. конф. «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах. Фагран» Воронеж, 2002, 2004, 2008, 2010 и 2012; Всерос. симп. «Хроматография и хроматограф, приборы», М., 2004; II и III Всерос. научно-метод. конф. ««Пути и формы совершенствования фармацевтического образования. Создание новых физиологически активных веществ», Воронеж, 2005, 2007; Всерос. конф. «Теория и практика хроматографии. Применение в нефтехимии», Самара, 2005; Всерос. научно-практич. конф. «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» Белокуриха, 2006; II Всерос. конф. «Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья». Белгород, 2006; Всерос. симп. «Хроматография в химическом анализе и физико-химических исследованиях», М., 2007; II и III Всерос. конф. «Аналитика России», Краснодар, 2007, 2009; XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, М., 2007; Всерос. симп. «Хроматография и хромато-масс-спектрометрия», М., 2008; IV Всеросс. конф. «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», Барнаул, 2009; III Всерос. конф. «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы», 2009, М.; VII Всерос. конф. "Экоаналитика-2009", Йошкар-Ола, 2009; Всерос. конф. «Теория и практика хроматографии. Хроматография и нанотехнологии», Самара, 2009; III Всерос. науч. школа-семинар участием «Хроматографические, ионообменнные и мембранные процессы», Воронеж, 2009; Съезд аналитиков «Аналитическая химия - новые возможности» М., 2010; Всерос. конф. «Хроматография народному хозяйству», Дзержинск, 2010; Всерос. конф. «Аналитическая хроматография и электрофорез», Туапсе, 2010; Всеросс. конф. с элементами научной школы для молодежи «Нано- и супрамодекулярная химия в сорбционных и ионообменных процесса», Белгород, 2010; III Всеросс. симп. «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии», Туапсе, 2011; Всерос. конф. «Бутлеровское наследие-2011», Казань, 2011; Конф.
«Методы анализа и контроля качества воды», М., 2012; Всерос. конф. по аналитической спектроскопии, Краснодар, 2012.
Междунар. науч. семинар «100 лет хроматографии», Воронеж, 2003; II Междунар. симп. «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии», Краснодар, 2005; Intern. Congress on Anal. Sciences, Moscow, ICAS-2006; Intern. Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology", Krasnodar, 2006; 12 Intern. Symp. of Olfaction and Electronic Noses. ISOEN 2007, St. Petersburg, 2007; II междунар. науч. конф. молодых учёных-медиков, Курск, 2008; III Междунар. конф. «Сорбенты - как фактор здоровья», Белгород, 2008; Междунар. форум «Аналитика и аналитики», Воронеж, 2008; II Междунар. симп. по сорбции и эктракции, Владивосток, 2009; X, XIII Междунар. конф. «Физико-химические основы ионообменных процессов (Иониты)», Воронеж, 2011; Междунар. НТК «Современные достижения биотехнологии. Биотехнология пищевых производств», Ставрополь, 2011; II Междунар. конф. «Современная медицина и фармацевтика: анализ и перспективы развития», М., 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 92 работы, в том числе 41 статья в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных трудов, получено 4 патента РФ на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, списка цитируемой литературы из 390 источников, приложения. Материал работы изложен на 410 страницах, содержит 185 рисунков, 119 таблиц, титульные листы патентов, акты внедрения.
