Nghiên cứu phát triển phương pháp chemometric để xác định đồng thời các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau và áp dụng trong phân tích dutom tat LA trang (tieng viet)

sẽ mắc sai số lớn Trên thế giới đã có một số nghiên cứu áp dụng phương pháp lọc Kalman vào chemometric – trắc quang để xác định đồng thời hỗn hợp 2 hoặc 3 chất trong dược phẩm, song các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

-

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP CHEMOMETRIC ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CÁC CHẤT CÓ PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ XEN PHỦ NHAU VÀ ÁP DỤNG TRONG PHÂN TÍCH DƯỢC PHẨM

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

-

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP CHEMOMETRIC ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CÁC CHẤT CÓ PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ XEN PHỦ NHAU VÀ ÁP DỤNG TRONG PHÂN TÍCH DƯỢC PHẨM

CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH

MÃ SỐ: 62 44 01 18 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Năm 2018

1

MỞ ĐẦU

Thuật ngữ chemometric được đưa ra đầu tiên vào năm

1972 bởi Svante Wold (người Thụy Điển) và Bruce R Kowalski (người Mỹ) Sau đó sự ra đời của Hiệp hội Chemometric vào năm

1974 đã đưa ra định nghĩa đầu tiên của ngành chemometric, đó là việc ứng dụng các phương pháp toán học, thống kê, đồ họa,… để quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hóa các thông tin hóa học trích ra từ tập số liệu phân tích và đưa ra tối đa những thông tin hữu ích từ tập

số liệu ban đầu

Chemometric được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như hóa học môi trường, hóa học hữu cơ, hóa sinh, hóa học lý thuyết, thống kê trong hóa học và đặc biệt là đã xác lập được vị trí quan trọng trong ngành hóa học phân tích.Hóa học phân tích là công cụ phục vụ đắc lực trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ, như hóa học, sinh học, nông học, y học, thực phẩm…, đặc biệt là trong ngành dược phẩm

Các phương pháp chemometric đã được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm trong nhiều năm qua để phân tích đồng thời hỗn hợp các chất trong các đối tượng khác nhau, trong đó có dược phẩm Các công trình nghiên cứu cho thấy, các phương pháp chemometric thường được dùng nhiều nhất là phương pháp bình phương tối thiểu riêng phần (PLS), phương pháp hồi quy cấu tử chính (PCR), phương pháp bình phương tối thiểu cổ điển (CLS), phương pháp mạng nơron nhân tạo (ANN), phương pháp phổ đạo hàm, phương pháp lọc Kalman (Kalman filter)… Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng Phương pháp CLS có thể sử dụng toàn bộ số liệu đo phổ

để lập ra hệ m phương trình n ẩn số (m>n) Phép biến đổi ma trận theo nguyên tắc của phương pháp bình phương tối thiểu sẽ cho ra các kết quả mắc sai số thỏa mãn yêu cầu Tuy nhiên nếu trong bộ số liệu đo phổ có nhiều nhiễu (hay sai số đo phổ) và/hoặc khi các cấu tử có tương tác với nhau tạo ra hiệu ứng quang học làm thay đổi hệ số hấp thụ của từng cấu tử, thì phương pháp này không loại được nhiễu, dẫn đến kết quả phân tích mắc sai số lớn ; Phương pháp ANN có nhược điểm là thời gian luyện mạng lâu và nó đòi hỏi nhiều thuật toán khác nhau, nên khi xây dựng một mô hình phân tích, đòi hỏi phải thử nhiều

sẽ mắc sai số lớn

Trên thế giới đã có một số nghiên cứu áp dụng phương pháp lọc Kalman vào chemometric – trắc quang để xác định đồng thời hỗn hợp 2 hoặc 3 chất trong dược phẩm, song các nghiên cứu đó hoặc không đưa ra cách lựa chọn giá trị khởi tạo phù hợp hoặc không đề cập đến các giá trị khởi tạo và do vậy, rất khó áp dụng cho các phòng thí nghiệm phân tích Ở nước ta, Mai Xuân Trường đã nghiên cứu áp dụng phương pháp lọc Kalman để xác định đồng thời các vitamin trong dược phẩm, các nguyên tố đất hiếm…nhưng do tác giả cũng không giới thiệu về cách chọn giá trị khởi tạo và do vậy, đã hạn chế khả năng áp dụng phương pháp đề xuất vào thực tế

Xuất phát từ các vấn đề trên, rõ ràng những nghiên cứu phát triển phương pháp chemometric – trắc quang kết hợp với

sử dụng phương pháp lọc Kalman là rất cần thiết, đặc biệt là trong định lượng đồng thời các hỗn hợp chất khó phân tích – các hỗn hợp chứa các chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau - trong các đối tượng mẫu khác nhau, trong đó có các mẫu dược phẩm Song, thách thức đặt ra là phải tìm được giải pháp phù hợp để lựa chọn giá trị khởi tạo cho bộ lọc Kalman sao cho đưa

ra các kết quả phân tích chính xác (độ lặp lại và độ đúng tốt) hay mắc sai số chấp nhận được, đồng thời cần xây dựng được quy trình phân tích theo phương pháp chemmometric – trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman sao cho có thể áp dụng thuận lợi trong trong lĩnh vực kiểm nghiệm dược phẩm ở

nước ta Với các lí do đó, đề tài “Nghiên cứu phát triển phương

3

pháp chemometric để xác định đồng thời các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau và áp dụng trong phân tích dược phẩm”

được thực hiện nhằm mục đích:

i) Xây dựng được quy trình phân tích chemometric - trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman để phân tích đồng thời hỗn hợp 2 và 3 chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau trong các mẫu dược phẩm;

ii) Áp dụng quy trình xây dựng được để phân tích đồng thời hỗn hợp 2 và 3 chất trong một số loại dược phẩm đang lưu hành trên thị trường Việt Nam

Bố cục của luận án

Luận án gồm 184 trang, với 50 bảng và 14 hình, trong đó:

- Mục lục, danh mục viết tắt, bảng, hình: 09 trang

- Phần mở đầu: 04 trang

- Chương 1: Tổng quan 43 trang

- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu 16 trang

- Chương 3: Kết quả và thảo luận 67 trang

- Kết luận: 02 trang

- Danh mục các công trình công bố kết quả nghiên cứu:

01 trang

Tài liệu tham khảo: 15 trang, với 127 tài liệu tham khảo

NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

- Định luật Bughe-Lambe-Bia và tính chất cộng tính độ hấp thụ quang

+ Định luật Bughe – Lambe - Bia

+ Tính chất cộng tính độ hấp thụ quang

- Một số phương pháp phân tích quang phổ UV-VIS kết hợp với chemometric xác định đồng thời các cấu tử có phổ hấp thụ xen phủ nhau

+ Phương pháp Vierordt

+ Phương pháp phổ đạo hàm

+ Phương pháp phổ toàn phần (Phương pháp bình phương tối thiểu hệ đa biến)

+ Phương pháp bình phương tối thiểu từng phần

+ Phương pháp bình phương tối thiểu từng phần

+ Phương pháp hồi quy cấu tử chính

+ Tổng quan về paracetamol (PAR) và caffeine (CAF) + Tổng quan về paracetamol (PAR) và ibuprofen (IB) +Tổng quan về amlodipine besylat (AML), hydroclorothiazid (HYD), valsartan (VAL)

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1 Nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp phù hợp để lựa chọn được giá trị khởi tạo (giá trị nồng độ và phương sai ban đầu) cho bộ lọc Kalman để áp dụng trong phương pháp chemometric – trắc quang xác định đồng thời hỗn hợp các chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau (hỗn hợp chứa 2 chất và hỗn hợp chứa

3 chất)

2 Nghiên cứu xây dựng chương trình máy tính theo thuật toán lọc Kalman trên phần mềm Microsoft-Excel 2016 với ngôn ngữ lập trình Visual Basic for Applications, cho phép tính toán nhanh nồng độ các cấu tử có phổ hấp thụ quang phân tử xen phủ nhau trong hệ nghiên cứu (chứa 2 hoặc 3 chất đồng thời)

3 Kiểm định độ tin cậy của phương pháp phân tích – Phương pháp chemometric-trắc quang sử dụng thuật toán lọc Kalman: So sánh phương pháp phân tích với phương pháp chemometric-trắc quang khác (phương pháp bình phương tối thiểu dùng phổ toàn phần và phương pháp phổ đạo hàm) khi phân tích mẫu chuẩn phòng thí nghiệm (chứa 2 hoặc 3 chất phân tích)

4 Xây dựng quy trình phân tích theo phương pháp chemometric-trắc quang sử dụng thuật toán lọc Kalman (tính toán bằng chương trình phần mềm đã xây dựng được)

5

5 Áp dụng quy trình phân tích xây dựng được vào thực tế - phân tích các mẫu dược phẩm đa thành phần (chứa 2 hoặc 3 thành phần) đang lưu hành ở thị trường Việt Nam

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp lọc Kalman và chương trình tính

i) Ghi phổ của dung dịch đơn chất phân tích (dung dịch chuẩn phòng thí nghiệm) và dung dịch hỗn hợp các chất phân tích, thu được bộ dữ liệu phổ (độ hấp thụ quang ở k bước sóng lựa chọn) ở dạng file có đuôi txt (số bước sóng lựa chọn tùy thuộc vào đặc điểm của các cấu tử trong hệ nghiên cứu); ii) Nhập file dữ liệu phổ đơn chất và hỗn hợp chất vào chương trình phần mềm máy tính (lập trình trên phần mềm Microsoft-Excel 2016) để tính các giá trị ε (hệ số hấp thụ phân tử) của các đơn chất;

iii) Chạy bộ lọc Kalman:

- Đưa ra giá trị khởi tạo ban đầu, gồm: ước lượng đầu tiên của trạng thái nồng độ Cest(0) và hiệp phương sai của sai số Pest(0)

(nội dung nghiên cứu (1) sẽ đưa ra giá trị khởi tạo ban đầu);

- Ngoại suy dự báo trạng thái nồng độ:

6

Các bước tính toán trên được thực hiện từ bước sóng thứ nhất đến bước sóng cuối cùng Cuối cùng, chương trình tính sẽ cho ra kết quả gồm: Nồng độ mỗi cấu tử trong hệ và hiệp phương sai của sai số Hiệp phương sai này thường bé nhất ở bước sóng cuối cùng

2.2.2 Phương pháp bình phương tối thiểu sử dụng phần mềm simulan (BPTT)

Bước 1 Chuẩn bị các dung dịch chuẩn riêng từng cấu tử và hỗn hợp của chúng

Bước 2: Ghi phổ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn để tính ma trận hệ số hấp thụ của các cấu tử: ε= (εij )mxn

Bước 3: Ghi phổ hấp thụ quang (A) của dung dịch hỗn hợp, nhập ma trận: A = (Ai1)mx1

Bước 4: Giải hệ m phương trình n ẩn số: A= ε C để tìm ra nồng độ C

Bước 3: Sau khi xác định được bước sóng đo ở một bậc đạo hàm nhất định, tiến hành định lượng các chất theo phương pháp đường chuẩn hoặc thêm chuẩn

2.2.4 Phương pháp xây dựng chương trình máy tính

Phương pháp trắc quang – chemometric dùng phổ toàn phần kết hợp thuật toán lọc Kalman được viết trên phần mềm Microsoft-Excel với ngôn ngữ lập trình Visual basic for Applications (VBA)

2.2.6 Phương pháp xử lý số liệu

Tính toán các đại lượng thống kê (trung bình số học, độ lệch chuẩn, RSD); so sánh hai độ lặp lại (hay hai phương sai), dùng kiểm định F (F-test); So sánh hai giá trị trung bình, dùng

7

kiểm định t (t-test); So sánh hai phương pháp, dùng kiểm định t theo cặp (paired-t-test)

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 LỰA CHỌN GIÁ TRỊ KHỞI TẠO BAN ĐẦU 3.1.1 Lựa chọn giá trị khởi tạo ngẫu nhiên

Theo cách này, chọn giá trị khởi tạo ngẫu nhiên là có thể chọn một giá trị bất kì cho nồng độ Cest(0) và phương sai Pest(0) Đối với hỗn hợp chứa 2 chất hoặc 3 chất (là hỗn hợp các chất chuẩn trong phòng thí nghiệm), trong nghiên cứu này đều lựa chọn ngẫu nhiên giá trị khởi tạo ban đầu đối với mỗi chất đều là nồng độ Cest(0) = 0,3 µg/mL và phương sai Pest(0) = 1

Bảng 3.1 Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong

hỗn hợp theo phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo ngẫu nhiên(*)

%) Giá trị nồng độ xác định được ở tất cả các hỗn hợp đều bằng giá trị nồng độ khởi tạo đưa vào ban đầu (0,3 µg/mL)

Bảng 3.2 Kết quả xác định nồng độ AML, HYD và VAL

trong hỗn hợp theo phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá

trị khởi tạo ngẫu nhiên(*)

AML

Co (µg/mL) 0,250 0,50 1,00 5,00

C (µg/mL) 0,300 0,300 0,300 0,304

RE % bé nhất (-5,5 %) ứng với nồng độ chuẩn là 0,325 (gần với nồng độ khởi tạo x = 0,3) Nồng độ chuẩn càng xa giá trị khởi tạo thì RE % càng lớn

Như vậy, với các kết quả kiểm chứng ở bảng 3.1 và bảng 3.2, có thể nhận thấy rằng phương pháp khởi tạo theo cách chọn giá trị nồng độ và phương sai ngẫu nhiên là chưa hoàn thiện, các kết quả tính toán được còn mắc sai số tương đối lớn

3.1.2 Lựa chọn giá trị khởi tạo giả định

Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát một cách lựa chọn giá trị khởi tạo giả định khác so với các nghiên cứu trước đây (đối với hệ 2 hoặc 3 chất):

- Phương án 1: Giải hệ 2 (hoặc 3) phương trình với 2 (hoặc

3) ẩn số là nồng độ chất) ở 2 (hoặc 3) bước sóng gần nhau (phương trình phụ thuộc giữa độ hấp thụ quang và nồng độ chất trong hỗn hợp với các hệ số hấp thụ phân tử biết trước, tính toán

từ phổ của dung dịch chuẩn đơn cấu tử/hay đơn chất), sẽ xác định được nồng độ các chất trong hỗn hợp, và lấy chúng làm các giá trị khởi tạo nồng độ Còn giá trị khởi tạo phương sai được lựa chọn ngẫu nhiên, chẳng hạn bằng 1

- Phương án 2: Lựa chọn giá trị nồng độ khởi tạo ngẫu

nhiên (nhưng có chủ ý) là 0,3 µg/mL (cho mỗi chất bất kỳ trong hỗn hợp 2 hoặc 3 chất) Nhưng đối với phương sai, giá trị khởi tạo cho nó không chọn ngẫu nhiên, mà được tính toán theo phương trình Horwitz: Với nồng độ C = 0,3 µg/mL = 3.10-7,

9

tính toán được phương sai bằng 0,003 và lựa chọn giá trị này làm giá trị khởi tạo

3.1.2.1 Đối với hệ hai cấu tử TEL và HYD

Áp dụng phương pháp Kalman cho bộ dữ liệu phổ đơn chất

và hỗn hợp 2 chất (trong khoảng bước sóng 220 nm – 340 nm) với cách lựa chọn giá trị khởi tạo giả định (theo phương án 1 và phương án 2), thu được các kết quả ở bảng 3.3 và 3.4

Bảng 3.3 Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong hỗn

hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi

tạo giả định – Phương án 1(*)

Bảng 3.4 Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong hỗn

hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi

tạo giả định – Phương án 2(*)

10

(*)Co: Nồng độ chất trong dung dịch chuẩn hỗn hợp; C: Nồng độ chất xác định được

Kết quả ở bảng 3.3 và 3.4 cho thấy:

- Theo phương án 1, phương pháp Kalman cho kết quả tin cậy về nồng độ các chất trong hỗn hợp với các sai số RE < 3 % (đối với cả TEL và HYD) Tuy vậy, theo phương án này, cách thực hiện khá phức tạp và phụ thuộc vào 2 bước sóng lựa chọn

để giải phương trình xác định các giá trị nồng độ khởi tạo Mặt khác, khi áp dụng vào thực tế, do ảnh hưởng của pha nền (matrix), phép đo phổ có thể mắc sai số lớn hơn, nên phương án này có thể mắc sai số lớn hơn;

- Theo phương án 2, phương pháp Kalman cho kết quả mắc sai số lớn, dù rằng giá trị phương sai khởi tạo đã được giả định phù hợp hơn so với cách chọn giá trị phương sai ngẫu nhiên (bằng 1) như ở trường hợp trước (mục 3.1.1)

- Các kết quả trên cho phép nhận xét rằng, giữa nồng độ

và phương sai, giá trị khởi tạo nồng độ đóng vai trò quan trọng hơn (hay quyết định hơn) đến sai số của kết quả cuối cùng (khi xác định theo phương pháp Kalman) Rõ ràng, cần phải có cách phù hợp hơn để lựa chọn giá trị khởi tạo nồng độ

3.1.2.2 Đối với hệ 3 cấu tử AML, HYD và VAL

Bảng 3.5 Kết quả xác định nồng độ AML, HYD và VAL

trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá

trị khởi tạo giả định – Phương án 1(*)

11

Bảng 3.6 Kết quả xác định nồng độ AML, HYD và VAL

trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá

trị khởi tạo giả định – Phương án 2(*)

Kết quả ở bảng 3.5 và 3.6 cho thấy:

- Theo phương án 1, ngoại trừ trường hợp đối với AML trong hỗn hợp H2 và H4 (sai số RE < 4,5 %), các trường hợp còn lại đều có sai số lớn với RE khoảng 14 % – 82 % Như vậy, khác với hệ 2 cấu tử (nỗng độ của chúng chỉ mắc sai số với RE

< 3%), đối với hệ 3 cấu tử, phương pháp mắc sai số lớn hơn nhiều Rõ ràng, khi số cấu tử trong hệ tăng lên, ảnh hưởng qua lại của chúng sẽ lớn hơn, dẫn đến việc giải hệ 3 phương trình với 3 ẩn số (nồng độ chất trong hệ) sẽ mắc sai số lớn hơn Rõ ràng, phương án 1 chỉ áp dụng được cho hệ 2 cấu tử Mặt khác, phương án cũng khá phức tạp, vì sai số của phương pháp phụ thuộc vào các bước sóng được lựa chọn để thiết lập và giải phương trình

- Theo phương án 2, cũng tương tự như trường hợp hệ 2 cấu tử, mặc dù việc đưa ra giá trị khởi tạo cho phương sai tiếp cận với thực tế hơn (do được ước lượng từ phương trình Horwitz), song phương pháp vẫn mắc sai rất lớn với RE khoảng 7% – 97 %)

Đến đây, có thể thấy rằng, cả 2 cách lựa chọn giá trị khởi tạo cho nồng độ và phương sai – lựa chọn giá trị khởi tạo ngẫu nhiên và lựa chọn giá trị khởi tạo giả định – đều chưa cho kết quả tốt (hay mắc sai số lớn), trừ khi giá trị khởi tạo nồng độ được chọn ngẫu nhiên, hoặc được tính toán như phương án 1