Автоматизация количественного анализа
в хроматографии
Системные требования.
Современные достижения компьютерных и
программных технологий в настоящее время
поистине впечатляют. Однако в области
хроматографии эти достижения пока еще мало
заметны. Отчасти это объясняется сложностью
объекта, с которым приходится иметь дело
аналитику, а отчасти давно устоявшимися
аппаратными и программными решениями. Если в
области аппаратных решений заметен существенный
прогресс, то в области программных решений
наблюдается некоторый застой. Применение все
более мощной и надежной элементной базы,
унификация и миниатюризация основных узлов
хроматографа улучшают качество прибора,
повышают надежность системы управления и здесь
ожидать существенного прогресса в области
программных решений не приходится. С другой
стороны, созданные еще 25 лет назад интеграторы,
системы и станции обработки хроматографических
данных повторяются сегодня в новых коммерческих
продуктах: "Мультихром", "Полихром",
"Кристалл", "Турбохром" и во многих
других, как отечественных, так и в зарубежных.
Мало того, программы созданные в одной
операционной системе (DOS) механически
переносятся в новую операционную среду (WINDOWS).
Замена операционной среды, в которой должна
работать программа для хроматографии,
накладывает определенные требования. Эта
программа, выполняющаяся в операционной системе
(WINDOWS), так же равноправна, как и пакеты программ
Office 97, Corel Draw и т.п.. С другой стороны, в
операционной среде WINDOWS 95 и ей подобных, уже
сформировался определенный стандарт интерфейса
с пользователем, ярким примером которого служит
организация работы в продукте Office 97.
Ни для кого не секрет, что отечественные
компьютеры на российском рынке практически
отсутствуют, и их заменили зарубежные. В данных
условиях особый акцент в разработке
компьютеризированных хроматографов приобретает
эффективное, мощное и наглядное программное
обеспечение, изготовленное по самым современным
зарубежным технологиям, рассчитанным на
современные зарубежные компьютеры. Современный
объектно-ориентированный подход, визуальное
программирование позволяют в полной мере
получить очень надежный исполняемый код
прикладного программного продукта. Богатейший
набор возможностей инструментальных средств
разработки, набор готовых прикладных библиотек
вместе с возможностями операционной среды WINDOWS 95
позволяют существенно повысить
интеллектуальные, математические, операционные
и коммуникационные возможности станций и систем
обработки хроматографических данных. Наличие
мощных готовых баз данных, текстовых и
графических редакторов позволяет сделать упор
на развитие интегрирующих и коммуникационных
средств систем управления и обработки
хроматографических данных.
Однако само по себе системное развитие
хроматографических программ еще не определяет
их полезные свойства для чисто прикладных задач.
Системные свойства, скорее, являются
дополнительными и необходимыми, но никак не
достаточными условиями для получения надежных,
точных и достоверных результатов
количественного анализа на хроматографе.
Главный и единственный инструмент, способный
моделировать интеллектуальный труд, к которому
относится и количественный химический анализ, -
это программирование, основанное на хорошо
формализованном алгоритмическом уровне. В
настоящее время для количественного
хроматографического анализа аналогом такой
программы является метод. Программой назвать его
можно лишь с очень большими натяжками. Это скорее
упорядоченный во времени специфический набор
параметров для задания режима хроматографа,
детектирования пиков, градуировки,
идентификации, режимов расчета и формирования
выходного документа. При выполнении такого
метода все действия и расчеты привязываются к
жестко фиксированным моментам времени на
хроматографическом спектре, которым
соответствуют группы кодированных числовых
параметров.
Формально получение количественного
результата можно описать как закрытый для
пользователя процесс вычисления сложной
многопараметрической функции – F:
РЕЗУЛЬТАТ = F (Хроматограмма, {Время ,
Кодированные параметры}).
Действия пользователя сводятся к подбору таких
значений параметров и моментов времени для этой
функции, при которых получается устойчивый и
надежный результат. По сути, аналитику
приходится решать задачу планирования
многофакторного хроматографического
эксперимента с числом факторов порядка
несколько десятков, а то и сотен. Структура и вид
функции F, как глобального оператора,
действующего на все входные параметры,
неизвестны и индивидуальны для каждой системы
сбора и обработки хроматографических данных.
Декомпозиция оператора F принципиально
невозможна и поэтому метод не является
программой в прямом ее понимании. Для
пользователя получение результатов и создание
метода разделены, т.к. не учитывают зависимости
результата от ситуаций на множестве
хроматограмм или множества дестабилизирующих
факторов на хроматографе или хроматограмме. В
системном отношении ситуация напоминает
проблему разработки языков программирования
высокого уровня, когда для вполне определенных
целей создается виртуальный процессор со своей
специализированной системой команд. Для
введения инструмента программирования в системы
управления и обработки хроматографических
данных, для хроматографических объектов,
очевидно, необходимо определить множество
хроматографических "команд", а
интерпретатор этих команд определить как
виртуальный хроматографический процессор,
выполняющий последовательность этих
"команд". Такой подход позволяет достигать
практически любых целей и выражать доступно и
наглядно действия пользователя, связывая их с
конечным результатом.
Метрологические требования.
В настоящее время в метрологии получила
широкое распространение идеология
неопределенности, которая предполагает, что
любое измерение должно содержать характеристику
его рассеяния – стандартное отклонение, а для
аттестации методик количественного анализа
необходимо привлечь операционный подход, где
каждая операция должна нести определенный
наглядный и физический смысл и учитываться при
расчетах суммарной неопределенности.
Неопределенность, как понятие, принципиально
учитывает случайный характер значения
результата измерения. В системах обработки
хроматографических данных все случайности
принято учитывать в градуировочной зависимости
содержания компоненты пробы от параметра
хроматографического пика введением
доверительного интервала, являющегося
характеристикой рассеяния. В общем случае, при
оценке содержания компонентов по градуировочной
кривой, этот интервал зависит от количества
градуировочных и измерительных анализов,
включая одиночный измерительный анализ.
Последнее косвенно подтверждает, что и один
анализ имеет собственную характеристику
рассеяния.
Причиной возникновения неопределенности
всегда являются неучтенные факторы влияния, как
на режим хроматографа, так и на хроматограмму. К
таким факторам относятся цифровые шумы канала
передачи информации, загрязнение линий
газа–носителя, нестабильности расхода и
температур, старение колонки, сложная матрица
компонентов анализируемого образца, течи
газа-носителя, мелкие неисправности прибора, не
приводящие к отказу работы хроматографа и
каналов передачи информации. Как правило, эти
нестабильности прямо или косвенно проявляются
на хроматограмме. Учитывая, что они носят
временной характер, проявляющиеся помехи на
хроматограмме относятся к нестационарным.
Главным измерительным актом при
количественном хроматографическом анализе
является детектирование пиков или разметка
хроматограммы на пики. Разметка предполагает
определение всех характерных точек пиков и их
параметров - высот, площадей, времен выхода и т. п..
При детектировании пиков пользователю
приходится задавать кодированные данные,
числовые значения которых определяет он сам, что
создает некоторые неудобства. Однако наличие
этих данных необходимо в создаваемом для
автоматизации измерения методе для того, чтобы
обеспечить его должную надежность в случае, если
вдруг пики перестают детектироваться на
анализируемой хроматограмме. В этой ситуации
пользователь просто изменяет вручную эти
параметры и выполняет метод вновь, пока все пики
не обнаружатся. Однако следует учитывать
причину, приводящую к плохому результату, а не
просто подбирать параметры детектирования.
Таким образом, при наличии нестационарной
помехи на хроматограмме появление кодированных
данных в методе просто необходимо для успешной
настройки метода на количественный расчет
хроматограммы. В данном случае выполнение метода
не обеспечивает надежной автоматизации
измерения. Требуются вмешательство пользователя
и коррекция метода. С другой стороны, программа,
как более широкое понятие метода, позволяет
учитывать такие явления простым перебором
возможных ситуаций или помех на хроматограмме.
В настоящее время используются пороговые
процедуры детектирования. Это означает, что все
изменения сигнала выше определенного порога
являются кандидатами на хроматографические
объекты, которые затем интерпретируются по
признакам принадлежности к хроматографическим
пикам. Порог, как параметр шума или помехи на
хроматограмме, является локальным параметром во
времени и изменяется или из-за нестационарного
шума, или ограниченности интервала оценки порога
при стационарном шуме. Поэтому достаточно ввести
в систему многократное детектирование пиков с
различными значениями порога или образцами шума
на хроматограмме с обязательным усреднением по
количеству актов детектирования. Для этого на
хроматограмме необходимо указать образец пика
для оценки полуширины и многократно задать
образцы базовой линии для оценки порога и
детектирования пиков. Дальнейшее усреднение
обязательно проводится с расчетом
характеристики рассеяния – среднеквадратичного
отклонения.
При таком подходе процесс измерения
представляется случайным, что неизбежно
вызывает вопросы о его стационарности,
эргодичности и марковости. Обработка одной
хроматограммы является реализацией одного
случайного процесса измерения, а измерение
нескольких серийных хроматограмм – ансамблем
реализаций случайного процесса. Требование
эргодичности при измерении одной и той же пробы
несколько раз можно свести к эквивалентности
усреднения по одной хроматограмме и по их
множеству. Стационарность и эргодичность в этом
случае могли бы являться важнейшими
характеристиками прибора и определять не только
стабильность методики на одном хроматографе во
времени, но и ее переносимость с прибора на
прибору в различных лабораториях. Кроме свойств
эргодичности и стационарности, важную роль может
играть и марковость, которая отражает характер
зависимости будущих значений процесса от
прошлых, что очень важно при количественном
анализе.
Система ЦветХром.
В настоящее время НТЦ"Цвет" совместно с
ОАО "Цвет" приступили к выпуску в
составе хроматографа Цвет- 800 и отдельно с любым
другим хроматографом систему управления и
обработки хроматографических данных нового
поколения ЦветХром различных версий и
модификаций. При разработке этой системы были
учтены современные достижения информационных
технологий, новые требования колтчественного
химического анализа, а также повышенные
требования к адаптируемости и расширению
областей ее применения.
Система характеризуется следующими
признаками:
1. По внешнему виду. С точки зрения
восприятия пользователем, система построена по
идеологии "инструментальной панели" с одним
окном приложения и его разбивкой на динамически
изменяемые объектные области экрана и цветовыми
оттенками.
2. Как программный продукт. По способу
работы и исполнению система очень близка к
широко известному продукту Microsoft Office 97 и
дальнейшее ее развитие будет тесно
интегрироваться с этим продуктом.
3. Как прикладной продукт. Система
представляет собой программу управления и
обработки хроматографических данных под общим
названием ЦветХром, предназначенную для
автоматизации проводимого хроматографического
эксперимента на хроматографах в двух
исполнениях:
А) ЦветХром исполнения 1: предназначен для
автоматизации анализов на хроматографе Цвет 800.
Б) ЦветХром исполнения 2: предназначен для
автоматизации любых других хроматографов.
Дополнительно в состав входит многоканальный
интеллектуальный АЦП с цифровым динамическим
диапазоном до десяти миллионов.
4) По принципу выполнения функций. Система
представляет собой хроматографический
виртуальный процессор со встроенной и
расширяемой системой хроматографических команд,
имеющий автоматический и пошаговый режимы
работы. Программа - это проект, а команда –
кнопка на панели команд. (?) Программирование
и работа ЦветХром осуществляется потоком команд,
генерируемых пользователем (ручной режим) или
проектом (автоматический режим).
5) По способу настройки. Система
позволяет пользователю посредством выбора и
вывода необходимого подмножества
хроматографических команд на экран, решать
задачи количественного хроматографического
анализа.
6) По скорости и стилю работы. Система
предусматривает два стиля работы пользователя:
А) С подсказкой: система выполняет команду
только из одного места на экране при помощи
кнопки "Выполнить". Нужная команда сначала
задается щелчком "Мыши", изменяя свой цвет
на экране, затем появляется расширенный
комментарий – помощь к ожидаемому действию,
задаются необходимые параметры и выполняется
команда. Этот режим рассчитан на слабо
подготовленного пользователя.
Б) Без подсказки: система выполняет команду
сразу по щелчку. Этот режим рассчитан на
подготовленного пользователя. Последствия
действия комментируются системой и могут
задаваться пользователем индивидуально к
каждому проекту, как перед выполнением команды в
режиме с подсказкой, так и после.
При работе пользователя в ручном режиме
система имеет на порядок более высокую скорость
по сравнению с отечественными и зарубежными
аналогами.
7) По принципу сравнения с образцом.
Основное множество команд системы выполняется
на одной хроматограмме в сравнении и
относительно другой хроматограммы. (?)
8) По обратной связи. Система позволяет
проводить построение модельной хроматограммы по
выходным результатам, вновь ее обрабатывать и
учитывать взаимное наложение пиков на
хроматограмме.
9) По накоплению и усреднению. Система
позволяет усреднять и производить накопление
хроматограмм, результатов количественных
оценок, как с одной хроматограммы, так и с
нескольких в одну "виртуальную"
хроматограмму независимо от режима градуировки
или определения содержания.
10) По должностному рангу пользователя.
Методист (подготовленный пользователь)
разрабатывает проект (аналог метода),
настраивает его на анализ, а лаборант
осуществляет ввод пробы и команду начать анализ.
М.Е Дейкин.,Б.И. Талашов.
НТЦ Цвет
Тел.(8313) 22-43-17 (раб.), Факс (8313) 33-19-62
E-mail.tsvet@kis.ru