УДК 543.51:681.3

Використання математичних методів та персональних комп’ютерів (ПК) в хіміко-токсикологічному аналізі ( ХТА ) полікомпонентних сумішей отруйних речовин

проф. О.І. Панасенко, проф. В.П. Буряк, асп. І.О. Юрченко, ст. викл. Н. А. Постол, ас. С. М. Куліш, ас. А. С. Гоцуля

Запорізький державний медичний університет

Вступ. Сучасний стан фармацевтичної освіти вимагає від студентів вищих фармацевтичних навчальних закладів (ВНЗ) та фармацевтичних факультетів медичних університетів твердого засвоєння базових дисциплін, серед яких токсикологічна хімія, це та дисципліна , яка формує випускників у якості фахівців, що здатні вирішувати найскладніші завдання ХТА [ 6 ]. Слід зауважити, що сучасні вимоги до педагогічного процесу в університетах згідно Болонської декларації потребують проводити практичні заняття та читання лекцій з використанням найновіших досягнень науки та техніки. В цьому контексті використання математичних математичних методів та ПК дозволяють вирішувати більшість проблем, які виникають при викладанні токсикологічної хімії.

Основна частина. Значні досягнення в області ХТА при дослідженні полікомпонентних сумішей отруйних речовин пов’язані із використанням ультрафіолетової спектрофотометрії. Особливо ефективно ці методи використовують у поєднанні із сучасними способами розділення і обробки результатів за допомогою ПК. Застосування ПК дозволяє не тільки прискорити одержання даних, підвищити їх надійність, але й створити оригінальні, принципово нові методи дослідження. Знайшли широке розповсюдження методи, які використовують інформаційно-пошукові системи (ІПС) за молекулярними спектрами [9]. Вони застосовують для віднесення індивідуальних токсичних сполук до певного класу, для ідентифікації, побудови їх структурних формул, які мають визначену молекулярну масу та елементний склад[11]. У роботі [5] показано, що більш високий рівень може бути досягнутий шляхом формалізації обробки даних, введенням до процедури розрахунок складу поряд із значеннями інтенсивностей максимумів світловбирання і положенням при певних довжинах хвиль та їх статистичних характеристик.

Метою проведеного дослідження було вивчення можливості застосування УФ-спектрів токсичних речовин у сполученні із математичними методами та ПК для методів ідентифікації отруйних речовин у полікомпонентних сумішах та їх кількісного визначення без попереднього розділення.

Спочатку були вивчені статистичні характеристики спектральних сигналів УФ-спектрів сполук, які аналізуємо, визначення та дослідження яких включають в себе рішення значного числа задач, серед який можна виділити наступні:

· Встановлення виду розподілу спектральних сигналів смуг вбирання, що спостерігаються;

· Оцінка параметрів розподілу;

· Встановлення залежності абсорбція-стандартне відхилення та її визначення;

· Оцінка межі виявлення інтенсивності смуг вбирання, тобто сигналу із заданою довірчою вірогідністю, яка перевищує фоновий сигнал;

· Оцінка статистичного взаємозв’язку між інтенсивністю різних смуг вбирання;

· Інтерпретація статистичного взаємозв’язку.

Нами було проведено визначення та дослідження статистичних характеристик абсорбції максимумів електронних смуг вбирання індивідуальних сполук бергаптену, ізапімпінеліну, ксантотоксину, келіну, папаверину гідрохлориду, псаралену, фурациліну, фуразолідону, аміфуріну, фурадоніну, анестезину, синтоміцину, псаралену, ізопсаралену і рутину та їх сумішей. Показано, що інтенсивності максимумів УФ-спектрів індивідуальних сполук розподілені нормально (абсорбція сполук має достатньо велике значення), або логарифмічно-нормально (невелике значення абсорбції, які близькі до межі виявлення). На підставі одержаних даних доведено, що методи регресійного й дисперсійного аналізів можуть бути коректно застосовані для якісного та кількісного аналізів, так як при вирішенні зазначених задач звичайно використовують інтенсивні смуги вбирання.

У найбільш відомому виданні, яке вміщує інформацію основних параметрів УФ-спектрів «Organic Elektronic Spectral Date» у 31-му томі [13] докладно описано та оцінено види розподілень інтенсивності максимумів в УФ-спектрах більш як 100.000 органічних сполук. Проаналізовані електронні спектри основних класів органічних сполук: алкани, циклоалкани, алкени, алкіни, дієни, ароматичні та гетероароматичні сполуки, алкіл- та алкенілгалогеніди, спирти та прості ефіри, насичені альдегіди та кетони, карбонові кислоти та їх похідні, азотовміщуючі сполуки, сполуки, які мають зв’язки азот-кисень, сірковміщуючі сполуки. Наведені дані про внутрішньомолекулярну взаємодію електронів у зазначених вище класах органічних сполук і про застосування електронних спектрів для якісного та кількісного аналізу, а також при дослідженні хімічних перетворень. Оцінювання статистичних взаємозв’язків в УФ-спектрах основних груп органічних сполук проводили за допомогою методів рангового статистичного аналізу [13] . Для інтерпретації аналізів використовували представлення статистичного взаємозв’язку у вигляді графів [8]. В результаті вивчення статистичної залежності між ступенями абсорбції максимумів та їх стандартними відхиленнями у різних наборах УФ-спектрів індивідуальних органічних сполук встановлено, що відносне стандартне відхилення є сталою величиною у широкому діапазоні вимірюваної інтенсивності та визначається типом приладу та умовами реєстрації електронних спектрів (табл.1).

Таблиця 1. (Відносні стандартні відхилення та межі виявлення інтенсивності максимумів УФ-спектрів (n=6, p=0,95))

Тип спектрофотометра	Умови реєстрації	Відносне стандартне відхилення	Межа виявлення
СФ – 46	Вимірювання інтенсивності через 1 нм	0,17	0,0031
СФ – 46А	Вимірювання інтенсивності через 1 нм	0,19	0,0034
SPECORD 20021214	Автоматичне вимірювання інтенсивності	0,03	0,0014
Agilent 8453	Автоматичне вимірювання інтенсивності	0,03	0,0011

Введення до процедури розрахунків статистичних характеристик спектральних сигналів дозволяє перевірити надійність результатів якісного аналізу та коректно оцінювати метрологічні характеристики результатів кількісного аналізу полікомпонентних сумішей лікарських засобів.

Завдання: Комп’ютерні методи якісного спектрального аналізу.

Ідея розроблених методів ідентифікації окремих речовин полікомпонентних сумішей полягає в порівнянні всіх смуг вбирання досліджуваного та стандартного спектрів за довжинами хвиль, реєстрація збіжності та розрахунку певних числових значень основних характеристик електронних спектрів вбирання усіх можливих компонентів аналізованих сумішей.

Розроблені нами локальні бази даних можливо застосувати також і для якісного аналізу токсичних речовин додатково використовуючи наступні методи хіміко-токсикологічного аналізу: 1.Кольорові тести; 2. Імуноферментний аналіз; 3. Тонкошарову хроматографію; 4. Газову хроматографію; 5. Рідинну хроматографію; 6. Спектрофотометрію в УФ- та видимій частині спектру; 7. Флуоресцентну спектрофотометрію; 8. Інфрачервону спектрометрію; 9. Мас-спектрометрію; 10. Спектроскопію ядерно-магнітного резонансу [7, 12, 14].

Практичне застосування методу відносних дисперсій основних оптичних характеристик УФ-спектрів описано нами для ідентифікації групи стероїдних препаратів [3].

Розроблено алгоритм ідентифікації лікарських речовин за сукупністю оптичних характеристик їх електронних смуг вбирання (А, f, M_ік), який може бути реалізований за допомогою ПК для створення інформаційно пошукової системи, яка працює в автоматичному режимі.

У ряді випадків дослідник має можливість зареєструвати спектри аналізованого об’єкту багаторазово, у різних умовах, підібраних таким чином, щоб внесок кожного компоненту у кожному випадку був іншим, а форма спектру будь-якої з них незмінною. Існують різні методи розрахунку кількості основних компонентів сумішей.

Методи факторного аналізу [10]. Зміст методів факторного аналізу полягає у лінійному або нелінійному перетворенні векторів-спектрів сумішей з різним вмістом у них компонентів у фактори-вектори, за допомогою яких можливо практично без втрат виразити вихідні спектри сумішей. У загальному випадку кількість факторів не є значною, і тому вона обумовлює кількість основних компонентів у сумішах.

Метод ортогоналізації був розроблений і використаний для визначення кількості основних компонентів у сумішах, спектри компонентів яких частіше за все співпадають. У якості вихідної інформації використовуються УФ-спектри вбирання складових частин сумішей.

Комп’ютерні методи кількісного спектрального аналізу

Кількісний аналіз полі компонентних лікарських сумішей – одна з найскладніших проблем сучасного хіміко-токсикологічного аналізу. В теперішній час для її вирішення поряд з іншими методами застосовують і УФ-спектрофотометрію [2]. Метод Фірордта, в основі якого лежить система рівнянь

; і=1,2…n (I)

де A_і– абсорбція досліджуваного розчину при аналітичній довжині хвилі;

b – товщина шару, см;

x – показник вбирання j-тої речовини при довжині хвилі;

c_j - концентрація j-тої речовини у досліджуваному розчині.

малопридатний у випадку сумішей компоненти яких мають подібні спектри вбирання.

Помилки аналізу багатокомпонентних сумішей методом Фірордта можна зменшити, збільшивши число аналізованих довжин хвиль, якщо кількість аналітичних довжин хвиль позначити через m, то система рівнянь набуде такого вигляду:

; і=1,2…m; m>n (II)

Переозначену систему рівнянь можна записати у матричному вигляді:

А = χс, де (III)

А- матриця абсорбції, m · 1;

χ-матриця показників вбирання, m · n;

c-матриця концентрації, n · 1.

При серійному аналізі систему рівнянь розв’язують відносно С шляхом знаходження зворотної матриці:

; (IV)

Наведена система рівнянь має єдиний розв’язок тільки тоді, коли det χχ ≠ 0.

Переозначену систему рівнянь доцільно розв’язувати за допомогою ПК, що скорочує час аналізу, дозволяє проводити кількісне визначення компонентів сумішей без їх попереднього розділення та повністю автоматизувати увесь процес дослідження полікомпонентних лікарських сумішей.

Описана методика була використана нами для аналізу двокомпонентного лікарського засобу «Келіверін», а також трикомпонентної суміші мазі «Фастин-1» [1].

Відносне стандартне відхилення при аналізі «Келіверіну» не перевищує 0,0086, «Фастину-1» - 0,0243 (табл. 3).

Таблиця 3. Кількісне визначення таблеток «Келіверін» та мазі «Фастин-1»

Компоненти сумішей	Метрологічні характеристики
Папаверину гідрохлорид	100,441,54 S= 0,63 Sr = 0,0063 ± ts = 1,54
Келін	99,412,12 S=0,86 Sr = 0,0086 ± ts = 2,12

Мазь «Фастин – 1»

Компоненти сумішей	Метрологічні характеристики
Фурацилін	99,373,35 S= 1,36 Sr = 0,0136 ± ts = 3,35
Анестезин	99,672,06 S= 0,84 Sr = 0,0084 ± ts = 2,06
Синтоміцин	98,575,97 S= 2,40 Sr = 0,0243 ± ts = 5,97

Статистична обробка одержаних результатів проводилась у відповідності з вимогами номенклатурної комісії з аналітичної хімії Міжнародної спілки теоретичної та прикладної хімії [4]

Висновки

1. Розроблено і запропоновано метод ідентифікації лікарських засобів у полікомпонентних сумішах із застосуванням основних оптичних характеристик електронних спектрів: напівширина смуги (ΔV_1/2) інтегральна інтенсивність (А), сила осцилятора (f) та матричний елемент переходу електронів (М_ік)

2. Вивчені умови кількісного визначення складових частин полікомпонентних сумішей: папаверіну гідрохлорид+келін (келіверин), фурацилін + анестезін + синтоміцин «Фастин-1» з використанням модифікованого рівняння Фірордта.

3. Розроблено алгоритм ідентифікації та кількісного визначення полікомпонентних сумішей, який реалізується в автоматичному режимі за допомогою ПК.

Література

1. Буряк В.П. Анализ многокомпонентных лекарств с применением ЭВМ/В.П.Буряк, - Фармация, 1981-№4-с.29-33

2. Буряк В.П. Спектрофотометричний аналіз багатокомпонентних ліків на основі розрахункових методів і ЕОМ/В.П. Буряк – фармацевтичний журнал, 1976 – с.47 – 52

3. Буряк В.П. Фармацевтичні аспекти фотометричного аналізу лікарських засобів. Повідомлення І. Ідентифікація лікарських засобів за оптичними характеристиками електронних смуг вбирання за допомогою ЕОМ/Буряк В.П., Казарінов М.О., - Фармацевтичний журнал, 1997 - №5 – с.37 – 42

4. Каплан Б.Я. Приминение метода математической статистики в химическом анализе/Б.Я. Каплан – Журнал аналитической химии, 1991 – Т.26. - №5 – с.1001-1023

5. И.Кендал, М.Ранговая кор..пеляция/Кендал М.М: статистика, 1995 – 214с.

6. Проблеми і перспективи розвитку токсикологічної хімії/[Буряк В., Панасенко О., Кремзер О. та інші ]-К.:Академія Наук вищої школи України, 2003 – с.110-112

7. Токсикологическая химия. Метаболизм и анализ токсикантов. Под редакцией Н.И. Калетиной – М.: ТЭ ОТАР – Медиа, 2008-1008с.

8. Харари Ф. Теорія графов/Харари Ф. – М.: Мир, 1993-300с.

9. Хоц М.С. Масс – спектральный аналіз многокомпонентных смесей органических соединений и его математическое обеспечение: Автореф. на соискание научн. степени д-ра физ-мат. наук. М.: 1997-36с.

10. Щубина Н.А. Анализ многокомпонентной смеси по УФ-спектрам с использованием автоматической обработки спектров на ПК/Ответств. редактор д.физ-мат.наук Грибов Л.А.-Математические методы и ЭВМ в аналитической химии. – Сб. научн. трудов.-Т IX-М.: Наука, 1989 –с.77-87

11. Эляшберг М.Е. Молекулярный спектральный анализ и персональный комп’ютер/Эляшберг М.Е., Грибов Л.А., Серов В.В.-М.: Наука, 1998-307с.

12. Biemоnt De Emile. Spectroscopiе atomique: Instrumentation et structurus atomique/Emile De Biemont.-Superiens, 2006-546p.

13. Organic Electronic Spectral Date in 31 vol./Editor John P.Phillips/ - Wiley,London,1996 – CD ROM Version.

14. Townsheld E. Encyclopedia of analytical/E.Townsheld. – London: Academic Press, 1995 – 846p.