Автоматизация количественного анализа в хроматографии

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.

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.

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.