«Применение информационных технологий для автоматизации процессов хроматографического исследования»

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выпускная работа по «Основам информационных технологий»
Магистрант

кафедры аналитической химии

Каплин Алексей Валентинович

Руководители:

к.х.н. Винарский Владимир Афанасьевич

ассистент Шешко Сергей Михайлович

Минск – 2008 г.

Оглавление

Оглавление. 2

Список обозначений. 3

Реферат «Применение информационных технологий для автоматизации процессов хроматографического исследования». 4

Введение. 5

1. Сравнение аналоговых и цифровых операций. 5

2. Прибор, управляемый микропроцессором. 6

3. Особенности хромато-масс-спектрометрии. 8

3.1. Подготовка прибора к работе. 9

3.2. Управление прибором и получение данных. 10

3.3. Обработка данных после анализа. 11

Заключение. 12

Список литературы. 13

Предметный указатель. 14

Интернет-ресурсы в предметной области исследования. 15

Личный сайт.. 16

Презентация магистерской диссертации. 16

Граф научных интересов. 17

Список литературы.. 18

Приложение: Презентация магистерской дисертации. 19

Список обозначений

ХМС	-	хромато-масс-спектрометр;
ЦПУ	-	центральный микропроцессор;
ГХ	-	газовая хроматография;
МС	-	масс-спектрометр

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат «Применение информационных технологий для автоматизации процессов хроматографического исследования»
Магистрант

кафедры аналитической химии

Каплин Алексей Валентинович

Руководители:

к.х.н. Винарский Владимир Афанасьевич

ассистент Шешко Сергей Михайлович

Минск – 2008 г.

Введение

В последние несколько лет цены на компьютеры и сопутствующие устройства снизились настолько, что теперь стало возможным применение микропроцессоров для управления и анализа данных в каждом газовом хроматографе. Достоинства компьютерной обработки данных очевидны, однако для максимального извлечения пользы необходимо глубокое понимание принципов и возможностей компьютерных операций. Преимущества цифрового управления хроматографом и цифрового представления данных менее очевидны, так как эти операции более осязаемы для пользователя. Для рассмотрения преимуществ того и другого подхода необходимо разобраться в различии между аналоговым и цифровым управлением.

1. Сравнение аналоговых и цифровых операций.

Электрический выход газохроматографического детектора представляет собой напряжение, изменяющееся во времени. Это напряжение пропорционально некоторому физическому свойству, измеряемому детектором, например, току ионов, образующихся при ионизации элюируемого соединения. Ранние аналоговые устройства представляли этот сигнал графически в зависимости от времени на диаграммной ленте самописца после его фильтрации с помощью соответствующих электрических цепей, состоящих из сопротивлений и конденсаторов. Всю обработку данных - определение времени удерживания и площади пика - проводили вручную. Для управления аналоговыми приборами служили переключатели и кнопки на панели управления. Для проверки правильности установки условий анализа, например, температуры колонки, обычно предусматривался соответствующий измерительный прибор. Никакой постоянной регистрации задаваемых параметров не осуществлялось.

В цифровом приборе, вместо того чтобы оперировать с самими напряжениями, измеряемыми электрическими цепями, эти напряжения на определенном этапе выражают числом. В этом случае также необходимы электрические цепи для управления нагревателями, получения сигналов детекторов и управления другими параметрами, однако основные функции, такие, как управление прибором, сбор и обработка данных и их анализ осуществляются вычислительным устройством, которое принимает ре­шения, основываясь на сравнении параметров, представленных в цифровом виде. Аналоговые приборы могут быть подключены к компьютеру таким образом, что сигнал детектора преобразуется в цифровую форму, удобную для дальнейшей обработки данных. Компьютеризация имеет много преимуществ как в управлении приборами, так и для сбора и обработки данных и их анализа.

2. Прибор, управляемый микропроцессором.

Газовый хрома­тограф фирмы Hewlett-Packard модели 5830А был первым ком­пьютеризованным прибором, в котором все условия хромато-графического анализа вводились при помощи клавиатуры. На рис. 1 представлена архитектура системы управления данным прибором и показаны функции, контролируемые центральным микропроцессором. С ЦПУ непосредственно связаны память, таймер и операции ввода/вывода данных. Память включает постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), используемое для хранения предпрограммных функций и методов и оперативную память для запоминания хроматографических данных, таких, как температура испарителя, начальная температура колонки, скорость программирования и другие параметры. Генератор временных импульсов необходим для внутреннего контроля времени, которое включает определение точного времени удерживания.

Управление прибором осуществляется путем сравнения из­меренных величин с введенными оператором и записанными в памяти. Измеряемыми величинами являются напряжения, которые перед сравнением с заданными значениями переводятся в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Если значение параметра не совпадает с заданным, микропроцессор выдает соответствующую команду. Рис. 2 иллюстрирует типичный случай, в котором начальная температура термостата колонок задана равной 90 °С. Если температура равна заданной, зажигается сигнальная лампа готовности. Если же нет, то поступает сигнал к изменению температуры в ту или иную сторону, в зависимости от того, выше она или ниже заданной.

Реальные программы, управляющие прибором, много сложнее той, что приведена на рис. 2. Значения температур всех обогреваемых участков, скорости программирования температуры и сигналы детектора принимаются и анализируются ЦПУ. Компьютер может обеспечить очень точное программирование температуры, поскольку во время анализа температура термостата сотни раз проверяется и сравнивается с заданным значением. Скорость программирования можно изменить в любой момент по ходу анализа, вводя с помощью клавиатуры новое значение. Заданные параметры могут быть представлены в виде таблицы в начале или в конце анализа, кроме того, текущее значение любого параметра при необходимости выводится на экран. Все параметры представлены в памяти в виде чисел, поэтому появление пиков, интенсивность которых выходит за величины шкалы, или изменение скорости движения диаграммной ленты не влияет на точность измерения площади пика или времени удерживания.

В конце анализа выдается сообщение о площадях пиков и временах удерживания. В некоторых автоматизированных приборах проводится количественное определение отдельных компонентов путем сравнения площадей пиков этих компонентов с площадями пиков стандартов, введенных до (внешний стандарт) или вместе с пробой (внутренний стандарт).

Программы могут быть очень сложными, и в некоторых приборах оператор может сам модифицировать программу при помощи соответствующих языков программирования, чтобы получить более удобную форму выдачи данных. Если полученные данные находятся в памяти компьютера или записаны на периферийном запоминающем устройстве, их можно использовать многократно, например, можно интегрировать пики, задавая различные параметры интегрирования до получения оптимальных результатов. Прибор может работать автоматически, если установить автоматический доза­тор, которым также управляет ЦПУ.

С помощью компьютера можно получать большой объем более точных хроматографических данных. Разработка скоростных методов анализа, автоматическое управление прибором и составление итогового сообщения позволяют оператору большую часть времени использовать для выполнения других работ. Сложность компьютеризованных приборов достигла уровня, когда ре­шающим фактором являются методы отображения, обработки и представления данных.

3. Особенности хромато-масс-спектрометрии.

Если газовый хроматограф можно эксплуатировать без при­менения компьютера и получать хорошие результаты, то в случае хромато-масс-спектрометра это неверно. Количество полезных данных, получаемых при помощи этого прибора, так велико, что ни практически, ни теоретически невозможно зарегистрировать и обработать их стандартными методами. Если представить как гипотетический случай, что человек во время проведения ХМС анализа записывает и обрабатывает данные вручную, и оценить затраченное время, то оно будет приблизительно в 400 раз больше времени, затрачиваемого компьютерной системой. Это значит, что человеку потребуется более года для того, чтобы сделать ту же работу, которую система хроматограф - масс-спектрометр - компьютер выполняет за один день.

Большинство хромато-масс-спектрометров продаются уже будучи оборудованы компьютером и системой обработки данных. Для приборов, не имеющих компьютера, существуют компьютерные системы обработки данных, которые можно приобрести отдельно и стыковать с магнитным секторным или квадрупольным масс-спектрометром. Для иллюстрации возможностей компьютера при решении многих задач приведем более подробный пример.

Пробу частиц, выбрасываемых из дизельного двигателя, собирают для анализа на органические вещества. После экстрагирования образца подходящим растворителем и концентрирования экстракта в 1000 раз пробу анализируют газохроматографически. Обнаружено, что проба представляет собой сложную смесь, состоящую более чем из 200 компонентов, концентрации которых изменяются в широком интервале. Желательно идентифицировать максимально возможное число компонентов и оценить содержание зарегистрированных канцерогенных и мутагенных веществ. Хроматографическое разделение проводили на капиллярной колонке в течение 90 мин в режиме программирования температуры.

3.1. Подготовка прибора к работе.

Перед началом проведения ХМС анализа необходимо провести калибровку масс-анализатора. Для этого регистрируют масс-спектр калибровочного вещества, для которого пики образующихся ионов заранее известны. Калибровочная табли­ца создается и записывается компьютером, который использует ее при определении величин т/z

во время операции сканирова­ния масс-спектра. В некоторых приборах весь процесс настройки проводится под управлением компьютера, включая выдачу диагностического сообщения, которое дает информацию о том, работает ли система в заданном режиме. В других приборах настройка проводится вручную, хотя создание калибровочной таблицы контролируется компьютером.

После проведения калибровки в компьютер можно ввести файл, содержащий условия анализа. Он задает нача

льную температуру термостата, температуру испарителя, скорость программирования температуры, конечную температуру и условия регистрации масс-спектра. Большинство систем обработки данных может хранить в памяти несколько файлов с условиями анализа и задавать эти условия для конкретных типов анализируемых образцов, просто указывая имя нужного файла. Когда все параметры принимают заданные исходные значения, оператору дается указание, разрешающее ввод пробы. На рис. 3 дана упрощенная блок-схема этих начальных процедур.

3.2. Управление прибором и получение данных.

В момент ввода пробы под управлением компьютера выполняется несколько опе­раций. Контроль температуры термостата хроматографа прово­дится путем сравнения измеренной и заданной величины. Управление масс-спектрометром включает запуск записи масс-спектра, преобразование цифровых сигналов детектора в данные по массам и интенсивностям и пересылку этих данных в запоминающее устройство, например, на диск. Для регистрации узких пиков, получаемых на капиллярных колонках, необходимы высокие скорости развертки (0,5-2 с). Типичная последовательность управляющих команд может быть такой, как на рис. 3. Операции по диагностике масс-спектрометра могут включать проверку работоспособности катода источника ионов и наличие достаточно высокого вакуума в анализаторе. Контроль температуры термостата колонки проводится постоянно для поддержания ее на заданном уровне. Если температура слишком низка, включается нагреватель, а если температура выше заданной, для охлаждения термостата открывается специальная заслонка или подается хладоагент. Перед записью данных запоминающее устройство проверяют, чтобы убедиться, достаточно ли свободного места для запоминания всего объема новых данных. В любой момент анализа оператор может обращаться к программе для изменения отдельных параметров, таких, как скорость программирования температуры или суммарное время анализа.

Операции, показанные на рис. 3, повторяются со скоростью, достаточной для запоминания полного масс-спектра, каждые 2 с. По окончании 90-минутного анализа дизельного экстракта на капиллярной колонке будет записано 2700 масс-спектров. Каждый пик в отдельном масс-спектре описывается двумя числами – значениями массы и интенсивности пика, т. е. для записи обычного масс-спектра, содержащего порядка 150 пиков, требуется запомнить 300 чисел. Для полного анализа необходим объем памяти, в котором можно записать 300 х 2700 = 810 000 чисел. В действительности требуется больше места, так как необходимо запоминание и других данных, таких как времена удерживания. Хотя некоторую часть этой информации можно отбросить, например спектры, полученные в интервалах между хроматографическими пиками компонентов, задача обработки такого огромного массива данных слишком трудоемка, чтобы ее производить вручную, даже в случае единичного анализа.

3.3. Обработка данных после анализа.

Значимость компьютера оценивалась нами даже без учета обработки громадного количе­ства хранимых данных. Большинство задач, описанных выше, понятны пользователю. Большая часть задач, решаемых компьютером, не требуют каких-либо взаимодействий с оператором. После проведения инструментального анализа выполняется большое число операций по обработке данных.

Для нашего случая хранящихся в памяти 2700 масс-спектров, полученных при анализе выхлопа дизельного двигателя, типичные процедуры сокращения данных представлены схемой на рис. 4. Если какие-либо идентифицированные соединения окажутся канцерогенными или мутагенными, то на основе зарегистрированных данных можно рассчитать площади их пиков. Анализируя известные количества этих соединений в тех же условиях, можно количественно определить эти компоненты. Конечное сообщение может включать такую информацию, как вероятные идентифицированные соединения, площадь пика и индекс удерживания для каждого идентифицированного вещества. Для компонентов, не идентифицированных простым библиотечным поиском, может потребоваться интерпретация масс-спектров вручную, хотя разработан ряд комьютерных способов решения этой задачи.

Заключение

Поскольку приборы для проведения анализа методами газовой хроматографии усложняются с каждым годом, то использование компьютерных технологий в данной области становится не просто желательным, а просто необходимым. Объекты анализа постоянно усложняются, а число определяемых компонентов увеличивается, поэтому обработка результатов даже одного анализа становится слишком трудоемкой для выполнения её вручную. В результате этого компьютеризация систем анализа и автоматизация процесса обработки результатов в последнее время стала наиболее актуальным направлением развития в области хроматографии.

Список литературы.

1. Карасек Ф., Клемент Р., Введение в хромато-масс-спектрометрию: Пер. с англ. – М., “Мир”, 1993.

2. Руководство по газовой хроматографии//Под ред. Э. Лейбница, Х.Г. Штруппе, М.,“Мир”, 1988.

3. Сб.”Количественный газохроматографический анализ” ст.“Обработка результатов анализа” М., Мир, 1986 г., стр. 56-61.

4. Сб.”Количественный газохроматографический анализ” ст.“Сигнал детектора” М.,Мир, 1986 г., стр. 410-413.

Предметный указатель
.

А

анализ............................................................................................................................................ 6

К

колонка....................................................................................................................................... 10

М

масс-спектр...................................................................................................................... 9, 10, 11

масс-спектрометр.................................................................................................................. 8, 9

П

пик................................................................................................................................................ 11

Х

хроматограф............................................................................................................................ 6, 8

Интернет-ресурсы в предметной области исследования

1. http://www.chemnetbase.com/

Большая он-лайн база данных, содержащая описание большого числа химических соединений.

2. http://www.cambridgesoft.com/

Официальный сайт компании СambridgeSoft, производителя многочисленного специализированного програмного обеспечения для химиков.

3. http://themerckindex.cambridgesoft.com/TheMerckIndex/index.asp

Он-лайн версия справочника The Merck Index, одного из наиболее полных справочников содержащих физико-химические свойства веществ.

4. http://www.chemport.ru/

Большой специализированный ресурс посвященный химической тематике.

5. http://www.xumuk.ru/

Специализированный сайт посвященный химической тематике, содержит большое количество статей научного, научно-популярного и справочного характера посвященных проблемам химии, а так же электронную библиотеку химической литературы.

6. http://webbook.nist.gov/

Большой химический справочник и огромная спектральная база данных, содержит большое количество метадической информации по анализу органических веществ наиболее распостраненными инструментальными методами.

7. http://www.chemexper.com/

Интернет ресурс содержащий информацию по производителям химических реактивов и оборудования, также содержит библиотеку ИК и масс-спектров более чем 10000 веществ.

8. http://www.chromatography-online.org/

Англоязычный ресурс посвященный проблемам хроматографии и хроматографическому оборудованию.

9. http://www.separationsnow.com/

Англоязычный ресурс посвященный проблемам газовой хроматографии, капилярного электрофореза и других инструментальных методов анализа.

10. http://www.hromatograf.ru/

Сайт посвященный хроматографии, в сжатом виде предоставляет основную информацию о данном разделе аналитической химии.

Личный сайт

http://alexx-kaplin.narod.ru

Презентация магистерской диссертации

http://alexx-kaplin.narod.ru/prezentation.ppt

Граф научных интересов

магистранта Каплина А.В. химический факультет

Специальность химия.

Смежные специальности 02.00.03 - органическая химия 1.Качественный и количественный анализ органических веществ и установление их строения. 02.00.01 - неорганическая химия 1. Установление характера взаимосвязи между составом, строением и свойствами неорганических соединений.

Основная специальность 02.00.02 – аналитическая химия 1. Закономерности и количественные характеристики химических, физико-химических, физических, биохимических процессов, лежащих в основе обнаружения, идентификации и количественного определения веществ.

Сопутствующие специальности 02.00.04 - физическая химия 1.Исследование зависимостей свойств химических систем от состава и структуры.

Список литературы

1. Карасек Ф., Клемент Р., Введение в хромато-масс-спектрометрию: Пер. с англ. – М., “Мир”, 1993.

2. Руководство по газовой хроматографии//Под ред. Э. Лейбница, Х.Г. Штруппе, М.,“Мир”, 1988.

3. Сб.”Количественный газохроматографический анализ” ст.“Обработка результатов анализа” М., Мир, 1986 г., стр. 56-61.

4. Сб.”Количественный газохроматографический анализ” ст.“Сигнал детектора” М.,Мир, 1986 г., стр. 410-413.

5. Леонтьев, Ю. Office Word 2003. Самоучитель / Ю. Леонтьев. – СПб: Питер, 2004. – 288 с.

6. Гультяев, А.К. MS Office XP 2003. Word, Excel, Access, Outlook, PowerPoint, FrontPage / А.К. Гультяев. – Москва: КОРОНА-Век, 2006. – 64 с.

7. Болохонов, А.П. Microsoft Office 2003: Краткие инструкции для новичков / А.П. Болохонов. – Москва: Аквариум, 2004. – 128 с.

8. Microsoft Word 2003 в теории и на практике / С.Бондаренко, М.Бондаренко. – Минск: Новое знание, 2004. – 336 с., ил.

Приложение: Презентация магистерской дисертации.