Разработка экспертной системы распознавания хроматограмм для классификации образцов - Химия реферат

Главная

Химия
Разработка экспертной системы распознавания хроматограмм для классификации образцов

Жидкостная хроматография как метод разделения веществ в растворе. Вопросы, на которые отвечает хроматография. Многоканальное фотометрическое детектирование в хроматографии. Задача сравнения хроматограмм, особенности обработки аналитических данных.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки Российской федерации Федеральное агентство по образованию Новосибирский государственный университет Механико-математический факультет
Разработка экспертной системы распознавания хроматограмм для классификации образцов
А - схема хроматографа. Б - хроматограмма М.С. Цвета.
Зависимость величины концентрации вещества вдоль зоны в идеальном случае описывается уравнением Гаусса. Хроматографический пик изображен на рис.2. Если измерять концентрацию молекул в растворе на выходе колонки, то мы получим кривую, которая называется хроматограммой (рис.4, рис.5 и 6 из Приложения). Таким образом, хроматограмма является функцией зависимости концентрации вещества в растворе от объема, пропущенного через колонку растворителя или от времени. Каждому веществу на хроматограмме соответствует свой пик. Начало координат соответствует моменту ввода пробы (образца) в колонку. Абсцисса вершины пика вещества называется объемом удерживания вещества ( V R ), величина которого определяется химическим строением этого вещества, составом растворителя ( подвижн ой фаз ы или элюент а ) и свойствами адсорбента ( неподвижн ой фаз ы ). Когда говорят о времени удерживания ( T R ), то имеют в виду, что , где F - скорость потока растворителя через колонку.
Если мы начали с того, что определили хроматографию как метод разделения веществ, то в современной терминологии этот метод включает в себя и последующее измерение концентрации веществ в образце. Другими словами, хроматография отвечает на вопросы:
1. Сколько различных веществ в образце?
2. Есть ли в образце вещества x 1 , ., x n из известного нам списка?
3. Какова концентрация веществ x 1 , ., x n в исходном образце?
Для ответа на вопросы 2 и 3 мы должны в стандартных условиях хроматографировать образцы стандартных ( эталонных ) растворов веществ x 1 , ., x n , регистрируя их объемы удерживания и площади пиков, причем для каждого измеряемого параметра определяется погрешности измерения. Вся эта процедура называется калибровкой хроматографа. Если калибровочные параметры стабильны во времени, то их сохраняют в виде баз данных . Анализ пробы проводят строго в тех же условиях. Полученные данные обрабатывают, учитывая дрейф сигнала детектора, уровень его шумов, неполное разделение пиков и т.п., а затем сравнивают экспериментальные данные со стандартными, взятыми из базы данных. Разработка экспертной системы для такого анализа будет являться нашей задачей.
Перед тем, как перейти к рассмотрению поставленной задачи, необходимо сказать несколько слов об объеме обрабатываемой информации, который зависит от способа детектирования одно - или многоканального. Принцип многоканального детектирования применительно к спектрофотометрическому детектору показан на рис.3. Он заключается в том, что измерение концентрации вещества в вытекающем из колонки растворе осуществляется с помощью многоканального фотометра, причем для каждого канала сигнал детектора ( А i ) связан с концентрацией вещества (С) как А i = a i C , что следует из спектра вещества (рис.3-I). Если все сигналы по всем каналам детектора, соответствующие одному моменту времени, нормировать, например, по отношению к максимальному ( А 0 ), то величины R i = A i / A 0 будут независимыми от концентрации для всех участков пика вещества (рис.3-II). Это дает основание считать значения R i наряду со значением времени (объема) удерживания уникальными характеристиками вещества и использовать их для соотнесения пиков на хроматограмме к определенным веществам, т.е. идентифицировать хроматографические пики по информации из базы данных.
Рис 3. Многоканальное фотометрическое детектирование в хроматографии.
На рис.3-II сплошные линии сигналы детектора ( A i ),
пунктирные линии нормированные сигналы ( R i ).
Объем информации, получаемой при многоканальном детектировании, будет зависеть от числа каналов и от метрологических характеристик детектора. Например, если используется только два канала, то при величине погрешности R i =0,1 мы сможем распознать только 10 1 веществ, для трёх каналов - 10 2 ,. а для восьми - 10 7 . Если учесть, что хроматографические колонки позволяют разделять до 100 веществ в одной пробе, то совокупная емкость базы ( Z ) данных, включающая в себя значения " V R , R 1 7 ", составит Z =10010 7 =10 9 уникальных идентификационных параметров.
Применительно к хроматографу "Милихром А-02" (ЗАО Институт хроматографии "ЭкоНова", г. Новосибирск) c восьмиканальным фотометрическим детектором, который обеспечивает погрешность измерения R i =0,05, Z =1001,2810 9 10 11 .
Так как каждая восьмиканальная хроматограмма представляет собой 8 наборов из 5000 точек, принимающих до 10000 различных значений ( линейный динамический диапазон ), то конечная задача сводится к обработке всего массива данных с последующим сравнением результатов с более чем со ста миллиардами записей в базе данных.
хроматограмма хроматография жидкостная образец
Одним из наиболее популярных методов является нормализация и сравнение спектров различных частей пика. Для выполнения рутинных анализов существуют специальные программы, которые автоматически нормализуют, накладывают и выдают спектры для каждого детектируемого пика.
Алгоритм, основанный на относительном двухволновом поглощении, использует тот факте, что для чистых веществ поглощение A на длине волны прямо пропорционально поглощению на другой длине волне :
где M - коэффициент, характеризующий чистое вещество на выбранной длине волны [2]. Об этом мы уже говорили ранее, объясняя принцип многоканального детектирования (см. рис.3). Важно, что отношение спектральных поглощений M для чистых веществ является постоянной величиной. Любая примесь, выходящая одновременно с основным пиком, вызовет отклонение от горизонтальной линии относительного поглощения (рис.4). Аналогично работают методы, основанные на вычислении относительного мультиволнового поглощения и на отношении площадей пиков на различных длинах волн. Применение этих методов существенно повышает достоверность аналитических результатов [8].
Рис.4. Фрагмент смоделированной на компьютере хроматограммы раствора 3-х пептидов с детектированием при четырех длинах волн (210, 220, 240 и 280 нм). Справа показан гомогенный (чистый) пик 1 с постоянными значениями спектральных отношений вдоль всего пика. Слева - два гетерогенных (неразделенных) пика 2 и 3. Хорошо видно изменение спектральных отношений при переходе от одного вещества к другому. Алгоритм программы моделирования хроматограмм пептидов опубликован в работе [13], а сама программа Chrom_P распространяется бесплатно [14].
Имея возможность находить коэффициент совпадения для двух представленных веществ, мы можем создать особую базу данных, состоящую из хроматограмм эталонных образцов веществ и, выполняя поиск по этой базе, находить вещества, идентичные исследуемому. Однако для современных исследований информации о простой идентичности спектров уже недостаточно. Для решения сложных поисковых задач, при анализе образцов, содержащих сотни веществ, часто требуется отвечать на вопросы:
· чем отличаются составы анализируемых образцов?
· в чем сходство составов анализируемых образцов?
Пример таких сложных хроматограмм приведен на рис.5 и 6. Они представляют собой результаты анализа двух образцов водных экстрактов коры осины, измельченной в скоростных мельницах при разных режимах. Исследования должны выявить особенности процесса глубоко измельчения и его влияние механо-химических превращений на изменение химического состава получаемого продукта.
Чтобы ответить на эти вопросы необходимо разработать алгоритмы, позволяющие из большого количества стандартных хроматограмм "сконструировать" усредненную "эталонную хроматограмму", а затем, сравнивая с ней хроматограммы интересующих образцов сказать, какие "лишние" пики присутствуют в пробе и отсутствуют в эталоне или наоборот. Учитывая наличие погрешности измерений, наличие химических и физических шумов, отсутствие должной информации о химическом строении веществ, входящих в состав образца, а также большой объем хроматографических и спектральных данных задача разработки таких алгоритмов представляется далеко не тривиальной.
1. Цвет М.С. О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биохимическому анализу / Труды Варшавского общества естествоиспытателей, 1903, Том XIV, Отделение биологии, Протокол №6, с.1-20.
2. Хубер Л. Применение диодно-матричного детектирования в ВЭЖХ / М. Мир, 1993 г.
3. Heyden Y. V. Extracting Information from Chromatographic Herbal Fingerprints / LCGC Europe, September 2008, pp.438-443.
4. Boque, R. Maroto A., Heyden Y. V. Assessment of Accuracy in Chromatographic Analysis / LCGC Europe, May 2008, pp.17-21.
5. Chau F., Mok D. K. Fingerprinting Analysis of Raw Herb: Application of Chemometrics Techniques for Finding out Chemical Fingerprint of Chinese Herb / Analytical Sciences, 2001, Vol.17, pp. a419-a422.
6. Померанцев А.Л., Родионова О.Е. Хемометрика в аналитической химии / Электронный ресурс, http://www.chemometrics.ru, свободный доступ.
7. Zeng Z-D., Liang Y-Z., Xu C-J.comparing chemical fingerprints of herbal medicines using modified window target-testing factor analysis / Anal. Bioanal. Chem., 2005, Vol.381, pp.913-924.
8. Baroni M., Benedetti P., Fraternale S. The CARSO procedure in process optimization / J. Chemom., 2003, Vol.17, p.9.
9. Hansen P. W. Pre-processing method minimizing the need for reference analyses / J. Chemom., 2001, Vol.15, p.123.
10. Чуи К. Введение в вэйвлеты / М. Мир, 2001.
11. Savitzky A., Golay M. J. E. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures / An. Chem., 1964.
12. Померанцев А.Л. Методы нелинейного регрессионного анализа для моделирования кинетики химических и физических процессов / Дис. д-ра физ. - мат. наук,, Москва, ИХФ РАН, 2003.
13. Азарова И.Н., Барам Г.И., Гольдберг Е.Л. Предсказание объемов удерживания и УФ-спектров пептидов в обращенно-фазовой ВЭЖХ / Биоорганическая химия, 2006, т.32, №1, с.56-63.
14. Программа Chrom_P: http://www.econova.ru/applications/production/files/production_soft_6. zip
Жидкостно-адсорбционная хроматография на колонке. Высокоэффективная жидкостная хроматография. Ионообменная жидкостная хроматография. Тонкослойная хроматография. Хроматография на бумаге. Гельпроникающая (молекулярно-ситовая хроматография). реферат [746,2 K], добавлен 28.09.2004
Возникновение и развитие хроматографии. Классификация хроматографических методов. Хроматография на твердой неподвижной фазе: газовая, жидкостная (жидкостно-адсорбционная). Хроматография на жидкой неподвижной фазе: газо-жидкостная и гель-хроматография. реферат [28,1 K], добавлен 01.05.2009
Определение понятия "хроматограмма" как функции зависимости концентрации вещества в растворе от объема, пропущенного через колонку растворителя или от времени. Методы фильтрации шумов и моделирования пиков. Запись хроматограммы и алгоритм ее подготовки. дипломная работа [1,5 M], добавлен 19.01.2012
Хроматографическая система - метод разделения и анализа смесей веществ. Механизм разделения веществ по двум признакам. Сорбционные и гельфильтрационные (гельпроникающие) методы. Адсорбционная, распределительная, осадочная и ситовая хроматография. реферат [207,8 K], добавлен 24.01.2009
Специфика метода жидкостно-жидкостной хроматографии - физико-химического метода разделения и анализа смесей газов, паров, жидкостей или растворенных веществ сорбционными методами в динамических условиях. Распределительная хроматография на бумаге. курсовая работа [601,2 K], добавлен 13.03.2011
Сущность высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) как метода анализа и разделения сложных примесей. Сорбенты, координационно-насыщенные хелаты; закономерности влияния строения лиганда на поведение хелатов в условиях обращенофазной хроматографии. реферат [109,8 K], добавлен 11.10.2011
Явления, происходящие при хроматографии. Два подхода к объяснению - теория теоретических тарелок и кинетическая теория. Газовая, жидкостная, бумажная хроматография. Ионообменный метод. Случаи применения ионообменной хроматографии. Гельхроматографирование. реферат [69,4 K], добавлен 24.01.2009
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Разработка экспертной системы распознавания хроматограмм для классификации образцов реферат. Химия.
Реферат: Зв язки України висновки пріоритети перспективи розвитку і вступу у ВТО
Реферат по теме Предпосылки возникновения социологии в России
Олеся Итоговое Сочинение Аргументы
Курсовая работа по теме Управление кредитным портфелем и пути его совершенствования в банках Республики Беларусь
Сочинение: Живая легенда русского рока
Курсовая работа по теме Антенно-фидерные устройства
Курсовая работа: Разработка технического предложения на модернизацию конусной дробилки ККД-1200
Курсовая работа по теме Правовые основы организации предпринимательских фирм
Реферат: Notiunea de putere de stat si putere political. Скачать бесплатно и без регистрации
Дипломная работа по теме Разработка алгоритмов контроля и диагностики системы управления ориентацией космического аппарата
Российская Империя Реферат
Реферат: Поведение фирмы в условиях монополии
Реферат: Рефлексія як структурний компонент моделі ефективного консультанта
Курсовые Работы По Ассортиментной Политике Универсама
Детская Субкультура Реферат
Реферат: Ограниченность экономических ресурсов
Дипломная работа: Вдосконалення маркетингової діяльності
Эссе По Кубановедению На Учителя Года Кубани
Обучение Чтению Курсовая
Реферат: Счетчик времени исходящих телефонных разговоров
Наследственные патологии слуха - Медицина реферат
Исламская валютная система - Финансы, деньги и налоги курсовая работа
Процесс обучения как целостное явление - Педагогика контрольная работа