加速法測(cè)定藥物有效期的虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張紅燕, 朱一昆, 龔 勛, 吳其俊

(1.貴州理工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550003；2.貴州理工學(xué)院食品藥品制造工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550003)

虛擬儀器技術(shù)(Virtual Instrument)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。目前，LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言是虛擬儀器開(kāi)發(fā)的最優(yōu)秀軟件，該軟件主要用于數(shù)據(jù)采集及分析、測(cè)量、儀器和過(guò)程監(jiān)控等領(lǐng)域。LabVIEW集成并滿(mǎn)足RS-232、RS-485、VXI和GPIB協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，并有豐富的數(shù)值分析、數(shù)字信號(hào)處理等功能，可實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集、分析控制等的虛擬儀器系統(tǒng)，縮短了虛擬儀器的研發(fā)周期[1 - 3]。

藥物制劑的穩(wěn)定性是藥物質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。對(duì)藥品進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)，測(cè)定其貯存期雖然準(zhǔn)確但是耗時(shí)太長(zhǎng)，對(duì)研究新制劑、新藥物很不方便，因此，利用經(jīng)典的恒溫加速動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)來(lái)初步判斷藥物穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用[4 - 5]。

分光光度計(jì)是各分析實(shí)驗(yàn)室中最重要的質(zhì)量控制儀器之一，是常規(guī)的必備儀器。722S型分光光度計(jì)工作原理是光源燈發(fā)出的復(fù)合光進(jìn)入單色器，經(jīng)光柵色散由出射狹縫射出一束單色光，經(jīng)樣品室待測(cè)樣品吸收后透射出的單色光被光電池接收，轉(zhuǎn)換成與待測(cè)樣品透射光強(qiáng)度成一定比例的電信號(hào)，經(jīng)放大器放大和A/D轉(zhuǎn)換后，由中央控制中心CPU控制顯示出待測(cè)樣品的透射比或吸光度，數(shù)字顯示器可明亮清晰地顯示透視比、吸光度和濃度等參數(shù)，但不具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與智能化處理數(shù)據(jù)的功能。在動(dòng)力學(xué)藥物有效期實(shí)驗(yàn)中一般采取在某一間隔時(shí)間使其停止反應(yīng)的進(jìn)行來(lái)測(cè)定反應(yīng)進(jìn)行的程度，該實(shí)驗(yàn)由于對(duì)時(shí)間的要求高，常規(guī)實(shí)驗(yàn)中需要多人協(xié)同操作，使得該實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度難以保證。在實(shí)際的化工、藥物及食品等行業(yè)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，吸光度的測(cè)量需要自動(dòng)化的原位測(cè)試及時(shí)間掃描等應(yīng)用功能。本文根據(jù)測(cè)定藥物有效期的動(dòng)力學(xué)方法和722S型分光光度計(jì)的特點(diǎn)，通過(guò)其串行口與計(jì)算機(jī)連接，開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的分光光度計(jì)測(cè)定硫酸鏈霉素溶液有效期的虛擬儀器系統(tǒng)。該系統(tǒng)提升和擴(kuò)展了儀器的功能，能實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、時(shí)間掃描及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理并結(jié)果輸出，智能化地完成測(cè)試任務(wù)。

1 系統(tǒng)硬件配置

虛擬儀器系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、722S可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海菁華科技儀器有限公司)及HK-2A超級(jí)恒溫槽(南京南大萬(wàn)和科技有限公司)組成，通過(guò)串行口將722S分光光度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)間掃描、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果生成及在線(xiàn)報(bào)警等。

2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬儀器軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)SubVIs等組成，分別完成時(shí)間掃描、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析及結(jié)果生成等；不同SubVIs程序的調(diào)用是采用事件結(jié)構(gòu)(Event Structure)進(jìn)行事件響應(yīng)的。

2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

圖1 數(shù)據(jù)采集程序框圖Fig.1 Program for the Data Acquisition

數(shù)據(jù)采集程序方框圖如圖1所示，根據(jù)分光光度計(jì)串行口發(fā)送的數(shù)據(jù)協(xié)議，用LabVIEW中的VISA節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)初始化串口、串口寫(xiě)、串口讀及關(guān)閉串口等功能[5 - 6]。在進(jìn)行串口通信前，需先配置VISA Configure Serial Port節(jié)點(diǎn)的各個(gè)端口參數(shù)，用Structures模板中的Timed Loop，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)間掃描功能。

Timed Loop程序中從左到右分別使用四個(gè)Case Structure進(jìn)行調(diào)滿(mǎn)度、調(diào)零、采樣及數(shù)據(jù)保存操作，在采樣前先需要對(duì)儀器調(diào)滿(mǎn)度100%T，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整儀器內(nèi)部的放大倍數(shù)；隨后需對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零0%T操作，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整歸零，進(jìn)入正確的測(cè)試狀態(tài)。調(diào)滿(mǎn)度是調(diào)用VISA Write函數(shù)實(shí)現(xiàn)給設(shè)備操作信號(hào)，并通過(guò)VISA Read函數(shù)讀取返回的設(shè)備數(shù)據(jù)blank；調(diào)零是調(diào)用VISA Write函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備歸零操作，并通過(guò)VISA Read函數(shù)讀取返回的凋零數(shù)據(jù)zero；連續(xù)采樣同樣是用VISA Write函數(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)送設(shè)備讀取數(shù)據(jù)操作信號(hào)，并通過(guò)VISA Read函數(shù)讀取當(dāng)前設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)power；然后根據(jù)以上返回?cái)?shù)據(jù)用LabVIEW中的Numeric子模板下的相關(guān)函數(shù)和Logarithm Base 10函數(shù)實(shí)現(xiàn)透射率和吸光度的計(jì)算，透射率Trans=(power-zero)/(blank-zero)×100；吸光度Abs=-lg(trans/100)。調(diào)用Insert Into Array和Shift Register實(shí)現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)寄存并送入Graph圖實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)便于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，調(diào)用Write to Spreadsheet File.vi函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存。

圖2 數(shù)據(jù)采集操作面板Fig.2 Main operation panel of the VI

數(shù)據(jù)采集操作面板如圖2所示，圖的左邊是用戶(hù)操作部分，點(diǎn)擊相關(guān)按鈕進(jìn)行不同的操作，分別點(diǎn)擊調(diào)滿(mǎn)度和調(diào)零操作使儀器處于正確的測(cè)試狀態(tài)，點(diǎn)擊“采集”按鈕分光光度計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)間掃描，吸光度對(duì)時(shí)間掃描數(shù)據(jù)右邊圖譜實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)當(dāng)前采集時(shí)間、采集的吸光度和透射率在結(jié)果顯示區(qū)實(shí)時(shí)更新，為了對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看和分析，以便實(shí)時(shí)了解數(shù)據(jù)特性及曲線(xiàn)趨勢(shì)，圖的下方工具欄能實(shí)現(xiàn)波形的動(dòng)態(tài)調(diào)整，如自動(dòng)縮放、圖形拖動(dòng)、光標(biāo)移動(dòng)、圖形縮放及曲線(xiàn)顏色設(shè)置等；點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，測(cè)試數(shù)據(jù)及時(shí)間實(shí)時(shí)保存；點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)分析”按鈕即可打開(kāi)數(shù)據(jù)分析面板，進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)分析。

2.2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果生成程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析與結(jié)果生成部分根據(jù)一級(jí)反應(yīng)特征，及分光光度計(jì)能通過(guò)反應(yīng)顏色的改變測(cè)定生成物濃度變化的原理。鏈霉素在堿性條件下水解成麥芽酚的反應(yīng)屬于一級(jí)反應(yīng)，而麥芽酚在酸性條件下與Fe3+生成穩(wěn)定的紫紅色螯合物，可利用顏色反應(yīng)來(lái)測(cè)定鏈霉素在堿性溶液中變成麥芽酚的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)[7]。用A∞表示鏈霉素完全脫水變成麥芽酚的吸光度，At表示在時(shí)間t時(shí)部分鏈霉素變成麥芽酚的吸光度，則一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為：ln(A∞-At)=-kt+lnA∞；實(shí)驗(yàn)在不同溫度下進(jìn)行，測(cè)得不同溫度下的速率常數(shù)k值。依據(jù)阿倫尼烏斯公式，以不同溫度的lnk對(duì)1/T作圖，根據(jù)線(xiàn)性擬合能獲得該反應(yīng)的活化能，然后將該擬合直線(xiàn)外推至25 ℃，即可得到該溫度時(shí)的速率常數(shù)k25 ℃值，進(jìn)而求出該溫度條件下藥物的有效期t0.9=0.1054/k25 ℃。

圖3 處理與結(jié)果生成程序框圖Fig.3 Program for Data Analysis and Result Generation

數(shù)據(jù)分析與結(jié)果生成方框圖如圖3所示，Case Structure內(nèi)調(diào)用For loop和Read from spreadsheet file.vi函數(shù)實(shí)現(xiàn)讀取已儲(chǔ)存的不同溫度條件下的時(shí)間掃描數(shù)據(jù)，用Shift register將讀取的多組數(shù)據(jù)寄存并進(jìn)行下一步的分析與處理；用Mathematics模板中的Natural Logarithm和Linear Fit.vi函數(shù)獲得每組溫度數(shù)據(jù)的速率常數(shù)k和擬合數(shù)據(jù)，在下一個(gè)Case Structure中將擬合數(shù)據(jù)和擬合前原始掃描數(shù)據(jù)通過(guò)Bundle和Build Array函數(shù)將不同溫度組數(shù)據(jù)打包送入曲線(xiàn)圖實(shí)時(shí)顯示，由圖可以直觀的看到數(shù)據(jù)處理前曲線(xiàn)及擬合曲線(xiàn)的擬合程度好壞；由于LabVIEW的Mathematics模板中的直線(xiàn)擬合函數(shù)沒(méi)有給出擬合后的相關(guān)系數(shù)，而相關(guān)系數(shù)用于評(píng)價(jià)兩個(gè)變量間的線(xiàn)性相關(guān)程度，根據(jù)最小二乘原理調(diào)用Formula Node函數(shù)構(gòu)建了求算回歸直線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)；然后將線(xiàn)性處理后獲得每組溫度的速率常數(shù)和相關(guān)系數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串形式，用Concatenate Strings節(jié)點(diǎn)將各組數(shù)據(jù)輸入字符串控件顯示。根據(jù)阿倫尼烏斯公式，同樣調(diào)用Linear Fit.vi函數(shù)將線(xiàn)性回歸獲得不同溫度的速率常數(shù)lnk對(duì)1/T作線(xiàn)性圖并送入graph圖實(shí)時(shí)顯示，然后根據(jù)其擬合參數(shù)調(diào)用數(shù)學(xué)模板中的相關(guān)計(jì)算函數(shù)求得25 ℃的速率常數(shù)k25 ℃，進(jìn)而求出該溫度條件下藥物的有效期和該反應(yīng)的活化能。

圖4 處理與結(jié)果生成操作面板Fig.4 Panel for Data Analysis and Result Generation

數(shù)據(jù)處理與結(jié)果生成操作面板如圖4所示，圖的左上部分是參數(shù)輸入部分，右上部分是結(jié)果生成部分，左下部分是求算不同溫度速率常數(shù)的線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)圖，右下部分是不同溫度的速率常數(shù)lnk對(duì)1/T擬合曲線(xiàn)圖。操作者輸入需要數(shù)據(jù)處理的組數(shù)、最大吸光度A∞及處理數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)溫度，點(diǎn)擊“讀數(shù)”按鈕，即彈出選擇數(shù)據(jù)對(duì)話(huà)框，選擇完相關(guān)數(shù)據(jù)后程序?qū)崟r(shí)將結(jié)果輸出，左下圖顯示不同溫度條件下的擬合曲線(xiàn)，結(jié)果顯示中給出不同溫度的速率常數(shù)及其相關(guān)系數(shù)結(jié)果；右下圖實(shí)時(shí)顯示不同溫度的速率常數(shù)lnk對(duì)1/T擬合曲線(xiàn)，結(jié)果顯示中及時(shí)給出該擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)、該反應(yīng)的活化能、25 ℃的速率常數(shù)k25 ℃及藥物的有效期[8]。

3 應(yīng)用結(jié)果與討論

取50 mL約0.4%的硫酸鏈霉素溶液，置于100 mL的碘量瓶中，并將碘量瓶放于40 ℃的恒溫槽中，用移液管移取2.0 mol/L的NaOH溶液0.5 mL，迅速加入硫酸鏈霉素溶液中，當(dāng)溶液加入至一半時(shí)，打開(kāi)測(cè)定藥物有效期的虛擬儀器系統(tǒng)并記錄反應(yīng)時(shí)間。取9個(gè)干燥的50 mL碘量瓶，分別用移液管準(zhǔn)確加入20 mL 0.5%鐵試劑，加入5滴1.2 mol/L H2SO4溶液，每隔5 min，準(zhǔn)確取反應(yīng)液5 mL于上述碘量中，搖勻呈紫紅色，將該溶液倒入石英比色皿中，隨后將其放入帶有恒溫裝置和恒溫在40 ℃的分光光度計(jì)中測(cè)量，分光光度計(jì)波長(zhǎng)λ=520 nm，點(diǎn)擊虛擬儀器系統(tǒng)面板上的采集按鈕，計(jì)時(shí)約45 min，9個(gè)碘量瓶數(shù)據(jù)采集完畢點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，當(dāng)前時(shí)間掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存；然后分別重復(fù)以上步驟測(cè)量恒溫在45、50、55、60 ℃時(shí)的時(shí)間掃描數(shù)據(jù)；以上剩下的混合液體放入100 ℃水浴恒溫0.5 h，在分光光度計(jì)λ=520 nm 處測(cè)定其A∞。所有溫度數(shù)據(jù)保存后，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)分析”按鈕，即可進(jìn)入數(shù)據(jù)分析與結(jié)果生成面板，如圖4所示。操作面板左下方5個(gè)溫度的原始數(shù)據(jù)和擬合曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，結(jié)果顯示區(qū)域給出該5個(gè)溫度擬合曲線(xiàn)的速率常數(shù)和相關(guān)系數(shù)，其擬合相關(guān)系數(shù)均為0.99以上；右下方是5個(gè)溫度的速率常數(shù)lnk對(duì)1/T擬合曲線(xiàn)，并由直線(xiàn)擬合的斜率求算出該反應(yīng)的活化能67 kJ/mol，根據(jù)擬合參數(shù)求出25 ℃的速率常數(shù)為4.22E-4 min-1，25 ℃ 時(shí)藥物的有效期為250 min。表1給出了虛擬儀器系統(tǒng)和由人工實(shí)驗(yàn)測(cè)定(三次平均值)的有效期及活化能數(shù)據(jù)。

表1 加速實(shí)驗(yàn)法測(cè)定硫酸鏈霉素的有效期及反應(yīng)活化能

4 結(jié)論

本文基于LabVIEW構(gòu)建了測(cè)定藥物有效期的虛擬儀器系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)解決了計(jì)算機(jī)與分光光度計(jì)RS232通信問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)或科研中時(shí)間掃描和掃描曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、掃描數(shù)據(jù)查看及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，而且利用LabVIEW自帶的豐富函數(shù)庫(kù)，編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的分析與處理，實(shí)時(shí)獲得相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。基于LabVIEW構(gòu)建的測(cè)定藥物有效期的虛擬儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間掃描功能和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與處理，擴(kuò)展了常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器分光光度計(jì)的功能，其性能獲得智能化躍遷，避免了人工藥物有效期測(cè)定時(shí)需要多人協(xié)同操作的繁瑣和人為誤差，提高了測(cè)量的精確度和準(zhǔn)確度。此外，該系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好、操作簡(jiǎn)單、功能易擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)者僅需點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕或輸入一些相關(guān)參數(shù)即可完成相應(yīng)的測(cè)試，該系統(tǒng)可廣泛用于醫(yī)藥、食品、化工等領(lǐng)域分光光度計(jì)測(cè)定的動(dòng)力學(xué)測(cè)試中。