張 唯 張?zhí)飕| 李瑞瑞 李新霞,2*

(1.新疆醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，烏魯木齊 830011；2.新疆醫(yī)科大學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011；3.清華大學(xué)軟件學(xué)院，北京100083)

儀器應(yīng)用

基于微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室藥物濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

張 唯1張?zhí)飕|3李瑞瑞1李新霞1,2*

(1.新疆醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，烏魯木齊 830011；2.新疆醫(yī)科大學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011；3.清華大學(xué)軟件學(xué)院，北京100083)

通過LabVIEW軟件編譯，與FIAlab for Windows軟件結(jié)合，分別控制光纖光譜儀和微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室(MicroSIA Lab-on-valve，μSIA-LOV)系統(tǒng)，以光纖作為傳導(dǎo)介質(zhì)，將光纖光譜儀、微順序注射分析儀和氘燈光源連接，基于樣品的紫外吸收特性，實(shí)現(xiàn)原位待測樣品溶液濃度隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。編譯光譜采集模塊，進(jìn)行樣品溶液的光譜掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的定性分析；編譯標(biāo)準(zhǔn)曲線模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的定量分析方法的建立；編譯樣品檢測模塊，實(shí)現(xiàn)樣品溶液濃度的實(shí)時(shí)連續(xù)測定。并以頭孢氨芐為例，基于紫外吸收測定模式的LabVIEW軟件編譯的3個(gè)模塊，同時(shí)對(duì)待測樣品進(jìn)行原位和過程分析，與紫外分光光度計(jì)測得結(jié)果比較(P>0.05)，結(jié)果無顯著性差異。說明LabVIEW軟件編譯的3個(gè)模塊可實(shí)現(xiàn)待測溶液濃度的原位實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。

LabVIEW軟件 微順序注射 在線檢測 濃度測定

1 引 言

微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室(MicroSIA Lab-on-valve，μSIA-LOV)是在流動(dòng)注射的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第三代流動(dòng)注射分析技術(shù)[1,2]，具有樣品和試劑消耗少，適用于長時(shí)間監(jiān)測和試劑比較昂貴、樣品來源受限制的分析的特點(diǎn)[3]。其體系的參數(shù)，包括吸入試劑和樣品的流速、體積、各溶液之間的反應(yīng)時(shí)間、擴(kuò)散程度可以通過計(jì)算機(jī)軟件控制，最大程度地減少了操作中的人為干預(yù)；易于自動(dòng)化、更適合生產(chǎn)過程自動(dòng)化監(jiān)測和多組分同時(shí)分析。充分體現(xiàn)了當(dāng)今分析設(shè)備微型化、集成化和便攜化的發(fā)展趨勢[4-7]。

將紫外光纖光譜儀和微順序注射分析儀聯(lián)用[8,9]，易于實(shí)現(xiàn)物質(zhì)紫外吸收光譜或熒光光譜的在線檢測。實(shí)現(xiàn)藥物的體內(nèi)、體外實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，通過樣品衍生化提高靈敏度，所需樣品及試劑量少，可使試劑消耗降低到微升級(jí)，檢測速度快。

SpectraSuite軟件是一個(gè)完整的模塊式光譜學(xué)軟件平臺(tái)，該軟件可以控制任何一臺(tái)海洋光學(xué)公司的光譜儀設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)吸光度或熒光強(qiáng)度的在線檢測。FIAlab for Windows軟件用于控制微順序注射分析儀，調(diào)節(jié)吸入樣品的流速、體積、各溶液反應(yīng)時(shí)間。SpectraSuite軟件與FIAlab for Windows軟件在該聯(lián)用技術(shù)中獨(dú)立存在，作為通用軟件分別控制光纖光譜儀和微順序注射分析儀，實(shí)現(xiàn)待測溶液吸光度或熒光強(qiáng)度實(shí)時(shí)在線檢測。光纖一端接入微順序注射分析儀的多功能流通池，另一端接入光纖光譜儀，進(jìn)行一系列流控操作并實(shí)現(xiàn)物質(zhì)吸收光譜或熒光光譜的閥內(nèi)實(shí)時(shí)在線檢測。但SpectraSuite軟件只能測得待測樣品溶液的吸光度或熒光強(qiáng)度實(shí)時(shí)值，通過手工計(jì)算帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線，間接轉(zhuǎn)化為濃度值。對(duì)于實(shí)時(shí)連續(xù)檢測，還需實(shí)現(xiàn)對(duì)待測溶液的濃度轉(zhuǎn)換。

LabVIEW軟件是一種使用圖形化的編程語言G語言編寫程序的編程環(huán)境，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件擁有龐大的函數(shù)庫，用于程序編譯。一個(gè)LabVIEW程序由一個(gè)或多個(gè)虛擬儀器(VI)組成，包含前面板、程序框圖和圖標(biāo)，前面板用于設(shè)置輸入量和觀察輸出量，輸入量稱為控件，用來設(shè)置輸入?yún)?shù)。輸出量稱為指示器，用來輸出圖形和數(shù)據(jù)。程序框圖用于編譯程序代碼[10]。

本研究將紫外光纖光譜儀和微順序注射分析儀聯(lián)用，通過LabVIEW軟件編譯，與FIAlab for Windows軟件結(jié)合，分別控制光纖光譜儀和微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室(μSIA-LOV)系統(tǒng)，以光纖作為傳導(dǎo)介質(zhì)，將光纖光譜儀、微順序注射分析儀和氘燈光源連接，基于樣品的紫外吸收特性，實(shí)現(xiàn)原位待測樣品溶液濃度隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)連續(xù)檢測。并以頭孢氨芐為例，驗(yàn)證該軟件的實(shí)時(shí)原位在線檢測功能。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 儀器與試劑

微順序注射分析儀(MicroSIA，F(xiàn)IAlab Instrument，海洋光學(xué)) ；紫外光纖光譜儀(QE65000-ABS，海洋光學(xué)) ；高功率氘鹵燈組合光源(DH-2000，海洋光學(xué)) ；分析天平(AB135-S，梅特勒) ；包塑光纖(200μm×1m×2，海洋光學(xué)) ；實(shí)驗(yàn)流路所用連接管道采用PTFE管(內(nèi)徑0.76 mm) ；紫外分光光度儀(UV-2550，日本島津) ；恒溫定時(shí)攪拌器(JB-3A，上海雷磁創(chuàng)益儀器儀表有限公司) ；頭孢氨芐對(duì)照品(中國藥品生物制品檢定所，批號(hào)：130418-200710，純度94.4%)；頭孢氨芐片(北京京豐制藥有限公司，規(guī)格：0.25g/片，批號(hào)：國藥準(zhǔn)字H11020118)，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

光纖傳感-微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室儀器裝置：包含1000μL高精密度注射泵、8通道的多位閥模塊(LOV)，在該模塊上集成了1個(gè)中心控制通道和多個(gè)工作通道及多功能流通池；通過FIAlab for Windows軟件調(diào)控中心通道一端與 8 位閥上工作通道，使中心通道與工作通道準(zhǔn)確連接，另一端和高精密度注射泵連接，使其構(gòu)成流動(dòng)分析系統(tǒng)。一根光纖與光纖光譜儀相連，另一根光纖與氘燈光源相連，2根光纖探頭插入多功能流通池，整個(gè)光路組成紫外吸收測定模式，光纖傳感-微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室儀器連接示意圖如圖1。

圖1 光纖傳感-微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室儀器連接示意圖

3 軟件平臺(tái)與開發(fā)

本研究采用LabVIEW軟件編譯3個(gè)模塊：光譜采集模塊，進(jìn)行待測物質(zhì)的光譜掃描，在光譜圖前面板(圖2左)顯示光譜圖，獲取吸光度最大值及對(duì)應(yīng)波長，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的定性分析；標(biāo)準(zhǔn)曲線模塊，在標(biāo)準(zhǔn)曲線前面板(圖2中)顯示時(shí)序圖和擬合的標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的定量測定；樣品檢測模塊，在樣品檢測前面板(圖2右)顯示樣品濃度變化，實(shí)現(xiàn)樣品的實(shí)時(shí)濃度測定。編譯的程序框圖如圖3。

圖2 LabVIEW軟件編譯的基于紫外吸收測定模式的三個(gè)模塊前面板

圖3 LabVIEW軟件編譯基于紫外吸收測定模式的程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)操作流程

本研究以頭孢氨芐為例，參照中國藥典頭孢氨芐片溶出度的檢測方法，將頭孢氨芐片放入磁力攪拌器中，隨著藥片的溶解，溶液濃度逐漸升高，通過LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)藥物濃度動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)原位連續(xù)測定，驗(yàn)證該軟件的功能。一根光纖與光纖光譜儀相連，另一根光纖與氘燈光源相連，2根光纖探頭插入多功能流通池，光纖光譜儀再與計(jì)算機(jī)連接，按照圖1連接儀器裝置。

4.1 對(duì)照品溶液的配制

精密稱取頭孢氨芐對(duì)照品9.91 mg，加水溶解，定容至25mL，分別量取0.8、1.0、1.3、1.5、1.7、2.0mL至25mL容量瓶，定容至刻度，配置成系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液，備用。

4.2 基線的調(diào)整

在注射泵的驅(qū)動(dòng)下，使整個(gè)流路中充滿空白溶液水，打開LabVIEW光譜圖前面板，VISA資源名處下拉菜單刷新，選擇USB設(shè)備，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕。點(diǎn)擊光譜圖前面板“讀取暗光譜”，打開氘燈光源遮光板；點(diǎn)擊“讀取參考光譜”，關(guān)閉氘燈光源遮光板，此時(shí)前面板顯示基線平穩(wěn)，可以進(jìn)行待測溶液的測定。

4.3 物質(zhì)的光譜采集和標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備

從八通閥的4號(hào)口以20 μL·s-1的流速精密吸取 200μL頭孢氨芐對(duì)照品溶液，再以20μL·s-1的流速將溶液從8號(hào)口排出，在LabVIEW軟件光譜圖前面板采集光譜圖，點(diǎn)擊停止按鈕，記錄最大吸收波長對(duì)應(yīng)索引。在標(biāo)準(zhǔn)曲線前面板“索引輸入”控件處輸入該索引值，按4.2項(xiàng)操作步驟重新調(diào)整基線，進(jìn)行系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的測定。當(dāng)時(shí)序圖指示器顯示吸光度呈與X軸水平的直線時(shí)，點(diǎn)擊暫停按鈕，將標(biāo)準(zhǔn)曲線前面板時(shí)序圖指示器右側(cè)方格測得的吸光度值復(fù)制到“吸光度”輸入控件處，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的吸光度數(shù)據(jù)可導(dǎo)出。手動(dòng)輸入系列濃度值，系列濃度溶液測定完后，點(diǎn)擊停止按鈕，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，標(biāo)準(zhǔn)曲線前面板顯示繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線。用水以 200 μL·s-1流速?zèng)_洗整個(gè)流路。

4.4 樣品溶液濃度的實(shí)時(shí)在線檢測

將軟件切換至光譜圖前面板，按4.2項(xiàng)操作步驟重新調(diào)整基線，將頭孢氨芐片放入盛有900mL純水的燒杯中，燒杯放在磁力攪拌器上，啟動(dòng)磁力攪

拌器，隨藥片的溶解，燒杯中樣品濃度逐漸增大。從八通閥的4號(hào)口以20 μL·s-1的流速精密吸取燒杯中的溶液，再以20μL·s-1的流速將樣品從8號(hào)口排出，每隔30秒測定一次。光譜圖前面板顯示采集的頭孢氨芐溶液的吸光度變化。將軟件切換至標(biāo)準(zhǔn)曲線前面板，“時(shí)序圖”指示器顯示頭孢氨芐片吸光度隨時(shí)間的變化。將LabVIEW軟件切換至樣品檢測前面板，“濃度測定”指示器顯示燒杯中頭孢氨芐溶出濃度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，右側(cè)方格顯示濃度實(shí)時(shí)變化值，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的濃度數(shù)據(jù)可導(dǎo)出。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

5.1 紫外光譜采集

按擬定實(shí)驗(yàn)方法對(duì)頭孢氨芐對(duì)照品進(jìn)行光譜采集(圖4)，因光纖問題，在200～220nm范圍內(nèi)光不能透過，所以LabVIEW軟件測不到末端吸收。在LabVIEW軟件上掃描的頭孢氨芐對(duì)照品紫外光譜與紫外分光光度計(jì)掃描的圖譜最大吸收波長一致，均為259nm，在LabVIEW軟件顯示最大吸收波長對(duì)應(yīng)索引值為75。說明LabVIEW軟件能夠?qū)崿F(xiàn)溶液的紫外光譜采集，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的定性分析。

圖4 LabVIEW軟件采集頭孢氨芐對(duì)照品光譜圖

5.2 物質(zhì)的實(shí)時(shí)濃度測定

標(biāo)準(zhǔn)曲線前面板手動(dòng)輸入最大吸收波長索引值75，LabVIEW軟件測定259nm波長處的頭孢氨芐系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液，上方時(shí)序圖界面實(shí)時(shí)顯示系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度連續(xù)梯度變化。復(fù)制測得的系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度值到下方吸光度輸入控件，試樣濃度值手動(dòng)輸入。LabVIEW軟件運(yùn)行，自動(dòng)擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖5)。其線性方程為：Y=0.02194+0.0196x，相關(guān)系數(shù)為r=0.9998，表明頭孢氨芐對(duì)照品在12.68～31.71μg/mL濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

表1 LabVIEW軟件測定頭孢氨芐對(duì)照品標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)

圖5 LabVIEW軟件制備的頭孢氨芐標(biāo)準(zhǔn)曲線

按4.4項(xiàng)操作步驟測定燒杯中頭孢氨芐片溶出的濃度變化，6分鐘時(shí)，燒杯中的頭孢氨芐濃度不再變化(圖6)。

圖6 LabVIEW軟件測定頭孢氨芐溶液的濃度變化

取上述系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液在紫外分光光度儀上測定，記錄系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度值(表2)，線

性方程為：Y= 0.02135x+0.0026，相關(guān)系數(shù)r=0.9999。

在上述頭孢氨芐片的溶出過程中，取3個(gè)時(shí)間點(diǎn)燒杯中的溶液，于紫外分光光度儀上測定，3次測得的吸光度值帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線Y= 0.02135x+0.0026，計(jì)算3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的燒杯中頭孢氨芐片濃度，同時(shí)將這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溶液于LabVIEW軟件測定，LabVIEW軟件能夠直接顯示頭孢氨芐溶液濃度數(shù)據(jù)，與紫外分光光度儀測定結(jié)果比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，數(shù)據(jù)由spss17.0軟件處理。說明Labview軟件測定結(jié)果和紫外分光光度計(jì)測定結(jié)果比較，濃度無顯著性差異(表3)。

表2 紫外分光光度儀測定的頭孢氨芐標(biāo)準(zhǔn)曲線

表3 LabVIEW軟件和紫外分光光度儀測定的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的濃度數(shù)據(jù)比較(n=3)

6 討論

本研究以LabVIEW軟件為程序編譯工具，編譯藥物濃度實(shí)時(shí)在線檢測系統(tǒng)，與FIAlab for Windows結(jié)合，分別控制硬件系統(tǒng)光纖光譜儀和微順序注射分析儀。并選取頭孢氨芐藥品為例，參照中國藥典頭孢氨芐片的溶出度測定方法，模擬藥物濃度變化模型，根據(jù)藥片的溶出過程，驗(yàn)證軟件的濃度變化實(shí)時(shí)連續(xù)測定功能。

光譜采集模塊獲取物質(zhì)最大吸收波長和對(duì)應(yīng)吸光度值，對(duì)待測物質(zhì)進(jìn)行定性分析，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法對(duì)待測物質(zhì)進(jìn)行定量；通過程序框圖中公式的編輯，前面板直接顯示樣品溶液的實(shí)時(shí)濃度變化，減少了手工計(jì)算。說明LabVIEW軟件編譯的3個(gè)模塊可實(shí)現(xiàn)基于紫外吸收特性樣品的濃度實(shí)時(shí)原位檢測。本研究后續(xù)將在采樣間隔時(shí)間上進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)體內(nèi)藥物濃度測定來說，針對(duì)藥物不同半衰期，在程序上添加采樣間隔變換功能，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)藥物濃度的實(shí)時(shí)在線檢測。

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Development of drug concentration real-time monitoring software system based on fiber sensing combined with μSIA-LOV.

Zhang Wei1, Zhang Tianwei3, Li Ruirui1, Li Xinxia1，2

(1.College of Pharmacy, Xinjiang Medical University, Urumqi 830054，China; 2.Central Laboratory, Xinjiang Medical University, Urumqi 830054，China; 3.College of Software, Tsinghua University, Beijing 100083，China)

LabVIEW software and FIAlab for Windows software were combined to control fiber spectrometer and MicroSIA Lab-on-valve system respectively. The fiber spectrometer, MicroSIA Lab-on-valve and deuterium light source were connected by fiber. Based on the ultraviolet absorption property of the samples, the system could realize in situ, real-time and online monitoring of samples. Three modules compiled by LabVIEW software were used for samples scanning， qualitative analysis, quantitative analysis and real-time continuous determination. Take cefalexin for instance, comparing with ultraviolet spectrophotometer (P>0.05), the experiament results showed that there were no significant differences between them.

LabVIEW software； micro sequential injection； online monitoring； concentration determination

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.81260486)和2015年高新區(qū)應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)專項(xiàng)(No.KJJH2015003)資助。

張唯，女，1992年出生，新疆醫(yī)科大學(xué)在讀碩士，E-mail：1522261601@qq.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.003

2016-09-01