Перенос многомерных градуировочных моделей для развития промышленных сенсорных технологий

Project

Description

Парадигма PAT (process analytical technology), зародившаяся в фармацевтике в начале 2000 годов завоёвывает все большую популярность во многих отраслях. Основная идея PAT заключается в обеспечении “quality by design” (качества за счет планирования), т.е. в обеспечении требуемого качества конечных продуктов промышленных производств путем непрерывного аналитического контроля на всех технологических стадиях процесса. Традиционно развитие РАТ было тесно связано с различными видами оптической спектроскопии, и, в первую очередь, с БИК (инфракрасная спектроскопия в ближней области 700-2500 нм). В настоящее время концепция PAT нашла широкое применение в пищевой промышленности, в биотехнологии, в фармацевтической промышленности. Помимо использования подходящего аналитического приборного оформления для оценки химических и физико-химических параметров технологических потоков, РАТ подразумевает широкое применение методов обработки многомерных данных (методов хемометрики), позволяющих извлекать значимую аналитическую информацию из больших объемов спектроскопических данных. Большое число научных групп по всему миру ведет в этой области в настоящее время интенсивные исследования.
Одна из серьезных проблем в области РАТ связана с переносом градировочных моделей. Такая проблема возникает каждый раз, когда необходимо использовать градуировочную модель, созданную для одного аналитического инструмента (например, БИК спектрометра), для интерпретации данных, полученных на другом инструменте (например, другом БИК спектрометре). Проблема особенно остро стоит для многомерных градуировок, для построения которых требуется значительное количество образцов, времени и ресурсов, что делает экономически нецелесообразным полную независимую градуировку второго прибора. Поскольку два спектрометра не являются идентичными копиями друг друга и могут различаться по спектральному диапазону, чувствительности, условиям проведения измерений, и т.д., прямое использование данных от одного прибора с градуировочной моделью от другого невозможно, так как приводит к неприемлемо высоким величинам погрешностей в определении целевых параметров образцов. Проблема особенно важна при переносе градуировочных моделей, разработанных для лабораторного прибора на прибор, используемый в промышленных условиях, где большое количество внешних факторов влияет на снятие спектра.
Еще один важный аспект связан с возможностью переноса градуировок между полноразмерными лабораторными приборами и упрощенными сенсорными устройствами, популярными в области промышленного мониторинга. Отдельный интерес представляет возможность переноса градуировок между различными типами спектрометров, работающих в разных спектральных диапазонах (например, ближней и дальней инфракрасными областями спектра) – реализация такого подхода открыла бы возможность создания «глобальных» градуировочных моделей, которые можно применять для всех аналитических инструментов в рамках одной аналитической задачи.
Цель настоящего проекта заключается в разработке новых способов такого переноса градуировочных моделей на основе реальных спектроскопических данных, полученных совместно с немецким академическим (Hochschule Aalen) и промышленным партнерами (Blue Ocean Nova AG). Заявитель имеет существенный задел по предлагаемой тематике, подтвержденный публикациями в ведущих международных журналах по аналитической химии. Так, в недавних работах заявителя были разработаны алгоритмы переноса градуировочных моделей между потенциометрическими мультисенсорными системами [Electroanalysis 29 (2017) 2161] и между химическими мультисенсорными системами, основанными на разных принципах – вольтамперометрия и потенциометрия [Sensors and Actuators B: Chemical 246 (2017) 994]. Эти алгоритмы были затем обобщены и на случай спектральных данных, получаемых на различных аналитических приборах [Talanta 170 (2017) 457]. Трансляция этих результатов в область промышленного аналитического контроля и РАТ представляется логичным развитием этого цикла исследований.
В качестве принимающей стороны в проекте выступает Hochschule Aalen – один из ведущих немецких университетов с точки зрения проведения прикладных исследований. Химический факультет университета имеет большой опыт реализации различных прикладных проектов для решения реальных аналитических задач в промышленности. Профессор Кристиан Нойзус широко известен в сообществе химиков-аналитиков своими работами по капиллярному электрофорезу и масс-спектрометрии применительно к проблемам пищевой промышленности, биотехнологии и фармацевтики. Лаборатория профессора Нойзуса располагает всем необходимым для успешной реализации проекта.
В результате выполнения проекта ожидается разработка новых способов переноса многомерных градуировочных моделей между полноразмерными лабораторными приборами и упрощенными сенсорными устройствами, используемыми для промышленного мониторинга. Кроме того, будет исследована возможность переноса градуировок между различными типами спектрометров, работающих в разных спектральных диапазонах. Такие работы внесут существенный вклад в развитие методологии РАТ и ее реальное применение на практике. Материалы исследований будут оформлены в виде публикации в журнале по аналитической химии, индексируемом в Scopus.

Layman's description

В проекте изучена возможность использования многомерных градуировочных моделей, построенных по результатам измерений со стационарными специализированными лабораторными спектрометрами, для интерпретации данных, получаемых от простых и недорогих сенсорных устройств, применяющихся в промышленности для нужд технологического онлайн контроля. Показано, что такая возможность существует и выполнение качественной градуировки, невозможное в промышленных условиях, может быть перенесено в лабораторию. Это существенным образом расширяет возможности оптических сенсоров и мультисенсорных систем, дает возможность их более широкого внедрения, позволяет обеспечивать более стабильное и безопасное производство.

Key findings for the project

Проведены спектроскопические измерения в модельных растворах, содержащих смеси тяжелых металлов с помощью полноформатных лабораторных спектрометров и с помощью промышленных четырехканальных оптических сенсоров на светодиодах. Построены многомерные градуировочные модели для обоих вариантов измерений. С помощью различных математических методов выполнен перенос градуировочных моделей между приборами. Показана принципиальная возможность использования калибровки, созданной на полноформатном лабораторном спектрометре, для прогнозирования результатов анализа образцов с помощью простого сенсора, что многократно расширяет возможности промышленного использования таких устройств.
Принимающий ученый Prof. Dr. Christian Neusüß, Faculty of Chemistry
AcronymD. Mendeleev 2018
StatusFinished
Effective start/end date10/09/1811/10/18