автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Алгоритмическое и программно-техническое обеспечение цифровой обработки информативных сигналов в контроле растворов БАВ

На правах рукописи

КУДУХОВА Инга Гайозовна

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ В КОНТРОЛЕ РАСТВОРОВ БАВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 дЕК ¿013

Тамбов - 2013

005543161

005543161

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» («ВГАСУ») на кафедре «Химия».

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Рудаков Олег Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Латышенко Константин Павлович,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет», профессор кафедры «Технической кибернетики, мониторинга и автоматизированных систем контроля»

доктор технических наук, профессор Болотов Владимир Михайлович, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», профессор кафедры «Химии и химической технологии органических соединений и переработки полимеров»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Государственный университет -

учебно-научно-производственный комплекс», г. Орел

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, Большой актовый зал.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.01.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ», а с авторефератом диссертации дополнительно - на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ»: www.tstu.ru.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А.А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последнее время имеет место интенсивное развитие информационных технологий с использованием компьютеров и программного обеспечения для создания, хранения, передачи и обработки данных. Так как современные цифровые видеоустройства - фотокамеры (ЦФК) и планшетные сканеры (ПС) позволяют с достаточной для количественного определения точностью передавать яркость, цвет и морфологию объектов, электронные изображения все шире применяют в качестве интегрального информативного параметра. Контролируя интенсивности цветовых компонентов анализируемых растворов после проведения цветных реакций, можно получить значимый для идентификации набор цветометрических (ЦМ) данных. По изменению формы и размера анализируемого графического объекта, построенного в среде компьютерных программ, имеется принципиальная возможность судить о составе и концентрации анали-та. Одним из потенциальных способов тест-контроля могут служить изменения объёма (набухание и контракция) полимерных матриц в растворах. Величина этих эффектов зависит от химической природы веществ и от их концентрации в растворах, в которые помещены гранулы, следовательно, возникает возможность использовать их в качестве первичных измерительных преобразователей (ПИП) и реализовать мультисенсорную систему, в основу которой положен способ цифровой микрофотографии (МФ) серии набухающих гранул.

Для увеличения информативности и снижения погрешности анализа в диагностике веществ и материалов все большую популярность приобретают муль-тисенсорные приборы с детектирующим устройством из нескольких перекрестно-чувствительных химических сенсоров, дающих многомерный информативный сигнал. Однако проблема обработки и визуализации многомерных информативных сигналов, разработки методик распознавания образов на электронных изображениях до сих пор остается актуальной.

Целью диссертационной работы является решение актуальной научно-технической задачи, заключающейся в разработке алгоритма получения и обработки интегрального информативного сигнала, полученного от нескольких цифровых видеоустройств, для качественного и количественного контроля растворов биологически активных веществ (БАВ).

Основные задачи диссертационной работы:

- разработка алгоритма качественного и количественного определения ана-литов, прореагировавших с цветообразующими реактивами, по величине интенсивности цветовых компонентов электронного изображения;

- разработка методического обеспечения и аппаратурно-приборного комплекса для экспериментального определения параметров цветности, полученных от цифровых устройств;

- установление зависимостей объёмов гранул ионогенных и неионогенных полимеров от концентрации, а также от неинформативных параметров;

- разработка алгоритма интерпретации многомерного информативного сиг-

межфазных границах» - ФАГРАН (Воронеж, 2012); Всеросс. конф. с межд. участием по аналитической спектроскопии (Краснодар 2012); VII Всеросс. конф. «Менделеев-2012», (Санкт-Петербург, 2012); Межд. НТК «Современные достижения биотехнологии. Биотехнология пищевых производств» (Ставрополь, 2011); Всеросс. н. конф. «Методы анализа и контроля качества воды», (Москва, 2012).

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 12 статей в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ на полезную модель, 10 тезисов и материалов докладов на международных, всероссийских симпозиумах и конференциях.

Структура и объём диссертации. Материал изложен на 180 страницах, содержит 68 рисунков, 32 таблицы, библиографический список 260 ссылок.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором в период с 2009 по 2013 гг.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы и практическая значимость работы, приведены цель и задачи, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, а также результаты реализации и апробации.

В первой главе дан обзор применения фотоколориметрических, ЦМ и других оптических методов контроля качества пищевой и фармацевтической продукции, содержащей Б AB. Обсуждены различные цветовые модели, применяемые для цифровых изображений. Рассмотрены эффекты набухания полимеров в растворах, способы их регистрации, области применения мультисенсор-ных систем в химическом анализе.

Во второй главе охарактеризованы объекты анализа, материалы и методики исследований. Файлы изображений проб получали с помощью ЦФК (Nikon D3000) и ПС (HP ScanJet 3500 и др.) в боксе и кюветодержателе (рис. 1, 2). Набухание гранул сорбентов в растворах изучали микрофотогрэфическим (рис. 3) и дилатометрическим методами на установке УИП-70 (ЦКБ РАН). Для исследований использовали сферические гранулы ионообменных смол: С 120 Е, AB 17 СГ, ВП-1 Ап, ВП 14 К, Wofaíit ES, Wofatit ЕА 60, и неионогенных полимеров - ПАА 3 и ПВС 20. Размер гранул и сферичность контролировали на лазерном дифрактометре Fritsch Anaiysette 22 NanoTech Combi.

Рис. 1. Кюветодержатель для ПС: I - движущийся сенсор ПС; 2 - корпус; 3 - осветитель слайд-адаптера; 4 - кювета; 5 — стекло ПС; б — оборачивающие зеркала

Рис. 2. Схема бокса для ЦФК: /-сменный экран; 2 - лампы подсветки; 3 - отверстие в крышке для объектива ЦФК: 4 - кюветодержатель; 5 - оборачивающее зеркало

критерия и точного критерия Стьюдента для сравнения полученных разными методиками значений интенсивности компонент цветности показало, что результаты, полученные с помощью ЦФК, значимо отличны от результатов фотоколориметрической методики. Результаты измерений на ПС и КФК-3 статистически одинаковы.

Была также проанализирована межприборная воспроизводимость. При проверке ЦМ способа на предмет аппаратной зависимости, получили цифровые изображения 8 эталонов цвета (образцы окрашенной бумаги) для 5 ПС и 12 эталонов цветов для 4 ЦФК и провели статистическую обработку этих результатов. Статистический анализ усредненных значений компонент цветности Т7 показал, что при величине У7 < 50 (для отдельно взятой компоненты R, С или В) относительное стандартное отклонение 5Г > 16 - 62%. При Г> 50 - 255 эта величина находится в пределах 2-16 %. Для белого цвета разброс величин Р' не превышает 0,2 %.

Межприборная погрешность определения цветовых компонент ЯСВ также оценивали на основе однофакторного дисперсионного анализа (табл. 1). Результаты показали, что данные для цветовых компонент, полученные на ПС или ЦФК разных производителей, значимо не различаются.

Таблица 1

Данные однофакторного дисперсионного анализа (образец бумаги зеленого цвета, Рта&, (0,95,/; = 4, = 14) = 3,1)_______

Сканер R, 5 G, 5 S, 5

1 2 3 R 1 2 3 G 1 2 3 В

Canon mp210 2 2 2 2,0 0,00 171 170 171 170,7 0,58 49 50 50 49,7 0,58

Hp g40 ! 0 0 0 0 0,0 0,00 122 122 122 122,0 0,00 55 55 55 55,0 0,00

Hp 3670 2 2 2 2,0 0,00 170 170 170 170,0 0,00 49 49 50 49,3 0,58

Canon mf4018 1 2 1 1,3 0,58 152 154 153 153,0 1,00 55 54 54 54,3 0,58

Hp 3800 1 1 2 1,3 0,58 168 168 168 168,0 0,00 51 51 51 51,0 0,00

F 5(1)= 0,8, 5(2)= 4,4, F=S(1)2/5(2)4),03 5(1)= 20,7,5(2)= 113,5, F=S(1)2/5(2)4),03 5(1) = 2,6, 5(2)= 14,6, /*"= S( 1 )2/ 5(2)2=0,03

5(2) =ДЬЛй=» общее среднее,

общее стандартное отклонение единичных измерений -

Таким образом, можно сделать вывод, что измерения цветности на ПС или ЦФК в системе RGB при интенсивности цветовых компонент в диапазоне от 50 до 255 дают разброс относительно среднего практически типичный для инструментальных методов анализа. Для выполнения измерений необходима градуировка конкретного сканирующего устройства по стандартным образцам, принятым в конкретной методике.

Качественный и количественный анализ растворов аминокислот. Определяли концентрацию как индивидуальной АК, так и суммарное содержание смеси АК в водных растворах на основе анализа оцифрованных изображений растворов после проведения биуретовой и нингидриновой реакций (рис. 4). Для

лимерных гранул, помещенных в раствор анализируемой пробы. Результаты выполненных исследований позволяют использовать данные параметры для качественного и количественного тестирования растворов биологически активных веществ.

2. Разработан цветометрический способ идентификации и количественного измерения концентрации аминокислот, лекарственных препаратов инсулина, инфезола, парацетамола, одно- и двухатомных фенолов в водных растворах с использованием цифровых видеоустройств, в котором регистрируется интенсивность цветовых компонентов электронных изображений растворов анапита после проведения двух цветных реакций, что позволяет повысить информативность и точность анализа.

3. Разработана конструкция и методическое обеспечение прибора для экспериментального определения интенсивностей цветовых компонентов, вычисляемых с помощью стандартного программного обеспечения по электронным изображениям, полученным от цифровых устройств. Прибор обладает значительным преимуществом по стоимости и простоте использования, не требует высокой квалификации персонала, может применяться в малобюджетных лабораториях и полевых условиях.

4. Разработан интегральный показатель в виде лепестковых диаграмм, пригодный для интерпретации информативного мультисенорного или многопараметрического сигнала. Показатель опробован в цифровом цветометрическом способе тест-контроля растворов аналитов по двум цветным реакциям, в оптической мультисенсорной системе, использующей цифровое изображение нескольких набухающих гранул в растворах аналита, имеющих частичную селективность к его природе. Показано, что геометрические параметры лепестковых диаграмм - площадь и периметр, применимы для количественного определения содержания ацетонитрила, этанола, аминокислот и их производных, фенолов и их производных в водных растворах.

5. Установлена зависимость изменения объёмов гранул ионогенных и неио-ногенных полимеров от концентрации и состава растворов биологически активных веществ. Реализован способ определения содержания воды в водно-этанольном и водно-ацетонитрильном растворах во всем возможном диапазоне концентраций и температурном интервале 20 - 70 °С.

6. Усовершенствована оптическая мультисенсорная система, созданная на основе цифрового фотоаппарата, совмещенного с оптическим микроскопом и ЭВМ, регистрирующая набухание гранул неионогенных полимеров и ионообменных смол. Данная система применима как для исследования термомеханических свойств ионогенных и неионогенных сорбентов, так и для использования полимерных сорбентов в качестве ПИП, реагирующего на природу аналита изменением своего объёма.

7. Подобраны оптимальные параметры работы оптической мультисенсорной системы: установлено влияние температуры на объёмные эффекты гранул, произведены параметры отбраковки некондиционных полимерных сорбентов,

определена селективность по отношению к исследованным аналитам, оптимизировано их число, в ходе изучения динамических характеристик установлено оптимальное время выдержки в том или ином аналите.

8. Для подтверждения заданных метрологических характеристик разработанных способов определения растворов биологически активных веществ проведен сравнительный анализ с типовыми методами инструментального контроля. Экспериментальное сравнение разработанного цветометрического способа со стандартным спектрофотометрическим методом показало сопоставимость по точности и возможность анализа более концентрированных растворов. При сравнительном исследовании полимерных гранул микорфотграфическим и дилатометрическим способом получены идентичные динамические характеристики. Точность количественного определения биологически активных веществ с помощью разработанного микрофотографического способа подтверждено рефрактометрически.

9. Исследованные ионообменне смолы могут быть применены в сорбцион-ных фильтрах по очистке этанола. Включение в схему типовой ректификационной установки такого ионообменного фильтра позволяет осуществить дополнительное выделение примесей, трудноудаляемых в ходе ректификации.

10. Результаты, полученные в диссертации, используют в ООО «Аглютен», ОАО «Воронежский молочный комбинат», ООО «НТЦ «Этанол», и в учебном процессе на кафедре фармацевтической химии и фармацевтической технологии ВГМА.

Список опубликованных работ по теме диссертации. Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Рудакова Л.В., Кудухова И.Г. Усовершенствование способа определения аминокислот по цветным реакциям с применением цифровых технологий // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Т. 78. № 12, 2012. С. 20 - 26.

2. Рудакова Л.В., Кудухова И.Г., Селеменев В.Ф. Применение микрофотографического способа регистрации эффектов набухания сорбционно-активных полимерных гранул в анализе биологически активных веществ // Аналитика и контроль. Т. 16. № 1. 2012. С. 68 -74.

3. Рудаков О Б., Рудакова Л.В., Кудухова И.Г., Головинский П.А., Хорохордина Е.А., Трошев E.H. Усовершенствование способа определения фенолов по цветным реакциям с применением цифровых технологий // Аналитика и контроль. Т. 16. № 4. 2012. С. 570 - 580.

4. Кудухова И.Г., Рудакова Л.В., Рудаков О.Б., Назаров В.М. Мультисенсорный микрофотографический способ определения воды в водно-спиртовых смесях // Вода. Химия и экология. № 12. 2011. С. 89-93.

5. Рудакова Л.В., Рудаков О.Б., Кудухова И.Г., Селеменев В.Ф. Цифровая регистрация эффектов набухания гранул полимеров как аналитический сигнал. Бутлеровские сообщения. Т. 24. № 2. 2011. С.16 - 21.

6. Рудакова Л.В., Селеменев В.Ф., Рудаков О.Б., Кудухова И.Г., Никитина С.Ю. Влияние температуры на характер равновесного набухания полимерных гранул в воде и этаноле // Сорбционные и хроматографические процессы. Т. 13. №5. 2013.

С. 676-686.

7. Кудухова И.Г., Рудаков О Б., Рудакова Л.В., Ферапонтов Н.Б. Кинетика набухания гранул из ионогенных и неионогенных полимерных материалов в водно-спиртовых растворах // Сорбционные и хроматографические процессы. Т. 10. Вып. 4. 2010. С. 583 - 594.

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201454795

КУДУХОВА ИНГА ГАЙОЗОВНА

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ В КОНТРОЛЕ РАСТВОРОВ БАВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Рудаков О.Б.

На правах рукописи

Воронеж - 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................. 5

Глава 1. Применение информативных сигналов оптических устройств в качественном и количественном анализе БАВ (обзор литературы)...... 10

1.1. Оптические методы контроля качества БАВ....................... 11

1.2. Применение цветометрии в химическом анализе............... 18

1.3. Визуальные и микрофотографические способы контроля БАВ, лекарственных веществ и пищевой продукции......... 27

1.4. Оптические мультисенсорные системы для получения мульти параметрического информативного сигнала........ 29

1.5. Объемные эффекты неионогенных и ионогенных полимеров

в качестве информативного сигнала................................................................34

Заключение по главе 1..................................................................................................................57

Глава 2. Объекты и методы исследования................................................................................59

2.1. Характеристика объектов исследования..........................................................59

2.2. . Аппаратура для определения параметров цветности окрашенных растворов....................................................................................................................63

2.3. Аппаратура для определения объемных эффектов гранул............67

2.4. Методики подготовки полимерных гранул для использования

в качестве первичных измерительных преобразователей..............................72

2.5. Методики проведения сорбционной очистки этанола........................75

2.6. Статистические и хемометрические методы обработки результатов измерений................................................................................................................76

Глава 3. Мультисенсорные системы, использующие параметры

цветности по результатам двух цветных реакций................................. 80

3.1 Межприборная воспроизводимость цветометрических измерений........................................................................ 80

3.2. Качественный и количественный анализ водных растворов аминокислот.................................................................... 84

3.3. Качественный и количественный анализ водных растворов

лекарственных форм......................................................... 91

3.4. Качественный и количественный анализ водных растворов

фенольных соединений....................................................... 95

Заключение по главе 3.......................................................... 103

Глава 4. Микрофотографический анализ водных и водно-органических растворов биологически активных веществ...................................... 105

4.1. Динамические характеристики набухания полимерных гранул водных и водно-спиртовых растворах........................ 105

4.2. Динамические характеристики набухания полимерных гранул

в водных растворах БАВ...................................................... 113

4.3 Влияние температуры на степень набухания гранул в воде и

этаноле........................................................................... 115

4.4.Зависимость степени набухания гранул от концентрации воды и БАВ в водных, водно-этанольных и водно-ацетонитрильных растворах ........................................................................ 122

4.5. Разработка интегральных показателей для мультисенсорной системы, основанной на цифровой микрофотографической регистрации набухания нескольких гранул............................. 126

4.6. Усовершенствованный способ микрофотографического анализа водных и водно-спиртовых растворов биологически активных веществ................................................................ 133

4.7. Применение полимерных сорбентов для очистки этанола от

микропримесей............................................................... 137

5. Заключение по главе 4...................................................... 149

Выводы................................................................................... 151

Основные обозначения и используемые сокращения.......................... 154

Литература.............................................................................. 156

Приложения............................................................................... 188

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В последнее время наблюдается интенсивное развитие в области технологии цифровой фото- и видеосъемки. Разработчики цифровых решений предлагают широкий ассортимент цифровых устройств и программного обеспечения. Повсеместное внедрение современных цифровых технологий позволяет модернизировать самые разнообразные отрасли в науке и технике. Все чаще можно встретить применение технических устройств для получения и обработки цифровых изображений в аналитической практике, например для получения аналитического сигнала. В таких устройствах (цифровые фото- и видеокамеры, планшетные сканеры) реализованы технологии, обеспечивающие мгновенную передачу изображения морфологических характеристик и цветовых параметров объекта в цифровой форме. Информация о форме, размере или числе структурных единиц цифрового изображения гранул, частиц, кристаллов, биот и пр. может выступать в качестве аналитического сигнала. Актуальной проблемой является изучение возможностей применения цифровых изображений в контроле природной среды, веществ, материалов и изделий. Применение цифровых изображений объекта анализа, его цвета или морфологии как интегрального (обобщенного) показателя особенно перспективно при мониторинге природной среды и качества продукции.

На данный момент в аналитической химии существует крупная база данных по качественным цветным реакциям, применяемым для тест-контроля и идентификации БАВ в растворах и биологических жидкостях в фармацевтической и пищевой отрасли. Так как современные технологии позволяют количественно измерять яркость и цвет отдельных участков оптического изображения, цифровую фотографию (ЦФ) все шире применяют в качестве аналитического сигнала. Контролируя интенсивности цветовых компонент анализируемых растворов после проведения цветных реакций, можно получить значимый для идентификации набор цветометрических данных.

По изменению формы и размера анализируемого графического объекта или формы и размеров фигуры, построенной в среде той или иной компьютерной

программы, исходя из набора цифровых данных от нескольких информативных сигналов, имеется принципиальная возможность судить о структуре, составе, концентрации компонентов или качестве аналита. Одним из потенциальных способов контроля состава растворов по изменению формы и размера могут служить изменения объема (эффекты набухания или контракции) полимерных матриц в растворах. Величина этих эффектов зависит от химической природы веществ и от их концентрации в растворах, в которые помещены гранулы. Если гранулы разных полимеров проявляют селективность при набухании в жидких средах, возникает возможность реализовать мультисенсорную систему, в основу которой положен метод цифровой микрофотографии набора набухающих гранул из различных полимеров, выступающих в роли первичных измерительных преобразователей.

В диагностике веществ и материалов все большую популярность приобретают мультисенсорные приборы с детектирующим устройством из нескольких перекрестно-чувствительных химических сенсоров, способных давать многомерный информативный сигнал («электронный нос», «электронный язык»). Эти сигналы часто представляют в виде лепестковых диаграмм (так называемых профилеграмм, визуальных отпечатков и др.), которые по своей сути являются электронным изображением, созданным в результате применения цифровых технологий. Несмотря на активное применение хемометрических методов обработки мультисенсорных и многопараметрических данных (методами главных компонент, факторного анализа, искусственных нейронных сетей и др.), проблема обработки и визуализации многомерных информативных сигналов, разработки методик распознавания образов на электронных изображениях до сих пор остается актуальной.

Целью исследования является решение актуальной научно-технической задачи, заключающейся в разработке алгоритма получения и обработки интегрального информативного сигнала, полученного от нескольких цифровых видеоустройств, для качественного и количественного контроля растворов биологически активных веществ.

Основные задачи диссертационной работы:

- разработка алгоритма качественного и количественного определения аналитов, прореагировавших с цветообразующими реактивами, по величине интенсивности цветовых компонентов электронного изображения;

- разработка методического обеспечения и аппаратурно-приборного комплекса для экспериментального определения параметров цветности, полученных от цифровых устройств;

- установление зависимостей объёмов гранул ионогенных и неионогенных полимеров от концентрации, а также от неинформативных параметров;

- разработка алгоритма интерпретации многомерного информативного сигнала, полученного от цифровых оптических мультисенсорных систем, регистрирующих информативный сигнал в виде геометрических параметров набухающих гранул;

- модернизация способа измерения объёмов гранул полимерных сорбентов, разработка прототипа оптической мультисенсорной системы для качественного и количественного анализа растворов БАВ;

- подтверждение заданных метрологических характеристик разработанных способов определения растворов БАВ в сравнении с типовыми методами инструментального контроля (спектрофотоколориметрическим, рефрактометрическим, органолептическим).

Достоверность результатов подтверждается экспериментальной проверкой по методике «введено-найдено», а также независимыми методами (спектрофотоколориметрия, дилатометрия, рефрактометрия, высокоэффективная жидкостная хроматография и др.), непротиворечивостью физическим законам, применением современных методов статистического анализа.

На защиту выносятся:

- качественный и количественный анализа водных растворов БАВ по значениям интенсивности цветовых компонентов электронных изображений окрашенных растворов, полученных после проведения двух цветных реакций с аналитом и регистрируемых с помощью ЦФК или ПС;

- алгоритм распознавания или подтверждения подлинности анализируемой пробы водных растворов аминокислот и их производных, фенола и его производных, по анализу профиля лепестковых диаграмм (ЛД) и расчёте их геометрических параметров;

- алгоритм обработки нескольких цифровых информативных сигналов для получения интегрального показателя, отражающего качественные и количественные характеристики аналита;

- способ количественного определения содержания воды в водно-этанольных и водно-ацетонитрильных растворах с помощью оптической мультисенсорной системы;

- мультисенсорная оптическая система, состоящая из термостатируемого планшета с оптическими ячейками, микроскопа и ЦФК, регистрирующая эффекты набухания нескольких гранул полимерных сорбентов, используемых в качестве ПИП.

Научная новизна.

Разработан алгоритм ЦМ определения концентрации и идентификации аминокислот, фенолов и их производных, в ходе которого фотографируют две кюветы с окрашенными продуктами двух цветных реакций, с центров этих двух цифровых изображений считывают усредненную интенсивность цветовых компонентов Я, О и В, по этим величинам строят шестиле-пестковую диаграмму, по периметру и площади которой находят искомую концентрацию, а по профилю и коэффициенту близости векторных массивов проводят идентификацию.

Предложен алгоритм определения концентрации и идентификации водных и водно-спиртовых растворов БАВ, предусматривающий следующие этапы: а) в 6 ячеек микробиологического планшета помещают 6 гранул полимерных сорбентов (ВП-1ап, ВП-14К, ПАА 3, ПВС 20, \yofatit ЕА, \Vofatit ЕЭ); б) заливают в ячейки анализируемый раствор и дожидаются равновесного набухания полимерных сорбентов 5-10 минут; в) фотографируют набухшие гранулы при помощи ЦФК, совмещенной с микроскопом; г) по цифровым изображениям в приложении Р1х!а

определяют относительный объём гранул; д) по данным величинам строят шестилепестковую диаграмму; е) по периметру и площади диаграммы находят искомую концентрацию; ж) по профилю диаграммы и коэффициенту близости векторных массивов идентифицируют вещество.

Практическая ценность работы. Проанализирована межприборная воспроизводимость величин интенсивностей компонентов цветности R, G и В для цифровых устройств ЦФК и ПС ведущих фирм-производителей.

В оболочке пакетов ПО Mathcad и MS Excel созданы алгоритмы обработки цветных изображений, построения ЛД, расчёта их S и Р, градуировочных уравнений, концентрации аналитов и погрешностей измерения.

Модифицированы цифровые ЦМ способы определения некоторых аминокислот (АК), фенолов и лекарственных форм с применением ЦФК и ПС со слайд-адаптером. Сконструирован фотографический бокс и кюветодержатель для регистрации цветометрического информативного видеосигнала.

Разработан МФ способ определения концентрации воды в водно-этанольных и водно-ацетонитрильных растворах, идентификации этанольных растворов растительных экстрактов.

Предложенные способы контроля апробированы на предприятии ООО «Аглютен», на кафедре фармацевтической химии и фармацевтической технологии ВГМА, ОАО «Воронежский молочный комбинат», ООО «НТЦ «Этанол».

Апробация и реализация результатов работы.

Основные положения и результаты работы доложены на конференциях: Межд. конф. «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (Кемерово, 2010); Всеросс. конф. «Бутлеровское наследие» (Казань, 2011); III Всеросс. симп. «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» (Краснодар 2011); XIII Междунар. конф. «Физико-химические основы ионообменных и хроматографических процессов», (Воронеж, 2011); Всеросс. н.-метод. конф. «Проблемы здоровьесбережения дошкольников, учащихся и студентов. Новые здоровьесберегающие тенденции в фармации и медицине»

(Воронеж, 2011); 65-ая, 66-ая Всеросс. н.-практ. конф. "Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий" (Воронеж, 2010, 2011); VI Всеросс. конф. «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» - ФАГРАН (Воронеж, 2012); Всеросс. конф. с межд. участием по аналитической спектроскопии (Краснодар 2012); VII Всеросс. конф. «Менделеев-2012», (Санкт-Петербург, 2012); Межд. НТК «Современные достижения биотехнологии. Биотехнология пищевых производств» (Ставрополь, 2011); Всеросс. н. конф. «Методы анализа и контроля качества воды», (Москва, 2012).

Публикация результатов исследований. По теме диссертационной работы опубликовано 22 статьи, из них 12 в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 10 тезисов и материалов докладов на международных, всероссийских конференциях, симпозиумах и форумах. Получен 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Материал работы изложен на 194 страницах, содержит 68 рисунков, 32 таблицы, библиографический список 269 ссылок.

Глава 1. ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ В КАЧЕСТВЕННОМ И КОЛИЧЕСТВЕННОМ АНАЛИЗЕ БАВ

(обзор литературы)

В настоящее время в контроле БАВ используются современные инструментальные методы, обеспечивающие получение уникальной информации и позволяющие реализовать современные требования к точности, качеству, и эффективности анализа. К таким методам относятся спектрофотометрия в УФ- и видимом диапазоне спектра, ИК-спектроскопия, ЯМР- и масс-спектрометрия. Это ВЭЖХ в сочетании с различными методами детектирования, в том числе с использованием ЯМР- и масс-спектрометрии. Современное аналитическое оборудование имеет достаточно высокую стоимость, требует дорогого сервисного обслуживания и высокую специальную квалификацию операторов. Поэтому для рутинного контроля качества БАВ актуальными остаются экспрессные, требующие минимальной пробоподготовки и сравнительно недорогого оборудования, тест-методы анализа. Ввиду этих причин весьма перспективным представляется использование рядовых неспециализированных оптических цифровых устройств (цифровых фотокамер, планшетных сканеров, веб-камер и др.) для получения информативных сигналов, применимых аналитическом контроле БАВ.

За прошедшее десятилетие оптические цифровые устройства (ОЦУ) неуклонно уменьшают свои размеры, становятся портативным, а в последнее время и ручным. За счёт малой мощности, потребляемой ОЦУ, появляется возможность продлить время работы аккумуляторных батарей, а это влечёт за собой уменьшение размеров батарей и приборов в целом. Портативность, массовая доступность и тенденция в снижении стоимости расширяет область применения ОЦУ, вплоть до решения аналитических задач, позволяет использовать их в полевых условиях, в сельских и удалённых районах, даёт возможность специалистам обес�