Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu phát triển phương pháp chemometric để xác định đồng thời các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau và áp dụng trong phân tích dược phẩm

Chia sẻ: Lang Liêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận án trình bày chương trình máy tính để tính toán theo thuật toán lọc Kalman; kiểm chứng phương pháp Kalman đối với hỗn hợp hai cấu tử; kiểm chứng phương pháp đối với hỗn hợp ba cấu tử; quy trình phân tích theo phương pháp lọc Kalman. Để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu, mời các bạn cùng tham khảo luận án.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu phát triển phương pháp chemometric để xác định đồng thời các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau và áp dụng trong phân tích dược phẩm

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ QUỲNH TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP CHEMOMETRIC ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CÁC CHẤT CÓ PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ XEN PHỦ NHAU VÀ ÁP DỤNG TRONG PHÂN TÍCH DƯỢC PHẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HUẾ - NĂM 2018
ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ QUỲNH TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP CHEMOMETRIC ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI CÁC CHẤT CÓ PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ XEN PHỦ NHAU VÀ ÁP DỤNG TRONG PHÂN TÍCH DƯỢC PHẨM Chuyên ngành: Hóa học Phân tích Mã số: 62440118 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Trần Thúc Bình 2. PGS.TS. Ngô Văn Tứ HUẾ - NĂM 2018
LỜI CAM ĐOAN Luận án này được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Thúc Bình và PGS.TS. Ngô Văn Tứ. Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được ai công bố trước đó. Tác giả Nguyễn Thị Quỳnh Trang ii
LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành với sự hỗ trợ, giúp đỡ, động viên của các Thầy Cô, gia đình và bạn bè, đồng nghiệp. Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Thúc Bình và PGS.TS. Ngô Văn Tứ là những người thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám đốc Đại học Huế, Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học, Phòng Đào tạo Sau đại học, Quý Thầy Cô trong Bộ môn Hóa học phân tích, khoa Hóa học của trường Đại học Khoa học cùng Quý Thầy Cô giảng dạy lớp nghiên cứu sinh, các nghiên cứu sinh, học viên cao học đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Lời sau cùng, tôi xin được bày tỏ tình cảm đặc biệt và lòng biết ơn chân thành tới những người thân trong gia đình, tới những người bạn, tới lãnh đạo và các đồng nghiệp khoa Khoa học Môi trường, trường Đại học Sài Gòn đã luôn kịp thời động viên, ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận án. Tác giả Nguyễn Thị Quỳnh Trang iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii MỤC LỤC ................................................................................................................ iv KÝ HIỆU VIẾT TẮT.............................................................................................. vi DANH MỤC CÁC BIỂU, BẢNG ......................................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ ...........................................................x MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................5 1.1. Định luật Bouguer Lambert Beer và tính chất cộng tính độ hấp thụ quang .....5 1.1.1. Định luật Bouguer Lambert Beer .............................................................5 1.1.2. Tính chất cộng tính độ hấp thụ quang......................................................5 1.2. Một số phương pháp phân tích quang phổ UV-VIS kết hợp với chemometric xác định đồng thời các cấu tử có phổ hấp thụ xen phủ nhau ......................................6 1.2.1. Phương pháp Vierordt ..............................................................................7 1.2.2. Phương pháp quang phổ đạo hàm ...........................................................8 1.2.3. Phương pháp bình phương tối thiểu.......................................................11 1.2.4. Phương pháp bình phương tối thiểu từng phần (Partial Least Square - PLS) ...........................................................................................................................13 1.2.5. Phương pháp hồi quy cấu tử chính (Principal Component Regression - PCR) ..........................................................................................................................15 1.2.6. Phương pháp mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Networks - ANN) ...................................................................................................................................19 1.2.7. Phương pháp lọc Kalman .......................................................................22 1.3. Tổng quan về dược phẩm đa thành phần và các hoạt chất nghiên cứu ..........33 1.3.1. Giới thiệu về các dược phẩm đa thành phần .........................................33 1.3.2. Telmisartan (TEL), hydrochlorothiazide (HYD) ....................................34 1.3.3. Paracetamol (PAR)và caffeine (CAF) ....................................................37 1.3.4. Paracetamol (PAR) và ibuprofen (IB) ...................................................41 1.3.5. Amlodipine besylat (AML), hydroclorothiazid (HYD), valsartan (VAL) ...................................................................................................................................43 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................48 2.1. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................48 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................48 iv
2.2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................48 2.2.2. Phương pháp lọc Kalman và chương trình tính .....................................49 2.2.3. Phương pháp bình phương tối thiểu sử dụng phần mềm simulan .........54 2.2.4. Phương pháp phổ đạo hàm ....................................................................55 2.4.5. Phương pháp xây dựng chương trình máy tính ......................................55 2.2.6. Phương pháp đánh giá độ tin cậy của phương pháp phân tích .............55 2.2.7. Phương pháp xử lý số liệu ......................................................................57 2.2.8. Chuẩn bị mẫu cho phân tích và tính kết quả ..........................................58 2.2.9. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất. ................................................................62 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................65 3.1. Lựa chọn giá trị khởi tạo ban đầu ...................................................................65 3.1.1. Lựa chọn giá trị khởi tạo ngẫu nhiên .....................................................66 3.1.2. Lựa chọn giá trị khởi tạo giả định..........................................................69 3.1.3. Lựa chọn giá trị khởi tạo gần đúng ........................................................73 3.2. Chương trình máy tính để tính toán theo thuật toán lọc Kalman ...................77 3.3. Kiểm chứng phương pháp Kalman đối với hỗn hợp hai cấu tử .....................78 3.3.1. Phổ hấp thụ quang và phổ đạo hàm .......................................................78 3.3.2. Kiểm định phương pháp đối với dung dịch chuẩn phòng thí nghiệm ....82 3.4. Kiểm chứng phương pháp đối với hỗn hợp ba cấu tử .....................................96 3.4.1. Phổ hấp thụ của hỗn hợp........................................................................97 3.4.2. Kiểm định phương pháp đối với dung dịch chuẩn phòng thí nghiệm ....98 3.5. Quy trình phân tích theo phương pháp lọc Kalman .....................................104 3.6. Áp dụng thực tế ............................................................................................105 3.6.1. Kiểm soát chất lượng phương pháp phân tích .....................................106 3.6.2. Hàm lượng các hoạt chất trong các thuốc đa thành phần ...................132 KẾT LUẬN ............................................................................................................135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ...............................................................................................................137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................138 PHỤ LỤC ...............................................................................................................153 v
KÝ HIỆU VIẾT TẮT Tiếng Việt Tiếng Anh Viết tắt Amlodipin besilat Amlodipine besylat AML Bình phương tối thiểu nghịch đảo Inverse least square ILS Bình phương tối thiểu riêng phần Partial least square PLS Bình phương tối thiểu cổ điển Classical least square BPTT Cafein Caffeine CAF Cấu tử chính Principal Components PC The United States Dược điển Mỹ 38 USP38 Pharmacopoeia 38, 2015. Pharmacopoeia vietnamica DĐVN Dược điển Việt Nam IV 2009-2010 IV Giới hạn định lượng Limit of quantity LOQ Giới hạn phát hiện Limit of detection LOD Hồi quy cấu tử chính Principal component regression PCR Hydroclorothiazid Hydrochlorothiazide HYD Ibuprofen Ibuprofen IB Mạng nơron nhân tạo Artificial Neural Networks ANN Mạng nơron nhân tạo kết hợp hồi Principal component regression- PCR- quy thành phần chính Artificial Neural Networks ANN Paracetamol Paracetamol PAR Phổ tử ngoại – khả kiến Ultraviolet-visible spectroscopy UV-VIS High Performance Liquid Sắc kí lỏng hiệu năng cao HPLC Chromatography Valsartan Valsartan VAL Ghi chú: Trong luận án, tên hóa chất và hoạt chất theo quy định trong Dược điển Việt Nam IV. vi
DANH MỤC CÁC BIỂU, BẢNG Bảng 1.1. Một số nghiên cứu ở Việt Nam và thế giới sử dụng thuật toán lọc Kalman ứng dụng vào phân tích........................................................................... 32 Bảng 1.2. Một số nghiên cứu xác định TEL và HYD .............................................. 36 Bảng 1.3. Một số nghiên cứu xác định PAR và CAF .............................................. 40 Bảng 1.4. Một số nghiên cứu xác định PAR và IB .................................................. 43 Bảng 1.5. Một số nghiên cứu xác định AML, HYD và VAL .................................. 47 Bảng 2.1 .Kết quả đo quang phổ của hỗn hợp hai chất ............................................ 51 Bảng 2.2. Kết quả tính toán nồng độ các chất trong hỗn hợp và hiệp phương sai ở mỗi bước sóng (theo phương pháp lọc Kalman) .................................... 53 Bảng 2.3. Kết quả tính toán nồng độ, hiệp phương sai, mức cập nhật INV ở các bước sóng khác nhau cho trường hợp hỗn hợp ba cấu tử 1, 2 và 3 ........ 54 Bảng 3.1. Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong hỗn hợp theo phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo ngẫu nhiên ........................... 66 Bảng 3.2. Kết quả xác định nồng độ AML, HYD và VAL trong hỗn hợp theo phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo ngẫu nhiên ..... 68 Bảng 3.3. Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo giả định – Phương án 1 ....... 70 Bảng 3.4. Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo giả định – Phương án 2 ....... 70 Bảng 3.5. Kết quả xác định nồng độ AML, HYD và VAL trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo giả định – Phương án 1 ............................................................................................ 71 Bảng 3.6. Kết quả xác định nồng độ AML, HYD và VAL trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo giả định – Phương án 2 ............................................................................................ 72 Bảng 3.7. Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo gần đúng .............................. 75 Bảng 3.8. Kết quả xác định nồng độ AML, HYD và VAL trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman với cách lựa chọn giá trị khởi tạo gần đúng ........ 76 Bảng 3.9. Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman và BPTT .................................................................................... 83 Bảng 3.10. Kết quả xác định nồng độ TEL, HYD trong hỗn hợp và sai số tương đối của phương pháp quang phổ đạo hàm .................................................... 84 vii
Bảng 3.11. Kết quả xác định nồng độ TEL và HYD trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman và BPTT khi có nhiễu ...................................................... 85 Bảng 3.12. Kết quả xác định nồng độ PAR, CAF trong hỗn hợp và sai số tương đối của ba phương pháp ................................................................................ 86 Bảng 3.13. Kết quả xác định nồng độ PAR, IB trong hỗn hợp và sai số tương đối của các phương pháp .............................................................................. 88 Bảng 3.14. Kết quả xác định độ lặp của phương pháp đối với hỗn hợp TEL và HYD ................................................................................................................ 90 Bảng 3.15. Kết quả xác định độ lặp lại của phương pháp quang phổ đạo hàm ....... 92 Bảng 3.16. Kết quả xác định độ lặp của phương pháp đối với hỗn hợp PAR và CAF ................................................................................................................ 93 Bảng 3.17. Kết quả xác định độ lặp lại của phương pháp quang phổ đạo hàm ....... 94 Bảng 3.18. Kết quả xác định độ lặp của phương pháp đối với hỗn hợp PAR và IB 95 Bảng 3.19. Kết quả xác định độ lặp lại của phương pháp quang phổ đạo hàm ....... 96 Bảng 3.20. Kết quả xác định nồng độ AML, HYD, VAL trong hỗn hợp và sai số tương đối của các phương pháp .............................................................. 98 Bảng 3.21. Kết quả xác định độ lặp lại của phương pháp đối với hỗn hợp AML, HYD và VAL ........................................................................................ 100 Bảng 3.22. So sánh kết quả của 2 phương pháp đối với hỗn hợp H4 .................... 101 Bảng 3.23. Kết quả xác định nồng độ AML, HYD và VAL trong hỗn hợp bằng phương pháp Kalman và BPTT khi có nhiễu ....................................... 103 Bảng 3.24. Kết quả đánh giá độ lặp lại của các phương pháp chemmometric-trắc quang khi xác định TEL và HYD trong thuốc Micardis(R) Plus ......... 107 Bảng 3.25. Độ lặp lại và độ đúng của các phương pháp trắc quang và chemometric- trắc quang khi phân tích đồng thời TEL và HYD trong dược phẩm .... 108 Bảng 3.26. Kết quả đánh giá độ lặp lại của các phương pháp chemmometric-trắc quang khi xác định PAR và CAF trong thuốc Panadol Extra .............. 109 Bảng 3.27. Độ lặp lại và độ đúng của các phương pháp trắc quang và chemometric- trắc quang khi phân tích đồng thời PAR và CAF trong dược phẩm ... 110 Bảng 3.28. Kết quả đánh giá độ lặp lại của các phương pháp chemmoetric-trắc quang khi xác định PAR và IB trong thuốc Alaxan ............................. 111 Bảng 3.29. Kết quả đánh giá độ lặp lại của các phương pháp chemmometric-trắc quang khi xác định PAR và IB trong thuốc Lopenca ........................... 112 Bảng 3.30. Kết quả đánh giá độ lặp lại của các phương pháp chemmometric-trắc quang khi xác định PAR và IB trong thuốc Protamol .......................... 113 viii
Bảng 3.31. Độ lặp lại và độ đúng của các phương pháp trắc quang và chemometric- trắc quang khi phân tích đồng thời PAR và IB trong dược phẩm ....... 114 Bảng 3.32. Kết quả đánh giá độ lặp lại của phương pháp Kalman và BPTT khi xác định AML, HYD và VAL trong thuốc Exforge HCT .......................... 116 Bảng 3.33. Độ lặp lại và độ đúng của các phương pháp trắc quang và chemometric- trắc quang khi phân tích đồng thời AML, HYD và VAL trong dược phẩm ..................................................................................................... 117 Bảng 3.34. Kết quả xác định độ đúng của các phương pháp chemometric-trắc quang khi xác định đồng thời TEL và HYD trong thuốc Micardis(R) Plus ..... 119 Bảng 3.35. So sánh độ đúng của các phương pháp chemometric-trắc quang với phương pháp HPLC khi xác định TEL và HYD trong thuốc Micardis(R) Plus ....................................................................................................... 121 Bảng 3.36. Kết quả xác định độ đúng của các phương pháp chemometric-trắc quang khi xác định đồng thời PAR và CAF trong thuốc Panadol Extra ......... 122 Bảng 3.37. So sánh độ đúng của các phương pháp chemometric-trắc quang với phương pháp HPLC khi xác định PAR, CAF trong thuốc Panadol Extra .............................................................................................................. 123 Bảng 3.38. Kết quả xác định độ đúng của các phương pháp chemometric-trắc quang khi xác định đồng thời PAR và IB trong thuốc Alaxan, Lopenca và Protamol ................................................................................................ 125 Bảng 3.39. So sánh các phương pháp chemometric với phương pháp HPLC khi xác định hàm lượng PAR, IB trong thuốc Lopenca (*) ................................ 128 Bảng 3.40. Kết quả xác định độ đúng của phương pháp khi phân tích mẫu thực tế thuốc Exforge........................................................................................ 129 Bảng 3.41. So sánh các phương pháp chemometric với phương pháp HPLC khi xác định hàm lượng AML, HYD và VAL trong thuốc Exforge HCT ........ 131 Bảng 3.42. Hàm lượng các hoạt chất trong một số loại thuốc đa thành phần đang lưu hành ở thị trường Việt Nam (phân tích theo phương pháp Kalman).... 133 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ Hinh 1.1. (a) Phổ hấp thụ; (b) phổ đạo hàm bậc 2; (c) phổ đạo hàm bậc 4; (d) phổ hấp thụ của trans-stilbene trong cyclohexane; (e) phổ đạo hàm bậc 2 của trans-stilbene trong cyclohexane; (f) phổ đạo hàm bậc 4 của trans- stilbene trong cyclohexane. .................................................................... 10 Hinh 1.2. Mô hình hoạt động của mạng nơron được thể hiện ở hình 1.1. ............... 21 Hình 2.1. Sơ đồ các bước tính toán theo phương pháp chemometric- trắc quang sử dụng thuật toán lọc Kalman (sử dụng phần mềm máy tính). ................. 50 Hình 2.2. Sơ đồ tiến trình phân tích mẫu dược phẩm theo phương pháp chemometric-trắc quang. ........................................................................ 58 Hình 3.1. Sơ đồ chương trình tính toán theo thuật toán lọc Kalman với giải pháp lựa chọn giá trị khởi tạo gần đúng (áp dụng cho hệ 2 và 3 cấu tử). ............. 77 Hình 3.2. Phổ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn HYD, TEL, hỗn hợp TEL và HYD trong dung môi NaOH 0.1M. ........................................................ 78 Hình 3.3. Phổ đạo hàm bậc một của các dung dịch chuẩn TEL, HYD và dung dịch hỗn hợp TEL, HYD. ............................................................................... 79 Hình 3.4. Phổ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn PAR, CAF, hỗn hợp PAR và CAF. ........................................................................................................ 80 Hình 3.5. Phổ đạo hàm bậc 1 của dung dịch chuẩn PAR và CAF. .......................... 80 Hình 3.6. Phổ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn PAR, IB, hỗn hợp PAR và IB. 81 Hình 3.7. Phổ đạo hàm bậc 1 của dung dịch chuẩn PAR và IB trong môi trường đệm photphat pH = 7. ............................................................................. 82 Hình 3.8. Phổ hấp thụ của các dung dịch chuẩn AML, HYD, VAL và hỗn hợp AML, HYD, VAL đo được trong dung môi methanol. .......................... 97 Hình 3.9. So sánh kết quả của 2 phương pháp đối với hỗn hợp H4 ...................... 102 Hình 3.10. Quy trình phân tích mẫu thực tế theo phương pháp Kalman. .............. 104 x
MỞ ĐẦU Thuật ngữ chemometric được đưa ra đầu tiên vào năm 1972 bởi Svante Wold (người Thụy Điển) và Bruce R. Kowalski (người Mỹ). Sau đó sự ra đời của Hiệp hội Chemometric vào năm 1974 đã đưa ra định nghĩa đầu tiên của ngành chemometric, đó là việc ứng dụng các phương pháp toán học, thống kê, đồ họa,… để quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hóa các thông tin hóa học trích ra từ tập số liệu phân tích và đưa ra tối đa những thông tin hữu ích từ tập số liệu ban đầu [26], [45], [46], [88]. Chemometric được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như hóa học môi trường, hóa học hữu cơ, hóa sinh, hóa học lý thuyết, thống kê trong hóa học và đặc biệt là đã xác lập được vị trí quan trọng trong ngành hóa học phân tích [45], [88]. Hóa học phân tích là công cụ phục vụ đắc lực trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ, như hóa học, sinh học, nông học, y học, thực phẩm…, đặc biệt là trong ngành dược phẩm. Ở Việt Nam, dược phẩm và chất lượng dược phẩm hiện tại đang là vấn đề được xã hội và các cơ quan quản lý nhà nước quan tâm. Trong những năm gần đây, thị trường thuốc đang phát triển nhanh cả về sản xuất và kinh doanh. Theo thống kê của Cục quản lý Dược Việt Nam, năm 2005 có khoảng 10.000 mặt hàng thuốc lưu hành trên thị trường với trên 800 hoạt chất. Chỉ 10 năm sau, năm 2015, số lượng thuốc đã tăng lên nhanh chóng với trên 25.000 mặt hàng, khoảng 1.500 hoạt chất [7]. Mỗi hoạt chất trong dược phẩm đều có những tác dụng dược lý riêng biệt, do đó để tăng cường tác dụng chữa bệnh, người ta đã bào chế ra các loại thuốc chứa đa thành phần. Đối với những người lớn tuổi và người già, bệnh tăng huyết áp và tim mạch là một trong những nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Trên thị trường hiện nay, có khá nhiều loại thuốc được dùng để điều trị bệnh cao huyết áp, trong đó các chế phẩm đa thành phần nhằm phối hợp tác dụng dược lý của các dược chất vẫn được ưu tiên nghiên cứu và bào chế. Ví dụ như thuốc viên nén Exforge, viên nén Exforge HCT, viên nén Co-Diovan… Những loại thuốc này chứa các hoạt chất amlodipine, hydrochlorothiazide và valsartan hay telmisartan và hydrochlothiazide [38], [87]. 1
Bên cạnh các loại thuốc điều trị huyết áp, tim mạch thì tại Việt Nam, có gần 200 chế phẩm thuốc giảm đau phối hợp khác nhau cũng đang lưu hành. Trong đó thuốc kết hợp hai thành phần là paracetamol (thuốc giảm đau, hạ sốt) và ibuprofen (thuốc chống viêm không steroid) hay sự kết hợp của paracetamol và caffein có tác dụng làm hạ sốt, giảm đau và chống viêm nhanh, tốt hơn, hiệu quả hơn so với dùng paracetamol hay ibuprofen, caffein đơn độc. Chính vì vậy, việc nghiên cứu xác định đồng thời các hoạt chất trong các dược phẩm (hay thuốc) đa thành phần, đặc biệt là các hoạt chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau là rất cần thiết và đang là thách thức đối với các nhà hóa học phân tích. Ngày nay, với sự tiến bộ không ngừng trong lĩnh vực phân tích hóa học trên thế giới, hàng loạt các phương pháp phân tích công cụ hiện đại ra đời và được đưa vào ứng dụng trong phân tích dược phẩm. Tuy nhiên, hai bài toán liên quan đặt ra là i) xử lý bộ dữ liệu khổng lồ thu được từ các phương pháp phân tích, và ii) ở các nước đang phát triển - như Việt Nam – thì nhu cầu xây dựng được các phương pháp phân tích sao cho tiết kiệm được chi phí và thời gian phân tích mà vẫn bảo đảm tiêu chuẩn về kết quả phân tích được đặt lên hàng đầu. Một lời giải chung cho cả hai bài toán trên là ứng dụng phương pháp chemometric. Các phương pháp chemometric đã được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm trong nhiều năm qua để phân tích đồng thời hỗn hợp các chất trong các đối tượng khác nhau, trong đó có dược phẩm. Các công trình nghiên cứu cho thấy, các phương pháp chemometric thường được dùng nhiều nhất là phương pháp bình phương tối thiểu riêng phần (PLS), phương pháp hồi quy cấu tử chính (PCR), phương pháp bình phương tối thiểu cổ điển (BPTT), phương pháp mạng nơron nhân tạo (ANN), phương pháp phổ đạo hàm, phương pháp lọc Kalman (Kalman filter)… Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Phương pháp BPTT có thể sử dụng toàn bộ số liệu đo phổ để lập ra hệ m phương trình n ẩn số (m>n). Phép biến đổi ma trận theo nguyên tắc của phương pháp bình phương tối thiểu sẽ cho ra các kết quả mắc sai số thỏa mãn yêu cầu. Tuy nhiên nếu trong bộ số liệu đo phổ có nhiều nhiễu (hay sai số đo phổ) và/hoặc khi các cấu tử có tương tác với nhau tạo ra hiệu ứng quang học làm thay đổi hệ số hấp thụ của từng cấu tử, thì phương pháp 2
này không loại được nhiễu, dẫn đến kết quả phân tích mắc sai số lớn [2]; Phương pháp ANN có nhược điểm là thời gian luyện mạng lâu và nó đòi hỏi nhiều thuật toán khác nhau, nên khi xây dựng một mô hình phân tích, đòi hỏi phải thử nhiều mô hình khác nhau để tìm được cấu trúc mạng tối ưu [25]. Phương pháp phổ đạo hàm không áp dụng được khi mẫu chứa nhiều cấu tử có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau hoặc tương tự nhau, vì rất khó để lựa chọn được một bước sóng thích hợp để xác định một cấu tử nào đó, hoặc phổ đạo hàm của chúng vẫn có các cực đại hấp thụ trùng nhau [2], [27]. Phương pháp lọc Kalman có thể loại bỏ được tối đa các nhiễu và do đó giảm tối đa sai số, nhưng hạn chế của phương pháp này là phải lựa chọn các giá trị khởi tạo cho bộ lọc, tức là phải chọn được giá trị ban đầu phù hợp của hàm lượng các chất phân tích trong hỗn hợp của chúng và sai số kèm theo (được thể hiện qua phương sai). Nếu các giá trị khởi tạo (nồng độ và phương sai) không phù hợp, kết quả cuối cùng sẽ mắc sai số lớn [49], [101], [110]. Trên thế giới đã có một số nghiên cứu áp dụng phương pháp lọc Kalman vào chemometric – trắc quang để xác định đồng thời hỗn hợp 2 hoặc 3 chất trong dược phẩm [50], [121], song các nghiên cứu đó hoặc không đưa ra cách lựa chọn giá trị khởi tạo phù hợp hoặc không đề cập đến các giá trị khởi tạo và do vậy, rất khó áp dụng cho các phòng thí nghiệm phân tích. Ở nước ta, Mai Xuân Trường [27] đã nghiên cứu áp dụng phương pháp lọc Kalman để xác định đồng thời các vitamin trong dược phẩm, các nguyên tố đất hiếm…nhưng do tác giả cũng không giới thiệu về cách chọn giá trị khởi tạo và do vậy, đã hạn chế khả năng áp dụng phương pháp đề xuất vào thực tế. Nói chung, mặc dù phương pháp lọc Kalman có nhiều ưu điểm khi áp dụng vào phương pháp chemometric - trắc quang để xác định đồng thời các hợp chất, đặc biệt là các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau, nhưng cho đến nay, các nghiên cứu áp dụng nó vẫn rất hạn chế. Xuất phát từ các vấn đề trên, rõ ràng những nghiên cứu phát triển phương pháp chemometric – trắc quang kết hợp với sử dụng phương pháp lọc Kalman là rất cần thiết, đặc biệt là trong định lượng đồng thời các hỗn hợp chất khó phân tích – các hỗn hợp chứa các chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau - trong các đối tượng 3
mẫu khác nhau, trong đó có các mẫu dược phẩm. Song, thách thức đặt ra là phải tìm được giải pháp phù hợp để lựa chọn giá trị khởi tạo cho bộ lọc Kalman sao cho đưa ra các kết quả phân tích chính xác (độ lặp lại và độ đúng tốt) hay mắc sai số chấp nhận được, đồng thời cần xây dựng được quy trình phân tích theo phương pháp chemmometric – trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman sao cho có thể áp dụng thuận lợi trong trong lĩnh vực kiểm nghiệm dược phẩm ở nước ta. Với các lí do đó, đề tài “Nghiên cứu phát triển phương pháp chemometric để xác định đồng thời các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau và áp dụng trong phân tích dược phẩm” được thực hiện nhằm mục đích: i) Xây dựng được quy trình phân tích chemometric - trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman để phân tích đồng thời hỗn hợp 2 và 3 chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau trong các mẫu dược phẩm; ii) Áp dụng quy trình xây dựng được để phân tích đồng thời hỗn hợp 2 và 3 chất trong một số loại dược phẩm đang lưu hành trên thị trường Việt Nam. Để đạt được mục đích trên, các nhiệm vụ chính của luận án bao gồm: 1. Nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp phù hợp để lựa chọn được giá trị khởi tạo cho bộ lọc Kalman để áp dụng trong phương pháp chemometric – trắc quang xác định đồng thời hỗn hợp các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau. 2. Nghiên cứu xây dựng chương trình phần mềm cho phép xác định nhanh và thuận lợi hỗn hợp các cấu tử có phổ hấp thụ quang phân tử xen phủ nhau theo phương pháp chemometric – trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman. 3. Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích theo phương pháp chemometric – trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman và phần mềm xây dựng được để xác định đồng thời các cấu tử có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau trong các mẫu dược phẩm (hay thuốc). 4. Áp dụng quy trình xây dựng được để phân tích đồng thời các hoạt chất trong một số loại thuốc (đang lưu hành ở nước ta) chứa 2 hoặc 3 chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau. Đồng thời, đánh giá độ tin cậy của quy trình phân tích qua độ đúng và độ lặp lại. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Định luật Bouguer Lambert Beer và tính chất cộng tính độ hấp thụ quang Tất cả các phương pháp phân tích quang phổ đều dựa trên các định luật cơ bản của sự hấp thụ bức xạ điện từ. Các định luật cơ bản này là: Định luật Bouguer Lambert, định luật Beer, định luật hợp nhất Bouguer Lambert Beer. [2], [9], [15], [22]. Trong đó, để xác định đồng thời nhiều cấu tử theo phương pháp phân tích quang phổ, hầu hết đều dựa trên cơ sở định luật hợp nhất Bouguer Lambert Beer và tính cộng tính độ hấp thụ quang của các cấu tử trong hỗn hợp [11]. 1.1.1. Định luật Bouguer Lambert Beer Khi chiếu một chùm tia sáng có năng lượng nhất định vào một dung dịch chứa cấu tử hấp thụ ánh sáng thì cấu tử đó sẽ hấp thụ chọn lọc một số tia sáng. Độ hấp thụ quang của cấu tử tỷ lệ thuận với nồng độ của cấu tử trong dung dịch và bề dày lớp dung dịch mà ánh sáng truyền qua [15], [16], [22]. Định luật Bouguer Lambert Beer (từ đây về sau được gọi tắt là định luật Beer) có thể được biểu diễn bằng phương trình toán học như sau [15], [16], [22]: Aλ = ελ.l.C (1.1) Trong đó: Aλ: độ hấp thụ quang của dung dịch ở bước sóng λ ελ: hệ số hấp thụ mol phân tử của cấu tử tại bước sóng λ l: bề dày lớp dung dịch (cm) C: nồng độ của cấu tử trong dung dịch (mol/lít) Điều kiện sử dụng định luật: Chùm tia sáng đơn sắc; dung dịch phải loãng; chất phân tích phải bền và bền dưới tác dụng của tia UV-VIS. 1.1.2. Tính chất cộng tính độ hấp thụ quang Tính chất cộng tính đã được biết từ lâu và được xác nhận bằng thực nghiệm. Tất cả các phương pháp phân tích định lượng xác định đồng thời hàm lượng các cấu tử hấp thụ ánh sáng có mặt trong dung dịch đều dựa trên định luật này. Tính chất cộng tính độ hấp thụ được phát biểu: Nếu trong dung dịch chứa n cấu tử hấp thụ ánh sáng không tương tác hóa học với nhau, ở điều kiện tuân theo định luật 5
cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng thì mật độ quang của một dung dịch như vậy bằng tổng mật độ quang của tất cả các cấu tử hấp thụ ánh sáng chứa trong dung dịch tại bước sóng  xác định. Tính chất cộng tính được viết như sau: Aλ = A1,λ + A2,λ +…+ Ai,λ +…+ An,λ = ∑𝑛𝑖=1 𝐴𝑖, (1.2) Trong đó: Aλ: độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch hỗn hợp chứa n cấu tử ở bước sóng λ Ai,λ: độ hấp thụ ánh sáng của cấu tử thứ i ở bước sóng λ; n là số cấu tử hấp thụ ánh sáng có trong hỗn hợp; với i = 1 ÷ n. Từ (1.1) có thể viết lại phương trình (1.2) như sau: Aλ = ε1,λ.l.C1 + ε2,λ.l.C2 +…+ εn,λ.l.Cn = ∑𝑛𝑖=1 𝜀𝑖,𝜆. . 𝑙. 𝐶𝑖 (1.3) Khi phân tích đồng thời nhiều cấu tử trong hỗn hợp thì tính chất cộng tính của độ hấp thụ quang thường không thỏa mãn một cách nghiêm ngặt làm ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của kết quả phân tích. Vì vậy, việc kiểm tra tính cộng tính độ hấp thụ quang của hỗn hợp trước khi phân tích là hết sức quan trọng. Để kiểm tra tính cộng tính độ hấp thụ quang của hỗn hợp ở các điều kiện khác nhau, ta phải so sánh tổng độ hấp thụ quang của các dung dịch chứa từng cấu tử riêng lẻ với độ hấp thụ quang của dung dịch hỗn hợp chứa các cấu tử đó, được đo trong cùng một điều kiện. Kết quả kiểm tra sẽ cho biết có sự ảnh hưởng giữa các cấu tử hấp thụ quang trong dung dịch hỗn hợp hay không? Trong khoảng nồng độ nào thì độ hấp thụ quang của dung dịch nghiên cứu còn tuân theo định luật Bughe- Lămbe- Bia và thỏa mãn tính cộng tính độ hấp thụ quang để có thể áp dụng. Nguyên nhân làm sai lệch tính cộng tính độ hấp thụ quang có thể là do tương tác hóa học giữa các cấu tử trong hỗn hợp, cũng có thể do tương tác vật lý (lực ion, các cấu tử có sự hút, đẩy lẫn nhau….), do hiện tượng khuyếch tán, tán xạ ánh sáng của các cấu tử, đặc biệt là khi số cấu tử trong hỗn hợp càng lớn [15], [16], [22]. 1.2. Một số phương pháp phân tích quang phổ UV-VIS kết hợp với chemometric xác định đồng thời các cấu tử có phổ hấp thụ xen phủ nhau Phương pháp đường chuẩn, phương pháp thêm chuẩn, phương pháp vi sai là những phương pháp được áp dụng để xác định các cấu tử trong dung dịch có phổ 6
hấp thụ không xen phủ nhau và tuân theo định luật Bia. Tuy nhiên, đối với dung dịch hỗn hợp mà các cấu tử có phổ hấp thụ xen phủ nhau thì việc tính toán rất phức tạp. Vì vậy, dựa trên cơ sở định luật Beer nhiều phương pháp phân tích đã ra đời cho phép xác định các cấu tử trong hỗn hợp có phổ hấp thụ xen phủ nhau mà không cần che, tách. Sau đây là một số phương pháp chemometric xác định các chất có phổ hấp thụ xen phủ nhau. 1.2.1. Phương pháp Vierordt 1.2.1.1. Giới thiệu chung Phạm vi: Phương pháp Vierordt chủ yếu được dùng với các hệ có từ hai đến ba cấu tử mà độ hấp thụ quang của các cấu tử đó xen phủ nhau không nhiều. Điều kiện để áp dụng phương pháp này là các cấu tử trong hỗn hợp phải tuân theo định luật Beer và thỏa mãn tính cộng tính của độ hấp thụ quang. Ứng dụng: phương pháp Vierordt được dùng trong việc phân tích hỗn hợp các chất hữu cơ, các loại dược phẩm, các hỗn hợp chất màu [43], [70], [87]. 1.2.1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp Để xác định nồng độ của các cấu tử trong hỗn hợp, lần đầu tiên Vierordt đã đo độ hấp thụ quang của dung dịch hỗn hợp ở các bước sóng khác nhau, sau đó thiết lập hệ phương trình bậc nhất mà số phương trình bằng số ẩn số (số cấu tử trong hỗn hợp), giải hệ phương trình này sẽ tính được nồng độ của các cấu tử. Với hỗn hợp chứa n cấu tử ta cần phải lập hệ n phương trình n ẩn số. Hệ phương trình này được thiết lập bằng cách đo độ hấp thụ quang của hỗn hợp ở n bước sóng khác nhau. A(λ1)= Ɛ11C1l + Ɛ21C2l + …+ Ɛi1Cil+… + Ɛn1Cnl A(λ2)= Ɛ12C1l + Ɛ22C2l + …+ Ɛi2Cil+… + Ɛn2Cnl … … … … …. A(λn)= Ɛ1nC1l + Ɛ2nC2l + …+ ƐinCil+… + ƐnnCnl (1.4) Trong đó: A(λ1), A(λ2),…, A(λn): Độ hấp thụ quang của hỗn hợp ở bước sóng λ1, bước sóng λ2, …, và bước sóng λn. 7
Ɛin: Hệ số hấp thụ phân tử của cấu tử i tại bước sóng λn (được xác định bằng cách đo độ hấp thụ quang của dung dịch chỉ chứa cấu tử i ở bước sóng λn) l: Bề dày lớp dung dịch (cm) Ci: Nồng độ của cấu tử thứ i trong hỗn hợp (mol/L). Với i = 1 ÷ n Giải hệ n phương trình với n ẩn số là C1, C2, …, Cn sẽ tìm được nồng độ của các cấu tử. Khi số cấu tử trong hỗn hợp ít thì việc giải hệ n phương trình tuyến tính khá đơn giản. Tuy nhiên khi số cấu tử lớn thì việc giải hệ phương trình phức tạp hơn. Phương pháp Vierordt chủ yếu được vận dụng để tìm cách giải hệ phương trình như sau: giải bằng đồ thị, giải bằng phép ma trận vuông, phương pháp khử Gauss,... để xác định nồng độ của mỗi cấu tử [2], [24], [29], [30]. 1.2.1.3. Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm: Phương pháp Vierordt đơn giản, dễ thực hiện. Nhược điểm: Chỉ áp dụng được khi số cấu tử trong dung dịch hỗn hợp ít, phổ hấp thụ quang phân tử xen phủ nhau không nhiều, tính chất cộng tính độ hấp thụ quang được thỏa mãn nghiêm ngặt, thiết bị đo quang tốt thì phương pháp cho kết quả khá chính xác. Đối với hệ nhiều cấu tử, đặc biệt là khi phổ của các cấu tử xen phủ nhau nhiều, tính chất cộng tính độ hấp thụ quang không được thỏa mãn nghiêm ngặt, thiết bị đo có độ chính xác không cao thì phương pháp không chính xác và có sai số lớn [2], [28] [55], [56]. Bởi vậy mặc dù phương pháp Vierordt tuy ra đời đã lâu, nhưng ứng dụng trong thực tế còn rất ít. Tuy nhiên đây là cơ sở lý thuyết cơ bản, đặt nền móng cho các nhà khoa học sau này phát triển, cải tiến để xây dựng nên các phương pháp mới [28]. 1.2.2. Phương pháp quang phổ đạo hàm 1.2.2.1. Giới thiệu chung Phương pháp quang phổ đạo hàm là một kỹ thuật chuyển đổi phổ hấp thụ dựa trên phép lấy đạo hàm bậc nhất, bậc hai hoặc bậc cao hơn. Một số tác giả đã sử dụng phương pháp phổ đạo hàm xác định đồng thời các vitamin tan trong nước [18], [21], [22], [28] cũng như xác định đồng thời các chế phẩm dược dụng khác [13], [18], [28], [31], [108]. Các kết quả thu được có sai số trong khoảng 1,7  5% [28]. 8
Trên thế giới, phương pháp phổ đạo hàm được ứng dụng để phân tích các chế phẩm dược dụng [28], [54], [57], [92], [93], [94], [95] cũng như hỗn hợp các chất vô cơ, hữu cơ [28], [48], [52], [53], [80], [118]. 1.2.2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp Theo định luật Bia thì: A = ε.l.C Lấy phổ đạo hàm bậc 1, bậc 2 hoặc bậc cao hơn của độ hấp thụ quang A theo bước sóng λ, ta được: dA dε = C.l. dλ dλ d2A d 2ε = C.l. dλ 2 dλ 2 .................................. (1.5) dn A dn ε = C.l. dλ n dλ n Vì độ dày l của một lớp dung dịch luôn không đổi và tại một bước sóng nhất định đạo hàm của ε là một hằng số nên giá trị đạo hàm của A còn phụ thuộc tuyến tính với nồng độ C của dung dịch. * Phổ đạo hàm của hỗn hợp nhiều chất Phổ đạo hàm của hỗn hợp nhiều chất có tính chất cộng tính nên: Ahh = A1 + A2 + … + An dA hh dA1 dA 2 dAn =   ...  dλ dλ dλ dλ d 2 Ahh d 2 A1 d 2 A2 d2An =  2  ...  2 dλ 2 dλ 2 dλ dλ ………………………………… d n Ahh d n A1 d n A2 d n An =  n  ...  n dλ n dλ n dλ dλ (1.6) Trong đó: 1, 2,…, n là: chất 1, chất 2,…, chất n. 9