Что такое хемометрика и нужна ли она лично Вам?

1. Что такое хемометрика и нужна ли она лично Вам? Родионова Оксана Евгеньевна, Институт химической физики РАН.

2. Содержание • Введение • БИК-спектроскопия и калибровка • Сенсоры и хемометрика • Формальные и содержательные модели • Многомерный статистический контроль процессов • Многие приложения • Заключение

3. Хемометрика: два определения Дедуктивное Хемометрика - это научная дисциплина, находящаяся на стыке химии и математики, предметом которой являются математические методы исследования химических данных сайт Российского хемометрического общества Индуктивное Хемометрика – это то, что делают хемометрики. сайт Международного хемометрического общества Хемометрики – это такие люди, которые все время пьют пиво и воруют идеи у математиков Svante Wold

4. проводят допинг контроль спортсменов; • проводят диагностику артрита и рака на ранних стадиях; • находят следы кокаина на банкнотах, собранных в Британском парламенте; • выявляют фальшивые лекарства; • контролируют производство аспирина, полупроводников, пива, водки, бумаги полиэтилена, бензина, булочек … Что делают хемометрики? • исследуют причины разрушения документов, написанных старинными гальскими чернилами • расшифровывают состав косметики Древнего Египта; • определяют происхождение пигментов, использованных старыми живописцами. • локализуют месторождение золота в Швеции; • определяют состояние лесов в Канаде по снимкам из космоса; • исследуют органические субстанции в кометном веществе

5. Так что же делает хемометрика? • Хемометрика имеет дело с данными (зачас-тую с очень большими), поэтому хемометрика - это подраздел информатики (Data mining) • Данные, которые исследует хемометрика по большей части происходят из химии, поэтому хемометрика - это подраздел химии (Analytical chemistry) • Методы, которые использует хемометрика ориентированы на формальное моделирование (Soft modeling)

6. Почему «хемо-» ? • Хемометрика родилась из задачи анализа хими-ческих спектров • Спектроскопия – один из наилучший метод получения информации по ходу процесса (on-line) в режиме реального времени: быстро и без влиянияна процесс • «Хемо» подчеркивает практическую, а не ста-тистическую значимость применяемых методов

7. Почему «-метрика» ? • Хемометрические методы легко и плодотворно переносятся в другие области, например, в пси-хологию, биологию, геологию, и т. д. • Хемометрика активно эксплуатирует математику статистику, линейную алгебру. • -------------------------------------------------------------------‘It is easier to teach a chemist statistics that to teach chemistry to a statistician.’ (Svante Wold)

8. Когда появилась? «Каждая попытка применить математические методы для исследования химических проблем должна рассматриваться как абсолютно абсурдная и противоречащая самому духу химии. Если математический анализ, когда-либо займет сколько-нибудь значительное место в химии – извращение, которое по счастью почти невероятно – это повлечет за собой повсеместно быстрое вырождение этой науки». Огюст Конт, 1825

9. США, Сиэтле, 1974 год Брюс Ковальски (B. Kowalski) Сванте Волд (S. Wold)

10. Почему появилась? Математические методы

11. Много переменных и много измерений Один цикл – 800 спектров (времен) Один массив данных – 200 образцов (циклов) ю . . . Одно измерение – спектр (600 точек)

12. Основные принципы 1.Использование многомерного подхода при конструировании экспериментов и анализе их результатов. 2.Что считать шумом, а что – информацией, всегда решается с учетом поставленных целей и методов, используемых для ее достижения. 3.Понятие эффективного (химического) ранга и скрытых, латентных переменных, число которых равно этому рангу.

13. Основная задача хемометрики • Заменить прямые измерения, которые либо – • невозможны • дороги • длительны • на косвенные измерения, которые – • доступны • дешевы • быстры • с последующей их обработкой (калибровкой).

14. Определение качества бензина по БИК-спектру

15. Определение качества зерна по БИК-спектру NIR analyzers standardization Pavel A. Luzanov, Lumex ltd., St. Petersburg, Russia

16. Сенсоры и хемометрика.Электронные язык и нос по материалам Алисы Рудницкой, Россия

17. Схема электронного языка

18. Реальный вид

19. Корреляция «человек-сенсор»

20. Подробнее о языке Analysis of port wines using the electronic tongue. Assessment of port wine age and comparison with chemical analysis data Alisa Rudnitskaya Sr. Petersburg University, Russia

21. И еще о сенсорах The classification of aqueous solutions with the use of voltammetric system of divided cells and principal component analysis Artem Sidelnikov, Bashkir State University, Ufa, Russia

22. Формальные и содержательные модели

23. Оценка активностиантиоксидантов методом ДСК Hard and soft modeling. A case study Alexey Pomerantsev Institute of Chemical Physics, Moscow, Russia

24. Многомерный статистический контрольпроцессов (MSPC) MSPC – это математический анализ реальных истори-ческих данных, характеризующих опыт работы • Цель: Научиться у самих себя принимать оптимальные решения в различных ситуациях. • Средства: Сбор истории работы процесса, а также анализ накопленных данных. • Результат:Снижении затрат при стабилизации качества. MSPC – это один из методов анализа процессов (PAT)

25. X1 X2 Одномерная область контроля t t t t t t t t t t t t t t X2 Многомерная область контроля X1 Контроль с помощью SPC

26. Мера Т2 Хотеллинга (расстояние внутри модели) Ошибка моделирования (расстояние до модели) Контроль с помощью MSPC X3 X1 X2

27. Зачем в MSPC нужна хемометрика? • Потому, что все больше данных о процессах получают с помощью современных, эффективных приборов • Макропеременные (температура, pH, давление, ... ) • Спектроскопия (УФ, ИК, БИК, ...) • Хроматография (ЖХ, ГХ, ...) • Гибридные методы (ЖХ/МС, ЖХ/ЯМР, ...) • Видео образыи гиперспектры (2D, 3D)

28. Диагностика отказов Real time diagnostics of technological processes and field equipment Rusinov L.A, St. Petersburg Technological University, Russia

29. PAT & FDA Process Analytical Technology(PAT)=Технология (методы) анализа процессов PAT =Статистический контроль процессов (MSPC) + Хемометрика (Chemometrics) FDA = U.S. Department of Health and Human Services Food and Drug Administration Guidance for Industry PAT — A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance Pharmaceutical CGMPs, September 2004

30. Контроль и оптимизация Analytical Process Control and Optimization Oxana Rodionova Institute of Chemical Physics, Moscow, Russia

31. Периодические (batch) процессы • Периодические процессы применяются при производ-стве лекарств, полимеров, пищевых продуктов, и т. п. Они характеризуются – • Конечной продолжительностью • Кинетикой протекания • Изменчивостью, как внутри, так и между циклами • Частой сменой производимых продуктов • В непрерывных процессах важны только взаимоотно-шения между переменными, тогда как в периодических важно знать как переменные меняются во времени. Поэтому здесь особенно важен контроль в реальном времени.

32. $t1 $t2 $t3 batch 1 batch2 batch3 Сравнение двух типов процессов Непрерывный процесс Периодический процесс

33. Концентрации t t Модель Макропараметры: температура, давление Контроль в фармацевтике Реакция идет при T= – 50оС

34. Спектры Макро Проекционная модель t t t t t MSPC Контроль Текущий цикл Обратная связь MSPC в фармацевтике История процесса Реактор

35. Рентгеновская кристаллография белков Two examples of chemometrics application in protein crystallography Andrey Bogomolov, European Molecular Biology Laboratory (EMBL), Hamburg, Germany

36. Многомерный анализ изображений (MIA) по материалам Paul Geladi, Sweeden

37. Red channel Blue channel Green channel Разложение изображения по каналам

38. Оцифровка изображения

39. Образ ГК1 Образ ГК2 Применение МГК для анализа PCA X

40. Область с высоким коэффициентом отражения Новые посадки Старые деревья Область в тени Исследование состояния лесов (Канада) Исходный аэроснимок Он же в пространстве ГК1

41. Анализ изображений и медицина Using black and white models for classification of medical images Sergei Kucheryavski, Altai State University, Barnaul, Russia

42. Хемометрика и экспертиза по материалам Оксаны Родионовой, Россияи Lars P. Houmøller, Denmark

43. Фальшивые таблетки

44. ИК Спектры таблеток Прибор Bomem MB160 в диапазоне 3800 – 10000 cm-1 (ближний ИК спектр); 1609 значений. N1 - таблетки от производителя –10 штук; N1Cut – образец N1 разрезанный N2 - таблетки фальсифицированные – 10 штук; N2Cut – образец N2 разрезанный

45. Fake True PCA полного спектра

46. Отдельные участки спектра

47. Fake True Анализ «наихудшего» участка спектра

48. SIMCA Полный спектр (1609 точек) Участок спектра (130 точек)

49. Гипреспектры таблеток Spectral Dimensions MatrixNIR Hyperspectral Imaging Camera Wavelength: 900 – 1700nm @ 10 nm intervals Image size: 256 x 320 pixels

50. Гиперспектральный анализ Is Hypserspectral Imaging an Analytical Instrument? Paul Geladi, SLU, Umeå, Sweden