АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДБОРА КОЛОНОК ДЛЯ ТВЁРДО-ФАЗНОЙ ЭКСТРАКЦИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНАЛИЗИРУЕМОГО ВЕЩЕСТВА. ЭТАП ПЕРВЫЙ: МОДЕЛИРОВАНИЕ БИЗНЕС-ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВАНИИ НОТАЦИИ BPMN 2.0

AUTOMATED SYSTEM OF SELECTION OF COLUMNS FOR SOLID-PHASE EXTRACTION DEPENDING ON PHYSICAL AND CHEMICAL OF THE ANALYZED SUBSTANCE. STAGE ONE: BUSINESS PROCESS MODELING BASED ON BPMN 2.0 NOTATION

Sukhanov Anton

1st year student of master's degree in "Applied Informatics" in the direction of training "Information technologies in medicine and social sphere» Higher school of information technology and automated systems Northern (Arctic) Federal University M.V. Lomonosov"

Russia, Arkhangelsk

Biryukova Larisa

Ph. D., associate Professor, Department of applied Informatics, in the direction of training "Information technologies in medicine and social sphere» Higher school of information technology and automated systems Northern (Arctic) Federal University M.V. Lomonosov"

Russia, Arkhangelsk

АННОТАЦИЯ

Современная фармацевтическая наука и практика нуждается в высокоселективных колонках для твердо-фазной экстракции с целью разделения многокомпонентных систем и очистки анализируемого раствора, выпускаемая различными химическими компаниями. Однако в настоящее время не разработано на территории РФ автоматизированной системы для выбора необходимой колонки целям и задачам исследований, аккумулирующая в себе функции и выбор параметров колонок в on-line и off-line режимах для фармацевтических лабораторий. Нами предпринята попытка создания такой автоматизированной системы с первого этапа – описания бизнес-процессов по выбору колонки для твёрдо-фазной экстракции аналитиком на рабочем месте с последующим заказом продукции через сайты производителей колонок.

ABSTRACT

Modern pharmaceutical science and practice needs highly selective column for solid-phase extraction for the purpose of separation of multicomponent systems and purification of the analyzed solution, produced by various chemical companies. However, laboratory practice has not automated system for selecting the required column for research purposes and tasks has been developed in the territory of the Russian Federation, which accumulates the functions and selection of column parameters in on-line and off-line modes for pharmaceutical laboratories. We have attempted to create such an automated system from the first stage-the description of business processes for choosing a column for solid-phase extraction by an analyst in the workplace, followed by ordering products through the websites of column manufacturers.

Ключевые слова: твёрдо-фазная экстракция, нормально-фазный сорбент, обращённо-фазный сорбент, ионно-обменный сорбент, специальный сорбент, нотация BPMN 2.0.

Keywords: solid-phase extraction, normal-phase sorbent, reversed-phase sorbent, ion-exchange sorbent, special sorbent, BPMN 2.0 notation.

Современная фармацевтическая наука в области идентификации и количественного определения индивидуальных химических соединений и их комбинаций в первую очередь базируется на использовании хроматографических технологий. После экстракции искомых соединений из биологических объектов (растительное, животное сырьё), продукта химического синтеза встаёт вопрос об очистке полученного экстракта от балластных веществ, его концентрирование по искомым соединениям. В мировой фармацевтической практике выделяют два типа экстракции для очистки объекта: жидкостная экстракция компании «Merck Millipor» (Германия) и твёрдо-фазная экстракция компании «Phenomenex» (США). Мы остановимся на краткой характеристике и выборе колонок для целей твёрдо-фазной экстракции.

Целью нашего исследования является разработка автоматизированной системы (компьютерной программы) с первого этапа – описания бизнес-процессов в графическом формате по выбору исследователем из баз данных компании «Phenomenex» на основании физико-химических свойств изучаемого соединения для выбора наиболее оптимального вида колонки целям и задачам идентификации и количественного определения соединения.

Любая проектная документация с целью разработки автоматизированной системы (компьютерной программы) базируется на первом этапе – этапе моделирования и стандартизации бизнес-процессов на основании нотаций по бизнес-моделированию. Для обеспечения моделирования бизнес-процессов мы использовали программу на основе нотации BPMN 2.0. Данная программа поддерживает следующие пакеты-модули: основные элементы, диаграммы процессов, диаграммы взаимодействий, диаграммы обмена сообщениями и др. Основными элементами нотации BPMN 2.0 являются: инфраструктура, фундамент, общее и сервис. Диаграммы хореографии включают: элементы хореографии и пакеты хореографии. Диаграммы взаимодействия образуют пулы и потоки сообщений. В нотации BPMN 2.0 используются специальные символы (графические элементы) для описания бизнес-процессов. Из всех представленных типов диаграмм для цели исследования мы выбрали диаграмму «Публичный процесс». С целью создания диаграмм мы использовали лицензированную программу «Edward Max Pro», которая поддерживает оформление блок-схем в том числе на основе нотации BPMN 2.0.

Для точности выбора соответствующей колонки мы рекомендуем на этапе планирования анализа определиться с анализируемым субстратом. Для детального выбора твёрдо-фазных колонок по изучаемому веществу необходимо знать его физико-химические показатели, а также понимать механизм разделения веществ на сорбенте твёрдо-фазных колонок.

В таблице 1 представлены зависимости типов аналитических задач от типа фазы сорбента колонок системы «Strata» компании «Phenomenex».

Таблица 1.

Виды фаз сорбента колонок для твёрдо-фазной экстракции  компании «Phenomenex» системы «Strata»

Всего, по данным таблицы 1, компания «Penomenex» выпускает 25 видов сорбентов для твёрдо-фазных колонок, решающие практически все аналитические задачи на этапе пробоподготовки.

В таблице 2 представлены зависимости типов аналитических задач от типа фазы сорбента колонок системы «Strata X» при упрощённом варианте твёрдо-фазной экстракции, которая базируется лишь на кислотно-основных характеристиках анализируемых соединений без учёта растворимости веществ в различных видах растворителей.

Таблица 2.

Виды фаз сорбента колонок для упрощённой твёрдо-фазной экстракции  компании «Phenomenex» системы «Strata X»

Мы остановились на некоторых показателях, регламентирующих выбор соответствующего сорбента, для конкретных типов соединений:

1. Природа сорбента.
2. Значения pKa и pKb.
3. Значение Log P.
4. Растворимость образца.

Значения коэффициентов ионизации органической молекулы со слабыми основными свойствами (pKb) или слабыми кислотными свойствами (pKa), а также коэффициент липофильности (полярности) органической молекулы (Log P) имеют ключевое значение для выбора твёрдо-фазных колонок. Данные показатели по изучаемому веществу можно найти в специальной справочной литературе или на специализированных химических интернет-ресурсах. Коэффициент ионизации (pK) слабой органической кислоты или слабого органического основания является отрицательным десятичным логарифмом от самой константы ионизации данного соединения, показывающий силу кислотности слабой органической кислоты или силу основности слабого органического основания. Чем выше данные показатели, тем больше проявляются кислотные или основные свойства органических веществ.

Log P – коэффициент распределения (коэффициент липофильности) – отношение концентрации недиссоциированных соединений между двумя растворителями: октанолом и водой. Шкала коэффициента Log P находится в пределах от -6 до 6. Коэффициент липофильности показывает сродство вещества растворяться в жирах. Чем выше этот показатель органического вещества, тем больше вещество имеет сродство к жирам и тем больше растворяется в жирах.

На рисунке 1 отображена диаграмма бизнес-процессов по нотации BPMN 2.0 по выбору колонок для твёрдо-фазной экстракции компании «Phenomenex» системы «Strata» в зависимости от физико-химических свойств и растворимости веществ.

Рис. 1. Пример BPNM-диаграммы по выбору твёрдо-фазных колонок в зависимости от типа сорбента и параметров вещества системы «Strata»

Согласно данной диаграмме, логический выбор типа сорбента колонок начинается с уточнения вида матрицы, т.е. с типа растворителя, к которой изначально находится анализируемое вещество. На втором этапе определяются с растворимостью определяемого вещества: в воде или органических растворителях. Вещества, которые растворимы в воде, способны к ионизации, и в случае органической структуры могут проявлять, как слабые кислотные, так и слабые основные свойства. Из группы неорганических соединений слабыми кислотными и слабыми основными свойствами обладаю неорганические соли, образованные сильной кислотной или сильным основанием соответственно. Органические и неорганические вещества, растворимые в воде, образованные сильным основанием и слабой кислотой, проявляют основные свойства и гидролизуются по катиону, вследствие этого, обмениваются катионами на ионообменных сорбентах. Органические и неорганические вещества, растворимые в воде, образованные слабым основанием и сильной кислотой, проявляют кислотные свойства и гидролизуются по аниону, вследствие этого, обмениваются анионами на ионообменных сорбентах. Нейтральные вещества по рН могут быть сильно полярными, умеренно полярными и неполярными соединениями. Они разделяются на обратной фазе. Вещества, растворимые в органических растворителях, и нерастворимые в воде, как правило, на ионы слабо диссоциируют, но также разделяются на обратной фазе. Нейтральные вещества, растворимые в органических растворителях, также способы ионизироваться, и при этом разделяются на нормальной фазе.

Резюмируя вышесказанное, мы составили диаграмму бизнес-процесса по нотации BPMN 2.0 по выбору сорбентов колонок системы твёрдо-фазной экстракции компании «Phenomenex» (США) в системе «Strata» в которых отразили потоки информации от типа матрицы, в которой изначально присутствует аналит, до выбора колонок твёрдо-фазной экстракции.

Следующий этап создания автоматизированной системы выбора колонок – разработка диаграммы использования автоматизированного продукта и объектная модель.

Список литературы:

1. Графический язык моделирования бизнес-процессов BPMN. Версия 2.0. -пер. с анг.  – 298 с.
2. Шаповалова Е.Н., Пирогов А.В. Хроматографические методы анализа. Методическое пособие для специального курса. – М.: изд-во МГУ, химический факультет. – 2007. – 109 с.
3. Хенке Х. Жидкостная хроматография. – М.: Техносфера, 2009. – 264 с.