WSC-4 Courses Все что вы хотели знать о хемометрике – но стеснялись спросить

WSC-4 Courses Содержание 1.Введение 2.Кинетика 3.Промышленность 4.Фармацевтика 5.Многие приложения 6.Информация

WSC-4 Courses Хемометрика - это научная дисциплина, находящаяся на стыке химии и математики, предметом которой являются математические методы исследования химических данных сайт Российского хемометрического общества Хемометрика: два определения Дедуктивное 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 Индуктивно е

WSC-4 Courses Что 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)

WSC-4 Courses Почему «хемо-» ? Хемометрика родилась из задачи анализа хими- ческих спектров Спектроскопия – наилучший метод получения информации по ходу процесса (on-line) в режиме реального времени: быстро и без влияния на процесс «Хемо» подчеркивает практическую, а не ста- тистическую значимость применяемых методов

WSC-4 Courses 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)

WSC-4 Courses Много переменных и много измерений Одно измерение – спектр (600 точек)Один цикл – 800 спектров (времен) ю... Один массив данных – 200 образцов (циклов)

WSC-4 Courses Основная задача хемометрики Заменить прямые измерения, которые либо – невозможны дороги длительны на косвенные измерения, которые – доступны дешевы быстры с последующей их обработкой (калибровкой).

WSC-4 Courses Определение качества бензина по ИК-спектру

WSC-4 Courses Как определить число ГК? L6. Defining Multivariate Calibration Model Complexity for Model Selection and Comparison John Kalivas Idaho State University, Pocatello, USA

WSC-4 Courses Формальные и содержательные модели Содержательные Hard models Формальные Soft models Откуда Физика, химия, ….Из данных Формула y=f (x,a)+ y=Xa+ Параметры Имеют физ. смыслФизически бессмысленны Проблемы Построить модельОбработать данные Назначение ЭкстраполяцияИнтерполяция Пример Хим. кинетикаANOVA

WSC-4 Courses Белые, серые и черные модели L2. Gray Modelling Approaches to Investigate Chemical Processes Roma Tauler Institute of Chemistry and Environmental Research, CSIC, Barcelona, Spain

WSC-4 Courses Хемометрика 1970 Психометрика 1940 Биометрика 1900 Хемометрика среди своих сестер Область приложений Оригинальность методов

WSC-4 Courses H – принцип. Основы хемометрики L3.The H-principle of Mathematical Modeling Agnar Höskuldsson IPL, DTU, Kgs Lyngby, Denmark

WSC-4 Courses Хемометрика Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Множество приложений Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Распознавание образов Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses Хемометрика – от археологии до астрономии L5. Exploration and Classification: Applications from Archaeometry to Spectroscopy Kurt Varmuza Vienna Technical University, Vienna, Austria

WSC-4 Courses Кинетика – curve resolution

WSC-4 Courses Хемометрика Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Множество приложений Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Распознавание образов Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses Как найти кинетику по спектрам? Концентрации«Чистые» спектры компонент

WSC-4 Courses Эволюция спектра компонент реакции

WSC-4 Courses Оценки кинетических констант ПБО

WSC-4 Courses Кинетика и хемометрика L1.Principal Component Analysis in Photochemistry Владимир Разумов Institute of Problems of Chemical Physics, Chernogolovka, Russia

WSC-4 Courses Хемометрика в промышленности по материалам Nouna Kettaneh-Wold, Sweeden и Richard Brereton, UK

WSC-4 Courses Хемометрика Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Множество приложений Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Распознавание образов Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses PAT & FDA Process Analytical Technology (PAT) = Технология (методы) анализа процессов PAT = Статистический контроль процессов (SPS) + 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

WSC-4 Courses Многомерный статистический контроль процессов (MSPC) 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 математический анализ реальных истори- ческих данных, характеризующих опыт работы MSPC – это один из методов анализа процессов (PAT)

WSC-4 Courses 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 образы и гиперспектры (2D, 3D)

WSC-4 Courses Одномерная область контроля Контроль с помощью SPC X1 X2 Многомерная область контроля t t t t t t t t t t t t t t X2X1

WSC-4 Courses Контроль с помощью MSPC Ошибка моделирования (расстояние до модели) Мера Т 2 Хотеллинга (расстояние внутри модели) X2 X1X1 X3X3

WSC-4 Courses 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 меняются во времени 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.

WSC-4 Courses Сравнение двух типов процессов Непрерывный процессПериодический процесс batch 1batch 2batch 3 $t1$t2$t3

WSC-4 Courses Концентрации Контроль в фармацевтике Макропараметры: температура, давление t t Модель Реакция идет при T= – 50 о С

WSC-4 Courses MSPC в фармацевтике Реактор Спектры Обратная связь t t t t Макро История процесса MSPC Контроль Текущий цикл t Проекционная модель

WSC-4 Courses Трехмодальные (3-way) данные wavelengths batches time wavelengths batch 1 batch 2 batch 3 batch 4 batch 5 time Xy

WSC-4 Courses Регрессия X y a =+ p переменных n наблюдений p >> n rank (X) < p

WSC-4 Courses Вполне реальный пример

WSC-4 Courses MSPC Контроль по первым двум ГК зеленаякрасные Средняя траектория хороших циклов (зеленая) ± 3 (красные). Хорошие циклы должны лежать в этих пределах.

WSC-4 Courses Контроль процесса в реальном времени Bad batch черный Плохой процесс (черный) выходит за пределы допустимых отклонений по ГК1. Причина выясняется с помощью графика вкладов переменных в первую ГК. Bad variable

WSC-4 Courses Контрольная карта для этой переменной

WSC-4 Courses Многомерный анализ изображений (MIA) по материалам Paul Geladi, Sweeden

WSC-4 Courses Хемометрика Распознавание образов Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Множество приложений Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses Разложение изображения по каналам Red channel Blue channel Green channel

WSC-4 Courses Оцифровка изображения

WSC-4 Courses Применение МГК для анализа X PCA Образ ГК1 Образ ГК2

WSC-4 Courses Он же в пространстве ГК1Исходный аэроснимок Исследование состояния лесов (Канада) Область с высоким коэффициентом отражения Область в тениНовые посадкиСтарые деревья

WSC-4 Courses Хемометрика и экспертиза по материалам Оксаны Родионовой, Россия и Lars P. Houmøller, Denmark

WSC-4 Courses Хемометрика Множество приложений Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Распознавание образов Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses Фальшивые таблетки

WSC-4 Courses ИК Спектры таблеток Прибор Bomem MB160 в диапазоне 3800 – 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

WSC-4 Courses PCA полного спектра True Fake

WSC-4 Courses Отдельные участки спектра

WSC-4 Courses Анализ «наихудшего» участка спектра True Fake

WSC-4 Courses SIMCA Полный спектр (1609 точек)Участок спектра (130 точек)

WSC-4 Courses Гипреспектры таблеток

WSC-4 Courses Хемометрика и экология по материалам Pentti Minkkinen, Finland

WSC-4 Courses Хемометрика Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Множество приложений Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Распознавание образов Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses Влияние ванадиевой пыли на людей Испытательная группа 17 человек подверженных пыли V 2 O 5 на фабрике Контрольная группа 18 человек Измерялись 26 клинических показателей плазмы крови

WSC-4 Courses График ГК

WSC-4 Courses x 11 x 12 ……x 1k x 21 x 22 ……x 2k ………… ………… x i1 x i2 ……x ik x i+1,1 x i+1,2 ……x i+1,k ……… ……… x n1 x n2 x nk Матрица дескрипторов X CLASS C CLASS V PLS-D Дискриминация PLS2 Матрица индикаторов Y

WSC-4 Courses V V V V V V V V V V V V V V V V V V C C C C C C C C C C C C C C C C C ГК1 ГК 2 График ГК в PLS-D

WSC-4 Courses Хемометрика в биологии по материалам David O. Nelson and Matt Coleman, USA

WSC-4 Courses Хемометрика Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Множество приложений Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Распознавание образов Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses Новая биология: X- omics Традиционный подход: Один ген/белок/реакция за раз Исследование отдельной модели Новый «системный» подход: Все ДНК/РНК/белки исследуются вместе Глобальный анализ больших данных

WSC-4 Courses Что такое microarray - чип? Каждый микрореактор содержит ДНК (или белок) Обычно в каждом реакторе разные ДНК, с повторами для контроля точности За один раз несколько микрореакторов гибридизируются с экстрактами тканей Результат виден как образ, состоящий из множества цветных пятен

WSC-4 Courses Эксперименты с ДНК Сравниваются две пробы ДНК. Они подкрашиваются разными красителями Результат эксперимента это интенсивности через два фильтра - красный и зеленый Подготовка проб ДНК контроль тест подкрашивание красителями смешивание в равных объемах гибридизация пробы скани- рование Подготовка чипа Подготовка чипа

WSC-4 Courses Схема обнаружения промоторов 1. Эксперимент с чипом 2. Извлечение кластеров кДНК 3. Поиск последова- тельностей в базе 4. Извлечение последовательностей 5. Определение потен- циальных промоторов ABC 6. Возможная модель промотора 7. Поиск других генов в базе8. Возможные гены Из Thomas Werner Biomolecular Engineering, 17: (2001)

WSC-4 Courses QSAR и QSPR по материалам Альфреда Сулейманова, Россия

WSC-4 Courses Хемометрика Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Множество приложений Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Распознавание образов Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses QSAR/QSPR Quantitative structure-activity/property relationships Количественная связь «структура-активность/свойство» Цель – создание новых продуктов с заданными свойствами Что такое QSAR/QSPR?

WSC-4 Courses Разработка изделий из ПВХ (QSPR) МодификаторыСтабилизаторы Прочие добавки FM22ДакриланИнтерстабНафтомикс X training X new Белизна Разрывное растяжение Ударная прочность Текучесть расплава Y training Y new Матрица дескрипторов XМатрица свойств Y PLS

WSC-4 Courses Связь «состав-свойства» График X и Y нагрузокПрогноз ударной прочности

WSC-4 Courses Подробнее о QSAR/QSPR T14. QSAR/QSPR: Universal Approach to the Prediction of Properties of Chemical Compounds and Materials Владимир Палюлин Moscow State University, Russia

WSC-4 Courses Электронные язык и нос по материалам Алисы Рудницкой, Россия

WSC-4 Courses Хемометрика Аналитическая химия Статистика Математика Численные методы Технология Промышленность Биология Экспертиза Множество приложений Теоретическая и физическая химия Хемометрика Органическая химия QSAR QSPR X-omics Фармацевтика Экология Распознавание образов Кинетика Эл. язык и нос

WSC-4 Courses Схема электронного языка

WSC-4 Courses Реальный вид

WSC-4 Courses Корреляция «человек-сенсор»

WSC-4 Courses Подробнее о языке и носе T5. Comparison of PLS Regression and Artificial Neural Network for the Processing of the Electronic Tongue Data from Fermentation Growth Media Monitoring Алиса Рудницкая Sr. Petersburg University, Russia

WSC-4 Courses Пробоотбор по материалам Pentti Minkkinen, Finland

WSC-4 Courses Теория пробоотбора Пробоотбор Искусство отделения малой части из большой массы и подготовки этой пробы к анализу Лозунг дня Результат анализа всегда хуже, чем проба, по которой он сделан Проба должна быть представительной Теория, соединяющая техническую и статистическую стороны была разработана Pierre Gy: Sampling for Analytical Purposes, Wiley, 1998 и теперь развивается в работах Kim Esbensen & Pentti Minkkinen

WSC-4 Courses Неправильный отбор образца

WSC-4 Courses Правильный отбор образца

WSC-4 Courses Выводы Хемометрика находит приложение во многих, очень многих областях

WSC-4 Courses Конференция Analytica Expo 2005 APPLICATIONS OF CHEMOMETRICS TO PAT Richard G. Brereton Centre for Chemometrics University of Bristol United Kingdom Москва, Выставочный Центр «Сокольники», 19 апреля 2005 г.