10.02.05 1 WSC-4 Courses Все что вы хотели знать о хемометрике – но стеснялись спросить. - презентация

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

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

3 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

4 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)

5 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

6 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)

7 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)

8 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).

9 WSC-4 Courses Определение качества бензина по ИК-спектру

10 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

11 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

12 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

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

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

15 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

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

17 WSC-4 Courses Кинетика – curve resolution

18 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

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

20 WSC-4 Courses Эволюция спектра компонент реакции

21 WSC-4 Courses Оценки кинетических констант ПБО

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

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

24 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

25 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

26 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)

27 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)

28 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

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

30 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.

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

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

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

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

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

36 WSC-4 Courses Вполне реальный пример

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

38 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

39 WSC-4 Courses Контрольная карта для этой переменной

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

41 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

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

43 WSC-4 Courses Оцифровка изображения

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

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

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

47 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

48 WSC-4 Courses Фальшивые таблетки

49 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

50 WSC-4 Courses PCA полного спектра True Fake

51 WSC-4 Courses Отдельные участки спектра

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

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

54 WSC-4 Courses Гипреспектры таблеток

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

56 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

57 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

58 WSC-4 Courses График ГК

59 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

60 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

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

62 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

63 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

64 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

65 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

66 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)

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

68 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

69 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?

70 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

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

72 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

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

74 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

75 WSC-4 Courses Схема электронного языка

76 WSC-4 Courses Реальный вид

77 WSC-4 Courses Корреляция «человек-сенсор»

78 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

79 WSC-4 Courses Пробоотбор по материалам Pentti Minkkinen, Finland

80 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

81 WSC-4 Courses Неправильный отбор образца

82 WSC-4 Courses Правильный отбор образца

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

84 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.