基于微顺序注射-阀上实验室药物浓度实时监测软件系统的开发与应用

张 唯 张天玮 李瑞瑞 李新霞,2*

(1.新疆医科大学药学院，乌鲁木齐 830011；2.新疆医科大学中心实验室，乌鲁木齐830011；3.清华大学软件学院，北京100083)

仪器应用

基于微顺序注射-阀上实验室药物浓度实时监测软件系统的开发与应用

张 唯1张天玮3李瑞瑞1李新霞1,2*

(1.新疆医科大学药学院，乌鲁木齐 830011；2.新疆医科大学中心实验室，乌鲁木齐830011；3.清华大学软件学院，北京100083)

通过LabVIEW软件编译，与FIAlab for Windows软件结合，分别控制光纤光谱仪和微顺序注射-阀上实验室(MicroSIA Lab-on-valve，μSIA-LOV)系统，以光纤作为传导介质，将光纤光谱仪、微顺序注射分析仪和氘灯光源连接，基于样品的紫外吸收特性，实现原位待测样品溶液浓度随时间变化的实时在线监测。编译光谱采集模块，进行样品溶液的光谱扫描，实现对物质的定性分析；编译标准曲线模块，实现对物质的定量分析方法的建立；编译样品检测模块，实现样品溶液浓度的实时连续测定。并以头孢氨苄为例，基于紫外吸收测定模式的LabVIEW软件编译的3个模块，同时对待测样品进行原位和过程分析，与紫外分光光度计测得结果比较(P>0.05)，结果无显著性差异。说明LabVIEW软件编译的3个模块可实现待测溶液浓度的原位实时连续监测。

LabVIEW软件 微顺序注射 在线检测 浓度测定

1 引 言

微顺序注射-阀上实验室(MicroSIA Lab-on-valve，μSIA-LOV)是在流动注射的基础上发展起来的第三代流动注射分析技术[1,2]，具有样品和试剂消耗少，适用于长时间监测和试剂比较昂贵、样品来源受限制的分析的特点[3]。其体系的参数，包括吸入试剂和样品的流速、体积、各溶液之间的反应时间、扩散程度可以通过计算机软件控制，最大程度地减少了操作中的人为干预；易于自动化、更适合生产过程自动化监测和多组分同时分析。充分体现了当今分析设备微型化、集成化和便携化的发展趋势[4-7]。

将紫外光纤光谱仪和微顺序注射分析仪联用[8,9]，易于实现物质紫外吸收光谱或荧光光谱的在线检测。实现药物的体内、体外实时在线监测，通过样品衍生化提高灵敏度，所需样品及试剂量少，可使试剂消耗降低到微升级，检测速度快。

SpectraSuite软件是一个完整的模块式光谱学软件平台，该软件可以控制任何一台海洋光学公司的光谱仪设备，实现实时吸光度或荧光强度的在线检测。FIAlab for Windows软件用于控制微顺序注射分析仪，调节吸入样品的流速、体积、各溶液反应时间。SpectraSuite软件与FIAlab for Windows软件在该联用技术中独立存在，作为通用软件分别控制光纤光谱仪和微顺序注射分析仪，实现待测溶液吸光度或荧光强度实时在线检测。光纤一端接入微顺序注射分析仪的多功能流通池，另一端接入光纤光谱仪，进行一系列流控操作并实现物质吸收光谱或荧光光谱的阀内实时在线检测。但SpectraSuite软件只能测得待测样品溶液的吸光度或荧光强度实时值，通过手工计算带入标准曲线，间接转化为浓度值。对于实时连续检测，还需实现对待测溶液的浓度转换。

LabVIEW软件是一种使用图形化的编程语言G语言编写程序的编程环境，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件拥有庞大的函数库，用于程序编译。一个LabVIEW程序由一个或多个虚拟仪器(VI)组成，包含前面板、程序框图和图标，前面板用于设置输入量和观察输出量，输入量称为控件，用来设置输入参数。输出量称为指示器，用来输出图形和数据。程序框图用于编译程序代码[10]。

本研究将紫外光纤光谱仪和微顺序注射分析仪联用，通过LabVIEW软件编译，与FIAlab for Windows软件结合，分别控制光纤光谱仪和微顺序注射-阀上实验室(μSIA-LOV)系统，以光纤作为传导介质，将光纤光谱仪、微顺序注射分析仪和氘灯光源连接，基于样品的紫外吸收特性，实现原位待测样品溶液浓度随时间变化的实时连续检测。并以头孢氨苄为例，验证该软件的实时原位在线检测功能。

2 实验系统

2.1 仪器与试剂

微顺序注射分析仪(MicroSIA，FIAlab Instrument，海洋光学) ；紫外光纤光谱仪(QE65000-ABS，海洋光学) ；高功率氘卤灯组合光源(DH-2000，海洋光学) ；分析天平(AB135-S，梅特勒) ；包塑光纤(200μm×1m×2，海洋光学) ；实验流路所用连接管道采用PTFE管(内径0.76 mm) ；紫外分光光度仪(UV-2550，日本岛津) ；恒温定时搅拌器(JB-3A，上海雷磁创益仪器仪表有限公司) ；头孢氨苄对照品(中国药品生物制品检定所，批号：130418-200710，纯度94.4%)；头孢氨苄片(北京京丰制药有限公司，规格：0.25g/片，批号：国药准字H11020118)，实验用水为二次蒸馏水。

2.2 实验装置

光纤传感-微顺序注射-阀上实验室仪器装置：包含1000μL高精密度注射泵、8通道的多位阀模块(LOV)，在该模块上集成了1个中心控制通道和多个工作通道及多功能流通池；通过FIAlab for Windows软件调控中心通道一端与 8 位阀上工作通道，使中心通道与工作通道准确连接，另一端和高精密度注射泵连接，使其构成流动分析系统。一根光纤与光纤光谱仪相连，另一根光纤与氘灯光源相连，2根光纤探头插入多功能流通池，整个光路组成紫外吸收测定模式，光纤传感-微顺序注射-阀上实验室仪器连接示意图如图1。

图1 光纤传感-微顺序注射-阀上实验室仪器连接示意图

3 软件平台与开发

本研究采用LabVIEW软件编译3个模块：光谱采集模块，进行待测物质的光谱扫描，在光谱图前面板(图2左)显示光谱图，获取吸光度最大值及对应波长，实现物质的定性分析；标准曲线模块，在标准曲线前面板(图2中)显示时序图和拟合的标准曲线，实现物质的定量测定；样品检测模块，在样品检测前面板(图2右)显示样品浓度变化，实现样品的实时浓度测定。编译的程序框图如图3。

图2 LabVIEW软件编译的基于紫外吸收测定模式的三个模块前面板

图3 LabVIEW软件编译基于紫外吸收测定模式的程序框图

4 实验操作流程

本研究以头孢氨苄为例，参照中国药典头孢氨苄片溶出度的检测方法，将头孢氨苄片放入磁力搅拌器中，随着药片的溶解，溶液浓度逐渐升高，通过LabVIEW软件实现药物浓度动态变化的实时原位连续测定，验证该软件的功能。一根光纤与光纤光谱仪相连，另一根光纤与氘灯光源相连，2根光纤探头插入多功能流通池，光纤光谱仪再与计算机连接，按照图1连接仪器装置。

4.1 对照品溶液的配制

精密称取头孢氨苄对照品9.91 mg，加水溶解，定容至25mL，分别量取0.8、1.0、1.3、1.5、1.7、2.0mL至25mL容量瓶，定容至刻度，配置成系列浓度标准溶液，备用。

4.2 基线的调整

在注射泵的驱动下，使整个流路中充满空白溶液水，打开LabVIEW光谱图前面板，VISA资源名处下拉菜单刷新，选择USB设备，点击运行按钮。点击光谱图前面板“读取暗光谱”，打开氘灯光源遮光板；点击“读取参考光谱”，关闭氘灯光源遮光板，此时前面板显示基线平稳，可以进行待测溶液的测定。

4.3 物质的光谱采集和标准曲线的制备

从八通阀的4号口以20 μL·s-1的流速精密吸取 200μL头孢氨苄对照品溶液，再以20μL·s-1的流速将溶液从8号口排出，在LabVIEW软件光谱图前面板采集光谱图，点击停止按钮，记录最大吸收波长对应索引。在标准曲线前面板“索引输入”控件处输入该索引值，按4.2项操作步骤重新调整基线，进行系列浓度标准溶液的测定。当时序图指示器显示吸光度呈与X轴水平的直线时，点击暂停按钮，将标准曲线前面板时序图指示器右侧方格测得的吸光度值复制到“吸光度”输入控件处，每个时间点的吸光度数据可导出。手动输入系列浓度值，系列浓度溶液测定完后，点击停止按钮，再点击运行按钮，标准曲线前面板显示绘制的标准曲线。用水以 200 μL·s-1流速冲洗整个流路。

4.4 样品溶液浓度的实时在线检测

将软件切换至光谱图前面板，按4.2项操作步骤重新调整基线，将头孢氨苄片放入盛有900mL纯水的烧杯中，烧杯放在磁力搅拌器上，启动磁力搅

拌器，随药片的溶解，烧杯中样品浓度逐渐增大。从八通阀的4号口以20 μL·s-1的流速精密吸取烧杯中的溶液，再以20μL·s-1的流速将样品从8号口排出，每隔30秒测定一次。光谱图前面板显示采集的头孢氨苄溶液的吸光度变化。将软件切换至标准曲线前面板，“时序图”指示器显示头孢氨苄片吸光度随时间的变化。将LabVIEW软件切换至样品检测前面板，“浓度测定”指示器显示烧杯中头孢氨苄溶出浓度随时间的动态变化，右侧方格显示浓度实时变化值，每个时间点的浓度数据可导出。

5 实验结果与数据分析

5.1 紫外光谱采集

按拟定实验方法对头孢氨苄对照品进行光谱采集(图4)，因光纤问题，在200～220nm范围内光不能透过，所以LabVIEW软件测不到末端吸收。在LabVIEW软件上扫描的头孢氨苄对照品紫外光谱与紫外分光光度计扫描的图谱最大吸收波长一致，均为259nm，在LabVIEW软件显示最大吸收波长对应索引值为75。说明LabVIEW软件能够实现溶液的紫外光谱采集，实现物质的定性分析。

图4 LabVIEW软件采集头孢氨苄对照品光谱图

5.2 物质的实时浓度测定

标准曲线前面板手动输入最大吸收波长索引值75，LabVIEW软件测定259nm波长处的头孢氨苄系列浓度标准溶液，上方时序图界面实时显示系列浓度标准溶液吸光度连续梯度变化。复制测得的系列浓度标准溶液吸光度值到下方吸光度输入控件，试样浓度值手动输入。LabVIEW软件运行，自动拟合标准曲线(图5)。其线性方程为：Y=0.02194+0.0196x，相关系数为r=0.9998，表明头孢氨苄对照品在12.68～31.71μg/mL浓度范围内线性关系良好。

表1 LabVIEW软件测定头孢氨苄对照品标准曲线数据

图5 LabVIEW软件制备的头孢氨苄标准曲线

按4.4项操作步骤测定烧杯中头孢氨苄片溶出的浓度变化，6分钟时，烧杯中的头孢氨苄浓度不再变化(图6)。

图6 LabVIEW软件测定头孢氨苄溶液的浓度变化

取上述系列浓度标准溶液在紫外分光光度仪上测定，记录系列浓度标准溶液吸光度值(表2)，线

性方程为：Y= 0.02135x+0.0026，相关系数r=0.9999。

在上述头孢氨苄片的溶出过程中，取3个时间点烧杯中的溶液，于紫外分光光度仪上测定，3次测得的吸光度值带入标准曲线Y= 0.02135x+0.0026，计算3个时间点的烧杯中头孢氨苄片浓度，同时将这3个时间点的溶液于LabVIEW软件测定，LabVIEW软件能够直接显示头孢氨苄溶液浓度数据，与紫外分光光度仪测定结果比较，差异无统计学意义(P>0.05)，数据由spss17.0软件处理。说明Labview软件测定结果和紫外分光光度计测定结果比较，浓度无显著性差异(表3)。

表2 紫外分光光度仪测定的头孢氨苄标准曲线

表3 LabVIEW软件和紫外分光光度仪测定的3个时间点的浓度数据比较(n=3)

6 讨论

本研究以LabVIEW软件为程序编译工具，编译药物浓度实时在线检测系统，与FIAlab for Windows结合，分别控制硬件系统光纤光谱仪和微顺序注射分析仪。并选取头孢氨苄药品为例，参照中国药典头孢氨苄片的溶出度测定方法，模拟药物浓度变化模型，根据药片的溶出过程，验证软件的浓度变化实时连续测定功能。

光谱采集模块获取物质最大吸收波长和对应吸光度值，对待测物质进行定性分析，采用标准曲线法对待测物质进行定量；通过程序框图中公式的编辑，前面板直接显示样品溶液的实时浓度变化，减少了手工计算。说明LabVIEW软件编译的3个模块可实现基于紫外吸收特性样品的浓度实时原位检测。本研究后续将在采样间隔时间上进行改进，对体内药物浓度测定来说，针对药物不同半衰期，在程序上添加采样间隔变换功能，实现体内药物浓度的实时在线检测。

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Development of drug concentration real-time monitoring software system based on fiber sensing combined with μSIA-LOV.

Zhang Wei1, Zhang Tianwei3, Li Ruirui1, Li Xinxia1，2

(1.College of Pharmacy, Xinjiang Medical University, Urumqi 830054，China; 2.Central Laboratory, Xinjiang Medical University, Urumqi 830054，China; 3.College of Software, Tsinghua University, Beijing 100083，China)

LabVIEW software and FIAlab for Windows software were combined to control fiber spectrometer and MicroSIA Lab-on-valve system respectively. The fiber spectrometer, MicroSIA Lab-on-valve and deuterium light source were connected by fiber. Based on the ultraviolet absorption property of the samples, the system could realize in situ, real-time and online monitoring of samples. Three modules compiled by LabVIEW software were used for samples scanning， qualitative analysis, quantitative analysis and real-time continuous determination. Take cefalexin for instance, comparing with ultraviolet spectrophotometer (P>0.05), the experiament results showed that there were no significant differences between them.

LabVIEW software； micro sequential injection； online monitoring； concentration determination

国家自然科学基金项目(No.81260486)和2015年高新区应用技术研究与开发专项(No.KJJH2015003)资助。

张唯，女，1992年出生，新疆医科大学在读硕士，E-mail：1522261601@qq.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.003

2016-09-01