加速法测定药物有效期的虚拟仪器系统设计与应用

张红燕, 朱一昆, 龚 勋, 吴其俊

(1.贵州理工学院化学工程学院,贵州贵阳 550003；2.贵州理工学院食品药品制造工程学院，贵州贵阳 550003)

虚拟仪器技术(Virtual Instrument)就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。目前，LabVIEW图形化编程语言是虚拟仪器开发的最优秀软件，该软件主要用于数据采集及分析、测量、仪器和过程监控等领域。LabVIEW集成并满足RS-232、RS-485、VXI和GPIB协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，并有丰富的数值分析、数字信号处理等功能，可实现快速开发数据采集、分析控制等的虚拟仪器系统，缩短了虚拟仪器的研发周期[1 - 3]。

药物制剂的稳定性是药物质量的重要指标之一。对药品进行长期稳定性试验，测定其贮存期虽然准确但是耗时太长，对研究新制剂、新药物很不方便，因此，利用经典的恒温加速动力学试验来初步判断药物稳定性被广泛应用[4 - 5]。

分光光度计是各分析实验室中最重要的质量控制仪器之一，是常规的必备仪器。722S型分光光度计工作原理是光源灯发出的复合光进入单色器，经光栅色散由出射狭缝射出一束单色光，经样品室待测样品吸收后透射出的单色光被光电池接收，转换成与待测样品透射光强度成一定比例的电信号，经放大器放大和A/D转换后，由中央控制中心CPU控制显示出待测样品的透射比或吸光度，数字显示器可明亮清晰地显示透视比、吸光度和浓度等参数，但不具备实时数据采集与智能化处理数据的功能。在动力学药物有效期实验中一般采取在某一间隔时间使其停止反应的进行来测定反应进行的程度，该实验由于对时间的要求高，常规实验中需要多人协同操作，使得该实验的实时性和准确度难以保证。在实际的化工、药物及食品等行业进行动力学实验过程中，吸光度的测量需要自动化的原位测试及时间扫描等应用功能。本文根据测定药物有效期的动力学方法和722S型分光光度计的特点，通过其串行口与计算机连接，开发了基于LabVIEW的分光光度计测定硫酸链霉素溶液有效期的虚拟仪器系统。该系统提升和扩展了仪器的功能，能实现测量数据的自动采集、时间扫描及实时数据处理并结果输出，智能化地完成测试任务。

1 系统硬件配置

虚拟仪器系统由计算机、722S可见分光光度计(上海菁华科技仪器有限公司)及HK-2A超级恒温槽(南京南大万和科技有限公司)组成，通过串行口将722S分光光度计测试数据传送给计算机，计算机在基于LabVIEW的虚拟仪器系统实现动力学数据实时时间扫描、数据处理、结果生成及在线报警等。

2 LabVIEW程序设计与实现

虚拟仪器软件系统由数据采集和数据分析两个SubVIs等组成，分别完成时间扫描、数据存储、数据分析及结果生成等；不同SubVIs程序的调用是采用事件结构(Event Structure)进行事件响应的。

2.1 数据采集程序设计

图1 数据采集程序框图Fig.1 Program for the Data Acquisition

数据采集程序方框图如图1所示，根据分光光度计串行口发送的数据协议，用LabVIEW中的VISA节点，分别实现初始化串口、串口写、串口读及关闭串口等功能[5 - 6]。在进行串口通信前，需先配置VISA Configure Serial Port节点的各个端口参数，用Structures模板中的Timed Loop，实现实时时间扫描功能。

Timed Loop程序中从左到右分别使用四个Case Structure进行调满度、调零、采样及数据保存操作，在采样前先需要对仪器调满度100%T，以实现自动调整仪器内部的放大倍数；随后需对仪器进行调零0%T操作，以实现自动调整归零，进入正确的测试状态。调满度是调用VISA Write函数实现给设备操作信号，并通过VISA Read函数读取返回的设备数据blank；调零是调用VISA Write函数实现设备归零操作，并通过VISA Read函数读取返回的凋零数据zero；连续采样同样是用VISA Write函数实现发送设备读取数据操作信号，并通过VISA Read函数读取当前设备测试数据power；然后根据以上返回数据用LabVIEW中的Numeric子模板下的相关函数和Logarithm Base 10函数实现透射率和吸光度的计算，透射率Trans=(power-zero)/(blank-zero)×100；吸光度Abs=-lg(trans/100)。调用Insert Into Array和Shift Register实现将采集数据寄存并送入Graph图实时显示；同时便于数据的后续处理，调用Write to Spreadsheet File.vi函数对数据实时保存。

图2 数据采集操作面板Fig.2 Main operation panel of the VI

数据采集操作面板如图2所示，图的左边是用户操作部分，点击相关按钮进行不同的操作，分别点击调满度和调零操作使仪器处于正确的测试状态，点击“采集”按钮分光光度计实时时间扫描，吸光度对时间扫描数据右边图谱实时显示，同时当前采集时间、采集的吸光度和透射率在结果显示区实时更新，为了对采集数据实时查看和分析，以便实时了解数据特性及曲线趋势，图的下方工具栏能实现波形的动态调整，如自动缩放、图形拖动、光标移动、图形缩放及曲线颜色设置等；点击“保存数据”按钮，测试数据及时间实时保存；点击“数据分析”按钮即可打开数据分析面板，进行数据的相关分析。

2.2 数据分析与结果生成程序设计

数据分析与结果生成部分根据一级反应特征，及分光光度计能通过反应颜色的改变测定生成物浓度变化的原理。链霉素在碱性条件下水解成麦芽酚的反应属于一级反应，而麦芽酚在酸性条件下与Fe3+生成稳定的紫红色螯合物，可利用颜色反应来测定链霉素在碱性溶液中变成麦芽酚的动力学性质[7]。用A∞表示链霉素完全脱水变成麦芽酚的吸光度，At表示在时间t时部分链霉素变成麦芽酚的吸光度，则一级反应动力学方程式为：ln(A∞-At)=-kt+lnA∞；实验在不同温度下进行，测得不同温度下的速率常数k值。依据阿伦尼乌斯公式，以不同温度的lnk对1/T作图，根据线性拟合能获得该反应的活化能，然后将该拟合直线外推至25 ℃，即可得到该温度时的速率常数k25 ℃值，进而求出该温度条件下药物的有效期t0.9=0.1054/k25 ℃。

图3 处理与结果生成程序框图Fig.3 Program for Data Analysis and Result Generation

数据分析与结果生成方框图如图3所示，Case Structure内调用For loop和Read from spreadsheet file.vi函数实现读取已储存的不同温度条件下的时间扫描数据，用Shift register将读取的多组数据寄存并进行下一步的分析与处理；用Mathematics模板中的Natural Logarithm和Linear Fit.vi函数获得每组温度数据的速率常数k和拟合数据，在下一个Case Structure中将拟合数据和拟合前原始扫描数据通过Bundle和Build Array函数将不同温度组数据打包送入曲线图实时显示，由图可以直观的看到数据处理前曲线及拟合曲线的拟合程度好坏；由于LabVIEW的Mathematics模板中的直线拟合函数没有给出拟合后的相关系数，而相关系数用于评价两个变量间的线性相关程度，根据最小二乘原理调用Formula Node函数构建了求算回归直线的相关系数；然后将线性处理后获得每组温度的速率常数和相关系数转换为字符串形式，用Concatenate Strings节点将各组数据输入字符串控件显示。根据阿伦尼乌斯公式，同样调用Linear Fit.vi函数将线性回归获得不同温度的速率常数lnk对1/T作线性图并送入graph图实时显示，然后根据其拟合参数调用数学模板中的相关计算函数求得25 ℃的速率常数k25 ℃，进而求出该温度条件下药物的有效期和该反应的活化能。

图4 处理与结果生成操作面板Fig.4 Panel for Data Analysis and Result Generation

数据处理与结果生成操作面板如图4所示，图的左上部分是参数输入部分，右上部分是结果生成部分，左下部分是求算不同温度速率常数的线性拟合曲线图，右下部分是不同温度的速率常数lnk对1/T拟合曲线图。操作者输入需要数据处理的组数、最大吸光度A∞及处理数据的实验温度，点击“读数”按钮，即弹出选择数据对话框，选择完相关数据后程序实时将结果输出，左下图显示不同温度条件下的拟合曲线，结果显示中给出不同温度的速率常数及其相关系数结果；右下图实时显示不同温度的速率常数lnk对1/T拟合曲线，结果显示中及时给出该拟合曲线的相关系数、该反应的活化能、25 ℃的速率常数k25 ℃及药物的有效期[8]。

3 应用结果与讨论

取50 mL约0.4%的硫酸链霉素溶液，置于100 mL的碘量瓶中，并将碘量瓶放于40 ℃的恒温槽中，用移液管移取2.0 mol/L的NaOH溶液0.5 mL，迅速加入硫酸链霉素溶液中，当溶液加入至一半时，打开测定药物有效期的虚拟仪器系统并记录反应时间。取9个干燥的50 mL碘量瓶，分别用移液管准确加入20 mL 0.5%铁试剂，加入5滴1.2 mol/L H2SO4溶液，每隔5 min，准确取反应液5 mL于上述碘量中，摇匀呈紫红色，将该溶液倒入石英比色皿中，随后将其放入带有恒温装置和恒温在40 ℃的分光光度计中测量，分光光度计波长λ=520 nm，点击虚拟仪器系统面板上的采集按钮，计时约45 min，9个碘量瓶数据采集完毕点击“保存数据”按钮，当前时间扫描数据实时储存；然后分别重复以上步骤测量恒温在45、50、55、60 ℃时的时间扫描数据；以上剩下的混合液体放入100 ℃水浴恒温0.5 h，在分光光度计λ=520 nm 处测定其A∞。所有温度数据保存后，点击“数据分析”按钮，即可进入数据分析与结果生成面板，如图4所示。操作面板左下方5个温度的原始数据和拟合曲线实时显示，结果显示区域给出该5个温度拟合曲线的速率常数和相关系数，其拟合相关系数均为0.99以上；右下方是5个温度的速率常数lnk对1/T拟合曲线，并由直线拟合的斜率求算出该反应的活化能67 kJ/mol，根据拟合参数求出25 ℃的速率常数为4.22E-4 min-1，25 ℃ 时药物的有效期为250 min。表1给出了虚拟仪器系统和由人工实验测定(三次平均值)的有效期及活化能数据。

表1 加速实验法测定硫酸链霉素的有效期及反应活化能

4 结论

本文基于LabVIEW构建了测定药物有效期的虚拟仪器系统，应用结果表明，该系统解决了计算机与分光光度计RS232通信问题，实现了动力学实验或科研中时间扫描和扫描曲线实时显示、扫描数据查看及数据存储等，而且利用LabVIEW自带的丰富函数库，编程实现了对计算机采集数据进行深层次的分析与处理，实时获得相应的测量结果。基于LabVIEW构建的测定药物有效期的虚拟仪器系统，实现了时间扫描功能和实时数据分析与处理，扩展了常规实验仪器分光光度计的功能，其性能获得智能化跃迁，避免了人工药物有效期测定时需要多人协同操作的繁琐和人为误差，提高了测量的精确度和准确度。此外，该系统人机交互界面友好、操作简单、功能易扩展，实验者仅需点击相应按钮或输入一些相关参数即可完成相应的测试，该系统可广泛用于医药、食品、化工等领域分光光度计测定的动力学测试中。