基于微順序注射-閥上實驗室藥物濃度實時監測軟件系統的開發與應用

張 唯 張天瑋 李瑞瑞 李新霞,2*

(1.新疆醫科大學藥學院，烏魯木齊 830011；2.新疆醫科大學中心實驗室，烏魯木齊830011；3.清華大學軟件學院，北京100083)

儀器應用

基于微順序注射-閥上實驗室藥物濃度實時監測軟件系統的開發與應用

張 唯1張天瑋3李瑞瑞1李新霞1,2*

(1.新疆醫科大學藥學院，烏魯木齊 830011；2.新疆醫科大學中心實驗室，烏魯木齊830011；3.清華大學軟件學院，北京100083)

通過LabVIEW軟件編譯，與FIAlab for Windows軟件結合，分別控制光纖光譜儀和微順序注射-閥上實驗室(MicroSIA Lab-on-valve，μSIA-LOV)系統，以光纖作為傳導介質，將光纖光譜儀、微順序注射分析儀和氘燈光源連接，基于樣品的紫外吸收特性，實現原位待測樣品溶液濃度隨時間變化的實時在線監測。編譯光譜采集模塊，進行樣品溶液的光譜掃描，實現對物質的定性分析；編譯標準曲線模塊，實現對物質的定量分析方法的建立；編譯樣品檢測模塊，實現樣品溶液濃度的實時連續測定。并以頭孢氨芐為例，基于紫外吸收測定模式的LabVIEW軟件編譯的3個模塊，同時對待測樣品進行原位和過程分析，與紫外分光光度計測得結果比較(P>0.05)，結果無顯著性差異。說明LabVIEW軟件編譯的3個模塊可實現待測溶液濃度的原位實時連續監測。

LabVIEW軟件 微順序注射 在線檢測 濃度測定

1 引 言

微順序注射-閥上實驗室(MicroSIA Lab-on-valve，μSIA-LOV)是在流動注射的基礎上發展起來的第三代流動注射分析技術[1,2]，具有樣品和試劑消耗少，適用于長時間監測和試劑比較昂貴、樣品來源受限制的分析的特點[3]。其體系的參數，包括吸入試劑和樣品的流速、體積、各溶液之間的反應時間、擴散程度可以通過計算機軟件控制，最大程度地減少了操作中的人為干預；易于自動化、更適合生產過程自動化監測和多組分同時分析。充分體現了當今分析設備微型化、集成化和便攜化的發展趨勢[4-7]。

將紫外光纖光譜儀和微順序注射分析儀聯用[8,9]，易于實現物質紫外吸收光譜或熒光光譜的在線檢測。實現藥物的體內、體外實時在線監測，通過樣品衍生化提高靈敏度，所需樣品及試劑量少，可使試劑消耗降低到微升級，檢測速度快。

SpectraSuite軟件是一個完整的模塊式光譜學軟件平臺，該軟件可以控制任何一臺海洋光學公司的光譜儀設備，實現實時吸光度或熒光強度的在線檢測。FIAlab for Windows軟件用于控制微順序注射分析儀，調節吸入樣品的流速、體積、各溶液反應時間。SpectraSuite軟件與FIAlab for Windows軟件在該聯用技術中獨立存在，作為通用軟件分別控制光纖光譜儀和微順序注射分析儀，實現待測溶液吸光度或熒光強度實時在線檢測。光纖一端接入微順序注射分析儀的多功能流通池，另一端接入光纖光譜儀，進行一系列流控操作并實現物質吸收光譜或熒光光譜的閥內實時在線檢測。但SpectraSuite軟件只能測得待測樣品溶液的吸光度或熒光強度實時值，通過手工計算帶入標準曲線，間接轉化為濃度值。對于實時連續檢測，還需實現對待測溶液的濃度轉換。

LabVIEW軟件是一種使用圖形化的編程語言G語言編寫程序的編程環境，產生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件擁有龐大的函數庫，用于程序編譯。一個LabVIEW程序由一個或多個虛擬儀器(VI)組成，包含前面板、程序框圖和圖標，前面板用于設置輸入量和觀察輸出量，輸入量稱為控件，用來設置輸入參數。輸出量稱為指示器，用來輸出圖形和數據。程序框圖用于編譯程序代碼[10]。

本研究將紫外光纖光譜儀和微順序注射分析儀聯用，通過LabVIEW軟件編譯，與FIAlab for Windows軟件結合，分別控制光纖光譜儀和微順序注射-閥上實驗室(μSIA-LOV)系統，以光纖作為傳導介質，將光纖光譜儀、微順序注射分析儀和氘燈光源連接，基于樣品的紫外吸收特性，實現原位待測樣品溶液濃度隨時間變化的實時連續檢測。并以頭孢氨芐為例，驗證該軟件的實時原位在線檢測功能。

2 實驗系統

2.1 儀器與試劑

微順序注射分析儀(MicroSIA，FIAlab Instrument，海洋光學) ；紫外光纖光譜儀(QE65000-ABS，海洋光學) ；高功率氘鹵燈組合光源(DH-2000，海洋光學) ；分析天平(AB135-S，梅特勒) ；包塑光纖(200μm×1m×2，海洋光學) ；實驗流路所用連接管道采用PTFE管(內徑0.76 mm) ；紫外分光光度儀(UV-2550，日本島津) ；恒溫定時攪拌器(JB-3A，上海雷磁創益儀器儀表有限公司) ；頭孢氨芐對照品(中國藥品生物制品檢定所，批號：130418-200710，純度94.4%)；頭孢氨芐片(北京京豐制藥有限公司，規格：0.25g/片，批號：國藥準字H11020118)，實驗用水為二次蒸餾水。

2.2 實驗裝置

光纖傳感-微順序注射-閥上實驗室儀器裝置：包含1000μL高精密度注射泵、8通道的多位閥模塊(LOV)，在該模塊上集成了1個中心控制通道和多個工作通道及多功能流通池；通過FIAlab for Windows軟件調控中心通道一端與 8 位閥上工作通道，使中心通道與工作通道準確連接，另一端和高精密度注射泵連接，使其構成流動分析系統。一根光纖與光纖光譜儀相連，另一根光纖與氘燈光源相連，2根光纖探頭插入多功能流通池，整個光路組成紫外吸收測定模式，光纖傳感-微順序注射-閥上實驗室儀器連接示意圖如圖1。

圖1 光纖傳感-微順序注射-閥上實驗室儀器連接示意圖

3 軟件平臺與開發

本研究采用LabVIEW軟件編譯3個模塊：光譜采集模塊，進行待測物質的光譜掃描，在光譜圖前面板(圖2左)顯示光譜圖，獲取吸光度最大值及對應波長，實現物質的定性分析；標準曲線模塊，在標準曲線前面板(圖2中)顯示時序圖和擬合的標準曲線，實現物質的定量測定；樣品檢測模塊，在樣品檢測前面板(圖2右)顯示樣品濃度變化，實現樣品的實時濃度測定。編譯的程序框圖如圖3。

圖2 LabVIEW軟件編譯的基于紫外吸收測定模式的三個模塊前面板

圖3 LabVIEW軟件編譯基于紫外吸收測定模式的程序框圖

4 實驗操作流程

本研究以頭孢氨芐為例，參照中國藥典頭孢氨芐片溶出度的檢測方法，將頭孢氨芐片放入磁力攪拌器中，隨著藥片的溶解，溶液濃度逐漸升高，通過LabVIEW軟件實現藥物濃度動態變化的實時原位連續測定，驗證該軟件的功能。一根光纖與光纖光譜儀相連，另一根光纖與氘燈光源相連，2根光纖探頭插入多功能流通池，光纖光譜儀再與計算機連接，按照圖1連接儀器裝置。

4.1 對照品溶液的配制

精密稱取頭孢氨芐對照品9.91 mg，加水溶解，定容至25mL，分別量取0.8、1.0、1.3、1.5、1.7、2.0mL至25mL容量瓶，定容至刻度，配置成系列濃度標準溶液，備用。

4.2 基線的調整

在注射泵的驅動下，使整個流路中充滿空白溶液水，打開LabVIEW光譜圖前面板，VISA資源名處下拉菜單刷新，選擇USB設備，點擊運行按鈕。點擊光譜圖前面板“讀取暗光譜”，打開氘燈光源遮光板；點擊“讀取參考光譜”，關閉氘燈光源遮光板，此時前面板顯示基線平穩，可以進行待測溶液的測定。

4.3 物質的光譜采集和標準曲線的制備

從八通閥的4號口以20 μL·s-1的流速精密吸取 200μL頭孢氨芐對照品溶液，再以20μL·s-1的流速將溶液從8號口排出，在LabVIEW軟件光譜圖前面板采集光譜圖，點擊停止按鈕，記錄最大吸收波長對應索引。在標準曲線前面板“索引輸入”控件處輸入該索引值，按4.2項操作步驟重新調整基線，進行系列濃度標準溶液的測定。當時序圖指示器顯示吸光度呈與X軸水平的直線時，點擊暫停按鈕，將標準曲線前面板時序圖指示器右側方格測得的吸光度值復制到“吸光度”輸入控件處，每個時間點的吸光度數據可導出。手動輸入系列濃度值，系列濃度溶液測定完后，點擊停止按鈕，再點擊運行按鈕，標準曲線前面板顯示繪制的標準曲線。用水以 200 μL·s-1流速沖洗整個流路。

4.4 樣品溶液濃度的實時在線檢測

將軟件切換至光譜圖前面板，按4.2項操作步驟重新調整基線，將頭孢氨芐片放入盛有900mL純水的燒杯中，燒杯放在磁力攪拌器上，啟動磁力攪

拌器，隨藥片的溶解，燒杯中樣品濃度逐漸增大。從八通閥的4號口以20 μL·s-1的流速精密吸取燒杯中的溶液，再以20μL·s-1的流速將樣品從8號口排出，每隔30秒測定一次。光譜圖前面板顯示采集的頭孢氨芐溶液的吸光度變化。將軟件切換至標準曲線前面板，“時序圖”指示器顯示頭孢氨芐片吸光度隨時間的變化。將LabVIEW軟件切換至樣品檢測前面板，“濃度測定”指示器顯示燒杯中頭孢氨芐溶出濃度隨時間的動態變化，右側方格顯示濃度實時變化值，每個時間點的濃度數據可導出。

5 實驗結果與數據分析

5.1 紫外光譜采集

按擬定實驗方法對頭孢氨芐對照品進行光譜采集(圖4)，因光纖問題，在200～220nm范圍內光不能透過，所以LabVIEW軟件測不到末端吸收。在LabVIEW軟件上掃描的頭孢氨芐對照品紫外光譜與紫外分光光度計掃描的圖譜最大吸收波長一致，均為259nm，在LabVIEW軟件顯示最大吸收波長對應索引值為75。說明LabVIEW軟件能夠實現溶液的紫外光譜采集，實現物質的定性分析。

圖4 LabVIEW軟件采集頭孢氨芐對照品光譜圖

5.2 物質的實時濃度測定

標準曲線前面板手動輸入最大吸收波長索引值75，LabVIEW軟件測定259nm波長處的頭孢氨芐系列濃度標準溶液，上方時序圖界面實時顯示系列濃度標準溶液吸光度連續梯度變化。復制測得的系列濃度標準溶液吸光度值到下方吸光度輸入控件，試樣濃度值手動輸入。LabVIEW軟件運行，自動擬合標準曲線(圖5)。其線性方程為：Y=0.02194+0.0196x，相關系數為r=0.9998，表明頭孢氨芐對照品在12.68～31.71μg/mL濃度范圍內線性關系良好。

表1 LabVIEW軟件測定頭孢氨芐對照品標準曲線數據

圖5 LabVIEW軟件制備的頭孢氨芐標準曲線

按4.4項操作步驟測定燒杯中頭孢氨芐片溶出的濃度變化，6分鐘時，燒杯中的頭孢氨芐濃度不再變化(圖6)。

圖6 LabVIEW軟件測定頭孢氨芐溶液的濃度變化

取上述系列濃度標準溶液在紫外分光光度儀上測定，記錄系列濃度標準溶液吸光度值(表2)，線

性方程為：Y= 0.02135x+0.0026，相關系數r=0.9999。

在上述頭孢氨芐片的溶出過程中，取3個時間點燒杯中的溶液，于紫外分光光度儀上測定，3次測得的吸光度值帶入標準曲線Y= 0.02135x+0.0026，計算3個時間點的燒杯中頭孢氨芐片濃度，同時將這3個時間點的溶液于LabVIEW軟件測定，LabVIEW軟件能夠直接顯示頭孢氨芐溶液濃度數據，與紫外分光光度儀測定結果比較，差異無統計學意義(P>0.05)，數據由spss17.0軟件處理。說明Labview軟件測定結果和紫外分光光度計測定結果比較，濃度無顯著性差異(表3)。

表2 紫外分光光度儀測定的頭孢氨芐標準曲線

表3 LabVIEW軟件和紫外分光光度儀測定的3個時間點的濃度數據比較(n=3)

6 討論

本研究以LabVIEW軟件為程序編譯工具，編譯藥物濃度實時在線檢測系統，與FIAlab for Windows結合，分別控制硬件系統光纖光譜儀和微順序注射分析儀。并選取頭孢氨芐藥品為例，參照中國藥典頭孢氨芐片的溶出度測定方法，模擬藥物濃度變化模型，根據藥片的溶出過程，驗證軟件的濃度變化實時連續測定功能。

光譜采集模塊獲取物質最大吸收波長和對應吸光度值，對待測物質進行定性分析，采用標準曲線法對待測物質進行定量；通過程序框圖中公式的編輯，前面板直接顯示樣品溶液的實時濃度變化，減少了手工計算。說明LabVIEW軟件編譯的3個模塊可實現基于紫外吸收特性樣品的濃度實時原位檢測。本研究后續將在采樣間隔時間上進行改進，對體內藥物濃度測定來說，針對藥物不同半衰期，在程序上添加采樣間隔變換功能，實現體內藥物濃度的實時在線檢測。

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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

國家自然科學基金項目(No.81260486)和2015年高新區應用技術研究與開發專項(No.KJJH2015003)資助。

張唯，女，1992年出生，新疆醫科大學在讀碩士，E-mail：1522261601@qq.com。

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

2016-09-01