Хемометрика и контроль производственных процессов (PAT) Алексей Померанцев Институт химической физики РАН им Семенова Российское хемометрическое общество Международная выставочная компания 12.04.05 Analytica Expo 2005 1 Содержание 1) Что такое хемометрика? 2) Что такое PAT? 3) Что такое SPC и MSPC? 4) Как связаны PAT и MSPC? 5) Причем здесь аналитическая химия? 12.04.05 Analytica Expo 2005 2 Хемометрика: два определения Дедуктивное Хемометрика - это раздел (аналитической) химии, использующий математические методы для исследования химических данных и процессов. D. L. Massart Индуктивно е 1) Хемометрика – это то, что делают хемометрики. сайт Международного хемометрического общества 2) Хемометрики – это такие люди, которые все время пьют пиво и воруют идеи у математиков Svante Wold 12.04.05 Analytica Expo 2005 3 Что делает хемометрика? • Данные, которые исследует хемометрика по большей части происходят из химии, поэтому хемометрика - это подраздел химии (Analytical chemistry) • Хемометрика имеет дело с данными (зачастую с очень большими), поэтому хемометрика это подраздел информатики (Data mining) • Методы, которые использует хемометрика ориентированы на формальное моделирование (Soft modeling) 12.04.05 Analytica Expo 2005 4 Почему «хемо-» ? • Хемометрика родилась из задачи анализа химических 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 статистическую значимость применяемых методов 12.04.05 Analytica Expo 2005 5 Почему «-метрика» ? • Хемометрические методы легко и плодотворно переносятся в другие области, например, в психологию, 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) 12.04.05 Analytica Expo 2005 6 Много переменных и много измерений Одно измерение – спектр (600 точек) Один цикл – 800 спектров (времен) Один массив данных – 200 образцов (циклов) ю 12.04.05 ... Analytica Expo 2005 7 Основная задача хемометрики Заменить прямые измерения, которые либо – невозможны дороги длительны на косвенные измерения, которые – доступны дешевы быстры с последующей их обработкой (калибровкой). 12.04.05 Analytica Expo 2005 8 Контроль процессов в реальном времени Главная проблема, с которой сталкивается современная промышленность – это обеспечение постоянно высокого качества конечного продукта в типовом производственном процессе. Принимая во внимание увеличивающуюся глобальную конкуренцию и быстро меняющиеся потребности рынка, эффективный контроль процессов в реальном времени становится насущной потребностью всех производящих компаний. 12.04.05 Analytica Expo 2005 9 Что такое PAT? Process Analytical Technology (PAT) = Технология (методы) анализа процессов 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 12.04.05 Analytica Expo 2005 10 PAT: Определение бюрократа PAT – это система планирования, анализа и контроля критических переменных, характеризующих состояние производственных материалов и процессов в реальном времени (т.е. по ходу производства), с целью подтверждения качества производимого продукта. Guidance for Industry PAT — A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance. Pharmaceutical CGMPs, September 2004 12.04.05 Analytica Expo 2005 11 PAT: Определение хемометрика 1) Современный инструментальный контроль процессов в реальном времени (in-line) 2) Хемометрические методы анализа данных, т.н. многомерный статистический контроль процессов (MSPC) 3) Многочисленные бюрократические формальности, придуманные FDA для оправдания своей полезности 4) Дубинка, придуманная фармацевтическими гигантами для уничтожения мелких конкурентов 12.04.05 Analytica Expo 2005 12 Зачем в PAT нужна хемометрика? Потому, что все больше данных о процессах получают с помощью современных, эффективных аналитических методов 12.04.05 Спектроскопия (УФ, ИК, БИК, ...) Хроматография (ЖХ, ГХ, ...) Гибридные методы (ЖХ/МС, ЖХ/ЯМР, ...) Видео образы и гиперспектры (2D, 3D) Акустические измерения и еще многие, многие другие ... Analytica Expo 2005 13 Многомерный статистический контроль процессов (MSPC) MSPC – это анализ реальных исторических данных, характеризующих опыт работы процесса Цель: Контроль процесса в реальном времени. Средства: Хемометрический анализ данных. Результат: Стабилизации качества, снижение затрат. MSPC – это главный инструмент PAT 12.04.05 Analytica Expo 2005 14 Зачем в MSPC нужна хемометрика? Потому, что исторические данные анализируются с помощью хемометрических методов: 12.04.05 Анализ главных компонент (PCA) Проекция на латентные структуры (PLS) n-модальный анализ (PARAFAC) Многофакторный анализ изображений (MIA) Блочный и иерархический анализ (BPLS, HPLS) Распознавание структур (SIMCA, D-PLS) и еще многие, многие другие .... Analytica Expo 2005 15 Реализации процесса s1, s2, ... ,s54 Пример данных о процессе Ключевые переменные процесса (датчики) X1, X2, ... , X17 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 s11 s12 s13 s14 s15 s16 s17 s54 12.04.05 X1 -1.19E-01 -1.37E-01 2.51E-02 -1.14E-01 -7.93E-02 1.51E-02 7.44E-02 3.65E-02 1.36E-01 -2.74E-02 7.47E-02 -1.17E-01 1.06E-01 7.39E-02 -9.87E-03 -1.06E-01 -4.76E-02 X2 7.28E-01 7.28E-01 -9.15E-02 6.70E-01 4.14E-01 -6.38E-02 -5.24E-01 -2.66E-01 -7.06E-01 3.60E-01 -3.31E-01 7.02E-01 -2.82E-01 -5.28E-01 1.02E-01 7.68E-01 2.66E-01 X3 -2.15E-02 -2.89E-02 6.73E-03 -2.18E-02 -1.69E-02 3.74E-03 1.11E-02 5.12E-03 2.89E-02 1.82E-03 1.80E-02 -2.16E-02 3.23E-02 1.07E-02 -3.21E-04 -1.52E-02 -9.52E-03 X4 5.22E-01 6.08E-01 -1.13E-01 5.04E-01 3.51E-01 -6.75E-02 -3.24E-01 -1.59E-01 -6.01E-01 1.12E-01 -3.34E-01 5.13E-01 -4.82E-01 -3.21E-01 4.17E-02 4.62E-01 2.10E-01 X5 7.06E-04 7.09E-04 -9.07E-05 6.50E-04 4.04E-04 -6.28E-05 -5.06E-04 -2.56E-04 -6.88E-04 3.42E-04 -3.25E-04 6.81E-04 -2.85E-04 -5.09E-04 9.75E-05 7.41E-04 2.59E-04 X6 7.32E-01 7.02E-01 -7.58E-02 6.65E-01 3.98E-01 -5.67E-02 -5.45E-01 -2.78E-01 -6.77E-01 4.12E-01 -2.99E-01 7.03E-01 -1.87E-01 -5.50E-01 1.13E-01 8.03E-01 2.61E-01 … X7 3.10E-04 6.58E-04 -2.29E-04 3.83E-04 3.96E-04 -1.15E-04 -1.73E-05 1.43E-05 -6.83E-04 -4.31E-04 -5.30E-04 3.40E-04 -1.25E-03 2.49E-06 -8.29E-05 -2.54E-05 1.92E-04 X8 -6.13E-04 -1.22E-03 4.10E-04 -7.34E-04 -7.35E-04 2.07E-04 7.92E-05 -3.95E-07 1.26E-03 7.24E-04 9.62E-04 -6.63E-04 2.21E-03 4.48E-05 1.36E-04 -2.68E-05 -3.61E-04 X9 -5.92E-05 -1.49E-04 5.65E-05 -7.96E-05 -9.05E-05 2.78E-05 -1.07E-05 -1.14E-05 1.56E-04 1.22E-04 1.28E-04 -6.76E-05 3.14E-04 -1.59E-05 2.44E-05 2.88E-05 -4.19E-05 6.61E-02 -5.40E-01 7.19E-03 -2.85E-01 -5.19E-04 -5.78E-01 1.81E-04 -2.67E-04 -6.23E-05 Analytica Expo 2005 … X17 9.74E-03 1.01E-02 -1.43E-03 9.07E-03 5.78E-03 -9.49E-04 -6.79E-03 -3.42E-03 -9.86E-03 4.18E-03 -4.84E-03 9.44E-03 -4.99E-03 -6.81E-03 1.23E-03 9.90E-03 3.65E-03 -6.78E-03 16 Карты Шухарта (1927) 1.2 1.5 0.5 X2 Control Control 0.4 0.8 1.0 0.3 X2 Normal X1 Control X1X2 X2 Sensor X1All & Sensors Sensors Normal 0.2 0.5 0.4 0.1 X1 Normal X1 Control X1 Normal 0.0 X2 Normal -0.1 -0.5 -0.4 -0.2 X1 Control X1 Normal Normal -0.3 -1.0 -0.8 -0.4 X1 Control X2 Normal Control X2 Control s56 s56 s54 s51 s51 s49 s49 s46 s46 s43 s43 s41 s41 s39 s37 s37 s35 s35 s33 s31 s31 s29 s29 s27 s27 s25 s25 s23 s23 s21 s21 s19 s19 s17 s17 s15 s15 s13 s13 s11 s11 s9 s7 s7 s5 s5 s3 s3 s1 s1 -1.5 -0.5 -1.2 Cycles (time) 12.04.05 Analytica Expo 2005 17 Контроль с помощью SPC X1 X2 Одномерная область контроля t t t t t t t X2 t t t t t X1 t t 12.04.05 Многомерная область контроля Analytica Expo 2005 18 Контроль с помощью MSPC X3 PC2 PC1 Мера Т2 Хотеллинга (расстояние внутри модели) X1 X2 Ошибка моделирования (расстояние до модели) 12.04.05 Analytica Expo 2005 19 Причем здесь аналитическая химия? Analysis, греч., разложение 1) Определение Определение состава состава вещества вещества (качественный (качественный А., количественныйА.) количественный А.) 2) Метод Метод научного научного исследования исследования путем путем рассмотрения рассмотрения отдельных частей, отдельных частей,сторон, сторон,и ит.п. т.п. Analytical Chemistry 12.04.05 Analytica Expo 2005 20 Программа конференции 12:00-12:30 А. Померанцев (ИХФ РАН, Москва) Хемометрика и контроль производственных процессов 12:30-14:00 Р. Бреретон (Университет Бристоля, Великобритания) Введение в хемометрику 14:00-14:30 Обед 14:30-16:00 Р. Бреретон (Университет Бристоля, Великобритания) PAT - Технология (методы) анализа процессов 16:00-16:15 Перерыв 16:15-16:45 А. Богомолов (EMBL, Гамбург), П. Берзигияров (InterProgma, Черноголовка) Математическое и программное обеспечение для аналитического контроля производственных процессов (MSPC/PAT): 16:45-17:45 В. Вершинин (Омский ГУ) Метрологические оценки неопределенности в качественном анализе 17:45-18:00 О. Родионова (ИХФ РАН, Москва) Заключительное слово 12.04.05 Analytica Expo 2005 21 Ричард Бреретон Профессор университета Бристоля, Великобритания Глава Центра по Хемометрике Около 80 статей в журналах Analyst, Chemom. Intell. Lab. Syst., J. Chromatography, Analytica Chimica Acta, J.Chemometrics, Talanta и др. С 1999 по 2003 автор более 100 статей по хемометрике в электронном журнале The Alchemist, на сайте ChemWeb. http://www.chemweb.com/alchemist/ Автор самой популярной за последнее время книги – «Хемометрика: Анализ данных в лаборатории и на химическом предприятии» Область научных интересов: хемометрика, судебная экспертиза, контроль процессов, хроматография и спектроскопия, химия полимеров, кинетика и т.д. 12.04.05 Analytica Expo 2005 22 Андрей Богомолов Кандидат хим. наук Более 30 публикаций в журналах Analytica Chimica Acta., Кинетика и катализ, Жур. физической химии и др Разработчик математического и программного обеспечения для аналитической химии, руководитель проектов международной компании ACD. Соавтор патента США в области алгоритмов обработки аналитических данных Член Российского хемометрического общества Область научных интересов: программное обеспечение для аналитической химии, хемометрика, численные методы, спектроскопия, химическая кинетика 12.04.05 Analytica Expo 2005 23 Вячеслав Вершинин Профессор Омского государственного университета Заведующий кафедрой аналитической химии, доктор хим. наук Около 150 статей в журналах Журнал аналитической химии, Известия вузов, Журнал прикладной спектроскопии, и др. Автор 6 монографий Соавтор 8 патентов и авторских свидетельств Член Совета по аналитической химии РАН Область научных интересов: математические и компьютерные методы в аналитической химии, люминесцентные методы, методика химического образования 12.04.05 Analytica Expo 2005 24 Оксана Родионова Старший научный сотрудник Института химической физики РАН Кандидат физ-мат. наук Более 40 статей в журналах Chemom. Intell. Lab. Syst., J.Chemometrics, Ж. вычил. матем. и матем. физ., J Appl Polym Sci., ЖЭТФ, Кинетика и катализ, и др Редактор перевода книги «Анализ многомерных данных» Кима Эсбенсена Секретарь Российского хемометрического общества Одна из основателей и организаторов Зимних симпозиумов по хемометрике в России Область научных интересов: хемометрика, численные методы, математическая физика. 12.04.05 Analytica Expo 2005 25 Fifth Winter Symposium on Chemometrics Самара Школа 16-17.02.2006 Симпозиум 18-23.02.2006 Kim Esbensen Paul Geladi Agnar Höskuldsson Roma Tauler Beata Walczak 12.04.05 Analytica Expo 2005 26 Участники WSC-4 в Звездном городке 12.04.05 Analytica Expo 2005 27