АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДБОРА ТОНКОСЛОЙНЫХ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАСТИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АНАЛИЗИРУЕМОГО ВЕЩЕСТВА. ЭТАП ПЕРВЫЙ: МОДЕЛИРОВАНИЕ БИЗНЕС-ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВАНИИ НОТАЦИИ BPMN 2.0

AUTOMATED SYSTEM OF SELECTION OF THIN-LAYER CHROMATOGRAPHIC PLATES DEPENDING ON PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF THE ANALYZED SUBSTANCE. STAGE ONE: BUSINESS PROCESS MODELING BASED ON BPMN 2.0 NOTATION

Sukhanov Anton

1st year student of master's degree in "Applied Informatics" in the direction of training "Information technologies in medicine and social sphere» Higher school of information technology and automated systems Northern (Arctic) Federal University M.V. Lomonosov"

Russia, Arkhangelsk

Biryukova Larisa

Ph. D., associate Professor, Department of applied Informatics, in the direction of training "Information technologies in medicine and social sphere» Higher school of information technology and automated systems Northern (Arctic) Federal University M.V. Lomonosov"

Russia, Arkhangelsk

АННОТАЦИЯ

Полный химический анализ на природные вещества начинается с первого этапа – тонкослойного хроматографирования, при котором используются тонкослойные и высокоэффективные тонкослойные пластины для разделения веществ на плоскости. Однако в настоящее время не разработано на территории РФ автоматизированной системы для выбора необходимой пластины целям и задачам исследований, аккумулирующая в себе функции и выбор параметров пластин в on-line и off-line режимах для фармацевтических лабораторий. Нами предпринята попытка создания такой автоматизированной системы с первого этапа – описания бизнес-процессов по выбору пластины аналитиком на рабочем месте с последующим заказом продукции через сайты производителей пластин.

ABSTRACT

Full chemical analysis for natural substances begins with the first stage – thin-layer chromatography, which uses thin-layer and high-performance thin-layer plates to separate substances on the plane. However, laboratory practice has not automated system has been developed in the territory of the Russian Federation for the selection of the required plate for the purposes and tasks of research, accumulating the functions and selection of plate parameters in on-line and off-line modes for pharmaceutical laboratories. We have attempted to create such an automated system from the first stage-the description of business processes for the choice of plate analyst in the workplace, followed by ordering products through the websites of plate manufacturers.

Ключевые слова: тонкослойная хроматография, высокоэффективная тонкослойная хроматография, нотация BPMN 2.0, нормально-фазный сорбент, обращённо-фазный сорбент.

Keywords: thin-layer chromatography, high-performance thin-layer chromatography, BPMN 2.0 notation, normal-phase sorbent, reversed-phase sorbent.

Современная фармацевтическая наука в области идентификации и количественного определения индивидуальных химических соединений и их комбинаций в первую очередь базируется на использовании хроматографических технологий. Одним из универсальных методов для этих целей является разновидность планарной (плоскостной) хроматографии – хроматографии в тонком слое сорбента, или тонкослойной хроматографии (ТСХ), а также в высокоэффективной тонкослойной хроматографии (ВЭТСХ), в основе которых лежат использование неподвижной фазы – листа определённого размера с нанесенным на него слоем сорбента силикагеля-60 (в ТСХ-пластинах размер частиц сорбента 10-12 мкм, в ВЭТСХ – 5-6 мкм). Области применения данного метода различны: идентификация и количественное определение практически любых классов органических веществ (пестициды, стероиды, алкалоиды, липиды, нуклеотиды, гликозиды, углеводы, жирные кислоты) и много другое. В соответствии с огромным разнообразием соединений спектр выпускаемой продукции – ТСХ- и ВЭТСХ-пластин значителен.

Целью нашего исследования является разработка автоматизированной системы (компьютерной программы) с первого этапа – описания бизнес-процессов в графическом формате по выбору исследователем из баз данных мировых производителей ТСХ-пластин и ВЭТСХ-пластин на основании физико-химических свойств изучаемого соединения для выбора наиболее оптимального вида пластины целям и задачам идентификации и количественного определения соединения.

Любая проектная документация с целью разработки автоматизированной системы (компьютерной программы) базируется на первом этапе – этапе моделирования и стандартизации бизнес-процессов на основании нотаций по бизнес-моделированию. Для обеспечения моделирования бизнес-процессов мы использовали программу на основе нотации BPMN 2.0. Данная программа поддерживает следующие пакеты-модули: основные элементы, диаграммы процессов, диаграммы взаимодействий, диаграммы обмена сообщениями. Основные элементы нотации BPMN 2.0 включают: инфраструктуру, фундамент, общее и сервис. Диаграммы хореографии включают: элементы хореографии и пакеты хореографии. Диаграммы взаимодействия объединяют пулы и потоки сообщений. В нотации BPMN 2.0 используются специальные символы (графические элементы) для описания бизнес-процессов. Из всех представленных типов диаграмм для цели исследования мы выбрали диаграмму «Публичный процесс». С целью создания диаграмм мы использовали лицензированную программу «Edward Max Pro», которая поддерживает оформление блок-схем в том числе на основе нотации BPMN 2.0.

На современном этапе развития науки и техники мировыми лидерами по производству ТСХ-пластин являются компании «Merk Millipor» (Германия), «Имид» (Россия), «Macherey-Nagel» (Германия).

Для точности выбора соответствующей ТСХ-пластины или ВЭТСХ-пластины мы рекомендуем на этапе планирования анализа определиться с анализируемым субстратом. Для детального выбора пластин по изучаемому веществу необходимо знать физико-химические показатели, а также понимать механизм разделения веществ на пластинах. Закономерности вида планарной хроматографии от механизма действия представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Виды ТСХ И ВЭТСХ хроматографии механизмы разделения

Мы остановились на нескольких показателях:

1. Природа сорбента.
2. Значения pKa и pKb.
3. Значение Log P.
4. Растворимость образца.

Значения коэффициентов ионизации органической молекулы со слабыми основными свойствами (pKb) или слабыми кислотными свойствами (pKa) имеют ключевое значение для выбора ТСХ-пластин и ВЭТСХ-пластин. Данные показатели по изучаемому веществу можно найти в специальной справочной литературе или на специализированных химических интернет-ресурсах. Коэффициент ионизации (pK) слабой органической кислоты или слабого органического основания является отрицательным десятичным логарифмом от самой константы ионизации слабой органической кислоты или слабого органического основания, показывающий силу кислотности слабой органической кислоты или силу основности слабого органического основания. Чем выше данные показатели, тем больше проявляются кислотные или основные свойства органических веществ.

В целом сорбенты для ТСХ-пластин и ВЭТСХ-платин можно классифицировать на два больших класса:

1. Неорганические

 1.1. Полярные: силикагель, алюминия оксид и флорисил.

 1.2. Неполярные: кизельгур и гипс.

2. Органические

 2.1. Неполярные: обращённо-фазовые слои.

 2.2. Средне-полярные: амино-фазы, циано-фазы, диольные фазы.

 2.3. Полярные: полиамиды, целлюлоза, ионообменники.

Органические и неорганические анализируемые вещества по коэффициентам ионизации молекулы с основными свойствами (pKb) или кислотными свойствами (pKa) могут быть отнесены к следующим категориям:

1. Сильные кислоты с pKa < 2.
2. Слабые кислоты pKa = 2-4.
3. Нейтральные вещества pK = 5-7.
4. Слабые основания pKb = 8-10.
5. Сильные основания pKb > 10.

На современном этапе рынок ТСХ-пластин и ВЭТСХ-пластин представлен следующими классами пластин для аналитических целей в планарной хроматографии:

1. Классические ТСХ-пластины (для рутинного анализа).
2. ТСХ-пластины с алюминия оксидом (для основных и нейтральных соединений при разных значениях рН).
3. ТСХ-пластины с кизельгуром и чередующимися слоями (для специализированных областей применения разделения неорганических ионов, гербицидов и стероидов).
4. ВЭТСХ-пластины для высокоэффективной тонкослойной хроматографии (для анализа сложных образцов автоматизированным методом).
5. ТСХ-пластины на основе силикагеля со сферическими частицами (для анализа сложных образцов в анализе следовых количеств пестицидов или фармацевтических субстанций).
6.  ТСХ-пластины и ВЭТСХ-пластины с модифицированным силикагелем (в методиках со свободным выбором системы растворителей, в качестве пилотного метода для ВЭЖХ).
7. CN-, Diol- и NH₂-модифицированные ТСХ-пластины и ВЭТСХ-пластины (в методиках разделения гидрофильных и заряженных соединений).
8. ТСХ- и ВЭТСХ-пластины на основе целлюлозы (для разделения гидрофильных соединений в распределительной хроматографии).
9. ТСХ-полиэтиленамин-целлюлозные пластины (для ионообменной хроматографии веществ с сильноосновными свойствами, такие как аминокислоты, пептиды, нуклеозиды и нуклеотиды).
10. ТСХ- и ВЭТСХ-пластины с концентрирующей зоной (для анализа образцов с большим объёмом разведения).
11. ВЭТСХ-пластины «ProteoChrom» (для анализа пептидов).
12. Мультиформатные ТСХ- и ВЭТСХ-пластины (несколько пластин в одной).
13. ТСХ-пластины для препаративной хроматографии. В статье не описываются!

В приведённой классификации ТСХ- и ВЭТСХ-пластин выделяют классификационные подразделы данных пластин, которые могут быть сформированы следующим образом

Тип подложки:

1. Стеклянная подложка.
2. Алюминиевая подложка.
3. Пластиковая подложка.

Тип сорбента:

1. Силикагель 60 с пластинами с флюоресцирующим индикатором: зелёным (F₂₅₄) и синим (F_254s) для идентификации бесцветных соединений.
2. Силикагель 60 с пластинами без флюоресцирующего индикатора.
3. Силикагель 60 с водонепроницаемым слоем (W).
4. Алюминия оксид 60 с зелёным флюоресцирующим индикатором (F₂₅₄) основной.
5. Алюминия оксид 60 с зелёным флюоресцирующим индикатором (F₂₅₄) нейтральный.
6. Алюминия оксид 150 с зелёным флюоресцирующим индикатором (F₂₅₄) нейтральный.
7. Кизельгур с зелёным флюоресцирующим индикатором (F₂₅₄).
8. Кизельгур с зелёным флюоресцирующим индикатором (F₂₅₄) с алюминиевой подложкой.
9. Кизельгур + силикагель 60 с зелёным флюоресцирующим индикатором (F₂₅₄) с алюминиевой подложкой.
10. Силикагель 60 с ВЭТСХ-пластинами с зелёным флюоресцирующим индикатором (F₂₅₄) на стеклянной подложке.
11. Силикагель 60 с ВЭТСХ-пластинами с синим флюоресцирующим индикатором (F_254s) на стеклянной подложке.
12. Силикагель 60 с ВЭТСХ-пластинами с зелёным флюоресцирующим индикатором (F₂₅₄) на алюминиевой подложке.
13. ТСХ-пластины на основе целлюлозы со стеклянной подложкой.
14. ТСХ-пластины на основе целлюлозы с алюминиевой подложкой.
15. ТСХ-пластины на основе целлюлозы со пластиковой подложкой.
16. ВЭТСХ-пластины на основе целлюлозы со стеклянной подложкой.
17. ВЭТСХ-пластины на основе целлюлозы с алюминиевой подложкой.
18. ВЭТСХ-пластины на основе целлюлозы со пластиковой подложкой.
19. Силикагель 60 с пластинами с концентрирующей зоной разных размеров.
20. Силикагель 60 с пластинами с концентрирующей зоной разных размеров с наличием зелёного флюоресцирующего индикатора (F₂₅₄).
21. ВЭТСХ силикагель 60 с пластинами с концентрирующей зоной разных размеров.
22. ВЭТСХ силикагель 60 с пластинами с концентрирующей зоной разных размеров с наличием зелёного флюоресцирующего индикатора (F₂₅₄).
23. ВЭТСХ «ProteoChrom» силикагель 60 с синим флюоресцирующим индикатором (F_254s).
24. ВЭТСХ «ProteoChrom» силикагель 60 с целлюлозой.
25. Мультиформатные пластины силикагель 60 с пластинами с концентрирующей зоной разных размеров с наличием зелёного флюоресцирующего индикатора (F₂₅₄).

На рисунке 1 отображена диаграмма бизнес-процессов по нотации BPMN 2.0 по выбору ТСХ и ВЭЖХ пластин в зависимости от природы анализируемого вещества и параметров вещества.

Рис. 1. Пример BPNM-диаграммы по выбору ТСХ- и ВЭСХ-пластин в зависимости от типа неорганического сорбента и параметров  вещества в методиках адсорбционной хроматографии

На рисунке 1 отражены бизнес-процессы в потоках информации выбора ТСХ и ВЭТСХ-пластин в методиках адсорбционной хроматографии. Бизнес-процессы начинаются трём независимыми точками старта по трём физико-химическим показателям аналита: полярность анализируемого вещества, способность вещества флюоресцировать в лучах ультрафиолета и кислотно-основные свойства. Потоки информации пересекаются на выборе пластин и подложек к ним. Неполярное вещество разделяется на полярном сорбенте в нормально-фазовом режиме элюирования. Полярное вещество разделяется на неполярном сорбенте в режиме обращённо-фазового элюирования. Сорбент с флюоресцирующим компонентом может использоваться в любых типах ТСХ и ВЭТСХ-пластин с любым типом подложек. Нейтральные вещества разделяются на пластинах с алюминия оксидом, слабоосновные – на пластинах с флорисилом, вещества со слабой и сильной кислотностью разделяются на пластинах с кизельгуром. Нормально-фазные сорбенты наносятся на подложку с силикагелем 60, алюминия оксидом и флорисилом.

На рисунке 2 отображена диаграмма бизнес-процессов по нотации BPMN 2.0 по выбору ТСХ и ВЭТСХ-пластин в зависимости от природы неорганического сорбента и параметров вещества.

Рис. 2. Пример BPNM-диаграммы по выбору ТСХ- и ВЭСХ-пластин в зависимости от природы органического сорбента и параметров вещества

На рисунке 2 в зависимости от полярности сорбента выделяют три вида последнего: полярные органические сорбенты (полиамиды, ионнообменные смолы и целлюлоза), среднеполярные органические сорбенты (диол-, циано- и амино-фазы) и неполярные органические сорбенты – это алкилсиланы с различной длиной углеродной цепи. Полиамидные органические сорбенты выпускаются на пластинах со стеклянной подложкой, ионнообменные смолы и целлюлоаза – на пластинах с целлюлозой и ацетилированной целлюлозой. Алкилсаиланы неполярные органические наносятся на пластины со стеклянной подложкой. На алюминиевой подложке выпускаются пластины в амино-фазой, а также могут быть с флюоресцирующим компонентом или без него. Диол- и циано-фазы наносятся на пластины со стеклянной подложкой.

Резюмируя вышесказанное, мы составили диаграмму бизнес-процесса по нотации BPMN 2.0 по выбору ТСХ и ВЭТСХ-пластин, в которых отразили потоки информации от типа анализируемого вещества и типа сорбента матрицы до выбора пластин.

Следующий этап создания автоматизированной системы выбора колонок – разработка диаграммы использования автоматизированного продукта и объектная модель.

Список литературы:

1. Графический язык моделирования бизнес-процессов BPMN. Версия 2.0. -пер. с анг. – 298 с.
2. Сумина Е.Г., Штыков С.Н., Угланова В.З., Кулакова Н.В. Тонкослойная хроматография. Теоретические основы и практическое применение: Учебное пособие. – Издание 3-е, дополненное. – 128 с.
3. Шаповалова Е.Н., Пирогов А.В. Хроматографические методы анализа. Методическое пособие для специального курса. – М.: изд-во МГУ, химический факультет. – 2007. – 109 с.