MỞ ĐẦU Thuật ngữ chemometric được đưa ra đầu tiên vào năm 1972 bởi Svante Wold (người Thụy Điển) và Bruce R. Sau đó sự ra đời của Hiệp hội Chemometric vào năm 1974 đã đưa ra định nghĩa đầu tiên của ngành chemometric, đó là việc ứng dụng các phương pháp toán học, thống kê, đồ họa,… để quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hóa các thông tin hóa học trích ra từ tập số liệu phân tích và đưa ra tối đa những thông tin hữu ích từ tập số liệu ban đầu [26], [45], [46], [88]. Chemometric được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như hóa học môi trường, hóa học hữu cơ, hóa sinh, hóa học lý thuyết, thống kê trong hóa học và đặc biệt là đã xác lập được vị trí quan trọng trong ngành hóa học phân tích [45], [88]. Hóa học phân tích là công cụ phục vụ đắc lực trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ, như hóa học, sinh học, nông học, y học, thực phẩm…, đặc biệt là trong ngành dược phẩm.
Ở Việt Nam, dược phẩm và chất lượng dược phẩm hiện tại đang là vấn đề được xã hội và các cơ quan quản lý nhà nước quan tâm. Trong những năm gần đây, thị trường thuốc đang phát triển nhanh cả về sản xuất và kinh doanh. Theo thống kê của Cục quản lý Dược Việt Nam, năm 2005 có khoảng 10.000 mặt hàng thuốc lưu hành trên thị trường với trên 800 hoạt chất. Chỉ 10 năm sau, năm 2015, số lượng thuốc đã tăng lên nhanh chóng với trên 25.000 mặt hàng, khoảng 1.
Mỗi hoạt chất trong dược phẩm đều có những tác dụng dược lý riêng biệt, do đó để tăng cường tác dụng chữa bệnh, người ta đã bào chế ra các loại thuốc chứa đa thành phần. Đối với những người lớn tuổi và người già, bệnh tăng huyết áp và tim mạch là một trong những nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Trên thị trường hiện nay, có khá nhiều loại thuốc được dùng để điều trị bệnh cao huyết áp, trong đó các chế phẩm đa thành phần nhằm phối hợp tác dụng dược lý của các dược chất vẫn được ưu tiên nghiên cứu và bào chế. Ví dụ như thuốc viên nén Exforge, viên nén Exforge HCT, viên nén Co-Diovan… Những loại thuốc này chứa các hoạt chất amlodipine, hydrochlorothiazide và valsartan hay telmisartan và hydrochlothiazide [38], [87].
1 Bên cạnh các loại thuốc điều trị huyết áp, tim mạch thì tại Việt Nam, có gần 200 chế phẩm thuốc giảm đau phối hợp khác nhau cũng đang lưu hành. Trong đó thuốc kết hợp hai thành phần là paracetamol (thuốc giảm đau, hạ sốt) và ibuprofen (thuốc chống viêm không steroid) hay sự kết hợp của paracetamol và caffein có tác dụng làm hạ sốt, giảm đau và chống viêm nhanh, tốt hơn, hiệu quả hơn so với dùng paracetamol hay ibuprofen, caffein đơn độc. Chính vì vậy, việc nghiên cứu xác định đồng thời các hoạt chất trong các dược phẩm (hay thuốc) đa thành phần, đặc biệt là các hoạt chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau là rất cần thiết và đang là thách thức đối với các nhà hóa học phân tích. Ngày nay, với sự tiến bộ không ngừng trong lĩnh vực phân tích hóa học trên thế giới, hàng loạt các phương pháp phân tích công cụ hiện đại ra đời và được đưa vào ứng dụng trong phân tích dược phẩm.
Tuy nhiên, hai bài toán liên quan đặt ra là i) xử lý bộ dữ liệu khổng lồ thu được từ các phương pháp phân tích, và ii) ở các nước đang phát triển - như Việt Nam – thì nhu cầu xây dựng được các phương pháp phân tích sao cho tiết kiệm được chi phí và thời gian phân tích mà vẫn bảo đảm tiêu chuẩn về kết quả phân tích được đặt lên hàng đầu. Một lời giải chung cho cả hai bài toán trên là ứng dụng phương pháp chemometric. Các phương pháp chemometric đã được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm trong nhiều năm qua để phân tích đồng thời hỗn hợp các chất trong các đối tượng khác nhau, trong đó có dược phẩm. Các công trình nghiên cứu cho thấy, các phương pháp chemometric thường được dùng nhiều nhất là phương pháp bình phương tối thiểu riêng phần (PLS), phương pháp hồi quy cấu tử chính (PCR), phương pháp bình phương tối thiểu cổ điển (BPTT), phương pháp mạng nơron nhân tạo (ANN), phương pháp phổ đạo hàm, phương pháp lọc Kalman (Kalman filter)… Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng.
Phương pháp BPTT có thể sử dụng toàn bộ số liệu đo phổ để lập ra hệ m phương trình n ẩn số (m>n). Phép biến đổi ma trận theo nguyên tắc của phương pháp bình phương tối thiểu sẽ cho ra các kết quả mắc sai số thỏa mãn yêu cầu. Tuy nhiên nếu trong bộ số liệu đo phổ có nhiều nhiễu (hay sai số đo phổ) và/hoặc khi các cấu tử có tương tác với nhau tạo ra hiệu ứng quang học làm thay đổi hệ số hấp thụ của từng cấu tử, thì phương pháp 2 này không loại được nhiễu, dẫn đến kết quả phân tích mắc sai số lớn [2]; Phương pháp ANN có nhược điểm là thời gian luyện mạng lâu và nó đòi hỏi nhiều thuật toán khác nhau, nên khi xây dựng một mô hình phân tích, đòi hỏi phải thử nhiều mô hình khác nhau để tìm được cấu trúc mạng tối ưu [25]. Phương pháp phổ đạo hàm không áp dụng được khi mẫu chứa nhiều cấu tử có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau hoặc tương tự nhau, vì rất khó để lựa chọn được một bước sóng thích hợp để xác định một cấu tử nào đó, hoặc phổ đạo hàm của chúng vẫn có các cực đại hấp thụ trùng nhau [2], [27].
Phương pháp lọc Kalman có thể loại bỏ được tối đa các nhiễu và do đó giảm tối đa sai số, nhưng hạn chế của phương pháp này là phải lựa chọn các giá trị khởi tạo cho bộ lọc, tức là phải chọn được giá trị ban đầu phù hợp của hàm lượng các chất phân tích trong hỗn hợp của chúng và sai số kèm theo (được thể hiện qua phương sai). Nếu các giá trị khởi tạo (nồng độ và phương sai) không phù hợp, kết quả cuối cùng sẽ mắc sai số lớn [49], [101], [110]. Trên thế giới đã có một số nghiên cứu áp dụng phương pháp lọc Kalman vào chemometric – trắc quang để xác định đồng thời hỗn hợp 2 hoặc 3 chất trong dược phẩm [50], [121], song các nghiên cứu đó hoặc không đưa ra cách lựa chọn giá trị khởi tạo phù hợp hoặc không đề cập đến các giá trị khởi tạo và do vậy, rất khó áp dụng cho các phòng thí nghiệm phân tích. Ở nước ta, Mai Xuân Trường [27] đã nghiên cứu áp dụng phương pháp lọc Kalman để xác định đồng thời các vitamin trong dược phẩm, các nguyên tố đất hiếm…nhưng do tác giả cũng không giới thiệu về cách chọn giá trị khởi tạo và do vậy, đã hạn chế khả năng áp dụng phương pháp đề xuất vào thực tế.
Nói chung, mặc dù phương pháp lọc Kalman có nhiều ưu điểm khi áp dụng vào phương pháp chemometric - trắc quang để xác định đồng thời các hợp chất, đặc biệt là các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau, nhưng cho đến nay, các nghiên cứu áp dụng nó vẫn rất hạn chế. Xuất phát từ các vấn đề trên, rõ ràng những nghiên cứu phát triển phương pháp chemometric – trắc quang kết hợp với sử dụng phương pháp lọc Kalman là rất cần thiết, đặc biệt là trong định lượng đồng thời các hỗn hợp chất khó phân tích – các hỗn hợp chứa các chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau - trong các đối tượng 3 mẫu khác nhau, trong đó có các mẫu dược phẩm. Song, thách thức đặt ra là phải tìm được giải pháp phù hợp để lựa chọn giá trị khởi tạo cho bộ lọc Kalman sao cho đưa ra các kết quả phân tích chính xác (độ lặp lại và độ đúng tốt) hay mắc sai số chấp nhận được, đồng thời cần xây dựng được quy trình phân tích theo phương pháp chemmometric – trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman sao cho có thể áp dụng thuận lợi trong trong lĩnh vực kiểm nghiệm dược phẩm ở nước ta. Với các lí do đó, đề tài “Nghiên cứu phát triển phương pháp chemometric để xác định đồng thời các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau và áp dụng trong phân tích dược phẩm” được thực hiện nhằm mục đích: i) Xây dựng được quy trình phân tích chemometric - trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman để phân tích đồng thời hỗn hợp 2 và 3 chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau trong các mẫu dược phẩm; ii) Áp dụng quy trình xây dựng được để phân tích đồng thời hỗn hợp 2 và 3 chất trong một số loại dược phẩm đang lưu hành trên thị trường Việt Nam.
Để đạt được mục đích trên, các nhiệm vụ chính của luận án bao gồm: 1. Nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp phù hợp để lựa chọn được giá trị khởi tạo cho bộ lọc Kalman để áp dụng trong phương pháp chemometric – trắc quang xác định đồng thời hỗn hợp các chất có phổ hấp thụ phân tử xen phủ nhau. Nghiên cứu xây dựng chương trình phần mềm cho phép xác định nhanh và thuận lợi hỗn hợp các cấu tử có phổ hấp thụ quang phân tử xen phủ nhau theo phương pháp chemometric – trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman. Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích theo phương pháp chemometric – trắc quang kết hợp với phương pháp lọc Kalman và phần mềm xây dựng được để xác định đồng thời các cấu tử có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau trong các mẫu dược phẩm (hay thuốc).
Áp dụng quy trình xây dựng được để phân tích đồng thời các hoạt chất trong một số loại thuốc (đang lưu hành ở nước ta) chứa 2 hoặc 3 chất có phổ hấp thụ quang xen phủ nhau. Đồng thời, đánh giá độ tin cậy của quy trình phân tích qua độ đúng và độ lặp lại. Định luật Bouguer Lambert Beer và tính chất cộng tính độ hấp thụ quang Tất cả các phương pháp phân tích quang phổ đều dựa trên các định luật cơ bản của sự hấp thụ bức xạ điện từ. Các định luật cơ bản này là: Định luật Bouguer Lambert, định luật Beer, định luật hợp nhất Bouguer Lambert Beer.
Trong đó, để xác định đồng thời nhiều cấu tử theo phương pháp phân tích quang phổ, hầu hết đều dựa trên cơ sở định luật hợp nhất Bouguer Lambert Beer và tính cộng tính độ hấp thụ quang của các cấu tử trong hỗn hợp [11].