星点设计效应面法课件.ppt

星点设计效应面法 一 引言二 CCD效应面法基本概念三 CCD效应面法基本原理四 CCD效应面法操作步骤 汇报内容 一 引言 在药学制剂工艺优化和处方筛选过程中 常需同时考察多个因素对结果的影响 并对结果进行优化 当因素水平数较少时可采用析因设计 较多时需采用实验次数较少的实验设计优化法 国内现在用得比较成熟的方法为均匀设计和正交试验设计方法 虽然上述两种方法在试验处理时可以取得较佳点 基本可以满足一般试验的要求 但是它们还存在一些问题 如试验的精度不够 建立的数学模型预测性较差 选择的试验取值仅仅是接近最佳取值 无法精确找到最佳点 不能灵敏地考察各因素间的交互作用等等 一 引言 效应面法 responsesurfacemethodologyRSM 主要有三种常用的试验设计方案 Box Behnken设计 BBD 均匀外壳设计 UniformShellDesign USD 和星点设计 CentralCompositeDesign CCD 又称中心组合设计 CentralCompositeDesign CCD 前两种较少使用 星点设计是效应曲面中最常用的二阶设计 是由二水平析因设计加轴点及中心点组成 是多因素五水平的试验设计 集数学和统计学方法于一体 是一种新型的试验设计方法 它具有试验次数少 试验精度高等特点 其在药学领域的应用已比较成熟 一 引言 实例 星点设计效应面法优选远志的提取工艺摘要 目的 星点设计效应面法优选远志的提取工艺 方法 以乙醇浓度 回流时间和溶剂 倍 量为自变量 远志皂苷元提取率为因变量对自变量各水平进行多元线性回归和二式拟合 用效应面法选择较佳工艺条件 并进行预测分析 结果 确定最优提取工艺为乙醇浓度60 提取时间2 5h 溶媒用量10倍 提取2次 提取率预测值与理论值偏差为 5 93 二项式拟合复相关系r 0 9790 结论 星点设计效应面法优选远志的提取工艺 方法简便 预测性良好 关键词 远志 星点设计 效应面优化法 远志皂苷元 提取工艺 二 CCD效应面法基本概念 自变量与效应变量 所考察的因素为自变量 用x1 x2 xn表示 考察指标称结果或为效应变量 response 用y表示 CCD效应面优化法主要考察自变量对效应变量的作用并对其优化 自变量必须连续且可由试验者准确控制 效应面与效应面函数 效应与考察因素之间的关系可用函数y f x1 x2 xn 表示 为噪音即偶然误差 则f称为效应面函数 该函数所代表的空间曲面称为效应面 模拟效应面与模拟效应面函数 在实际操作中 常用近似函数y f x1 x2 xn 估计真实函数f 则f 称为模拟效应面函数 该函数所代表的空间曲面为模拟效应面 也是优化法实际操作效应面 二 CCD效应面法基本概念 效应面可用三维效应面图 或称因变量面图 或者二维等高线图表示 从效应面上可以直观地找到自变量取不同值时的效应值 反过来在效应面上选取一定效应值亦可以找出相对应的自变量取值 即在效应面上选定较佳效应值范围后可对应求出较佳试验条件 三 CCD效应面法基本原理 宏观上讲 效应面优化法就是通过描绘效应对考察因素的效应面 从效应面上选择较佳的效应区 从而回推出自变量取值范围即最佳实验条件的优化法 使用起来直观 方便 效果较好 简单地说 效应面优化法就是通过拟合效应变量对考察因素变量的效应面 即函数f不可能用数学模型表述 效应对因素的真实效应面只是假想的 但可以用某一数学模型f 近似地模拟函数f 依据该模型可以描绘效应面 从效应面上选择最优的效应域 利用f 求得自变量x1 x2 xn取值范围即最佳试验条件的优化法 数学模型f与f 的近似程度直接关系到效应面的近似程度与优选条件的准确度 四 CCD效应面法操作步骤 事实上 效应面优化法为一循序渐进的方法 试验者可从任一水平入手 这时可能离较优区较远 效应面的弯曲度不大 可用较简单的线性模型模拟 通过线性模型采用最速下降法 steepestdescent 向较优区逼近 当进入较优区后 该处面弯曲度增大 表明线性模型模拟已不再适合 须用两次以上的非线性数学模型拟合 选取该处因素水平范围以获得较佳优化效果 4 1考察因素水平范围的确立 四 CCD效应面法操作步骤 一次模型拟合可用单纯形设计法 国内常用的正交和均匀设计亦可 循序渐进法确定水平范围虽然较准确 然而操作繁琐 耗时长 目前多数研究者均采用在预试验的基础上凭经验直接确定水平范围的办法 一般所选范围为实验所允许的最大可能取值范围 效果亦良好 4 1考察因素水平范围的确立 四 CCD效应面法操作步骤 实例 采用星点设计效应面法优选远志的提取工艺 预实验结果显示 回流提取的考查因素为提取次数 乙醇浓度 提取时间和溶剂量 因提取次数为非连续变量 回归处理较困难 结合预实验结果和工业生产的实际 暂固定为2次 其余因素的水平范围据预实验的结果而定 乙醇浓度 X1 90 00 50 00 提取时间 X2 200min 40min溶剂量 倍 X3 14 6 4 1考察因素水平范围的确立 四 CCD效应面法操作步骤 通常实验表是以代码的形式编排的 实验时再转化为实际操作值 一般水平取值为0 1 其中0为中值 为极值 F 1 4 F为析因设计部分实验次数 F k2 k为因素数 或F k2 1 2 一般5因素以上采用 在确定各因素水平的极大 和极小值 以后 依据水平代码分别求出 1 0 1所代表的物理量 1 0水平的安排遵循任意两个物理量之间的差值与对应代码之间差值成等比的原则 4 2效应面设计 四 CCD效应面法操作步骤 4 2效应面设计 实例 采用星点设计效应面法优选远志的提取工艺 表1因素水平表以X1为例 代码 1所对应的物理量X的计算求解得X 58 45 X 四 CCD效应面法操作步骤 CCD表由三部分组成 1 2k或2k 1 2析因设计 2 极值点 由于二水平的析因设计只能用作线性考察 需再加上第二部分极值点 才适合于非线性拟合 如果以坐标表示 极值点在坐标轴上的位置称为轴点 axialpoint 或星点 starpoint 表示为 0 0 0 0 0 0 星点的组数与因素数相同 3 一定数量的中心点重复试验 实例 采用星点设计效应面法优选远志的提取工艺 4 2效应面设计 四 CCD效应面法操作步骤 表2星点实验设计与结果 4 2效应面设计 2019 12 19 16 可编辑 四 CCD效应面法操作步骤 在进行该项操作之前 必须保证 1 严格按设计表进行实验 控制实验误差在最小范围内 如果所得数据重复性较差 则很难得到满意的实验结果 2 所有变量必须为连续变量 以保证所建立的方程具有较好的预测性能 模型拟合的优劣可用方差分析进行判断 效应与因素之间的关系一般为非线性的 与此对应的效应面一般有所弯曲 这时再使用线性模型就显得不合适了 须用二次以上的多元非线性方程式 多元非线性拟合是一项非常复杂的工作 目前 处理数据的统计软件有 SAS StatistcalAnalysisSystem DesignExpert SPSS StatistcalPackagefortheSocialScience STAT STATISTICA 4 3多元线性或非线性拟合 四 CCD效应面法操作步骤 实例 采用星点设计效应面法优选远志的提取工艺 效应值如表2所示 以远志皂苷元提取率为因变量对各因素进行多元线性回归和二项式拟合 使用s