正交试验在医药科研中的应用.ppt

正交试验在医药科研中的应用 一 正交试验法的作用 如果采用正交试验法 可归纳成表2的试验方案 表2的试验如果全面互相搭配进行 则要做16组 如果采用正交L8 27 法 只需做8组试验 就可得出二点可信度达95 的可靠结论 影响收率的关键是硫酸浓度 即硫酸一定要采用27 磺化温度如果采用50 则时间要采用2小时 磺化温度如果采用70 时间要采用1小时 不然收率就低 搅拌与否 对收率没有显著的影响 最优化工艺不是2号 而是4号和6号 经进一步计算 4号和6号比2号平均收率高出4 73 从上述实例可以看出 采用正交法 既省力 又可得出科学 可信度高的结果 二 正交试验法的基本特点 用正交法来安排试验 在于安排试验的这种正交表具备均衡分散 整齐可比特性 一 试验均衡分散 因子与水平完成一项研究 或一个产品的条件叫因子 因素 例如煮大米饭 是米 水 火三个条件参与完成的 那么米 水 火就是煮饭的三个因子 因素 水平是指因子 因素 所处的不同状态 即试验点 例如煮饭是早米好吃 还是用晚米好吃 早米 晚米就是不同的水平 同理每公斤米加1公斤还是加1 25公斤水好 火是大火好还是文火好 都是不同的水平 如果要做煮饭试验 用正交试验法将因子和水平列成表3 正交表正交表是指正交试验法中安排试验 分析试验的一种得力工具 每张正交表 都有自己的名字 并反映出表的具体内容 以L4 23 为例 2水平有 L4 23 L8 27 L12 211 L64 263 3水平有 L9 34 L18 37 L27 331 L81 340 4水平有 L16 45 L32 48 L64 421 所有正交表都具备以下两个数学性质 任何一列 各水平出现的次数相同 任何两列的同一横行 有序数对出现次数相同 上述两点 缺少任何一点 表就不正交了 均衡分散 一个整体的全面试验中 用正交表挑出来的这部分试验分布均匀 代表性强 所以只要通过这部分试验 就能反映全部试验情况 任何一个面上都有二个试验点 任何一条线上都只有一个试验点 所有因子的水平一视同仁 二 数据计算简单 K 表示各因子的相同水平所对应的试验值之和 R 表示极差 从上述试验结果可以得出下列二点结论 比较R值大小 可以看出某因子在这些试验中起主要作用或起次要作用 比较K值大小 可以知道该因子不同水平对试验影响的程度 优 A1B1C2 A1 B1 C2 2 2 156 162 164 2 76 2 89 三 正交表的应用程序 一 单一水平正交表应用1 二水平正交表的应用例 板蓝根注射液除杂质方法试验板蓝根水煎液 用乙醇沉降 冷藏 调pH等方法去除杂质 其注射液常发生澄明度或含量不合格 用石硫醇法处理 虽然解决了澄明度问题 但含量仍不能稳定 为了摸清影响含量和澄明度的原因 将上述两种方法组成下表试验方案 最佳工艺 A2B2C1 2 三水平正交表的应用例 复方延胡索制剂乙醇渗漉条件的考察处方 当归 延胡索 赤芍 丹皮 栀子等12味药组成 影响乙素提取率的主要因素是醇浓度和收集渗漉液量 浸泡时间24小时与48小时没有明显区别 渗漉速度对含量影响很小优化工艺 A3B2C3D3 3 四水平正交表应用例 甘草酸提取方法实验 结果分析 根据表12的R和K所示 列3 列4 列5是误差估计列 因为其R均小 用其Re R3 R4 R5 1 3 4 17来衡量RA和RB 而RA RB均超过Re的2倍以上 故可知因子A B均是主要因子 取其好水平 其最优提取方法是 A4B4或A4B2 而最差提取方法是A2B1或A1B1 以试验对照 均与试验实际吻合 故结论为 1 从甘草中提取甘草酸 用蒸馏水 0 5 氨水比用10 乙醇 0 25 氯仿水能明显提供收率 2 从甘草中提取甘草酸 其溶剂用量以600ml比300 250 200ml能明显提高收率 二 有交互作用的试验安排 世界上的一切事物都是互相联系 互相制约的 我们所做试验的因子间关系也是如此 如某因子不论在其它因子的什么水平情况下 其试验值不是水平1比水平2好 就是水平2比水平1好 用正交表安排 其R值 或F值 较小者 称为该因子不与其它因子发生明显的交互作用 反之 某一因子水平好坏是依赖于其它因子水平而定 用正交表安排 其R值 或F值 一定较大者 这种情况表明这两个因子间存在有明显的交互作用 在医药科研和病例分析中 常常会遇到这样类似的情况 当某一药物反应温度为50 时 反应时间用2小时 会比用1小时明显提高收率 倘若反应温度改成70 时 而反应时间还是2小时 那么其收率就会比用1小时明显的降低 但在加催化剂用量上 无论是反应温度50 还是70 或是反应时间2小时 还是1小时 催化剂用量20 的收率都明显高于用10 的 因此 可以说 反应温度与反应时间存在交互作用 而反应温度与催化剂用量和反应时间与催化剂用量之间则不存在交互作用 用正交表安排 前者的R 或F 值一定会比后两者大 1 如何应用正交表来考察因子间是否存在着交互作用 1 定名A与B的交互作用表示为 A BA与C的交互作用表示为 A CB与C的交互作用表示为 B C这三种交互作用如果都安排在正交表上考察 照上述说法 RA B一定大于RB C和RA C 2 计算自由度用正交表安排交互作用 一对交互作用当作一个因子 但其所占正交表的列数不一定和因子所占列数完全相同 而是要看其两因子自由度乘积 即其自由度 大小来定 如二水平三因素的正交试验 如果要安排A B 其A B自由度即fA B fA fB 2 1 2 1 1 用1列安排 原用L4 23 安排 现在增加A B 则其所做试验次数是fA fB fC fA B 1 5 在2水平正交表中没有做5组的正交表 于是改用L8 27 安排 在三水平四因素的正交试验中 fA B 3 1 3 1 4 而原来的3水平正交表每列自由度为2 故A B不能用1列 而要用2列才能安排 如此 也不能用L9 34 安排 而要用L27 313 安排 因为fT 1 fA fB fC fA B 1 3 1 4 3 1 3 1 1 13 3 查交互作用表L4 23 只安排了二个因子 如果A与B存在交互作用 就在另一列上反映出来 其表头设计为 因子ABA B列号123但如果要考察三因子A B B A A C的交互作用是否存在 就要改用L8 27 在作表头设计时应查对其所选用正交表后面的交互作用表 方法如下 在表头设计时先查L8 27 的交互作用表 见表13 如果A安排在列1 B安排在列2 那么A B安排位置就从表13中的 1 横着向右看 2 竖着向上看 它们的交叉点是3 此3就是A B要安排在列3 同理 B安排在列2 C安排在列4 B C就安排在列6 A C安排在列5 交互作用的表头设计为 2 交互作用占一列举例例 乙酰苯胺磺化试验乙酰苯胺磺化试验 实践表明反应温度与反应时间可能存在着交互作用 因此在原来的正交试验上加A B 总自由度加1应改为 fT 1 fA fB fC fD fA B 1 2 1 4 2 1 2 1 1 6按此计算 仍然可以选L8 27 安排 本例是4个因子各占1列 一个A B交互作用占1列 共计占去5列 尚有2列空出 因此表头设计应采用主效应主与交互作用混杂的设计 将A B C D分别安排在列1 2 4 7 A B安排在列3 而列5 6空着作试验误差估计 于是表头设计为 试验结果分析 1 确定主要因子 RC和RA B较大 取其好水平C2 A B 2和差水平C1 A B 1 它们分别包括了较好的4号 6号和较差的1号 7号试验 但没有包括2号 为什么 第二步就应当把主要作用R值降低 由空着列R5 R6较小来看 可以合并当作Re 于是 Re R5 R6 1 2 3 4 5 4 1 2 4 4用Re值来衡量 A B D也可算主要因子 因为R因 2Re者 说明有75 的把握说该因子间的水平试验值有不同影响 所以列1 2 7也可算主要作用列 当A B存在 而且RA B RA RB A B的最优水平的确定要服从A B列好水平所对应的水平 因此最优水平的组合为 A B 2C2D2 最差水平的组合为 A B 1C1D1 选出的最优试验 如果将D2换成D1就包括了4号 6号试验 D2 D1 可见选出的最优水平组合会比4号 6号试验更好 2 交互作用因子好水平的选取 由于A B的存在 其好水平的选取就不是A1和B2 而要服从于A B的好水平2所对应的水平 即A1B2 A2B1 也就是说 A1B2 A2B1搭配一定会比A1B1 A2B2收率高 3 最优试验的选取 A B好水平确定了 再与主要因子C和D好水平组合就形成最优试验工艺为 A1B2C2D2 A2B1C2D2 结论 1 反应温度与反应时间存在交互作用 即反应温度用50 反应时间宜用2小时 反应温度用70 反应时间宜用1小时 否则收率会明显下降 2 硫酸浓度用27 比用17 的收率能明显提高 3 搅拌宜去掉 在16种磺化工艺中 只有两种最优 即加硫酸27 在不搅拌情况下 用50 反应2小时 或70 反应1小时 例 复方丹参注射液的研制临床用丹参 葛根 桑寄生 黄精 首乌和甘草组成复方丹参汤剂 治疗冠心病效果很好 要将它制成注射液 需要解决下列问题 1 这六种中药组成是否合理 2 用水煎煮 还是用乙醇渗漉能提高疗效和降低毒性 3 除去杂质是用调pH 还是用明胶能提高疗效和降低毒性 4 注射液中需不需要加吐温 80助溶为了解决上述问题 设计下列试验 正交试验表设计 总自由度加1 fA fB fC fD fE fE C 1 7 故选L8 27 安排试验 结果分析 1 从血流量指标的R来看 B和C E是主要的 B宜取B2 C E宜取C1E2或C2E1 可明显地增加冠脉血流量 其它因子R较小 其水平可以任选 2 从毒性指标的R来看 因子D E A的R较大 宜取D2 E2 A2能降低注射液的毒性 结论 1 在上述四种药方组成中 以丹参 首乌 黄精 葛根 B2 为最优处方 再加甘草 桑寄生 A1 虽不会降低冠脉流量 但毒性增加 2 用水和60 乙醇渗漉 冠脉流量没有明显的差别 但从毒性来讲 以水为好 3 除杂方法 调pH与加明胶无明显差异 但从毒性考虑 以采用明胶为好 4 如果用水煎煮 则应该加吐温 80 5 根据上述分析 最优工艺为 A2B2C1D2E2 3 交互作用占二列举例例 抗生素培养基筛选试验 fT 1 fA fH fA C fA C 1 3 1 8 3 1 3 1 2 1 25由于8个因子均为三水平 故用L27 313 安排试验 FA B和fA C均是4 而L27 313 每列的自由度为2 故用两列才能安排 见表18 结果分析 1 确定主要因子 R13与R因相比 R13较小 可算试验误差 同时RA B RE RG和R13相近 可将其合并 计算Re Re R13 RA B RE RG 1 5 0 28754与Re相比 A F B C D H A C均起主要作用因子 因此最优组合为 B1 A C 21D2F2H1 与试验对照 如果 A C 21换成 A C 12 D2换成D3就是包括了较好的12号试验 从K值 A C 21比 A C 12 D2比D3高来看 其B1 A C 21D2F2H1组合应比12号试验更好 因此B D F H A C为主要因子 2 交互作用因子好水平的选取 A C