,Slide Title,Body Text,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,均匀试验设计的方法与应用,范 玉 奇,均匀试验设计的方法与应用范 玉 奇,概 论,均匀设计,(uniform design),是由中国数学家方开泰和王元于,1978,年首次提出的。其最初在我国导弹设计中应用，经过,20,多年的发展和推广，均匀设计已在我国有较广泛的普及，并在医药、化工、生物、纺织、电子、军事工程等诸多领域中使用，取得了显著的经济和社会效益。,概 论 均匀设计(uniform design)是,均匀设计的特点,均匀设计是一种适用于多水平的多因素试验设计方法，具有如下特定：,1,试验点分布均匀分散,2,在处理设计中各个因素每个水平只出现一次,3,适用于多水平多因素模型拟合及优化试验,4,试验结果采用回归分析方法,均匀设计的特点 均匀设计是一种适用于多,均匀设计表及其使用,均匀设计是通过一套精心设计的表来进行试验设计的。每一个均匀设计表有一个代号，,其中“,U”,表示均匀设计，“,n”,表示要做,n,次试验，“,q”,表示每个因素有,q,个水平,(,n=q,),，“,s”,表示该表有,s,列。,每个均匀设计表都附有一个使用表，它指示我们如何从设计表中选用适当的列，以及由这些列所组成的试验方案的偏差。,由于均匀设计表列间的相关性，用表最多只能安排,个因素。,均匀设计表及其使用 均匀设计是通过一套精心设计的表,U,n,(q,s,),均匀设计,试验次数,水平数,因素的最大数,Un(qs)均匀设计试验次数水平数因素的最大数,其中,偏差,为均匀性的度量值，数值小的设计表示均匀性好。例如,U,7,(,7,4,),的使用表为,表,1.1.4:,表,1.1.2:,其中偏差为均匀性的度量值，数值小的设计表示均匀性好。例如,均匀试验设计的方法与应用ppt课件,基本步骤,1,确定试验指标，将各个指标综合分析。,2,选因素、选水平。,(,均匀分散原则,),3,选择均匀设计表。,(,关键一步,),4,试验结果统计分析。,(,没有整齐可比性,),随着计算机技术的发展，可先由人为的选择因素、水平，并,通过计算机辅助试验设计,，进行试验。,基本步骤1 确定试验指标，将各个指标综合分析。,例：,例：,应用举例,在阿魏酸的合成工艺考察中，为了提高产量，选取了原料配比,(A),、吡啶量,(B),和反应时间,(C),三个因素，它们各取了,7,个水平如下：,原料配比（,A,）：,1.0,，,1.4,，,1.8,，,2.2,，,2.6,，,3.0,，,3.4,吡啶量（,B,）,(ml),：,10,，,13,，,16,，,19,，,22,，,25,，,28,反应时间（,C,）,(h),：,0.5,，,1.0,，,1.5,，,2.0,，,2.5,，,3.0,，,3.5,7,个水平，需要安排,7,次试验，根据因素和水平，我们可以选用,U,7,(7,3,),完成该试验。,应用举例 在阿魏酸的合成工艺考察中，为了提高产量，,No.,配比,A,吡啶量,B,反应时间,C,收率,Y,1,1.0(1),13(2),1.5(3),0.330,2,1.4(2),19(4),3.0(6),0.336,3,1.8(3),25(6),1.0(2),0.294,4,2.2(4),10(1),2.5(5),0.476,5,2.6(5),16(3),0.5(1),0.209,6,3.0(6),22(5),2.0(4),0.451,7,3.4(7),28(7),3.5(7),0.482,制备阿魏酸的试验方案,U,7,(7,3,),和结果,No.配比A吡啶量反应时间C收率Y11.0(1)13(2)1,根据试验方案进行试验，其收率,(Y),列于表的最后一列，其中以第,7,号试验为最好，其工艺条件为配比,3.4,，吡啶量,28ml,，反应时间,3.5h,。,用逐步回归分析的方法来筛选变量,用逐步回归分析求得回归方程,该方程表明， 。,最后求得方程极大值,51.85%,，工艺条件为配比,3.4,，吡啶量,10ml,，反应时间,2.8h,。,这时收率大于,7,号试验结果,48.2%,，达到优化目的。,用逐步回归分析求得回归方程,均匀设计和正交设计的比较,前面已经初步介绍了均匀设计方法的概况，为了便于大家对其的进一步认识，现将目前最常用正交设计和均匀设计作一下比较，讨论两种试验设计方法的特点。,1,试验次数的比较,正交设计用于水平数不高的试验，因为它的试验数至少为水平数的平方。例如一项试验，有五个因素，每个因素取,31,水平，若用正交设计，至少需要做,961,次试验，而用均匀设计只需,31,次，所以均匀设计适合于多因素多水平试验。,均匀设计和正交设计的比较 前面已经初步介绍了均匀设,2,试验结果的比较,正交设计可以计算出因素的主效应，有时也能估算出它们的交互效应，但都只停留在事先设计好的水平数中。而均匀设计不仅可以计算出回归模型中因素的主效应和交互效应，还可预测试验最佳效果时的各因素水平数值，并比事先设计好的水平数值更加细化。,2 试验结果的比较,两种设计的均匀性比较,要合理地比较两种设计的均匀性并不容易，因为很难找到二个设计有相同的试验数和相同的水平数，一个来自正交设计，另一个来自均匀设计。由于这种困难，我们从如下三个角度来比较：,1,试验数相同时的偏差的比较,例如，当,s=2,时，若用 安排试验，其偏差为,0.4375,；若用 ，则偏差最好时要达,0.1445,。显然后者比前者均匀性要好得多。值得注意的是，这种比较方法对正交设计是不公平的，因为当试验数给定时，水平数减少，则偏差会增大。所以这种比较方法正交设计明显地吃亏。,两种设计的均匀性比较 要合理地比较两种设计的均匀,2,水平数相同时偏差的比较,两种设计水平数相同，但试验数不同的比较。其中当均匀设计的试验数为,n,时，相应正交设计的试验数为 ，例如 的偏差,0.1875,，而 的偏差为,0.1597,，两者差别并不很大。所以用均匀设计安排的试验其效果虽然比不上自正交设计，但其效果并不太差，而试验次数却少了,5,倍。,2 水平数相同时偏差的比较,3,偏差相近时试验次数的比较,刚才讲到 比不上 ，如果让试验次数适当增加，使 相应的偏差与 的偏差相接近，例如 的偏差为,0.1445,，比 的偏差略好，但试验次数可省,36/8=4.5,倍。,综合上述三种角度的比较，如果用偏差作为均匀性的度量，均匀设计明显地优于正交设计，并可节省四至十几倍的试验。,3 偏差相近时试验次数的比较,均匀设计法在药物制剂研究中应注意的几个问题,1,均匀设计考察的水平数,较多较细的数据处理过程一般较复杂。相比较而言，单因素试验法或正交设计法则具有容易掌握，数据处理直观的优点。因此，可利用单因素试验法或正交试验法对影响因素进行初筛，快速划定考察范围，再利用均匀设计进行较为仔细的研究，可以达到较好的效果。,均匀设计法在药物制剂研究中应注意的几个问题,2,运用均匀设计筛选处方,对中药复方研究而言，选择指标具有相当的难度。一般可选取比较重要的一、二项指标，结合综合评判筛选出比较好的处方后，再进行其他方面的药理、毒理研究来评价处方疗效的优劣，而且，最后筛选的处方必须要能体现原处方立意的宗旨，只有这样才能说明指标选择的可靠性。,2 运用均匀设计筛选处方,3,在均匀设计中指标与各因素之间的线性相关关系,在进行均匀设计时，应考虑水平数与因素数的适当比例，至少水平数大于因素数的,2,倍以上，才能使试验结果正确进行回归计算处理。,3 在均匀设计中指标与各因素之间的线性相关关系,小 结,均匀设计是近年来解决多因素多水平问题较好的方法。其实验点在考察范围内“均匀分散”，有效减少了试验次数，节约了时间和费用，同时又能获得对试验对象较全面深入的认识。通过计算机辅助试验设计以及对数据结果的统计分析处理，提高了药物制剂研究的客观评价程度和整体研究水平。在中西药制剂的处方筛选以及工艺条件优化等方面，均匀设计有着光明的应用前景。,小 结 均匀设计是近年来解决多因素多水,谢 谢,谢 谢,静态吸附,1,静态吸附容量的考察,取,D-101,大孔吸附树脂,1.0g,放入烧杯中，加入,10mL,川芎样品液，,72h,后抽取树脂吸附后的溶液,1mL,，测定有效成分含量，计算出树脂的静态吸附容量：吸附阿魏酸,4.62mgg-1,，吸附总酚酸,67.635mgg-1,。,2,静态漏点浓度的考察,取,D-101,大孔吸附树脂,1.0g,放入烧杯中，分别加入,5mL,稀释成不同浓度的川芎样品液，,24h,后抽取各树脂吸附后的溶液,1mL,，测定,D-101,大孔吸附树脂的静态漏点浓度。,D-101,大孔吸附树脂的川芎样品液静态漏点浓度为含生药材,0.25gmL-1,。,静态吸附,3,静态吸附平衡时间的考察,取,D-101,大孔树脂,1.0g,装柱，加入,10mL,静态漏点浓度的川芎样品液，在,0.5,、,1,、,2,、,4,、,6,、,8,、,10,、,12h,后收集流出液，抽取溶液,1mL,，测定有效成分含量，以静态吸附容量对,t,作图，得树脂的吸附动力学曲线，见图。,3 静态吸附平衡时间的考察,4 pH,值对大孔吸附树脂吸附川芎有效成分的影响,取,D-101,大孔树脂,1.0g,装柱，加入,10mL,静态漏点浓度川芎样品液，用盐酸和,NaOH,调,pH,为,2,、,4,、,6,、,8,、,10,、,12,，通过树脂柱，进行吸附,6h,后收集流出液，抽取溶液,1mL,，测定有效成分含量，以静态吸附容量对,pH,值作图，见图。,4 pH值对大孔吸附树脂吸附川芎有效成分的影响,静态洗脱,1,不同洗脱液浓度对大孔吸附树脂解析的影响,取,5mL,静态漏点浓度川芎样品液，调至筛选的,pH,值，通过树脂柱吸附,6h,后，分别用,30BV,的蒸馏水、,10%,、,20%,、,30%,、,40%,、,50%,、,60%,、,70%,、,80%,、,90%,乙醇溶液进行洗脱，收集洗脱液，抽取溶液,1mL,，测定有效成分含量，以阿魏酸解析率、总酚酸解析率、洗脱总酚酸占总洗脱物比率对乙醇浓度作图，得树脂的解析动力学曲线，见图。,静态洗脱,从图可见，树脂解析的动力学过程为：乙醇浓度为,50%,后，解析率基本达到平衡；而洗脱总酚酸占总洗脱物比率随乙醇浓度的增大，至乙醇浓度为,50%,时达到最大，后逐渐减少。筛选最佳的乙醇浓度为,50%,，此时阿魏酸解析率,94.4%,、总酚酸解析率,95.23%,、洗脱总酚酸占总洗脱物比率,46.2%,。,2 pH,值对大孔吸附树脂解析的影响,取,5mL,静态漏点浓度川芎样品液，调至筛选的,pH,值，通过树脂柱吸附,6h,后，取确定浓度的洗脱液,30BV,，用盐酸和,NaOH,调,pH,为,2,、,4,、,6,、,8,、,10,、,12,，收集洗脱液，抽取溶液,1mL,，测定有效成分含量，以阿魏酸解析率、总酚酸解析率、洗脱总酚酸占总洗脱物比率对,pH,值作图，得树脂的解析动力学曲线，见图。,2 pH值对大孔吸附树脂解析的影响,从图,8,可见，树脂解析的动力学过程为：三者情况基本一致，阿魏酸解析率、总酚酸解析率、洗脱总酚酸占总洗脱物比率随,pH,值的增大，先逐渐增加，至,pH,值为,8,时达到最大，后逐渐减少。筛选最佳的,pH,值为,8,，此时阿魏酸解析率,97.13%,、总酚酸解析率,99.44%,、洗脱总酚酸占总洗脱物比率,48.52%,。,均匀试验设计的方法与应用ppt课件,洗脱液用量对大孔吸附树脂解析的影响,取,5mL,静态漏点浓度川芎样品液，调至筛选的,pH,值，通过树脂柱吸附,6h,后，用,10BV,、,20BV,、,30BV,、,40BV,、,50BV,的洗脱液，调至筛选的,pH,值，进行洗脱，收集洗脱液，抽取溶液,1mL,，测定有效成分含量，以阿魏酸解析率、总酚酸解析率、洗脱总酚酸占总洗脱物比率对洗脱液用量作图，得树脂的解析动力学曲线，见图。,洗脱液用量对大孔吸附树脂解析的影响,从图可见，树脂解析的动力学过程为：随洗脱液用量的增大，阿魏酸解析率、总酚酸解析率逐渐增加，两者情况基本一致，至洗脱液用量为,20BV,后，解析率基本达到平衡；而洗脱总酚酸占总洗脱物比率随洗脱液用量的增大，先逐渐增加，至乙醇浓度为,20BV,时达到最大，后逐渐减少。筛选最佳的洗脱液用量为,20BV,，此时阿魏酸解析率,96.32%,、总酚酸解析率,96.67%,、洗脱总酚酸占总洗脱物比率,51.65%,。,均匀试验设计的方法与应用ppt课件,大孔吸附树脂的再生使用,1,大孔吸附树脂再生性的考察,按已筛选的各项条件进行静态吸附、洗脱试验，收集洗脱液，抽取溶液,1mL,，测定有效成分含量，计算大孔吸附树脂的吸附率,A,。然后，对同一树脂柱进行蒸馏水冲洗、酸碱处理等树脂的再生操作。再次对同一树脂柱进行静态吸附、洗脱试验，测定有效成分含量，计算大孔吸附树脂的吸附率,B,。比较吸附率,A,、,B,有无显著性差异。,大孔吸附树脂的再生使用,大孔吸附树脂的再生周期的考察,按已筛选的各项条件对同一树脂柱进行多次,(n=6),静态吸附、洗脱试验，每次操作后收集洗脱液，抽取溶液,1mL,，测定有效成分含量，比较每次实验中阿魏酸吸附率、总酚酸吸附率，筛选最佳的大孔吸附树脂再生周期。,大孔吸附树脂的再生周期的考察,均匀试验设计的方法与应用ppt课件,