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康寧反應(yīng)器通過機(jī)器學(xué)習(xí)集成在線光譜

更新時間:2024-06-26      點(diǎn)擊次數(shù):857
  在藥物化學(xué)領(lǐng)域,傳統(tǒng)動力學(xué)方程建立需要校準(zhǔn)模型,使用釜式反應(yīng)器獲得相關(guān)數(shù)據(jù)是一件費(fèi)時費(fèi)力的工作。但是,與光譜儀器集成的連續(xù)流反應(yīng)器可快速收集豐富的光譜數(shù)據(jù)信息。測量的光譜數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)模型可用于監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)展,闡明反應(yīng)動力學(xué),并有效地獲得反應(yīng)機(jī)理見解。通常使用傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器在不同時間取樣,獲得的濃度信息會受到傳質(zhì)傳熱的影響,得不到本征動力學(xué)模型。
  
  本文將闡述利用康寧反應(yīng)器得高效傳熱傳質(zhì)特征,集成在線光譜工具,實(shí)時監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)度,避免離線分析造成結(jié)果偏離。提出一種不需要校準(zhǔn)模型的半監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法,自動識別反應(yīng)機(jī)理方程的系數(shù)及擬合不同動力學(xué)方程,通過不同動力學(xué)方程擬合的信息熵AIC(Akaikeinformationcriterion)來選擇較為合適的動力學(xué)方程。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

 


  一、實(shí)驗(yàn)裝置
  
  康寧反應(yīng)器(AFR)與原位紫外可見分光光度計(JASCOV-670)集成。實(shí)驗(yàn)裝如圖所示。反應(yīng)是在兩個康寧AFR流體模塊中進(jìn)行,每個模塊體積為0.45ml。使用溫控器(JULABOGmbH)來進(jìn)行溫度控制。HPLC泵(TeledyneSSI)用于將試劑輸送入反應(yīng)器。將反應(yīng)器出口處的混合物稀釋,使得反應(yīng)被淬滅,反應(yīng)物料濃度位于線性范圍內(nèi)(比爾-朗伯特定律)不同停留時間下的光譜數(shù)據(jù)在波長范圍為200–600nm收集3份,3倍停留時間達(dá)到穩(wěn)態(tài)后才收集數(shù)據(jù)。

不同停留時間下的光譜數(shù)據(jù)

 


  二、通過半監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)的方法確定反應(yīng)方程
  
  通過對光譜數(shù)據(jù)矩陣的秩的分析,得到Wittig反應(yīng)的方程數(shù)為3.而通過對化學(xué)計量數(shù)的矩陣的秩的分析方程數(shù)為4.可能原因是因?yàn)楫悩?gòu)體H和I的反應(yīng)速率是相互依賴。為了計算反應(yīng)進(jìn)度,至少需要3組在3個不同停留時間下的離線濃度分析數(shù)據(jù)(離線使用HPLC確認(rèn)濃度)。離線分析得到A,B,G和J的濃度,從而確認(rèn)Wittig反應(yīng)方程,如下圖。

不同停留時間下的樣品的HPLC譜圖和A,B,G和J的濃度

 

Wittig反應(yīng)方程

Wittig反應(yīng)方程

 


  三、通過信息熵AIC確定最佳反應(yīng)動力學(xué)方程及其相關(guān)參數(shù)
  
  使用前面獲得的數(shù)據(jù)和候選動力學(xué)方程進(jìn)行擬合,并計算出其信息熵AIC,選擇最小的AIC值的動力學(xué)方程。r1=k1CA2,r2=k2CA,r4=k4CACF。
  
  95%置信區(qū)間下的參數(shù)值為(下圖所示):

95%置信區(qū)間下的參數(shù)值

   

  本文提出了一種新的不需要校準(zhǔn)的半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法來識別反應(yīng)方程的計量數(shù),動力學(xué)模型,及其參數(shù)計算。利用康寧反應(yīng)和在線紫外光譜的集成快速自動地取得需要的數(shù)據(jù)。并通過模型計算最少需要的標(biāo)記數(shù)據(jù)(即離線HPLC分析濃度數(shù)據(jù))來確認(rèn)最終動力學(xué)方程。
  
  在獲取反應(yīng)進(jìn)度的濃度數(shù)據(jù)時,傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器通常因?yàn)榈托У膫髻|(zhì)傳熱,讓數(shù)據(jù)糅合了傳質(zhì)傳熱的影響,不利于得到本征動力學(xué)方程,利用了康寧微通道這一高效的傳質(zhì)傳熱的特征來消除傳質(zhì)傳熱的干擾。
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