正交試驗在醫(yī)藥科研中的應用

正交試驗在醫(yī)藥科研中的應用1

一、正交試驗法的作用

2如果采用正交試驗法，可歸納成表2的試驗方案：表2的試驗如果全面互相搭配進行，則要做16組，如果采用正交L8(27)法,只需做8組試驗，就可得出二點可信度達95％的可靠結論。3①影響收率的關鍵是硫酸濃度，即硫酸一定要采用27％，磺化溫度如果采用50℃，則時間要采用2小時；磺化溫度如果采用70℃，時間要采用1小時，不然收率就低。攪拌與否，對收率沒有顯著的影響。②最優(yōu)化工藝不是2號，而是4號和6號。經進一步計算，4號和6號比2號平均收率高出4.73％。從上述實例可以看出，采用正交法，既省力，又可得出科學、可信度高的結果。4二、正交試驗法的基本特點用正交法來安排試驗，在于安排試驗的這種正交表具備均衡分散，整齊可比特性。5(一)試驗均衡分散１、因子與水平

完成一項研究，或一個產品的條件叫因子(因素)。例如煮大米飯，是米、水、火三個條件參與完成的，那么米、水、火就是煮飯的三個因子(因素)。

水平是指因子(因素)所處的不同狀態(tài)，即試驗點。例如煮飯是早米好吃，還是用晚米好吃，早米、晚米就是不同的水平，同理每公斤米加1公斤還是加1.25公斤水好，火是大火好還是文火好，都是不同的水平。6如果要做煮飯試驗，用正交試驗法將因子和水平列成表3。7２、正交表

正交表是指正交試驗法中安排試驗，分析試驗的一種得力工具，每張正交表，都有自己的名字，并反映出表的具體內容。以L4(23)為例：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)8所有正交表都具備以下兩個數學性質：①任何一列，各水平出現(xiàn)的次數相同。②任何兩列的同一橫行，有序數對出現(xiàn)次數相同。上述兩點，缺少任何一點，表就不正交了。9３、均衡分散：一個整體的全面試驗中，用正交表挑出來的這部分試驗分布均勻，代表性強，所以只要通過這部分試驗，就能反映全部試驗情況。①任何一個面上都有二個試驗點②任何一條線上都只有一個試驗點③所有因子的水平一視同仁10(二)數據計算簡單11K：表示各因子的相同水平所對應的試驗值之和。R：表示極差。從上述試驗結果可以得出下列二點結論：①比較R值大小，可以看出某因子在這些試驗中起主要作用或起次要作用。②比較K值大小，可以知道該因子不同水平對試驗影響的程度。μ優(yōu)(A1B1C2)=(A1+B1+C2)/2-2

=(156+162+164)/2-76×2=8912三、正交表的應用程序(一)單一水平正交表應用

1、二水平正交表的應用

例：板藍根注射液除雜質方法試驗

板藍根水煎液，用乙醇沉降，冷藏，調pH等方法去除雜質，其注射液常發(fā)生澄明度或含量不合格。用石硫醇法處理，雖然解決了澄明度問題，但含量仍不能穩(wěn)定。為了摸清影響含量和澄明度的原因，將上述兩種方法組成下表試驗方案。1314最佳工藝：A2B0C1152、三水平正交表的應用

例、復方延胡索制劑乙醇滲漉條件的考察

處方：當歸、延胡索、赤芍、丹皮、梔子等12味藥組成。16①影響乙素提取率的主要因素是醇濃度和收集滲漉液量②浸泡時間24小時與48小時沒有明顯區(qū)別

③滲漉速度對含量影響很小

優(yōu)化工藝：A3B2C3D3173、四水平正交表應用

例、甘草酸提取方法實驗1819結果分析：

根據表12的R和K所示，列3、列4、列5是誤差估計列，因為其R均小，用其Re=(R3+R4+R5)×1/3=4.17來衡量RA和RB，而RA、RB均超過Re的2倍以上，故可知因子A、B均是主要因子。取其好水平，其最優(yōu)提取方法是：A4B4或A4B2。而最差提取方法是A2B1或A1B1。以試驗對照，均與試驗實際吻合。故結論為：(1)從甘草中提取甘草酸，用蒸餾水、0.5%氨水比用10％乙醇、0.25％氯仿水能明顯提供收率。(2)從甘草中提取甘草酸，其溶劑用量以600ml比300、250、200ml能明顯提高收率。20(二)有交互作用的試驗安排“世界上的一切事物都是互相聯(lián)系、互相制約的”。我們所做試驗的因子間關系也是如此。如某因子不論在其它因子的什么水平情況下，其試驗值不是水平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）較小者，稱為該因子不與其它因子發(fā)生明顯的交互作用。反之，某一因子水平好壞是依賴于其它因子水平而定，用正交表安排，其R值（或F值）一定較大者，這種情況表明這兩個因子間存在有明顯的交互作用。在醫(yī)藥科研和病例分析中，常常會遇到這樣類似的情況。21當某一藥物反應溫度為50℃時，反應時間用2小時，會比用1小時明顯提高收率。倘若反應溫度改成70℃時，而反應時間還是2小時，那么其收率就會比用1小時明顯的降低。但在加催化劑用量上，無論是反應溫度50℃還是70℃，或是反應時間2小時，還是1小時，催化劑用量20％的收率都明顯高于用10％的。因此，可以說“反應溫度與反應時間存在交互作用，而反應溫度與催化劑用量和反應時間與催化劑用量之間則不存在交互作用”。用正交表安排，前者的R（或F）值一定會比后兩者大。221、如何應用正交表來考察因子間是否存在著交互作用（1)定名A與B的交互作用表示為：A×BA與C的交互作用表示為：A×CB與C的交互作用表示為：B×C

這三種交互作用如果都安排在正交表上考察，照上述說法，RA×B一定大于RB×C和RA×C23(2)計算自由度

用正交表安排交互作用，一對交互作用當作一個因子，但其所占正交表的列數不一定和因子所占列數完全相同，而是要看其兩因子自由度乘積（即其自由度）大小來定。如二水平三因素的正交試驗，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，現(xiàn)在增加A×B，則其所做試驗次數是fA＋fB＋fC＋fA×B＋1＝5，在2水平正交表中沒有做5組的正交表，于是改用L8(27)安排。在三水平四因素的正交試驗中，fA×B＝(3－1)(3－1)＝4，而原來的3水平正交表每列自由度為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，因為fT＋1＝fA＋fB＋fC＋fA×B＋1＝(3－1)×4＋(3－1)(3－1)＋1＝13。24(3)查交互作用表

L4(23)只安排了二個因子，如果A與B存在交互作用，就在另一列上反映出來，其表頭設計為：

因子 A B A×B

列號 1 2 3

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)，在作表頭設計時應查對其所選用正交表后面的交互作用表。方法如下：在表頭設計時先查L8(27)的交互作用表，見表13。25如果A安排在列1，B安排在列2，那么A×B安排位置就從表13中的(1)橫著向右看，(2)豎著向上看，它們的交叉點是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。26交互作用的表頭設計為：272、交互作用占一列舉例

例、乙酰苯胺磺化試驗

乙酰苯胺磺化試驗，實踐表明反應溫度與反應時間可能存在著交互作用，因此在原來的正交試驗上加A×B，總自由度加1應改為：

fT＋1＝fA＋fB＋fC＋fD＋fA×B＋1＝(2－1)×4＋(2－1)(2－1)＋1＝6

按此計算，仍然可以選L8(27)安排。本例是4個因子各占1列，一個A×B交互作用占1列，共計占去5列，尚有2列空出，因此表頭設計應采用主效應主與交互作用混雜的設計，將A、B、C、D分別安排在列1、2、4、7，A×B安排在列3。而列5、6空著作試驗誤差估計。于是表頭設計為：2829試驗結果分析：

(1)確定主要因子：RC和RA×B較大，取其好水平C2、(A×B)2和差水平C1、(A×B)1，它們分別包括了較好的4號、6號和較差的1號、7號試驗，但沒有包括2號，為什么？第二步就應當把主要作用R值降低。由空著列R5、R6較小來看，可以合并當作Re，于是：Re＝(R5＋R6)1/2＝(3/4＋5/4)1/2＝4/4用Re值來衡量，A、B、D也可算主要因子，因為R因>2Re者，說明有75％的把握說該因子間的水平試驗值有不同影響。所以列1、2、7也可算主要作用列。當A×B存在，而且RA×B>RA、RB，A、B的最優(yōu)水平的確定要服從A×B列好水平所對應的水平。因此最優(yōu)水平的組合為(A×B)2C2D2、最差水平的組合為(A×B)1C1D1。選出的最優(yōu)試驗，如果將D2換成D1就包括了4號、6號試驗，D2>D1，可見選出的最優(yōu)水平組合會比4號、6號試驗更好。30(2)交互作用因子好水平的選?。河捎贏×B的存在，其好水平的選取就不是A1和B2，而要服從于A×B的好水平2所對應的水平，即A1B2、A2B1。也就是說，A1B2、A2B1搭配一定會比A1B1、A2B2收率高。(3)最優(yōu)試驗的選?。篈×B好水平確定了，再與主要因子C和D好水平組合就形成最優(yōu)試驗工藝為：A1B2C2D2、A2B1C2D2。

31結論：(1)反應溫度與反應時間存在交互作用。即反應溫度用50℃，反應時間宜用2小時，反應溫度用70℃，反應時間宜用1小時，否則收率會明顯下降。(2)硫酸濃度用27％比用17％的收率能明顯提高。

(3)攪拌宜去掉。在16種磺化工藝中，只有兩種最優(yōu)，即加硫酸27％在不攪拌情況下，用50℃反應2小時(或70℃反應1小時)。32例、復方丹參注射液的研制

臨床用丹參、葛根、桑寄生、黃精、首烏和甘草組成復方丹參湯劑，治療冠心病效果很好。要將它制成注射液，需要解決下列問題：

(1)這六種中藥組成是否合理

(2)用水煎煮，還是用乙醇滲漉能提高療效和降低毒性

(3)除去雜質是用調pH，還是用明膠能提高療效和降低毒性

(4)注射液中需不需要加吐溫-80助溶

為了解決上述問題，設計下列試驗：33正交試驗表設計：

總自由度加1＝fA＋fB＋fC＋fD＋fE＋fE×C＋1＝7，故選L8(27)安排試驗。3435結果分析：

(1)從血流量指標的R來看，B和C×E是主要的，B宜取B2，C×E宜取C1E2或C2E1，可明顯地增加冠脈血流量。其它因子R較小，其水平可以任選。

(2)從毒性指標的R來看，因子D、E、A的R較大，宜取D2、E2、A2能降低注射液的毒性。36結論：

(1)在上述四種藥方組成中，以丹參、首烏、黃精、葛根(B2)為最優(yōu)處方，再加甘草、桑寄生(A1)雖不會降低冠脈流量，但毒性增加。

(2)用水和60％乙醇滲漉，冠脈流量沒有明顯的差別，但從毒性來講，以水為好。

(3)除雜方法，調pH與加明膠無明顯差異，但從毒性考慮，以采用明膠為好。

(4)如果用水煎煮，則應該加吐溫-80。

(5)根據上述分析，最優(yōu)工藝為：A2B2C1D2E2。373、交互作用占二列舉例

例、抗生素培養(yǎng)基篩選試驗38fT＋1＝fA＋……＋fH＋fA×C＋fA×C＋1＝(3－1)×8＋(3－1)(3－1)×2＋1＝25

由于8個因子均為三水平，故用L27(313)安排試驗。FA×B和fA×C均是4，而L27(313)每列的自由度為2，故用兩列才能安排。見表18。

39

結果分析：(1)確定主要因子：R13與R因相比，R13較小，可算試驗誤差，同時RA×B、RE、RG和R13相近，可將其合并，計算Re。

Re＝(R13＋RA×B＋RE＋RG)1/5＝0.28754與Re相比，A、F、B、C、D、H、A×C均起主要作用因子。因此最優(yōu)組合為：B1(A×C)21D2F2H1。與試驗對照，如果(A×C)21換成(A×C)12、D2換成D3就是包括了較好的12號試驗。從K值(A×C)21比(A×C)12、D2比D3高來看，其B1(A×C)21D2F2H1組合應比12號試驗更好。因此B、D、F、H、A×C為主要因子。(2)交互作用因子好水平的選?。?A×C)21所對應的A、C水平是A3、C3，那么A3