基于Fedorov算法优化的化学计量学光谱分析用于血浆和药物中头孢吡肟-他唑巴坦微量分析及其MA和NQS可持续性综合评价

《Scientific Reports》：Fedorov algorithm–optimized chemometric spectrophotometry for cefepime–tazobactam microanalysis in plasma and pharmaceuticals with integrated MA and NQS sustainability assessment

　　

研究人员开发了一种面向可持续性的绿色化学计量学辅助紫外光谱分析平台，用于同时测定药物制剂和人血浆中的头孢吡肟（CFPM）和他唑巴坦（TAZO）。水作为唯一的稀释剂，消除了有害有机溶剂的使用，显著降低了分析程序的环境影响。研究人员利用Brereton多水平设计框架中的Fedorov交换算法高效构建校准和验证集，产生25个校准和13个验证混合物，与常规设计相比实验工作量减少约70%。研究人员评估了三种互补的化学计量学模型：主成分回归（PCR）、萤火虫算法辅助偏最小二乘法（FA-PLS）和多变量曲线分辨-交替最小二乘法（MCR-ALS）。其中，MCR-ALS表现出优异的预测性能，两种分析物的相关系数均超过0.9998，椭圆联合置信区域（EJCR）分析证实系统偏差极小，且在药物和血浆基质中均具有高稳健性。检测限（LOD）分别为0.0487和0.0396 μg mL^-1，定量限（LOQ）分别为0.1476和0.1200 μg mL^-1。该方法按照ICH指南进行验证，并成功应用于CEFE-MAX^TM注射用粉末和强化人血浆。基质效应评估显示可忽略的信号抑制（-2.35%至-1.27%），表明强基质耐受性和校准可转移性。与已报道的高效液相色谱-紫外（HPLC-UV）、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）、毛细管区带电泳和紫外光谱光度法的比较基准测试表明，所提出的方法在灵敏度、简便性和环境可持续性之间实现了最佳平衡。使用多色彩评估（MA）、碳足迹分析和需求-质量-可持续性（NQS）指数的可持续性评估得出白度分数为83.6%，NQS分数为90，每次分析的低碳足迹为0.032 kg CO₂-eq。总体而言，所开发的平台为CFPM-TAZO组合的常规质量控制和初步治疗监测提供了一种快速、经济且环境友好的替代方案。

随着现代分析化学对准确性、效率与环境责任的要求日益提高，传统药物分析中广泛使用的色谱分离技术虽具优异灵敏度与选择性，但其复杂的仪器配置、大量有机溶剂消耗及较长分析时间已难以满足绿色实验室实践的需求。紫外-可见光谱光度法因操作简便、数据采集快速、运行成本低，且可在水相介质中进行，成为最具环境友好性的分析技术之一。然而，多组分药物体系中严重的光谱重叠使得传统单变量校准方法难以适用，亟需借助先进计算工具提取定量信息。与此同时，全球范围内劣质和伪造药品的泛滥对公共卫生构成重大威胁，开发可靠的分析方法以验证药品成分对于监管质量控制和供应链监测至关重要。头孢吡肟（CFPM）作为第四代头孢菌素，对革兰氏阳性菌和阴性菌具有广谱杀菌活性；他唑巴坦（TAZO）作为β-内酰胺酶抑制剂，与CFPM联用可保护后者免受酶解破坏。该联合用药的临床重要性要求建立灵敏、可靠的分析方法用于质量控制和治疗监测。现有报道方法多依赖超高压液相色谱（UHPLC）、高效薄层色谱（HPTLC）、毛细管区带电泳（CZE）、串联质谱（MS/MS）及反相高效液相色谱（RP-HPLC）等色谱平台，虽具高选择性和灵敏度，但伴随大量有害有机溶剂消耗、高运营成本和显著环境负担，与现代绿色分析化学（GAC）原则相悖。化学计量学辅助多变量校准通过挖掘光谱数据集中的潜在信息，无需物理分离即可实现多组分同时定量。主成分回归（PCR）和偏最小二乘法（PLS）利用光谱变量与分析物浓度间的协变关系构建预测模型；多变量曲线分辨-交替最小二乘法（MCR-ALS）则在适当约束条件下通过双线性矩阵分解恢复浓度分布和纯光谱特征，增强了解释性和灵活性。近年来，萤火虫算法（FA）等元启发式优化算法与PLS建模的结合被探索用于改善变量选择和提高预测精度。然而，化学计量校准模型的可靠性强烈依赖于校准和验证样本的设计与分布。基于随机或全因子混合生成的传统实验布局可能引入冗余数据点、增加实验工作量和化学品消耗。最优实验设计理论通过识别最具信息量的实验子集解决这一问题，Fedorov交换算法作为强大的优化工具，通过迭代选择实验点以最大化统计信息、最小化方差膨胀。除分析性能外，可持续性考量在现代分析化学中日益重要，多维可持续性评估工具如多色彩评估（MA）指标、需求-质量-可持续性（NQS）指数及碳足迹估算为方法的环境影响提供了综合量化框架。基于此，本研究旨在开发一种可持续的化学计量学辅助紫外光谱分析平台，用于同时微量测定药物制剂和人血浆中的CFPM与TAZO，并对其进行全面的可持续性评价。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：使用Shimadzu UV-1800双光束紫外-可见分光光度计进行光谱采集，在25±0.5°C条件下，以1.0 nm光谱带宽、0.5 nm采样间隔和中等扫描速度在210-350 nm波长范围内记录吸收光谱；基于Brereton多水平设计原则构建25个校准混合物，并运用MATLAB统计与机器学习工具箱中的Fedorov交换算法按D-最优准则优化选择13个验证混合物；在MATLAB R2023a环境中结合PLS工具箱和MCR-ALS工具箱，分别开发PCR、FA-PLS（萤火虫算法来自全局优化工具箱）和MCR-ALS三种化学计量学模型，其中MCR-ALS采用演化因子分析（EFA）进行初始估计，并在非负性、闭合性等约束条件下进行交替最小二乘优化；使用来自埃及开罗VACSERA公司的人血浆进行生物基质应用研究；最后采用MA框架、碳足迹分析和NQS指数进行可持续性综合评价，并与已报道的HPLC-UV、LC-MS/MS、CZE及常规UV方法进行基准比较。

校准矩阵构建与光谱数据架构方面，CFPM和TAZO的零级吸收光谱在210-250 nm区间呈现严重重叠，TAZO在约211 nm处有高强度吸收带，CFPM则在270-280 nm处有主吸收区。经系统评估后，将分析窗口确定为210-350 nm（141个波长变量）。校准矩阵按Brereton五水平因子设计（-2, -1, 0, +1, +2）构建，25个混合物均匀覆盖两 analytes 的双维浓度空间。Fedorov交换算法优化验证集选择，通过D-最优准则迭代最大化Fisher信息矩阵行列式，最终13个验证样品在空间上呈均匀分散分布，无聚类或杠杆值累积，确保了预测性能的可靠性。

多变量校准模型开发与比较评价方面，PCR作为基线线性模型，经均值中心和方差缩放预处理后，通过留一交叉验证确定保留3个潜变量，主方差贡献源自210-250 nm区域，但较高的RMSEP值（CFPM: 0.371 μg mL^-1, TAZO: 0.345 μg mL^-1）反映了全光谱线性建模在高度共线性光谱系统中的局限。FA-PLS通过萤火虫算法进行波长子集优化，种群规模25只萤火虫、进化100代，保留约58%（CFPM）和66%（TAZO）的原始变量，实现了42%和34%的光谱降维，优化后RMSEP降至0.281和0.257 μg mL^-1，保留2个潜变量。MCR-ALS通过双线性分解将重叠光谱矩阵解析为纯浓度和光谱分布，EFA系统秩估计确认二元体系，在非负性、闭合性等约束下迭代至残差稳定，解析的纯光谱与参考光谱高度吻合。验证结果显示MCR-ALS的RMSEP最低（CFPM: 0.214, TAZO: 0.192 μg mL^-1），回收率均值最接近100%，相关系数超过0.9998。

综合分析方法验证严格按照ICH Q2(R1)指南进行。灵敏度方面，采用净分析物信号（NAS）法估算LOD和LOQ，MCR-ALS模型的LOD分别为0.0487和0.0396 μg mL^-1，LOQ分别为0.1476和0.1200 μg mL^-1。准确度通过三个浓度水平的加标回收评价，回收率99.32%-100.12%。精密度考察显示日内%RSD不超过0.724%，日间不超过0.832%，MCR-ALS模型变异最小。稳健性通过调整光谱带宽、扫描速度和比色皿位置等参数验证。EJCR分析表明MCR-ALS的95%置信椭圆最小且最接近理论理想坐标（斜率=1.0，截距=0.0），证实其比例和恒定误差最小；PCR椭圆最大且有位移；FA-PLS居中。单因素方差分析表明三种模型间无统计学显著差异，但EJCR提供了更高分辨率的判别能力。

药物制剂应用方面，对CEFE-MAX^TM注射用粉末的直接分析显示，MCR-ALS回收率分别为100.10%（CFPM）和99.96%（TAZO），标准加入法回收率99.82%-100.28%，%RSD≤0.91%，表明辅料干扰可忽略。人血浆应用及校准可转移性评估显示，采用外部校准模型（无基质匹配校准）进行加标人血浆分析，CFPM回收率94.92%-98.01%，TAZO回收率94.38%-97.72%，略低于制剂结果，属蛋白质沉淀和基质效应的预期范围。MCR-ALS模型始终表现最优。基质效应评估显示基质因子0.9765-0.9873，信号抑制仅-2.35%至-1.27%，证实校准可转移性良好。该方法覆盖的CFPM浓度范围（1-17 μg mL^-1）和TAZO范围（1-9 μg mL^-1）与临床相关水平相符，适用于初步治疗药物监测。

可持续性评估是本研究的重要组成部分。研究人员明确区分了"绿色度"和"可持续性"两个概念：绿色度特指通过减少有害试剂使用、降低能耗和废物产生来最小化环境影响；可持续性则是更广泛的框架，额外整合分析性能、实用性、创新性、经济可行性和社会相关性。MA评估显示该方法GEMAM（绿色度）90.1%、BAGI（蓝色度/实用性）86.2%、RAPI（红色度/分析性能）87.9%、VIGI（紫罗兰色/创新性）70.0%，总白度分数83.6%，显著高于HPLC-UV（62.6%）、LC-MS/MS（61.4%）、CZE（65.6%）和常规UV（74.9%）。碳足迹分析采用扩展系统边界（从摇篮到大门），涵盖仪器能耗、甲醇生产、一次性滤膜、耗材及废物管理，每次分析碳足迹仅0.032 kg CO₂-eq，约为色谱方法的1/3至1/4。NQS综合评分90%，在需求、质量和可持续性三个维度均表现优异，并与联合国可持续发展目标（UN-SDGs）中的SDG 3（良好健康与福祉）、SDG 4（优质教育）、SDG 7（经济适用的清洁能源）、SDG 9（产业、创新和基础设施）、SDG 12（负责任消费和生产）及SDG 13（气候行动）形成明确对应。

综合讨论部分，本研究首次将Fedorov交换算法优化实验设计、先进化学计量建模、人血浆应用与基质效应评估以及全面可持续性基准测试整合于CFPM-TAZO同时测定中。三种化学计量模型的层级性能（MCR-ALS > FA-PLS > PCR）表明，从全光谱回归到变量优化再到双线性解析，信号判别能力逐步增强。MCR-ALS的卓越性能源于其能够在量化前分离纯组分贡献，从而减轻共谱矩阵中的协方差干扰。该方法的水相稀释策略彻底消除了有机溶剂，Fedorov优化设计减少约70%实验工作量，从操作实践和环境保护双重角度体现了绿色分析化学原则。血浆分析中外部校准的成功应用和低基质效应证实了模型的稳健性和可转移性，尽管目前验证基于加标空白血浆而非患者样本，但该方法已为快速、可持续的血浆筛查提供了可靠基础。

研究结论部分翻译如下：本研究提出了一种绿色的、面向可持续性的紫外光谱光度法，结合先进化学计量建模，用于同时测定药物制剂和人血浆中的头孢吡肟和他唑巴坦。Fedorov交换算法优化实验设计与PCR、FA-PLS和MCR-ALS模型的集成，实现了校准集和验证集的高效构建，在大幅减少实验工作量的同时保持了统计严谨性和预测可靠性。化学计量模型的比较评价显示，从PCR到FA-PLS再到MCR-ALS性能逐步改善，MCR-ALS在药物和生物基质中始终提供最高准确度、精密度、最低预测误差和最小系统偏差，其椭圆联合置信区域最小。该方法按照ICH指南成功通过验证，表现出优异的线性、灵敏度、精密度和真实度。在CEFE-MAX^TM注射用粉末和强化人血浆中实现了可靠定量。血浆分析中外部校准的成功应用与可忽略的基质效应共同证实了方法的强稳健性、校准可转移性，以及用于快速筛查和初步治疗监测的适用性。全面的可持续性评估突出了绿色度与可持续性的区别，同时确认了所提出平台的优越环境特性。该方法获得83.6%的白度分数（MA）、90分的NQS指数，以及评估方法中最低的碳足迹（0.032 kg CO₂-eq/样本）。与已报道的HPLC-UV、LC-MS/MS、毛细管区带电泳和常规UV方法的基准比较进一步证实了其在分析性能、环境影响和实用适用性之间的 superior 平衡。总体而言，所提出的策略表明，智能实验设计与化学计量光谱分辨的结合，为多组分药物分析提供了相对于传统溶剂密集型方法的稳健、经济且环境友好的替代方案。该框架为未来的方法开发中分析性能与现代可持续性原则的协调提供了可扩展的途径。该论文发表于《Scientific Reports》。