（分析化学专业论文）化学计量学方法应用于经济类植物的研究.pdf

摘要 摘要 天然植物的成分非常复杂，其化学成分有几百甚至成千上万种，而经济类 植物特殊的食用方式( 如烟草燃吸、茶叶冲泡) 使人类对其研究更加困难。借 助化学计量学方法结合现代仪器分析，比如色谱技术可以方便快捷地研究经济 类植物。 本文基于色谱分析，分两个部分讨论了化学计量学方法在经济类作物研究 中的应用： 第一部分应用化学计量学方法对卷烟的主流烟气粒相物中极性非挥发物硅 烷衍生化的g c m s 数据进行了解析。首先应用主成分分析法判断各色谱峰中 的化学成分数。对于其中含有多种成分的重叠峰，应用多变量曲线分辨变换最 t b - - 乘法( m c r a i s ) 进行解析。用最大不相关法选取m c r - a l s 的一组初始 迭代矢量。最后根据总离子流图对解析得到的色谱峰曲线进行标度化。对选定 样品的g c m s 数据进行判别，发现1 6 8 的色谱峰是2 种或3 种成分的重叠峰， 经过解析可得到较好的色谱图和质谱图。结果表明此方法是解析复杂样品 g c m s 数据解析的有效方法。 第二部分借助高效液相色谱( h p l c ) ，研究了茶叶溶出动力学。以市 售西湖龙井绿茶为材料，开发了分离其水浸液的高效液相色谱方法。研究了 茶水中儿茶素类等组分含量在5 小时内的变化情况，结果表明各组分的含量 稳定，无显著变化。对恒温3 0 0 至7 0 0 和自然冲泡条件下，咖啡因、儿 茶素等多种组分从叶片扩散到水相的过程进行了研究。结果表明，恒温条件 下，各组分浸出过程很好地符合一级动力学模型，且浸出表观速率常数与温 度关系基本符合阿伦尼乌斯经验公式；自然冲泡条件下，各组分浸出过程与 二级动力学模型更为相符。根据各组分活化能及自然浸出的快慢规律，对儿 茶素等成分在水相中的溶解性能进行了客观评价。 关键词：烟草，重叠峰解析，高效液相色谱法，绿茶，浸出动力学 a b s t r a c t t h o u s a n d so fc o m p o n e n t si np l a n t sm a k ei tv e r yc o m p l i c a t e d t or e s e a r c h a n d t h es p e c i a lc o n s u m i n gw a y sl i k e t o b a c c os m o k i n ga n dt e as t e e p i n g m a k et h e r e s e a r c b m e n to fp l a n t se v e nm o r ed i f f i c u l t w i t ht h eh e l po fc h e m o m e n c m e t h o d s a i l dm o d e mi n s t m m e n ta n a l y t i c a lt e c h n o l o g ys u c ha sc h r o m a t o g r a p h y t h ea n a l y s e o f e c o n o m i cp l a n t si sb e c o m i n g e f f e c t i 、，e l v b a s e do nc h r o m a t o g r a p h ya n a l y s i s ，t h ea p p l i c a t i o no fc h e m o m e t t i c m e t h o d sl n t h er e s e a r c ho fe c o n o m i cp l a n t si sd i s c u s s e d t w op a r t s a r ci n v o l v e di nt h i sp a p e r 1 n t h ef i r s tp 砒c h e m o m e t r i cm e t h o d s a l eu s e dt o r e s o l v eg c m sd a t ao ft o t a l p a n i c u l a t e m a t t e ri nm a i n s t r e 锄 s m o k eo f t o b a c c oa f t e rs i l y l a t i n g p n n c l p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) i s a p p l i e d t oe s t i m a t et h e n u m b e ro fc h 锄1 c a l c o m p o s i t i o n s i n t h e c h r o m a t o g r a p h i c p e a k s m u l t i v a r i a t e c u e r e s o l u t i o n 砧t 咖a t i n gl e a s ts q u a r e s ( m c r a l s ) m e t h o d i se m p l o y e d or e s o l v et h e o v e f l a p p e dc h r o m a t o g r a m s t h e i n i t i a le s t i m a t ef o rm c r - a i _ s i sc 0 1 1 e c t e db y p i c k i n g t h em o s td i s s i m i l a rc h r o m a t o g r a p h i c p r o f i l e s - a n dt h e r e s o l v e d c h r o m a t o g r a p h i cp r o f i l e s a r es c a l e db a s e do nt h e t o t a li o nc h r o m a t 0 留锄 ln e r e s o l u t i o nm e t h o di sa p p l i e dt og c m sd a t ao fas e l e c t e d t o t a lp a r t i c u l a t em a t t e rm m a i n s t r e a ms m o k eo ft o b a c c os a m p l e 1 6 8 o ft h ec h r o m a t o g r a p h l cp e a k s a r e 0 v e r l a p p e dc h r o m a t o g r a m sc o n t a i n i n gt w oo r t h r e ec o m p o n e n t s a f t e rr e s o l u t l o n ， p u r ec h r o m a t o g r a p h i cp r o f i l e sa n dm a s ss p e c t r a a r eo b t a i n e d s a t i s f a c t o r yr e s u l t s i l l u s t r a t em a tt h er e s o l u t i o nm e t h o d s a r ep o w e r f u la p p r o a c h e sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no f t h en u m b e fo fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n sc o n t a i n e di nt h ei n v e s t i g a t e dc h r o m a t o 鲈a p n l c p e a k sa n d t h er e s o l u t i o no fo v e d 印p e dc h i o m a t o 铲a m s i nt h es e c o n dp a r t ，t h er e l e a s ek i n e t i c so fg r e e nt e a i sr e s e a r c h e db yt n e h e l po fh p l c ag r a d i e n t h p l cp r o c e d u r ei sd e v e l o p e d t o s e p a r a t e x l n u h n 曲gi n f u s i o n t h es t a b i l i t y o fc a t e c h i nc o m p o n e n s1 s r e s e a r c h e d l1 1 e c o n t e n t so ft h o s ec o m p o n e n t sh a v e n oo b v i o u sc h a n g ei nl a s t i n gf i v eh o u 。s t h e d i s s 0 1 v i n gp r o c e s so fs e v e r a lt e ac o m p o s i t i o n sf r o mt h e t e al e a v e st ow a t e ra r e a b s t r a c t s t u d i e db o t ha tf i x e dt e m p e r a t u r e sa n du n d e rn o r m a lt e a - m a k i n gc o n d i t i o n s t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ed r a w n u n d e rt h ef i x e dt e m p e r a t u r e sf r o m3 0 0 t o 7 0 0 。c ，t h ed i s s o l v i n gp r o c e s sc a nm a t c ht h ef i r s t - o r d e rk i n e t i cm o d e lw e l l m o r e o v e r , t h er e l a t i o nb e t w e e n t h eo b s e r v e dr a t ec o n s t a n t sa n dw a t e r t e m p e r a t u r e sc o r r e s p o n d st ot h ea r r h e n i u se q u a t i o n u n d e rn o r m a lt e a - m a k i n g c o n d i t i o n ，t h ep r o c e s sc o r r e s p o n d st ot h es e c o n d - o r d e rk i n e t i cm o d e lw e l l a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yo fe a c hc o m p o n e n ta n dt h e s e q u e n c eo ft h e i rd i s s o l v i n gr a t eu n d e rn o r m a lc o n d i t i o n s ，o b j e c t i v ee s t i m a t i o n s a r em a d eo nt h es o l u b l ea b i li t i e so ft h e mi nh o tw a t e r k e y w o r d s ：t o b a c c o ，r e s o l u t i o no fo v e r l a p p e dc h r o m a t o g r a m ，h p l cm e t h o d ，g r e e n t e a ，r e l e a s ek i n e t i c s i i i 符号说明 4 ，矗，c ， ，矿，c t 4 ，6 ，c 孑铲。一 4 l ， c s l r 符号说明 大写黑斜体字母为矩阵 上标t 表示矩阵或向量的转置 小写黑斜体字母为列矢量 为行矢量 为q x q ) 阶矩阵a 即矩阵a 具有p 行q 列 小写白斜体字母表示变量 色谱矩阵 质谱矩阵 量测矩阵 v l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：旒弘 泗，7 年；月陟日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：锄 如叼年月胆日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 化学计量学在重叠峰解析中的应用 1 1 1 化学计量学发展回顾 在当代科学技术革命浪潮的推动和冲击下，分析工作的仪器化、自动化和 计算机化等得到迅猛的发展，现代分析仪器能迅速、准确地为人们提供大量可 靠的量测数据，因此，对于分析化学工作者来说，如何选择最合适的分析方法 和最优测量过程，以及如何对由实验得到的原始数据进行再加工以便从中提炼 出新的、更多的有价值的化学信息就显得越来越重要。随着计算机科学，应用 数学以及统计学方法在化学，尤其是在分析化学中应用的不断广泛和深入，一 门崭新的化学分支学科化学计量学( c h e m o m e t d c s ) 诞生了。化学计量学 是数学和统计学、化学及计算机科学三者相互渗透而形成的一门边缘学科。它 应用数学和统计学方法，设计或选择最优量测程序和实验方法，并通过解析化 学量测数据( 信号) 而最大限度地获取信息【n 。化学计量学的兴起，正在逐步 改变以前被认为理论工作落后于迅猛发展的学科实践的分析化学的学科面貌 【2 1 。 化学计量学诞生于7 0 年代初期。1 9 7 1 年，瑞典化学家w o l d 正式宣布化学 计量学这门新兴学科的诞生。三年后，他与美国华盛顿大学的k o w a l s k i 教授在 美国成立国际化学计量学学会( 1 c s ) 。随着化学计量学的兴起和发展，化学特 别是分析化学工作者已不局限于应用现成的数学与统计学方法，而是根据化学 问题的实际需要，创建了系列化学量测数据的处理、分类，解析与预测方法。 进入8 0 年代，化学计量学的基础理论与应用研究已有长足进展，许多化学计量 学软件己成为分析仪器的有机组成部分，化学计量学课程己列入化学教学大纲， 分析化学被重新认识为一门化学信息学。9 0 年代，新的数学、计算机及其它科 学的最新科技成果，如人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 、小波理论 ( w a v e l e t t h e o r i e s ) 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) 等引入化学计量学领域， 各相关学科领域的科学家共同合作参与化学计量学的研究工作。随着分析工作 第1 章引言 的仪器化、自动化、计算机化的迅猛发展，现代分析化学已由单纯的提供数据 上升到从分析数据中获取有用的信息与知识，并成为生产与科研中实际问题的 解决者。其中数据处理与信息提取成为化学计量学的主要研究目标。随着计算 机的普及应用，化学工作者创建了一系列数据处理、分类、解析与预测等一大 批化学计量学方法，并编制出许多软件。到目前为止，过程分析化学、食品工 业，海洋化学、环境化学、有机合成化学、生物工程等众多领域都应用到化学 计量学1 。3 - 5 1 。 化学计量学从诞生至今，其研究方法已逐渐为广大分析化学工作者所掌握 和应用。国内外学者在这一领域做了大量的理论和应用研究工作，并取得了令 人瞩目的进展。化学计量学正在改变着以前被认为缺乏理论基础的分析化学学 科的面貌，为广大分析工作者提供了崭新的分析方法和手段。因此，化学计量 学有着广阔的前景、丰富的内涵和光明的未来，积极开展化学计量学的理论及 应用研究，必将有效地促进分析化学的迅速发展。 1 1 2 烟草和烟气化学分析概述 烟草作为一种天然植物，被人类栽培的历史可以追溯到1 4 9 2 年哥伦布发现 美洲新大陆，约4 0 0 多年前烟草就已流传到中国。人类研究烟草的历史也很悠 久，2 0 世纪3 0 年代就已经开始分析烟草的化学成分，到了4 0 年代对于烟草中 的化合物成分已有了基本的了解。近年来，随着人们对吸烟与健康问题的普遍 关注，以及分析化学的理论和技术的迅速发展，有关烟草与烟气的化学分析也 很快发展成为一门崭新的学科，并成为卷烟工业和烟草生产的重要部分。 作为一种天然嗜用植物，烟草具有复杂的化学成分组成，而烟草燃吸后产 生的烟气所包含的化学成分更加复杂，目前经研究发现存在于烟气和烟草中的 化学成分已超过5 0 0 0 种。1 9 5 4 年英国皇家医学分会和1 9 6 4 年美国医政总署先 后根据流行病学的统计资料，提出吸烟与健康有关的报告，从此人们对可能影 响健康的烟气成分的研究更加关注。烟草与烟气化学物分离技术的改进、模拟 人类吸烟行为的精密吸烟机的诞生、标准的吸烟条件制度的确定等一系列分析 测量技术和方法的产生与发展，为进一步取得烟气的分析资料创造了必要的条 件，对烟气中复杂化学成分的分离分析也使烟草与烟气分析化学进入了一个崭 新的阶段一j 。 2 第1 章引言 近几十年来，相关专业期刊上发表了大量关于烟草和烟气中各种化学成分 的定性和定量分析的研究结果，一些综述性文章也相继发表。r o d g e m a n l 7 l o j 介 绍了人工添加化学成分在卷烟主流烟气中的作用、卷烟主流烟气中多环芳烃 ( 队h s ) 的定性研究以及在烟草中的前驱物和控制标准方面的进展，p a s c h k e 等人1 1 1 l 介绍了过去5 0 年中对烟草产品的各种化学成分的作用和人工添加成分 在卷烟烟气中的存在形式和生物活性等方面的研究发现和进展，b a k e r 等人1 1 2 - 1 4 j 分香料和添加剂、包装材料两部分详细介绍了烟气化学中人工添加化学成分的 作用，并对4 8 2 种烟草成分在卷烟烟气中的作用及毒性进行了总结和介绍。这 些来自于国际各大知名烟草公司研究机构的综述性文献从不同的研究方向总结 了近凡十年来烟草与烟气化学分析领域的成果和发现，在理论上为减少吸烟对 人体健康可能产生的影响进行了广泛的研究和探索。 随着烟草化学的深入研究以及更好更有效的分离检测手段的使用，烟草分 析有了很大的发展，气相和液相色谱也成为研究烟草及烟气成分的主要仪器【堋。 先进的质谱检测器的应用使烟草和烟气成分的分离和定性定量分析达到了一个 新的高度。m i t s c h k c 等【1 6 1 介绍了对香烟主流烟气进行在线分析的研究结果， a d a m 等1 1 7 l 则应用了飞行时问质谱对香烟主流烟气的有毒化合物进行了定量分 析研究。 硅烷衍生化预处理技术和色谱与质谱检测器等的联用技术的发展和应用也 使烟草和烟气成分的分离和定性定量分析得到飞速发展，但是烟草和烟气的成 分特别复杂，分离出的色谱峰根据质谱数据到n i s t 标准谱图库中检索匹配时， 常常不能找到匹配度高的对应物质。这可能是由于烟草和烟气中一些化学成分 的标准质谱图在现有质谱图库中不一定存在，也有可能所分离出的色谱峰是保 留时间相近的多个组分的重叠峰。 1 1 3 色谱重叠峰解析 当前分析化学的主要特点是分析复杂体系、多组分体系，而具有分离和分 析双重功能的色谱技术对于解决多组分复杂样品的分析起着特别重要的作用， 因此色谱法也就在分析中占有特别重要的地位。色谱分离的本质是组分在流动 相、固定相间分配系数有差异，如果化合物( 如同系物、同分异构体、化合物 及其衍生物等) 结构、性质相似，使得这些物质分配系数差异不大，从而会使 3 第1 章引言 色谱峰发生重叠。由于多组分复杂样品千变万化，杂质干扰十分复杂，重叠峰 也就普遍存在，所以色谱重叠峰的解析也就成为近年来色谱分析的重大研究课 题。 在重叠色谱峰的分析中，通常情况下分析者总是通过优化实验条件，如更 换流动相、色谱柱，或采用梯度洗脱、程序升温、多通道检测等手段来分离、 分辨重叠峰，特别是全二维色谱的诞生使色谱分离效能又前进了一大步。所有 这些都是基于仪器硬件的事先处理方法，但往往由于资金、工作条件或样品特 别复杂等的原因，无法利用硬件对色谱重叠峰进行准确解析。 近几年，随着计算机的发展，化学计量学方法已经用来解析色谱重叠峰。 邵学广等【1 8 l 应用小波变换法对重叠色谱峰中的组分进行了定量分析研究，郭伟 强1 1 9 】用人工神经网络法对峰形重叠的乙二胺和三乙胺的含量进行了准确测定， m i 豳1 2 0 j 应用去卷积方法解析了g c m s 检测所得的色谱重叠峰，f l e r v a s 等1 2 1 】应用 基于遗传算法建模的神经网络算法对色谱峰严重重叠的组分的定量分析结果进 行改进，h i j 等人l 冽从定性定量分析方面比较了应用各种曲线解析法解析重叠 峰的优缺点。 使用数学方法对色谱重叠峰解析的优点在于它对硬件要求不高，只需在一 定实验条件下，获取足够的实验数据，借助计算机强大的运算能力，运用数学 方法进行计算，能够获取准确度较高的重叠峰解析结果，基本上可以满足一般 检测和分析的要求，因此其发展前景相当广润。 本课题研究中，首先基于某品牌香烟的主流烟气粒相物极性非挥发物的硅 烷衍生化的g c m s 数据，应用主成分分析法对每个色谱蜂进行成分数判断。 对于未完全分离的重叠峰，进一步采用合适的化学计量学方法，进行解析。 1 2 绿茶有效成分的溶出动力学研究 茶是仅次于水的饮品，全世界每天约消费3 0 亿杯。茶树原产于中国西南都， 早在西汉时期( 公元前2 0 0 年) 就作为“药物”在宫廷垒室中应用。但直到t 0 0 0 余年前的唐朝，因为茶树种植的普及，它才成为人们f 1 常生活的必需品并逐 渐由中国向国外传播。1 7 世纪茶叶由中国传到欧洲各国时，是在药店中出售的， 之所以能风靡欧洲大陆，也是由于它的神奇药效。后束茶树的种植在亚洲、非 洲、南美洲国家逐渐扩大，茶叶产量也r 益增加。2 0 世纪7 0 年代以柬，由于科 4 第1 章引言 学技术的发展，研究手段的提高，各国对茶的保健功效进行了大量的研究，引 起全世界的普遍关注。 茶作为一种传统饮料直受到消费者喜好。茶叶不仅含有纤维素、茶多酚、 维生素，还含有多种微量元素。茶叶中最重要的有效成份是多酚类化合物，又 称茶多酚，它具有非常强的抗氧化活性。茶叶中还含有2 5 种氨基酸，具有降压、 消除疲劳的功效茶叶中的脂多糖是类脂和多糖结合而成的大分子化合物，具 有降血糖的作用。除此之外，茶叶中还含有非常丰富的微量元素，饮茶的同时 可以补充人体所必需的微量元素。研究表明茶叶具有防衰老、提高免疫性、利 尿、提神、降血压、降血脂、降血糖、防龋、去臭解毒、杀菌抗病毒、抗突变 等功效，最近的研究还报道茶叶有护肝、抗过敏、抗溃疡的作用i 碉 粗略地估计，茶叶中经过分离和鉴定的有机化合物有4 5 0 种以上，无机矿 物元素也不少于1 5 种。近年来，备受人们关注的是茶多酚和咖啡因，它们被称 为茶叶的功效成分，这不仅是因为它们在茶叶中的含量高，而且更重要的是它 们具有很高的食用、医用价值。 茶多酚( t e ap o l y p h c n o l s ，简称t p ) ，又叫茶单宁、茶鞣质，是一类具有抗 氧化作用的酚类化合物，其含量占鲜茶叶干物重的1 5 2 5 ，是决定茶水滋味、 颜色的主体成分，也是决定茶叶品质的关键性物质，具有抗氧化、抗癌、抗肿 瘤、抗动脉粥样硬化、降血糖、抗龋护齿、抑菌等多种保健和药理作用。 咖啡因的化学名称为1 ，3 ，7 - 三甲基2 ，6 二氧嘌呤，分子式为c 8 h l 0 0 2 n 4 ， 在茶叶中的含量约为1 5 。它是决定茶水滋味的主体成分。咖啡因具有重要的 药理功能，如兴奋神经中枢、消除疲劳，解酒，利尿等。 茶作为一种特殊饮品，需要冲泡饮用茶水，其中有效成分的作用与浸出量 有关。浸提时间和冲泡温度等对茶水中化学成分的影响，及茶水浸提液在放置 过程中的变化情况等已经成为人们研究的重点。s p i r o 等人i 弹捌应用光谱和色谱 仪器对茶叶有效成分的动力学溶出过程进行一系列的详细研究，j a g a n y i 等人f 2 唧 从动力学角度研究了不同冲泡温度对咖啡因溶出速率的影响，并计算出了其溶 解活化能。g 等旧借助高效液相色谱，研究了在不同冲泡水温和时间下，茶 水中咖啡因、茶多酚、没食子酸等含量的变化情况，发现了茶水在4 和2 5 时 放置不同时问以及用4 c 和2 5 冷水冲泡时各组分的变化规律。国内对茶叶溶出 动力学的研究主要集中在冲泡水温和时| b j 对茶水中一些有效成分含量的总体变 化，而且分析仪器比较简单，多为紫外可见分光光度计，不能具体的研究某一 第1 章引言 成分的含量变化。肖文军等人i 冽的研究显示茶多酚和氨基酸的浸出动态明显受 浸提时间和浸提温度的影响，浸出量随浸提温度升高、浸提时间延长丽增加。 胡迎芬等 2 9 l 研究了冲泡水温、冲泡时间以及冲泡次数对茶水中茶多酚浸出率的 影响。贾俊辉等i 删分析测定了茶叶在冲泡放置2 4 小时过程中，茶水里含有的儿 茶素、氨基酸等有效成分的动态变化情况，并据此探讨了隔夜茶中有效成分的 动态变化，讨论了隔夜茶安全性，为茶叶的合理饮用提供了依据。冯婧等1 3 1 1 对 常温冲泡条件下茶水中有效物质的浸出规律进行了研究。 综观。文献所用实验材料多为袋装茶或粉碎的茶叶颗粒或茶片粉，较少使 用完整茶叶叶片；动力学研究温度在7 0 0 1 0 0 0 c 间，以8 0 0 c 为多，较少研究 低于7 0 和自然降温条件下组分浸出的动力学情况。国内对茶叶浸出过程的研 究开始较晚，利用高效液相色谱方法同时测定多组分浸出规律的研究更是少见 于报道。本文借助高效液相色谱，选取我国十大名茶之一的西湖龙井为对象， 保持茶叶叶片原样，在3 0 0 - 7 0 0 c 范围内恒温时，从动力学角度研究儿茶素、 咖啡因等多种组分的溶出速率随水温变化的规律，计算出西湖龙井绿茶中一些 组分的溶解活化能，并模拟正常泡茶过程，对自然降温条件下组分浸出的动力 学规律进行考察。 1 3 本文主要研究内容 基于色谱分析，本文共分为两个部分讨论了化学计量学方法在经济类作物 研究中的应用： 第一部分：应用化学计量学方法对某品牌香烟的主流烟气粒相物极性非挥 发物的硅烷衍生化的g c m s 数据进行解析。首先对所收集的某品牌香烟的主流 烟气粒相物中极性非挥发物成分进行硅烷衍生化预处理，然后应用g g m s 进行 分析。基于g c - m s 数据，应用主成分分析法判断单峰是否为单组分峰，对其中 的重叠峰进行了解析，并验证化学计量学方法解析色谱重叠峰的可靠性。 第二部分：从动力学角度研究绿茶中儿茶素、咖啡因和没食子酸等组分溶 出速率随水温变化的规律以及正常泡茶过程以上成分的自然溶出情况。利用高 效液相色谱法对儿茶素、咖啡因等成分从西湖龙井茶茶叶中溶出的动态过程进 行研究，分析它们在恒温和正常条件下的溶解性能。研究了水温恒定条件下， 茶叶组分溶出的动力学规律。计算出西湖龙井绿茶中一些组分的溶解活化能， 6 第1 章引言 研究比较了各组分溶解活化能的大小差异。活化能能够直观表征出反应速率受 温度地影响情况，正是活化能的大小差异，导致不同温度下，茶叶组分溶出的 快慢顺序不同。此外，本文还研究了正常冲泡过程中西湖龙井绿茶中各组分的 溶出速率，从动力学角度对其溶解速率进行了分析讨论。 7 第2 章理论 第2 章理论 2 1 主流烟气粒相物中极性非挥发物的气相色谱分析原理 气相色谱是一种高效能、选择性好、灵敏度商、操作简单、应用广泛的分 离、分析方法，因此在环境检测、药物分析及工业分析上得到了广泛的应用， 适用于沸点在5 0 0 以下、热稳定性良好、相对分子质量在1 0 0 0 以下的物质。 目前g c 所能分析的有机物，约占全部有机物的1 5 2 0 ，而这些有机物恰是 应用很广泛的部分。但是对于那些高沸点、高熔点，或带有羧基、羟基、氨基 或酰胺等基团的化合物，用g c 直接分析有困难，往往出现色谱峰拖尾严重。或 被吸附、热解等现象。为扩展气相色谱法的分析范围，衍生物气相色谱法开始 得到广泛研究和发展。衍生化技术提高了分析样品的挥发性，改善了色谱分离 效果，提高了检测灵敏度而且缩短了分析时间。 衍生物气相色谱法中常见的衍生方法主要有硅烷化、烷基化、酯化、酰基 化、缩合反应和手性衍生等i 翊。常用的重要衍生化试剂分成3 类。第一类是三 甲基硅烷化试剂( t m s 化试剂) ，所生成的衍生物对热稳定，吸附性小，常用的 有n o 双( 三甲硅基) 三氟乙酰胺( b s t f a ) 、三甲基氯硅烷( t m c s ) 、六甲基二 硅氨烷( h m d s ) 等，主要用于含羟基化合物的衍生物制各。第二类是甲酯化试 剂，主要用于含羧基的化合物，生成相应的甲酯，常用的有重氮甲烷乙醚液等。 第三类为卤素试剂，大多是含氟化合物，如三氟醋酐( t f a a ) 、甲基双三氟乙 酰胺( m b 订a ) 等，主要用于含氨基、羟基化合物的衍生物制备，对e c d 显示 很高灵敏度，可检测p g 级样品。 本文实验部分将采用硅烷化作为衍生手段。硅烷化衍生试剂是一种常见的 气相色谱衍生试剂，其主要作用是通过硅烷基取代羟基、羧基、巯基、氨基及 亚氨基的活泼氢而进行的，衍生产物是硅醚或硅酯。几乎所有含这些活泼氢的 化合物都能与硅烷化试剂发生衍生反应，反应活性顺序为：醇 酚 羧酸，胺) - 酰 胺。硅烷化衍生反应将非挥发性物质转化为挥发性衍生物，扩大气相色谱的测 定范围，已广泛的应用于药物学1 3 3 伽、生物化学1 3 8 删、环境化学1 4 1 羽1 和食品化 学【4 1 等领域，基本原理如反应方程式2 1 1 所示。 8 第2 章理论 目前单一硅烷化衍生试剂和混合硅烷化衍生试剂都已被广泛的应用，包括 b s t f a 3 8 , 4 2 - 4 3 ，明、m s t f a t 3 6 ，3 8 ，4 5 1 、h m d s l 3 7 - 3 a l 、b s t f a + 1 t m c s l 3 a 3 5 - 3 6 , 3 9 4 0 , 4 6 1 、 b s t f a + 1 0 t m c s l 3 4 1 、b s t f a + p f d h a 4 1 , 4 4 l 等，如图2 1 1 所示，可与多种官能 团进行衍生化反应。其中商品化b s t f a + t m c s 和h m d s + t m c s 硅烷化衍生试 剂的应用最广泛。 图2 1 1 可被硅烷化试剂衍生化的官能团 v | s k 伪| i ， n s 螂| h 0 西鳆c 屿b 4 1 - s i f c l l 山 删- s d n 4 s n c a , m z q 懈( r 械嘲 m # 删 卷烟烟气粒相物中所含的化学成分根据其挥发性可分为挥发物、半挥发物、 非挥发物，根据其极性可分为极性化合物和非极性化合物，根据其化学组成可 分为烷烃类、烯烃类、芳香族类、醇类、酮类、酚类、有机酸类、酯类和一些 碱类等。由于物质的多元性，很多物质交叉存在于各种分类中。h o f f e r m a n n 与 其合作者从1 9 6 7 年开始的近2 0 年间，发表了6 0 多篇有关“烟草烟气成分的化 学研究”系列文章，其中对烟气粒相物中的一些极性非挥发物也做了详细的报 导，如非挥发性游离脂肪酸【惦l 和非挥发性亚硝胺【4 9 峰。 随着实验技术的同臻完善，对于烟草化学的研究也进入到更高的理论和实 验阶段。当前对烟草组分的色谱研究，主要使用硅烷化实验方法。在本课题中， 考虑到烟气中的一些极性化合物( 如酚类和有机酸类等) 难挥发且不稳定，对 于烟气中极性非挥发物的检测，将采用b s l l l a + 1 t m c s 混合硅烷化衍生试剂 对样品进行预处理，b s t f a 衍生化反应的反应机理如反应方程式2 1 2 ，少量的 t m c s 主要是为了加快反应速度。 9 眦 胪 呲 一 卜嘞二鳓 一 i 霎 卜 衔 一 掐l 一 耐 x 尚 一 蚴 s 岛 净一 n 涑 蝴 枷姗榭懒删耐姘 第2 章理论 2 2 主成分分析 y 一蛾x 一少p 帆一 。2 工2 ， 主成分分析法( p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ，p c a ) i i , 奠嘲l 是指在特征之间 存在相关关系时，可以通过原始特征的线性组合，构成为数较少的不相关的新 特征代替原始特征，而每个新特征都含有尽量多的原始特征的信息。新特征叫 做原始特征的主成分。主成分分析在多元统计中主要是用作消除特征问相关性， 是简化多元统计问题的种有效方法，也可以作为一种简单的模式识别方法。 主成分分析根据下列公式采用两个小的矩阵( 得分矩阵和载荷矩阵) 对原 始数据矩阵x 进行解析： x 唧= 掰 d 臣 ( 2 2 1 ) 这里：蜀。是由栉( 样本) 行p 列( 特征) 构成的原始数掘矩阵；丁为得分 矩阵，其大小为 行d 列( d 为主成分数) ；l t 表示工的转置矩阵，其大小为d 行p 列。换言之，通过投影矩阵l o 将矩阵x 投影到d 维的子空l 日j 中可以得到在 该平面上的坐标r or 中的列称为得分向量( s c o r e v e c t o r ) ，l t 中的行称为载荷 向量( l o a d i n g v e c t o r ) ，两者均是萨交向量，即：当f f 时，f 1 1 i ，= 0 ，, t j = o 。 主成分分析进行数据重构，并得到互不相关的新特征，主成分的确定是基 于最大方差判掘，每一个主成分相继描述前一个主成分没能建模的最大方差。 第2 章理论 因此，数据的方差大部分包含于第一个主成分中，最后根据所有主成分所包含 的方差，可计算出所需要的主成分数。 2 3 软模型法 软模型法是基于主成分分析的一种化学计量学方法，其基本假设只有两条： 1 混合物量测谱符合线性加和性：2 波谱量测值只能为正值。因这两条假设要 求条件对一般波谱所产生的数据皆可成立，放其适用性较广1 1 9 1 。但因为其基于 化学模型的约束条件较少，所以软模型法也有可能产生多解或者错误表达解。 而其解出的浓度曲线是个相对曲线，即形状与实际曲线一致但不能确定标度， 因此需要一个标度化系数才能将其转化为真实曲线。 软模型法中大部分算法是迭代算法，这些算法一般采用两种迭代方式：1 化 学意义上的迭代方式，即通过l r c s 7 + e ( 1 ，为数据矩阵，c 为色谱矩阵，s 7 为质谱矩阵，曰为量测误差矩阵) 来迭代；2 化学与数学结合的迭代方式，即 结合y - c s 74 - e ( 化学意义) 与y = t x p t ( 数学意义，r 与，为两个正交矩阵) ， 利用一个转换矩阵冠将r 与质谱矩阵s 1 联系起来，从而进行迭代。对应这两种 不同的迭代方式，软模型法目前常用的两种是：多变量曲线解析变换最小二乘 法( m u l t i v a r i a t ec u r v er e s o l u t i o n a l t e m a t i v cl e a s ts q u a r e s ，m c r a l s ) 与迭代目 标变换因子分析法( i t e r a t i v et a r g e tt r a n s f o r m a t i o nf a c t o r a n a l y s i s ，i t t f a ) 。 2 3 i 多变量曲线解析变换最小二乘法 m c r a l s | 5 2 - 5 3 1 是由a n n ad ej u a n 和m a r c e lm a e d e r 等人提出的一种迭代自 模式解析法。其主要目的是根据式( 2 3 1 ) 对双线性实验数据矩阵y 进行优化 分解，以得到矩阵c 和s 7 。 y c s 7 + e( 2 3 1 ) 其中，c ( n t n c ) 为色谱矩阵，其列向量对应从实验数据矩阵l ，中解析得 到的n c 个主成分的色谱；s 1 ( n c h a ) 为质谱矩阵，其行向量对应，i c 个主成 分的质谱；e 为量测误差矩阵；上标“t ”表示矩阵或向量的转置；变量n t 、1 5 分别为色谱在保留时间轴上的采样点数和质谱轴上的荷质比数。 初始给定一个色谱矩阵c ( 质谱矩阵s 1 ) ，利用最小二乘法进行迭代逼近， 1 1 第2 章理论 从而获得一个逼近可能解。在每一次的迭代优化过程中，矩阵c 和s 都要进行 约束，以确保重新产生的数据矩阵l ，的误差尽可能地小。m c r - a l s 的主要步 骤如下： 1 利用p c a 确定数据矩阵y 中的主成分数； 2 根据化学性质或化学计量学方法构造一个非随机的色谱矩阵c ( 质谱矩 阵s ) 作为初始迭代矢量； 3 利用给出的y 和c ，使用最小二乘法求出动力学谱s ，并对其进行约 束； s t 一( c 7 c ) 一1 c 7 y ( 2 3 2 ) 4 利用给出的l ，和求得的s ，使用最d x - - 乘法求得新的c ，并对其进行 适当的约束： c r s ( s 7 s 1 1 ( 2 3 3 ) 5 返回步骤3 继续迭代。迭代过程中一般采用如下的约束条件l s 4 - s 6 1 ：1 非 负性；2 单峰性。这个受约束的迭代优化过程直到矩阵收敛或者达到预先设定 的迭代次数时才停止。 以上步骤适用于给定色谱矩阵c 的情况。当给定的初始迭代矢量为质谱矩 阵s 时，只需将步骤3 和4 交换一下即可l 明。 2 3 2 迭代目标变换因子分析法 i t i f a 是由g e m p e r l i n e t 5 8 1 和v a n d e g i n s t e 【5 9 1 分别独立提出的，其主要思路是 利用主成分分解的抽象矩阵来进行迭代，以求得一个逼近的可能解。将数据矩 阵l ，分解后得到的抽象正交矩阵f 和p 1 分别构成了正交空间，而且又与纯色谱 和纯质谱张成的空间为同一线性空间。因此，用抽象正交空间来替代纯色谱和 纯质谱张成的空间，从而对一初始矢量来进行迭代逼近，以求得一个逼近可能 解。其实，由g e m p e r l i n e 和v a n t e g i n s t e 分别提出的迭代目标转换因子分析法之 区别仅在于他们所取的切始迭代矢量的不同【删。 设已通过某种量测手段得到了双线性的色谱质谱数据矩阵r 。利用主成分 分析法对此二维数据矩阵l ，进行分解，得到 l r = t p 7 + 层( 2 3 4 ) 式中，r 是列证交矩阵，p 为一行j 下交矩阵，层为量测误差矩阵。 第2 章理论 根据l a m b e r t - b e e r 定律： y 。c s 7 + e( 2 3 5 ) 式中：c 为n t m 的色谱矩阵；s 1 为摊c 船的质谱矩阵；露为量测误差矩阵。 这里，变量n t , 凇分别为色谱在保留时间轴上的采样点数和质谱轴上的荷质比数， 抛为数据中包含的主成分数。对比上述两式可以得到： c s 7 t p 7 - 力龌+ 1 尸7( 2 3 6 ) 即 c - t r( 2 3 7 a ) 和 s 一r + 1 p 7( 2 3 7 b ) 式中，r 为n c r n c 的满秩转换矩阵，由它根据式( 2 3 7 a ) 和( 2 3 7 b ) 可将抽象 的色谱和抽象的质谱转换成具有物理意义的、真实的色谱和质谱。 很多基于自模式曲线分辨的算法，其目的也是在于求解这个转换矩阵冠。 式( 2 3 7 a ) 可写成矢量式，即 c ，弘 ( 2 3 8 ) 式中下标i 表示真实的色谱阵的第f 列。如果c ，已经通过某种方法得到，那 么利用最小二乘法，就可以很容易地得到 。 ，f 一仃z ) 一1 t 7 c l ( 2 3 9 ) 迭代目标转换因子分析的主要思路是利用迭代来解决这个问题的。首先构 造出合适的初始矢量c ? ，根据式( 2 3 9 ) 算出一个相应的p ，接着由式( 2 3 8 ) 得到个新的色谱，记为c _ 就这样进行迭代直到0 0 “一c ji i 小于某一给定的常 数，由此得到的c 就是我们要求的可能解i s 射。 当各组分的色谱被确定后，根据最小二乘原理可计算出组分的质谱： s 一( c 7 c 1 1 c y ( 2 3 1 0 ) 2 4 确定初始迭代矢量的方法 在上述两种方法中，初始迭代矢量对最终的解都具有决定性的作用，因此 如何确定一个初始迭代矢量是一个至关重要的步骤。初始迭代矢量的确定方法 主要有针式搜索法i 璐】、最大不相关法【6 l 】、渐进因子分析法【6 撕4 1 等。本文所用方 法为以下两种： 第2 章理论 2 4 1 针式搜索方法 针式搜索法渺-