（应用化学专业论文）二维数据解析的化学计量学方法及应用研究.pdf

摘要 现代分析仪器与检测技术提供了大量而又丰富的量测信息， 分析科学的目的在于发掘化学数据的外在表征与物质内在组成 之间的相互关系。高维数据解析方法的发展使人们对复杂化学体 系分析能力有了很大的提高，使得传统分析化学难以处理的化学 问题的解决成为可能。本论文从当前化学学科发展现状出发，从 色谱和光谱质谱分析技术入手，通过建立能有效利用色谱和光 谱质谱提供的信息的化学计量学方法，从而实现对中药等复杂 体系的定性定量分析。论文主要涉及四个方面：中药指纹图谱研 究，联用色谱数据分辨，生物体系中血清白蛋白、y 球蛋白及葡 萄糖近红外光谱分析和全同立构聚苯乙烯冷结晶动力学剖析。 一中药指纹图谱研究( 第二章第四章) ：中药指纹图谱的 品质评价必须解决两个主要问题：1 ) 源于测量仪器的系统干扰和 2 ) 源于不可预期的多样性的样本干扰。针对这两个问题，第二章 提出光谱相关色谱新概念，来达到复杂中药色谱指纹图谱中的相 关性组分判断。第三章利用局部最小二乘校正方法处理同种中药 样本在不同实验条件下所得的指纹图谱的色谱组分保留时间的 漂移问题，以解决仪器系统误差干扰，为中药指纹图谱品质的量 化评估提供基础。第四章提出修正的可靠性主成分回归分析，采 用指纹图谱“类”模式判定中药材及其市场商品个体多样性样本 的品质。 1 二联用色谱数据分辨( 第五章、第八章) ：藉子窗e l 因子分 析和商观推导式演进特征投影等化学计量学技术分辨二维数据 以得到熟地黄石油醚酸性提取物和原油非烃馏分中各组分的纯 色谱浓度轮廓和纯波谱。根据化学物质波谱的差异性，实现体系 物质群组分的定性，基于组分色谱和波谱乘积与组分的含量成正 比，实现各组分的体积积分定量。 三生物体系中血清白蛋白、1 ，球蛋白及葡萄糖近红外光谱 分析( 第六章) ：通过对磷酸盐缓冲溶液中血清白蛋白、丫球蛋白、 葡萄糖三组分定量分析，比较偏最小二乘回归、可靠性主成分回 归及修正的可靠性主成分回归数学模型对近红外光谱的分析效 果，探讨近红外光谱分析多元校正法建立数学模型的过程中模型 的选择、特征光谱信息的提取、背景和误差干扰的校正、模型参 数的确定等问题。 四全同立构聚苯乙烯冷结晶动力学剖析( 第七章) ：借助傅 立叶红外光谱和化学计量学二维分辨技术研究全同立构聚苯乙 烯的等温冷结晶行为，从分子水平上探讨高聚物在结晶过程中链 结构的构象变化和结晶动力学。 关键词： 中药指纹图谱，化学计量学，联用色谱，近红外光谱，聚合物 i i a b s t r a c t t h es c i e n t i f i ca n a l y s i so fc h e m i c a ld a t as e t si st od i s c o v e rt h eh i d d e n r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ec h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e i rc o n s t i t u t i o n s t h e r e c e n td e v e l o p m e n to fh i g h d i m e n s i o n a lc h e m o m e t r i c sr e s o l u t i o nm e t h o d s p r o v i d e sam o r ep o w e r f u lt o o lf o ru st oe x p l o r et h ec o m p l e xc h e m i c a ls y s t e m s a so p p o s e dt oc o n v e n t i o n a la n a l y t i c a lm e t h o d s t h ep r i m a r yp u r p o s eo ft h i s w o r ki st od e v e l o pn e wm e t h o d o l o g yi nh e r b a lf i n g e r p r i n t i n gr e s e a r c ha n d s p e c t r a la n a l y s i s a n dt o t e s tt h e a d e q u a c y o fc h e m o m e t r i c sr e s o l u t i o n t e c h n i q u e sa n dm u l t i v a r i a t ea n a l y s i si na r e a sr e l a t e dt ot h ec h e m i c a ls c i e n c e s h e n c e ，af a i rp a r to ft h et h e s i sd e s c r i b e sm e t h o d o l o g i c a ld e v e l o p m e n t sr e l a t e d t oh e r b a l f i n g e r p r i n t i n g a n dc h e m o m e t r i c sm e t h o d s ，a sw e l la st h e i r a p p l i c a t i o nt oc h e m i c a ls y s t e m s i na l l ，t h i st h e s i s c o v e r sf o u ra s p e c t sa s b e l o w 1 f i n g e r p r i n t i n gr e s e a r c ho fh e r b a lm e d i c i n e s ( c h a p t e r2t oc h a p t e r4 ) i n h e r b a lf i n g e r p r i n t s ，t h e r ea r ec o m m o n l yt w om a i ne n c o u n t e r e dd i s t u r b a n c e s ：1 ) d i s t u r b a n c e si n t r o d u c e db yt h em e a s u r e m e n td e v i c ei t s e l fa n d2 ) d i s t u r b a n c e s d u et ot h ed i v e r s i t yo ft h ei n v e s t i g a t e ds a m p l e s c o n c e r n i n gt h e s et w o d i s t u r b a n c e s ，s p e c t r a l c o r r e l a t i v e c h r o m a t o g r a p h y i sf i r s t p r o p o s e d t o d e t e r m i n et h ep r e s e n c eo ra b s e n c eo fs o m es p e c t r a lc o r r e l a t i v ep e a k sa m o n ga s e to fs p e c t r o c h r o m a t o g r a m sf r o mh e r b a lm e d i c i n e su n d e rs o m ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n si nc h a p t e r2 i nc h a p t e r3 ，l o c a ll e a s ts q u a r e sr e g r e s s i o nm o d e li s 1 1 1 s u i t a b l yc o n s t r u c t e df o rm o d e l i n gf i n g e r p r i n td a t aw i t hf a c t o r st h a ts h i f t t h i s i sr e l e v a n tf o rh a n d l i n gr e t e n t i o nt i m es h i f t s o fs o m ei n t e r e s t e dp e a k si n c h r o m a t o g r a m so fv a r i o u s s a m p l e s i tf a c i l i t a t e st h e s u b s e q u e n tq u a l i t y e v a l u a t i o no fh e r b a lf i n g e r p r i n t s i nc h a p t e r4 ，am u l t i v a r i a t ec a l i b r a t i o nm o d e l i n s p i r e db ys e c u r e dp r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o ni sd e s c r i b e df o rd e t e c t i n g u n e x p e c t e dc h r o m a t o g r a p h i cf e a t u r e sa m o n gh e r b a lf i n g e r p r i n t s m e a n w h i l e ， i tp r e s e n t sav i a b l ea p p r o a c ht o q u a l i t a t i v e l ye v a l u a t ed i v e r s eh e r b a lo b j e c t s w i t ha r e g u l a rc l a s so ff i n g e r p r i n t s 2 h y p h e n a t e dc h r o m a t o g r a p h i cr e s o l u t i o nm e t h o d s ( c h a p t e r s5a n d8 ) c h e m o m e t r i c sr e s o l u t i o n m e t h o d s ，s u c h a ss u b w i n d o wf a c t o r a n a l y s i s ， h e u r i s t i ce v o l v i n gl a t e n tp r o j e c t i o n sa n ds oo n ，a r eu t i l i z e dt ow e l lr e s o l v et h e a c i d i cf r a c t i o no f p e t r o l e u me t h e re x t r a c to f r a d i xr e h m a n n i a e p r e p a r a t aa n d n o n h y d r o c a r b o nf r a c t i o n so fc r u d eo i li n t op u r es p e c t r aa n dc h r o m a t o g r a p h i c p r o f i l e so fi n d i v i d u a lc o m p o n e n t s ，w h i c hm a k e st h eq u a l i t a t i v ei d e n t i f i c a t i o n a n dr e l a t i v eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fe a c h c o m p o t m dm o r er e l i a b l e 3 n e a r - i n f r a r e d s p e c t r o s c o p i ca n a l y s i s o fh u m a ns e r u m a l b u m i n ， y - g l o b u l i n ，a n dg l u c o s ei nb u f f e rs o l u t i o n s ( c h a p t e r6 ) p a r t i a ll e a s ts q u a r e s r e g r e s s i o n ，s e c u r e dp r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o na n dm o d i f i e ds e c u r e d p r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n a r e p e r f o r m e d f o rt h e q u a n t i t a t i v e d e t e r m i n a t i o no fh u m a ns e r u ma l b u m i n ，7 - g l o b u l i n ，a n dg l u c o s ei np h o s p h a t e b u f f e rs o l u t i o n sb yn e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y t h ed i s c u s s i o nf o c u s e so nt h e s e l e c t i o no fc a l i b r a t i o nm o d e l s r e l a t i n g t h em u l t i c o m p o n e n t o u t p u t s o f i v s p e c t r o m e t e r st ot h ec h e m i c a lc o n c e n t r a t i o n s ，t h ee x t r a c t i o no fi n f o r m a t i v e s p e c t r a lf e a t u r e s ，t h e c o r r e c t i o no fm e a s u r e m e n t b a c k g r o u n d a n de r r o r d i s t u r b a n c e s ，a n dt h ed e t e r m i n a t i o no fc r i t i c a lm o d e lp a r a m e t e r s ，e t c 4 d y n a m i ci n v e s t i g a t i o n o fi s o t a c t i c p o l y s t y r e n ed u r i n g t h ec o l d c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s ( c h a p t e r7 ) t h e s t r u c t u r a le v o l u t i o n so fi s o t a c t i c p o l y s t y r e n ea r ee x p l o r e d f o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e ds p e c t r a l v a r i a t i o n sa r e d u et ot h ef o r m a t i o no fo r d e r e dl o c a lc h a i n s ，t h ec o n f o r m a t i o n a lc h a n g e si n h e l i c a ls t r u c t u r e sa n dt h eo r d e r i n go fp h e n y lr i n g s c h e m o m e t r i c sm u l t i v a r i a t e c u r v er e s o l u t i o nt e c h n i q u ei sp r o m i s i n gt oa n a l y z ea n dv i s u a l i z es p e c t r a ld a t a a n dt o i n t e g r a t e t h e mw i t ho t h e ri n f o r m a t i o n ，m a k i n gs p e c t r a li n t e n s i t y v a r i a t i o n sm o r ea m e n a b l et oi n t e r p r e t a t i o nt oe x p l o r em o l e c u l a rd y n a m i c so f p o l y m e r s k e yw o r d s ：h e r b a lf i n g e r p r i n t i n g ，c h e m o m e t r i c s ，h y p h e n a t e d c h r o m a t o g r a p h y , n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , p o l y m e r v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：套尊参日期：垒垒垒年月j 韭曰 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：邋导师签艘日期：盟年互月盟日 博+ 学位论文 第一章引言 第一章引言 化学作为一门实验性、创造性科学i i 2 l ，与信息、生命、材料、环境、能源、地 球等科学紧密联系、交叉和渗透。化学是主要研究从原子、分予片、分子、超分子， 到分子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态的合成和反应，分离 和分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学f 3 】，它用分析 手段测定物质的组成和结构，用合成手段制造物质，用对化学过程的认识去控制化学 过程。化学寻求结构多样性和分子多样性，合成制备了数以千万计的化学物质，发展 了化学合成理论和技术，为阐明生命的起源、发现生物活性物质、新材料以及新药物 的设计合成奠定了理论和实验基础。化学研究物质之间的变化规律，阐明各类化学反 应的机理，从真实时空的水平上认识物质转化的化学过程。化学创立了研究物质结构 和形态的理论、方法和实验手段，认识了物质的结构与性能之间的关系和规律，为设 计具有各神特殊功能的化学品提供了有效的方法和手段【4 j j 。 分析化学是化学的重要学科分支之一。测试和分析是人们获得各种物质的化学组 成和结构信息的必要手段，是探知分析信号本质和机理的前提条件。2 0 世纪初，分析 化学基础理论，特别是物理化学基本概念( 如溶液理论) 的发展，使分析化学从一种技 术演变成为一f 1 - 4 - 学；二次世界大战前后，物理学和电子学的发展改变了以往经典的 化学分析为主的局面，开创了仪器分析时代：生物学、信息科学和计算机技术的引入， 以及生命科学、环境科学和新材料科学等的发展，使分析化学发展成为由许多密切相 关的分支学科交织而成的信息科学体系，它涉及到色谱学、电化学、光谱分析、波谱 分析、化学分析、热分析、放射分析、生化分析及传感器、联用技术、样品分离富集 方法、化学计量学和表面、微区、形态分析等分支学科。现代分析化学已不在局限于 定性、定量分析，而是要获取包括物质结构、形态在内的全面信息，并解决诸如对微 区、薄层、在线或在体等特殊要求的测定及分析测试的自动化及智能化。尽管分析化 学面对的门类繁多，分析方法千差万别，分析的对象五花八门，但是，要求测定的方 法更灵敏、更有选择性和专一性，获得的数据更准确、更快速，涉及的时空尺度更广 阔，得到的信息更多维，测定的体系、环境更微小，所用的样品更微量等，要求遥感 遥测、或在极端条件下或现场、在体、在线、无损检测等是其追求的永恒主题1 6 - 引。 分析化学在人类科学技术和社会发展中发挥着不可或缺的作用。生命科学、材料 科学及环境科学中的科学家们都已经认识到分析化学的重要性。例如，对原子1 分子 的识别是解释生物分子的功能、材料性能和标靶分子的环境行为的基础，适于特定体 系和特殊样品的光谱波谱分析方法学的研究将推动生命、材料和环境等相关学科的 博i 二学位论文 第一章引言 发展，同时带动光谱波谱分析化学自身的不断完善。1 9 9 9 年比利时布鲁塞尔发生的 饲料二恶英污染中毒事件引起全球消费者的恐慌，导致比利时内阁被迫集体辞职，当 时也是分析化学家拯救了比利时。2 0 世纪未“人类基因测序”被认为是一项伟大 ：_ ：= 程， 在该工程面临进展缓慢的困难时，是分析化学家对毛细管电泳分析方法的重大革新， 使这项伟大的t 程得以提前完成，从而揭开了后基因时代的序幕。 各种分析仪器、检测技术和分析科学方法的发展，使得分析化学已远超出化学的 概念，突破了纯化学的领域。现代分析仪器具有在相对短的时间内提供大量原始分析 数据的能力，甚至连续提供具有很高时间、空问分辨率的多维分析数据。如何处理这 些原始分析数据，以最优方式从中提取解决实际生产科研课题所需要的有用信息，就 成为矛盾的主要方面。化学计量学就是在这一一背景下诞生与发展的。化学计量学应用 数学、统计学及计算机科学为工具，发展了新的分析采样理论、校正理论及其他各种 理论与方法，设计、优化试验，检测、分辨量测信号 9 - 1 2 1 。化学模式识别与专家系统 能将原始分析数据转化为有用的信息与知识，为分析工作者进行判别决策及解决实际 问题提供依据i l “j 。化学计量学的迅速兴起，并且成为分析化学中最活跃的领域，对 分析化学的发展起了巨大的推动作用。化学计量学的先驱、美国著名分析化学家b r k o w a l s k i 宣称“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 和知识，成为生产和科研中实际问题的解决者”，“化学计量学将使分析化学从实验室 发展成为一个科学领域”。如在现代工业的自动化生产中以化学计量学为基础的过程 分析化学( p r o c e s sa n a l y t i c a lc h e m i s t r y ) 的形成与发展。过程质量控制分析是保证产品 质量的关键，产品质量的保证及改善取决于生产过程中化学成分( 或元素含量) 的控 制。为了推动过程质量控制分析，美国国家科学基金会于1 9 8 4 年在西雅图华盛顿大 学建立了“过程分析化学中心”，由k o w a l s k i 教授担任该研究中心主任。此研究中心的 任务是研究及开发尖端在线分析仪器及分析方法使之成为自动化生产过程的组成部 分。研究课题包括采样，仪器装置传感器，多参量数据分析方法( 如校正、分辨率、 精密度、灵敏度、速度、模式识别及统计方法等) ，自动化控制等方面。化学计量学 在这些课题研究中发挥主导作用，涉及化学、化学工程、电子工程、工艺过程及自动 化控制等学科领域，使用多种现代分析技术，如分子光谱、电化学分析、色谱、质谱 及波谱等f 6 】。 生命体系和生态环境中往往有种类繁多、形态复杂、性质各异、含量极微的化学 物质或活性化合物。这些化合物的相互作用错综复杂，既有线性变化，也有非线性变 化，或介乎于线性与非线性之间的变化；既有化学变化，也有生物变化。要对这些微 乎其微物质的组成和含量进行分析和检测，要对其复杂的结构或形态、生物活性及其 动态变化过程等进行有效和灵敏地追踪或监测，就必需分析化学和化学计量学，需要 充分利用和大力发展现代分析科学方法以及相关技术。如何利用化学计量学技术探明 博士学位论文 第章引言 复杂的多组分中草药体系的化学基础；如何建立起基于化学指纹图谱的中药牛产标准 化的质量控制与评价方法；如何解决中药复方制剂长期处于“丸散膏丹，神仙难辨”的 被动局面是本论文的方向之一。 w h o 西太平洋区域传统医学地区战略草案”指出：“传统医学疗法与产品面临标 准化的多重挑战。例如草药在许多重要方而有别于化学合成药物。草药通常包含大量 的化合物，而非一种单独的活性成分；一般并非所有的草药活性成分都被分离、描述 和量化；一种或几种草药混合的效果取决于一种或几种草药混合后的药理活性；甚至 一种植物也不是一个纯粹单一的化合物；常规的控制单体成分的技术可能不适用于复 杂的草药。这就需要对现有的一些规章制度进行一些调整，需要本地区国家间相互合 作，使得对草药的标准化控制达到协调一致”。在不同国家的传统医学中，唯有中医 药经过历代的发展和演绎，形成了一个有着浓厚古典自然哲学思想与民族文化背景的 理论和实践体系。“君臣佐使，各司其职”，强调用药的系统性和整体作用。 衡量中药材的真实性及其成方制剂的质量，以近代早期生药学为基础的形态学 ( 宏观和微观) 鉴别，发展到以天然化学为基础的理化鉴别，又从简单的试管反应发展 到今天的光谱与色谱分析，基本上采用以单一活性成分或指标成分为目标的质量控制 模式。然而，中药的共性成分作为检测的指标成分( 活性成分) 降低了鉴别的准确度和 专属性，任何单一成分的检测对控制和评价复方中( 成) 药的总体质量都显得苍白无 力。指纹图谱质量控制模式的提出使得中药( 材) 的研究方法和质量分析手段也由针对 个或者少数几个活性成分( 指标成分) 分析发展成为整味中药化学指纹图谱的综合 分析成为可能【i 羽。指纹图谱是在承认中药药效及l 临床验证的前提下，量化操作得到的 中药( 材) 化学物质组成浓度图谱，可以在中药的大多数有效成分没有明确的情况下反 映中药所含化学物质的种类与数量，以其整体的综合特征辨认中药( 材) 真伪和差异， 表观上各谱峰比例的变化或总积分值的不同，可以在量的概念上判断原料药材、半成 品及成品制剂质量的均一性和稳定性 l ”。 分析化学、药物化学及计算机科学的发展，大量化合物的标准光谱的文献公布和 相应标准谱图数据库的建立，又为各类化合物的定性分析和结构鉴定带来了新机遇， 使得对于已发现的化学物质的无标样的定性定量分析成为可能。化学计量学中解析高 维数据的新方法，使得对于色谱仪器所产生的多维数据的计算机处理成为可能。化学 计量学中化学模式识别方法为中药色谱指纹图谱的质量标准建立提供了解析新手段， 可最大限量地对复杂的色谱中药指纹图谱进行不同模式的定性定量分析。 本论文研究的第二个主体是将化学计量学分辨技术和联用色谱应用于复杂中药 体系和原油中氮化合物的分析。色谱是应用最广泛的分离复杂混合物的分析仪器。色 谱与各种光谱技术相结合，形成诸多联用仪器，如气相色谱质谱联用仪( g a s c h r o m a t o g r a p h - m a s ss p e c t r o m e t e r ，g c - m s ) ，高效液相色谱二极管阵列联用仪( h i g h 博士学位论文 第一章引言 p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h - d i o d e a r r a yd e t e c t i o n ，h p l c d a d ) 。联用色谱将 色谱的分离能力与光谱的表征能力相结合，对量测样本产生矩阵形式的j 维数据。化 学计量学分辨方法充分利用联用色谱数据中的丰富信息，实现重叠组分的数学分离 t l “，从而大大减轻了对优化色谱条件的依赖。 2 0 0 0 年世界卫生组织( w h o ) 公布了关于传统药物研究与评价的方法指南“尽管 在一二十年内，传统药在很多国家又得到了相当广泛的应用，但是它们还未在大多数 国家得到官方认可。有关传统药定性定量的安全性和有效性数据还远远达不到可使之 成为国际通用药物的标准。此类研究数据的缺乏，还刁i 仅是由于世界的卫生政策规定 的原因，更为重要的是，现今还缺乏适当、可接受的有关传统药评价的研究方法”。 只有对复杂的中药体系的化学成分建立起快速定性和相对定量分析的新方法，较为全 面的弄清楚中药的化学物质基础，才能解决中药长期处于“丸散膏丹，神仙难辨”，难 于得到国际药学界认同的被动局面。化学计量学二维分辨技术利用联用仪器产生的数 据提供的色谱流出信息和光( 波) 谱信息实现中药体系的重叠组分的数学分离和小组 分的去噪提纯，以得到各组分的纯色谱浓度轮廓和光( 波) 谱。根据文献公布的已发现 的化学物质的标准光谱，检索标准谱图数据库，实现各组分的无标样定性分析。基于 组分色谱和波谱乘积与组分的含量成正比，实现各组分的体积积分定量。 原油作为一种重要的能源和化工原料，其组分中非烃化合物的极性使得油与水、 岩发生作用，从而对原油粘滞性、p ”性质及蓄层( 影响二次采油) 产生影响。含氮化 合物的存在给原油加工工业带来了一系列问题，使得催化加工中催化剂中毒，在油品 储运过程中，导致油色变深及胶质化和自身氧化沉积。此外，原油产品燃烧时，其中 的含氮化合物以n o 。的形式捧入大气，造成环境污染，甚至有些氢化物( 仲芳酰胺类) 还有致癌性等等。含氮化合物能够强烈地、有选择性地吸附在矿物表面或固体有机物 上，可有效地指示油气运移的方向与距离。非烃化合物虽然含量很少，但其分离与组 成、结构、物理化学特性的研究在地球化学基础理论和应用研究中非常重要，对原油 的生成、运移、勘探和开采具有重要意义 1 ”。原油中非烃组分成百上千，含量分布范 围广泛，而且多数情况下多乖 杂原子共存于同一分子。因而，仅使用化学实验手段实 现非烃化合物及含氮化合物之脚的完全分离几乎是不可能的，也是不现实的。即使采 用最有效的联用色谱技术分离原油的非烃组分，但也无法避免组分共流出和信号同时 响应的现象。化学计量学分辨技术与联用色谱相结合并应用于原油中多数非烃组分的 无标样定性分析，提高了重叠组分和含量较低的小组分物质定性分析的准确性和可靠 性，从而降低了试验成本与时间损耗。 由于近红外光谱技术分析范围广一几乎覆盖所有的有机化合物和混合物测定、分 析过程简单化一样品不需要预处理即可直接测定、操作费用与技能要求低一仪器高度 自动化、测试速度快一短时间内可完成样品多项性能指标的测定，因而在有机化合物 博十学位论文 第章引言 的分析测定中具有独特的优越性i 】“。将近红外光谱所反映的生物样品基团、组成或物 态信息通过化学讨量学方法建立多元校正模型，处理样品光谱的复杂背景、解析光谱 的重叠、消除光谱的干扰因素实现复杂体系弱信号组分定性定量分析。 本论文通过傅立叶红外光谱和化学计量学二：维分辨技术研究高聚物的物理化学 性质的形成与高聚物的晶型结构及结晶形态的关系，从分子水平上探讨高聚物在等温 冷结晶过程中链结构的构象变化和结晶机理。 综上所述，本论文主要涉及以下四个部分： 1 中药指纹图谱研究( 第二章一第四章) ：首次提出光谱相关色谱新概念，利用联 用仪器提供的光谱与色谱信息和化学计量学二维数据解析方法，实现不同中药 样本光谱色谱指纹图谱( s p e c t r o c h r o m a t o g l a m ) 中的组分相关性判断；在光谱相 关色谱的基础上，发展了局部最小二乘校正方法，以处理不同指纹图谱中的相 同组分的谱峰漂移问题；为合理评估复杂的中药指纹图谱的品质，提出修正的 可靠性主成分回归分析，同时还提出了种利用“类”模式判定中药个体样本品 质的观点。 2 联用色谱数据分辨( 第五章、第八章) ：藉直观推导式演进特征投影、予窗口因 子分析、渐进窗口正交投影等化学计量学方法分辨联用色谱产生的二维数据， 实现复杂体系的重叠组分的数学分离和小组分的去噪提纯，以得到各组分的纯 色谱浓度轮廓和纯光( 波) 谱。根据已公布的化学物质的标准光谱，检索数据库， 实现体系物质群组分的无标样定性分析，基于组分色谱和波谱乘积与组分的含 量成正比，实现各组分的体积积分定量，为复杂实际样本分析开辟了新的途径。 3 生物体系中血清白蛋白、y 球蛋白及葡萄糖近红外光谱分析( 第六章) ：本部分 通过对磷酸盐缓冲溶液中血清白蛋白、y 球蛋白、葡萄糖三组分定量分析，比 较偏最小二乘回归、可靠性主成分回归及修正的可靠性主成分回归数学模型对 近红外光谱的分析效果，探讨近红外光谱分析多元校正方法建立数学模型的过 程中模型的选择、特征光谱信息的提取、背景和误差干扰的校正、模型参数的 确定等问题。 4 全同立构聚苯乙烯冷结晶动力学剖析( 第七章) ：借助傅立叶红外光谱和主成分 分析、正交投影以及交替最d , - 乘等化学计量学技术研究全同立构聚苯乙烯的 等温冷结晶行为，从分子水平上探讨高聚物在结晶过程中链结构的构象变化和 结晶动力学。 博 ：学位论文 第二章光谱相关色谱 第二章光谱相关色谱 分析化学与分析技术的不断进步及计算机科学和化学计量学解析高维数据方法 的发展，大量化合物的标准光谱的文献公布和相应标准谱图数据库的建立，使得实际 复杂化学体系的组成群物质的无标样的定性定量分析成为可能【l n 。本文利用联用色谱 仪器对复杂的化学样本进行色谱分离的过程中记录各流出组分的光( 波) 谱信息，为组 分的定性分析提供了重要依据的特点，首次提出了光谱相关色谱的新概念 1 8 , 1 9 。其基 本思想是利用主成分分析方法提取量测样本对应的二维光谱色谱( s p e c t r o c h r o m a t o g r a m ) 目标组分的关键光谱或波谱( k e ys p e c t r u m ) ，再由该关键光谱对另一量 测样本的二维色谱数据的光谱作矢量相关运算，同时结合局部色谱峰簇的基本特征， 判断不同实验条件下所得的分析样本色谱流出组分的相关性。 由于中药所含化学组分复杂，且多数组分缺乏相应的对照品，难于采用传统的方 法来精确描述。另一方面，由于这些化学活性组分大都为药用动植物的次生代谢产物， 它们又受种植培育产地的气候与地理特征、采集时期等因素的影响而使其化学组分的 浓度分布具有不同程度的波动性。因此，随着药物化学和中医药现代化的发展，中药 材与中成药的研究方法和质量分析手段也由传统的针对一个或者少数几个活性成分 或者指标成分分析发展成为整味中药化学指纹图谱的综合分析 1 4 ”也6 1 。中药化学指纹 图谱就其本质而言，可视为中药( 包括单味药及其复方制剂) 的一种依赖于不同提取方 法所得的活性化学组分的相对浓度分布谱 1 4 , 17 - 1 9 1 。采用这种图谱，可以在中药的大多 数有效成分没有明确的情况下反映中药所含化学物质的种类与数量，进而有效地表征 中药的整体性，用以鉴别真伪，评价原料药材、半成品及成品质量的均一性和稳定性 1 4 , 1 7 , 2 0 - 2 3 , 2 5 1 。 针对上述情况，我们应用光谱相关色谱方法识别同种中药在不同实验条件下所得 色谱指纹图谱中的相同组分，为中药色谱指纹图谱的数据处理以及基础理论研究提供 一种实用工具，同时为解决中药指纹图谱研究中测量仪器的系统干扰和样本的多样性 干扰问题奠定基础。 2 1 理论 根据相同的化学物质具有相同的光谱或波谱，在大多数情况下，同一样本的化学 成分在同种类型的色谱柱上保留时间不可能完全相同，但是洗脱的j 顿序应基本不变， 实现不同实验条件下所得的中药色谱指纹图谱的相关组分的判断，进而使得仪器系统 误差的校准和指纹图谱的评价成为可能。不同的两个色谱曲线，虽对应的流出组分的 博+ ! 学位论文 第。章光谱相关色谱 保留时间有些差异，但它们的光谱( 或质谱) 4 h i 亓j 或相似。通过对所有不同流出位置的 光谱相关计算，可得到一个类似色谱的光谱相关系数曲线，我们称之为光谱相关色谱。 一般地，两个色谱流出组分的光谱相关系数可以计算为， 唧，= 悫黼 ( 2 1 ) 一l 茎r ( f ，) 曼1 ，r 越大，表示组分i 的光谱s ，与组分，的光谱5 j 越相似。当r = 1 时，两 个组分就是相同的化学物质。实际上，由于量测误差的存在，r 最大值不可能等于l ， 只能逼近于1 。式( 2 一1 ) 中上标7 表示矢量的转置，i 表示光谱矢量的均值，可通过式 ( 2 之) 求得，”i i 为f r o b e n i u s 范数或者e u c l i d i a n 模，可由式( 2 _ 3 ) 计算， i ：! 止! 立：! ! si i = ( s ；+ s i + ( s l ，s 2 ，s 。为光谱s 的所有元素) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 我们通过某种适当的方法利用一个联用色谱仪，如g c - m s 或h p l c d a d ，测得 的色谱指纹图谱中的某一个纯物质光谱，记为s ，。事实上，这种纯物质光谱可通过对 目标色谱峰进行纯度检验，或通过选择性区域的确定而获取。为进一步得到相对于另 一色谱指纹图谱中该物质的光谱相关色谱，可依照式( 2 _ 4 ) 计算其所对应的二维色谱 指纹图谱墨。训在每一个色谱流出位置，的光谱，记为卫，( = 1 ，m ) ，与j 。的相关系 数。这样，我们就会得到本文所定义的相对于该目标纯物质的光谱相关色谱。 r ，= 丁；三；耋黼 口= ，：，川，c z 一， 根据光谱相关系数r 的大小，我们就可以判断出不同实验条件下所得的中药色谱 指纹图谱中同一化学物质对应的流出组分，而勿需具体鉴定该组分为哪种化学物质。 继而结合目标物质所在的原色谱峰簇的保留时间信息，正确判断其准确的峰位置，以 实现中药色谱指纹图谱的仪器系统误差的校准和指纹图谱的评价。 2 2 实验 1 t 2 7 。o l 2 2 1 仪器与材料 ( 1 ) 样品银杏叶样品，银杏叶提取物，银杏叶制剂样品；银杏叶标准提取物 e g b 7 6 1 ( 法国b o a u f o u r - i p s e n 药厂赠送) ；芦丁( 中国药品生物制品检定所) ； 3 - 0 一 2 一o - 【6 一o 一- 羟基- 反式一桂皮酰基) - 1 3 瑾一葡萄糖】一0 【一l 一鼠李糖槲皮苷， f 尊十学佗论文 第一章光谱相芙色谱 3 - 0 一 2 一o 一 6 一o p 一羟基一反式- 桂皮酰基) 一p 堞一葡萄糖 0 【一l 鼠李糖山奈酚苷( 法国 b e a u f o u r - i p s e n 药厂赠送) 。 ( 2 ) 仪器h p 1 1 0 0 液相色谱仪( a g i l e n t 公司) ，自动进样器，二极管阵列检测器， 恒温箱。 ( 3 ) 试剂纯水、乙腈( 色谱纯) 、异丙醇( 色谱纯) 、柠檬酸( 分析纯) 。 2 2 2 供试品溶液的制备 ( 1 ) 原料供试品溶液制备经o 4 5 9 m 的微孔滤膜，滤液为原料用银杏浸膏溶液。 ( 2 ) 注射剂的供试品溶液制备取供试品4 支，内容物浓缩至4 m l ，通过孔径 0 4 5 1 x m 的微孑l 滤膜，滤液为供试品溶液。 ( 3 ) 口服液的供试品溶液制备取供试品l m l ，加甲醇至5 m l ，通过孔径0 4 5 9 m 的微孔滤膜，滤液为供试品溶液。 ( 4 ) 片剂供试品溶液制备取供试品2 片，研细，称取3 0 r a g ，加甲醇5 m l ，超 声萃取1 5 r a i n ，滤过。滤液通过孔径o 4 5 9 m 的微孔滤膜，滤液为供试品溶液。 2 23 色谱条件 采用了德国s c h w a b e 及法国b e a u f o u r 1 p s e n 药厂的液相色谱指纹图谱的色谱条件 流动相比例略做调整，简化了操作。 色谱柱：s p h e r i s o r bo d s 一2c 1 8 ( 美国a g i l e n t 和w a t e r s 公司) ，4 x 2 5 0 m m ，5 9 m ： 流动相a ：水一乙腈一异丙醇一柠檬酸( 1 0 0 0 ：2 0 0 ：3 0 ：4 9 2 9 ) ； b ：水一乙腈一异丙醇一柠檬酸( 1 0 0 0 ：4 7 0 ：5 0 ：6 0 8 9 ) ； 线性梯度洗脱：0 m i n ：1 0 0 a ；2 5 m i n ：l o o b ； 流速：1 o m l m i m 检测波长：2 0 0 4 0 0 n m ； 进样量：1 0 9 l ； 柱温；2 5 。 2 2 4 数据处理 文中所涉及程序是用m a t l a b5 3 编写，在p e n t i u mi v1 7g h z 处理器上运行。 数据文件由自编的程序转为文本文件后，在m a t l a b 中处理。 2 3 结果与讨论 为了比较同种中药在不同实验条件下所得色谱指纹图谱化学组成的异同，实验中 使用了不同的色谱柱( 一个是a g i l e n tc 1 8 柱，另一个为w a t e r sc l s 柱) 。检测同一银杏 博十学位论文 第一二章光谱相关色谱 样本得到两个= 维数据，分别记作x 。与墨，其行方向表征了组分的色谱流出信息， 列方向包含有各流出组分的紫外光谱信息。图2 一l a 中的虚线和实线分别为x 与x ，在 波长= 3 0 0 n m 的色谱流出曲线，x ，与x 对应，x 2 与墨对应。从中可以看出，问一 银杏样本在同一台仪器不同的色谱柱。卜所得的指纹图谱发生了一定程度的组分色谱 保留时间的漂移，这将给指纹图谱的识别、鉴定以及质量评价带来不便和困难。下面 我们举例具体阐述光谱相关色谱，它可以较好地判断不同图谱中的相关组分，以便于 解决上述问题。 0 4 t ，r a i n 图2 1中药银杏样本的高效液相色谱指纹图谱与目标组分的光谱相关色谱曲