（应用化学专业论文）多组分定量分析的迭代优化—紫外分光光度法的研究.pdf

多组分定量分析的迭代优化一紫外分光光度法的研究 摘要 化学信息学是- f q 关于计算机、数学及统计分析技术在化学中应用的科学。 化学信息学和光谱分析相结合使得光谱分析进入了一个新时代，是现代光谱分析 技术的一种非常有前途的方法。本文将化学信息学与紫外一可见分光光度法相结 合，建立了一种新的对多组分混合物进行定鼍分析的非线性优化迭代一紫外分光 光度法。方法对组分浓差较大的混合物体系及组分光谱严重重叠的混合物体系进 行了定量分析研究。 本文方法把多组分混合物的吸光系数和待测浓度同时作为决策变量，将多组 分混合物定量分析问题表示为一个有约束多变量优化问题，创建数学模型，选用 加和性良好的连续波长段做为优化波长集，选择广义简约梯度优化算法进行求 解。据所建数学规化模型，由各样品的初始标准样品浓度值c 。，优化计算得分析 结果c “，方法简单易行，但对于混合物中组分浓度差较大的体系，定量结果相 对误差较大，基本不能满足定量分析的要求。基于此，本文提出了连续波长迭代 优化一紫外分光光度法，方法引入了迭代的思想，将一次优化结果c i 。代替c 。配 置溶液扫描数据代入模型继续优化计算，如此类推，逐次迭代同时逐步降低分析 t 误差。而且因为最终结果的得出并不是只经步计算所得，在几次的迭代过程中 误差是逐步下降的，所以样品的标准浓度对分析结果的影响并不大。 对三种浓差较大的混合物体系进行了多组分定量分析，结果表明：苯甲酸钠、 山梨酸钾的平均相对误差为0 6 3 ；苯酚、喹啉、吡啶的平均相对误差为1 0 1 ； 日落黄，柠檬黄、胭脂红和靓蓝的平均相对误差为0 8 1 。分析结果表明方法抗 干扰能力强且定量准确。 在研究的过程中发现优化波长集的选取相当关键。对于紫外吸收光谱严重重 叠的混合物体系，本文在光谱数据预处理过程中用选取优化波长集合的方法，即 采用加和性检验和模式识别的系统聚类分析方法对波长进行优化选择，突出了各 组分之间的差异，降低波长点所含信息的相关性。然后把吸光系数和待测浓度同 时作为自变量建立有约束非线性数学规划模型实现定量分析的要求，对于组分浓 ， 度差较小的混合物体系只需经一次优化计算可得待测浓度；混合物中浓度差较大 的体系经四次左右优化迭代，逐步降低误差得分析结果。利用本法对四组分光谱 严重重叠的食用色素( 日落黄、苋菜红、胭脂红和诱惑红) 混合体系的定量分析 相对误差为3 6 3 之内，表明该法稳定、准确度高。 考察了精密度问题。通过对四种混合物体系进行了多次定量分析，标准偏差 ( 精密度) 在0 1 8 - 2 2 4 间，表明具有较高的精密度。满足多组分定量分析的 要求。 关键词：紫外光谱；多组分定量分析：非线性规化；迭代；系统聚类 s t u d yo nt h e i t e r a t i o no p t i m i z a t i o n u v s p e c t r o p h o t o m e t r yo fg u itic o m p o n e n tq u a n tit a tiv e d e t e r m i n a t i o n a b s t r a c t c h e m i c a li n f o r m a t i o ni sas u b j e c to nc o m p u t e r , m a t h e m a t i c sa n ds t a t i s t i c s a n a l y s i st e c h n o l o g y t h ea s s o c i a t i o no fc h e m i c a li n f o r m a t i o nw i t hs p e c t r u mt e c h n i q u e m a k e ss p e c m m aa n a l y s i sc o m ei n t oan e we r a , a n di ti saf u t u r em e t h o do fm o d e m s p n c t n t ma n a l y s i st e c h n i q u e i n t h i s s t u d y , t h e m e t h o do fs i m u l t a n e o u s m u l t i - c o m p o n e n tq u a n t i t a t i v e d e t e r m i n a t i o nw a s p r o p o s e d u s i n g i t e r a t i o n o p t i m i z a t i o n - - u v - s p e e t r o p h o t o m e t r y ，w h i c hi 8c o m b i n e dc h e m i c a li n f o r m a t i o nw i t h u v - s p e e t r o p h o t o m e t r y a n dt h et e c h n i q u ea n a l y s e sq u a n t i f i c a t i o n a l l yt h es y s t e mi n w h i c ht h ec o n c e n t r a t i o no fe v e r yc o m p o n e n ti sc l o s et oe a c ho t h e ra n dc o m p o u n d s p e c t r a sa r eo v e r l a p p e db a d l y t h em e t h o dt r e a t st h ea b s o r p t i v i t yc o e f f i c i e n ta n dc o m p o n e n tc o n c e n t r a t i o no f s o l u t i o n sa si n d e p e n d e n tv a r i a b l e sa tt h es a m et i m e t h e ni ts e t su pac o n s t r a i n e d o p t i m i z a t i o nm o d e lt os o l v ei tb yg e n e r a l i z e dr e d u c e dg r a d i e n tu s i n gt h ei n f o r m a t i o n o fc o n t i n u o u sw a v e l e n g t ho fg o o da d d i 吐v 酊a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h e a n a l y s i sr e s u l tq l c a l lb eo b t a i n e df r o mt h ev a l t mo fi n i t i a ls t a n d a r dc o n c e n t r a t i o n c o i i t s e e m se a s ya n df e a s i b l e ，b u tt ot h ec o m p o u n d s y s t e m i nw h i c ht h e c o n c e n t r a t i o no fe v e r yc o m p o n e n ti sn o tc l o s et oe a c ho t h e r , r e l a t i v e 豇l o ro f q u a n t i t a t i v er e s u l ti s s ob i gt h a ti tc a l ln o tm e e tt h en e e d so fq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s b a s i n go nt h i s ，t h es t u d ya d v a n c e st h em e t h o do fc o n t i n u o u sw a v e l e n g t hi t e r a t i o n o p t i m i z a t i o n - - u v - s p e c t r o p h o t o m e t r y t h em e t h o di m p o r t st h ei d e ao fi t e r a t i o n t h i s a n a l y s i sr e s u l t c t fr e p l a c e st h ea s s u m e di n i t i a lc o n c e n t r a t i o n c o ft op r e d i c tr i g h ta l o n g ， r e i t e r a t i o nj u s tl i k et h i su n t i lc o n v e r g e n c e b e c a u s et h ef i r s to p t i m i z a t i o nr e s u l ti s s i m i l a rt ot h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o nt ob et e s t e d ，r e l a t i v e 豇 r o ri sd e p r e s s e dw i t ht h e i t e r a t i o ng o i n go n m o r e o v e r , t h el a s tr e s u l ti sn o to b t a i n e do n l yo n eo p t i m i z a t i o n a c c o u n ts t e p ，i ti sa c h i e v e da f t e rs e v e r a li t e r a t i o ns t e p s s o ，t h ep r e c i s eo fm e t h o dd o e s n o tf e l lb a c ko nt h ei n i t i a ls t a n d a r dc o n c e n t r a t i o n 。o t h et e c h n i q u es t u d i e dt h r e ek i n d so fc o m p o u n ds y s t e mi nw h i c hc o m p o n e n t s a b s o r p t i o ns p e c t r u ma r eo v e r l a p p e ds f i g h f l ya n dc o m p o n e n tc o n c e n t r a t i o ni sn o t c l o s et oe a c ho t h e r , t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r e t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro fb e n z o i ca c i d a n dp o t a s s i u ms o r b a t ei so 6 3 ；t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro fp h e n o l ，q u i n o l i n e ， p y r i d i n ei s1 o l ；a v e r a g er e l a t i v ee r r o rs u n s e ty e l l o w ，t a r t r a z i n e ，p o n c e a u4 ra n d i n d i g oc a r m i n e i so 8 1 t h ed a t as h o w st h a tt h em e t h o di ss t e a d ya n dp r e c i s e i nt h ec o u r s eo fs t u d y , t h ec h o i c eo fo p t i m i z a t i o nw a v e l e n g t hr a n g ei sv e r y i m p o r t a n t c a l c u l a t i o ni se a s yt oc a r r yo u tt ot h i ss y s t e mi nw h i c hc o m p o u n ds p e c t r a s a r eo v e r l a p p e ds l i g h f l yu s i n gt h eg o o da d d i t i v i t yw a v e l e n g t hr a n g e b u tt ot h es y s t e m i nw h i c hc o m p o u n ds p e c t r a sa r e o v e r l a p p e db a d l y , o p t i m u mw a v e l e n g t hg a t h e r a b t a i n e da f t e rh i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n ga n da d d i t i v ev a l i d a t i o nt or e d u c ec o r r e l a t i o no f t h ec o m p o n e n ts p e c t r a s t h e ni tt r e a t st h ea b s o r p t i v i t yc o e f f i c i e n ta n dc o m p o n e n t c o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o n sa si n d e p e n d e n tv a r i a b l e sa tt h es a n l et i m ea n ds e t su pa c o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o nm o d e l t h ec o n c e n t r a t i o na w a i t i n gt e s tc a nb eo b t a i n e da f t e r o n eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o nt ot h em i x e ds o l u t i o ni nw h i c ht h ec o n c e n n a t i o no fe v e r y c o m p o n e n ti s c l o s et oe a c ho t h e r b u tt os o m es o l u t i o n si nw h i c hc o m p o n e n t c o n c e n t r a t i o ni sn o tc l o s et oe a c ho t h e r , i t e r a t i v eo p t i m i z a t i o ni sn e c e s s a r y t h el a s t r e s u l t sw e r eo b t a i n e da f t e ra b o u t4t i m e si t e r a t i o n s a n dt h er e l a t i v ee 盯o fc a nb e c o n t r o l l e di n3 6 3 s ot h i sm e t h o dc a nb eu s e dt od e t e r m i n eq u a n t i t a t i v e l ya n a l y s i s o fo v e r l a p p i n gu vs p e c t r a p r e c i s i o ni sc a r r i e do ns t u d y m u l t i - c o m p o n e n ta n a l y s i sr e s u l to ff o u rk i n d so f c o m p o u n ds y s t e mi st h a tr e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n i sl e s st h a n2 2 4 ，w h i c h i n d i c a t e st h a tt h em e t h o dh a ss u p e r n a lp r e c i s i o na n dm e e t st h en e e do f m u l t i c o m p o n e n tq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s k e y w o r d s ：u l t r a v i o l e ts p e c t r a ；h i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n g ；m u l t i - c o m p o n e n t q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ；i t e r a t i o n ；n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g i v 独创声明 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。 据我所知，除了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，也不包含未获得! 洼! 垫亟壹基丝壶垩挂型主塑 的! 奎拦卫窒2 或其他教玎机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：d 墓签字同期：力幺车厂月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j 0 蹩、 签字同期：2 。；，月弓日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签字 嘲，懈 签字f j 期：加缸厂月侈日 电话 邮编 多组分定量分折的迭代优化紫外分光光度法 刖吾 化学信息学是近几年发展起来的一个新的化学分支，它利用计算机技术和计 算机网络技术，对化学信息进行表示、管理、分析、模拟和传播，以实现化学信 息的提取、转化与共享，揭示化学信息的实质与内在联系，促进化学学科的知识 创新。光谱和化学信息学相结合分析多组分混合物已成为一种快速和高效的分析 技术，使得光谱分析进入了一个新时代。复杂体系多组分同时测定是化学信息法 分析的重点领域。 目前，多组分的定量分析方法主要有色谱法和分光光度法，色谱法是最常用 的测定方法，纸色谱法简单但效果较差，高效液相色谱( i 珀【c ) 能同时测定几 种混合色素，方法准确，但该法操作复杂，影响干扰因素较多，且需要进行预先 分离，而且仪器价格昂贵，不易普及。而紫外分光光度法可以降低实验成本、简 化实验步骤、缩短实验时间，常用的紫外分光光度分析方法有双波长、等吸收点 法及导数分光光度法，这两种方法对于二组分体系较为有效，而对于三组分及三 组分以上的混合物体系，往往要结合信息学的方法。化学信息学结合紫外可见 分光光度法用于多组分分析有最小二乘法、遗传算法、人工神经网络法等。上述 方法把吸光系数作为已知量，但由于实验条件和仪器的原因，吸光系数一般会在 一定范围内波动，本文工作也证明了这一点。 多组分分析的连续波长紫外分光光度法把吸光系数和待测浓度同时作为自 变量，据分析问题建立有约束非线性数学规化模型，由估计值c 。，优化计算得结 果c “，方法简单易行，但对于混合物中组分浓度差较大的体系，一次优化结果 误差较大，而迭代优化后误差可大大降低。按一次优化结果配置溶液扫描数据 代入模型继续优化计算，如此所复，经四次左右优化迭代，逐步降低误差可得 分析结果。 在分子光谱中，不同有机化合物常因其化学结构相似使其紫外光谱严重重 叠，仪器和实验环境易使吸光度和浓度之间的关系偏离朗伯比耳定律导致其呈 现非线性特点。这些使得用常规分光光度方法同时测定这类化合物比较困难。采 用化学计量学方法可以克服光谱定量分析中出现的多重共线性、光谱重叠和组分 的相互干扰等问题，并且不需分离可直接同时测定混合体系的各组分。因此发展 中国晦洋大学硕士学位论文 了如主成分回归( p c r ) 、人工神经网络( a n n ) 以及遗传算法等多种线性或非线性 的多元校准方法，但是化学计量学方法可能会因为冗余数据的影响而得不到有效 的校准模型，因此波长选择是光谱分析中各种多元校准方法的关键步骤。 本文在光谱数据预处理过程中应用选取优化波长集合的方法，即采用加和性 检验和模式识别的系统聚类分析方法对波长进行优化选择，不仅大大减少了计算 量，且能突出各组分之间的差异，降低波长点所含信息的相关性。然后把吸光系 数和待测浓度同时作为自变量，对分析问题建立有约束非线性数学规划模型，对 于组分浓度差较小的混合物体系只需经一次优化计算可得待测浓度；混合物中浓 度差较大的体系经多次优化迭代，逐步降低误差得分析结果。利用本法对四组分 光谱严重重叠的食用色素混合体系实验分析结果表明，方法稳定、准确度高。 多组分定量分析的迭代优化紫外分光光度法 1 文献综述 1 1 多组分定量分析方法的发展 1 1 1 色谱法 最早创立色谱法的是俄国植物学家茨维特，将它做为一种高效的分离技术， 之后经过多年的发展色谱法在多组分定量分析中发挥了重要的作用。色谱法分为 薄层色谱法、柱色谱法、气相色谱法和液相色谱法等，在混合物的定量分析中常 用的两种色谱法有薄层色谱法和高效液相色谱法。 h1 1 i 1 薄层色谱法 薄层色谱法又称薄层层析法( t h i nl a y e rc h r o m a t o g r a p h y ，t l c ) ，它是在 2 0 世纪5 0 年代以后在纸色谱和柱色谱的基础上发展起来的一种色谱分析方法。 1 9 5 8 年斯塔尔将薄层层析用的吸附剂和涂层工具进行了改进和标准化，才使薄 层色谱法得以推广和应用( 董慧茹，2 0 0 2 ) 。 薄层色谱定量分析方法是将多组分混合物在薄层上展开，采用适当的方法定 位后获得一个或多个斑点。根据斑点的颜色和在薄层上的位置对样品进行分析， 根据斑点的面积能进行半定量或定量分析。常用的定量方法有目测法、斑点面积 法、洗脱测定法和薄层扫描法等。 薄层色谱法对混合物进行定量分析时有如下的特点：对被分离的多组分混合 物的物质性质没有限制；可同时进行多个多组分混合物样品的分离；可进行重复 测定；可以扫描或彩色摄影永久保存；薄层色谱法的不足是对样品需要分离、分 辨率、重现性、准确度差。 薄层色谱法由于吸附剂的高效化、定量分析的仪器化和自动化的发展，大大 提高了薄层色谱法的分辨率及重现性，因此已经成为一种常用的分离分析方法， 在医学、食品分析、环境、煤炭等方面，薄层色谱法都有广泛的应用( 吴潇，2 0 0 0 ； e i i c h im i k a m i ，2 0 0 2 ) 。 i 1 1 2 高效液相色谱法 液相色谱法是一种以液体为流动相、液体或者固体为固定相的色谱分离、定 量分析技术，又称高压或者高速液相色谱法。起初由于分析效率低、传质速度慢、 分离周期长、分析多组分混合物的准确度差的缺点，该方法没有得到广泛应用。 中国离洋大学硕士学位论文 1 9 6 9 年，k i r k l a n d 和m a j o r s 分别用浆液装柱和增加柱入口压力的方法，建立了 高效液相色谱法( h i g hp 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 y ，职l c ) ，克服了 经典液相色谱法上述的缺点，发展成为目前广泛应用的一种多组分混合物分析方 法( 陆国斌，1 9 9 8 ；张莘民，1 9 9 4 ) 。高效液相色谱法( 职l c ) 对多组分混合物定 量分析的原理是把不同极性的单一溶剂或用不同比例配成的混合缓冲溶液作为 流动相，用泵将流动相注入装有填充剂的色谱柱，注入的多组分混合物样品被流 动相带入色谱柱内，各组分在填充剂上运行分离，先后进入检测器。用记录仪记 录流出的各组分的色谱图，再根据峰高等信息定量分析。 在c r i s t i a n or i z z o ( 2 0 0 0 ) 对多组分维生素化合物的定量分析中，得出结论 此法比气相色谱分析速度快。目前它已广泛应用于药品、水质、食品等领域中多 组分混合物的定量测定( a l a ne 1 - g i n d y ，2 0 0 5 ；j 地l e m u sg a l l e g o ，2 0 0 2 ) 。 1 1 2 核磁共振光谱法( n m r ) n 呶图谱中，可获得化学位移、偶合常数、共振峰面积或峰高。化学位移和 偶合常数是结构测定的重要参数；而共振峰面积或峰高是定量分析的依据。共振 峰面积或峰高直接与被测组分的含量成正比。定量分析时，一般只对该化合物中 某一指定基团上质子引起的峰面积或峰高与参比标准中某一指定基团上质子引 起的峰面积进行比较，即可求出其绝对含量。当分析混合物时，也可采用其各个 组分的各自指定基团上质子产生的吸收峰强度进行相对比较，然后求得相对含 量。因此，在测量峰面积或峰高以前，必须了解化合物的各组成基团上质子所产 生共振峰的相应位置，也就是它们的化学位移值( 6 值) ，并选择一个合适的峰 作为分析测量峰。m 喂定量分析的主要特点有： ( 1 ) 对于确定的核( 质子) ，其信号强度与产生该信号的核( 质子) 的数目成 正比，而与核的化学性质无关。 ( 2 ) 利用内标法或相对比较法，分析混合物中某一化合物时可无需该化合物的 纯品作对照。 ，( 3 ) 信号峰的宽度很窄，远小于各信号之间的化学位移的差值，因而混合物中 不同组分的信号之间很少发生明显的重叠。 ，7 r( 4 ) 方法简易快速、专属性高，可选择性地测定复方药物或药物制剂中的组分 ，乃至药物的立体异构体；一般无需分离，且不破坏被测样品。 i ； 4 - 多组分定量分析的迭代优化紫外分光光度法 核磁共振光谱法的定性研究要比定量分析应用广阔，在对组分定量分析中的应用 有二核磁共振对抗生素药物的定量分析( 刘英，2 0 0 1 ) ；核磁共振定量测定铝 ( 杨明生，1 9 9 6 ) 等。 1 1 3 红外光谱法 2 0 世纪8 0 年代，美国的n o r r i s 博士首次提出了利用红外光谱对物质定量分 析理论，即物质的含量与红外区内不同波长点的吸收峰呈线性关系，使其成为定 量分析技术，即红外光谱法( i n f r a r e dr e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y ，i r s ) 。现 代红外光谱分析技术是把光谱测量技术、化学信息学技术和计算机技术相结合实 现多组分混合物的定量分析，主要通过校正模型的建立实现对未知样本的定性或 定量分析。红外光谱法分析方法主要是分为四步： ( 1 ) 是选择有代表性的多组分混合物试样，并测量其近红外光谱； ， ( 2 ) 是采用标准或已经认可的方法进行化学成分测定； ( 3 ) 是根据测量的光谱和基础数据通过合理的化学信息学方法建立数学模型； ( 4 ) 是根据数学模型对未知样本的组成及性质进行测定( 钟海庆，1 9 8 4 ；李燕， 2 0 0 0 ) m ? 红外光谱法对多组分混合物的定量分析有优点也有缺点大致归结为( 屈健， 2 0 0 4 ) ：具有特征性，因此红外光谱通称为“分子指纹”；固、气、液三态都可以 直接进行分析，应用范围广；样品无需进行预处理进行非破坏性分析；操作方便； 测试重现性好。不足之处有：灵敏度低；组分分析其含量一般应大于o 1 ；扫 描光谱速度慢、建立数学模型复杂、耗时；红外光谱仪价格贵、分析成本高，不 易普及。 红外光谱法是一种发展较快的光谱分析技术，目前被广泛应用于制药工业、 食品工业等各领域( y i n gd o u a ，2 0 0 5 ；宋俊梅，1 9 9 7 ) 。 1 1 4 紫外分光光度法 紫外一可见分光光度法是根据组分含量与吸收光谱呈线性关系进行分析。随 着计算机技术，化学信息学的发展，大大加快了分光光度法的发展，使得分光光 度法分析方法发展成为一种快速、准确、可靠的多组分混合物分析方法。目前它 已与主成分回归、偏最小二乘法、遗传算法、目标因子算法和神经网络法等化学 信息学方法相结合来对多组分混合物进行定量分析。紫外一可见分光光度法是目 5 中国海洋大学硕士学位论文 前很有前途的一种多组分混合物的分析方法之一( 陈国珍，1 9 8 7 ；李志 良，2 0 0 0 ，1 9 9 5 ；黄道昌，1 9 9 8 ；夏之宁，1 9 9 8 ,印春生，1 9 9 9 ) 。 紫外分光光度法在定量分析时有较其它方法有许多优点( 陈国珍，1 9 8 7 ) 比 如：具有高的精密度和准确度；仪器便宜、分析成本低，便宜推广应用；方法 无需进行预处理，进行非破坏性分析；测定范围广；操作方便、分析速度快速 可靠： 目前紫外分光光度法由于其优点已广泛应用于微量元素的分析、高纯物质测 试、环境研究、生物化学、食品科学及农药化学中。 1 1 5 小结 从上述的红外光谱法、薄层色谱法，高效液相色谱法、紫外分光光度法对多 组分混合物定量分析方法可以看出，紫外分光光度法的优点包含了近红外光谱法 的不需预处理、可进行非破坏性分析、测定范围广、操作方便、分析速度快、效 率高的优点，并且消除了灵敏度低、扫描速度慢等的缺点。薄层色谱法、高效液 相色谱法对多组分混合物的定量分析需要预先分离，方法繁琐，且仪器昂贵。因 此紫外分光光度法是一种对多组分混合物进行定量分析的简便易行的方法。 1 2 多组分定量研究的紫外光谱分析方法 紫外一可见分光光度法具有较高的精密度、仪器简单、方法快速可靠，测定 范围广、不需预处理等优点，是仪器分析方法中广泛采用的方法之一。利用紫外 一可见分光光度法对多组分混合物定量分析方法已有很多，如经典的导数分光光 度法、p h 分光光度滴定法、双波长分光光度法等。近几年又出现了一些新的方 法，如b e r z a sn e v a d o 提出的比光谱导数一零交点法，此法是把导数吸光度法中 的零交点法引入比光谱导数吸光光度法而形成的一种分析方法，虽然此法能够同 时分析三组分，但稳定性不高。e r d a ld i n e 对上法变换了数学处理方法，提出 的双因子一比光谱导数法，虽然克服了上述缺点，但也只能用于三组分测定。张 小吐和祝惠英提出的模式空间变换技术分析六组分的混合物体系，姜友富提出的 波长位移法，相对误差在1 5 内，准确度较低。下面对常用的紫外光谱分析方法 做一综述。 1 2 1 导数分光光度法 多组分定量分析的迭代优化紫外分光光度法 5 0 年代初，导数技术开始应用于紫外一可见分光光度分析中。7 0 年代以来， 计算机在分析化学中的应用，有利地推动了导数技术的发展，大大扩展了分光光 度法的应用范围。导数分光光度法的基本原理是：n 阶导数分光光度法即对比耳 定律n 次求导( c b o s c ho j e d a ，2 0 0 4 ：j o a n n ak a r i i n s k a 2 0 0 4 ) 。即： 一阶导数分光光度法：d ，a ，= 等c z 二阶导数分光光度法： 豇阶导数分光光度法： 掣：华c l d 。五d2 a 小d _ a a = 搿以d 4 旯d 4 五 从以上多组分定量分析公式中可以看出：各阶导数值只与待测组分浓度c 成 正比，所以在分析波长处将导数值和对应的待测组分浓度c 绘制曲线，然后在相 同的波长处，分析待测组分的导数值，再在标准曲线上查出对应的待测组分浓度 c 从数据处理过程可以看出高阶导数光谱法由以下两点来消除非线性无关吸收 的干扰： ( 1 ) 当溶液中有干扰吸收组分，但不影响待测试样吸收波长与吸光度的线性关 系时，一阶导数光谱可消除其干扰； ( 2 ) 若干扰组分的吸收可以近似用曲线方程表示，则通过求一阶导数和二阶导 数后，可以发现共存组分的吸收对二阶导数的影响是恒定的，此时利用二阶导数 值与待测浓度的正比关系便可得定量分析结果( 周海梅，1 9 9 9 ) 。 可见导数分光光度法有其独特的优点， ( 1 ) 导数分光光度法可以无须分离，使重叠吸收峰分开，达到同时定量测定的 目的。 ( 2 ) 是随着求导阶数的增加，灵敏度有明显的增加。这对于微量或者痕量组分 的定量分析是十分有利的( 司圣柱。2 0 0 2 ) 。 ( 3 ) 高分辨率、高抗干扰能力的优点， 因导数分光光度法有以上优点，它在光谱定量分析中已得到广泛应用( v r o d e n a s ，2 0 0 0 ；j o a n n ak a r p i n s k a ，2 0 0 5 ) 。如肖新亮等( 1 9 9 5 ) 将三阶导数分光光 度法应用于微量的铜、钻、铬三组分混合物的定量分析，相对误差在4 0 内、 九y o u s s e fe 1 - s a o e d 和强 l i i k h a l i l ( 1 9 9 6 ) 将一阶导数分光光度法应用于铁和 中国海洋大学硕士学位论文 钼二组分的定量分析，其相对标准偏差为0 4 8 - i 0 5 ，j h a n a e e ( 1 9 9 7 ) 利用 导数分光光度法定量分析药品中可待因和醋氨酚，其回收率在 0 1 9 - - 5 4 3 ，i e p a n d e r i ( 1 9 9 9 ) 、l r p a s c h o a l ( 2 0 0 0 ) 等还将此法应用于其它 药物中复杂有机物的多组分定量分析中。 1 2 2 比光谱一导数分光光度法 2 0 世纪9 0 年代初，f s a l i n a s 等人提出了比光谱一导数分光光度法，并将此 法应用于多组分定量分析中( 汤晓东，2 0 0 1 ) 。其具体原理如下所示： 设组份a 和6 服从吸收定律，且吸光度具有加合性，则当使用l c m 比色皿时， 在波长丑处的总吸光度a 为 a = g + 岛；g ( 1 ) 式( 1 ) 中，、岛。分别为组份8 、b 在五处的吸光系数，巴、g 为文b 的浓度。 式( 1 ) 两端同除以气，得 a | g b i = s 。| s m c4 + c h 0 2 ) 式( 2 ) 对波长五求导，得 击( a 慨) = 巳击( 慨) ( 3 ) 式( 3 ) 可改写为 巳= 击( a ) l d - d - 五- ( 8 = 1 6 b 。) ( 4 ) 同理，有 g = 击( ，气) ，击( ，气) ( 5 ) 从而求出两组分的混合物的待测浓度( 汤晓东，2 0 0 0 ；姬泓巍，2 0 0 2 ) 。 从上述的方法原理中可以看出：比光谱一导数分光光度法具有分辨能力强、 灵敏度高、噪声小等特点，用于对紫外光谱的分析，具有较高的准确度和较佳的 重现性。但此法仅仅能够测定二组分混合物体系，使其应用范围受到了很大的限 制。j j b e r z a sn e v a d o 等为了克服测定组分数的局限性，将导数吸光光度法中 的零交点法引入比光谱一导数分光光度法中，提出了零交点比光谱一导数分光光度 多组分定量分析的迭代优化紫外分光光度法 法，可以同时测定三组分混合物。但零交点比光谱一导数分光光度法有很大的缺 点就是光谱曲线只要有微小的移动，就可能导致极大的分析误差。为此e d i n c 变换了数学处理方法，提出了双除数因子比光谱一导数分光光度法。它是以三组 分混合物的吸收光谱除以其中两组分的标准光谱之和( 屯o + a b o ) 此时 c 。o = g o ，然后再对波长求导。此时混合物的双因子比导数值只与c 组分的浓 度成正比，即可测定其含量，依次定量分析组分a 、b 。最近有人还将比光谱一导 数分光光度法发展成为比值导数光谱一多波长最小二乘回归分光光度法、比导数一 荧光光谱法和导数一比导数光谱法分别用于多组分同时测定。 比光谱一导数分光光度法是以比导数光谱中特定波长处的导数振幅值作为定 量信息的，所以亦可称其为比光谱一导数分光光度( 作图) 法。在用比光谱一导数 分光光度法同时测定多组分混合物时，五和用作除数因子的标准溶液浓度值是 影响方法灵敏度和准确度的重要因素。若a 丑值过小，则难以消除噪音干扰；若 其值过大，则易造成求导的偏离。若溶液浓度太大，则会导致比导数值太小而使 测定的灵敏度和准确度降低；若溶液的浓度太小，则会导致比值光谱噪音太大而 产生较大的误差( 汤晓东，2 0 0 0 ) 。 利用比光谱一导数分光光度法进行定量分析的已有很多报导，如测多组分无 机离子、药物复方制剂、食用色素的含量、同分异构体混合体系( n e v i ne r k ，2 0 0 1 ： m u r a tk a r t a l ，1 9 9 9 ) 等。耿玉珍、刘葵( 1 9 9 8 ) 等将此法应用于铜、锌、镍三组分 定量分析中，其回收率在9 7 0 - 1 0 3 2 之间，相对标准偏差小于5 。陈昭国( 1 9 9 9 ) 等将此法应用于铅、镉和汞三组分混合物中。汤晓东、孙红霞( 2 0 0 i ) 等采用此法 分析邻、间或对硝基酚二元混合物，其回收率在9 8 7 - 1 0 4 5 之间，认为此法灵 敏度高、精密度好，准确度高，具有应用价值。 1 2 3 解联立方程法 解联立方程法是一种经典的、简单、快速的多组分定量分析方法( 陈国珍， 1 9 8 7 ) 。其分析原理为：假如一多组分混合物含有竹种组分，则分别在n 个不同 的波长测定待测样品的吸光度，根据吸收定律，建立方程组： 中国海洋大学硕士学位论文 a = q 4 c 4 + s h c + + 毛# c 。 如= 占2 。c 4 + 岛 c 6 + + 毛。c 。 = 气c 。+ q + + c 。 当组分的吸光系数已知，解方程组即可定量分析多组分混合物。方国桢( 1 9 9 4 ) 利用此法分析了药品中的二、三组分混合物，分析结果回收率在9 8 一1 0 1 间。 解联立方程法对于2 、3 组分混合物的定量分析结果较好，但对于4 组分及 以上的多组分混合物的定量分析结果准确度较低。 1 3 化学信息学方法在多组分混合物定量分析中的应用 化学信息学是近几年发展起来的一个新的化学分支。它是一门关于计算机、 数学及统计分析技术在化学中应用的科学。它利用计算机技术和计算机网络技 术，对化学信息进行表示、管理、分析、模拟和传播，以实现化学信息的提取、 转化与共享，揭示化学信息的实质与内在联系，促进化学学科的知识创新( 邵学 广2 0 0 2 ) 。化学信息学研究的主要内容之一就是利用计算机技术对复杂的化学信 息进行解析，以快捷、方便的方式最大限度地提取和利用有用信息( 史永刚，2 0 0 2 ) 。 光谱分析中，化学信息学方法主要有三方面的研究内容：一是研究了光谱预处理 方法。目的是通过对多组分混合物样品的光谱进行适当的处理，减弱或消除各种 非目标因素对光谱的影响，提取有用的光谱信息，为数学优化模型的建立和对多 组分混合物的定性定量分析奠定基础。二是对多组分混合物定性定量方法的研 究。目的是建立稳定、可靠的多组分混合物分析数学模型。三是数学模型传递技 术的研究。它可以实现模型库的共享，节省建模费用( 史永刚，2 0 0 2 ) 。目前这些 研究都有了较大的进展。 化学信息学方法和光谱分析方法结合对多组分混合物的定量分析方法已经 有很多种，主要有偏最小二乘法、人工神经网络、遗传算法、聚类算法、模拟退 火( 梁逸曾，1 9 9 9 ) 及本实验小组的非线性优化连续波长法( 孙小云，2 0 0 5 ) 。下面 就这些方法对多组分混合物定量分析的具体应用做一概括。 1 3 1 偏最小二乘( p l s ) 方法 偏最小二乘法( p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ，p l s ) 是化学信息学中常用方法之 一。l i n d b e r g 等首先将p l s 的多元统计方法应用于分析化学领域( 李景印，1 9 9 5 ) 。 多组分定量分析的迭代优化紫外分光光度法 偏最小二乘法是一种基于因子分析的化学信息学方法。它是把几个互相依赖的变 量模拟成数个互相独立的变量的算法。其方法原理如下： 设有n 组标准溶液，有m 种不同的组分，在b 个波长处测量厅组体系的吸光 度，得到吸光度矩阵 a 】。i 和浓度矩阵【c 1 ，采用p l s 法对【a 】。 和【c 】进行 主成分分解可得到； c 】一一2 【兄】。【k 】a 一+ 【k 】 ( 1 ) 【a 】曲= 【只】。 l 】。 + e 】。曲 其中【，1 为列正交矩阵，【纠为行正交矩阵， e l 为随机误差矩阵，【最】和 f 】相 关，即： e f c 】= 【f 】x y + 【】 ( 2 ) 其中，为系数转换矩阵。当对标准样品校正计算完成后，既可对未知试样进行浓 度预测： 。2 让1 【c 0 1 = 【a 1 ( 【尼】【a 】) v 【k 1 ( 3 ) 霞 一 g 】即为未知试样的浓度向量，【a 】为未知试样的吸光度向量( 郑静，1 9 9 9 ) 。 磊偏最小二乘法数据处理中的特点是： ( 1 ) 偏最小二乘法可以在全光谱范围内应用，但通过选择一定数量的