（分析化学专业论文）复杂多组份体系智能分析系统Ⅰ.pdf

摘要 本论文的目的是在构建复杂多组份体系智能解析系统方面进行前期的研究工作。 本论文的工作主要涉及佳兰盐量学算法研究、堂! 塑宦中的翅望苤婴和智鼗鲤圭巨丕统的 软件开发三个方面的内容。由于时间的原因，目前只完成了部分的软件开发工作。现 对这三个方面的内容简述如下： 厂 一、化学计量学算法研究pf 这部分工作主要包括二维联用色谱数据的自动分辨 i 算法研究、纯物质质谱检索算法研究和混合物质谱检索算法研究，以便为智能解析系 统的构建提供新的理论基础。自动分辨算法的研究主要包括对体系组份数的自动判定 和自动分辨算法。我们提出了一种初始关键光谱集选择法，通过对初始关键集中各关 键光谱相似程度的比较，建立了一种可自动判定体系组份数的指标，从而可确定体系 的真实关键集。在此基础上，为实现分辨过程的自动化，我们提出了一种全新的分辨 ：亨法一一迭代关键集选择法。该法通过重新选择体系的关键集，可将各组份的色谱解 出，继而求出各组份的光谱( 或质谱，等等) 。纯物质质谱检索算法研究的侧重点在 于实现相似检索。通过充分强调分子子结构的相似性，我们提出了一种新的计算质谱 相似程度的算法，可较好地实现相似检索。混合物质谱检索算法研究的目的是为解决 在无法获得纯质谱的情况下，如高沸点样品进样和色谱峰未能完全分离等，实现质谱 检索。为此，我们提出一种参考谱加权存在指数，用于从质谱库中筛选出可能物质， 1 ， 然后用非负晟, j , - - 乘法确定真实存在的物质。少 二、数据库中的知识发现p 搭项研究的目的有两个，其一是为建立智能解析系统 的知识库作必要的知识积累：其二是为研究如何从大型数据库中获取有用的化学知识 作一些初步的探索。通过对n i s t 6 2 质谱库的统计分析，我们首次发现实测的( m + i ) 同位素峰与分子离子峰( m ) 的比值( m + i ) m 与相应的理论计算值之差满足对数正态 分布。本项研究工作表明，对化学数据库进行广泛而又深入的研究对验证现有的化学 知识以及发现新的化学规律都是一件非常有意义的工作。广。 三、智能解析系统的软件开发d 陋项工作的目的是构建智能解析系统的软件实体。 考虑到软件的开发是一件长期的工作，现阶段暂时把整个系统分拆成两个既独立又可 相互连接的系统一一多元曲线分辨系统和质谱专家系统。多元曲线分辨系统把目前在 解析二维联用色谱数据方面比较有效的化学计量学算法软件化，其本身既可独立作为 一个软件系统，又可作为质谱专家系统的前端软件，将解析结果送入到专家系统进行 进一步的分析。 考虑到系统运行的有效性及将来软件代码移植的便利性，我们采用c + + 面向对象 编程技术，基于v c + + 开发平台进行软件开发工作。由于化学计量学算法大多涉及矩 阵运算，我们为此专门开发了矩阵类库，大大简化了程序代码，提高了程序运行的效 率。 。 限于时间，目前只基本上完成多元曲线分辨系统的开发工作，工程项目代码总数 j 盎3 8 0 0 0 多行。对于质谱专家系统目前只构造了基本的框架。 i ，7 i i a b s t r a c t t h ea i mo ft h i st h e s i si st om a k en e wi n t e l l i g e n te x p e r ts y s t e m ，w h i c hc a nb eu s e dt o c o p ew i t hc o m p l i c a t e dm u l t i - c o m p o n e n tc h e m i c a ls y s t e m s r e s e a r c h e s o nn e wc h e m o m e t r i c a l g o r i t h m s ，k n o w l e d g ed i s c o v e r y i nd a t a b a s ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h 。s y 8 t 。m ”。 p r e s e n t e di nt h i st h e s i s s of a r , a st h ef i r s t s t a g eo ft h ew h 0 1 es y s t e m ，p a no f t h e ”r k sh a s b e e nf i n i s h e da sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c ho nf u n d a m e n t a lc h e m o m e t r i ca l g o r i t h m s w o r k so nt h i sa s p e c ti n c l u d et h er e s e a r c h e so n a u t o m a t i cd e c o n v o l u t i o no f t w o 。w a yd a t a f r o mh y p h e n a t e dc h r o m a t o g r a p h ya n dt h en o v e ll i b r a r ys e a r c hm e t h o d sf o rm a s s s p e 。”“mo f d u r es u b s t a n c ea n d o rm i x t u r e ，r e s p e c t i v e l y i n t h er e s e a r c ho na u t o m a t i cd e c o n v o l u t i o n m e t h o d w ep u tf o r w a r dan e w m e t h o dt os e l e c tk e ys p e c t r aa n dt h e nt od e t e r m i n ec h e m i c a l r a n ka u t o m a t i c a l l yb yc o m p a r i n gt h es i m i l a r i t yo f t h ep o t e n t i a lk e ys p e c t r a t h e n ，b a s e do n t h ed e t e r m i n e dr e a lk e ys p e c t r a , w ep u tf o r w a r d an e wa l g o r i t h m ，t h es t e p w i s ek e ys p e c t r u m s e l e c t i o n s ， w h i c h c a r i m p l e m e n t r e s o l u t i o n o f o v e r l a p p e dc h r o m a t o g r a p h i c p r o f i l e s a u t o m a t i c a l l yt h el i b r a r y s e a r c ho fm a s ss p e c t r u mo fp u r es u b s t a n c e i sf o c u s e do nt h e s i m i l a r i t ys e a r c h b ye m p h a s i z i n g t h es u b s t r u c t u r es i m i l a r i t y , w ep u tf o r w a r dan e wa l g o r i t h “ t oc a l c u l a t et h es i m i l a r i t yi n d e x ，w h i c hc a ng i v ea r a t h e rg o o dr e s u l ti ns i m i l a r i t y s e a r c h l i b r a r ys e a r c ho f m a s ss p e c t r u mo f am i x t u r ei su s e di nt h es i t u a t i o nw h e np u r es p 。t 。“mc a n n o tb eo b t a i n e d ，s u c ha sh i g hb o i l i n gp o i n ts u b s t a n c eo ro v e r l a p p e dc h r o m a t o g r a p h i 。p e a k 5 a ni n d e xc a l i e dw e i g h t e d s p e c t r u m e x i s t e n c ei n d e xi sp u tf o r w a r d t os e l e c t p o t e n t i a l s u b s t a n c ef r o mm a s sl i b r a r y t h e n ，n o n - n e g a t i v el e a s ts q u a r er e g r e s s i o ni s u s e dt od e t e r m j “。 t h er e a ls u b s t a n c e i l l 2 k n o w l e d g ed i s c o v e r yi nd a t a b a s e r e s e a r c ho nt h i sa s p e c th a st w og o a l s ，t h ef i r s ti st oa c c u m u l a t ee n o u g hk n o w l e d g ef o r t h ek n o w l e d g ed a t a b a s eo ft h ei n t e l l i g e n te x p e r ts y s t e m ；t h es e c o n d i st om a k eap r i m a r y a p p r o a c ho nh o wt o o b t a i nu s e f u lc h e m i c a lk n o w l e d g ef r o mab i gd a t a b a s e - b ys t a t i s t i c a n a l y s i so fn i s t6 2m a s sl i b r a r y , w ef i r s t l yf i n dt h a tt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h em e a s u r e d ( m + 1 ) mr a t i o sa n dt h ec a l c u l a t e do n e sf i tl o g a r i t h mn o r m a ld i s t r i b u t i o n o u rw o r k s o nt h i s a s d e c ts h o w st h a taw i d ea n dd e e pi n q u i r yi nc h e m i c a ld a t a b a s ei sam e a n i n g f u lw o r kn o to n l y f o rt h ep r o o fo ft h ee x i s t i n gk n o w l e d g e ，b u t a l s of o rt h e d i s c o v e r y o fn e wc h e m i c a l k n o w l e d g e 3 s o f i w a r ed e v e l o p m e n to f t h ei n t e l l i g e n ts y s t e m t h ew o r ki nt h i sp a r ti st oc o n s t r u c tt h eb o d yo f t h ei n t e l l i g e n te x p e r ts y s t e m b e c a u s ei t i sal o n gp e r i o do fw o r kt od e v e l o ps u c ha ni n t e l l i g e n ts y s t e m ，t h ew h o l es y s t e mi s d i v i d e d i n t ot w op a n s c u r v er e s o l u t i o ns y s t e ma n dm a s ss p e c t r u me x p e r ts y s t e m t h ec u r v e r e s o l u t i o ns y s t e mi m e g r a t e sm e t h o d sp r e s e n t l ya v a i l a b l ei nr e s o l u t i o no f t w o w a yd a t af r o m h y p h e n a t e dc h r o m a t o g r a p h y i tc a l le i t h e r b ea ii n d e p e n d e n ts o f t w a r ei t s e l f , o rb et h ef o r e p a r t o f t h ei n t e l l i g e n te x p e r ts y s t e m f o rt h ee f f e c t i v e n e s si nr u nt i m ea n dt h ea v a i l a b i l i t yf o rf u t u r et r a n s f e r r i n go f c o d e s ，w e t a k ec + + o b i e c to r i e n t a t e dt e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s s w ea l s od e v e l o pam a t r i x c i a s s w h i c hi n t e g r a t e sm a t r i xc a l c u l a t i o n s ，t os i m p l i f yt h ec o d e sa n d e n h a n c et h ee f f e c t i v eo f t h es o f t w a r e s of a ll i m i tt od e v e l o p i n gt i m e ，o n l yt h ec u r v er e s o l u t i o ns y s t e mi sf i n i s h e d ，t o t a lc o d e n u m b e ri sa b o u t3 8 0 0 0l i n e s b a s i cf r a m e w o r kh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rt h ei n t e l l i g e n te x p e r t s y s t e m 湖南大学分析化学专业博士学位论文甘峰2 0 0 1 年5 月 绪论 分析化学作为一门获取物质的定性、定量及结构信息的科学，长期以来在科学和 生产实践中发挥着重要的作用。近年来，随着生物学、生命科学、药物学、环境科学 等学科的迅猛发展，使得人们对分析化学的要求也越来越高。由于这些学科一般都涉 及对复杂多组份体系的定性、定量及结构分析，传统的单组份分析手段已无法满足需 要，这就迫切需要分析化学家们提供新的分析理论和技术以解决日益复杂的分析问 题。而化学计量学“的出现和迅猛发展，正是为广大的分析工作者提供了强有力的 理论工具和分析手段，使得分析工作者们能够根据具体问题的不同而采用恰当的分析 技术以解决传统方法无法解决的分析难题。 现代分析化学的一个重要特征是分析手段的仪器化，其中又以二维联用色谱仪器 最宜于分析复杂的“黑色”体系。色谱系统优越的分离能力可将复杂体系分解为一系 列相对简单的子体系，并且具有先流入组份先流出这一显著特点。基于此特点，化学 计量学发展出了一系列用于解析“黑色”体系的方法，比较著名的有迭代目标转换因 子分析法( i t e r a t i v et a r g e t t r a n s f o r m a t i o nf a c t o ra n a l y s i s ，i t t f a ) 4 4 。4 5 ，演进因子分析法 ( e v o l v i n gf a c t o ra n a l y s i s ，e f a ) 4 6 ，窗口因子分析法( w i n d o wf a c t o ra n a l y s i s ，w f a ) 4 7 ，直 观推导式演进特征投影算法( 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 s ，h e l p ) 4 8 ”，正交投影 算法( o r t h o g o n a lp r o j e c t i o n r e s o l u t i o nr o p r ) 5 0 , 和子窗口因子分析法( s u b w i n d o wf a c t o r a n a l y s i s ，s f a ) 1 6 o 这些方法充分利用二维联用仪器所提供的数据的特点，直接将黑色 体系中的各组份解析出来，解决了传统分析方法无法解决的难题。在这些方法中特别 值得一提的是直观推导式演进特征投影算法，该法发展出了一整套涉及背景扣除、整 体秩估计、局部秩分析和组份解析的方法和技术，使得该法进入了实际的可操作阶段， 并被成功用于解析空气中的复杂样本和中草药的成份分析。 然而，不可否认的是，上述这些方法无论在理论上和实际的操作上都较为复杂， 需要使用者具备较好的数学理论水平和对二维数据的理解能力。从目前分析化学的总 1 湖南大学分析化学专业博士学位论文甘峰2 0 0 1 年5 月 体水平来看，这反而成为这些方法难于被普遍接受的关键问题。 正因为充分认识到了这一问题，近年来，基于二维联用色谱数据的特点建立自动 分辨算法已逐渐引起人们的关注，已经提出了多种自动分辨算法，如自动窗口因子分 析法( a u t o m a t i cw i n d o wf a c t o ra n a l y s i s ，w f a ) “，元素矩阵转换法( e l e m e n t a r ym a t r i x t r a n s f o r m a t i o n s ，e m t ) 9 。本人的博士研究工作的重要内容之一就是二维联用色谱数据 的自动解析方法的研究，目前已经在组份数的自动判定和自动解析算法方面取得了一 定的进展5 。 分析手段仪器化也使得分析的周期大为缩短，可在短时间内获得大量的实验数 据，于此同时也使得实验数据的积累达到了一个空前丰富的程度。迄今为止，基于实 验数据已经建立多个大型的数据库，并在此基础上建立了多个专家系统5 2 - 6 10 然而， 就总体而言，这些专家系统都是基于从小规模的数据集中抽提出的规则，这就限制了 现有的专家系统解决复杂体系的能力。我们认为，基于超大型数据库的数据库中的知 识发现。f k n o w l e d g ed i s c o v e r yi nd a t a b a s e ，k d d ) 是建立具有超强功能的专家系统的 必不可少的步骤。这也构成本人的博士研究工作的内容之一，即从大型数据库获取有 关物质的谱与结构方面的知识，以此构造专家系统的知识库，从而提升专家系统解决 复杂问题的能力。由于时间的原因，目前在这一领域的工作只是刚刚起步阶段”。 分析手段仪器化得以实现的原因有两个，其一是设备制造技术的发展，另- - m j l 是 软件技术的发展。并且，软件技术在分析仪器中的作用己越来越显得重要。在分析仪 器的升级换代过程中，软件技术的更新占了很大的比重。可以预计，在本世纪中，分 析仪器的软件技术将面临着新的突破，许多非常有效的化学计量学算法将成为构造新 一代分析软件技术的理论基础。本博士论文的另一项内容就是将目前较为有效的化学 计量学算法( 包括本人提出的算法) 转化为分析软件。此举不但能使许多有效的化学 计量学方法成为广大的分析工作者解决实际问题的有效工具，还可为我国的民族分析 仪器制造业的发展注入新的活力。纵观我国目前的分析仪器现状可以发现，国外仪器 已经基本上占据了国内的主要市场。这固然在一定程度上缩短了我国分析仪器与国外 2 湖南大学分析化学专业博士学位论文甘峰2 0 0 1 年5 月 仪器的差距，但却对我国的分析仪器制造业造成了致命的打击，我国的民族分析仪器 制造业已名存实亡。所以，借助于我国在化学计量学某些研究领域的领先地位及研究 成果，以化学计量学方法为基础构建新一代的具有自主产权的分析软件技术，是发展 我国民族分析仪器制造业的一条捷径。国家自然科学基金委员会在对自然科学基金重 点课题“复杂化学体系解析与波谱解析化学计量学方法研究”的批复函中，鼓励本课 题组开发出软件产品。这也正说明进行这项工作的重要性。 参考文献。 1 俞汝勤著，化学计量学导论，湖南教育出版社，长沙，1 9 9 1 2 粱逸曾著，白灰黑复杂多组份体系及其化学计量学算法，湖南科学技术出版社， 1 9 9 6 3 高鸿主编，分析化学前沿，科学出版社，北京，1 9 9 1 4 许禄，化学计量学方法，科学出版社，北京，1 9 9 4 5 g a nf ；x u q s a n dl i a n gy z ，a n a l y s t ，2 0 0 1 ，1 2 6 ，1 6j 6 w a n g j h a n dh o p k ee k ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ，2 0 0 1 ，5 5 ，1 3 7 ，g a nea n d l i a n gy z ，a n a l s c i ，2 0 0 0 ，1 6 ，6 0 3 8 m a n n e ，r a n dg r a n d eb v ，c h e m o mi n t e l l l a bs y s t ，2 0 0 0 ，5 0 ，19 9 m a n n e ，r a n dg r a n d eb v _ ，c h e m o m i n t e l ll a b s y s t ，2 0 0 0 ，5 0 ，3 5 1 0 s h a oxg ，c h e nz h ，l i nx q ，c h e m o m i n t e l l l a bs y s t ，2 0 0 0 ，5 0 ，9 l 11 v o g te ，r e b s t o c kk a n dt a c k em ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ，2 0 0 0 ，5 0 ，17 5 1 2 b r o w nc d a n dw e n t z e l lr d ，c h e m o m i n t e l l l a bs y s t ，2 0 0 0 ，5 】，3 13 s h e nh l ，s t o r d r a n g el ，m a n n er ，k v a l h e i mo m a n dl i a n gy z ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ，2 0 0 0 ，5 1 ，3 7 14 s h e nh l ，l i a n gy z ，k v a l h e i mo m a n dm a n n er ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ， 2 0 0 0 5 1 4 9 湖南大学分析化学专业博士学位论文 甘峰2 0 0 1 年5 月 x uq s ，l i a n gy z a n df a n gk t ，c h e m o mi n t e l l l a b s y s t ，2 0 0 0 ，5 2 ，15 5 m a n n er ；s h e nh la n dl i a n gy z ，c h e m o m n t e l ll a b s y s t ，1 9 9 9 ，4 5 ，1 7 1 y ur q a n dj i a n gj h ，c h e m o m i n t e l l l a bs y s t ，1 9 9 9 ，4 5 ，1 9 1 c h e r tz p ：j i a n gj h ：l iy a n dy ur q ，c h e m o m i n t e l l l a bs y s t ，i 9 9 9 ，4 5 ，2 3 7 l o h na a n dh i t z m a n nb c h e m o mi n t e l l l a bs y s t ，1 9 9 9 ，4 6 ，5 7 d u n k e r l e ys b r e r c t o nr g a n dc r o s b yj ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ，1 9 9 9 ，4 8 ，9 9 k i mb ma n dh e n r yr c ，c h e m o m i n t e l ll a b s y s t ，1 9 9 9 ，4 9 ，6 7 b u y d e n sl m c r e u m e r st h ，b e c k e r sm l m a n dw e h r e n sr ，c h e m o m - i n t e l l - l a b s y s t ，1 9 9 9 ，4 9 ，1 2 1 w uh l ：s h i b u k a u am a n do g u m ak ，j c h e m o m ，1 9 9 8 ，1 2 ，1 w i n d i g 、c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ，1 9 9 7 ，3 6 ，3 s a n c h e zf c r u t a ns c g a r c i am d g a n dm a s s a r td l ，c h e m o m i n t e l ll a b s y s t ， 1 9 9 7 ，3 6 ，1 5 3 l u i n g eh j ：l e u s s i n ke d a n dv i s s e rt ，a n a l c h e m a c t a ，1 9 9 7 ，3 4 5 ，1 7 3 g i l l e tvj ：w i t t e t tea n db r a d s h o wj ，j c h e m i n fc o m p u ts c i ，1 9 9 7 ，3 7 ，7 3 1 r o b i n s o nd d ：b a r l o wt wa n d r i c h a r d sw g ，j c h e m i n fc o m p u t s c i ， 1 9 9 7 ，3 7 ，9 3 9 s c h r i b e rh a n dp r e t s c he ，j c h e m i n fc o m p u t s c i ，1 9 9 7 ，3 7 ，8 7 9 s c h u d d e rp h 。j c h e m e d u c 19 9 7 ，7 4 ，7 7 7 m c g r e g o r a n dp a l l a ir v j c h e ml n fc o m p u t s c i ，1 9 9 7 ，3 7 ，4 3 3 s c h m i d l ih ，c h e m o m i n t e l l l a bs y s t ，1 9 9 7 ，3 7 ，1 2 5 s a n c h e zs m a n ds a r a b i al a ，a n a l c h i m a c t a19 9 7 ，3 4 8 ，5 3 3 g l e s e rlj ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t 1 9 9 7 ，3 7 ，1 5 r i m b a u dd j ：m a s s a r td l ；s a b yc a a n dp e u lc ，a n a l c h e m a c t a ，1 9 9 7 ，3 5 0 ，1 4 9 w a n gj h ，l i a n gy z ，j i a n g j h a n dy ur q ，c h e m o m i n t e l l - l a b - s y s t ，19 9 6 ，3 2 ， 4 ” m 博 坶 加 扒 控 “ 筋 拍 ” 勰 凹 如 引 弛 驺 弘 弘 弘 湖南大学分析化学专业博士学位论文甘峰2 0 0 1 年5 月 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 5 4 5 5 5 6 2 6 5 b r y a n tc h ，a d a ma e ，t a y l o r d r a n dr o w er c ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ， 1 9 9 6 ，3 4 ，2 1 。 f e i n b e r gm t r e n d sa n a l c h e m ，1 9 9 5 ，1 4 ，4 5 0 g r u n g b a n dk v a l h e i mo m ，c h e m o m i n t e l r a i ha c a n dc i n a ra ，c h e m o m i n t e l l l a b l a b s y s t ，1 9 9 5 ，2 9 ，7 5 s y s t 1 9 9 5 ，3 0 ，3 7 w i s eb m ；h o l tb r ；g a l l a g h e rn b a n dl e es ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ，19 9 5 3 0 ，8 1 t a u l e rr c h e m o m i n t e l l l a b s y s t ，1 9 9 5 ，3 0 ，1 3 3 v a nk a m p e na h c ：s t r o mc s a n db u y d e n sl m c ，c h e m o m i n t e l l l a b s y s t 1 9 9 6 ，3 4 ，5 5 g e m p e r l i n ep j j c h e m i n f o r m c o m p u t s c i ，1 9 8 4 ，2 4 ，2 0 6 v a n t e g i n s t eb g m ：e s s e rt a n db o s m a nt ，a n a lc h e m ，1 9 8 5 ，5 7 ，9 7 1 z u b b u h l e ra d a n dm a e d e rm ，t a l a n t a ，1 9 8 6 ，1 8 1 ，2 8 7 m a l i n o w s k ie r ，j c h e m o m ，1 9 9 2 ，6 ，2 9 k v a l h e i mo m a n dl i a n gy z ，a n a l c h e m ，1 9 9 2 ，6 4 ，9 3 6 l i a n g y z a n dk v a l h e i mo m ，a n a l c h e m ，19 9 2 ，6 4 ，9 4 6 l i a n g y z a n dk v a l h e i mo m ，a n a l c h i m a c t a ，1 9 9 4 ，2 7 6 ，4 2 5 m a l i n o w s k i ，e r ，j c h e m o m ，1 9 9 6 ，1 0 ，2 7 3 h e r t z ，h s ；h i t e s ，r a a n db i e m a n nk ，a n a l c h e m ，1 9 7 1 ，4 3 ，6 8 1 h e l l e rs r ，c o m p u t e r - s u p p o r t e ds p e c t r a ld a t a b a s e ，c h a p t e r6 ，j o h nw i l e ya n ds o n s ， n e w y o r k ，1 9 8 6 h e l l e rs r ：m i l n eg wa a n df e l d m a n nr j ，s c i e n c e ，1 9 7 7 ，1 9 5 ，2 5 3 m i l n eg wa ：f i s kc l ；h e l l e rs r a n dp o t e n z o n ej r r ，s c i e n c e ，1 9 8 2 ，2 1 5 ，3 7 m u n i k ：v e n k a t a r a g h a v a nr a n dm c l a f f e r t yfw ，a n a lc h e m ，1 9 8 1 ，5 3 ，1 7 9 5 钉 拍 卯 档 ” 钇 塑堕查兰坌塑些堂童些堕主兰垡鲨兰 笪竖垫! ! 生! 星 k a r a k iks ：v e n k a t a r a g h a v a nr a n dm c l a f f e r t yew ，a n a l c h e m ，1 9 8 1 ，5 3 ，3 8 6 d a m e nh ：h e n n e b e r gd a n dw e i m a n nb ，a n a l c h i m a c t a , 1 9 7 8 ，1 0 3 ，2 8 9 h e n n e b e r gd ；d a m e nh a n dw e i m a n nb ，c o m p u t e ra i d e da u t o m a t i ce x t r a c t i o n o f r e l e v a n td a t af r o mm a s ss p e c t r as e r i e s ，i nd a l yn r ( e d ) a d v a n c e s i nm a s s s p e c t r o m e t r y , h e y d e n ，l o n d o n ，1 9 7 8 中国科学院化学所，“i c m s i s ”质谱信息系统鉴定会资料， 1 9 8 5 朱大模，刘人余，许崇德，余建文，杨伯宇，卢佩章，分析仪器，1 9 9 2 ，2 ，1 9 g l y m o u rc ；m a d i g a nd ；p r e g i b o nd a n ds m y t he ，c o m m u n i c a t i o no nt h ea c m ， 1 9 9 6 ，3 6 ，3 5 b r a c h m a nr j ：k h a b a z at ；k l o e s g e nw ；p i a t e t s k y - s h a p i r o g a n ds i m o u d i s e ， c o m m u n i c a t i o no nt h ea c m ，1 9 9 6 ，3 6 ，4 2 l n m o nw ：h c o m m u n i c a t i o no nt h ea c m ，1 9 9 6 ，3 6 ，4 9 f a y y a du ：h a u s s l e rd a n d s t o l o r zp ，c o m m u n i c a t i o no nt h ea c m ，1 9 9 6 ，3 6 ，51 i m i e l i n s k ita n dm a n n i l ah ，c o m m u n i c a t i o no n t h ea c m ，1 9 9 6 ，3 6 ，5 8 f a y y a du ，u t h u r u s a m yr ，c o m m u n i c a t i o n o nt h ea c m ，1 9 9 6 ，3 9 ，2 4 u s a m am ：p i a t e t s k y - s h a p i r og ，s m y t h p a n du t h u r u s a m yr ，a d v a n c e s i n k n o w l e d g ed i s c o v e r y a n dd a t am i n i n g a a a ip r e s s t h em i tp r e s s ，1 9 9 6 l i a n gy z a n dg a ne ，c h e m i c a lk n o w l e d g e d i s c o v e r yf r o mm a s ss p e c t r a ld a t a b a s e 一( i ) i s o t o p ed i s t r i b u t i o na n db e y n o n t a b l e ，a n a l c h i m a c t a ，( a c c e p t e d ) 6 鼹 ” 矾 眈 鲋 ：2 砸 卯 醯 阻 湖南大学化学化工学院博士学位论文甘峰2 0 0 1 年5 月 第一部分 化学计量学新算法研究 湖南大学分析化学专业博士学位论文甘峰2 0 0 1 年5 月 第1 章二维联用色谱数据的自动分辨算法 迭代关键集选择法 1 引言 随着样本复杂程度的增大，二维联用仪器，如高效液相色谱z _ 极管阵列联用仪、 液相色谱质谱联用仪、气相色谱，质谱联用仪、液相色谱核磁共振谱联用仪等在现代分 析中的作用显得越来越重要。二维联用色谱仪保留了色谱优良的分离性能，可将复杂的 体系分解为相对简单的子体系。同时，在对样本进行分离的过程中同步记录样本中各组 份的波谱信息，为各组份的定性分析提供了重要的信息。 二维联用色谱仪的测定结果一般可表示成个矩阵，x 。其中m 表示矩阵的行 数，与色谱的保留时间相对应： 表示矩阵的列数，与光谱的波长( 对质谱而言是质荷 比，等等，下同) 相对应。一般而言，只有在实现完全分离的情况下，才有可能直接从 x 。中获得组份的色谱和光谱。通常遇到的情况是色谱峰之间相互重叠，只有少数色谱 峰表现为单峰形态。并且，即使在这种情况下，从色谱图上表现为单峰形态的峰依然可 能是两个或多个组份重叠之后产生的结果。所以，要想从x 。中直接得到所有组份的 色谱和光谱通常是很困难的。然而，由于色谱通常具有先流入的组份先流出的特点，这 就为从) ( 卅。中逐个分辨各组份提供了条件。 迄今为止，针对联用色谱数据的特点已提出了多种分辨方法，如演进因子分析法1 、 窗e l 因子分析法2 、直观推导式演进特征投影算法3 、正交投影法5 和子窗口因子分析 法6 等。在上述的方法中，除演进因子分析法之外，其余方法都可以获得严格的数学解。 这些方法主要是根据局部秩分析方法判定组份的流出点和消失点所确定的区域，即所谓 的“浓度窗口”，来实现对组份的分辨。然而，上e 是由于这些方法对“浓度窗口”的过 于依赖，常常使得它们难于获得令人满意的结果。原因在于，在分析复杂的体系时，确 定“浓度窗口”是一件非常耗时的工作，“浓度窗口”不正确则不能得到正确的解。不 幸的是，现有的局部秩分析方法常常不能提供“浓度窗口”的准确信息。s a n c h e z7 ， g e m p e r l i n e8 的研究结果揭示了“浓度窗口”对解析结果的影响。 另一方面，复杂样本( 如中草药) 通常都包含有几十种乃至上百种组份，测定的数 据矩阵也常常达上百兆。利用上述方法对这样的体系进行解析也是一件非常耗时的工 7 湖南大学分析化学专业博士学位论文甘峰2 0 0 1 年5 月 作。并且，由于这些方法都涉及复杂的数学理论，使得通常的分析工作者常常无法熟练 掌握这些方法并运用于日常分析工作中去。所以，发展出新的解析方法，使之不过度依 赖“浓度窗口”，并能e l 动进行解析，将会是一件非常有意义的工作。 近年来，二维数据的自动解析的研究已开始引起人们的重视9 , 1 0 。m a l i n o w s k i9 基于 窗口因子分析法提出了一种自动解析方法，可大大改进窗口因子分析法的有效性。g r u n g ”基于迭代目标转换因子分析法和交替回归法提出了一种自动解析方案。最近，m a n n e ” 基于迭代技术提出了元素矩阵转换法，实现了自动解析。我们自1 9 9 7 年开始一直致力 于自动解析方法的研究。最初的设想是基于直观推导式演进特征投影算法来发展出一套 自动解析方法”，但发现难以用于色谱峰重叠程度大以及噪声较大的体系。此后我们又 基于交替最小二乘法