CN102590406B - 基于气相色谱-质谱分析数据的三维信息对比分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气相色谱-质谱分析数据的三维信息对比分析方法，包括以下步骤：步骤1：通过对气相色谱-质谱联用仪器所获得的样品总离子流图和质谱图进行叠加，获得样品的三维全方位谱图，三维全方位谱图以保留时间、质荷比和丰度为三维坐标轴；步骤2：对不同样品的三维全方位谱图进行对比叠加或差异化扣除，进而进行样品间谱图的特征解析，以实现不同样品成分的对比剖析；步骤3：对于重叠峰的解析。本发明提出的基于气相色谱-质谱分析数据的三维信息对比分析方法，能方便快速地实现不同样品成分的对比剖析以及重叠峰的成分解析。

Description

基于气相色谱-质谱分析数据的三维信息对比分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于气相色谱-质谱分析数据的三维信息对比分析方法，可应用于食品、化工质量检测等领域，特别是卷烟、烟草成分及烟用添加剂的成分解析与质量监控，包括色谱较难分离的烟草成分解析、不同批次、不同处理条件下烟草成分和烟用添加剂的质量对比分析等等。

背景技术

现有样品成分分析技术存在各自的优缺点，对于样品中沸点低、易挥发性成分的定性定量分析，气相色谱-质谱联用分析技术是目前最常用、最可靠的分析手段，但该方法存在样品分离能力有限，有些成分相似来源不同的样品，气相色谱分析技术得到的总离子流图极为相似，无法区分。而现今比较流行的全二维气相色谱分析技术能较好的解决气相色谱分离能力的缺陷，但其存在鬼峰数量众多(鬼峰是指色谱分析中无法进行定性的色谱流出峰，又称假峰，来源多种多样，如色谱柱的固定液流失、某些物质的热分解或催化分解产物等)、同组分多次出峰现象普遍等突出缺陷，致使全二维谱图冗余信息量庞大、谱图解析困难。本发明正是基于气相色谱-质谱联用分析技术分离能力不足以及全二维气相色谱分析技术存在的谱图解析困难而提出的解决方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于气相色谱-质谱分析数据的三维信息对比分析方法，本发明提出的基于气相色谱-质谱分析数据的三维信息解析方法能方便快速地实现不同样品成分的对比剖析。

发明的技术解决方案如下：

一种基于气相色谱-质谱分析数据的三维信息对比分析方法，包括以下步骤：

步骤1：通过对气相色谱-质谱联用仪器所获得的样品总离子流图(TIC)和质谱图进行叠加，获得样品的三维全方位谱图，三维全方位谱图以保留时间、质荷比和丰度为三维坐标轴(数据来自仪器自动采样，样品点为有限不连续数据)；

步骤2：对不同样品的三维全方位谱图进行对比分析和差异化运算，进而进行样品间谱图的特征解析，以实现不同样品成分的对比剖析。(对于二维总离子流图相似的两个样品，通过三维图谱的差异化处理，能区分两种样品，这是本发明的独创点之一，因为原有的二维图谱处理，无法区分两种质谱图相同的样品。)

采用如下方法进行对比分析：将两个样品三维谱图P1、P2(图2、3)进行差值运算后得到三维差异图P3(图5)，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于三维差异图P3中的任意特征质谱碎片离子对应坐标(x₀，y₀，z₃)，找到图P1、P2中与之x、y坐标相同的对应点(x₀，y₀，z₁)、(x₀，y₀，z₂)，计算z₃/z₁，z₃/z₂，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得第一差异度R₁，

当R₁＞10％时，判断P1、P2为不同样品。

采用如下方法进行对比分析：对于两个样品三维谱图P1、P2(图2、3)，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于P1中的任意特征质谱碎片离子对应坐标(x₀，y₀，z₁)，找到三维谱图P2中与之x、y坐标相同的对应点(x₀，y₀，z₂)，计算z₁/z₂，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得第二差异度R₂，

式中，若z₁＞z₂，则用z₂/z₁代替z₁/z₂，当R₂＜80％时，判断P1、P2为不同样品。

采用如下方法进行对比分析：对于两个样品三维谱图P1、P2(图2、3)，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于P1中的任意特征质谱碎片离子对应坐标(x₀，y₀，z₁)，找到图P2中与之x、y坐标相同的对应点(x₀，y₀，z₂)，计算|z₁-z₂|；再按同样方法计算该两个样品两次测量后的距离差Δz₁、Δz₂(针对同样的样品两次进样，计算平行结果的差异，主要考察实验和仪器误差的大小)，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得第三差异度R₃，

$R_3=\frac{\stackrel{n}{\mathrm{\Σ}}\left(\right|{\mathrm{\Δz}}_1|+|{\mathrm{\Δz}}_2\left|\right)}{\stackrel{n}{\mathrm{\Σ}}|z_1-z_2|}$ 当R₃＜10％时，判断P1、P2为不同样品。

【满足任意一条判断P1、P2为不同样品。】

采用如下方法寻找样品间物质的差异：将两个样品三维谱图P1、P2(图2、3)进行相同x、y坐标下z坐标的相除运算，得到三维比例图P4(图7)，其坐标为(x，y，z₁/z₂)；在P4中搜索z坐标值小于0.8或大于1.2的点，这些点在P1、P2中的对应点即为两个样品之间有显著差异的特征碎片离子。

采用如下方法对物质间的差异进行定性，从而确定差异的成分来源：对于P4中z坐标小于0.8或大于1.2的点，查看它的x轴、y轴坐标，找出其对应的保留时间和质荷比，结合2个样品对应保留时间处的色谱峰(总离子流图)，进行一对一或一对多的谱库检索，对差异的组分进行定性，找出差异的组分的来源(在谱库检索为现有仪器的自带功能)。

对于P1、P2中没有完全分离的共流出峰(共流出峰：几个物质在色谱上没有完全分离，在同一保留时间或相近位置出峰，造成峰形叠加)，在标准质谱库中进行一对多相似性检索，运用匹配度确定共流出峰质谱图的组成。

有益效果：

本发明提供了一种样品气相色谱-质谱分析三维信息对比分析方法，通过对气相色谱-质谱联用仪器所获得的总离子流图(TIC)和质谱图进行叠加，获得样品三维的全方位谱图。三维谱图以保留时间、质荷比和丰度为三维坐标轴，可全方位直观反映各时刻各分子离子或碎片离子的特征信息。在此基础上，利用以上获取的三维谱图，对不同样品三维谱图进行对比叠加或差异化扣除，进而进行样品间谱图的特征解析，以实现不同样品成分的对比剖析；

本发明为不同样品对比剖析，特别是组成相似样品的对比剖析提供了一种实用性较强的新途径。

本发明中，采用三维谱图是用来对相似样品谱图进行对比剖析，找两种相似物之间的物质差异，即三维对比剖析。

附图说明

图1示出样品三维坐标图谱；

图2示出对比样品1号图；

图3示出对比样品2号图；

图4示出对比样品1、2号TIC叠加图；

图5示出对比样品1、2号三维差异图；

图6示出对比样品1、2号三维差异图(反向)；

图7示出对比样品1、2号三维相除图；

图8示出对比样品2、1号三维相除图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

将气相色谱-质谱联用仪器获得的各个时刻各个质荷比的数据信息以CSV格式导出，采用MATLAB 7.9.0(R2009b)对数据进行处理，运用mesh()函数绘制三维谱图，三维全方位谱图以保留时间、质荷比和丰度为三维坐标轴。对不同样品的三维全方位谱图进行对比分析和差异化运算，进而进行样品间谱图的特征解析，以实现不同样品成分的对比剖析。采用下列步骤进行数据处理：

1)对比分析方法一：将两个样品三维谱图P1、P2(图2、3)进行差值运算后得到三维差异图P3(图5)，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于P3中的任意特征质谱碎片离子对应坐标(x₀，y₀，z₃)，找到图P1、P2中与之x、y坐标相同的对应点(x₀，y₀，z₁)、(x₀，y₀，z₂)，计算z₃/z₁，z₃/z₂，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得差异度R₁，

当R₁＞10％时，可判断P1、P2为不同样品。

2)对比分析方法二：对于两个样品三维谱图P1、P2(图2、3)，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于P1中的任意特征质谱碎片离子对应坐标(x₀，y₀，z₁)，找到图P2中与之x、y坐标相同的对应点(x₀，y₀，z₂)，计算z₁/z₂，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得差异度R₂，

(如z₁＞z₂，则z₂/z₁)，当R₂＜80％时，可判断P1、P2为不同样品。

3)对比分析方法三：对于两个样品三维谱图P1、P2(图2、3)，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于P1中的任意特征质谱碎片离子对应坐标(x₀，y₀，z₁)，找到图P2中与之x、y坐标相同的对应点(x₀，y₀，z₂)，计算|z₁-z₂|再按同样方法计算该两个样品两次测量后的距离差Δz₁、Δz₂(针对同样的样品两次进样，计算平行结果的差异，主要考察实验和仪器误差的大小)，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得差异度R₃， $R_3=\frac{\stackrel{n}{\mathrm{\Σ}}\left(\right|{\mathrm{\Δz}}_1|+|{\mathrm{\Δz}}_2\left|\right)}{\stackrel{n}{\mathrm{\Σ}}|z_1-z_2|}$ 当R₃＜10％时，可判断P1、P2为不同样品。

4)对于以上三种方法，满足任意一条可判断P1、P2为不同样品。

5)R₁、R₂、R₃的具体判定值应依据实际样品情况进行适当调整，如样品来自于不同生产工艺、组分差异较大或来自于差异较大的批次时，R₁的判定值应设定在10-30％，R₂的判定值应设定在50-80％，R₃的判定值应设定在5-10％。

6)采用如下方法寻找样品间物质的差异：将两个样品三维谱图P1、P2(图2、3)进行相同x、y坐标下z坐标的相除运算，得到三维比例图P4(图7)，其坐标为(x，y，z₁/z₂)；在P4中搜索z坐标范围小于80％或大于120％的点，这些点在P1、P2中的对应点即为两个样品之间有显著差异的特征碎片离子。

7)采用如下方法对物质间的差异进行定性：从而确定差异的成分来源：对于P4中z坐标小于80％或大于120％的点，查看它的x轴、y轴坐标，找出其对应的保留时间和质荷比，结合1、2号样品总离子流图和质谱图中对应的保留时间和质荷比，进行定性判断。

8)对于P1、P2中没有完全分离的共流出峰(共流出峰：几个物质在色谱上没有完全分离，在同一保留时间或相近位置出峰，造成峰形叠加)，在标准质谱库中进行一对多相似性检索，运用匹配度确定共流出峰质谱图的组成。

实施例1：

将样品进行气相色谱-质谱联用仪器分析后得到总离子流图和质谱图，经过将以上两个二维谱图叠加处理后可得到三维谱图，如图1所示。从图1中可清楚地观察到各保留时间处各种碎片离子的丰度值，三维图可方便地显示出各点的三维坐标，即各坐标点的保留时间、质荷比和丰度值，并依丰度值以不同色度展示。

本发明挑选两个对照样品(为了体现本发明的意义，挑选了两种成分比较相似的对照样品)进行图例说明，图2为样品1号的三维立体图，图3为样品2号的三维立体图，图4为样品1号和样品2号的总离子流图的叠加图。从图4可以看出，样品1号和样品2号的总离子流图几乎一致，从二维总离子流图中难以看出差异。

将样品1号和样品2号的三维立体图，即图2、图3进行叠加扣除以显示其差异，结果如图5、图6所示。从图5、图6可以看出，样品1号和样品2号的三维立体图差异明显，离子特征可更清楚直观地反映，该图能十分有效地鉴别样品1号和样品2号-即表明样品1号和样品2号并非同一种样品。实际上，该两个样品组成是很相似的，只是2号样品是在1号样品的基础上多进行了一步工艺处理。

同时，将样品1号和样品2号的三维立体图，即图2、图3进行相除处理，结果如图7、图8所示。从图7、图8可以看出，1号样品有更多的离子碎片丰度是2号样品的数倍，2号样品有少数的离子碎片丰度是1号样品的数倍，这些离子碎片是导致1、2号样品差异的物质基础，这种物质的差异在二维总离子流图中无法显示，但却真实存在。通过与谱库的对照，可以找出这些碎片离子的物质来源，确定1、2号样品的成分差异。该种方法具有原有分析方法没有的分析解析能力，能十分有效地鉴别成分极为相似的不同样品。

Claims (6)

1.一种基于气相色谱—质谱分析数据的三维信息对比分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过对气相色谱-质谱联用仪器所获得的样品总离子流图和质谱图进行叠加，获得样品的三维全方位谱图，三维全方位谱图以保留时间、质荷比和丰度为三维坐标轴；

步骤2：对不同样品的三维全方位谱图进行对比分析和差异化运算，进而进行样品间谱图的特征解析，以实现不同样品成分的对比剖析；

采用如下方法进行对比分析：将两个样品三维谱图P1、P2进行差值运算后得到三维差异图P3，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于三维差异图P3中的任意特征质谱碎片离子对应坐标（x₀，y₀，z₃），找到图P1、P2中与之x、y坐标相同的对应点（x₀，y₀，z₁）、（x₀，y₀，z₂），计算z₃/z₁，z₃/z₂，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得第一差异度R₁，当R₁>10%时，判断P1、P2为不同样品。

2.根据权利要求1所述的基于气相色谱—质谱分析数据的三维信息对比分析方法，其特征在于，采用如下方法进行对比分析：对于两个样品三维谱图P1、P2，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于P1中的任意特征质谱碎片离子对应坐标（x₀，y₀，z₁），找到三维谱图P2中与之x、y坐标相同的对应点（x₀，y₀，z₂），计算z₁/z₂，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得第二差异度R₂，

式中，若z₁>z₂,则用z₂/z₁代替z₁/z₂，当R₂<80%时，判断P1、P2为不同样品。

3.根据权利要求1所述的基于气相色谱—质谱分析数据的三维信息对比分析方法，其特征在于，采用如下方法进行对比分析：对于两个样品三维谱图P1、P2，坐标x：保留时间、坐标y：质荷比、坐标z：丰度；对于P1中的任意特征质谱碎片离子对应坐标（x₀，y₀，z₁），找到图P2中与之x、y坐标相同的对应点（x₀，y₀，z₂），计算|z₁-z₂|；再按同样方法计算该两个样品两次测最后的距离差△Z₁、△Z2，进行所有相同x、y坐标下的z值对应求和运算，求得第三差异度R₃，

当R₃<10%时，判断P1、P2为不同样品。

4.根据权利要求1所述的基于气相色谱—质谱分析数据的三维信息对比分析方法，其特征在于，采用如下方法寻找样品间物质的差异：将两个样品三维谱图P1、P2进行相同x、y坐标下z坐标的相除运算，得到三维比例图P4，其坐标为（x，y，z₁/z₂）；在P4中搜索z坐标值小于0.8或大于1.2的点，这些点在P1、P2中的对应点即为两个样品之间有显著差异的特征碎片离子。

5.根据权利要求4所述的基于寻找样品间物质差异的方法，其特征在于，采用如下方法对物质间的差异进行定性，从而确定差异的成分来源：对于P4中z坐标小于0.8或大于1.2的点，查看它的x轴、y轴坐标，找出其对应的保留时间和质荷比，结合2个样品对应保留时间处的色谱峰，进行一对一或一对多的谱库检索，对差异的组分进行定性，找出差异的组分的来源。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于气相色谱—质谱分析数据的三维信息对比分析方法，其特征在于，对于P1、P2中没有完全分离的共流出峰，在标准质谱库中进行一对多相似性检索，运用匹配度确定共流出峰质谱图的组成。

Images