CN105891397B - 一种全二维色谱分离的峰检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全二维色谱分离的峰检测方法，属于分析化学领域。该方法基于对原始一维分离色谱峰的峰检测与二维分离平面上的峰重构，完成全二维分离的色谱峰检测。一维色谱峰的检测，首先通过平滑和背景扣除等提高数据质量，预先定义色谱峰响应区间的划分数目，将原始色谱图进行完整切割，基于响应线与各色谱峰的交汇点，以及用户定义的峰点数阈值和色谱的单峰特性，寻找色谱峰顶点与保留时间位置，并通过改变响应划分数目及其对峰检测结果的影响，获得最终一维峰检测结果；二维分离面的峰重构，则基于一维分离的峰检测结果与实验条件，包括调谐时间与采样频率，以及色谱峰在二维分离上的保留时间漂移量，融合符合预设条件的相邻一维色谱峰，计算平均保留时间，记录并输出全二维分离的色谱峰检测结果。

Description

一种全二维色谱分离的峰检测方法

技术领域

本发明涉及一种全二维色谱分离的峰检测方法，属于分析化学领域。具体来说是首先提出一种原始一维分离色谱峰的峰检测方法，在此基础上，重构全二维色谱分离的二维分布图，定义色谱峰的二维漂移阈值，基于原始一维色谱峰与全二维色谱分离的关联性，计算二维峰保留时间，完成峰检测。

背景技术

全二维色谱分离(comprehensive two-dimensional gas chromatography,GC×GC)最早由Giddings J.C.提出。与传统一维色谱分离(1DGC)相比，GC×GC的主要特点主要有二个：一是极性完全不同的二根柱子串联(即非极性-极性或极性-非极性)，使得在第一维色谱柱上没有完全分离的组份簇，由于色谱柱固定相的分离差异，使得不能在第一维上完全分离的组份，可能在第二维柱上被完全分离开；二是调谐器的使用，从第一根色谱柱流出的组份，先用液态CO2进行冷却(cooling)与捕获(trapping)，再以固定的调谐周期(P_M)，将组份调谐成若干等时间馏分(fraction)，重新注入(re-injecting)到第二维色谱进行分离，从而指数倍数地提高峰容量，且极大提高分离的灵敏度。最后将所得到的原始一维色谱图谱，依照具体实验条件转换成二维图谱，即每个色谱柱上的分离占用一维空间，以组份流出时间为坐标，绘出各组份的等高线图形或不同组份及背景图像，可视化地清晰表征组份的流出与分离情况，借助图像分析算法与化学计量学方法，进行有效的数据分析与处理，以及结果评价。全二维色谱分离的优势非常明显，已经非常广泛地用于成份特别复杂的世纪体系研究中，比如中药特别是含有多味单味药的复方，烟草，咖啡，代谢组学等等。

全二维色谱分离所得到的数据，通常非常复杂，一方面是源于被分析体系复杂度的提升，另一方面则是由该类型数据的本身特性所决定的(亦包括检测器维度变化)，比如基于色谱峰调谐分析的原因，使得传统分布在一维空间的组份，扩展到二维平面上，这显然极大地增大了数据处理的难度和复杂度，包括数据质量提高，去卷积，分类模式识别，正交性，不同样本间组份保留时间的漂移，二维图像分析等，当然亦包括峰检测。色谱峰检测是指在异常复杂的色谱分离体系中，快速、准确、智能地区分色谱峰信号与噪声，提取峰组份信息，这是组份定性定量分析的根本性问题。若通过化学计量学或数学的方法能便捷地检测出复杂组份，则借助图像分析的方法，比如图像识别，分割，模式分类，相似性评价等，可能快速完成色谱峰或峰簇的保留时间获取，漂移校正，甚至完整的定性定量分析问题，Chroma软件亦在初步尝试提供这方面的解决方案。

传统色谱峰检测的方法主要包括导数方法及相关衍生方法，以及基于小波变换等方法，但这些方法通常存在明显缺陷，尤其针对异常复杂体系中的峰检测问题。比如一阶导数法需要设置峰的起始斜率阈值以克服背景漂移，亦不适合于肩峰型重叠峰(只有一个强峰极大点)的检测，二阶导数则抗噪声影响的能力较弱，即使经过滤波处理，残存的微弱噪声亦会对峰检测产生强烈影响。而研究者所提出的特异性针对全二 维色谱分离中的峰检测方法，或在传统一维峰检测方法的基础上所发展起来的全二维色谱峰检测方法，比如Watershed算法，Drain算法和基于概率计算的方法，均在不同程度上存在适应性不强，计算速度较慢，结果的准确有待提高等的问题。

因此，发展新的全二维色谱分离的峰检测方法，在全二维色谱分析中具有重要意义，尤其基于峰检测在色谱分析中所具有的重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全二维色谱分离的峰检测方法，该方法主要包括二个步骤：首先通过平滑和背景扣除等方法提高色谱峰的数据质量，在此基础上，用户自定义一个色谱峰响应区间的划分数目D_num(即平均划分响应最小值到最大值的个数，如20)，完成对原始色谱图的平均切割，寻找到响应线与各个色谱峰的交汇点，根据实验条件和色谱峰的可视化情况，用户自定义色谱峰所应包含峰点数的阈值(如5-10)，进而基于色谱的单峰特性，寻找一维色谱分离中峰顶点与具体保留时间位置，以此作为初始的峰检测结果。继而通过改变响应划分数目D_num及其对峰检测结果的影响，逐步优化所得到的峰检测结果，以获得最终的一维色谱峰检测结果。其次，根据实验条件，包括调谐时间(P_M)及采样频率(f)，转换原始一维分离色谱数据到二维分离平面上，其中横坐标为第一分离维度的保留时间，表征混合体系组份在第一根色谱柱中的分离，纵坐标则为第二分离维度的保留时间，表征组份在流出第一根色谱柱后，通过调谐进一步在第二根色谱柱中的分离情况。与此同时，通过原始一维色谱分离所得到的峰检测结果，包括被识别峰的保留时间和具体位置亦分别转换到二维分离平面上，获得一维色谱峰在二维平面上对应的重构结果。基于实验条件和用户自定义的色谱峰在第二维分离上保留时间的漂移量(如P_M/(10-20))，融合符合预设条件的相邻一维色谱峰，计算平均保留时间，即可输出全二维分离的色谱峰检测结果。

本发明所述的全二维色谱分离的峰检测方法，包含如下创新点：

1.色谱响应维度的数据划分，灵活度大，可以非常准确地识别重叠体系组份，特别是依附在大色谱峰旁边的小色谱峰，适应性很强，可针对非常复杂的色谱体系进行准确峰检测；

2.用户自定义的参数设置，包括色谱峰响应区间的划分数目D_num和色谱峰在第二维分离上保留时间的漂移量，提高方法的适应范围，用户可根据实际数据和实验条件的情况，动态与可视化地调节参数，最大化地获得满意的峰检测结果；

3.不依赖于色谱峰平滑和背景扣除的结果。尽管峰检测使用这些方法提高数据质量，然而实际的峰检测结果对这些数据预处理方法的依赖程度很低；

4.清晰的方法流程使得本发明所述的峰检测方法，可得到快速实现，对编程的要求较低。

本发明与传统的方法相比，优越性明显。首先无需进行求导运算，避开传统方法对一阶导数和二阶导数的依赖，从而避开这些方法对峰检测的不利影响；与此同时亦超越全二维分离的针对性峰检测方法，适 应性更强，结果准确可靠，且能较快地得到计算结果，使得该方法具有很好的应用前景。

附图说明

图1，全二维色谱分离的组份二维分布图，以及本发明所述的原始第一维色谱峰划分，图中横坐标为第一分离维度的保留时间，纵坐标则为第二分离维度的保留时间。图中不同大小的灰度椭圆点则示意各单组份与重叠组份在二维平面上的平滑曲面，由各相邻的第二维分离组份插值平滑后构成。图中划分A和B则分别表示组份在第一维上的分离，以及第二维上的峰划分。

图2，示意第二维上的色谱组份分离如何构建图中的灰色组份二维分布点，即图中所示的组份A和组份B是如何被构造的。图中的组份A和组份B分别由虚线、实线和点虚线三根高斯曲线构成，每条曲线分别表示该组份在经过第一维色谱分离后，经过第二维分离所得到的色谱峰。即组份A很组份B分别由三条色谱峰组份曲线经过平滑插值构成。

图3，一个实际复杂混合体系经过全二维色谱分离后的一段原始一维分离色谱曲线，即总离子流图(total ion chromatogram)。

图4，图3所示的原始一维分离色谱曲线，经过二维重构后所得到的二维平面图。图3中所示的色谱峰是通过第一维色谱柱分离得到的峰簇，再经过二维调谐与分离后得到的峰信号，根据实验条件调谐时间(P_M)及采样频率(f)转换成二维数据后，得到横坐标表征第一维色谱分离，纵坐标表征第二维色谱分离的图4所示图像。图中示意了一个典型的局部放大区域。

图5，图4中所呈现的全二维色谱分离结果，经过本发明所述的方法，所得到的峰检测结果。每个红色点则表示一个被检测到的二维色谱峰。图中的局部放大区域亦对应图4所示的局部放大区域。

具体实施方式

实施例：以一个澳洲植物提取体系的分析为例，说明实施本发明所述的全二维色谱分离的峰检测及其结果。样本的全二维色谱分离条件为：

进样量1.0μL；无分流进样；进样口温度250℃；载气为He；GC×GC分析调谐温度-20℃；1DGC分析数据采集频率20Hz；GC×GC分析数据采集频率100Hz；质量扫描范围40-400amu。其它条件为：1DGC分析，流速1.8mL/min；程序升温条件，起始温度35℃，保持2.0min，3.0℃/min升至210℃，再以1.5℃/min升至240℃，保持20.0min。GC×GC二维调谐周期(P_M)为5.0s；调谐时间范围1.98-100min。

图1和图2分别为全二维色谱分离的组份二维分布图，以及第二维色谱组份分离如何构建图中的灰色组份二维分布点。而图3和图4则分别为该实际复杂体系的一段原始一维分离色谱曲线，以及原始一维分离色谱曲线，经过二维重构后所得到的二维平面图。

基于本方法所述的全二维色谱分离的峰检测方法，首先采用移动平均平滑和线性背景漂移校正处理原始数 据，以提高组份信噪比；然后获得校正后信号的最小与最大值，设定初始D_num值为10，即将最小与最大值区间划分为10等份进行原始一维色谱分离数据的峰检测；根据实验条件，设置色谱峰所应包含的谱峰点数阈值为6，进而找到划分线与各个色谱峰的交汇点，根据色谱峰的单峰特性以及所找到色谱峰交汇点的上升或下降趋势，程序找到色谱峰二侧的对应点，进而确定组份峰的流出位置；改变D_num值的大小从5至20，重复计算获得一系列的组份峰流出位置及对应的保留时间大小，根据本发明所述方法确定一维色谱分离下的峰检测结果；将原始一维分离色谱以及所得到的一维色谱峰检测结果转换到全二维分离平面上；设定同一色谱峰在第二维分离中的漂移最大阈值为0.1秒，基于本发明所述的第二维色谱分离峰融合方法，获得各组份在二维平面上的峰检测点，以及对应保留时间值。

图5为图4所示实际数据的峰检测结果。从图中可以清楚看出，通过本发明所得到的结果，准确性非常好，适应能力强，适合复杂全二维分离体系中的峰检测。

Claims (7)

1.一种全二维色谱分离的峰检测方法，其特征在于包括以下步骤：

a.将原始一维色谱进行移动平均平滑和线性背景漂移校正，以提高色谱数据质量，然后获取色谱响应最小值与最大值，定义响应划分区间数D_num，均匀划分最小值与最大值所构成的响应区间；

b.定义规范色谱峰所应包含的谱峰点数阈值，结合上述响应区间划分内的色谱交汇点与色谱峰的上升与下降趋势，确定色谱峰组份的个数，以及各自的流出位置；

c.基于色谱单峰特性，确定并记录各色谱峰的保留时间；

d.改变上述第a步骤中响应划分区间数D_num的大小，重复第a至第c步骤，直至相邻二个循环计算中第b步骤所得到的谱峰个数差异小于预先设定值为止，以其中的较大者作为最终的色谱峰个数，输出各色谱峰对应的保留时间值；

e.基于全二维色谱分离的实验条件，包括调谐时间(P_M)及采样频率f(Frequency)，将各色谱数据点的原始一维色谱转换为全二维分离的平面分布图，横坐标和纵坐标则分别对应第一和第二维分离，将上述步骤识别所得的色谱峰保留时间对应地转换到二维平面上；

f.基于色谱峰在二维分离平面中的一维连贯性，即若某二个P_M周期内的二维色谱峰属于同一个一维色谱峰，则它们必定出现在相邻的二个P_M周期内，定义同一色谱峰在第二维分离中的漂移最大阈值，融合不同P_M周期内的第二维分离色谱峰，输出保留时间均值作为该被检测峰的实际保留时间。

2.根据权利要求1所述的全二维色谱分离的峰检测方法，其特征在于色谱数据质量的提高采用Savitzky-Golay平滑和airPLS背景漂移校正的方法，提高数据信噪比，降低基线漂移对峰检测影响。

3.根据权利要求1所述的全二维色谱分离的峰检测方法，其特征在于基于色谱单峰特性确定保留时间，在不考虑峰变异和噪声影响的情况下，色谱峰应有且只有一个峰顶点，在获得色谱峰左右二侧单调上升和单调下降曲线上任意二点的情况下，快速简便地获得峰顶点位置，获得色谱峰的保留时间。

4.根据权利要求1所述的全二维色谱分离的峰检测方法，其特征在于从一维色谱转换为全二维分离，直接基于每个调谐周期的P_M时间内，总共占用P_M×f个数据点的原则计算得到。

5.根据权利要求1所述的全二维色谱分离的峰检测方法，其特征在于第二维分离上保留时间的获取，先定义二维色谱峰间的漂移阈值，再观测全二维分离的平面分布图得到。

6.根据权利要求1所述的全二维色谱分离的峰检测方法，其特征在于改变D_num值，循环运算获取峰保留时间和峰检测结果，获取所有目标峰在原始第一维上的色谱峰分布。

7.根据权利要求1所述的全二维色谱分离的峰检测方法，其特征在于色谱峰响应值的划分，在于消除色谱峰值强度大小对峰检测的影响，快速识别高强度峰，准确地检测低强度和较低信噪比的小峰，实现色谱重叠峰的检测。