CN107315046A - 一种icp‑ms信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
ICP‑MS已在医学、材料、地质、环境、石油化工等诸多领域得到了广泛应用。由于样品的特性和仪器分辨率的限制,很多峰常常相互叠加在一起。本发明涉及一种ICP‑MS信号处理方法:包括采集的谱图(1)去噪(2)平滑(3)奇异点剔除(4)基线校准(5)峰对准(6)并达到峰特征提取(7)。本发明具有质谱图的智能后处理、数据标准化等优点。
Description
技术领域
本发明涉及元素分析领域,特别涉及数据连续处理的ICP-MS的数据后处理方法。
背景技术
电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)结合了电感耦合等离子体的高温电离特性与四级杆质谱仪的灵敏快速扫描的优点,是目前痕量与超痕量成分多元素快速分析的最有效和同位素丰富度测量最灵敏、准确的方法。该技术与其他痕量分析技术相比的优越性在于:(1)在大气压下进样,便于与其它进样技术联用;(2)图谱简单,检出限低,分析速度快,动态范围宽;(3)可进行同位素分析,单元素和多元素分析,以及有机物中金属元素的形态分析;(4)离子初始能量低,可使用简单的质量分析器(如四极杆和时间飞行质谱计);(5)ICP离子源产生的超高温度,理论上能使所有的金属元素和一些非金属元素电离。
近10年来,由于大规模集成电路和计算机技术的高速发展,也促进了ICP-MS 的进步。特别是ICP源、接口、离子镜系统、真空系统和仪器控制系统等技术的发展,使ICP-MS逐渐趋于完善和成熟。到90年代中期所生产的仪器,体积变小,稳定性提高,自动化程度高,操作较为简单。使仪器的背景计数降低一个数量级,分析精密度提高一倍,大多数元素的检出限接近或低于1pg/ml。
21世纪推出的仪器,其分析功能和性能指标又有较大幅度的提高。ICP-MS 的进样系统在不断地发展和改进,近年来出现了如激光烧蚀、电热蒸发、液相色谱、高效液相色谱、气相色谱、流动注射等不同类型的进样装置。这些不同的进样系统对提高测量速度,降低检测限,消除基体干扰都起到了很好的作用,使得 ICP-MS在国内外的应用己涉及所有的科学领域。
ICP-MS有很强的能力来分析大量测定痕量元素的样品,典型的分析时间为每个样品小于5分钟,在某些分析情况下只需2分钟。ICP-AES的分析速度取决于是采用全谱直读型还是单道扫描型,每个样品所需的时间为2或6分钟,全谱直读型较快,一般为2分钟测定一个样品。GFAAS的分析速度为每个样品中每个元素需3-4分钟,晚上可以自动工作,这样保证对样品的分析能力。
ICP-MS的溶液的检出限大部份为ppt级(实际的检出限受基体干扰等因素影响),石墨炉AAS的检出限为亚ppb级,ICP-AES大部份元素的检出限为1-10ppb,一些元素在洁净的试样中也可得到令人注目的亚ppb级的检出限。必须指出, ICP-MS的ppt级检出限是针对溶液中溶解物质很少的单纯溶液而言的,若涉及固体中浓度的检出限,由于ICP-MS的耐盐量较差,ICP-MS检出限的优点会变差多达50倍,一些普通的轻元素(如S、Ca、Fe、K、Se)在ICP-MS中有严重的干扰,也将恶化其检出限。
由于四极杆的快速扫描能力,通常使用脉冲计数离子检测,但对于平均电流检测来说在检测器之后要加入A/D转换器,因此,数据采集系统接受一个快速脉冲序列,这可以用正常的脉冲计数电子电路来实现,现代的数据采集系统可以在速率高达100MHz时没有明显地损失而很容易地实现计数,比一般使用的检测器能提供的高得多的计数。在一个质量谱上每一个质量峰的累积计数的储存和量化问题是值得考虑的,因为穿过质量数100或更大的范围内的每一次扫描期间,峰滞留时间仅仅为300s。在两个商品仪器系统中随着分析器跳过或步进穿过感兴趣的质量范围时,采用交互方式对每一个峰积分计数。为了确定每一个积分,在每一个峰处要测几个点,跳峰系统有很多优点,在质谱图的空白区不浪费时间,因此最有效地利用了给定总的积分时间和分析样品溶液。利用这种方式还可以花费较大块的分析时间在最小的峰上,以便可以改进统计计数和检出限。显示全谱的扫描肯定比正常的跳峰循环慢得多。在VG仪器上,遵照在Surrey最早发展时使用的方法,离子检测的输出最开始是储存在一个使用MCS方式的多道分析器里,有高达4096个通道可以使用,通道地址与扫描质量分析器的连续扫描相同步。因此每个峰在顺序扫描中占有同样多的道数,也就是在全部质量范围内正常扫描时每一个峰占10个通道。在MCS系统中通道的滞流时间可能在10s,通道和通道之间没有明显地信息损失,因此使用2048道扫描大约可在20ms内完成,每一个质量峰约使用8个通道。这个扫描速度比质量分析器扫描速度快,质量分析器的扫描速度限制大约为100ms每扫一次,因此在这个系统中数据采集并不限制扫描速度。一旦所选的整个积分时间到达时,储存在MCS内存中的数据就会转存到计算机进行处理。因为全谱扫描的速度很快,进行全谱扫描时,可以得到某种样品进样时引起的瞬时信号。这种连续扫描系统的不足之处在于谱图的空白区域浪费的时间,这就相应减少了对感兴趣元素的扫描时间。可以跳过一些区域节省时间。但可以在测量分析中看到快速全谱扫描的优点,即快速完成未知样品的半定量分析。对于复杂样品来说,记录未知元素和基体干扰的有关信息以后再进行评价是非常有价值的。另外对于扫描方式来说,这些仪器还可以提供全谱跳峰方式。
然而,在现有技术中,复杂体系样本受环境的影响较为明显,同时,样本的收集、存储、制备和仪器检测过程中也处处存在着误差。因此,为消除外在或人为干扰因素的影响,需要采用适当的方法来改善数据性质,提高数据的稳定性。另一方面,图谱中提取的海量数据也给统计分析带来了极大的负担。因此,目前需要进一步提取图谱中有用的信息(如谱峰强度等)用于后续分析。预处理和峰提取这一步就是将大量谱图转化并整合为一个峰数据集/表的过程。该数据集由一系列用保留时间、质荷比和信号强度三维标识的峰组成。由于各样品和各个峰之间存在着千丝万缕的内在联系,在数据量明显减少的同时,复杂度并没有明显减小。此外,组学研究大都通过对大量多组或多类样本的谱图进行比对来了解生理过程信息,而且必须同时处理多个样本。所以,复杂体系分析色谱、质谱数据预处理和峰提取比传统单一样本的处理要复杂得多。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种ICP-MS信号处理方法,步骤包括:
(1)采集谱图;
(2)对谱图数据进行去噪;
(3)对去噪的数据进行平滑;
(4)剔除奇异点;
(5)基线校准;
(6)峰对准;
(7)峰特征提取。
在一个实施方案中,其中步骤(1)是通过电感耦合等离子体质谱法收集待测的痕量元素的谱图。在一个具体实施方案中,其中当次谱图后处理结束并进入下一个谱图采集,所采集的谱图采集的谱图是将一个电信号(电平随着时间变化的连续函数)转换成一个数值序列(即时间或空间上的离散函数)。如果ICP MS 的信号是带限的,并且采样频率高于信号带宽的两倍,那么,原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。
在另一实施方案中,其中步骤(2)是通过匹配滤波和移动窗平均滤波消除测量噪声和随机噪声。
在一个实施方案中,其中步骤(3)通过窗口移动技术对谱图数据进行5次平滑处理,再计算求得的二阶导数光谱,以消除锯齿状的谱图数据。
在另一实施方案中,其中步骤(4)对于个别样本的谱图明显不同于其他样本的谱图时,或该样本谱图几乎没有出峰,则将其作为奇异点去除。
在其他的实施方案中,其中步骤(5)中,将同一谱图的所有数据值减去最小值,使基线为零,以实现基线校准。
还在其他实施方案中,其中步骤(6)中,针对增加的测量时间锁导致的时间偏移,进行修正,使得所有样本中代表同一个物质的谱峰的保留时间一致,便于批量处理和统计分析。
在一个具体实施方案中,峰对准方法包括在样本制备时人为地插入几个标准组分。预处理过程中,识别出这些标准组分的谱峰,通过它们分段线性地调整保留时间。在另一具体实施方案中,峰对准方法包括在获取数据后,依赖线性对准和非线性对准的数学方法进行对准。
在一个优选的实施方案中,线性对准包括,选择所有样本中都出现的,保留时间和强度都较理想的峰作为标准物质,逐一分段调整各个样本;或,选择一个样本作为参考样本,调整其他样本与参考样本对准。
在另一优选的实施方案中,非线性对准的方法比如Nielsen的相关优化变形窗法(Correlation Optimized Warping,COW)、Par Jonsson的协方差法以及快速傅立叶变换法等。
在上述任一的实施方案中,其中步骤(7)中,峰特征提取主要是提取峰高或计算峰下覆盖的面积。在一个具体实施方案中,面积的计算可选用距形积分法、梯度积分法或精度更高的龙贝格积分法(变步长的梯形积分)。
术语和定义
术语“噪声”指在样品制备过程,由于测量手段和仪器的不完善,存在的不可避免的噪声和误差,数据中的噪声主要包括测量噪声和随机噪声。针对质谱或色谱数据的消噪方法主要包括阈值限制、匹配滤波、中值滤波等方法。
噪声的标准和采样定理是指,如果信号带宽不到采样频率的一半(即奈奎斯特频率),那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号。高于或处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象。大多数应用都要求避免混叠,混叠问题的严重程度与这些混叠频率分量的相对强度有关。
术语“平滑”指对所的谱图线条进行预处理,以消除锯齿状谱图。去噪声平滑是数据预处理中重要的一步。针对质谱或色谱数据的去噪声平滑主要包括移动窗平均(一般是5点三次多项式平滑技术)滤波、Savitzky-Golay多项式拟合和离散小波变换等方法。匹配滤波和移动窗平均滤波原理相对简单,很多软件都带有该功能,应用较为广泛。研究表明,对测量数据进行平滑预处理,可以减少随机误差的范围,但平滑次数过多,会相应增加运算时间,往往是原来的谱图发生严重变形。因此,在实际工作中,应根据波动的实际情况选择合适的平滑次数。本发明研究发现,如果干扰线与分析线的重迭程度不是非常严重,平滑5次就可以使得数据的随机误差的影响减少到可允许的范围内。因此,从平滑所要实现的效果而言,其实质上是降噪的后续处理。
术语“奇异点”指个别样本与同组其他样本的谱图明显不同,或某个谱图几乎没有出峰,综合考虑样本信息和实验操作后,可将其作为奇异点去除,不参加后续的处理。虽然剔除奇异点有利于得到理想数据的分析结果,但应谨慎操作,避免误删重要信息或忽略有研究价值的“非常规”现象。
术语“基线校准”,指在理想情况下,所有谱图的强度值应该以零为基础,即没有物质洗脱出来时,强度值应该为零。由于当前测量方法不够完善、仪器受到污染或者性能不稳定,实际检测谱图的强度常常都大于零,需要对其基线进行校准。常用的基线校准方法是将同一谱图的所有数据值减去最小值,使基线为零。这对于后续寻找谱峰的起点和终点非常有帮助。
术语“峰对准”,指随着检测理论和电子技术的发展,分析仪器的精度、稳定性和重复性日益提高。但是,样本数量的增加必然引起测量时间的增加,而积累起来的时间偏移对数据处理有不可忽视的影响。峰对准就是要修正这些时间偏差,使得所有样本中代表同一个物质的谱峰的保留时间一致,便于批量处理和统计分析,提取出有可比性、有意义的变量。在非线性对准的方法中,相关优化变形窗法是通过相关线性找到最好的一些片断窗来进行校准,但要求样本间的时间偏差不能大于相邻两个峰的时间间隔。协方差法通过找到谱图间的最大协方差来进行峰对准,在样本拥有极大相似程度时非常有效。在当前的复杂体系分析研究中,对比样本的谱图通常较为接近,大部分的主要峰都会出现在所有样本中,因而协方差法的使用较广。
附图与说明
图1:本发明信号处理的流程示意图。
图2:63Cu+离子质谱信号处理流程示意图。
图3:(a-c)采集的谱图设定Savitzky-Golay多项式拟合结果图;(d-f)Nielsen的相关优化变形窗法(Correlation Optimized Warping,COW)结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
实施例一、63Cu+离子质谱信号处理
1、仪器和试剂
英国Micrornass公司Plasma Trace 2高分辨电感耦合等离子体质谱仪
美国Hewlett Pakard公司HP4500series 300电感耦合等离子体质谱仪
日本岛津公司ICPS-1000II型等离子体原子发射光谱仪
2、试剂
采用Mos级盐酸及优级纯硝酸,Cu标准工作溶液采用北京钢铁研究总院制备的一级储备标准溶液(1mg/mL)逐级稀释而成。
混合标准溶液:1.00Lg/mL,分别移取5.00mL的浓度均为20.0Lg/mL的Cu 标准工作溶液于100mL容量瓶中,加5mL王水,以水稀释至刻度,混匀。
混合内标溶液:0.50μg/mL,分别移取5.00mL 10.0μg/mL的Cu标准溶液于 100mL容量瓶,加入2mL王水,以水稀释至刻度,混匀。
试验用水为二次蒸馏水。
3、实验方法
称取0.050g样品,以2.5mL硝酸溶解后,转移至50mL容量瓶中,加入1.00mL 混合内标溶液,以水稀释至刻度,混匀。工作曲线的制作:以0.050g纯铜作为工作曲线的匹配基体,分别移取0,0.50,1.00,2.50,5.00mL混合标准溶液于50 mL容量瓶中,加入1.00mL混合内标溶液,定容。该标准溶液系列中待测元素的质量浓度分别为0,10,20,50,100ng/mL。
4、数据处理
ICPMS采集的谱图设定Savitzky-Golay多项式拟合参数。由Savitzky和Golay 于1964年提出的Savitzky-Golay滤波器被广泛地运用于数据流平滑除噪,是一种在时域内基于局域多项式最小二乘法拟合的滤波方法。这种滤波器最大的特点在于在滤除噪声的同时可以确保信号的形状、宽度不变。对每一个数据进行识别,即对每个数据是否为奇异值进行识别。通过离线和在线的学习,即可可靠地识别参数状态,实现对奇异值进行剔除和报警处理。经过基线校准达到正确峰识别的目的。
5、信号处理结果
对63Cu+离子质谱信号处理如图3所示。
图(a)对63Cu+离子质谱信号数据流平滑除噪,是一种在时域内基于局域多项式最小二乘法拟合的滤波方法。这种滤波器最大的特点在于在滤除噪声的同时可以确保信号的形状、宽度不变。
图(b)对63Cu+离子质谱信号的最小二乘平滑图。
图(c)对63Cu+离子质谱信号设定Savitzky-Golay多项式拟合结果;图(d) 对63Cu+离子质谱信号利用动态规划方法寻找全局最优的谱图分割,并利用相关系数最大法计算各段的漂移量。
图(e)图对63Cu+离子质谱信号改进方法来提高对齐的速度和增强对齐的效果(f)对63Cu+离子质谱信号Nielsen的相关优化变形窗法 (CorrelationOptimizedWarping,COW)结果。
由a-e图可知,信号处理结果稳定,清晰,噪声小,分辨率高,锋线平滑,达到预期的效果。
Claims (10)
1.一种ICP-MS信号处理方法,步骤包括:
(1)采集谱图;
(2)对谱图数据进行去噪;
(3)对去噪的数据进行平滑;
(4)剔除奇异点;
(5)基线校准;
(6)峰对准;
(7)峰特征提取。
2.权利要求1的方法,其中步骤(1)是通过电感耦合等离子体质谱法收集待测的痕量元素的谱图。
3.权利要求2的方法,其中当次谱图后处理结束并进入下一个谱图采集,所采集的谱图采集的谱图是将一个电信号转换成一个数值序列,即时间或空间上的离散函数。
4.权利要求1-3的方法,其中步骤(2)是通过匹配滤波和移动窗平均滤波消除测量噪声和随机噪声。
5.权利要求1-4的方法,其中步骤(3)通过窗口移动技术对谱图数据进行5次平滑处理,再计算求得的二阶导数光谱,以消除锯齿状的谱图数据。
6.权利要求5的方法,其中步骤(4)对于个别样本的谱图明显不同于其他样本的谱图时,或该样本谱图几乎没有出峰,则将其作为奇异点去除。
7.权利要求6的方法,其中步骤(5)中,将同一谱图的所有数据值减去最小值,使基线为零,以实现基线校准。
8.权利要求1的方法,其中步骤(6)中,针对增加的测量时间锁导致的时间偏移,进行修正,使得所有样本中代表同一个物质的谱峰的保留时间一致,便于批量处理和统计分析。
9.权利要求8的方法,其中峰对准方法包括:
在样本制备时人为地插入几个标准组分,预处理过程中,识别出这些标准组分的谱峰,通过它们分段线性地调整保留时间;或
在获取数据后,依赖线性对准和非线性对准的数学方法进行对准。
10.权利要求1-9中任一的方法中,其中步骤(7)中,峰特征提取包括提取峰高或计算峰下覆盖的面积。
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