CN113504215B - 一种具有相似结构的复杂化合物的分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有相似结构的复杂化合物的分析方法，涉及分析化学领域和药物成分领域。基于高空间分辨率的光学显微成像技术与拉曼光谱技术结合的一种的复杂化合物分析方法，对化合物或聚合物光学显微成像，根据获得的图像识别图像中的颗粒；将图像中颗粒区域进行特定波长的光照射扫描，得到拉曼光谱数据集；对得到的拉曼光谱数据集进行拟合分析，并统计分析每个点上的化合物或聚合物组分参数分析值；根据箱状图展现的组分参数分析值c的分布来判断扫描颗粒的化合物或聚合物种类，以及是否为杂质。该方法精准、非接触、非损伤、快速、不改变待测物质的物理性质与化学性质，可以用于不同化学晶体的成分分析，尤其适合药物成分分析与质量控制。
Description
技术领域
本发明涉及分析化学领域和药物成分领域，具体而言，涉及一种基于光学显微成像结合拉曼光谱的复杂化合物的分析方法。
背景技术
交联、聚合反应生成的高分子量复杂化合物，广泛地应用于饮料、医药行业中。但是这种化合物成分复杂，包含简单的初始物质、中间产物、最终产物，而交联、聚合反应生成的中产物的分子量处于一定区间的交联体，因此对于这种物质的单晶分析困难，尤其是在不改变其物理和化学性质的情况下，如不溶于水、不加热制冷、不采用变色反应，那么光学检测是一种技术手段。
鉴于交联化合物在饮料、医药行业中的重要作用，亟需建立一种快速、无接触、保留交复杂化合物晶体状态的检测方法，目前已有的检测方法采用热熔点法、高分辨质谱法破坏物理性质；采用核磁共振技术无法分辨。近年来，高空间分辨率的光学显微成像技术发展迅速，为空间分辨复杂化合物中的单晶提供可行性；同时拉曼光谱具有分子标签的作用，使鉴定复杂化合物的成分成为可能。有鉴于此，本发明基于高空间分辨率的光学显微成像技术与拉曼光谱技术结合建立了一种非接触、无损伤的复杂化合物分析方法。本发明分析方法可以实现化学结构相似且光谱上无明显特征的不同化合物或聚合物的区分。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于高空间分辨率的光学显微成像技术与拉曼光谱技术结合建立了一种的复杂化合物分析方法。该方法操作简单、非接触、无损伤，可以对产品进行，只需要微量的物质在光波的照射下进行，可以应用于复杂化合物分析，而不改变包含复杂化合物的成品或者复杂化合物的物理和化学性质。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于高空间分辨率的光学显微成像技术与拉曼光谱技术结合的一种的复杂化合物分析方法，可以实现化学结构相似且拉曼光谱上无明显区别特征的不同化合物或聚合物的区分，包括以下步骤：
(1)取待测化合物中可能的几种相似且光谱上无明显区别特征的纯净化合物粉末各1-5mg，每种粉末分别放置在不同载玻片上，裸露直径3-5mm，或者3-5mm矩形，或者3-5mm长方形的表面压实成为薄层，制成纯净化合物样品；
(2)使用拉曼光谱测量仪器对制得的每种纯净化合物样品依次进行拉曼光谱测量，得到每种纯净化合物的拉曼光谱；
(3)观察每种纯净化合物样品的拉曼光谱，若这些纯净化合物样品拉曼光谱上无明显差别，则寻找所有纯净化合物样品的拉曼光谱中具有的共同和/或者相近峰值高且峰形尖锐的特征峰作为所有纯净化合物的拉曼光谱特征峰，记录纯净化合物拉曼光谱特征峰的波数k；
(4)分别对步骤(2)中得到的每种纯净化合物样品的拉曼光谱进行平滑以及去除背景噪声处理，得到处理后每种纯净化合物的拉曼光谱Si＝I(k)，其中Si表示处理后第i个纯净化合物样品的拉曼光谱，k为拉曼位移波数，I(k)为波数k的拉曼光谱强度；
(5)在光学显微镜下对待测化合物样品进行观察，选择成像清晰的一个或多个分散颗粒作为对象进行明场成像，选择明场成像图像中包含颗粒整体或局部的一个正方形或矩形区域作为感兴趣区域；
(6)对步骤(5)中每个感兴趣区域进行共焦扫描，得到一个拉曼光谱数据集，其中待测化合物样品上一个点的拉曼光谱S(x,y)＝I(x,y,k)，其中x和y为这个点在感兴趣区域中的平面坐标，k为拉曼位移波数，I(k)为波数k的拉曼光谱强度；拉曼光谱数据集为在扫描区域内，由于k不同而形成的一帧一帧“图像”的集合，如图1所示；
(7)对步骤(6)中得到的拉曼光谱数据集中每点拉曼光谱进行去除宇宙噪声和消除背景噪声处理，得到处理后的拉曼光谱数据集；
(8)对于采用步骤(7)中得到的处理后的拉曼数据集中每个点的拉曼光谱进行拟合分析，采用每个点上对应的可能的化合物组分参数分析值c进行拟合，利用公式进行拟合公式中S(x,y)表示为一个处理后的拉曼数据集中的一个点的拉曼光谱，ci表示为一种可能的化合物在拟合结果中的组分参数分析值，代表第i个可能的化合物的含量，Si代表第i个可能的化合物的光谱强度，R(x,y)表示拟合结果中的残余光谱，越小代表着拟合越准确；
(9)在步骤(7)处理后的拉曼光谱数据集中，依步骤(3)记录的波数k，将每点的拉曼光谱在波数k处的光谱强度I作为平面图像该点的灰度值，生成一个拉曼图像；
(10)根据步骤(9)中得到的拉曼图像中，感兴趣的区域形成低灰度值区域和高灰度值区域，对于这些低灰度值区域和高灰度值区域，分别统计步骤(8)中得到的每个点上可能的化合物组分参数分析值c；
(11)作箱状图分析步骤(10)中统计的所有可能化合物组分参数分析值c，根据箱状图展现的组分参数分析值c的分布，进一步能够判断步骤(5)的待测化合物中的感兴趣区域是否为已知化合物中的一种或几种、是否为杂质。
优选本发明步骤(5)待测化合物样品为含有PVP或/和PVPP的一种或几种的化合物。步骤(1)纯净化合物分别为PVP、PVPP。
在本发明的具体实施中，使用从德国公司巴斯夫购买的聚乙烯醇吡咯烷酮(PVP)K25粉末样品，批号61861347G0，以及从德国公司巴斯夫购买的交联聚乙烯醇吡咯烷酮(PVPP)粉末作为样品，批号92441577L0，进行PVP和PVPP拉曼光谱测量。
在本发明的具体实施中，使用WITec Project FIVE软件显示拉曼光谱、明场图像和拉曼图像，对拉曼光谱数据集进行处理，在拉曼光谱数据集中提取光谱，以及对拉曼光谱数据集中光谱进行拟合分析。
在本发明步骤(1)中，分别取PVP和PVPP样品各2-5mg置于载玻片上，轻微摇晃使样品粉末颗粒尽量分散，盖上盖玻片后轻微碾压盖玻片，使样品粉末颗粒进一步分散。
在本发明步骤(2)中，对PVP和PVPP样品进行拉曼光谱测量方式为：在PVP或PVPP样品中，选择成像清晰并且具有明显边界的一个颗粒作为成像对象，在对包含颗粒局部的区域进行共焦扫描得到一个拉曼光谱数据集，对拉曼光谱数据集进行的经过去除宇宙噪声以及背景噪声处理。在处理后的拉曼光谱数据集中，在波数k＝934.2cm-1的拉曼图像中寻找Imax(x,y,934.2cm-1)最大的点，将该点的光谱作为样品的拉曼光谱。
在本发明步骤(3)中，PVP和PVPP样品无明显区别特征，记录的拉曼光谱特征峰的波数k＝934.2cm-1。
在本发明步骤(4)中，使用对WITec Project FIVE软件中光谱平滑以及去除背景噪声功能对拉曼光谱进行平滑以及去除背景噪声处理。
在本发明步骤(5)中，对待测样品如某一种PVP样品或PVPP样品进行观察。
在本发明步骤(5)中，感兴趣区域为包含颗粒局部的长方形区域或圆形区域。
在本发明步骤(6)中，使用共焦拉曼光谱显微镜WITec Alpha300-RAMAN进行共焦扫描，扫描采用激发波长为532nm，激光功率为10mw，光栅为1200g/mm，物镜倍数为50，数值孔径为0.75，以及波数为0～1900cm-1。
在本发明步骤(7)中，使用WITec Project FIVE软件对步骤(6)中得到的拉曼光谱数据集中每点拉曼光谱进行去除宇宙噪声和消除背景噪声处理，得到处理后的拉曼光谱数据集
在本发明步骤(8)中，在WITec Project FIVE软件中True Components Analysis模块中，使用步骤(4)中得到的处理后的PVP和PVPP样品的拉曼光谱对处理后的拉曼数据集中每个点的拉曼光谱进行拟合分析。
在本发明步骤(9)中，对步骤(7)处理后的拉曼光谱数据集，依步骤(3)记录的波数k＝934.2cm-1，将每点的拉曼光谱在波数数k＝934.2cm-1处的光谱强度I作为平面图像该点的灰度值，对应每个拉曼光谱数据集生成一个拉曼图像；
在本发明步骤(10)中，使用Microsoft Excel文档统计PVP和PVPP组分参数分析值c。
在本发明步骤(11)中，使用SPSS软件作箱状图分析统计的组分参数分析值。
箱状图：在得到的拉曼特征峰的拉曼图像中颗粒区域中低灰度值区域和高灰度值区域对应样品中区域，分别统计低灰度值区域所有点的PVP和PVPP组分参数分析值和高灰度值区域所有点的PVP和PVPP组分参数分析值。箱状图作图过程为将同一类数据(如低灰度值区域所有点的PVP组分参数分析值、低灰度值区域所有点的PVPP组分参数分析值、高灰度值区域所有点的PVP组分参数分析值或高灰度值区域所有点的PVPP组分参数分析值)从大到小排列，计算出异常值并在箱状图中表示(星号为偏差较大的异常值，圆圈为偏差较小的异常值)，再在剩余的数据中分别找出数据的上边缘作为箱状图中上边缘，数据的上四分位数作为箱状图中箱体上边缘，数据的中位数使用箱状图中箱体中实线表示，数据的下四分位数作为箱状图箱体下边缘，以及数据的下边缘作为箱状图中下边缘。PVP样品中选择作为成像对象的颗粒对应的组分参数分析值统计分析结果如图7所示。图中纵轴为PVP或PVPP组分参数分析值，横轴为不同的统计分析类别，其中，PVPab表示为在颗粒拉曼图像高灰度值区域中所有点PVP组分参数分析值cPVP的统计分析结果；PVPad表示为在颗粒拉曼图像低灰度值区域中所有点PVP组分参数分析值cPVP的统计分析结果；PVPPab表示为在颗粒拉曼图像高灰度值区域中所有点PVPP组分参数分析值cPVPP的统计分析结果；PVPPab表示为在颗粒拉曼图像低灰度值区域中所有点PVPP组分参数分析值cPVPP的统计分析结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的方法，以一种基于光学显微成像结合拉曼光谱的复杂化合物的分析方法，建立分析化学和药物成分分析方法。对化合物或聚合物光学显微成像，根据获得的图像识别图像中的颗粒；将图像中颗粒区域进行特定波长的光照射扫描，得到拉曼光谱数据集；对得到的拉曼光谱数据集进行拟合分析，并统计分析每个点上的化合物或聚合物组分参数分析值；根据箱状图展现的组分参数分析值c的分布来判断扫描颗粒的化合物或聚合物种类，以及是否为杂质。该方法精准、非接触、非损伤、快速、不改变待测物质的物理性质与化学性质，可以用于不同化学晶体的成分分析，尤其适合药物成分分析与质量控制。
本发明的方法不依赖标准化合物，无需标准品的提取和制备，节约时间成本和经济成本。
本发明的方法直接对化合物高分辨率成像与拉曼光谱结合，非接触、不改变化合物的物理和化学性质。
附图说明
图1拉曼光谱数据集结构示意图；
图2为实施例1的PVP K25粉末样品和PVPP粉末样品临时装片
图3(a)为实施例1提取的PVP样品拉曼光谱；(b)为实施例1提取的PVPP样品拉曼光谱；
图4(a)为实施例1处理后的PVP样品拉曼光谱；(b)为实施例1处理后的PVPP样品拉曼光谱；
图5为实施例1待测PVP样品中选择作为成像对象的颗粒的明场图像，其中实线框内区域为包含颗粒局部的感兴趣区域。
图6为实施例1待测PVP样品中选择作为成像对象的颗粒的934.2cm-1拉曼特征峰的拉曼图像；
图7为实施例1待测PVP样品中选择作为成像对象的颗粒对应的组分参数分析值统计分析结果。
图8为实施例2待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的明场图像，其中实线框内区域为包含颗粒局部的感兴趣区域。
图9为实施例2待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的934.2cm-1拉曼特征峰的拉曼图像；
图10为实施例2待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒对应的组分参数分析值统计分析结果；
图11为实施例3待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的明场图像，其中实线框内区域为包含颗粒整体的感兴趣区域；
图12为实施例3待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的934.2cm-1拉曼特征峰的拉曼图像；
图13为实施例3待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒对应的组分参数分析值统计分析结果；
图14为实施例4待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的明场图像，其中实线框内区域为包含颗粒整体的感兴趣区域；
图15为实施例4待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的9342cm-1拉曼特征峰的拉曼图像；
图16为实施例4待测PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒对应的组分参数分析值统计分析结果。
图17箱装图图解。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并限于以下实施例。
实施例1：
在步骤(1)中，分别将PVP K25与PVPP粉末样品分别制作成临时装片，临时装片如图2所示，图中左侧为PVP K25样品临时装片，右侧为PVPP样品临时装片。
在步骤(2)中，在每种样品中，选择成像清晰并且具有明显边界的一个颗粒作为成像对象在其颗粒局部进行共焦扫描得到一个拉曼光谱数据集，对拉曼光谱数据集进行的经过去除宇宙噪声以及背景噪声处理，在处理后的拉曼光谱数据集中提取各点光谱中在波数k＝934.2cm-1的拉曼光谱强度I最高的光谱作为样品的拉曼光谱，得到的PVP和PVPP样品拉曼光谱分别如图3中a和b所示。
在步骤(3)中，通过观察，PVP和PVPP样品拉曼光谱无明显区别特征，波数k＝934.2cm-1处存在峰值高且峰形尖锐的拉曼光谱特征峰。随后在步骤(4)中，分别对步骤(2)中得到的PVP和PVPP样品的拉曼光谱进行平滑以及去除背景噪声处理，处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱SPVP和SPVPP分别如图4中a和b所示。
在步骤(5)中，在光学显微镜下对PVP样品进行观察，在PVP样品中选择成像清晰的一个分散颗粒作为成像对象进行明场成像，选择明场成像图像中包含成像对象颗粒局部的一个正方形区域作为感兴趣区域。其中，在PVP样品中作为成像对象的颗粒明场成像图像中感兴趣区域为包含颗粒局部的20μm*20μm的正方形区域。PVP样品中选择作为成像对象的颗粒的明场图像如图5所示，其中实线框内区域为包含颗粒局部的感兴趣区域。
在步骤(6)中，对被选分散颗粒作为成像对象的明场成像图像中感兴趣区域对应样品上所在区域进行共焦扫描，得到一个拉曼光谱数据集。然后在步骤(7)中，对得到的拉曼光谱数据集每点拉曼光谱进行去除宇宙噪声和消除背景噪声处理，得到处理后的拉曼光谱数据集。随后在步骤(8)中，使用步骤(4)中得到的处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱对处理后的拉曼光谱数据集中每个点的拉曼光谱进行拟合分析，得到拉曼数据集中每个点对应样品实际位置PVP和PVPP组分参数分析值cPVP(x，y)和cPVPP(x，y)，拉曼数据集中每个点的拉曼光谱与处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱关系可以利用公式表示为S(x，y)＝cPVP(x，y)SPVP+cPVPP(x，y)SPVPP+R(x，y)。
在步骤(9)中，在每个步骤(7)处理后的拉曼光谱数据集中，依步骤(3)记录的波数k＝934.2cm-1，将每点的拉曼光谱在波数k＝934.2cm-1处的光谱强度I(x,y,934.2cm-1)作为平面图像该点的灰度值，生成一个拉曼图像，如图6所示；
在步骤(10)中，在得到的拉曼特征峰的拉曼图像中，颗粒区域中低灰度值区域和高灰度值区域对应样品中区域，记录并且统计每个点上的PVP和PVPP组分参数分析值cPVP和cPVPP。
在步骤(11)中，作箱状图分析步骤(10)中PVP和PVPP组分参数分析值cPVP和cPVPP，分析结果如图7所示。在图7中，纵轴为cPVP或者cPVPP值，横轴为不同的统计类别，其中，PVPab表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中高灰度值区域中各点PVP组分参数分析的类型；PVPad表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中低灰度值区域中各点PVP组分参数分析的类型；PVPPab表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中高灰度值区域中各点PVPP组分参数分析的类型；PVPPad表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中低灰度值区域中各点PVPP组分参数分析的类型。
实施例2：
在步骤(1)中，分别将PVP K25与PVPP粉末样品分别制作成临时装片，临时装片如图2所示，图中左侧为PVP K25样品临时装片，右侧为PVPP样品临时装片。
在步骤(2)中，在每种样品中，选择成像清晰并且具有明显边界的一个颗粒作为成像对象在其颗粒局部进行共焦扫描得到一个拉曼光谱数据集，对拉曼光谱数据集进行的经过去除宇宙噪声以及背景噪声处理，在处理后的拉曼光谱数据集中提取各点光谱中在波数k＝934.2cm-1的拉曼光谱强度I最高的光谱作为样品的拉曼光谱，得到的PVP和PVPP样品拉曼光谱分别如图3中a和b所示。
在步骤(3)中，通过观察，PVP和PVPP样品拉曼光谱无明显区别特征，波数k＝934.2cm-1处存在峰值高且峰形尖锐的拉曼光谱特征峰。随后在步骤(4)中，分别对步骤(2)中得到的PVP和PVPP样品的拉曼光谱进行平滑以及去除背景噪声处理，处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱SPVP和SPVPP分别如图4中a和b所示。
在步骤(5)中，在光学显微镜下对PVPP样品进行观察，在PVPP样品中选择成像清晰的一个颗粒作为成像对象进行明场成像，选择明场成像图像中包含成像对象颗粒局部的一个正方形区域作为感兴趣区域。在PVPP样品中作为成像对象的颗粒明场成像图像中感兴趣区域为包含颗粒局部的10μm*10μm的正方形区域。PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的明场图像如图8所示，其中实线框内区域为包含颗粒局部的感兴趣区域。
在步骤(6)中，对被选分散颗粒作为成像对象的明场成像图像中感兴趣区域对应样品上所在区域进行共焦扫描，得到一个拉曼光谱数据集。然后在步骤(7)中，对得到的拉曼光谱数据集每点拉曼光谱进行去除宇宙噪声和消除背景噪声处理，得到处理后的拉曼光谱数据集。随后在步骤(8)中，使用步骤(4)中得到的处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱对处理后的拉曼光谱数据集中每个点的拉曼光谱进行拟合分析，得到拉曼数据集中每个点对应样品实际位置PVP和PVPP组分参数分析值cPVP(x，y)和cPVPP(x，y)，拉曼数据集中每个点的拉曼光谱与处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱关系可以利用公式表示为S(x，y)＝cPVP(x，y)SPVP+cPVPP(x，y)SPVPP+R(x，y)。
在步骤(9)中，在每个步骤(7)处理后的拉曼光谱数据集中，依步骤(3)记录的波数k＝934.2cm-1，将每点的拉曼光谱在波数k＝934.2cm-1处的光谱强度I作为平面图像该点的灰度值，生成一个拉曼图像，如图9所示；
在步骤(10)中，在得到的拉曼特征峰的拉曼图像中颗粒区域中低灰度值区域和高灰度值区域对应样品中区域，统计每个点上的PVP和PVPP组分参数分析值cPVP和cPVPP。
在步骤(11)中，作箱状图分析步骤(10)中PVP和PVPP组分参数分析值cPVP和cPVPP，分析结果如图10所示。在图10中，纵轴为cPVP或者cPVPP值，横轴为不同的统计类别，其中，PVPab表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中高灰度值区域中各点PVP组分参数分析的类型；PVPad表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中低灰度值区域中各点PVP组分参数分析的类型；PVPPab表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中高灰度值区域中各点PVPP组分参数分析的类型；PVPPad表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中低灰度值区域中各点PVPP组分参数分析的类型。
实施例1图7和实施例2图10中，PVP和PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒对应的组分参数分析值统计分析结果存在明显差异，因此本发明提出分析方法可区分PVP和PVPP两种样品。
实施例3：
在步骤(1)中，分别将PVP K25与PVPP粉末样品分别制作成临时装片，临时装片如图2所示，图中左侧为PVP K25样品临时装片，右侧为PVPP样品临时装片。
在步骤(2)中，在每种样品中，选择成像清晰并且具有明显边界的一个颗粒作为成像对象在其颗粒局部进行共焦扫描得到一个拉曼光谱数据集，对拉曼光谱数据集进行的经过去除宇宙噪声以及背景噪声处理，在处理后的拉曼光谱数据集中提取各点光谱中在波数k＝934.2cm-1的拉曼光谱强度I最高的光谱作为样品的拉曼光谱，得到的PVP和PVPP样品拉曼光谱分别如图3中a和b所示。
在步骤(3)中，通过观察，PVP和PVPP样品拉曼光谱无明显区别特征，波数k＝934.2cm-1处存在峰值高且峰形尖锐的拉曼光谱特征峰。随后在步骤(4)中，分别对步骤(2)中得到的PVP和PVPP样品的拉曼光谱进行平滑以及去除背景噪声处理，处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱SPVP和SPVPP分别如图4中a和b所示。
在步骤(5)中，在光学显微镜下对PVPP样品进行观察，在PVPP样品中选择成像清晰的一个分散颗粒作为成像对象进行明场成像，选择明场成像图像中包含成像对象颗粒整体的一个正方形区域作为感兴趣区域。在PVPP样品中作为成像对象的颗粒明场成像图像中感兴趣区域为包含颗粒整体的20μm*20μm的正方形区域。PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的明场图像如图11所示，其中实线框内区域为包含颗粒整体的感兴趣区域。
在步骤(6)中，对被选分散颗粒作为成像对象的明场成像图像中感兴趣区域对应样品上所在区域进行共焦扫描，得到一个拉曼光谱数据集。然后在步骤(7)中，对得到的拉曼光谱数据集每点拉曼光谱进行去除宇宙噪声和消除背景噪声处理，得到处理后的拉曼光谱数据集。随后在步骤(8)中，使用步骤(4)中得到的处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱对处理后的拉曼光谱数据集中每个点的拉曼光谱进行拟合分析，得到拉曼数据集中每个点对应样品实际位置PVP和PVPP组分参数分析值cPVP(x，y)和cPVPP(x，y)，拉曼数据集中每个点的拉曼光谱与处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱关系可以利用公式表示为S(x，y)＝cPVP(x，y)SPVP+cPVPP(x，y)SPVPP+R(x，y)。
在步骤(9)中，在每个步骤(7)处理后的拉曼光谱数据集中，依步骤(3)记录的波数k＝934.2cm-1，将每点的拉曼光谱在波数k＝934.2cm-1处的光谱强度I作为平面图像该点的灰度值，生成一个拉曼图像，如图12所示；
在步骤(10)中，在得到的拉曼特征峰的拉曼图像中颗粒区域中低灰度值区域和高灰度值区域对应样品中区域，统计每个点上的PVP和PVPP组分参数分析值cPVP和cPVPP。
在步骤(11)中，作箱状图分析步骤(10)中PVP和PVPP组分参数分析值cPVP和cPVPP，分析结果如图13所示。在图13中，纵轴为cPVP或者cPVPP值，横轴为不同的统计类别，其中，PVPab表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中高灰度值区域中各点PVP组分参数分析的类型；PVPad表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中低灰度值区域中各点PVP组分参数分析的类型；PVPPab表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中高灰度值区域中各点PVPP组分参数分析的类型；PVPPad表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中低灰度值区域中各点PVPP组分参数分析的类型。
实施例2的图10和实施例3的图13中，PVPP样品中选择的两个作为成像对象的颗粒对应的组分参数分析值统计分析结果相似，因此本发明提出分析方法可通过组分参数分析值统计分析结果确认分析颗粒为PVPP样品颗粒。
实施例4：
在步骤(1)中，分别将PVP K25与PVPP粉末样品分别制作成临时装片，临时装片如图2所示，图中左侧为PVP K25样品临时装片，右侧为PVPP样品临时装片。
在步骤(2)中，在每种样品中，选择成像清晰并且具有明显边界的一个颗粒作为成像对象在其颗粒局部进行共焦扫描得到一个拉曼光谱数据集，对拉曼光谱数据集进行的经过去除宇宙噪声以及背景噪声处理，在处理后的拉曼光谱数据集中提取各点光谱中在波数k＝934.2cm-1的拉曼光谱强度I最高的光谱作为样品的拉曼光谱，得到的PVP和PVPP样品拉曼光谱分别如图3中a和b所示。
在步骤(3)中，通过观察，PVP和PVPP样品拉曼光谱无明显区别特征，波数k＝934.2cm-1处存在峰值高且峰形尖锐的拉曼光谱特征峰。随后在步骤(4)中，分别对步骤(2)中得到的PVP和PVPP样品的拉曼光谱进行平滑以及去除背景噪声处理，处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱SPVP和SPVPP分别如图4中a和b所示。
在步骤(5)中，在光学显微镜下对PVPP样品进行观察，在PVPP样品中选择成像清晰的一个分散颗粒作为成像对象进行明场成像，选择明场成像图像中包含成像对象颗粒整体或局部的一个正方形区域作为感兴趣区域。在PVPP样品中作为成像对象的颗粒明场成像图像中感兴趣区域为包含颗粒整体的10μm*10μm的正方形区域。PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的明场图像如图14所示，其中实线框内区域为包含颗粒整体的感兴趣区域。
在步骤(6)中，对被选分散颗粒作为成像对象的明场成像图像中感兴趣区域对应样品上所在区域进行共焦扫描，得到一个拉曼光谱数据集。然后在步骤(7)中，对得到的拉曼光谱数据集每点拉曼光谱进行去除宇宙噪声和消除背景噪声处理，得到处理后的拉曼光谱数据集。随后在步骤(8)中，使用步骤(4)中得到的处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱对处理后的拉曼光谱数据集中每个点的拉曼光谱进行拟合分析，得到拉曼数据集中每个点对应样品实际位置PVP和PVPP组分参数分析值cPVP(x，y)和cPVPP(x，y)，拉曼数据集中每个点的拉曼光谱与处理后的PVP和PVPP样品拉曼光谱关系可以利用公式表示为S(x，y)＝cPVP(x，y)SPVP+cPVPP(x，y)SPVPP+R(x，y)。
在步骤(9)中，在每个步骤(7)处理后的拉曼光谱数据集中，依步骤(3)记录的波数k＝934.2cm-1，将每点的拉曼光谱在波数k＝934.2cm-1处的光谱强度I作为平面图像该点的灰度值，生成一个拉曼图像，如图15所示；
在步骤(10)中，在得到的拉曼特征峰的拉曼图像中颗粒区域中低灰度值区域和高灰度值区域对应样品中区域，统计每个点上的PVP和PVPP组分参数分析值cPVP和cPVPP。
在步骤(11)中，作箱状图分析步骤(10)中PVP和PVPP组分参数分析值cPVP和cPVPP，分析结果如图16所示。在图16中，纵轴为cPVP或者cPVPP值，横轴为不同的统计类别，其中，PVPab表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中高灰度值区域中各点PVP组分参数分析的类型；PVPad表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中低灰度值区域中各点PVP组分参数分析的类型；PVPPab表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中高灰度值区域中各点PVPP组分参数分析的类型；PVPPad表示一种分析类型：在拉曼图像中，对于颗粒区域中低灰度值区域中各点PVPP组分参数分析的类型。
实施例四中图16中PVPP样品中选择作为成像对象的颗粒的组分参数分析值统计分析结果与前三个实施例中组分参数分析值统计结果明显不同，且巴斯夫公司生产的PVPP产品颗粒为球形颗粒，可以判断实施例四中选择作为成像对象颗粒为PVPP样品中杂质，因此本专利提出分析方法可区分出除PVP和PVPP两物质外样品中杂质颗粒。
Claims (1)
1.一种具有相似结构的复杂化合物的分析方法，其特征在于，是基于高空间分辨率的光学显微成像技术与拉曼光谱技术结合的一种的复杂化合物分析方法，实现化学结构相似且拉曼光谱上无明显区别特征的不同化合物或聚合物的区分，具体包括以下步骤：
(1)取待测化合物中可能的两种相似且光谱上无明显区别特征的纯净化合物粉末各1-5mg，每种粉末分别放置在不同载玻片上，裸露直径3-5mm，或者3-5mm矩形，或者3-5mm长方形的表面压实成为薄层，制成纯净化合物样品；
(2)使用拉曼光谱测量仪器对制得的每种纯净化合物样品依次进行拉曼光谱测量，得到每种纯净化合物的拉曼光谱；
(3)观察每种纯净化合物样品的拉曼光谱，若这些纯净化合物样品拉曼光谱上无明显差别，则寻找所有纯净化合物样品的拉曼光谱中具有的共同的峰值高且峰形尖锐的特征峰作为所有纯净化合物的拉曼光谱特征峰，记录纯净化合物拉曼光谱特征峰的波数k；
(4)分别对步骤(2)中得到的每种纯净化合物样品的拉曼光谱进行平滑以及去除背景噪声处理，得到处理后每种纯净化合物的拉曼光谱Si＝I(k)，其中Si表示处理后第i个纯净化合物样品的拉曼光谱，k为拉曼位移波数，I(k)为波数k的拉曼光谱强度；
(5)在光学显微镜下对待测化合物样品进行观察，选择成像清晰的一个或多个分散颗粒作为对象进行明场成像，选择明场成像图像中包含颗粒整体或局部的一个正方形或矩形区域作为感兴趣区域；
(6)对步骤(5)中每个感兴趣区域进行共焦扫描，得到一个拉曼光谱数据集，其中待测化合物样品上一个点的拉曼光谱S(x,y)＝I(x,y,k)，其中x和y为这个点在感兴趣区域中的平面坐标，k为拉曼位移波数，I(k)为波数k的拉曼光谱强度；拉曼光谱数据集为在扫描区域内，由于k不同而形成的一帧一帧“图像”的集合；
(7)对步骤(6)中得到的拉曼光谱数据集中每点拉曼光谱进行去除宇宙噪声和消除背景噪声处理，得到处理后的拉曼光谱数据集；
(8)对于采用步骤(7)中得到的处理后的拉曼数据集中每个点的拉曼光谱进行拟合分析，采用每个点上对应的可能的化合物组分参数分析值c进行拟合，利用公式进行拟合公式中S(x,y)表示为一个处理后的拉曼数据集中的一个点的拉曼光谱，ci表示为一种可能的化合物在拟合结果中的组分参数分析值，代表第i个可能的化合物的含量，Si代表第i个可能的化合物的光谱强度，R(x,y)表示拟合结果中的残余光谱，越小代表着拟合越准确；
(9)在步骤(7)处理后的拉曼光谱数据集中，依步骤(3)记录的波数k，将每点的拉曼光谱在波数k处的光谱强度I作为平面图像该点的灰度值，生成一个拉曼图像；
(10)根据步骤(9)中得到的拉曼图像中，感兴趣的区域形成低灰度值区域和高灰度值区域，对于这些低灰度值区域和高灰度值区域，分别统计步骤(8)中得到的每个点上可能的化合物组分参数分析值c；
(11)作箱状图分析步骤(10)中统计的所有可能化合物组分参数分析值c，根据箱状图展现组分参数分析值c的分布；
根据箱状图判断步骤(5)的待测化合物的感兴趣区域是否为已知化合物中的一种或两种、是否为杂质；
使用WITec Project FIVE软件显示拉曼光谱、明场图像和拉曼图像，对拉曼光谱数据集进行处理，在拉曼光谱数据集中提取光谱，以及对拉曼光谱数据集中光谱进行拟合分析；
步骤(5)待测化合物样品为含有PVP或/和PVPP的化合物；步骤(1)纯净化合物分别为PVP、PVPP；
步骤(1)中，分别取PVP和PVPP样品各2-5mg置于载玻片上，轻微摇晃使样品粉末颗粒尽量分散，盖上盖玻片后轻微碾压盖玻片，使样品粉末颗粒进一步分散；
步骤(2)中，对PVP和PVPP样品进行拉曼光谱测量方式为：在PVP或PVPP样品中，选择成像清晰并且具有明显边界的一个颗粒作为成像对象，在对包含颗粒局部的区域进行共焦扫描得到一个拉曼光谱数据集，对拉曼光谱数据集进行的经过去除宇宙噪声以及背景噪声处理；在处理后的拉曼光谱数据集中，在波数k＝934.2cm-1的拉曼图像中寻找Imax(x,y,934.2cm-1)最大的点，将该点的光谱作为样品的拉曼光谱；
步骤(3)中，PVP和PVPP样品无明显区别特征，记录的拉曼光谱特征峰的波数k＝934.2cm-1；
步骤(4)中，使用对WITec Project FIVE软件中光谱平滑以及去除背景噪声功能对拉曼光谱进行平滑以及去除背景噪声处理；
步骤(5)中，对待测样品一种PVP样品或PVPP样品进行观察；步骤(6)中，使用共焦拉曼光谱显微镜WITec Alpha300-RAMAN进行共焦扫描，扫描采用激发波长为532nm，激光功率为10mw，光栅为1200g/mm，物镜倍数为50，数值孔径为0.75，以及波数为0～1900cm-1；
步骤(7)中，使用WITec Project FIVE软件对步骤(6)中得到的拉曼光谱数据集中每点拉曼光谱进行去除宇宙噪声和消除背景噪声处理，得到处理后的拉曼光谱数据集；
步骤(8)中，在WITec Project FIVE软件中True Components Analysis模块中，使用步骤(4)中得到的处理后的PVP和PVPP样品的拉曼光谱对处理后的拉曼数据集中每个点的拉曼光谱进行拟合分析；
步骤(9)中，对步骤(7)处理后的拉曼光谱数据集，依步骤(3)记录的波数k＝934.2cm-1，将每点的拉曼光谱在波数k＝934.2cm-1处的光谱强度I作为平面图像该点的灰度值，对应每个拉曼光谱数据集生成一个拉曼图像；
步骤(10)中，使用Microsoft Excel文档统计PVP和PVPP组分参数分析值c；
步骤(11)中，使用SPSS软件作箱状图分析统计的组分参数分析值。
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| JP2011033346A (ja) * | 2009-07-29 | 2011-02-17 | Shimadzu Corp | クロマトグラフ質量分析データ解析方法及び装置 |
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| CN110646396A (zh) * | 2019-08-26 | 2020-01-03 | 中山大学 | 一种初生态超高分子量聚乙烯的表征方法 |
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2021
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