CN113933373B - 一种利用质谱数据确定有机物结构的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用质谱数据确定有机物结构的方法和系统，涉及化学分析技术领域。该方法，包括以下步骤：S1、获得碎片片段结构；S2、对所述碎片片段结构计算得出相应的相对分子质量和质荷比；S3、存储已知结构的有机物及其碎片片段结构的数据信息；S4、将待确定结构的有机物信息输入数据库系统；S5、给出设定权重范围内的有机物的化学信息和质谱测试对应质荷比的碎片片段结构信息。通过将数千万化学有机物质在含有质谱裂解规律的算法下将其结构碎片化处理，然后将他们集成数据库，以供查询匹配，数据量更加丰富，包含的裂解情况更多，给予的参考价值更高，缩短了质谱解析时间，提供优选的直观分析结果，可以显著提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及化学分析技术领域，具体为一种利用质谱数据确定有机物结构的方法和系统。
背景技术
质谱（MS）是一种电离化学物质并根据其质荷比（质量-电荷比）对其进行排序的分析技术，由于质谱分析具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，质谱技术被广泛地应用于化学、化工、环境、能源、医药、运动医学、刑事科学技术、生命科学、材料科学等各个领域，利用MS的特异性、动态范围及其灵敏度，来鉴别分子结构和量化各种纯有机物和复杂基质中紧密相关的各种有机物，因此，质谱在对有机物结构的鉴定和纯化方面已经被证实是不可或缺的工具。
但是，当前的有机物质有数千万种，数据量巨大，而且很多有机物质存在分子式相同但是结构不同的情况，目前对于质谱解析，主要是依靠人工经验逐个分析判断，或者通过对大量有机物进行实测后的质谱数据积累起来建立质谱库以供参考，比如MassBank质谱库积累了几万种有机物质的实际测质谱以供研究者参考（相比于几千万种有机物来说数据量九牛一毛）或者仪器厂商在质谱仪中内嵌一些常见碎片数据及常见有机物的数据库来辅助结构解析，对于解析经验稍有不足的人或者还有数千万种物质没有实测记录的有机物，那么研究人员需要花费大量的时间来解析质谱图数据，无法快速确定其结构信息，导致工作效率低下，严重影响研究进度。
为了解决质谱解析的难题，已经有过诸多努力尝试，比如前面说到地建立拥有大量实测数据的公共数据库平台，给广大科研人员提供参考，但这种方式积累的总数据量有限，且每种有机物质测得实测数据量也有限，无法对应所有情况；还有公司基于单一离子源（如电子轰击离子源EI）所归纳的裂解规律来作为准则计算模拟预测分子碎片和相对丰度，但是且不同来源的仪器设备具有不同裂解机理，在其他电离方法如电喷雾（ESI)、大气压化学电离（APCI）等设备中则不适用。
因此，如何快速有效对质谱数据进行解析，仅凭简单条件就能确定相关的待确定物质结构成为研究者们亟待要解决的瓶颈问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用质谱数据确定有机物结构的方法和系统，帮助研究人员快速确定有机物结构，提高工作效率，解决了研究人员需要花费大量的时间来解析质谱图数据，无法快速确定有机物结构信息，导致工作效率低下，严重影响研究进度的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种利用质谱数据确定有机物结构的方法，包括以下步骤：
S1、对已知结构的有机物用ASCII字符串描述分子结构的方法进行编码，对其结构进行片段指纹化拆解处理，获得碎片片段结构；
S2、对所述碎片片段结构计算得出相应的相对分子质量和质荷比；
S3、对大量的有机物在进行S1步骤和S2步骤处理后，存储已知结构的有机物及其碎片片段结构的数据信息，形成数据库系统；
S4、将待确定结构的有机物信息输入所述数据库系统，在数据库系统中匹配到相关结构有机物，然后对质谱测试数据和片段指纹信息数据进行匹配权重计算；
S5、根据匹配权重数据给出设定权重范围内的有机物的化学信息和质谱测试对应质荷比的碎片片段结构信息。
优选的，所述S1步骤中，所述编码为SMILES/mol编码；所述片段指纹化拆解处理为包括质谱裂解规律的分子结构碎片化方法。
优选的，所述S3步骤中，所述数据信息包括已知结构的有机物的化学分子式和结构式、碎片片段结构的相对分子质量和质荷比。
优选的，所述S4步骤中，将待确定结构的有机物信息输入所述数据库系统后，能够通过检索系统匹配到相关结构有机物，然后对质谱测试数据和片段指纹信息数据进行匹配权重计算。
优选的，所述S4步骤中，所述待确定结构的有机物信息包括分子式、结构式、质谱测试质荷比数据。
一种利用质谱数据确定有机物结构的系统，包括处理器、输入模块、输出模块和存储模块，所述处理器能够对所述输入模块输入的已知结构的有机物用ASCII字符串明确描述分子结构的方法进行编码，并计算得到各种碎片片段结构的SMILES/mol编码，然后存储到所述存储模块中的数据库系统，成为相关结构有机物信息；
所述处理器能够将所述输入模块输入的待确定结构的有机物信息与存储模块中的相关结构有机物信息进行匹配，并能够通过所述输出模块输出设定权重范围内的有机物的化学信息和质谱测试对应质荷比的片段结构信息。
本发明提供了一种利用质谱数据确定有机物结构的方法和系统。具备以下有益效果：
本发明通过将有机物进行SMILES/Mol编码，运用算法对其结构进行片段指纹化拆解处理，存储已知结构的有机物及其碎片片段结构的数据信息，形成数据库系统，将待确定结构的有机物信息输入数据库系统，在数据库系统中匹配到相关结构有机物，然后对质谱测试数据和片段指纹信息数据进行匹配权重计算，给出优选后的有机物的化学信息和质谱测试对应质荷比的碎片片段结构信息，将数千万化学有机物质结构碎片化处理，再对碎片进行计算，然后将他们集成数据库，以供查询匹配，与现有的解析平台相比，数据量更加丰富，包含的裂解情况更多，给予的参考价值更高；用算法和系统为科研人员大大简化了解析流程，缩短了质谱解析时间，提供优选的直观分析结果，可以显著提高工作效率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的有机物SMILES/mol编码结果示意图；
图3为本发明的经过算法对分子结构处理后的碎片结果示意图；
图4为本发明的系统框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1-图3所示，本发明实施例提供一种利用质谱数据确定有机物结构的方法，包括以下步骤：
步骤（1），将有机物进行SMILES/Mol编码，即用ASCII字符串描述分子结构的方法进行编码，对其结构进行片段指纹化拆解处理。如分子式乙醇（C2H5OH)，编码流程示意图如图2所示，碎片化结果如图3所示。指纹化拆解处理操作如图3所示的案例，将有机物分子做可能的碎片化处理，对于程序而言，实际上各碎片对应的是该分子的SMILES码片段，该处理的目的是为了能够得到模拟质谱仪对化学分子进行测量时产生的碎片结果。
SMILES是一种利用ASCII字符串明确描述分子结构的规范；Mol编码文件得到能够存储化学结构原子、键、相互关系和属性重要结构信息；目的是通过这两种编码来实现化学分子结构能够被计算机存储和检索；好处是能得到关于化合物规范的、无歧义的、唯一的描述，具有可读性，节省存储空间。
具体步骤：
将质谱裂解的基本规律，不同结构有机物裂解规律，常规分子结构碎片方法等已知的公认机理文字总结转化为计算机程序语言；识别已知有机物的SMILES /Mol编码，得到相应的结构信息；通过包含有裂解规律的计算机程序对已知有机物的SMILES码进行程序上的拆解；将得到各种可能结构碎片的SMILES码进行存储。
步骤（2），对碎片片段结构计算得出相应的相对分子质量和质荷比；对碎片基团中所包含的元素种类进行识别，然后计算相应元素的原子质量或离子质量的和，即可得到碎片基团的相对分子质量，质荷比=碎片基团相对分子质量/基团所带电荷数。
步骤（3），对大量已知结构的有机物进行步骤（1）和步骤（2）的处理，将有机物及其碎片化后的片段结构信息进行存储，包含有机物的化学分子式和结构式等化学信息以及片段结构的相对分子质量和质荷比数据，形成数据库系统。
步骤（4），将待确定结构物质的分子式或结构式，以及质谱测试质荷比数据输入上述数据库系统的检索系统中，在数据库系统中经过算法匹配到相关结构有机物分子，然后对质谱测试数据和片段指纹信息数据进行匹配权重计算。如给系统输入C2H6O或者画出待确定有机物质的预期结构图，那么该系统就会对该分子式或结构式进行匹配到相关有机物质，自动提取到相关有机物质的碎片片段和其质荷比信息；当输入实测的质谱数据时，则会对根据可能目标有机物的碎片进行匹配及对应的权重计算。
算法匹配的具体操作步骤是：将本库中所有相同分子式或相似结构式的分子检索到；对输入的待确定目标进行结构编码转换，即对其按照步骤（1）进行指纹化拆解后，再按步骤（2）得到对应的质荷比；将拆解后得到的待测目标碎片基团质荷比与前面检索到本库中相同分子式或结构式的碎片基团进行一一对应匹配。
匹配权重计算的具体计算方式为匹配权重=待测目标碎片基团质荷比匹配数/本库可能匹配物质碎片基团质荷比×100%。
步骤（5），根据步骤（4）的匹配分析结果，即根据前面匹配权重计算的结果，按照值由大至小排列，给出相应的优选结构，将符合输入条件的所有可能有机物质情况和碎片信息都完整呈现出来，给出设定权重范围内的结果，以供研究人员确认。可以根据需要选取不同匹配权重的结构作为结果；优选的，可以选取匹配权重前50%的结构作为优选结果，更有选的，选取匹配权重前10%的结构作为优选结果。
综上所述，可以大幅缩短研究人员的解析质谱图的时间，快速确定待测物质的结构，且给对质谱各条数据给出详解，以供相关工作人员进一步深入分析研究其他机理。本发明可以将数千万化学有机物质在含有质谱裂解规律的算法下将其结构碎片化处理，再对碎片进行计算，然后将他们集成数据库，以供查询匹配，与现有的解析平台相比，数据量更加丰富，包含的裂解情况更多，给予的参考价值更高；用算法和系统为科研人员大大简化了解析流程，缩短了质谱解析时间，提供优选的直观分析结果，可以显著提高工作效率。
现有技术的测量实质就是质谱仪利用高能将实物分子轰击成为各种碎片，然后测量各种碎片基团得到相应的质荷比，其流程更为复杂，而该方案仅仅只是根据化学分子结构即可得到可能的质谱数据，不需要进行大量的实际测量，更加方便快捷。
本地拥有数千万化学物质的数据库（该类数据库有很多如业内已知的Pubchem、Chemspider等）；通过程序对该数据库中的所有物质进行统一的编码；利用本方案中的方法对该化学库中的所有物质进行处理，即可得到拥有数千万有机物质碎片的数据库集。
实施例二：
如图4所示，本发明实施例提供一种利用质谱数据确定有机物结构的系统，包括处理器、输入模块、输出模块和存储模块，处理器能够对输入模块输入的已知结构的有机物用ASCII字符串明确描述分子结构的方法进行编码，并计算得到各种碎片片段结构的SMILES/mol编码，然后存储到存储模块中的数据库系统，成为相关结构有机物信息；
处理器能够将输入模块输入的待确定结构的有机物信息与存储模块中的相关结构有机物信息进行匹配，并能够通过输出模块输出设定权重范围内的有机物的化学信息和质谱测试对应质荷比的片段结构信息。
通过将大量有机物进行SMILES/Mol编码，运用算法对其结构进行片段指纹化拆解处理，对碎片片段结构运用算法程序计算得出相应的相对分子质量和质荷比，待确定结构的有机物信息与存储模块中的相关结构有机物信息进行匹配，系统经过匹配计算优选后，将输出设定权重范围内的有机物的化学信息和质谱测试对应质荷比的片段结构信息，与现有的解析平台相比，数据量更加丰富，包含的裂解情况更多，给予的参考价值更高；用算法和系统为科研人员大大简化了解析流程，缩短了质谱解析时间，提供优选的直观分析结果，可以帮助快速确定质谱测试后有机物的分子结构，大幅缩短研究人员的解析时间，提高科研工作效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种利用质谱数据确定有机物结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对已知结构的有机物用ASCII字符串描述分子结构的方法进行编码，对其结构进行片段指纹化拆解处理，获得碎片片段结构；
S2、对所述碎片片段结构计算得出相应的相对质量和质荷比；
S3、对大量的有机物在进行S1步骤和S2步骤处理后，存储已知结构的有机物及其碎片片段结构的数据信息，形成数据库系统；
S4、将待确定结构的有机物信息输入所述数据库系统，在数据库系统中匹配到相关结构有机物，然后对质谱测试数据和片段指纹信息数据进行匹配权重计算；
S5、根据匹配权重数据给出优选后的有机物的化学信息和质谱测试对应质荷比的碎片片段结构信息；
所述S1步骤中，所述编码为SMILES/mol编码；所述片段指纹化拆解处理为包括质谱裂解规律的分子结构碎片化方法；
所述S3步骤中，所述数据信息包括已知结构的有机物的化学分子式和结构式、碎片片段结构的相对质量和质荷比。
2.根据权利要求1所述的一种利用质谱数据确定有机物结构的方法，其特征在于：所述S4步骤中，将待确定结构的有机物信息输入所述数据库系统后，能够通过检索匹配到相关结构有机物，然后对质谱测试数据和片段指纹信息数据进行匹配权重计算。
3.根据权利要求1所述的一种利用质谱数据确定有机物结构的方法，其特征在于：所述S4步骤中，所述待确定结构的有机物信息包括分子式、结构式、质谱测试质荷比数据。
4.采用权利要求1所述方法的系统，其特征在于：包括处理器、输入模块、输出模块和存储模块，所述处理器能够对所述输入模块输入的已知结构的有机物用ASCII字符串明确描述分子结构的方法进行编码，并计算得到各种碎片片段结构的SMILES/mol编码，然后存储到所述存储模块中的数据库系统，成为相关结构有机物信息；
所述处理器能够将所述输入模块输入的待确定结构的有机物信息与存储模块中的相关结构有机物信息进行匹配，并能够通过所述输出模块输出优选后的有机物的化学信息和质谱测试对应质荷比的片段结构信息。
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