CN117191728B - 基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本申请涉及多组分浓度测定，公开了基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法，采用方程：C_i＝k₀+∑k_λA_λ Ⅸ实时测定样品物质的浓度，其中C_i为多组分体系待测样品中第i个待测物质的实时浓度；k₀为线性的零点偏差；k_λ为一次项系数；A_λ为多组分体系待测样品在波长λ处实时吸光度，A_λ通过扫描多组分体系待测样品的吸收光谱得到。通过光谱分析仪采集待测多组分体系待测样品的实时吸收光谱，基于标准方程计算得到待测多组分体系待测样品中各个组分的实时浓度。适用于两种或者两种以上多种组分浓度的实时测定，实现原位在线检测，响应速度快，适用范围宽。

Description

基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法及应用

技术领域

本申请涉及多组分浓度测定的领域，尤其是涉及一种基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法及应用。

背景技术

相关技术中，采用色谱技术测定液体或者气体中多种组分，该技术通常需要将样品取出，然后经过色谱柱分离，再通过不同的检测仪器检测待测物的浓度。该技术，不同的物质通常需要选用不同的色谱柱和不同的色谱参数进行检测，因此，存在取样分析的时间较长，色谱柱维护困难，对环境要求高，样品预处理复杂等问题，继而在在线检测领域该方法有很大的局限性。

发明内容

为了实现多组分浓度的实时测定，本申请提供了一种基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法及应用。

第一方面，本申请提供的基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法包括以下技术方案：

基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法，采用如下方程Ⅸ实时测定样品物质的浓度：

C_i＝k₀+∑k_λA_λ Ⅸ

其中C_i为多组分体系待测样品中第i个待测物质的实时浓度；k₀为线性的零点偏差，其为一常数；k_λ为多组分体系待测样品中待测物质吸收光谱在所在特征向量方向上的投影或者坐标，k_λ为一次项系数；A_λ为多组分体系待测样品在波长λ处实时吸光度，A_λ通过扫描多组分体系待测样品的吸收光谱得到；

所述方程Ⅸ为标准方程，对于每一个组分，有一个对应的标准方程，对于p个组分有p个对应的标准方程。

通过采用上述技术方案，通过光谱分析仪采集待测多组分体系待测样品的实时吸收光谱，并基于标准方程计算得到待测多组分体系待测样品中各个组分的实时浓度。该方法可适用于两种或者两种以上多种组分浓度的实时测定。可以实现原位在线检测，响应速度快，适用范围宽，样品无需或者只需简单的处理，具有通用性好，实时性强的特点。

在一些实施方式中，通过获取标准物质的标准吸收光谱中指定波长的吸光度，并通过多元线性回归计算得到所述方程Ⅸ。

在一些实施方式中，所述通过获取标准物质的标准吸收光谱中指定波长的吸光度包括：

其中，为标准物质中单一组分的计算浓度，C为标准物质中单一组分的标准浓度，δ为标准物质中该组分计算浓度与标准浓度的偏差；所述方程X的k₀和k_λ通过计算得到，A‘’_λ为标准物质在波长λ处的吸光度，A‘’_λ通过扫描标准物质的吸收光谱得到。

在一些实施方式中，所述标准物质的制备方法包括：

对于p个组分的待测样品，每个组分按照从低到高配置q个浓度的单一组分的标准物质，q≥3，标准物质中的每个组分的最大浓度大于等于待测物样品中该组分的最大浓度，所得单一组分的标准物质共有p×q个；

根据所述单一组分的标准物质的浓度，将p个组分混合到一起，得到多组分混合标准物质，所得混合标准物质的个数为p^q；

所得到的标准物质的总数为：p×q+p^q，所得标准物质的浓度称为标准浓度。

在一些实施方式中，所述标准吸收光谱的获取方式包括：

使用光谱分析仪测定所述标准物质的紫外可见吸收光谱，可以得到p×q+p^q组吸收光谱，为了减少光谱仪自身的波动和漂移带来的偏差，每组吸收光谱的数目设置为r，r≥3，则所获得的吸收光谱的数目为r×(p×q+p^q)条。

在一些实施方式中，所述标准方程的计算方法包括：

选取标准波长获取吸光度矩阵A‘’_m×n，其中m为矩阵的行数，m＝r×(p×q+p^q)，n为矩阵的列数，n等于所选波长的数目，n≥p,n≥3；

根据吸光度矩阵和标准物质浓度，可以构造如下方程组：

其中为标准吸收光谱对应的单一组分的标准物质浓度，k₀和/>为待定系数，/>为n维列向量，对方程组ii按照偏最小二乘法求解，可以得到所述的标准方程。

在一些实施方式中，还包括对标准方程进行有效性的评估和修正，包括：

将所述标准方程带入标准吸收光谱，得到各个标准吸收光谱的计算浓度计算与各个标准浓度的偏差δ，当偏差δ不满足要求时，通过调整波长和/或重新配制替换偏差较大的标准物质，然后重新计算标准方程，直到偏差满足要求为止。

在一些实施方式中，实时测定过程中，未知组分存在紫外吸收时，通过将包含该样品吸收的紫外吸收光谱带入上述方程组ii，重新计算和修正标准方程。

在一些实施方式中，方程Ⅸ的方程次数可以为二次，即：

第二方面，本申请提供的基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法的应用，用于多组分溶液中各个组分浓度的计算或用于多组分气体中各个组分浓度的计算。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

利用光谱分析仪获取标准溶液的吸收光谱；根据标准吸收光谱，通过多元线性回归得到标准方程；将标准方程带入实时测定过程，通过光谱分析仪采集实时吸收光谱，用标准方程计算得到多组分体系待测样品中各个组分的实时浓度。可以实现原位在线检测，响应速度快，适用范围宽，通用性好，实时性强。

附图说明

图1是本申请实施例提供的复方卡托普利包含氢氯噻嗪和卡托普利两个成分的吸收光谱；

图2是本申请实施例提供的采用多元线性回归方法实时测定得到的复方卡托普利的溶出曲线-光纤在线检测和取样液相检测对比图。

具体实施方式

以下结合附图1和图2对本申请作进一步详细说明。

吸收光谱是物质(化合物)的特征吸收曲线，常以波长λ(单位nm)为横坐标，以吸收度A为纵坐标，描述吸收度随波长变化的曲线。郎伯-比尔定律(LambertBeerLaw)阐述了物质浓度、液层厚度与辐射强度的关系，其方程为:

A＝EcL II

上述公式中，A为吸收度，T为透光率，E为吸收系数，c为物质的浓度，L为液层厚度。

方程I为吸收度的计算公式，吸收度可通过光谱仪检测得到，公式描述的为单一波长处的吸收度和浓度的关系，当在一定的光谱范围内测定多个波长的吸收度，就可以得到吸收光谱；方程II为郎伯-比尔定律；方程III为郎伯-比尔定律的另外一种形式。

由上述公式可知，可以在已知吸收度A的情况下，得到待测物质的浓度c。当光程一定时，L为一个常数，吸收系数也为一个常数，方程II可以简化为：

A＝kC IV

其中，k为系数，不同波长处的k为不同值。

另外，吸收度具备加合特性。在同一物质中，含有两种或者两种以上的吸光物质(无相互作用)时，该物质的吸收度等于在此波长有吸收的各物质的吸收度的和，即为吸收度的加合性。

吸收度的加合性是多组分测定的基础。当样品中存在多种物质时，其吸收光谱为多个物质各自吸收光谱的叠加。以样品中存在物质a和物质b两种物质为例，A'_λ和A"_λ为分别为物质a和物质b在波长λ的吸收度，A_λ为两种物质在波长λ处两个吸光度的和，C'和C"分别代表物质a和物质b的浓度。当λ分别为225nm和250nm时，则有如下方程：

A₂₂₅＝k'₂₂₅C'+k'₂'₂₅C” V

A₂₅₀＝k'₂₅₀C'+k'₂'₅₀C” VI

方程中，A₂₂₅和A₂₅₀分别代表多组分体系待测样品在波长225nm和250nm处的吸收度，k'₂₂₅和k'₂₅₀分别代表多组分体系待测样品中a物质在225nm和250nm处的吸收系数，k'₂'₂₅和k'₂'₅₀分别代表混合物质中b物质在225nm和250nm处的吸收系数，理想状态下，该系数与单组分浓度的吸收系数相同。

但是，对于实际混合物质样品，由于样品物质本身和仪器精度的原因，使得吸光度的加合性存在偏差，实际的吸收光谱与两个组分吸收光谱的叠加不同，该系数与单组分条件下存在偏差。通过简单的线性计算，所得到的的待测物浓度与实际浓度相比，偏差较大，不能满足实际应用的要求。

光谱分析仪与传统的紫外分光光度计相比，由于没有机械扫描部件，消除了传统紫外的波长误差。本发明为基于现代光谱分析技术的发展，通过对全光谱计算得到复杂体系中的多组分浓度，该方法可以应用于环保、医药、生物、化工、农业等多个领域。

本申请公开了基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法，其利用光谱分析仪获取标准物质物质的标准吸收光谱，根据标准吸收光谱，通过多元线性回归得到标准方程，再将标准方程带入实时测定过程，通过光谱分析仪采集待测多组分体系待测样品的实时吸收光谱，并基于标准方程计算得到待测多组分体系待测样品中各个组分的实时浓度。本申请提供的基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法可以适用于两种或者两种以上多种组分浓度的实时测定。本申请公开了基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法包括以下步骤：

S1：制备标准物质，包括：

对于p个组分的待测样品，每个组分按照从低到高配置q个浓度的单一组分的标准物质，q≥3，标准物质中的每个组分的最大浓度大于等于待测物样品中该组分的最大浓度，所得单一组分的标准物质共有p×q个；

根据所述单一组分的标准物质的浓度，将p个组分混合到一起，得到多组分混合标准物质，所得混合标准物质的个数为p^q；

所得到的标准物质的总数为：p×q+p^q，所得标准物质的浓度称为标准浓度。

以两个组分a，b为例，每个组分按照高、中、低三个浓度各配置3组溶液，得到6组单一组分的吸收光谱；然后将a组分高浓度与b组分低浓度，b组分高浓度和a组分低浓度，a组分中浓度和b组分中浓度分别混合，得到3组混合溶液的浓度；再分别扫描得到上述9组溶液的吸收光谱，用这9组吸收光谱作为标准吸收光谱。

S2：获取标准物质的标准吸收光谱，包括：

使用光谱分析仪测定所述标准物质的紫外可见吸收光谱，可以得到p×q+p^q组吸收光谱，为了减少光谱仪自身的波动和漂移带来的偏差，每组吸收光谱的数目设置为r，r≥3，则所获得的吸收光谱的数目为r×(p×q+p^q)条。

S3：建立标准物质的标准吸收光谱与标准物质中各物质浓度之间的标准方程；具体为：

由方程VII和VIII可知多组分体系待测样品中的各个物质的浓度与各个波长的吸光度之间存在一个线性方程，其方程系数与所选波长相关，与样品的浓度无关。

因此，通过获取标准物质的标准吸收光谱中指定波长的吸光度，并通过多元线性回归计算得到标准方程：

C_i＝k₀+∑k_λA_λ Ⅸ

其中C_i为多组分体系待测样品中第i个待测物质的实时浓度；k₀为线性的零点偏差，其为一常数；

每个物质的吸收光谱也称为特征吸收光谱，可也看作一个n维特征向量，混合体系中多个物质的吸收光谱可以看成多个n维向量的叠加，多个物质的吸收光谱的多个n维向量构成一个张量空间，k_λ为多组分体系待测样品中待测物质吸收光谱在所在特征向量方向上的投影或者坐标，k_λ为一次项系数；A_λ为多组分体系待测样品在波长λ处实时吸光度，A_λ通过扫描多组分体系待测样品的吸收光谱得到；

上述方程Ⅸ为标准方程，对于每一个组分，有一个对应的标准方程，对于p个组分有p个对应的标准方程。

具体的，

S31：通过获取标准物质的标准吸收光谱中指定波长的吸光度包括：

其中，为标准物质中单一组分的计算浓度，C为标准物质中单一组分的标准浓度，δ为标准物质中该组分计算浓度与标准浓度的偏差；所述方程X的k₀和k_λ通过计算得到，A_λ为标准物质在波长λ处的吸光度，A_λ通过扫描标准物质的吸收光谱得到。

S32：标准方程的计算方法包括：

选取标准波长获取吸光度矩阵A‘’_m×n，其中m为矩阵的行数，m＝r×(p×q+p^q)，n为矩阵的列数，n等于所选波长的数目，n≥p,n≥3；

根据吸光度矩阵和标准物质浓度，可以构造如下方程组：

其中为标准吸收光谱对应的单一组分的标准物质浓度，k₀和/>为待定系数，/>为n维列向量，对方程组ii按照偏最小二乘法求解，可以得到所述的标准方程。

以下为方程i的应用举例：

按照9组标准溶液，可以得到单个物质的9组标准浓度，k_i为待定系数，A为所选波长构成的吸光度矩阵，A_ij为第i组试验第j个波长处的吸光度值，C_i为第i组标准溶液中该物质的浓度，所得方程如下：

C₁ A₁₁ A₁₂ A₁₃

C₂ A₂₁ A₂₂ A₂₃

C₃ A₃₁ A₂₃ A₃₃

C₄ A₄₁ A₂₄ A₄₃ k₁

(C₅)＝k₀+(A₅₁ A₂₅ A₅₃)(k₂)^T+δ

C₆ A₆₁ A₂₆ A₆₃ k₃

C₇ A₇₁ A₂₇ A₇₃

C₈ A₈₁ A₂₈ A₈₃

C₉ A₉₁ A₂₉ A₉₃

上述方程组为一个超定方程组，按照多元回归偏最小二乘法对上述方程求解，就可以得到待定系数向量k。由此就可以得到一个组分的标准方程，该方程为一次回归的标准方程，标准方程的形式如下：

C＝k₀+k₁A₁+k₂A₂+k₃A₃+δ。

在本申请此实施方式中，还包括对标准方程进行有效性的评估和修正，包括：

将所述标准方程带入标准吸收光谱，得到各个标准吸收光谱的计算浓度计算与各个标准浓度的偏差δ，当偏差δ不满足要求时，通过调整波长和/或重新配制替换偏差较大的标准物质，然后重新计算标准方程，直到偏差满足要求为止。

其次，对于两个以上组分的测定，可以通过增加标准溶液的数量和波长数量，得到多组分的标准方程，标准方程的一般形式为：

每一个组分都有一个对应的标准方程，每个组可以选择不同的波长。

另外，对于复杂体系样品，如果样品中存在其他物质的紫外吸收，可以将包含该样品吸收的紫外光谱带入上述方程组，用于修正该物质的干扰，则修正后的方程组如下：

C₁ A₁₁ A₁₂ A₁₃

C₂ A₂₁ A₂₂ A₂₃

C₃ A₃₁ A₃₂ A₃₃

C₄ A₄₁ A₄₂ A₄₃

C₅ A₅₁ A₅₂ A₅₃ k₁

(C₆)＝k₀+ ( A₆₁ A₆₂ A₆₃)(k₂)^T+δ

C₇ A₇₁ A₇₂ A₇₃ k₃

C₈ A₈₁ A₈₂ A₈₃

C₉ A₉₁ A₉₂ A₉₃

… … … …

C_m A_m1 A_m2 A_m3

其中，m表示第m个干扰物质。对该方程组继续采用多元回归偏最小二乘，则可以得到修正后的标准方程。

S3：实时测定待测多组分体系待测样品的实时吸收光谱，并基于所述标准方程得到待测多组分体系待测样品中各物质的实时浓度。

以下为复方卡托普利标准方程的应用实例。

复方卡托普利包含氢氯噻嗪和卡托普利两个成分。其吸收光谱如图1所示；

氢氯噻嗪的标准方程为：

C＝0.02-3.35A₁+8.10A₂+6.35A₃

卡托普利的标准方程为：

C＝0.07+31.99A₁-0.73A₂-26.87A₃

其中，A1为206-210nm波长区间的吸光度平均值，A2为216-220nm波长区间吸光度的平均值，A3为266-270nm波长区间的吸光度平均值。

下表表1为根据标准方程计算后的标准溶液浓度与标准浓度的对比。

表1：根据标准方程计算后的标准溶液浓度与标准浓度的对比

将标准方程带入实时测定系统中，进行多组分浓度测定。

如图2和表2所示，为采用多元线性回归方法实时测定得到的复方卡托普利的溶出曲线和手动取样数据在液相色谱上检测结果进行的对比。

表2：采用多元线性回归方法实时测定得到的复方卡托普利的溶出曲线-光纤在线检测和取样液相检测对比

其中，在液相上测定的数据为手工从溶出杯中取样，由于前期溶出较快，取样过程中存在人为操作误差，导致液相测得结果与在线测定结果有较大偏差。

本申请还公开了基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法的应用，可用于多组分溶液中各个组分浓度的计算或用于多组分气体中各个组分浓度的计算。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法，其特征在于，采用如下方程Ⅸ实时测定样品物质的浓度：

C_i＝k₀+∑k_λA_λ Ⅸ

其中C_i为多组分体系待测样品中第i个待测物质的实时浓度；k₀为线性的零点偏差，其为一常数；k_λ为多组分体系待测样品中待测物质吸收光谱在所在特征向量方向上的投影或者坐标，k_λ为一次项系数；A_λ为多组分体系待测样品在波长λ处实时吸光度，A_λ通过扫描多组分体系待测样品的吸收光谱得到；

所述方程Ⅸ为标准方程，对于每一个组分，有一个对应的标准方程，对于p个组分有p个对应的标准方程；

通过获取标准物质的标准吸收光谱中指定波长的吸光度，并通过多元线性回归计算得到所述方程Ⅸ，所述通过获取标准物质的标准吸收光谱中指定波长的吸光度包括：

其中，为标准物质中单一组分的计算浓度，C为标准物质中单一组分的标准浓度，δ为标准物质中该组分计算浓度与标准浓度的偏差；所述方程X的k₀和k_λ通过计算得到，A‘’_λ为标准物质在波长λ处的吸光度，A‘’_λ通过扫描标准物质的吸收光谱得到；

其中，所述标准物质的制备方法包括：

对于p个组分的待测样品，每个组分按照从低到高配置q个浓度的单一组分的标准物质，q≥3，标准物质中的每个组分的最大浓度大于等于待测物样品中该组分的最大浓度，所得单一组分的标准物质共有p×q个；

根据所述单一组分的标准物质的浓度，将p个组分混合到一起，得到多组分混合标准物质，所得混合标准物质的个数为p^q；

所得到的标准物质的总数为：p×q+p^q，所得标准物质的浓度称为标准浓度；

所述标准吸收光谱的获取方式包括：

使用光谱分析仪测定所述标准物质的紫外可见吸收光谱，可以得到p×q+p^q组吸收光谱，为了减少光谱仪自身的波动和漂移带来的偏差，每组吸收光谱的数目设置为r，r≥3，则所获得的吸收光谱的数目为r×(p×q+p^q)条；

所述标准方程的计算方法包括：

选取标准波长获取吸光度矩阵A‘’_m×n，其中m为矩阵的行数，m＝r×(p×q+p^q)，n为矩阵的列数，n等于所选波长的数目，n≥p,n≥3；

根据吸光度矩阵和标准物质浓度，可以构造如下方程组：

其中为标准吸收光谱对应的单一组分的标准物质浓度，k₀和/>为待定系数，/>为n维列向量，对方程组ii按照偏最小二乘法求解，可以得到所述的标准方程。

2.根据权利要求1所述的基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法，其特征在于，还包括对标准方程进行有效性的评估和修正，包括：

将所述标准方程带入标准吸收光谱，得到各个标准吸收光谱的计算浓度计算/>与各个标准浓度的偏差δ，当偏差δ不满足要求时，通过调整波长和/或重新配制替换偏差较大的标准物质，然后重新计算标准方程，直到偏差满足要求为止。

3.根据权利要求2所述的基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法，其特征在于，实时测定过程中，未知组分存在紫外吸收时，通过将包含该样品吸收的紫外吸收光谱带入上述方程组ii，重新计算和修正标准方程。

4.根据权利要求1所述的基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法，其特征在于，方程Ⅸ的方程次数可以为二次，即：

5.权利要求1所述的基于紫外可见吸收光谱测定多组分浓度的方法的应用，其特征在于，用于多组分溶液中各个组分浓度的计算或用于多组分气体中各个组分浓度的计算。