CN1185477C - 分析混合物的化学信息修饰法和按该法工作的光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

一种快速定量分析复杂混合物的化学信息修饰法和按该法工作的光谱分析仪，属分析化学及其仪器技术领域，该法的操作步骤包括：待测复杂混合物M样品液的制备；待测组分p标准对照品液的制备；量测吸收光谱；仿真添加‘新化合物’；显示吸收光谱y，xs，y’和yr；微分操作；求导数光谱值(dy’/dλ)_c和(dxs/dλ)_c；求比值R；求待测复杂混合物M样品中待测组分p的浓度Cx，按该法工作的光谱分析仪包括氘灯或钨灯(1)，消色差聚光镜(2)，光闸(3)，狭缝(4)，全息光栅(5)，光纤及探头(6)，CCD检测器及放大器(7)，显示装置(10)，打印装置(11)，A/D和D/A转换器(8)、化学信息修饰发生器(9)和光谱分析工作站(12)，有实现在未知干扰共存下快速准确定量分析复杂混合物中的已知待测组分的含量的优点。

Description

分析混合物的化学信息修饰法和按该法工作的光谱分析仪

                      技术领域

本发明涉及一种分析混合物的化学信息修饰法和按该法工作的光谱分析仪，确切说，一种快速定量分析复杂混合物的化学信息修饰法和按该法工作的光谱分析仪，属分析化学及其仪器技术领域。

                      背景技术

几乎所有与化学有关的行业，如生物学、生命科学、药物学、环境科学等都有复杂混合物，特别是复杂有机混合物快速定量分析的任务。所述复杂混合物中有一类或可归纳为一类待分析样本是由一种已知待测组分与未知干扰组分混合而成，分析的目的是在未知干扰存在下，直接对该已知待测组分进行快速定量分析，这是实际分析工作中碰到困难最多、最急需解决的问题。

目前，测定这一类复杂混合物的主流方法是色谱分离分析法。色谱法的优点是应用范围广、分离效率高、样品用量少、灵敏度高。但也存在下列问题：仪器价格高、操作较繁琐费时、技术要求高、有机溶剂消耗大，并有较严重的环保问题。

近年来，分析化学界发展了复杂混合物的不分离分析方法，这是一类集物理光学、电子学、数学、统计学特别是计算机科学最新发展成果的现代分析方法，有简便、快速、准确、环保和易于实现智能化、自动化的优点。目前已经研究出未知干扰共存体系的不分离分析方法有矢量校正和矩阵校正方法十几种。[梁逸曾：《白灰黑复杂多组份分析体系及其化学计量学算法》，湖南科学技术出版社，1996年长沙]。虽然其中有些方法在一些实验室进行的复杂混合物分析中，可获得令人满意的结果，但就解决实际问题而言，都还没有走出实验室。研究其主要原因是：解析方法的数学模型与待测体系的化学信息特征之间不能很好地匹配。几十年来，国内外几乎所有化学计量学家都在不懈地研究新算法，想通过建立不同的数学模型去匹配实际待测复杂混合物体系千变万化的化学信息特征，为此耗费了大量时间和精力，但这种思路和做法面对实际待测复杂混合物化学信息特征的多样性，实难达到预期的目的。如Karstang和Kvalhein提出的矢量校正方法“局部曲线拟合法(LCFN)”{Analytical Chemistry，63(1991)767-772}，其主要思路是：如果未知干扰光谱具有极大值，可利用干扰光谱的极大值来进行校正。对光谱进行微分，干扰光谱的极大值处干扰的导数光谱将为零，即在这一波长点上干扰将不对待测组分的定量分析测定带来影响，从而达到消除干扰，准确定量分析待测组分的效果。该法不能解决问题的原因还是数学模型与实际待测混合物体系的化学信息特征不匹配。因为实际待测复杂混合物体系的干扰是完全未知的，无法判断干扰光谱有没有极大值，如果干扰光谱没有极大值，无法测定；如果干扰光谱有极大值，但不能通过已知条件确定干扰光谱极大值的波长位置，也无法测定。文献介绍两种估计未知干扰光谱极大值波长位置的方法，但经实践证明都不可行。

                        发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种快速定量分析复杂混合物的化学信息修饰法。该法运用数学手段改造待测复杂混合物的化学信息特征，使其符合指定数学模型的匹配要求，因而能在未知干扰共存的情况下，对待测复杂混合物样品中的待测组分进行快速定量分析。

本发明通过以下方案使上述技术问题得到解决。现先说明本发明所涉的一种快速定量分析复杂混合物的化学信息修饰法，其特征在于，操作步骤包括：

第一步  待测复杂混合物M样品液的制备

按光谱分析仪允许最大吸光度的要求，精密称取待测复杂混合物M样品适量，用适当溶剂水、乙醇溶解，稀释成浓度适于光谱分析的待测复杂混合物M样品液，备用；

第二步  待测组分p标准对照品液的制备

按光谱分析仪允许最大吸光度的要求，精密称取待测组分p标准对照品适量，用与上步所用溶剂完全相同的溶剂溶解，稀释成适于光谱分析的待测组分p标准对照品液，浓度为Cs，备用；

第三步  量测吸收光谱

在光谱分析仪上，分别测得待测复杂混合物M样品液和待测组分p标准对照品液的吸收光谱y和xs；

第四步  仿真添加‘新化合物’

令光谱分析仪执行将一个以高斯函数探针yr＝a*exp(-((x-c)/b^2))为表征的‘新化合物’仿真添加在待测复杂混合物M样品液中的操作，通过键盘输入经选择和校正的高斯函数探针的参数，即峰高a、峰宽b和峰位c，光谱分析仪在吸收光谱y各点的量测值上加上高斯函数探针yr对应点上的函数值，即将具有高斯函数探针yr形式的吸收光谱迭加在吸收光谱y上，得到经数学修饰的待测复杂混合物M样品液的吸收光谱y’，y’＝y+yr；

第五步  显示吸收光谱y，xs，y’和yr

令光谱分析仪将吸收光谱y，xs，y’和yr显示在显示屏上；

第六步  微分操作

令光谱分析仪依次对吸收光谱y’，yr和xs执行微分操作，得导数光谱dy’/dλ，dxs/dλ和dyr/dλ，并将它们显示在显示屏上，导数光谱dyr/dλ在波长为峰位c处过0；

第七步  求导数光谱值(dy’/dλ)c和(dxs/dλ)c

令光谱分析仪依次执行求导数光谱值(dy’/dλ)_c和(dxs/dλ)_c的操作；

第八步  求比值R

令光谱分析仪执行计算比值R＝(dy’/dλ)_c/(dxs/dλ)_c的操作，得R值；

第九步  求待测复杂混合物M样品中待测组分p的浓度Cx

令光谱分析仪执行计算Cx＝Cs·R的操作，得Cx值，即复杂混合物M样品中待测组分p的浓度，继而，也可根据定量分析结果表示方式的要求，利用该浓度和待测复杂混合物M样品的量，计算出该混合物M中待测组分p的应有量与实测量的百分比。

工作原理。吸收光谱的纵坐标和横坐标分别是吸光度值A和波长λ。待测复杂混合物M样品液和待测组分p标准对照品液的吸收光谱分别为y和xs，又y＝R·xs+y_干扰，R是下文述及的一个比值系数。本发明的方法旨在y_干扰  共存下求出待测复杂混合物M样品液中待测组分p的含量，即浓度Cx。浓度Cx与标准对照品液中已知浓度Cs有以下关系：Cx＝R·Cs。为求Cx，必须在某个使y_干扰＝0的波长(设为λ’)处，通过关系式y(_λ’)/xs(_λ’)＝R，先求出R值。求该波长值是本发明的关键之一。

本发明的另一个关键是往待测复杂混合物M样品液中仿真添加用高斯函数指针yr＝a*exp(-((x-c)/b^2)表征的‘新化合物’，使添加‘新化合物’后的复杂混合物吸收光谱y’＝y+yr＝R·xs+y_干扰+yr＝R·xs+(y_干扰+yr)。y_干扰+yr组成合成未知干扰。该合成未知干扰y_干扰+yr的特征是有峰和有固定峰位，能满足导数光谱法数学模型的匹配要求。dyr/dλ在波长为峰位c处过0，在λ＝c左右的一个小区间内，dyr/dλ从正值经0变为负值，y_干扰变化缓慢，dy_干扰/dλ无论是正值还是负值，其绝对值极小。因此，在该小区间内，必有一个波长值λ’，在该波长处合成未知干扰(y_干扰+yr)的导数光谱为0。由于该波长值λ’与经选择和校正的峰位c非常接近，所以取该波长＝峰位c，引起的误差较小。求得波长值为峰位c后，作以下处理是合理的：dy’/dλ＝R·dxs/dλ+d(y_干扰+yr)/dλ，在波长为峰位c处，(dy’/dλ)c＝R·(dxs/dλ)c+(d(y_干扰+yr)/dλ)c，由于(d(y_干扰+yr)/dλ)c≈0，所以R＝(dy’/dλ)c/(dxs/dλ)c。(dy’/dλ)c和(dxs/dλ)c分别是相应的导数光谱在波长为峰位c处的纵坐标值，可通过测量光谱图得到，再利用量测值求出R，最后利用公式Cx＝R·Cs，代入已知的Cs，求出浓度Cx。

本发明另一个要解决的技术问题是推出一种按上述的快速定量分析复杂混合物的化学信息修饰法工作的光谱分析仪。本发明通过采用以下技术方案使上述技术问题得到解决。现结合附图详加说明：一种按快速定量分析复杂混合物的化学信息修饰法工作的光谱分析仪，由氘灯或钨灯1、消色差聚光镜2、光闸3、狭缝4、全息光栅5、光纤及探头6、CCD检测器及放大器7、显示装置10和打印装置11组成，氘灯或钨灯1、消色差聚光镜2、光闸3、狭缝4、全息光栅5、光纤及探头6和CCD检测器及放大器7构成适用于量测物质紫外到短波长近红外波段200～1100nm光谱信息的化学信息检测系统，即采样器，其特征在于，还包括A/D和D/A转换器8、化学信息修饰发生器9，A/D和D/A转换器8、化学信息修饰发生器9、显示装置10和打印装置11构成光谱分析工作站12，光谱分析工作站12的扩展槽中插有含A/D和D/A转换器8和化学信息修饰发生器9的模板，化学信息修饰发生器9内的存储器是固化有指挥执行以下操作：测定并显示四条光谱曲线；产生并显示高斯函数探针yr＝a*exp(-((x-c)/b^2))；把二条光谱曲线迭加成一条合成光谱曲线；求出并显示四条吸收光谱的导数光谱；在任何波长处测定导数光谱的值；基本数学运算的指令的只读存储器，化学信息检测系统通过PCMCIA扩展槽和光谱分析工作站12的扩展槽与光谱分析工作站12相联。

工作流程：光信号由氘灯或钨灯1经过消色差聚光镜2、光闸3，狭缝4，全息光栅5，光纤及探头6，光纤及探头6获得样品对光(吸收或漫反射)的信号经过CCD检测器及放大器7，经过A/D和D/A8进入化学信息修饰发生器9，光谱分析工作站12制备光谱曲线；在合适波长位置添加合适的数学探针，使未知背景干扰在指定位置成峰，产生极大值；正确确定干扰过零点，消除干扰；也可以仿真添加‘新化合物’使符合相应数学模型消除体系干扰的要求；计算出混合物中待测组分的定量测定结果，通过显示装置10、打印装置11输出，还可由光谱分析工作站12的通讯输出接口传输给通用电子计算机等异步通讯装置。

与背景技术相比，本发明具有以下突出效果：能实现在未知干扰共存下快速准确定量分析复杂混合物中的已知待测组分的含量。

                        附图说明

图1是待测复杂混合物样品安钠咖注射液和已知待测组分标准对照品苯甲酸钠的吸收光谱图(上面一条光谱曲线为安钠咖注射液y，下面一条光谱曲线为苯甲酸钠xs)。

图2是仿真添加用高斯函数表征的‘新化合物’后待测复杂混合物样品安钠咖注射液和已知待测组分标准对照品苯甲酸钠和‘新化合物’的吸收光谱图。图中自下到上三条吸收光谱分别为‘新化合物’高斯函数探针，已知待测组分标准对照品苯甲酸钠和经数学修饰的待测复杂混合物样品安钠咖注射液的吸收光谱：yr，xs和y’。yr的参数设置为峰高0.6，峰宽1，峰位5。

图3是测定安钠咖注射液中苯甲酸钠含量的一阶导数光谱图，图中自下到上三条导数光谱分别为dy’/dλ，dyr/dλ和dxs/dλ。

图4是复杂混合物快速定量光谱分析仪的结构示意图，图中1是氘灯或钨灯，2是消色差聚光镜，3是光闸，4是狭缝，5是全息光栅，6是光纤及探头，7是CCD检测器及放大器，8是A/D和D/A转换器，9是化学信息修饰发生器，10是显示装置，11是打印装置，12是光谱分析工作站。

                        具体实施方式

实施例

按本发明所述的方法，在本发明所述的光谱分析仪内实施未知干扰共存下对安钠咖注射液中苯甲酸钠含量，即浓度的测定。

操作步骤：

第一步  待测复杂混合物样品液的制备

待测复杂混合物样品液是安钠咖注射液。精密取安钠咖注射液适量，用水溶解稀释成适当浓度的安钠咖溶液，在该浓度下测得的最大吸收度值不超过所用光谱分析仪允许测准的最大值，备用。本例制备8份样品，其中4份样品中待测组分含量已知(供测回收率用)，编号分别an1～an4，另4份样品中待测组分含量未知，编号分别an5～an8。

第二步  待测组分标准对照品液的制备

待测组分标准对照品液是苯甲酸钠溶液。精密称取苯甲酸钠对照品适量，用水溶解稀释成适当浓度(设为Cs)适于光谱分析的苯甲酸钠溶液，备用，Cs已知，为7.308μg/ml。

第三步  量测吸收光谱

在光谱分析仪上，分别测得安钠咖溶液和苯甲酸钠溶液的吸收光谱y和xs，起始波长为212nm，间隔2nm，共四十个测试点。本例取波长范围第11点～第40点，共30个点作以后的化学信息数学修饰。如图1所示。

第四步  仿真添加‘新化合物’

令光谱分析仪执行将一个以高斯函数探针yr＝a*exp(-((x-c)/b^2))为表征的‘新化合物’仿真添加在安钠咖溶液中的操作，通过光谱分析工作站12的键盘输入高斯函数探针的参数，设高斯函数探针参数初始值a＝3，b＝1，c＝15，计算仿真‘新化合物’的吸收光谱值yr，起始波长为212nm，间隔为2nm，取波长范围第11点～第40点，共30个点作信息数学修饰。光谱分析仪在吸收光谱y各点的量测值上加上仿真‘新化合物’相应各点上的吸收光谱值yr，得到经数学修饰的安钠咖溶液吸收光谱y’＝y+yr。

第五步  显示吸收光谱y，xs，y‘和yr

令光谱分析仪将吸收光谱y，xs和yr显示在显示屏上。图1是待测复杂混合物样品安钠咖注射液和待测组分标准对照品苯甲酸钠的吸收光谱图。图2是仿真添加用高斯函数探针表征的‘新化合物’后待测复杂混合物样品安钠咖注射液和待测组分标准对照品苯甲酸钠和‘新化合物’的吸收光谱图。

第六步  微分操作

令光谱分析仪分别对吸收光谱y’，xs和yr执行微分操作，得导数光谱dy’/dλ，dyr/dλ和dxs/dλ，并将它们显示在显示屏上，图3是仿真添加用高斯函数探针表征的‘新化合物’后待测复杂混合物样品安钠咖注射液和待测组分标准对照品苯甲酸钠和‘新化合物’的导数光谱图。导数光谱dyr/dλ在波长为峰位c处过0。

第七步  求导数光谱值(dy’/dλ)c和(dxs/dλ)c

令光谱分析仪分别执行求导数光谱值(dy’/dλ)c和(dxs/dλ)c的操作，求得的导数光谱值存放在光谱分析工作站12的内存中。

第八步  求比值R

令光谱分析仪执行计算比值R＝(dy’/dλ)c/(dxs/dλ)c的操作，求得的R值存放在光谱分析工作站12的内存中。

第九步求已知待测组分的含量Cx＝R·Cs的操作，得Cx，即苯甲酸钠的含量。该测定结果可显示于显示屏，也可经打印装置11打印在纸张上。

8份样品的测定结果：

加入量(μg/ml)  测得量   回收率(％)

an1    7.308    7.105    97.23

an2    6.090    6.139    100.8

an3    7.308    7.546    103.2

an4    8.526    8.455    99.17

平均回收率100.1％    RSD2.5％

标示量(μg/ml)    测得量    占标示量百分率(％)

an5    7.8        7.683      98.50

an6    7.8        7.780      99.75

an7    7.8        7.489      96.02

an8    7.8        7.540      96.66

Claims (2)

1.一种快速定量分析复杂混合物的化学信息修饰法，其特征在于，操作步骤包括：

第一步  待测复杂混合物M样品液的制备

按光谱分析仪允许最大吸光度的要求，精密称取待测复杂混合物M样品适量，用适当溶剂水、乙醇溶解，稀释成浓度适于光谱分析的待测复杂混合物M样品液，备用；

第二步  待测组分p标准对照品液的制备

按光谱分析仪允许最大吸光度的要求，精密称取待测组分p标准对照品适量，用与上步所用溶剂完全相同的溶剂溶解，稀释成适于光谱分析的待测组分p标准对照品液，浓度为Cs，备用；

第三步  量测吸收光谱

在光谱分析仪上，分别测得待测复杂混合物M样品液和待测组分p标准对照品液的吸收光谱y和xs；

第四步  仿真添加‘新化合物’

令光谱分析仪执行将一个以高斯函数探针yr＝a*exp(-((x-c)/b^2))为表征的‘新化合物’仿真添加在待测复杂混合物M样品液中的操作，通过键盘输入经选择和校正的高斯函数探针的参数，即峰高a、峰宽b和峰位c，光谱分析仪在吸收光谱y各点的量测值上加上高斯函数探针yr对应点上的函数值，即将具有高斯函数探针yr形式的吸收光谱迭加在吸收光谱y上，得到经数学修饰的待测复杂混合物M样品液的吸收光谱y’，y’＝y+yr；

第五步  显示吸收光谱y，xs，y’和yr

令光谱分析仪将吸收光谱y，xs，y’和yr显示在显示屏上；

第六步  微分操作

令光谱分析仪依次对吸收光谱y’，yr和xs执行微分操作，得导数光谱dy’/dλ，dxs/dλ和dyr/dλ，并将它们显示在显示屏上，导数光谱dyr/dλ在波长为峰位c处过0；

第七步  求导数光谱值(dy’/dλ)_c和(dxs/dλ)_c

令光谱分析仪依次执行求导数光谱值(dy’/dλ)_c和(dxs/dλ)_c的操作；

第八步  求比值R

令光谱分析仪执行计算比值R＝(dy’/dλ)_c/(dxs/dλ)_c的操作，得R值；

第九步  求待测复杂混合物M样品中待测组分p的浓度Cx令光谱分析仪执行计算Cx＝Cs·R的操作，得Cx值，即复杂混合物M样品中待测组分p的浓度，继而，也可根据定量分析结果表示方式的要求，利用该浓度和待测复杂混合物M样品的量，计算出该混合物M中待测组分p的应有量与实测量的百分比。

2.按权利要求1所述的快速定量分析复杂混合物的化学信息修饰法工作的光谱分析仪，由氘灯或钨灯(1)、消色差聚光镜(2)、光闸(3)、狭缝(4)、全息光栅(5)、光纤及探头(6)、CCD检测器及放大器(7)、显示装置(10)和打印装置(11)组成，氘灯或钨灯(1)、消色差聚光镜(2)、光闸(3)、狭缝(4)、全息光栅(5)、光纤及探头(6)和CCD检测器及放大器(7)构成适用于量测物质紫外到短波长近红外波段200～1100nm光谱信息的化学信息检测系统，即采样器，其特征在于，还包括A/D和D/A转换器(8)、化学信息修饰发生器(9)，A/D和D/A转换器(8)、化学信息修饰发生器(9)、显示装置(10)和打印装置(11)构成光谱分析工作站(12)，光谱分析工作站(12)的扩展槽中插有含A/D和D/A转换器(8)和化学信息修饰发生器(9)的模板，化学信息修饰发生器(9)内的存储器是固化有指挥执行以下操作：测定并显示四条光谱曲线；产生并显示高斯函数探针yr＝a*exp(-((x-c)/b^2))；把二条光谱曲线迭加成一条合成光谱曲线；求出并显示四条吸收光谱的导数光谱；在任何波长处测定导数光谱的值；基本数学运算的指令的只读存储器，化学信息检测系统通过PCMCIA扩展槽和光谱分析工作站(12)的扩展槽与光谱分析工作站(12)相联。

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