自動(dòng)化色譜譜圖解析——譜峰的自動(dòng)識(shí)別與快速解析

1、自動(dòng)化色譜譜圖解析譜峰的自動(dòng)識(shí)別與快速解析2009年5月May2009色譜ChineseJournalofChromatographyVo1.27N0.335l355自動(dòng)化色譜譜圖解析-譜峰的自動(dòng)識(shí)別與快速解析劉明明,夏炳樂(lè),楊俊(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)煙草與健康研究中心,安徽合肥230052)摘要:結(jié)合基于高階導(dǎo)數(shù)的譜峰識(shí)別方法和面積重現(xiàn)法,建立了一種完全J動(dòng)化的對(duì)包譜曲線進(jìn)彳亍分割,c只別與快速解析的方法.其中.DW(DurbinWatson)測(cè)試的引入和區(qū)分信號(hào)與噪聲判據(jù)的采用減少了存包譜解折過(guò)程中的人為干預(yù),降低了對(duì)操作人員專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的要求,為實(shí)現(xiàn)色譜解析的自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)通過(guò)列模擬色譜

2、和實(shí)驗(yàn)色譜的比較,驗(yàn)證了該方法是一個(gè)很有用的丁具,可以為色譜分析工作提供有的幫助,關(guān)鍵詞:面積重現(xiàn)法;潛峰識(shí)別;色譜解析;DW測(cè)試中圖分類號(hào):0658文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100087l3(2009)03035105欄目類別:研究淪丈Automaticpeakrecognitionandrapidresolutionofchromatographicsignalswithaself-compilingprogramLIUMingming,XBingle,YANGJun(ResearchCenterofTobaccoandHealth,UniversityofScienceandTechnol

3、ogyofChina,gefei230052,China)Abstract:Areareproductionmethodwasintroducedincombinationwithpeakrecognitionalgorithmbasedonhighorderderivativestoautomatethechromatogramdivision,peakrecognitionandrapidresolution.DurbinWatsonmethodandthecriteriontodistinguishthesignalandnoisewereadoptedtoreducetheuserin

4、teraction.Theobjectivewasthattheoperatorsshouldbeabletoperformthismethodwithminimalexperienceandprofessionalknowledge.Themethodisausefultoolbyapplyingittotheresolutionofmodelandrealchromatographicsignals.Keywords:areareproduction;peakrecognition;resolutionofchromatographicsignals;DUrbjnWarsonHiethod

5、隨著色譜技術(shù)的進(jìn)步,色譜的分辨能力亦日益提高,在分析檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸廣泛.近年來(lái),人們提出了許多色譜解析的方法,常見(jiàn)的有傅里葉自去卷積法.,小波變換法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,正交投影法,曲線擬合法,遺傳算法,免疫算法等.這些方法大部分需要人工干預(yù),提高了對(duì)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求,影響了色譜解析技術(shù)的實(shí)用性,且多數(shù)方法在解析的過(guò)程巾耗時(shí)較長(zhǎng),解析效率較低,不能滿足短時(shí)問(wèn)內(nèi)解析大量譜圖的需求.2007年,Boe.報(bào)道了一種稱為面積重現(xiàn)法的色譜模擬方法,它以修正的泊松模型為基礎(chǔ),對(duì)色譜曲線進(jìn)行直接測(cè)量,通過(guò)訓(xùn)算模型參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)色譜曲線的快速模擬.對(duì)于分離的色譜峰,嘶積重現(xiàn)法可以取得很好的效果;但對(duì)于重疊的色

6、譜峰,譜峰的參數(shù)難以測(cè)量,Boe以相同的峰形參數(shù)擬合所有的譜峰,忽略了不同組分之間色譜峰形狀的差異,給解析結(jié)果帶來(lái)了很大的偏差.文獻(xiàn)9則提出了通訊聯(lián)系人:夏炳樂(lè),副教授.Email:xiablustceducn基金項(xiàng)目:國(guó)家煙草專賣局科研基金項(xiàng)目(No1002001041)收稿日期:20081O-04另外一種基于色譜曲線高階導(dǎo)數(shù)的譜峰識(shí)別方法.該方法是根據(jù)一階導(dǎo)數(shù)確定組分的洗提區(qū)域,根據(jù)二階導(dǎo)數(shù)確定譜峰的性質(zhì);但在色譜識(shí)別的過(guò)程中需要人工指定閾值以區(qū)分信號(hào)和噪聲,這對(duì)于操作人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn).為了降低對(duì)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求,同時(shí)迅速地解析含有重疊峰的色曙曲線,我們將基于高階導(dǎo)數(shù)的色譜識(shí)別方法

7、加以改進(jìn),結(jié)合面積重現(xiàn)法,建立了一種完全自動(dòng)化的色譜解析方法.經(jīng)過(guò)對(duì)模擬色譜和實(shí)驗(yàn)色譜的比較,證實(shí)r該方法可靠快速,可以為日益增多的色譜分析工作提供一定的幫助.1原理1.1信號(hào)與噪聲的判據(jù)在色譜曲線的自動(dòng)處理過(guò)程中,區(qū)分信號(hào)與噪聲是一個(gè)基本的問(wèn)題.在傳統(tǒng)的算法中,人們往往通過(guò)指定閡以的方法.來(lái)區(qū)分信號(hào)與噪聲.當(dāng)晌?352?色譜第27卷應(yīng)大于閩值時(shí)為信號(hào),否則為噪聲.閾值的選取依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn),并且需要進(jìn)行多次嘗試.本方法中采用了一種依據(jù)數(shù)據(jù)曲線的判據(jù),它依賴數(shù)據(jù)自身的特點(diǎn),不需要人為的指導(dǎo).其主要思想可以通過(guò)以下兩個(gè)公式描述:P=÷(1)凡s=_一一P(2)lfilP即擊÷

8、;南即=一+P凡I,:f+p而一2m()+1其中表示第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);為數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù);p為數(shù)據(jù)點(diǎn)絕對(duì)值的平均值;s描述了數(shù)據(jù)曲線的加權(quán)平均,響應(yīng)越大的數(shù)據(jù)點(diǎn),對(duì)的貢獻(xiàn)越小,因此s主要表現(xiàn)為噪聲的絕對(duì)平均;表示第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)前后m個(gè)點(diǎn)的平均值,表現(xiàn)了第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)附近數(shù)據(jù)點(diǎn)的性質(zhì).當(dāng)X的絕對(duì)值大于s,則表示第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為信號(hào);否則表示噪聲.1.2色譜曲線的分割對(duì)于一條多組分的色譜曲線,對(duì)其進(jìn)行分割是一個(gè)十分重要的步驟,它不僅可以減小數(shù)據(jù)量,提高色譜曲線的解析速度,而且可以降低曲線平滑所帶來(lái)的誤差.依賴區(qū)分信號(hào)與噪聲的算法,色譜曲線可以視為由信號(hào)單元與噪聲單元交替組成,信號(hào)單元是由響應(yīng)大于s的連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)

9、成,是進(jìn)一步解析的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).1.3色譜峰的分區(qū)與識(shí)別2005年,文獻(xiàn)9報(bào)道了一種色譜峰識(shí)別方法,它是根據(jù)色譜曲線的一階導(dǎo)數(shù)對(duì)曲線進(jìn)行分區(qū),再根據(jù)曲線的二階ves.14根據(jù)色譜曲線的一階導(dǎo)數(shù),可以將色譜曲線劃分為一系列的時(shí)間區(qū)域,即譜峰區(qū)域(peakregion),每一個(gè)譜峰區(qū)域在一階導(dǎo)數(shù)上由相鄰的一個(gè)正區(qū)和一個(gè)負(fù)區(qū)組成.根據(jù)色譜曲線的二階導(dǎo)數(shù),可以得到該色譜曲線含有的組分?jǐn)?shù):一般來(lái)講,根據(jù)二階導(dǎo)數(shù)上負(fù)區(qū)域(zone一)的數(shù)目可確定組分?jǐn)?shù),即每個(gè)負(fù)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)組分;同時(shí),可以得到這個(gè)組分的一系列的峰形參數(shù):負(fù)區(qū)域最小值對(duì)應(yīng)的保留時(shí)間t,二階導(dǎo)數(shù)正負(fù)改變所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,和t:,二階導(dǎo)數(shù)的負(fù)區(qū)域高

10、度h以及t時(shí)色譜曲線的高度h(換句話說(shuō),h描述了單組分色譜峰的峰高上限).結(jié)合公式(4)即可對(duì)色譜峰進(jìn)行初步的擬合:,=hmaxeXp(一÷(4其中公式(4)的主要參數(shù)由公式(5)(7)確定:hmax()第3期劉明明,等:自動(dòng)化色譜譜圖解析譜峰的自動(dòng)識(shí)別與快速解析?353?(6)(7)在信號(hào)求導(dǎo)之前,濾波去噪通常是一個(gè)必要的操作,經(jīng)典的SavitzkyGolay多項(xiàng)式平滑方法(SG方法)可以很好地實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程.在SG方法中有兩個(gè)參數(shù)需要選擇:多項(xiàng)式的指數(shù)和窗口的尺寸.文獻(xiàn)9通過(guò)DurbinWatson方法(又稱DW測(cè)試)對(duì)SG方法中的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)選取,取得了良好的效果.具體方法如下:

11、采用二次多項(xiàng)式的SG方法作為色譜曲線平滑去噪的基本方法.調(diào)節(jié)窗口的大小,分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行SG濾波,通過(guò)公式(8)求取DW指數(shù).DW指數(shù)描述了平滑信號(hào)的殘差與信號(hào)的相關(guān)性,隨著相關(guān)性的減小,DW指數(shù)收斂于2.因此,DW指數(shù)最接近2的窗口尺寸是最合適的.nDW=?n一1(h一h)一(h.一h.)二三_一(8)(h一h)其中h.為原始信號(hào),h為平滑信號(hào),n為信號(hào)中數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目.1.4色譜曲線的解析面積重現(xiàn)法是根據(jù)對(duì)圖譜的測(cè)量直接確定色譜模型的形狀參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)色譜曲線的快速模擬.采用修正的泊松函數(shù)可以很好地描述色譜曲線,而且具有形式簡(jiǎn)單,模型參數(shù)少,參數(shù)之間無(wú)關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn).常用的泊松函數(shù)為:f(t)=

12、hexp(f_R)1+(f_訓(xùn)(9)其中t為保留時(shí)問(wèn),h為峰的高度,n和k是泊松模型的峰形參數(shù).面積重現(xiàn)法以修正的泊松模型為基礎(chǔ),采取如下色譜模型:h(t)=f(t),0,公式(10)具有如下性質(zhì):P:fh(t)dt(11)=f,()一/2n1T()JtR一P表示色譜峰的面積.Boe的研究表明,對(duì)于一般的色譜模型而言,公式(11)具有如下性質(zhì):f1(12)log,k:?!(13)=f)其中傾斜因子Ot=WI/w;半峰寬w=Wl+W,Wl與分別代表左半峰寬和右半峰寬.因此,只要測(cè)量峰高h(yuǎn),保留時(shí)間t,W,和W即可解析色譜曲線.1.5自動(dòng)化色譜譜圖解析系統(tǒng)在自動(dòng)化色譜解析系統(tǒng)中,首先將多組分色譜曲

13、線分割成一系列信號(hào)單元,通過(guò)DW測(cè)試找出最合適的SG參數(shù),對(duì)信號(hào)單元進(jìn)行去噪和求導(dǎo);然后,根據(jù)導(dǎo)數(shù)曲線識(shí)別色譜峰,并進(jìn)行初步的重構(gòu);最后,測(cè)量重構(gòu)的色譜峰,結(jié)合面積重現(xiàn)法對(duì)色譜峰進(jìn)行模擬,得到初步的譜峰參數(shù).對(duì)于兩個(gè)峰形相同,即,k不變的色譜峰,根據(jù)公式(11)可知其面積取決于尼,那么校正因子可以通過(guò)公式(14)求出:=(14)A其中A表示某一信號(hào)單元中原始色譜曲線的面積,A表示此信號(hào)單元中第i個(gè)組分?jǐn)M合譜峰的面積.對(duì)于每一個(gè)組分,其校正峰高:h.=(15)如果某一組分的峰高校正之后大于h則使其峰高等于h,在保證面積相等的條件下,根據(jù)公式(11)校正峰形參數(shù)k,即可得到最終的譜峰參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)色

14、譜曲線的解析.1.6自動(dòng)化色譜譜圖解析系統(tǒng)算法程序該算法程序主要執(zhí)行了以下步驟:(1)根據(jù)區(qū)分信號(hào)與噪聲的判據(jù),將原始譜圖中的色譜曲線分割成一系列的具有時(shí)間先后順序的信號(hào)單元;(2)取出第1個(gè)信號(hào)單元;(3)通過(guò)DW測(cè)試找出最合適的SG參數(shù),對(duì)取出的信號(hào)單元進(jìn)行去噪和求導(dǎo);(4)根據(jù)該信號(hào)單元中色譜曲線的一階導(dǎo)數(shù)確定一系列譜峰區(qū)域時(shí)間段;(5)在第1個(gè)譜峰區(qū)域的時(shí)間范圍內(nèi),找出對(duì)應(yīng)的色譜曲線二階導(dǎo)數(shù)部分,根據(jù)二階導(dǎo)數(shù)可確定該時(shí)間段內(nèi)的譜峰數(shù),同時(shí)得到相應(yīng)的峰形參數(shù);一一2一一一一一一一一一2一一一一一一一一后一一>一<?354?色譜第27卷(6)依次在該信號(hào)單元剩下

15、的譜峰區(qū)域時(shí)間段重復(fù)步驟(5),就可以得到按時(shí)問(wèn)順序排列的各組分峰形參數(shù);(7)得到該信號(hào)單元的所有組分的峰形參數(shù)后,將其代人公式(4)(7)可以初步重構(gòu)各個(gè)組分的色譜曲線;(8)測(cè)量初步重構(gòu)出的各組分色譜曲線的峰高h(yuǎn),保留時(shí)間t,W和W,代入公式(12)和(13),獲得初步的譜峰參數(shù):h,t,n,k;(9)利用公式(11),(14)和(15)校正峰高h(yuǎn)和峰形參數(shù)k即可得到最終的解析結(jié)果;(1O)取出原始譜圖中第2個(gè)信號(hào)單元,重復(fù)步驟(3)(9),即可解析出第2個(gè)信號(hào)單元中的色譜曲線;(11)以此類推,依次取出剩下的信號(hào)單元進(jìn)行解析,直至取完,就完成了對(duì)整個(gè)原始譜圖的解析.2模擬與實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)

16、驗(yàn)條件儀器與色譜條件:美國(guó)FinniganTraceGC氣相色譜儀,火焰離子化檢測(cè)器(FID),檢測(cè)器溫度260.升溫程序:初始溫度40,保持2min,以10/min升至170,再以4/rain升至250,保持5min.整個(gè)色譜解析方法采用Matlab7.0編程,在PC機(jī)上運(yùn)行.2.2模擬色譜隨意選定8個(gè)組分的模型參數(shù),通過(guò)公式(10)產(chǎn)生模擬色譜圖模型,并加上隨機(jī)噪聲,其色譜解析結(jié)果如圖2一A所示.模擬色譜圖模型中包含孤立峰和不同程度的重疊峰,比較適合對(duì)”1.6”節(jié)所述自動(dòng)化色譜解析系統(tǒng)算法程序進(jìn)行考察.t/Ill1n圖2模擬色譜的解析結(jié)果Fig.2Resolutin圖3實(shí)驗(yàn)色譜的解析結(jié)果F

17、ig.3ResolutionresultoftheexperimentalchromatogramA:experimentalchromatogram;B:resolutionresultC:sumoftheresolutionresult3結(jié)果與討論3.1信號(hào)單元的分區(qū),識(shí)別與重構(gòu)本方法是通過(guò)SG濾波和求導(dǎo),結(jié)合區(qū)分噪聲與信號(hào)的判據(jù),根據(jù)色譜曲線的一階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行分區(qū).圖1一B顯示的是一模擬色譜圖的分區(qū):根據(jù)正區(qū)與負(fù)區(qū)的組成,信號(hào)單元l劃分出1個(gè)譜峰區(qū)域a;信號(hào)單元2劃分出b,C,d共3個(gè)譜峰區(qū)域;信號(hào)單元3劃分出1個(gè)譜峰區(qū)域e;信號(hào)單元4劃分出了f,g共2個(gè)譜峰區(qū)域.以信號(hào)曲線的二階導(dǎo)數(shù)為基礎(chǔ)

18、,結(jié)合區(qū)分噪聲與信號(hào)的判據(jù)對(duì)色譜峰進(jìn)行識(shí)別,如對(duì)于譜峰區(qū)域b,在其對(duì)應(yīng)的二階導(dǎo)數(shù)上,可搜索到1個(gè)負(fù)區(qū)域,同時(shí)得到1組峰形參數(shù):t,t,t,h.,h:.對(duì)于譜峰區(qū)域e,在其對(duì)應(yīng)的二階導(dǎo)數(shù)上,可搜索到2個(gè)負(fù)區(qū)域,同時(shí)得到2組峰形參數(shù).同理可得其他譜峰區(qū)域的峰形參數(shù),即信號(hào)單元1,2,3,4分別可得到1組,3組,2組,2組峰形參數(shù)(見(jiàn)圖1一C),這樣就全部識(shí)別出了模擬譜圖中的8個(gè)組分,同時(shí)得到了各組分的譜峰參數(shù).將信號(hào)單元的峰形參數(shù)代入公式(4)一(7)則可以初步重構(gòu)各個(gè)組分的色譜曲線.3.2色譜圖的解析對(duì)初步重構(gòu)出的各組分獨(dú)立色譜曲線進(jìn)行測(cè)量,得出半峰寬W¨和W,結(jié)合上一步的t和h.,代

19、第3期劉明明,等:自動(dòng)化色譜譜圖解析譜峰的自動(dòng)識(shí)別與快速解析?355?入公式(12)和(13),就獲得了公式(10)的各個(gè)參數(shù).最后,利用公式(11),(14)和(15)校正峰高和傾斜因子即可得到最終的解析結(jié)果(見(jiàn)圖2,3).圖2一A為模擬原始譜圖,圖2-B為該譜圖的解析結(jié)果,圖2-C為解析結(jié)果的包絡(luò)線.圖3一A為煙氣原始譜圖的一部分,圖3一B為該譜圖的解析結(jié)果,圖3一c為解析后曲線的包絡(luò)線.模擬色譜圖解析耗時(shí)0.31S;實(shí)驗(yàn)色譜圖解析耗時(shí)1.54S.4結(jié)論本自動(dòng)化色譜譜圖解析方法較好地實(shí)現(xiàn)了色譜曲線的自動(dòng)快速解析,對(duì)于含有大量重疊峰的色譜曲線亦能迅速地解析出來(lái),可作為較復(fù)雜色譜圖的分析輔助工

20、具.對(duì)于如煙氣譜圖這樣具有重疊峰的譜圖,該方法在一定程度上可幫助尋找隱藏在眾多重疊峰里的未知成分,以及預(yù)測(cè)其大概含量.該方法適用于大部分正常的色譜曲線,但要注意以下情況:(1)修正的泊松模型不能很好地?cái)M合”伸舌”峰形,因此”伸舌”峰的解析結(jié)果偏差較大;(2)對(duì)于重疊得非常嚴(yán)重甚至完全重疊的色譜峰,即使高階導(dǎo)數(shù)亦不能將其識(shí)別,用本方法解析出的結(jié)果仍然是一個(gè)峰,因此本方法不能解析出完全重疊以及接近完全重疊的色譜峰;(3)如果原色譜圖存在較大的基線,則應(yīng)先校正一下基線,再用本方法進(jìn)行解析.參考文獻(xiàn):1XuXF,ZhaoMS,HuXY.ComputersandAppliedChemis.try(徐曉峰,趙明生,胡鑫堯.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)),1998,15(3):1532345678910112345ShaoXG,HouSQ,ZhaoGW.ChineseJournalofAnalyticalChemistry(邵學(xué)廣,侯樹泉,趙貴文.分析化學(xué)),l998,26(12):1428LiYB,HuangXY,ShaM,etalChineseJournalofChro.matography(李一波,黃小原,沙明,等.色譜),2001,19(2):112Ch