混合物紅外光譜分析的關(guān)鍵方法和技術(shù)

1、Tsinghua University孫素琴清華大學(xué)化學(xué)系復(fù)雜混合物紅外光譜分析的復(fù)雜混合物紅外光譜分析的關(guān)鍵方法和技術(shù)關(guān)鍵方法和技術(shù)中藥等復(fù)雜混合物質(zhì)量控制的難題中藥等復(fù)雜混合物質(zhì)量控制的難題p成分復(fù)雜多樣，難以成分復(fù)雜多樣，難以完全逐一分離并檢測(cè)完全逐一分離并檢測(cè)指標(biāo)成分指標(biāo)成分p不夠全面不夠全面不能準(zhǔn)確反映中藥藥效和質(zhì)量不能準(zhǔn)確反映中藥藥效和質(zhì)量難以鑒別藥材產(chǎn)地等多種屬性難以鑒別藥材產(chǎn)地等多種屬性無(wú)法安全控制其他大多數(shù)成分無(wú)法安全控制其他大多數(shù)成分p檢測(cè)困難檢測(cè)困難檢測(cè)方法復(fù)雜且檢測(cè)成本過(guò)高檢測(cè)方法復(fù)雜且檢測(cè)成本過(guò)高缺乏定性分析而導(dǎo)致定量錯(cuò)誤缺乏定性分析而導(dǎo)致定量錯(cuò)誤人為添加可改變指標(biāo)成

2、分含量人為添加可改變指標(biāo)成分含量“先分離，后分析先分離，后分析”的混合物分析路線的混合物分析路線p一般分析過(guò)程中首先要從混合物中分離一般分析過(guò)程中首先要從混合物中分離出相應(yīng)的純組分，然而分離并不等同于分出相應(yīng)的純組分，然而分離并不等同于分析。分離只是將混合物分解為不同部分，析。分離只是將混合物分解為不同部分，而各部分的結(jié)構(gòu)和含量確定還需要多種分而各部分的結(jié)構(gòu)和含量確定還需要多種分析方法相結(jié)合。析方法相結(jié)合。p對(duì)混合物進(jìn)行分離，不可避免對(duì)原成分對(duì)混合物進(jìn)行分離，不可避免對(duì)原成分造成影響，造成影響，分離所得物質(zhì)與原始成分往往分離所得物質(zhì)與原始成分往往具有一定的差異具有一定的差異。p對(duì)混合物進(jìn)行分離

3、，對(duì)混合物進(jìn)行分離，很難直接觀察到各很難直接觀察到各種成分共存時(shí)的相互作用種成分共存時(shí)的相互作用。p對(duì)混合物進(jìn)行分離并對(duì)所有組分逐一分對(duì)混合物進(jìn)行分離并對(duì)所有組分逐一分析，析，需要消耗大量的時(shí)間、人力和物力需要消耗大量的時(shí)間、人力和物力?！跋确蛛x，后分析先分離，后分析”的混合物分析路線的混合物分析路線p實(shí)際過(guò)程中研究者們往往只關(guān)注所感興實(shí)際過(guò)程中研究者們往往只關(guān)注所感興趣的一小部分分離產(chǎn)物，趣的一小部分分離產(chǎn)物，不能夠得到混合不能夠得到混合物整體成分信息物整體成分信息。p如果如果提取分離方法不恰當(dāng)提取分離方法不恰當(dāng)，就無(wú)法得到，就無(wú)法得到待測(cè)樣本中所含有的全部的目標(biāo)成分，而待測(cè)樣本中所含有的全

4、部的目標(biāo)成分，而且會(huì)在分離產(chǎn)物中混入其他雜質(zhì)成分。且會(huì)在分離產(chǎn)物中混入其他雜質(zhì)成分。p如果對(duì)于分離產(chǎn)物如果對(duì)于分離產(chǎn)物沒(méi)有沒(méi)有進(jìn)行準(zhǔn)確的定性分析進(jìn)行準(zhǔn)確的定性分析，就，就可能將雜質(zhì)成分與目標(biāo)成可能將雜質(zhì)成分與目標(biāo)成分混淆在一起，分混淆在一起，影響定量影響定量分析的準(zhǔn)確性分析的準(zhǔn)確性。中藥成分信息的多維層次結(jié)構(gòu)與合理分析原則中藥成分信息的多維層次結(jié)構(gòu)與合理分析原則漸進(jìn)式分析：從整體到部分，先定性后定量漸進(jìn)式分析：從整體到部分，先定性后定量有些信息只要粗略了解，有些信息必需細(xì)致分析有些信息只要粗略了解，有些信息必需細(xì)致分析中藥等復(fù)雜混合物質(zhì)量控制的合理路線中藥等復(fù)雜混合物質(zhì)量控制的合理路線全部成分

5、，指紋圖譜全部成分，指紋圖譜特定成分，定性定量特定成分，定性定量混合物分析：從整體到部分，層層深入混合物分析：從整體到部分，層層深入整體：完整樣本，所有成分整體：完整樣本，所有成分部分：局部樣本，特定成分部分：局部樣本，特定成分兔子血管壁兔子血管壁（可見(jiàn)圖像）（可見(jiàn)圖像） 紅外圖像紅外圖像(化學(xué)圖像化學(xué)圖像)血管壁膽固醇結(jié)塊局部樣本紅外光譜局部樣本紅外光譜(化學(xué)成分化學(xué)成分)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂肪脂肪混合物分析：先定性后定量，準(zhǔn)確無(wú)誤混合物分析：先定性后定量，準(zhǔn)確無(wú)誤蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)N轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為NH4+NH3三聚氰胺三聚氰胺蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)含量分析含量分析三聚氰胺三聚氰胺未知物未知物定性定性: 是不是？是

6、不是？定量定量: 有多少？有多少？為什么選擇紅外光譜？為什么選擇紅外光譜？ 紅外光譜是一種紅外光譜是一種無(wú)需標(biāo)記無(wú)需標(biāo)記的分析技術(shù)，在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情的分析技術(shù)，在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況下即可使用；既可以同時(shí)獲取混合物中況下即可使用；既可以同時(shí)獲取混合物中整體成分整體成分信息，又信息，又可以對(duì)可以對(duì)特定成分特定成分進(jìn)行有針對(duì)性的檢測(cè)。進(jìn)行有針對(duì)性的檢測(cè)。 隨著計(jì)算機(jī)與化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外光譜不僅可以對(duì)隨著計(jì)算機(jī)與化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外光譜不僅可以對(duì)混合物成分進(jìn)行詳細(xì)的混合物成分進(jìn)行詳細(xì)的定性分析定性分析，還可以對(duì)特定成分進(jìn)行相，還可以對(duì)特定成分進(jìn)行相當(dāng)準(zhǔn)確的當(dāng)準(zhǔn)確的定量分析定量分析。 紅

7、外光譜既可以對(duì)較大尺寸的混合物樣品進(jìn)行分析，也可以紅外光譜既可以對(duì)較大尺寸的混合物樣品進(jìn)行分析，也可以借助顯微鏡對(duì)借助顯微鏡對(duì)納克級(jí)納克級(jí)的微小樣品進(jìn)行檢測(cè)，還可以研究宏觀的微小樣品進(jìn)行檢測(cè)，還可以研究宏觀樣本中樣本中微米級(jí)微米級(jí)的局部區(qū)域。的局部區(qū)域。 豐富靈活的采樣技術(shù)使豐富靈活的采樣技術(shù)使各種形態(tài)樣品各種形態(tài)樣品的紅外光譜測(cè)試都可以的紅外光譜測(cè)試都可以做到簡(jiǎn)便、快速、無(wú)損，儀器通用，成本低廉，環(huán)境友好。做到簡(jiǎn)便、快速、無(wú)損，儀器通用，成本低廉，環(huán)境友好。 紅外光譜適合與其它紅外光譜適合與其它分析技術(shù)聯(lián)用分析技術(shù)聯(lián)用，獲得全面的樣品信息。，獲得全面的樣品信息?！安环蛛x，即分析不分離，即分析

8、”的混合物分析路線的混合物分析路線簡(jiǎn)化步驟而節(jié)約時(shí)間和成本簡(jiǎn)化步驟而節(jié)約時(shí)間和成本得到樣本全部成分整體信息得到樣本全部成分整體信息獲取各種成分相互作用信息獲取各種成分相互作用信息避免指標(biāo)成分分析種種弊端避免指標(biāo)成分分析種種弊端“邊分離，邊分析邊分離，邊分析”的混合物分析路線的混合物分析路線p要對(duì)混合物進(jìn)行全面準(zhǔn)確的分析要對(duì)混合物進(jìn)行全面準(zhǔn)確的分析研究，應(yīng)該遵循研究，應(yīng)該遵循“從整體到部分，從整體到部分，先定性后定量先定性后定量”的路線原則，在紅的路線原則，在紅外光譜的指導(dǎo)下，對(duì)混合物進(jìn)行外光譜的指導(dǎo)下，對(duì)混合物進(jìn)行逐逐步分離與分析步分離與分析。p紅外光譜可以提供混合物整體成紅外光譜可以提供混合

9、物整體成分信息，指導(dǎo)進(jìn)一步的分離分析；分信息，指導(dǎo)進(jìn)一步的分離分析；p紅外光譜可以監(jiān)督各步分離產(chǎn)物紅外光譜可以監(jiān)督各步分離產(chǎn)物的成分，檢查分離方法的合理性，的成分，檢查分離方法的合理性，揀選含有目標(biāo)成分的分離產(chǎn)物；揀選含有目標(biāo)成分的分離產(chǎn)物；p紅外光譜可以用于解析和確認(rèn)各紅外光譜可以用于解析和確認(rèn)各種分離組分的結(jié)構(gòu)種分離組分的結(jié)構(gòu)“邊組合，邊分析邊組合，邊分析”的混合物分析路線的混合物分析路線p對(duì)混合物進(jìn)行分析研究，了解其構(gòu)成與對(duì)混合物進(jìn)行分析研究，了解其構(gòu)成與性質(zhì)的聯(lián)系，能夠?yàn)榈玫骄哂懈鼉?yōu)異性質(zhì)性質(zhì)的聯(lián)系，能夠?yàn)榈玫骄哂懈鼉?yōu)異性質(zhì)的混合物提供指導(dǎo)。的混合物提供指導(dǎo)。p在混合物組合過(guò)程中，紅外

10、光譜可檢查在混合物組合過(guò)程中，紅外光譜可檢查原料原料的正確性及其純度，避免錯(cuò)誤原料和的正確性及其純度，避免錯(cuò)誤原料和過(guò)量雜質(zhì)的引入；可監(jiān)控組合過(guò)量雜質(zhì)的引入；可監(jiān)控組合過(guò)程過(guò)程，及時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)組合過(guò)程中出現(xiàn)的異常，為過(guò)程工藝發(fā)現(xiàn)組合過(guò)程中出現(xiàn)的異常，為過(guò)程工藝的優(yōu)化提供信息；可對(duì)的優(yōu)化提供信息；可對(duì)中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物進(jìn)行快速進(jìn)行快速分析，避免不合格產(chǎn)物進(jìn)入下一環(huán)節(jié)而導(dǎo)分析，避免不合格產(chǎn)物進(jìn)入下一環(huán)節(jié)而導(dǎo)致不必要的損失；可對(duì)致不必要的損失；可對(duì)最終產(chǎn)物最終產(chǎn)物進(jìn)行定性進(jìn)行定性定量分析，檢查其是否合乎相應(yīng)的要求。定量分析，檢查其是否合乎相應(yīng)的要求?；旌衔锏募t外光譜混合物的紅外光譜36361112NN

11、kkkkkEEh361()NkkkQ 純化合物純化合物多組分混合物多組分混合物3636111112mNmNikeikikeikikEEEh 3611mNikeik 混合物光譜混合物光譜成分成分A光譜光譜成分成分B光譜光譜成分成分C光譜光譜0.0123455.50.000.20.40.60.81.01.10Calculated HeightConcentration x 000 x 010 x 020 x 030 x 040 x 050 x 060 x 070 x 080 x 090 x 100Correlation: 0.9992StdErr of Prediction: 0.0146Cali

12、bration Graph for Component 1Method: milkplacVersion: 1 (Modified)Analyst: ChenjbLast Modified: 10-01-2010 13:51定量分析定量分析混合物紅外光譜可以提供的信息混合物紅外光譜可以提供的信息定性分析定性分析整體樣本整體樣本/局部區(qū)域局部區(qū)域4000.03000200015001000650.0-0.100-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400cm-1A 整體成分整體成分4000.03000200015001000650.0cm-1A 特定成分特

13、定成分混合物紅外光譜解析的三大難題混合物紅外光譜解析的三大難題 根源：成分復(fù)雜，譜圖重疊根源：成分復(fù)雜，譜圖重疊混合物紅外光譜宏觀指紋特征混合物紅外光譜宏觀指紋特征4000.03000200015001000650.00.000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00cm-1A 30172921286616101515149414641379794768741Wavenumber/cm-1Absorbance同種官能團(tuán)吸收峰相鄰，重疊峰給出物質(zhì)群組信息同種官能團(tuán)吸收峰相鄰，重疊峰給出物質(zhì)群組信息鄰、間、對(duì)二甲苯混合物鄰、間、對(duì)二甲苯混合物850.0800750700650.

14、0cm-1A 混合物紅外光譜宏觀指紋特征混合物紅外光譜宏觀指紋特征4000.03000200015001000650.0cm-1A 鄰二甲苯間二甲苯對(duì)二甲苯等體積混合物光譜加和Wavenumber/cm-1Absorbance混合物光譜包含各組分特征峰混合物光譜包含各組分特征峰850.0800750700650.0cm-1A 混合物紅外光譜宏觀指紋特征混合物紅外光譜宏觀指紋特征4000.03000200015001000650.0cm-1A Wavenumber/cm-1Absorbance特征峰表現(xiàn)與濃度和重疊程度有關(guān)特征峰表現(xiàn)與濃度和重疊程度有關(guān)間二甲苯90% 間二甲苯50% 間二甲苯33

15、% 間二甲苯5% 間二甲苯混合物紅外光譜宏觀指紋特征混合物紅外光譜宏觀指紋特征4000.03000200015001000650.0cm-1A p-m-m-o-850.0800750700650.0cm-1A Wavenumber/cm-1Absorbance鄰、間、對(duì)二甲苯 1 ：1 ：1 2 ：1 ：1 1 ：1 ：2 1 ：2 ：1成分種類或含量不同，混合物光譜不同成分種類或含量不同，混合物光譜不同混合物紅外光譜解析方法混合物紅外光譜解析方法混合物紅外光譜解析的三大方法混合物紅外光譜解析的三大方法多級(jí)紅外光譜宏觀指紋分析法多級(jí)紅外光譜宏觀指紋分析法紅外光譜三級(jí)鑒別法紅外光譜三級(jí)鑒別法In

16、frared Spectral Tri-step Identification普通紅外光譜普通紅外光譜精密度，準(zhǔn)確度，信噪比，分辨率精密度，準(zhǔn)確度，信噪比，分辨率4000.020001000400.0cm-1A Wavenumbers / cm-1AbsorbancepCO2和和H2O干擾扣除干擾扣除1.00000.99970.99981.00000.9998相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)0.20.40.60.81Average / Abs10001500200025003000350040000 0.00050.00100.0015Wavenumbers /cm-1Std / Abs平均光譜平均光譜標(biāo)準(zhǔn)差

17、光譜標(biāo)準(zhǔn)差光譜p重復(fù)性重復(fù)性二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜：葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜：葡萄糖/乙醇乙醇-水溶液水溶液1500.014001300120011001000900.0cm-1A 145414211387108510441044145514201387115610841044992145514211386115210831044992145414211385115110811043993FTIR12%乙醇20 g/L葡萄糖12%乙醇60 g/L葡萄糖12%乙醇100 g/L葡萄糖12%乙醇Wavenumbers / cm-11200.01150110010501000

18、950900.0cm-1A 108610451085104599211531108108310441014991115211071082103010139911044SDIRWavenumbers / cm-1二維相關(guān)紅外光譜二維相關(guān)紅外光譜OriginalDynamic2DCOS二維相關(guān)紅外光譜：葡萄糖二維相關(guān)紅外光譜：葡萄糖/乙醇乙醇-水溶液水溶液108510441152110710851065104410249921152110710851044102499211071085104499212%vol乙醇-水20 g/L葡萄糖12%vol乙醇-水60 g/L葡萄糖12%vol乙醇-水10

19、0 g/L葡萄糖12%vol乙醇-水真?zhèn)伟⒛z：第一級(jí)鑒別真?zhèn)伟⒛z：第一級(jí)鑒別4000.03000200015001000400.0cm-1A 33302928165815351451133312391079922667337229331657153414501334123910791027876667466Wavenumbers / cm-1Absorbance東阿阿膠東阿阿膠假阿膠假阿膠真?zhèn)伟⒛z：第二級(jí)鑒別真?zhèn)伟⒛z：第二級(jí)鑒別3000.029002800.0cm-1A 2958292528732853287428531200.01150110010501000.0cm-1A 11591081

20、105910291159104710161800.01750170016501600.0cm-1A 17461628Wavenumbers / cm-12nd derivative 東阿阿膠東阿阿膠假阿膠假阿膠真?zhèn)伟⒛z：第三級(jí)鑒別真?zhèn)伟⒛z：第三級(jí)鑒別假阿膠假阿膠東阿阿膠東阿阿膠v混合物紅外光譜解析的三大方法混合物紅外光譜解析的三大方法多級(jí)紅外光譜宏觀指紋分析法多級(jí)紅外光譜宏觀指紋分析法主體成分解析主體成分解析官能團(tuán)分析官能團(tuán)分析4000.03000200015001000400.00.1500.200.250.300.350.400.450.500.550cm-1A 3357292428531

21、7461658154614651378124411591073892782705539脂肪脂肪蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)糖類糖類 全脂奶粉（全脂奶粉（104）奶粉的紅外光譜奶粉的紅外光譜中藥主體成分解析：蛋白質(zhì)中藥主體成分解析：蛋白質(zhì)4000.03000200015001000400.0cm-1A 3313307429602933287516581525145213951308124010766213282308229222851164915421451132412401041615573330129582927287428551659154314531400131112371156107910446233

22、354292616481545138012391071892615527羚羊角羚羊角麝香麝香水蛭水蛭相思子相思子Wavenumbers / cm-1Absorbance中藥主體成分解析：蛋白質(zhì)中藥主體成分解析：蛋白質(zhì)1800.017001600150014001300.0cm-1A 1659164016281566151114991452138717451696166016271566151415001469144013671324169216401566154815151500146814531402174615501511149914691639Wavenumbers / cm-12nd

23、derivative羚羊角羚羊角麝香麝香水蛭水蛭相思子相思子中藥主體成分解析：油脂中藥主體成分解析：油脂4000.03000200015001000400.0cm-1A 33013010292728551746165615411461139812401162110199972359733013008292628551747165615441460123911621100105678972158833183009292528541746165815451457124011591098105578772261833603007292628551745152213781230105689578259

24、6火麻仁火麻仁芥子芥子萊菔子萊菔子烏梅烏梅 Wavenumbers / cm-1Absorbance中藥主體成分解析：油脂中藥主體成分解析：油脂火麻仁火麻仁芥子芥子萊菔子萊菔子烏梅烏梅 285417473100.0300029002800.0cm-1A 3010295929262895287328543009295929252894287328543009295929242873285430082958292528731800.017001600150014001300.0cm-1A 1746171116581513146714411416137917461657154615121467144

25、0137817471711165715491515146717201657151714672nd derivative / Wavenumbers / cm-1/4000.03000200015001000400.0cm-1A 352933822901143610941071875778551338029261747165714391116107110358767795513380292617471659144010711036552333929251747166214401070551特定成分解析特定成分解析標(biāo)準(zhǔn)品比較標(biāo)準(zhǔn)品比較ABC乳糖乳糖Wavenumbers / cm-1Absorba

26、nce特定成分解析特定成分解析標(biāo)準(zhǔn)品比較標(biāo)準(zhǔn)品比較乳糖乳糖樣品樣品A樣品樣品B樣品樣品C峰位置峰位置/cm-1(閾值閾值0.01A)352933823345352433803343338029782934290129002901147014561436145614391457144014571440138313671359138113671359138213801341129612611341129612611342126013431260120211681142120211671143120111661143120211631143111610941083111610941083111610

27、931116107110581034107110581035107110581036107010371019100498710199881020989989915899875915898876915898876914898875778671631779631779631779632604566551605566551604552604551467445434468434469469對(duì)應(yīng)峰個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)峰個(gè)數(shù)39332520相同峰個(gè)數(shù)相同峰個(gè)數(shù)391875相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)1.00000.91240.80980.6436特定成分解析特定成分解析標(biāo)準(zhǔn)品比較標(biāo)準(zhǔn)品比較4000.030002000150010

28、00400.0cm-1A 343033482929161914241317115410227806665173429333930682932162014491316115010277816645163348292228521642131810747816225363351292528531732162514471318107078165961551634883339306116181318884782662516Wavenumber / cm-1Absorbance白鮮皮白鮮皮地骨皮地骨皮桑葉桑葉銀杏葉銀杏葉草酸鈣草酸鈣中藥指標(biāo)成分解析：黃連中藥指標(biāo)成分解析：黃連1800.0160014001

29、2001000800.0cm-1A 1638150814591422138613631341127312341145110010761031935863163416201599156815051480145914221389136413311301127212311142110510651035975924897860826Wavenumbers / cm-1Absorbance黃連藥材黃連藥材鹽酸小檗堿鹽酸小檗堿NOOOCH3H3COCl中藥指標(biāo)成分解析：黃連中藥指標(biāo)成分解析：黃連1700.01600150014001300120011001000.0cm-1A 16391604156715

30、08148214681386136313291272123312131158110210771034163516201598156714801459142213891364133013011273123412131142110410651036Wavenumbers / cm-12nd derivative黃連藥材黃連藥材鹽酸小檗堿鹽酸小檗堿中藥指標(biāo)成分解析：淫羊藿中藥指標(biāo)成分解析：淫羊藿1700.0160015001400130012001100.0cm-1A 165816171546151314241369129912601225118111161654160915711506146213

31、641306125712191180111716521614156615091431136013051260122111791116165516051509149014381371130112581218118416511597151114911439134213031259121911801651159615111491143813421303125912201180165316031509149014381342128012181181165115981491144213411220117916611613150813811304125212241175166516121561152214

32、4913821318126211981167Wavenumbers / cm-1Absorbancea.脫水淫羊藿素脫水淫羊藿素b.寶藿苷寶藿苷Ic.箭葉苷箭葉苷Bd.淫羊藿苷淫羊藿苷e.淫羊藿定淫羊藿定Bf.淫羊藿定淫羊藿定Cg.淫羊藿屬苷淫羊藿屬苷Ah.意卡瑞甙意卡瑞甙Ci.山奈酚山奈酚j.槲皮素槲皮素OOR1OOHOR2ORR=HR=CH3中藥指標(biāo)成分解析：淫羊藿中藥指標(biāo)成分解析：淫羊藿IRHPLCIRHPLC4000.03000200015001000400.0cm-1A 292528541747 16591547116010771043292528541747165715441159

33、106910512926166115421047相對(duì)含量比較相對(duì)含量比較相對(duì)峰強(qiáng)度相對(duì)峰強(qiáng)度脂肪脂肪蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)糖類糖類全脂奶粉全脂奶粉低脂奶粉低脂奶粉脫脂奶粉脫脂奶粉Wavenumbers / cm-1Absorbance相對(duì)含量比較相對(duì)含量比較相對(duì)峰強(qiáng)度相對(duì)峰強(qiáng)度鹿茸鹿茸鹿角鹿角鹿角霜鹿角霜磷酸鈣磷酸鈣4000.0350030002500200015001000400.0cm-1A 330329251659154610346045613387295716631538102760456110356035641034603564Wavenumber / cm-1Absorbance混合物紅外光

34、譜解析的三大方法混合物紅外光譜解析的三大方法多級(jí)紅外光譜宏觀指紋分析法多級(jí)紅外光譜宏觀指紋分析法數(shù)據(jù)庫(kù)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)檢索純化合物數(shù)據(jù)庫(kù)純化合物數(shù)據(jù)庫(kù)五倍子藥材樣本在五倍子藥材樣本在Sadtler譜庫(kù)中檢索結(jié)果譜庫(kù)中檢索結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)檢索混合物數(shù)據(jù)庫(kù)混合物數(shù)據(jù)庫(kù)unknown samplethe 1st hit模式識(shí)別模式識(shí)別-基本概念基本概念 模式識(shí)別（模式識(shí)別（Pattern Recognition）就是分類。就是分類。 客觀存在可以觀察的事物，如果可根據(jù)一定規(guī)則進(jìn)行相似客觀存在可以觀察的事物，如果可根據(jù)一定規(guī)則進(jìn)行相似性判別，都可稱之為模式。模式識(shí)別就是通過(guò)特定方法將性判別，都可稱之為模

35、式。模式識(shí)別就是通過(guò)特定方法將樣本分成有實(shí)際意義的類別。樣本分成有實(shí)際意義的類別。 模式識(shí)別是人工智能技術(shù)的分支，它試圖用計(jì)算機(jī)代替人模式識(shí)別是人工智能技術(shù)的分支，它試圖用計(jì)算機(jī)代替人工對(duì)各種模式進(jìn)行描述、分類和決策，從中找出規(guī)律，達(dá)工對(duì)各種模式進(jìn)行描述、分類和決策，從中找出規(guī)律，達(dá)到識(shí)別事物的目的。到識(shí)別事物的目的。原始數(shù)據(jù)（訓(xùn)練集）原始數(shù)據(jù)（訓(xùn)練集）特征提取特征提取訓(xùn)練與分類訓(xùn)練與分類分類規(guī)則分類規(guī)則未知樣本未知樣本分類結(jié)果分類結(jié)果方法的選擇方法的選擇光譜比對(duì)光譜比對(duì)某一樣品與一系列參考光譜比較某一樣品與一系列參考光譜比較簡(jiǎn)單，易操作簡(jiǎn)單，易操作單個(gè)樣品即可單個(gè)樣品即可需要選擇各種需要選擇

36、各種“數(shù)學(xué)過(guò)濾器數(shù)學(xué)過(guò)濾器”降低制降低制樣帶來(lái)的影響樣帶來(lái)的影響模式識(shí)別模式識(shí)別一組樣品進(jìn)行比較一組樣品進(jìn)行比較方法靈敏方法靈敏至少需要至少需要5個(gè)樣品個(gè)樣品需要借助數(shù)學(xué)方法進(jìn)行識(shí)別需要借助數(shù)學(xué)方法進(jìn)行識(shí)別數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理1111nmmnxxxxXKMOML原始量測(cè)數(shù)據(jù)原始量測(cè)數(shù)據(jù)同一樣本的不同性質(zhì)同一樣本的不同性質(zhì)不同樣本的同一性質(zhì)不同樣本的同一性質(zhì)X為為m個(gè)樣本在個(gè)樣本在n個(gè)變量處的測(cè)量值，比如測(cè)量個(gè)變量處的測(cè)量值，比如測(cè)量m個(gè)樣本在個(gè)樣本在n個(gè)波數(shù)處的個(gè)波數(shù)處的吸光度值而得到的紅外光譜，也可以是吸光度值而得到的紅外光譜，也可以是m個(gè)樣本中個(gè)樣本中n種成分的含量。種成分的含量。數(shù)據(jù)預(yù)處

37、理數(shù)據(jù)預(yù)處理1111nmmnxxxxXKMOML不同樣本的同一性質(zhì)不同樣本的同一性質(zhì)*ijijjxxx*21ijijmijixxx*min()max()min()ijjijjjxxxxx*ijjijjxxxs*ijijijxw x中心化中心化自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)調(diào)整值域調(diào)整值域調(diào)整數(shù)值歸一化數(shù)值歸一化模長(zhǎng)歸一化模長(zhǎng)歸一化權(quán)重調(diào)整權(quán)重調(diào)整*,maxijijjxxx相似性相似性max1ijijDSD22kkkkkkkxxyyrxxyy22COSkkkxyxykkkkxyrxy方向余弦方向余弦相似性系數(shù)相似性系數(shù)相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)相似性越大相似性越大樣本間越相像樣本間越相像相似度量化相似度量化相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)

38、相關(guān)系數(shù)產(chǎn)地相關(guān)系數(shù)產(chǎn)地相關(guān)系數(shù)產(chǎn)地1.0000河南武陟0.9822河南武陟0.9738廣東0.9922河南武陟0.9821河南溫縣0.9733云南0.9898河南博愛(ài)0.9817河南溫縣0.9623山西太谷0.9890河南修武0.9815河南武陟0.9606河北安國(guó)0.9885河南溫縣0.9814河南武陟0.9605山西襄汾0.9877河南武陟0.9813河南沁陽(yáng)0.9600山西汾陽(yáng)0.9872河南沁陽(yáng)0.9809河南武陟0.9578山西平遙0.9868河南孟縣0.9794山東單縣0.9544山西平遙0.9865河南武陟0.9793河北安國(guó)0.9516山西太谷0.9854河南溫縣0.9781

39、山西平遙0.9422山東濟(jì)寧0.9842河南溫縣0.9776陜西西安0.9402廣西0.9837河南溫縣0.9772廣東0.9214山西汾陽(yáng)0.9830河南溫縣0.9765山西曲沃0.9101浙江東陽(yáng)0.9825河南溫縣0.9762河北安國(guó)0.8881河北安國(guó)0.9824河南孟縣0.9754山西平遙0.8486山西平遙懷懷山山藥藥不同產(chǎn)地山藥與對(duì)照品的相關(guān)系數(shù)（不同產(chǎn)地山藥與對(duì)照品的相關(guān)系數(shù)（1590-1390cm-1）是不是是不是相關(guān)系數(shù)比較相關(guān)系數(shù)比較相似度量化相似度量化模式識(shí)別模式識(shí)別山藥山藥基本原理基本原理 單組份定量（單波長(zhǎng)定量）單組份定量（單波長(zhǎng)定量） 多組份定量（譜圖重疊，全譜定

40、量）多組份定量（譜圖重疊，全譜定量） A = K CkclA mnmnnnmmmmckckckAckckckAckckckA22112222121212121111工作曲線法實(shí)例工作曲線法實(shí)例根據(jù)中藥配方顆粒的紅外光譜確定其中輔料含量根據(jù)中藥配方顆粒的紅外光譜確定其中輔料含量4000.02000400.00.000.51.01.20cm-1A a3379293216071412126510467756014000.02000400.00.000.51.01.20cm-1A cb104533792932160814137725794000.02000400.00.000.51.01.20cm-1

41、A c3393293116191412115010245764000.02000400.00.000.51.01.20cm-1A cd339329291610141510278625774000.02000400.00.000.51.01.20cm-1A ce3391293216111264107710259305764000.02000400.00.000.51.01.20cm-1A cf3378293116111367107810247685764000.02000400.00.000.51.01.20cm-1A cg3392293016191367107810229295754000.0

42、2000400.00.000.51.01.20cm-1A ch340129311641136810791019926529不同糊精含量的丹參配方顆粒的紅外光譜圖不同糊精含量的丹參配方顆粒的紅外光譜圖a.0.0, b.9.97, c.20.55, d.29.81, e.39.82, f.49.80, g.59.62, h.100%工作曲線法實(shí)例工作曲線法實(shí)例111/ 221bbArA相對(duì)峰強(qiáng)度的計(jì)算相對(duì)峰強(qiáng)度的計(jì)算峰強(qiáng)度的計(jì)算峰強(qiáng)度的計(jì)算工作曲線法實(shí)例工作曲線法實(shí)例4000.02000400.00.000.51.01.20cm-1A a337929321607141212651046775601

43、4000.02000400.00.000.51.01.20cm-1A ch340129311641136810791019926529丹參配方顆粒丹參配方顆粒糊精糊精工作曲線法實(shí)例工作曲線法實(shí)例根據(jù)奶粉的紅外光譜確定其中乳糖含量根據(jù)奶粉的紅外光譜確定其中乳糖含量typepeak abase a1base a2peak bbase b1base b2a/blog(a/b)height7788406901747180017200.88400.9770area7788406901747180017200.85460.9675height9159258501747180017200.87980.980

44、2height8999258501747180017200.88430.9866height8759258501747180017200.88450.9812area8759258501747180017200.85360.9909height7788406901660171516000.99900.9195area7788406901660171516000.99520.9074height9159258501660171516000.99640.9217height8999258501660171516000.99560.9395height8759258501660171516000.9

45、9640.9313area8759258501660171516000.98750.96954000.03000200015001000400.0cm-1A 決定系數(shù)決定系數(shù)奶粉奶粉奶粉奶粉+乳糖乳糖乳糖乳糖組分定量分析組分定量分析工作曲線工作曲線糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)糊精峰高1021cm-1, A1藥材峰高1611cm-1, A2相對(duì)峰強(qiáng)度A1/A2相對(duì)峰強(qiáng)度對(duì)數(shù)lg(A1/A2)0.0%0.81010.93650.8650-0.063012.0%0.86580.77581.11600.047722.2%0.90690.64641.40310.147129.3%0.97240.63881.52220.

46、182544.0%0.96830.47022.05930.313749.7%0.96960.43122.24870.351958.6%0.98190.36922.65940.4248基線起止2000-880cm-1相關(guān)系數(shù)R0.99110.9986白扁豆藥材白扁豆藥材糊精糊精p 多元線性回歸多元線性回歸K矩陣與矩陣與P矩陣矩陣主成分回歸主成分回歸偏最小二乘回歸偏最小二乘回歸多組分定量分析多組分定量分析 選擇標(biāo)準(zhǔn)樣品集：定標(biāo)集、驗(yàn)證集選擇標(biāo)準(zhǔn)樣品集：定標(biāo)集、驗(yàn)證集 其他方法獲得參照值：其他方法獲得參照值：HPLC、GC 確定化學(xué)計(jì)量學(xué)的算法確定化學(xué)計(jì)量學(xué)的算法 PCA 主成分分析（定性）主成分分

47、析（定性） PCR+ - 增強(qiáng)的主成分回歸增強(qiáng)的主成分回歸 PLS1 偏最小二乘法（單組分）偏最小二乘法（單組分） PLS2 偏最小二乘法（多組分）偏最小二乘法（多組分） 選擇合適的光譜參數(shù)：范圍、預(yù)處理選擇合適的光譜參數(shù)：范圍、預(yù)處理 模型評(píng)價(jià)：模型評(píng)價(jià)：R2、SEE、SEPPage 64 模型評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià) 定標(biāo)集的決定系數(shù)定標(biāo)集的決定系數(shù)R2判斷一個(gè)定標(biāo)集模型的好壞判斷一個(gè)定標(biāo)集模型的好壞 定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差SEE 反映定標(biāo)集數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差反映定標(biāo)集數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差 預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差SEP給出一個(gè)獨(dú)立樣本在標(biāo)準(zhǔn)集中給出一個(gè)獨(dú)立樣本在標(biāo)準(zhǔn)集中預(yù)測(cè)時(shí)所產(chǎn)生的誤差預(yù)測(cè)時(shí)所產(chǎn)生的誤差RSS =

48、 殘差的平方和殘差的平方和SYY = 總的方差總的方差組分定量分析組分定量分析多元校正多元校正1700-900cm-1SNV+De-trending二階導(dǎo)數(shù)二階導(dǎo)數(shù)R2=0.992SEE=0.001806SEP=0.00011311600-900cm-1SNV+De-trending二階導(dǎo)數(shù)二階導(dǎo)數(shù)R2=0.997SEE=0.000572SEP=0.0000879黃芩苷黃芩苷綠原酸綠原酸雙黃連粉針劑指標(biāo)成分定量分析雙黃連粉針劑指標(biāo)成分定量分析4000.03000200015001000400.0cm-1A 33902929163515181412 12641148105479859133682

49、928163315181412 12641147105179859133672928167216151420126311421050995927701591分離提取過(guò)程分離提取過(guò)程丹參丹參95%醇提醇提4000.03000200015001000400.0cm-1A 336729281672161515091420128511421050927823791701591336829281672 160914151288114310508247985903379292616711618153614591383119311699148367907023435295416701537146113811

50、1921159914835794701丹參酮丹參酮IIA分離提取過(guò)程分離提取過(guò)程丹參丹參加水溶解加水溶解4000.03000200015001000400.0cm-1A 336829281633151814121264114710518757985913368292816101509141212881145105099887079869059155033902928163615181419126211521054772664591分離提取過(guò)程分離提取過(guò)程丹參丹參加水提取加水提取4000.03000200015001000400.0cm-1A 33682928161015091412128811

51、451050870798591334816351408126310788775553389292816671609150814111354128811441051998870799689552339229261649141113511270114310621028992873799687552分離提取過(guò)程分離提取過(guò)程丹參丹參加醇至加醇至70%水蘇糖水蘇糖OOOCH2OHOHOHOHOHOOHOHOOOHOHOHOOHCH2OHOHCH2OHOCH2OHOHOHOHOHHOOOHCH2OHOHCH2OHhydrolysisOCH2OHOHOHOHOH+24000.0300020001500100

52、0400.0cm-1A 334816351408 12631078877555338929291618141511431051799587338317181610152014471286 1263 11801114974811589342517241611151914471287126211781113973 811588丹酚酸丹酚酸B分離提取過(guò)程分離提取過(guò)程丹參丹參乙酸乙酯萃取乙酸乙酯萃取4000.03000200015001000400.0cm-1A 丹參酮丹參酮IIA水蘇糖水蘇糖丹酚酸丹酚酸B分離提取過(guò)程分離提取過(guò)程丹參丹參分離提取過(guò)程分離提取過(guò)程甘草甘草藥材藥材水提水提10%醇提醇提2

53、0%醇提醇提90%醇提醇提100%醇提醇提甘草苷甘草苷4000.03000200015001000400.0cm-1A 33792929163815151424137112421154107810238615773367293116161513141312361047837608337529301618151314141047837608336629321614151314141051837609336729261613151314541416128110478365503367292528531614151214551375128112281071836551343333332913164916081513146713791287123010841044997891834533黃黃酮酮類類成成分分增增加加糖糖類類酸酸類類成成分分減減少少分離提取過(guò)程分離提取過(guò)程甘草甘草4000.03000200015001000400.