NIR 膽酸--2010--9--2

1、 近紅外光譜技術(shù)關于膽酸含量數(shù)學模型的建立楊陽，代濤，汪學楷，林翔，李暉*（四川大學化學工程學院，四川成都610065）摘要：本文應用近紅外技術(shù)研究了快速測定膽酸含量的方法。通過測定膽酸在100004000cm-i范圍內(nèi)的近紅外透射光譜，建立了膽酸含量的數(shù)學模型。以校正均方差（RMSEC）和相關系數(shù)（R2）為指標，確定了用于建模的最優(yōu)近紅外波段和光譜預處理方法，并基于此模型預測了9個樣品。結(jié)果顯示，建模效果良好，表明該方法具有較高的準確性，有一定的應用前景。關鍵詞：近紅外光譜；數(shù)學模型；偏最小二乘法；膽酸Developmentofmathematicalmodelsoncholicacidby

2、nearinfraredspectroscopyYANGYang,DAITao,MNGXue-kai,LINXiang,LIHui*(CollegeofChemicalEngineering,SichuanUniversity,Chengdu6i0065,China)Abstract：NIR(nearinfraredspectroscopy)wasappliedfortherapidquantificationofcholicacidinthisstudy.NIRtransmittancespectroscopyofcholicacidrangingfromi00004000cm-iwasde

3、terminedforthedevelopmentofmathematicalmodels.RMSECandcorrelationcoefficientwereusedtoevaluateandoptimizetheestablishedmodels,includingrangeofwavenumbersandpre-treatmentmethods.Undertheestablishedmodel,anumberof9samplesweredetermined.Theresultshowsthatthismethodisofhighaccuracyandgoodapplicationfort

4、hedeterminationofcholicacid.Keywords:nearinfraredspectroscopy;mathematicalmodel;partialleastsquare;cholicacid引言近紅外光(NIR)是介于可見光和中紅外之間的電磁輻射波，其波長范圍約為0.82.5“m,波數(shù)范圍約為125004000cm-1。近紅外光譜分析兼?zhèn)淞丝梢妳^(qū)光譜分析信號容易獲取與紅外區(qū)光譜分析信息量豐富兩方面的優(yōu)點，加上該譜區(qū)自身具有的譜帶重疊、吸收強度較低、需要依靠化學計量學方法提取信息等特點,使近紅外光譜分析成為一類新型的分析技術(shù)1。目前,近紅外分析技術(shù)以其速度快、效率高、

5、成本低、無損傷采樣和易于實現(xiàn)在線分析等特點,已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、石化、煙草、醫(yī)藥和食品等行業(yè)得到廣泛應用2。通信作者：李暉（1954-），男，四川大學教授，博士生導師研究方向：藥物工藝學Email: HYPERLINK mailto:lihuilab lihuilab透射分析是近紅外光譜法測定均勻透明的溶液或固體樣品的一項常規(guī)分析技術(shù)。本文利用近紅外透射光譜技術(shù)對一系列不同濃度膽酸進行測定,并在此基礎上采用偏最小二乘算法(PLS)和三種不同的光譜預處理方法(原光譜、一階導數(shù)和二階導數(shù))對樣本的原始光譜進行預處理,建立了最佳校正數(shù)學模型。實驗部分儀器與試劑NicoletAntarisll傅里葉變換近紅外

6、光譜儀(ThermoNicolet),Result操作系統(tǒng)與TQAnalyst8分析軟件，高效液相色譜儀(Alltech2515),ZORBAXSB-C18柱(4.6X150mm,5Mm),蒸發(fā)光檢測器(Alltech2000ES);流動相：甲醇-水-甲酸(75:25:0.1);流速：1mL/min;柱溫：30C。膽酸標準品(中國藥品生物制品檢定所),膽酸樣品(四川弘茂制藥有限公司)。甲醇(分析純),主要用于樣品的配制,甲醇(色譜純),主要用于色譜分析,甲酸,超純水。膽酸的HPLC標準曲線準確稱取膽酸標準品0.0042g,用甲醇稀釋定容至10mL為母液。分別移取0.5、1.0、1.5、2.0、

7、2.5mL母液至5個5mL容量瓶中，用甲醇定容，得到濃度分別為0.042、0.084、0.126、0.168、0.210mg/mL的5個標準液。準確稱取膽酸樣品0.0016g用甲醇稀釋定容至10mL。上述6個樣品采用高效液相色譜儀分析檢測。膽酸樣品近紅外實驗準確稱取2.0578g膽酸樣品用甲醇稀釋定容至200mL,分別移取0.1、0.2、0.3、0.45.0mL上述溶液各至50個5mL容量瓶，用甲醇定容，得到濃度范圍為0.20610.289mg/mL的50個樣品溶液。取上述樣品溶液，用外直徑為6mm的玻璃樣品管盛裝,采用近紅外透射光譜進行分析檢測。實驗條件以空氣為背景,采用Result操作系采

8、集光譜，掃描波數(shù)為100004000cm-1,掃描次數(shù)為32次，分辨率為8cm-i,每個樣品重復測定3次，取其平均值。采集得到的光譜數(shù)據(jù)用TQAnalyst分析軟件處理和計算。結(jié)果與討論3.1膽酸的HPLC標準曲線圖1為膽酸標準曲線，其相關系數(shù)平方(R2)為0.9992,所以在此濃度范圍內(nèi)膽酸高效液相色譜呈線形。采用外標法定量,膽酸樣品的純度為98.2%。積面分積505554054313.0n1111111111-0.4-0.20.00.81.0進樣量/ng圖1膽酸標準曲線Fig.1Calibrationcurveofcholicacid3.2膽酸的近紅外光譜圖2是膽酸樣品溶液近紅外光譜分析結(jié)

9、果圖250個樣品溶液的近紅外透射光譜圖Fig.2Nearinfraredspectraof50samples樣品的光譜重合較好,但由圖看不出具體某個樣品的光譜,需要依靠化學計量學方法提取信息。圖中給出膽酸溶液在近紅外譜區(qū)有明顯的吸收特征。因甲醇在近紅外譜區(qū)有強烈的吸收，使用6.0mm光程時，甲醇在51004000cm-i處吸收超界，該部分譜區(qū)不能使用。在67005300cm-i和100007100cm-i分別是與碳氫基團有關的一倍頻和二倍頻吸收譜區(qū)，這些譜區(qū)為膽酸定量分析提供了豐富的信息3。近紅外光譜分析自身具有譜帶重疊、吸收強度較低等特點，必需在一定波段內(nèi)利用化學計量學方法，建立數(shù)學模型，才

10、能確定膽酸含量與光譜間的關系。模型的建立與優(yōu)化運用TQ分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理并建立了數(shù)學模型，以相關系數(shù)(R)和校正均方差(RMSEC)為指標選擇建模參數(shù)和優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，以預測均方差(RMSEP)和內(nèi)部交叉驗證均方差(RMSECV)來考察模型的預測性能和推廣能力。本實驗對偏最小二乘法(PLS)和主成分回歸法(PCR)建模效果進行了比較,結(jié)果表明PLS所建立的模型優(yōu)于PCR法，故采用PLS算法建立數(shù)學模型。3.3.1波段與預處理選擇確定了采用PLS方法建立數(shù)學模型，對比了采用全譜段以及原光譜、一階導數(shù)光譜、二階導數(shù)光譜時軟件自動的優(yōu)化譜段的建模效果(表1),最終確定采用59825697cm-1波

11、段。又對比在該波段下采用原光譜、一階導數(shù)光譜、二階導數(shù)光譜建模的效果(表2)，再結(jié)合主因子圖的趨勢，原光譜下建模主因子圖有一個拐點，而一階導數(shù)光譜建模時主因子圖有點陡峭，故選擇二階導數(shù)光譜建立模型。表1波段選擇對PLS建模的影響Table1TheinfluenceofspectrawavelengthrangesonPLSmodels波段(cm-1)相關系數(shù)RMSECRMSEPRMSECV全譜1000040000.484532.612.892.91原光譜優(yōu)化598256970.997770.1990.1310.251一階導數(shù)優(yōu)化677365800.518642.552.002.67二階導數(shù)優(yōu)化

12、513751140.837151.632.101.9359515924表2預處理方法選擇對建模的影響Table2Theinfluenceofdifferentpre-treatmentmethodsonPLSmodels波段(cm-1)相關系數(shù)RMSECRMSEPRMSECV原光譜598256970.997770.1990.1310.251一階導數(shù)光譜598256970.998510.1630.2070.255二階導數(shù)光譜598256970.998200.1790.1170.2453.3.2因子數(shù)選擇用偏最小二乘法建立校正模型，主成分數(shù)的選擇對模型的預測能力影響較大。主成分數(shù)太多，使模型包含過

13、多的測量噪音，出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象;主成分數(shù)過少，導致建模信息不全，預測能力差5。因此，本實驗采用交互驗證法考察不同主成分數(shù)對RMSECV值的影響，結(jié)果見圖3，最佳主成分數(shù)為6。VCESMR0502110.01111111111012345678910Factor圖3主因子數(shù)圖Fig.3Numberoffactors3.3.3模型建立綜合上述分析，本實驗在波段59825697cm-1范圍內(nèi)采用PLS方法建立數(shù)學模型。根據(jù)模型的參數(shù)及主因子圖的趨勢選擇二階導數(shù)光譜建模,由于對光譜數(shù)據(jù)作微分處理會放大噪聲信號，因此對光盤數(shù)據(jù)作NorrisDerivative平滑處理。共采集50個樣品的光譜，建模過程中，

14、剔除了一個偏離結(jié)果的樣品（24號），從中隨機的選取9個樣品作為驗證集，其余40個為樣品集。建模結(jié)果如圖4所示相關系數(shù)為0.99820,RMSEC為0.179,RMSEP為0.117。運用內(nèi)部交叉驗證，步長為1,交叉驗證均方差RMSECV為0.245。O|-Corr.Coeff.:0.99820RMSEC:0.1790Actual10圖4PLS建模結(jié)果Fig.4Theresultsofthepredictionsamples用40個校正集建立數(shù)學模型對9個驗證集樣品的濃度進行了預測,9個驗證集樣品的真實值、預測值、誤差及相對誤差如表3所示。表3驗證集樣品預測結(jié)果Table3Predictedre

15、sultsofthepredictionsamples編號真實值(mg/mL)預測值(mg/mL)誤差(mg/mL)相對誤差()10.8080.731-0.0779.5322.2232.2620.0391.7533.2333.2390.0060.1943.8393.8530.0140.3655.2545.4820.2284.3466.6696.495-0.1742.6177.2757.3850.1101.5188.0838.2250.1421.7699.7009.669-0.0310.32由表3看出1號樣品的相對誤差較大,其原因可能是由于樣品的濃度范圍跨度較大所致，但總體而言，模型的效果良好。3結(jié)論本文以傅里葉變換近紅外光譜技術(shù)為基礎,建立了膽酸定量分析模型。所得模型具有較高的準確性,預測誤差接近常規(guī)分析方法的誤差,可用于膽酸含量的快速檢測。同時,作為一種快速準確的定量分析手段,近紅外光譜技術(shù)具有很好的前景。參考文獻嚴衍祿，趙龍蓮，韓東海等.近紅外光譜分析基礎與應用M.北京：中國輕工業(yè)出版社,2005高娟，唐素芳，高立勤等.近紅外光譜法快速分析卡托普利片中卡托普利的含量J.天津藥學，2010，22(1)：9-11曹干，譚中文，梁計南等.蔗汁品質(zhì)成分的傅里葉變換近紅外分析數(shù)學模型J.中國農(nóng)業(yè)科學，2003，36(3)：254-