混合物红外光谱分析的关键方法和技术ppt课件.ppt

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1、孙素琴清华大学化学系,复杂混合物红外光谱分析的关键方法和技术,中药等复杂混合物质量控制的难题,成分复杂多样，难以完全逐一分离并检测,指标成分,不够全面不能准确反映中药药效和质量难以鉴别药材产地等多种属性无法安全控制其他大多数成分检测困难检测方法复杂且检测成本过高缺乏定性分析而导致定量错误人为添加可改变指标成分含量,“先分离，后分析”的混合物分析路线,一般分析过程中首先要从混合物中分离出相应的纯组分，然而分离并不等同于分析。分离只是将混合物分解为不同部分，而各部分的结构和含量确定还需要多种分析方法相结合。对混合物进行分离，不可避免对原成分造成影响，分离所得物质与原始成分往往具有一定的差异。对混合

2、物进行分离，很难直接观察到各种成分共存时的相互作用。对混合物进行分离并对所有组分逐一分析，需要消耗大量的时间、人力和物力。,“先分离，后分析”的混合物分析路线,实际过程中研究者们往往只关注所感兴趣的一小部分分离产物，不能够得到混合物整体成分信息。如果提取分离方法不恰当，就无法得到待测样本中所含有的全部的目标成分，而且会在分离产物中混入其他杂质成分。,如果对于分离产物没有进行准确的定性分析，就可能将杂质成分与目标成分混淆在一起，影响定量分析的准确性。,中药成分信息的多维层次结构与合理分析原则,渐进式分析：从整体到部分，先定性后定量,有些信息只要粗略了解，有些信息必需细致分析,中药等复杂混合物质量

3、控制的合理路线,全部成分，指纹图谱,特定成分，定性定量,混合物分析：从整体到部分，层层深入,整体：完整样本，所有成分,部分：局部样本，特定成分,兔子血管壁（可见图像）,红外图像(化学图像),混合物分析：先定性后定量，准确无误,为什么选择红外光谱？,红外光谱是一种无需标记的分析技术，在没有先验知识的情况下即可使用；既可以同时获取混合物中整体成分信息，又可以对特定成分进行有针对性的检测。随着计算机与化学计量学技术的发展，红外光谱不仅可以对混合物成分进行详细的定性分析，还可以对特定成分进行相当准确的定量分析。红外光谱既可以对较大尺寸的混合物样品进行分析，也可以借助显微镜对纳克级的微小样品进行检测，还

4、可以研究宏观样本中微米级的局部区域。丰富灵活的采样技术使各种形态样品的红外光谱测试都可以做到简便、快速、无损，仪器通用，成本低廉，环境友好。红外光谱适合与其它分析技术联用，获得全面的样品信息。,“不分离，即分析”的混合物分析路线,简化步骤而节约时间和成本得到样本全部成分整体信息获取各种成分相互作用信息避免指标成分分析种种弊端,“边分离，边分析”的混合物分析路线,要对混合物进行全面准确的分析研究，应该遵循“从整体到部分，先定性后定量”的路线原则，在红外光谱的指导下，对混合物进行逐步分离与分析。红外光谱可以提供混合物整体成分信息，指导进一步的分离分析；红外光谱可以监督各步分离产物的成分，检查分离方

5、法的合理性，拣选含有目标成分的分离产物；红外光谱可以用于解析和确认各种分离组分的结构,“边组合，边分析”的混合物分析路线,对混合物进行分析研究，了解其构成与性质的联系，能够为得到具有更优异性质的混合物提供指导。在混合物组合过程中，红外光谱可检查原料的正确性及其纯度，避免错误原料和过量杂质的引入；可监控组合过程，及时发现组合过程中出现的异常，为过程工艺的优化提供信息；可对中间产物进行快速分析，避免不合格产物进入下一环节而导致不必要的损失；可对最终产物进行定性定量分析，检查其是否合乎相应的要求。,混合物的红外光谱,纯化合物,多组分混合物,混合物光谱,成分A光谱,成分B光谱,成分C光谱,混合物红外光

6、谱可以提供的信息,定性分析,整体样本/局部区域,整体成分,混合物红外光谱解析的三大难题,根源：成分复杂，谱图重叠,混合物红外光谱宏观指纹特征,Wavenumber/cm-1,Absorbance,同种官能团吸收峰相邻，重叠峰给出物质群组信息,邻、间、对二甲苯混合物,混合物红外光谱宏观指纹特征,邻二甲苯间二甲苯对二甲苯等体积混合物光谱加和,Wavenumber/cm-1,Absorbance,混合物光谱包含各组分特征峰,混合物红外光谱宏观指纹特征,Wavenumber/cm-1,Absorbance,特征峰表现与浓度和重叠程度有关,间二甲苯90%间二甲苯50%间二甲苯33%间二甲苯5%间二甲苯,

7、混合物红外光谱宏观指纹特征,Wavenumber/cm-1,Absorbance,邻、间、对二甲苯 1：1：1 2：1：1 1：1：2 1：2：1,成分种类或含量不同，混合物光谱不同,混合物红外光谱解析方法,混合物红外光谱解析的三大方法,多级红外光谱宏观指纹分析法,红外光谱三级鉴别法,Infrared Spectral Tri-step Identification,普通红外光谱,精密度，准确度，信噪比，分辨率,Wavenumbers/cm-1,Absorbance,CO2和H2O干扰扣除,重复性,二阶导数红外光谱,二阶导数红外光谱：葡萄糖/乙醇-水溶液,FTIR,12%乙醇,20 g/L葡萄

8、糖12%乙醇,60 g/L葡萄糖12%乙醇,100 g/L葡萄糖12%乙醇,Wavenumbers/cm-1,二维相关红外光谱,Original,Dynamic,2DCOS,二维相关红外光谱：葡萄糖/乙醇-水溶液,12%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,100 g/L葡萄糖12%vol乙醇-水,真伪阿胶：第一级鉴别,Wavenumbers/cm-1,Absorbance,东阿阿胶假阿胶,真伪阿胶：第二级鉴别,东阿阿胶假阿胶,真伪阿胶：第三级鉴别,假阿胶,东阿阿胶,v,混合物红外光谱解析的三大方法,多级红外光谱宏观指纹分析法,主体成分

9、解析官能团分析,脂肪,蛋白质,糖类,全脂奶粉（104）,奶粉的红外光谱,中药主体成分解析：蛋白质,羚羊角麝香水蛭相思子,Wavenumbers/cm-1,Absorbance,中药主体成分解析：蛋白质,1639,Wavenumbers/cm-1,2nd derivative,羚羊角麝香水蛭相思子,中药主体成分解析：油脂,火麻仁芥子莱菔子乌梅,Wavenumbers/cm-1,Absorbance,中药主体成分解析：油脂,火麻仁芥子莱菔子乌梅,特定成分解析标准品比较,A,B,C,乳糖,Wavenumbers/cm-1,Absorbance,特定成分解析标准品比较,特定成分解析标准品比较,Wave

10、number/cm-1,Absorbance,白鲜皮地骨皮桑叶银杏叶草酸钙,中药指标成分解析：黄连,Wavenumbers/cm-1,Absorbance,黄连药材盐酸小檗碱,中药指标成分解析：黄连,Wavenumbers/cm-1,2nd derivative,黄连药材盐酸小檗碱,中药指标成分解析：淫羊藿,Wavenumbers/cm-1,Absorbance,a.脱水淫羊藿素b.宝藿苷Ic.箭叶苷Bd.淫羊藿苷e.淫羊藿定Bf.淫羊藿定Cg.淫羊藿属苷Ah.意卡瑞甙Ci.山奈酚j.槲皮素,R=H,R=CH3,中药指标成分解析：淫羊藿,IR,HPLC,IR,HPLC,相对含量比较相对峰强度,

11、脂肪,蛋白质,糖类,全脂奶粉,低脂奶粉,脱脂奶粉,Wavenumbers/cm-1,Absorbance,相对含量比较相对峰强度,鹿茸鹿角鹿角霜磷酸钙,Wavenumber/cm-1,Absorbance,混合物红外光谱解析的三大方法,多级红外光谱宏观指纹分析法,数据库检索纯化合物数据库,五倍子药材样本在Sadtler谱库中检索结果,数据库检索混合物数据库,unknown sample,the 1st hit,模式识别-基本概念,模式识别（Pattern Recognition）就是分类。客观存在可以观察的事物，如果可根据一定规则进行相似性判别，都可称之为模式。模式识别就是通过特定方法将样本分

12、成有实际意义的类别。模式识别是人工智能技术的分支，它试图用计算机代替人工对各种模式进行描述、分类和决策，从中找出规律，达到识别事物的目的。,方法的选择,光谱比对某一样品与一系列参考光谱比较简单，易操作单个样品即可需要选择各种“数学过滤器”降低制样带来的影响,模式识别一组样品进行比较方法灵敏至少需要5个样品需要借助数学方法进行识别,数据预处理,原始量测数据,同一样本的不同性质,不同样本的同一性质,X为m个样本在n个变量处的测量值，比如测量m个样本在n个波数处的吸光度值而得到的红外光谱，也可以是m个样本中n种成分的含量。,数据预处理,不同样本的同一性质,中心化,自动调整,值域调整,数值归一化,模长

13、归一化,权重调整,相似性,方向余弦,相似性系数,相关系数,相似性越大样本间越相像,相似度量化相关系数,怀山药,不同产地山药与对照品的相关系数（1590-1390cm-1）,是不是相关系数比较,相似度量化模式识别,山药,基本原理,单组份定量（单波长定量）多组份定量（谱图重叠，全谱定量）A=K C,工作曲线法实例,根据中药配方颗粒的红外光谱确定其中辅料含量,不同糊精含量的丹参配方颗粒的红外光谱图a.0.0,b.9.97,c.20.55,d.29.81,e.39.82,f.49.80,g.59.62,h.100%,工作曲线法实例,相对峰强度的计算,峰强度的计算,工作曲线法实例,丹参配方颗粒,糊精,工

14、作曲线法实例,根据奶粉的红外光谱确定其中乳糖含量,决定系数,奶粉奶粉+乳糖乳糖,组分定量分析工作曲线,白扁豆药材,糊精,多元线性回归K矩阵与P矩阵主成分回归偏最小二乘回归,多组分定量分析,选择标准样品集：定标集、验证集其他方法获得参照值：HPLC、GC确定化学计量学的算法PCA 主成分分析（定性）PCR+-增强的主成分回归PLS1 偏最小二乘法（单组分）PLS2 偏最小二乘法（多组分）选择合适的光谱参数：范围、预处理模型评价：R2、SEE、SEP,Page 64,模型评价,定标集的决定系数R2判断一个定标集模型的好坏定标标准差SEE 反映定标集数据点标准偏差预测标准差SEP给出一个独立样本在标

15、准集中预测时所产生的误差,RSS=残差的平方和SYY=总的方差,组分定量分析多元校正,1700-900cm-1SNV+De-trending二阶导数,R2=0.992SEE=0.001806SEP=0.0001131,1600-900cm-1SNV+De-trending二阶导数,R2=0.997SEE=0.000572SEP=0.0000879,黄芩苷,绿原酸,双黄连粉针剂指标成分定量分析,分离提取过程丹参,95%醇提,丹参酮IIA,分离提取过程丹参,加水溶解,分离提取过程丹参,加水提取,分离提取过程丹参,加醇至70%,水苏糖,丹酚酸B,分离提取过程丹参,乙酸乙酯萃取,丹参酮IIA,水苏糖,

16、丹酚酸B,分离提取过程丹参,分离提取过程甘草,药材水提10%醇提20%醇提90%醇提100%醇提甘草苷,黄酮类成分增加糖类酸类成分减少,分离提取过程甘草,甘草药材,95%醇提物,95%醇提残渣,分离提取过程甘草,甘草药材,95%醇提物,总黄酮,甘草苷,乙酸乙酯萃取,分离提取过程甘草,甘草药材,95%醇提残渣,10%醇提物,10%醇提残渣,分离提取过程甘草,10%醇提物,60%醇沉沉淀,60%醇沉滤液,含糖醛酸（酯）的多糖,分离提取过程甘草,总皂苷,10%醇提物,60%醇沉滤液,甘草酸铵,加酸沉淀,分离提取过程甘草,甘草药材,残渣,皂苷,黄酮,多糖,红外光谱法用于中药等混合物分析的三大特性,快速

17、、简便、直接、无损、全面,红外光谱相对于色谱的优势,中红外光谱与近红外光谱的比较,研究成果,混合物红外光谱宏观指纹分析法中药和食品的红外光谱质量控制,SCI论文百余篇,中国发明专利3项,推荐参考文献,孙素琴,周群,陈建波中药红外光谱分析与鉴定化学工业出版社,2010.,Sun SQ,Chen JB,Zhou Q.et al.Application of Mid-Infrared Spectroscopy in the Quality Control of Traditional Chinese MedicinesPlanta Med,2010,76(17):1987-1996.,孙素琴,周群,秦竹中药二维相关红外光谱鉴定图集化学工业出版社,2003.,Thanks for your attention!,谢谢大家！,