三维数据分析及其在色谱和荧光分析中的应用

论文摘要

化学计量学是一门新兴发展的化学学科分支。它运用数学、统计学、计算机科学等方法设计优化化学量测过程,并通过解析化学量测数据最大限度地获取化学及相关信息。分析手段的仪器化和化学体系的复杂化已成为现代分析化学的一个重要特征。化学计量学利用现代分析仪器所产生的庞大的量测信号,为复杂多组分化学体系的定性、定量分析提供了便利的研究手段。化学计量学二阶校正方法具有二阶优势,即使在未知干扰物共存下,依然能对复杂体系中感兴趣组分快速给出定量分析结果,可以解决传统的分离分析手段难以解决的问题,提高分析效率。化学计量学方法与现代分析仪器结合,以“数学分离”代替或者增强“化学分离”,显示出其快速、通用、可靠的特点。它将对各化学分支学科,其中特别是生物化学、食品化学、药物化学等学科带来较大的影响,为直接解决这些分支学科中的实际分析难题提供有力武器。本文作者通过利用LC×LC-DAD、HPLC-DAD及三维荧光光谱等现代分析仪器量测手段,结合化学计量学多维数据阵分析的新方法及新算法,在复杂多组分体系的定量分析方面进行了深入的研究。本论文主要涉及以下几个方面:1.高维量测数据中背景扣除新方法的研究（第二章）针对全二维联用色谱如LC×LC-DAD分析中的背景漂移问题,提出了一种扣除背景的新方法。该方法主要是基于三线性分解原理,对仪器响应数据进行交替三线性分解（ATLD）。在建模时,因样品包含背景漂移信息,如同其他样品组分,将背景漂移看作是一个组分或者因子来考察。该方法首先对原始数据进行三线性分解,然后提取背景组分的信息,并将其从原始数据中减掉,使得分析信号处于一平稳的基线上。同时考察背景漂移和分析组分的信息能明显提高数据质量。本章采用此方法分析了模拟数据以及实验数据中的背景漂移,结果表明该方法能有效地扣除LC×LC-DAD数据中的背景漂移,为进一步进行全二维色谱的定量分析奠定了良好的基础。该方法无需空白样品的分析,并且也无需事先知道样品组分的信息。2.复杂多组分体系的定量分析的研究（第三章-第六章）随着人们对食品质量与安全问题的日益关注,食品分析对检测方法的精确度、时效性要求越来越高,人们在不断地探索研究新技术并应用于食品检测。苏丹红并非食品添加剂,而是一种人工合成的红色染料,常作为一种工业染料,被广泛用于如溶剂、油、蜡、汽油的增色以及鞋、地板等增光方面。不幸的是,苏丹红常被作为增色剂添加入食品如辣椒粉中,严重危害人们的健康。本论文的第三章采用HPLC-DAD分析辣椒粉中苏丹红I和苏丹红Ⅱ,结合二阶校正方法对色谱量测数据进行解析。实验采用甲醇和0.5%（v/v）醋酸水溶液作为色谱条件,样品预处理简便快速。结果表明在辣椒粉中有未知干扰基质存在的情况下,采用二阶校正方法能对该混合物中的苏丹红I和苏丹红Ⅱ给出准确的色谱轮廓、光谱轮廓分辨以及满意的浓度预测。磺胺类（SAs）药物在奶牛业中的应用非常普遍。由于SAs在体内作用和代谢的时间比较长,在动物源性食品中容易残留,危及人体健康。论文的第四章采用HPLC-DAD检测与交替惩罚三线性分解（APTLD）算法相结合对牛奶中的磺胺类兽药残留进行了分析测定,尽管样品中组分分离不完全,并且存在大量干扰组分,但利用化学计量学二阶校正方法的“二阶优势”,仍然能对体系中感兴趣的磺胺组分给出准确的定量分析结果。化学计量学二阶校正方法的应用,为食品成分检测提供了新的检测途径。药物在体液中的分析是现代生物医学领域面临的一个重要问题,传统方法采用色谱分离技术来实现这一目的,通常情况下通过调整色谱柱或者色谱条件分离,但是在某些情况下完全分离是难于实现的,且体液中含有不可预测的基质及其他干扰物。糖皮质激素是由肾上腺皮质分泌的一类甾体激素,为维持生命所必需。超生理量的糖皮质激素具有抗炎、抗过敏和抑制免疫等多种药理作用,临床应用非常广泛。由于氢化可的松和波尼松龙两者结构相似,它们的光谱也很相似,色谱出峰时间接近,因此色谱分析很难达到完全分离。传统色谱分析方法大都需要内标,且其方法仅适合于尿液或者血液中氢化可的松或波尼松龙的测定。本论文的第五章采用甲醇和水作为高效液相色谱的分离条件对血浆和尿液中两种糖皮质激素氢化可的松和波尼松龙进行了同时快速测定,然后结合交替三线性分解（ATLD）算法解析色谱数据,结果满意。该方法无需采用内标,样品预处理简单。美托洛尔为第二代β1受体阻滞剂,临床上用于治疗各种类型高血压、冠心病、心律失常、甲亢等。针对荧光检测具有高灵敏度、高选择性以及检测成本低等特点,在第六章中我们利用美托洛尔的荧光特性,采用激发发射矩阵荧光结合三线性分解算法对美托洛尔的血药浓度进行了定量分析,实现了人血浆中美托洛尔的直接测定。该方法快速简便,无需繁琐的样品预处理,花费成本低廉,定量结果满意。为实现体液中美托洛尔的近实时快速分析打下了基础,为开展临床药理学研究及血药浓度监测提供了一种简便可靠的定量方法,对指导临床安全合理用药具有重要的意义。3.三维数据分析在药物动力学研究中的应用（第七章）研究药物与DNA的相互作用不仅对理解作用机制有很大意义,还可以指导新药的设计。然而,我们对药物小分子与DNA的相互作用机制知之甚少。本文第七章利用平行因子分析算法（PARAFAC）与荧光分析相结合,研究了吡柔比星（THP）、溴化乙锭（EB）与DNA的相互作用。采用PARAFAC处理可以很方便地得到激发发射光谱在不同的反应和平衡混合物中的相对浓度。从PARAFAC分析得到的光谱及浓度图表明,THP能竞争EB与DNA的结合位点,抑制EB和DNA的反应。分析结果表明,THP以嵌入方式与DNA发生相互作用,并且生成了不发荧光的络合物。这些结果对于进一步深入了解THP、EB与DNA作用时的竞争机制很有帮助。化学计量学方法的应用,使得研究药物与DNA的相互作用的直观解析成为可能。即使该混合物中存在着很复杂的化学平衡,也可以很方便地预测感兴趣的组分和DNA的相互作用机制。对有争议的药物小分子与DNA的作用机制的研究提供了有力的佐证,这对于进一步开展新型抗癌药剂的开发和抗癌机理研究具有重要的促进作用。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 化学计量学的发展

1.2 三线性成分模型

1.3 三线性分解算法

1.4 三维数据分析在复杂体系中的若干应用

1.4.1 三维数据分析在色谱分析中的应用

1.4.2 三维数据分析在三维荧光分析中的应用

1.5 本论文的研究工作

第2章三线性分解方法用于二维联用色谱数据中三维背景漂移的扣除

2.1 前言

2.2 理论部分

2.3 实验部分

2.3.1 模拟数据

2.3.2 实际LC×LC-DAD 数据

2.4 结果与讨论

2.4.1 模拟数据的分析

2.4.2 实际数据的分析

2.5 小结

第3章化学计量学二阶校正方法与HPLC-DAD 相结合用于辣椒粉中苏丹红的无干扰测定

3.1 前言

3.2 理论部分

3.2.1 三线性成分模型

3.2.2 自加权交替三线性分解（SWATLD）算法

3.2.3 品质因数

3.3 实验部分

3.3.1 主要仪器与试剂

3.3.2 色谱条件

3.3.3 样品处理

3.3.4 校正集和预测集

3.3.5 实际样品

3.4 结果与讨论

3.4.1 测试样分析

3.4.2 辣椒粉样品

3.4.3 品质因数

3.5 小结

第4章 HPLC-DAD 结合二阶校正方法测定牛奶中的四种磺胺类药物

4.1 前言

4.2 理论部分

4.2.1 三线性成分模型

4.2.2 交替惩罚三线性分解算法

4.3 实验部分

4.3.1 主要仪器和试剂

4.3.2 色谱条件

4.3.3 标准溶液制备

4.3.4 样品预处理

4.3.5 校正样

4.3.6 测试样

4.3.7 实际样

4.4 结果与讨论

4.4.1 实验条件的选择

4.4.2 线性范围

4.4.3 测试样分析

4.4.4 实际牛奶样品分析

4.5 小结

第5章交替三线性分解算法结合 HPLC-DAD 测定尿液和血浆中的糖皮质激素

5.1 前言

5.2 理论

5.2.1 三线性成分模型

5.2.2 交替三线性分解（ATLD）算法

5.2.3 品质因数

5.3 实验部分

5.3.1 主要仪器与试剂

5.3.2 色谱条件

5.3.3 标准溶液配制

5.3.4 样品处理

5.3.5 尿液中氢化可的松和波尼松龙的同时测定

5.3.6 血浆中波尼松龙的定量测定

5.3.7 尿液中氢化可的松的分析

5.4 结果与讨论

5.4.1 实验条件的优化

5.4.2 尿样中氢化可的松和波尼松龙的分析

5.4.3 血浆中氢化可的松的分析

5.4.4 尿液中波尼松龙的分析

5.4.5 品质因数分析

5.5 小结

第6章激发-发射矩阵荧光结合三线性分解算法测定血浆中的美托洛尔

6.1 前言

6.2 理论部分

6.2.1 三线性成分模型

6.2.2 平行因子分析（PARAFAC）算法

6.2.3 交替三线性分解（ATLD）算法（见第5章理论部分5.2.2）

6.2.4 因子数估计

6.2.5 品质因数

6.3 实验部分

6.3.1 主要仪器与试剂

6.3.2 参数设置

6.3.3 标准溶液配制

6.3.4 校正集和预测集

6.3.5 血药浓度测定

6.3.6 其他药物的影响

6.4 结果与讨论

6.4.1 测试集

6.4.2 血药浓度测定

6.4.3 其他药物对美托洛尔测定的影响

6.4.4 品质因数

6.4.5 方法精密度实验

6.5 小结

第7章平行因子分析算法结合荧光分析用于吡柔比星和溴化乙锭与 DNA 的相互作用研究

7.1 前言

7.2 理论部分

7.3 实验部分

7.3.1 试剂与溶液

7.3.2 主要仪器与计算程序

7.3.3 分析方法

7.4 结果与讨论

7.4.1 二维荧光分析

7.4.2 三维荧光分析

7.5 小结

总结

参考文献

致谢

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