拉曼光谱仪器标准化的算法研究及其在药品快检中的应用

摘要

近几十年来，拉曼光谱分析技术以其快速、高效、无损、前处理简单的优势备受广大分析者的亲睐。随着科技的进步，拉曼光谱仪器逐步走向现代化和智能化，然而仪器的多样性所导致系统误差的差异，给分析结果的准确判断带来了一定的挑战。本文拟消除拉曼仪器间不同系统误差所导致的光谱差异性来达到仪器标准化的目的，以期为提高光谱一致性，实现不同仪器间光谱数据库共享提供了新途径。
　　本文主要针对以下几个内容做了细致的研究:
　　1)选用美国材料与试验协会推出的几种可用于拉曼位移校正的标准参考物质和大量常见不同种类的市售药品，在3台拉曼仪器上采样，获得光谱数据，为后续的算法研究奠定基础。
　　2)针对不同仪器之间系统误差导致光谱差异性的问题，提出了峰选择优化结合多项式拟合的方法来消除仪器台间差。该方法通过利用几种标准参考物质的拉曼光谱数据拟合出一条位移校正曲线来消除仪器间的位移偏移。实验结果表明，该法能有效地消除仪器间系统误差，显著提高光谱一致性，高效的实现数据库共享。此外、大量的应用实例也验证了该法的有效性和实用性。
　　3)在一些标准参考物质无法获得的情况下，提出了基于移动窗口快速傅里叶交叉相关方法用于消除仪器台间差来达到对位移进行校正。该法无需进行峰选择，直接通过窗口范围内的两峰交叉相关所得的相似度最大值索引来找到峰位移偏移大小且最终形成一条位移校正曲线来消除光谱差异。实验结果表明，该方法能高效的消除仪器间系统误差，校正非线性的位移漂移。此外模式识别的结果也证实了该方法的有效性。
　　4)针对常见的仿制药冒充品牌药或进口药现象，将拉曼光谱技术结合化学计量学方法可以有效地解决此类问题，其中所使用的随机森林分类法，在参数优化后，可以有效的将不同仿制药厂家与品牌药厂家很好的分开，为拉曼光谱技术高效地用于药品快检领域提供了有力支撑。
　　本研究通过对所提的仪器标准化方法前后效果进行了考察，同时与现有方法进行了比较，结果表明所提方法应用结果更显得稳健、高效、准确。这主要得由于如下特点:①将洛伦兹函数有效地用于峰选择优化上，更精确的找出峰位，拟合的位移校正曲线更加可靠;②三阶多项式拟合的位移校正曲线可以校正非线性位移偏移的影响;③交叉相关无需峰选择，而移动窗口策略得到的路径更有代表性;④惩罚最小二乘对移动路径的拟合更能反映实际位移偏移情况。由此可见，对化学计量学方法的有效应用将在拉曼光谱仪器的普及和使用上起着至关重要的作用。

目录

声明

摘要

前言

第一章 概述

1 拉曼光谱原理、特点及应用

1．1 拉曼光谱原理简介

1．2 拉曼光谱技术特点和应用简介

2 仪器标准化研究现状与应用

2．1 仪器标准化意义

2．2 仪器标准化方法

2．3 仪器标准化应用

3 本课题研究目的和思路

第二章 基于峰选择优化和多项式拟合的仪器标准化方法建立

1 引言

2 理论与方法

2．1 小波变换峰检测

2．2 洛伦兹函数拟合

2．3 多项式函数拟合

3 模拟数据与样品数据

3．1 模拟数据

3．2 药品数据

4 仪器标准化方法应用实例

4．1 标准参考物质

4．2 药品

5 结果与讨论

5．1 标准参考物质个数选择

5．2 多项式阶数确定

5．3 与现有方法的比较

6 本章小结

第三章 基于移动窗口傅里叶交叉相关的仪器标准化方法建立

1 引言

2 理论与方法

2．1 基于移动窗口策略

2．2 快速傅里叶交叉相关确定位移偏移点数

2．3 惩罚最小二乘拟合位移校正曲线

3 实验数据

3．1 标准参考物质数据

3．2 药品拉曼光谱数据

4 应用实例

4．1 谱库检索

4．2 主成分分析判别

4．3 偏最小二乘线性判别分析

5 结果与讨论

5．1 窗口大小的选择

5．2 强度对分析的影响

5．3 仪器分辨率的影响

6 本章小结

第四章 拉曼光谱技术用于品牌药和仿制药的快检研究

1 引言

2 仪器与样品

2．1 仪器

2．2 样品

3 结果与讨论

3．1 数据处理方法

3．2 主成分分析

3．3 随机森林法

4 本章小结

结论

参考文献

附录

致谢

文献综述 拉曼光谱在药品快检领域的应用研究进展

作者简历