化学多维校正基础理论在复杂体系的若干创新性应用研究

摘要

随着以计算机应用为主要标志的信息时代来临，现代分析化学经历了仪器化、计算机化、智能化、信息化等各个阶段，发展成为一门建立在化学、数学、信息科学以及物理学等学科之上的综合性前沿学科。如今随着多通道分析仪器的推陈出新以及数据智能化的采集成为现实，现代分析化学正处于一个以量测数据多维化和海量化为特点的“数据海啸”阶段。作为分析化学的一门学科分支，化学计量学通过对复杂的分析量测数据进行解析与分辨，能够最大限度地提取获得有价值信息，进而为应对“数据海啸”这一难题提供了新的思路与强大的手段。化学多维校正与分辨是化学计量学理论体系中一个十分重要的领域范畴，也是当下分析化学学科中的热门研究方向之一。化学多维校正方法因拥有广为所知“二阶或高阶分析优势”，可以在有未知干扰存在的情况下实现对感兴趣分析物的同时检测分析，用“数学分离”增强甚至是代替经典的“物理或化学分离”。基于这一分析优势，化学多维校正算法能够和能产生多维数据的分析仪器有力结合，开发一系列具有快速、灵敏、绿色等优点的分析策略。迄今为止，该类分析策略已在国内外受到越来越多的关注与认可，并被普遍应用于食品、环境、制药及生命科学等各领域的定量分析研究中。本论文对化学多维校正的发展趋势与基础应用进行了细致调研与深入分析，结合不同分析仪器各自的功能与特性，秉承协同互补、绿色、通用与高效的理念，在分析仪器结合化学多维校正定量分析策略的发展和推广应用、精密仪器设备的精简、非线性多维量测数据解析方法的开发、数据融合分析优势的探索等方面进行了较为深入与系统的探索性研究。　　第一部分化学多维校正辅助液相色谱-二极管阵列检测策略用于食品和生物体系中多目标分析物的精准定量分析　　第2章，提出了采用基于交替三线性分解(ATLD)算法的化学多维校正方法辅助HPLC-DAD分析策略用于不同种类饮料中多类食品添加剂的同时快速定量分析。在对饮料样本进行了简单的预处理步骤后，可以直接将包含有不同未知干扰物的饮料样本注入色谱系统中进行分析。凭借ATLD算法的“二阶优势”，即使真实饮料体系中存在众多复杂的未知干扰物与感兴趣分析物共流出，方法依然能够实现对食品添加剂的快速灵敏定量分析。真实饮料样本的预测结果表明，我们所发展的策略简单、省时、灵敏及通用性强，并且避免了对饮料样本进行繁琐的样品纯化与提取等预处理步骤。此外，为进一步检验所提策略的准确性，将本方法获得的分析结果与经典HPLC-UV方法所得结果进行了对照比较，统计学测试证明两种方法的分析结果之间几乎不存在显著性差异，并且所提方法获得的定量分析结果更加精准。这些优点进一步表明所发展的方法有望成为饮料中多类食品添加剂的快速灵敏分析以及食品质量评估的有力工具。　　第3章，发展了一种新颖的化学多维校正方法与HPLC-DAD相结合的分析策略用于人体尿液中8种生物活性小分子化合物的精准定量分析。该方法采用短C18反相色谱柱进行目标分析物的色谱分离，并且使用简单的色谱等度洗脱模式，在6.0min内将8种目标分析物快速洗脱出来。选取了交替三线性分解(ATLD)和多元曲线分辨-交替最小二乘(MCR-ALS)两种著名的化学计量学算法对采集的多维数据进行解析。归因于多维校正算法拥有的“二阶优势”，所发展的ATLD与MCR-ALS策略均不受重叠色谱峰与复杂尿液背景的影响，且都解析获得了8种小分子化合物准确的定性定量信息。此外，将两种化学计量学方法得到的定量分析结果与经典的HPLC-UV方法得到的结果进行了比较，两类方法的分析结果具有良好的一致性。同时，相较于经典的HPLC-UV方法，所发展的方法具有选择性和灵敏度更高、色谱运行时间更短以及色谱洗脱条件更简单等额外的分析优势。最后，ATLD与MCR-ALS两种算法在适用性与灵活性上略有不同，这也为不同类型数据的解析提供了方法选择的参考依据。所提策略快速、灵敏、环保和经济，有望成为一种检测尿液中小分子化合物或诊断及监测相关疾病有前景的分析手段。　　第二部分基于化学多维校正方法的液相色谱-单级质谱分析策略用于复杂食品基质中多目标物的快速灵敏检测　　第4章，提出ATLD算法辅助LC-MS的智能分析策略用于婴幼儿奶粉中7种雌激素的同时分析。该分析策略借助于ATLD算法优异的“数学分离”特性来代替传统的二级质谱技术，避免了繁杂冗长的质谱参数优化过程，并降低了对高成本精密分析仪器的依赖性。在简单的梯度洗脱程序下，7种雌激素化合物在7.0分钟内完成洗脱，并通过质谱仪全扫描模式进行检测。借助算法的“二阶优势”，尽管真实奶粉样中存在未知干扰与严重的色谱峰重叠，该策略依然可以解析得到7种雌激素准确的色谱、质谱轮廓以及相对浓度信息。7种雌激素在两种婴幼儿奶粉中的平均回收率范围为91.2-104.2%，标准偏差低于12.5%，检测限范围为0.07-2.49ngmL-1，能满足对真实婴幼儿奶粉的检测要求。此外，为进一步验证该策略的准确性，将ATLD方法辅助LC-MS分析策略得到的定量分析结果与基于二级质谱的MRM方法所得结果进行了分析比较，统计学测试证明两种方法对雌激素的预测结果之间不存在显著性差异。本章所发展的方法具有快速、精准、成本低、灵敏度高等优点，可用于婴幼儿奶粉中多种雌激素的快速定性定量分析。　　第三部分化学多维校正用于非线性多维量测数据的精准解析及数据融合方法的开发与分析优势的探索性研究　　在长期的过程分析或基于不同荧光分析仪器的定量分析中，获取的荧光信号可能会随着仪器内部构造的改变或外界环境条件的变化而产生波动，导致采集信号的不稳定甚至是改变。上述问题会给多维校正方法定性定量预测结果的准确性带来不良影响。基于此，在第5章，提出了一种化学计量学辅助校正转移的分析策略用于解决在不同荧光仪上记录的荧光信号不稳定和变化的问题，进而维持算法的“二阶优势”，并随后将该策略用于环境样本中三种农药的同时快速分析。模拟数据与真实数据的结果证明，本章所提策略可以代替繁琐的重校正策略并解决不同仪器记录的荧光信号不稳定和变化的问题，并且在有严重荧光信号峰重叠和干扰物质共存的情况下实现对环境样本中三种农药的快速灵敏分析。该方法有望成为一种环境样本或相关食品中农药的快速检测以及长期过程分析有前景的分析手段。　　第6章，提出一种新颖的单级质谱全扫描四重碎裂电压与化学计量学方法相结合的分析策略，用于水样中4种雌激素以及人体尿液中8种小分子化合物的快速定量分析。通过采用全扫描模式实时四重碎裂电压策略，保证了每个分析物能够在最优的质谱电离条件下电离与检测，极大地提高了方法的选择性与灵敏度，并避免了后续化学计量学分析中对多种不同分析物进行硬色谱分割。此外，还对不同碎裂电压下记录的LC-MS数据进行了融合和分割，并使用基于ATLD算法的多维校正方法对融合和分割LC-MS数据分别进行解析。实验结果表明，算法基于对融合数据的解析得到的大多数分析物灵敏度更高、定量结果更为准确，而算法基于对分割数据的解析得到的某些化合物选择性更高。最后，所发展的方法和基于单碎裂电压的化学计量学LC-MS分析策略相比，所提方法分析物的灵敏度更高且定量结果更为可靠，此外该方法还被证明具有和基于二级质谱的MRM方法相当甚至是更优异的分析性能。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 化学计量学引论

1.2 化学多维校正基础理论

1.2.1 校正理论

1.2.2 分析仪器响应数据类型

1.2.3 一维校正

1.2.4 二维校正

1.2.5 三维校正

1.2.6 四维校正

1.2.7 更多维校正

1.3 化学多维校正的定量分析研究

1.4 化学计量学发展趋势

1.5 本学位论文的研究工作

第 2 章 化学计量学结合高效液相色谱二极管阵列检测用于快速灵敏检测饮料中多类食品添加剂

2.1 前言

2.2 理论部分

2.2.1 三线性成分模型

2.2.2 交替三线性分解算法

2.2.3 定量分析

2.2.4 分析品质因子

2.3 实验部分

2.3.1 化学试剂与药品

2.3.2 饮料样本制备

2.3.3 校正集与预测集的制备

2.3.4 色谱仪器和条件

2.3.5 经典 HPLC-UV 色谱方法对照

2.3.6 数据分析

2.4 结果与讨论

2.4.1 色谱分析方法的建立

2.4.2 样本预处理条件的优化

2.4.3 色谱分析的综合考虑

2.4.4 二阶校正算法的应用

2.4.5 方法验证

2.4.6 与经典 HPLC-UV 方法结果对照

2.4.7方法在多种饮料中的应用

2.5 小结

第 3 章 化学计量学结合 HPLC-DAD 数据快速灵敏定量人体尿液中8种生物小分子

3.1 前言

3.2 理论部分

3.2.1 三线性成分模型

3.2.2 交替三线性分解算法

3.2.3 多元曲线分辨-交替最小二乘算法

3.2.4 分析品质因子

3.3 实验部分

3.3.1 试剂与溶液

3.3.2 样品制备

3.3.3 仪器设备与操作

3.3.4 经典 HPLC-UV 分析

3.3.5 数据分析

3.4 结果与讨论

3.4.1 色谱分析的初步考虑

3.4.2 色谱数据的预处理

3.4.3 方法验证

3.4.4 尿液中 8 种生物小分子的分析

3.4.5 两种化学计量学算法的评估与比较

3.4.6 经典 HPLC-UV 方法验证

3.4.7 其他尿液样本的分析

3.5 小结

第 4 章 化学计量学辅助液相色谱全扫描单级质谱用于婴幼儿奶粉中多种雌激素的快速定量分析

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 化学试剂与药品

4.2.2 样品制备

4.2.3 LC-MS 分析

4.2.4 理论与方法

4.2.5 软件与程序

4.2.6 安全考虑

4.3 结果与讨论

4.3.1 质谱条件的优化

4.3.2 奶粉样本预处理条件的优化

4.3.3 应用二阶校正算法

4.3.4 方法验证

4.3.5 基体效应

4.3.6 经典质谱方法对照

4.3.7 其他婴幼儿奶粉样本的分析

4.4 小结

第 5 章 化学计量学辅助校正转移策略用于环境样本中三种农药的测定：解决信号不稳定并维持二阶优势

5.1 前言

5.2 理论部分

5.2.1 三线性成分模型

5.2.2 自加权交替归一化残差拟合算法

5.2.3 分段直接标准化

5.3 实验部分

5.3.1 模拟荧光数据

5.3.2 真实荧光数据

5.4 结果与讨论

5.4.1 模拟荧光数据的解析

5.4.2 真实荧光数据的评估

5.4.3 真实荧光数据的解析

5.4.4 经典的 HPLC-FLD 验证

5.5 小结

第 6 章 探索数据融合和数据分割的优势：化学计量学分析液相色谱单级全扫描四重碎裂电压质谱数据

6.1 前言

6.2 理论部分

6.2.1 三线性成分模型

6.2.2 交替三线性分解算法

6.3 材料与方法

6.3.1 化学试剂

6.3.2 样本制备

6.3.3 LC-MS 分析

6.3.4 数据预处理

6.3.5 软件与程序

6.4 结果与讨论

6.4.1 数据类型与算法选择

6.4.2 LC-MS 数据的综合考虑

6.4.3 实验体系Ⅰ的分析

6.4.4 实验体系Ⅱ的分析

6.4.5 经典 MRM 方法对照

6.5 小结

结 论

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文

致 谢