一種全二維色譜分離的峰檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全二維色譜分離的峰檢測方法，屬于分析化學(xué)領(lǐng)域。該方法基于對原始一維分離色譜峰的峰檢測與二維分離平面上的峰重構(gòu)，完成全二維分離的色譜峰檢測。一維色譜峰的檢測，首先通過平滑和背景扣除等提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，預(yù)先定義色譜峰響應(yīng)區(qū)間的劃分數(shù)目，將原始色譜圖進行完整切割，基于響應(yīng)線與各色譜峰的交匯點，以及用戶定義的峰點數(shù)閾值和色譜的單峰特性，尋找色譜峰頂點與保留時間位置，并通過改變響應(yīng)劃分數(shù)目及其對峰檢測結(jié)果的影響，獲得最終一維峰檢測結(jié)果；二維分離面的峰重構(gòu)，則基于一維分離的峰檢測結(jié)果與實驗條件，包括調(diào)諧時間與采樣頻率，以及色譜峰在二維分離上的保留時間漂移量，融合符合預(yù)設(shè)條件的相鄰一維色譜峰，計算平均保留時間，記錄并輸出全二維分離的色譜峰檢測結(jié)果。
【專利說明】
一種全二維色譜分離的峰檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種全二維色譜分離的峰檢測方法，屬于分析化學(xué)領(lǐng)域。具體來說是 首先提出一種原始一維分離色譜峰的峰檢測方法，在此基礎(chǔ)上，重構(gòu)全二維色譜分離的二 維分布圖，定義色譜峰的二維漂移閾值，基于原始一維色譜峰與全二維色譜分離的關(guān)聯(lián)性， 計算二維峰保留時間，完成峰檢測。
【背景技術(shù)】
[0002] 全二維色譜分離（ comprehensive two-dimensional gas chromatography, GCXGC)最早由Giddings J. C?提出。與傳統(tǒng)一維色譜分離（1DGC)相 比，GCXGC的主要特點主要有二個：一是極性完全不同的二根柱子串聯(lián)（即非極性-極 性或極性-非極性），使得在第一維色譜柱上沒有完全分離的組份簇，由于色譜柱固定相 的分離差異，使得不能在第一維上完全分離的組份，可能在第二維柱上被完全分離開；二 是調(diào)諧器的使用，從第一根色譜柱流出的組份，先用液態(tài)C02進行冷卻（cooling)與捕獲 (trapping)，再以固定的調(diào)諧周期（P M)，將組份調(diào)諧成若干等時間餾分（fraction)，重新注 入（re-injecting)到第二維色譜進行分離，從而指數(shù)倍數(shù)地提高峰容量，且極大提高分離 的靈敏度。最后將所得到的原始一維色譜圖譜，依照具體實驗條件轉(zhuǎn)換成二維圖譜，即每個 色譜柱上的分離占用一維空間，以組份流出時間為坐標，繪出各組份的等高線圖形或不同 組份及背景圖像，可視化地清晰表征組份的流出與分離情況，借助圖像分析算法與化學(xué)計 量學(xué)方法，進行有效的數(shù)據(jù)分析與處理，以及結(jié)果評價。全二維色譜分離的優(yōu)勢非常明顯， 已經(jīng)非常廣泛地用于成份特別復(fù)雜的世紀體系研究中，比如中藥特別是含有多味單味藥的 復(fù)方，煙草，咖啡，代謝組學(xué)等等。
[0003] 全二維色譜分離所得到的數(shù)據(jù)，通常非常復(fù)雜，一方面是源于被分析體系復(fù)雜度 的提升，另一方面則是由該類型數(shù)據(jù)的本身特性所決定的（亦包括檢測器維度變化），比 如基于色譜峰調(diào)諧分析的原因，使得傳統(tǒng)分布在一維空間的組份，擴展到二維平面上，這顯 然極大地增大了數(shù)據(jù)處理的難度和復(fù)雜度，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量提高，去卷積，分類模式識別，正 交性，不同樣本間組份保留時間的漂移，二維圖像分析等，當然亦包括峰檢測。色譜峰檢測 是指在異常復(fù)雜的色譜分離體系中，快速、準確、智能地區(qū)分色譜峰信號與噪聲，提取峰組 份信息，這是組份定性定量分析的根本性問題。若通過化學(xué)計量學(xué)或數(shù)學(xué)的方法能便捷地 檢測出復(fù)雜組份，則借助圖像分析的方法，比如圖像識別，分割，模式分類，相似性評價等， 可能快速完成色譜峰或峰簇的保留時間獲取，漂移校正，甚至完整的定性定量分析問題， Leeo? Chroma 軟件亦在初步嘗試提供這方面的解決方案。
[0004] 傳統(tǒng)色譜峰檢測的方法主要包括導(dǎo)數(shù)方法及相關(guān)衍生方法，以及基于小波變換等 方法，但這些方法通常存在明顯缺陷，尤其針對異常復(fù)雜體系中的峰檢測問題。比如一階 導(dǎo)數(shù)法需要設(shè)置峰的起始斜率閾值以克服背景漂移，亦不適合于肩峰型重疊峰（只有一個 強峰極大點）的檢測，二階導(dǎo)數(shù)則抗噪聲影響的能力較弱，即使經(jīng)過濾波處理，殘存的微弱 噪聲亦會對峰檢測產(chǎn)生強烈影響。而研究者所提出的特異性針對全二維色譜分離中的峰 檢測方法，或在傳統(tǒng)一維峰檢測方法的基礎(chǔ)上所發(fā)展起來的全二維色譜峰檢測方法，比如 Watershed算法，Drain算法和基于概率計算的方法，均在不同程度上存在適應(yīng)性不強，計 算速度較慢，結(jié)果的準確有待提高等的問題。
[0005] 因此，發(fā)展新的全二維色譜分離的峰檢測方法，在全二維色譜分析中具有重要意 義，尤其基于峰檢測在色譜分析中所具有的重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種全二維色譜分離的峰檢測方法，該方法主要包括二個 步驟：首先通過平滑和背景扣除等方法提高色譜峰的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，用戶自定義一 個色譜峰響應(yīng)區(qū)間的劃分數(shù)目D_(即平均劃分響應(yīng)最小值到最大值的個數(shù)，如20)，完成 對原始色譜圖的平均切割，尋找到響應(yīng)線與各個色譜峰的交匯點，根據(jù)實驗條件和色譜峰 的可視化情況，用戶自定義色譜峰所應(yīng)包含峰點數(shù)的閾值（如5-10)，進而基于色譜的單峰 特性，尋找一維色譜分離中峰頂點與具體保留時間位置，以此作為初始的峰檢測結(jié)果。繼而 通過改變響應(yīng)劃分數(shù)目D_及其對峰檢測結(jié)果的影響，逐步優(yōu)化所得到的峰檢測結(jié)果，以獲 得最終的一維色譜峰檢測結(jié)果。其次，根據(jù)實驗條件，包括調(diào)諧時間（P M)及采樣頻率（f)， 轉(zhuǎn)換原始一維分離色譜數(shù)據(jù)到二維分離平面上，其中橫坐標為第一分離維度的保留時間， 表征混合體系組份在第一根色譜柱中的分離，縱坐標則為第二分離維度的保留時間，表征 組份在流出第一根色譜柱后，通過調(diào)諧進一步在第二根色譜柱中的分離情況。與此同時，通 過原始一維色譜分離所得到的峰檢測結(jié)果，包括被識別峰的保留時間和具體位置亦分別轉(zhuǎn) 換到二維分離平面上，獲得一維色譜峰在二維平面上對應(yīng)的重構(gòu)結(jié)果?；趯嶒灄l件和用 戶自定義的色譜峰在第二維分離上保留時間的漂移量（如P mA10-20))，融合符合預(yù)設(shè)條件 的相鄰一維色譜峰，計算平均保留時間，即可輸出全二維分離的色譜峰檢測結(jié)果。
[0007] 本發(fā)明所述的全二維色譜分離的峰檢測方法，包含如下創(chuàng)新點：
[0008] 1.色譜響應(yīng)維度的數(shù)據(jù)劃分，靈活度大，可以非常準確地識別重疊體系組份，特別 是依附在大色譜峰旁邊的小色譜峰，適應(yīng)性很強，可針對非常復(fù)雜的色譜體系進行準確峰 檢測；
[0009] 2.用戶自定義的參數(shù)設(shè)置，包括色譜峰響應(yīng)區(qū)間的劃分數(shù)目0_和色譜峰在第二 維分離上保留時間的漂移量，提高方法的適應(yīng)范圍，用戶可根據(jù)實際數(shù)據(jù)和實驗條件的情 況，動態(tài)與可視化地調(diào)節(jié)參數(shù)，最大化地獲得滿意的峰檢測結(jié)果；
[0010] 3.不依賴于色譜峰平滑和背景扣除的結(jié)果。盡管峰檢測使用這些方法提高數(shù)據(jù)質(zhì) 量，然而實際的峰檢測結(jié)果對這些數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的依賴程度很低；
[0011] 4.清晰的方法流程使得本發(fā)明所述的峰檢測方法，可得到快速實現(xiàn)，對編程的要 求較低。
[0012] 本發(fā)明與傳統(tǒng)的方法相比，優(yōu)越性明顯。首先無需進行求導(dǎo)運算，避開傳統(tǒng)方法對 一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的依賴，從而避開這些方法對峰檢測的不利影響；與此同時亦超越全 二維分離的針對性峰檢測方法，適應(yīng)性更強，結(jié)果準確可靠，且能較快地得到計算結(jié)果，使 得該方法具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0013] 圖1，全二維色譜分離的組份二維分布圖，以及本發(fā)明所述的原始第一維色譜峰劃 分，圖中橫坐標為第一分離維度的保留時間，縱坐標則為第二分離維度的保留時間。圖中不 同大小的灰度橢圓點則示意各單組份與重疊組份在二維平面上的平滑曲面，由各相鄰的第 二維分離組份插值平滑后構(gòu)成。圖中劃分A和B則分別表示組份在第一維上的分離，以及 第二維上的峰劃分。
[0014] 圖2,示意第二維上的色譜組份分離如何構(gòu)建圖中的灰色組份二維分布點，即圖中 所示的組份A和組份B是如何被構(gòu)造的。圖中的組份A和組份B分別由虛線、實線和點虛 線三根高斯曲線構(gòu)成，每條曲線分別表示該組份在經(jīng)過第一維色譜分離后，經(jīng)過第二維分 離所得到的色譜峰。即組份A很組份B分別由三條色譜峰組份曲線經(jīng)過平滑插值構(gòu)成。
[0015] 圖3, 一個實際復(fù)雜混合體系經(jīng)過全二維色譜分離后的一段原始一維分離色譜曲 線，即總離子流圖（total ion chromatogram)。
[0016] 圖4,圖3所示的原始一維分離色譜曲線，經(jīng)過二維重構(gòu)后所得到的二維平面圖。 圖3中所示的色譜峰是通過第一維色譜柱分離得到的峰簇，再經(jīng)過二維調(diào)諧與分離后得到 的峰信號，根據(jù)實驗條件調(diào)諧時間（P M)及采樣頻率（f)轉(zhuǎn)換成二維數(shù)據(jù)后，得到橫坐標表 征第一維色譜分離，縱坐標表征第二維色譜分離的圖4所示圖像。圖中示意了一個典型的 局部放大區(qū)域。
[0017] 圖5,圖4中所呈現(xiàn)的全二維色譜分離結(jié)果，經(jīng)過本發(fā)明所述的方法，所得到的峰 檢測結(jié)果。每個紅色點則表示一個被檢測到的二維色譜峰。圖中的局部放大區(qū)域亦對應(yīng)圖 4所示的局部放大區(qū)域。
【具體實施方式】
[0018] 實施例：以一個澳洲植物提取體系的分析為例，說明實施本發(fā)明所述的全二維色 譜分離的峰檢測及其結(jié)果。樣本的全二維色譜分離條件為：
[0019] 進樣量l.OyL;無分流進樣；進樣口溫度250°C ;載氣為He;GCXGC分析調(diào)諧溫 度-20°C ;1DGC分析數(shù)據(jù)采集頻率20Hz ;GCXGC分析數(shù)據(jù)采集頻率100Hz ;質(zhì)量掃描范圍 40-400amu。其它條件為：1DGC分析，流速1. 8mL/min ;程序升溫條件，起始溫度35°C，保持 2. 0min，3. 0°C /min 升至 210°C，再以 1. 5°C /min 升至 240°C，保持 20.0 min。GCXGC 二維調(diào) 諧周期（PM)為5. 0s ;調(diào)諧時間范圍1. 98-100min。
[0020] 圖1和圖2分別為全二維色譜分離的組份二維分布圖，以及第二維色譜組份分離 如何構(gòu)建圖中的灰色組份二維分布點。而圖3和圖4則分別為該實際復(fù)雜體系的一段原始 一維分離色譜曲線，以及原始一維分離色譜曲線，經(jīng)過二維重構(gòu)后所得到的二維平面圖。
[0021] 基于本方法所述的全二維色譜分離的峰檢測方法，首先采用移動平均平滑和線性 背景漂移校正處理原始數(shù)據(jù)，以提高組份信噪比；然后獲得校正后信號的最小與最大值， 設(shè)定初始〇_值為10,即將最小與最大值區(qū)間劃分為10等份進行原始一維色譜分離數(shù)據(jù)的 峰檢測；根據(jù)實驗條件，設(shè)置色譜峰所應(yīng)包含的譜峰點數(shù)閾值為6,進而找到劃分線與各個 色譜峰的交匯點，根據(jù)色譜峰的單峰特性以及所找到色譜峰交匯點的上升或下降趨勢，程 序找到色譜峰二側(cè)的對應(yīng)點，進而確定組份峰的流出位置；改變D_值的大小從5至20,重 復(fù)計算獲得一系列的組份峰流出位置及對應(yīng)的保留時間大小，根據(jù)本發(fā)明所述方法確定一 維色譜分離下的峰檢測結(jié)果；將原始一維分離色譜以及所得到的一維色譜峰檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換 到全二維分離平面上；設(shè)定同一色譜峰在第二維分離中的漂移最大閾值為0. 1秒，基于本 發(fā)明所述的第二維色譜分離峰融合方法，獲得各組份在二維平面上的峰檢測點，以及對應(yīng) 保留時間值。
[0022] 圖5為圖4所示實際數(shù)據(jù)的峰檢測結(jié)果。從圖中可以清楚看出，通過本發(fā)明所得 到的結(jié)果，準確性非常好，適應(yīng)能力強，適合復(fù)雜全二維分離體系中的峰檢測。
【主權(quán)項】
1. 一種全二維色譜分離的峰檢測方法，其特征在于包括以下步驟： a. 將原始一維色譜進行移動平均平滑和線性背景漂移校正，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量； b. 獲取色譜響應(yīng)最小值與最大值，定義響應(yīng)劃分區(qū)間數(shù)0_，均勻劃分最小值與最大值 所構(gòu)成的響應(yīng)區(qū)間； c. 根據(jù)實驗條件，定義規(guī)范色譜峰所應(yīng)包含的譜峰點數(shù)閾值，結(jié)合上述響應(yīng)區(qū)間劃分 內(nèi)的色譜交匯點與色譜峰的上升與下降趨勢，確定峰（組份）個數(shù)，以及各自的流出位置； d. 依照色譜單峰特性，確定并記錄各峰的保留時間； e. 改變上述第b步驟中響應(yīng)劃分區(qū)間數(shù)D_的大小，重復(fù)第b至第d步驟，直至相鄰二 個循環(huán)計算中第d步驟所得到的譜峰個數(shù)差異小于預(yù)先設(shè)定值為止（如1 % )，以其中的較 大者作為最終的譜峰個數(shù)，并輸入各色譜峰對應(yīng)的保留時間值； f. 根據(jù)全二維色譜分離的實驗條件，包括調(diào)諧時間（Pm)及采樣頻率f (Frequency)， 將各色譜數(shù)據(jù)點的原始一維色譜轉(zhuǎn)換為全二維分離的平面分布圖，橫坐標和縱坐標則分別 對應(yīng)第一和第二維分離，并將上述步驟識別所得的色譜峰保留時間對應(yīng)地轉(zhuǎn)換到二維平面 上； g. 基于色譜峰在二維分離平面中的一維連貫性，即若某二個Pm周期內(nèi)的二維色譜峰屬 于同一個一維色譜峰，則它們必定出現(xiàn)在相鄰的二個P m周期內(nèi)，定義同一色譜峰在第二維 分離中的漂移最大閾值，融合不同Pm周期內(nèi)的第二維分離色譜峰，輸出保留時間均值作為 該被檢測峰的實際保留時間。2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的色譜數(shù)據(jù)質(zhì)量提高，主要包括數(shù)據(jù)平滑和背景漂移的校 正，所能采用的方法則還分別包括中值濾波，懲罰最小二乘和Savitzky-Golay法，以及 airPLS和手動操作及其它們的聯(lián)用等，其目的在于提高數(shù)據(jù)信噪比，降低基線漂移對峰檢 測的負面影響。3. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的響應(yīng)劃分區(qū)間數(shù)0_及其在每個循環(huán)中的改變，依據(jù)一定 的線性變化步長進行，其目的在于： h. 靈敏地檢測和發(fā)現(xiàn)到多組份重疊色譜峰，尤其是與大色譜峰重疊的小色譜峰； i. 基于D_改變后所得峰檢測結(jié)果的差異程度，評價其穩(wěn)健性和可靠性程度，并最終 確定峰檢測結(jié)果。4. 根據(jù)權(quán)利要求書3所述的改變D _值以循環(huán)運算獲取峰保留時間和峰檢測結(jié)果，可 獲取所有目標峰在原始第一維上的整體分布。5. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的區(qū)分色譜峰與噪聲或信號擾動的譜峰點數(shù)閾值，可根據(jù)峰 的實際情況動態(tài)調(diào)節(jié)，并與色譜峰響應(yīng)值的劃分區(qū)間關(guān)聯(lián)。6. 根據(jù)權(quán)利要求書5所述的色譜峰響應(yīng)值的劃分，在于消除色譜峰值強度大小對峰檢 測的影響，即能快速識別高強度峰，亦可同等準確地檢測低強度和較低信噪比的小峰，尤其 可實現(xiàn)對重疊色譜峰的檢測。7. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的色譜單峰性，在不考慮峰變異和噪聲影響的情況下，色譜 峰應(yīng)有且只有一個峰頂點，在獲得色譜峰左右二側(cè)單調(diào)上升和單調(diào)下降曲線上任意二點的 情況下，可快速簡便地獲得峰頂點位置，進而獲得峰保留時間位置，完成一維色譜分離的峰 檢測。8. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的從第一維到第二維分離的峰轉(zhuǎn)換，直接基于每個調(diào)諧周期 的Pm時間內(nèi)，總共占用P MX f個數(shù)據(jù)點的原則計算得到。9. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的第二維分離上保留時間的獲取與峰檢測，以定義峰的漂移 閾值達到，該值可通過全二維色譜分離的實驗條件和可視化二維圖形直觀觀測得到，以完 成保留時間的計算和峰檢測。10. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的峰檢測，在全二維分離中可能存在色譜峰被截停的情況， 即反映在二維分離分布圖上，色譜峰未完全流出前即進入下一個調(diào)諧周期，預(yù)先對數(shù)據(jù)進 行整體性調(diào)節(jié)和移動即可正常完成峰檢測。
【文檔編號】G01N30/86GK105891397SQ201510039071
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月26日
【發(fā)明人】曾仲大, 陳愛明
【申請人】大連達碩信息技術(shù)有限公司