一种生物制品近红外模型转移方法技术

本发明专利技术涉及属于生物血液制品生产过程质量控制技术领域，涉及一种生物制品近红外模型转移方法。本发明专利技术采用Rank‑SPXY校正样本集划分方法，在此基础上，结合模型转移的PRS算法实现了不同分辨率不同波长点数主辅仪器的模型转移，建立了用于定量预测的偏最小二乘回归(partial least squares regression，PLSR)模型。形成了Rank‑SPXY‑PRS的模型转移策略，并成功用于生物制品生产血浆醇沉过程中总蛋白的含量测定研究。

A near infrared model transfer method for biological products

The invention relates to the technical field of quality control in the production process of biological blood products, and relates to a near infrared model transfer method for biological products. The method adopts Rank_SPXY calibration sample set partition method, and on this basis, combined with PRS algorithm of model transfer, realizes model transfer of main and auxiliary instruments with different resolution and different wavelength points, and establishes partial least squares regression (PLSR) model for quantitative prediction. The model transfer strategy of Rank_SPXY_PRS was developed and successfully applied to the determination of total protein in plasma alcohol precipitation of biological products.

【技术实现步骤摘要】
一种生物制品近红外模型转移方法
本专利技术涉及属于生物血液制品生产过程质量控制
，涉及一种生物制品近红外模型转移方法。
技术介绍
近红外光谱(NearInfraredSpectroscopy，NIRS)是介于可见光(Vis)和中红外(MIR)之间的电磁辐射波，美国材料检测协会(ASTM)将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域，是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。作为广泛使用的过程分析技术(ProcessAnalyticalTechnologies，PAT)工具，近红外光谱分析技术由于快速无损，环境友好型等特点，在制药、食品，农业领域的具有潜在的应用价值，可实现含量测定、无损定性分析，更在现场检测，在线控制等功能。近红外光谱分析法的一般应用流程为光谱采集、光谱预处理和模型的建立。傅立叶变换近红外光谱仪(FT-NIR)是实验室中常用的分析型的近红外光谱仪，其有着精确度高，重复性好，分辨率高等优点，然而与之相应的是较高的设备使用和维护成本，且较难应用于现场检测。近几年来，随着现场检测、在线生产工艺条件的要求，微型便携式的近红外光谱仪器发展迅速，例如微型近红外光谱仪(MicroNIR1700)，其主要特点就是体积小，价格较便宜，与FT-NIR相比灵敏度低，波段范围窄，准确性相对差一点。一个稳健的模型的建立过程是十分复杂和繁琐的，并且成本高昂。近红外的模型转移技术(calibrationtransfertechnology)是在现代近红外光谱分析技术的应用过程中为不断提高模型的适用性而发展起来的一项新技术，其目的是将在一台仪器上建立的校正模型稳健的移植到其它同类型或不同类型的仪器上使用，从而提高模型的适用性或提高同台仪器所建模型的精度。众所周知，在光谱采集过程中，仪器的稳定性存在多个影响因素，这些影响因素将直接影响到模型的适用性能。同时建立近红外校正模型时往往需要测量大量样本的化学值或基础性质作为数据基础，投入大，成本高，因此使用模型转移技术实现模型共享和有效利用非常必要。模型转移可克服样本在不同仪器上的量测信号(或光谱)间的不一致性，通过信号处理以消除仪器对量测信号的影响，不仅使已有模型具有较好的动态适应性,而且可以减少因重复建模造成的人力、物力、财力以及时间的浪费。且先前更多的研究都是同一厂家的仪器模型转移，因仪器内部结构相似，难度不大。不同厂家仪器的模型转移研究涉及少，内部结构差距大，转移后用于验证的样本量很大等难点。这也是使用者一般不轻易换厂家的原因，最近这些问题已引起人们的广泛关注。模型转移是以高精度的分析型近红外光谱仪为主仪器(masterinstrument)，以便携式微型近红外光谱仪为辅仪器(salveinstrument)。目前模型转移算法主要有2大类:有标样算法和无标样算法。有标样算法须选择一定数量的样本构成标样集，同时在主仪器和从仪器上分别测得样本的光谱信号，找出函数关系，如DS(directstandardization)算法、PDS(piecewisedirectstandardization)算法、PRS(piecewisereversestandardization)算法和Shenk's算法等。无标样算法即不需要任何样本，主要以FIR(finiteimpulseresponse)算法为代表。通过这些算法可以将一台仪器上建立的模型可靠的移植到其他仪器上使用，或者将某一条件下建立的模型适用于同台仪器的其他条件下的光谱数据，同时通过此算法对光谱数据不断修正，去除样本中的异常值，消除仪器变动和环境等因素引起的仪器光谱数据的漂移，然后再对修正后的光谱数据建模，从而提高模型的预测准确度和精度。本文涉及的模型转移算法为PRS，是基于PDS算法改写而来，即将主仪器(FT-NIR)的光谱转移成辅仪器(MicroNIR1700)的光谱。由于两种仪器之间的波长数及数据点数不同，在模型转移前，需要选取适当的校正样本参与光谱转移和建模。理想的校正集应满足以下几个条件：(1)样本光谱特征及性质范围应能涵盖未知样本的光谱特征；(2)样本的物化参数应该是均匀分布的。但在实际测量过程中，样本的成分含量分布不是均匀分布的，而是呈正态分布，高成分和低成分含量的样本较少，中间含量的样本相对集中。若这些样本不加选择直接参与校正模型的建立，预测时可能产生回归预测结果趋向中心值效应(Dunneeffect)。常用的校正集选择方法有Samplesetpartitioningbasedonjointx-ydistance(SPXY)、KennardStone(KS)和Rank-KennardStone(Rank-KS)。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种生物制品近红外模型转移方法。本专利技术采用Rank-SPXY校正样本集划分方法，在此基础上，结合模型转移的PRS算法实现了不同分辨率不同波长点数主辅仪器的模型转移，建立了用于定量预测的偏最小二乘回归(partialleastsquaresregression，PLSR)模型。形成了Rank-SPXY-PRS的模型转移策略，并成功用于生物制品生产血浆醇沉过程中总蛋白的含量测定研究。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术目的之一，提供一种生物制品近红外模型转移方法，包括以下步骤：(1)分别主仪器和辅仪器采集生物血液制品生产中的血浆醇沉过程中总蛋白原始样本的NIR光谱；(2)使用Rank-SPXY方法对所获得的样本光谱进行校正集的选择，其中校正集用于定量模型的建立，验证集用于验证模型的预测能力；(3)利用PRS算法对采集的FT-NIR光谱进行模型转移，将FT-NIR光谱转移成同MicroNIR1700同波长区间的光谱，并与MicroNIR1700的原始光谱进行拟合对比；(4)进行光谱预处理；(5)建立PLSR模型；(6)对近红外校正模型转移后的预测效果进行评价分析。本专利技术通过对参与模型转移的校正样本进行选择，并结合PRS算法进行光谱转移，使建立的模型更加稳定可靠。采用Rank-SPXY方法划分校正集与验证集，与已有方法KS，SPXY和Rank-KS相比，该方法划分的样本集空间分布比较合理，且利用建立的PLSR模型评价参数也证明了该方法的优越性。本专利技术对模型转移PRS算法的光谱窗口宽度进行探讨，发现选择窗口宽度为7。本专利技术通过对比一阶导数(FD)，二阶导数(SD)、平滑(Smoothing)、标准归一化(SNV)、多元散射校正(MSC)和标准化(autoscale)单独或组合运用对光谱预处理光谱转移后的PLSR模型性能参数的影响，发现采用Rank-SPXY的校正样本划分方法+一阶导数+SG15点平滑+标准化组合方法预处理后所建立的模型预测能力较好。本专利技术将模型转移后的PLSR模型同原始FT-NIR光谱建立的PLSR模型和原始MicroNIR1700光谱建立的PLSR模型进行对比，模型转移后光谱的质量和模型的预测能力都有所提高。本专利技术目的之二，提供一种近红外光谱分析模型，所述模型由以上方法建成。本专利技术目的之三，提供所述近红外光谱分析模型在生物血液制品生产中的血浆醇沉过程中总蛋白含量测定中的应用。本专利技术的有益效果为：本专利技术一种生物制品近红外模型转移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物制品近红外模型转移方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别主仪器和辅仪器采集生物血液制品生产中的血浆醇沉过程中总蛋白原始样本的NIR光谱；(2)使用Rank‑SPXY方法对所获得的样本光谱进行校正集的选择，其中校正集用于定量模型的建立，验证集用于验证模型的预测能力；(3)利用PRS算法对采集的FT‑NIR光谱进行模型转移，将FT‑NIR光谱转移成同Micro NIR 1700同波长区间的光谱，并与Micro NIR 1700的原始光谱进行拟合对比；(4)进行光谱预处理；(5)建立PLSR模型；(6)对近红外校正模型转移后的预测效果进行评价分析。

【技术特征摘要】
1.一种生物制品近红外模型转移方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别主仪器和辅仪器采集生物血液制品生产中的血浆醇沉过程中总蛋白原始样本的NIR光谱；(2)使用Rank-SPXY方法对所获得的样本光谱进行校正集的选择，其中校正集用于定量模型的建立，验证集用于验证模型的预测能力；(3)利用PRS算法对采集的FT-NIR光谱进行模型转移，将FT-NIR光谱转移成同MicroNIR1700同波长区间的光谱，并与MicroNIR1700的原始光谱进行拟合对比；(4)进行光谱预处理；(5)建立PLSR模型；(6)对近红外校正模型转移后的预测效果进行评价分析。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中近红外光谱采集参数为：所有主仪器光谱数据由AntarisIIFT-NIR光谱仪的透射模块进行原始近红外光谱的采集，将样本装载于内径为3-5mm的玻璃小管中；光谱的扫描范围为10000-4000cm-1，分辨率为6-10cm-1，扫描次数为30-34次，以空气作为参比，每小时采集一次背景。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中近红外光谱采集参数为：所有主仪器光谱数据由AntarisIIFT-NIR光谱仪的透射模块进行原始近红外光谱的采集，将样本装载于内径为4mm的玻璃小管中...

【专利技术属性】
技术研发人员：臧恒昌，聂磊，王佳月，孙钟毓，范加金，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37