一种基于红外光谱成像的液态样品的分子间相互作用表征方法技术

本发明专利技术提供了一种基于红外光谱成像的液态样品的表征方法。本发明专利技术利用薄膜截获待检测液体，干燥后使用显微红外光谱仪获取载体上待测样品的面红外光谱信息；通过对含多组分的待测样品的面红外光谱数据进行多组分分解、结合相对浓度的空间分布进行残差二维插值得到基线分布、扣除基线后对光谱进行优化，迭代上述步骤直至光谱稳定，最终得到待测物样品中各组分的修正光谱和残差；经过可视化处理，研究相互作用是否发生以及相互作用的发生机理。本发明专利技术解决了传统红外光谱受水信号干扰以及常规红外光谱无法区分不同类型的相互作用的问题，实现了具有一定普适性的包括但不限于水环境中各类化合物相互作用信息的提取。中各类化合物相互作用信息的提取。

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外光谱成像的液态样品的分子间相互作用表征方法


[0001]本专利技术属于红外光谱成像分析计算
，涉及一种基于红外光谱成像的液态样品的表征方法，尤其涉及一种基于红外光谱成像的液态样品的分子间相互作用表征方法。

技术介绍

[0002]生物大分子是构成生命的基础物质，在生物体水溶液环境中包括蛋白、多糖、核酸及脂质等生物大分子间发生的特异性或非特异性、可逆或不可逆相互作用是所有生物生命活动的基础。因此，对生物大分子相互作用的研究和分析在化学和生物学领域中都有着重要意义。在此前相关研究中，各种表征手段如荧光共定位、荧光能量共振转移(FRET)及表面等离子体共振(SPR)等被广泛使用，但这些表征方法对应的研究过程在原理、设计和操作上都较为复杂，仪器成本也相对较高。而傅立叶变换红光谱具有高检测灵敏度、高测量精度、高分辨率、测量速度快、散光低以及波段宽等特点。随着计算机技术的不断进步，傅立叶变换红光谱也在不断发展。该方法现已广泛地应用于有机化学、金属有机，无机化学、催化、石油化工、材料科学、生物、医药和环境等领域。
[0003]傅里叶变换红外光谱，简写为FTIR，是通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变化的方法来测定红外光谱，是一种将傅立叶变换的数学处理，用计算机技术与红外光谱相结合的分析鉴定方法。主要由光学探测部分和计算机部分组成。当样品放在干涉仪光路中，由于吸收了某些频率的能量，使所得的干涉图强度曲线相应地产生一些变化，通过数学的傅立叶变换技术，可将干涉图上每个频率转变为相应的光强，而得到整个红外光谱图，根据光谱图的不同特征，可检定未知物的功能团、测定化学结构、观察化学反应历程、区别同分异构体、分析物质的纯度等。
[0004]虽然利用傅里叶变换红外光谱可以简便地表征、获取生物大分子各个基团的振动信息，但传统红外光谱会受水的干扰，同时单一的红外光谱无法区分不同类型的相互作用。
[0005]因此，如何找到一种更为适宜的方式，克服傅里叶变换红外光谱存在的上述缺陷，更好拓宽傅里叶变换红外光谱使用范围的宽度和深度，已成为本领域诸多研究人员广为关注的焦点之一。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种基于红外光谱成像的液态样品的表征方法，特别是一种基于红外光谱成像的液态样品的分子间相互作用表征方法。本专利技术提供的表征方法，基于荧光共定位分析结合空间分布信息分析化合物性质的基础，结合红外光谱获得和分析更加全面的优点，间接解决了红外透射模式下液态样品难以表征的问题。
[0007]本专利技术提供了一种基于红外光谱成像的液态样品的表征方法，包括以下步骤：
[0008]1)采用薄膜负载待检测液体，干燥后，得到待测物，通过显微红外光谱仪，获取待测物的载体上待测样品的面红外光谱数据；
[0009]2)通过对待测样品的面红外光谱数据进行多组分分解，再结合相对浓度的空间分布，利用残差二维插值法，计算得到基线分布，再扣除基线，对光谱进行优化；
[0010]3)迭代步骤2)，直至光谱稳定，得到待测物样品中各组分的修正光谱和残差。
[0011]优选的，所述薄膜包括超薄薄膜；
[0012]所述薄膜的厚度为0.1～50μm；
[0013]所述薄膜包括聚合物薄膜和/或无机物薄膜；
[0014]所述待测样品包括多组分的待测样品。
[0015]优选的，所述干燥的方法包括冷冻干燥；
[0016]所述显微红外光谱仪的面红外扫描模式包括液氮冷冻条件下的红外透射模式；
[0017]所述多组分分解中，使用非负最小二乘法去拟合光谱曲线。
[0018]优选的，所述多组分分解后，得到分解完全的各组分二维浓度矩阵和三维残差矩阵；
[0019]所述二维浓度矩阵作为数据点分类的依据；
[0020]所述三维残差矩阵中包含了相互作用的信息。
[0021]优选的，所述结合相对浓度的空间分布具体为，对每个像素点，计算其在浓度空间的位置到原点的欧几里得距离，再得到所有像素点欧几里得距离的中位数距离，将小于中位数距离的点归类为基线所属；
[0022]所述残差二维插值法具体为，根据所述基线属性的样点作自然临近内插，对外围点作e指数为权重的外插，外插得到的基线值；
[0023]所述优化的具体过程包括，对原面红外光谱数据扣除基线处理后，进行第二次多组分数据分解，同样得到浓度分布；
[0024]以n组分浓度为坐标绘制各点在n维空间的分布，依据各点对各坐标轴的夹角归类；挑选小角度点作为对应组分代表，对其残差强度和浓度值进行基于最小二乘法的回归分析，依据斜率、拟合优度值和迭代步长，去修正光谱数据。
[0025]优选的，所述迭代具体为，将多组分分解、结合相对浓度的空间分布进行残差二维插值得到基线分布、扣除基线后再分解以及对光谱进行优化，四个步骤反复迭代，直至光谱稳定；
[0026]所述光谱稳定具体为，达到最大迭代次数或迭代前后的光谱差异度量值小于等于迭代阈值；
[0027]所述最大迭代次数为10～100次；
[0028]所述迭代阈值为10
‑3～10
‑6。
[0029]优选的，所述步骤2)具体包括以下步骤：
[0030]21)调取数据库中的纯组分的初始光谱，利用非负最小二乘法，将面红外光谱数据进行多组分分解，得到不同像素处对应的各组分浓度值；
[0031]22)对上述步骤得到的同像素处对应的各组分浓度值，求取相应的欧几里得距离，然后得到所有欧几里得距离的中位数值，依据该中位数值进行归类，对于欧几里得距离小于该中位数值的像素点，被归为基线插值样点；
[0032]通过对上述基线插值样点的分解残差逐波数进行插值，得到整个样品平面上的光谱基线；
[0033]23)对面红外光谱数据去除上述步骤得到的光谱基线后，进行第二次数据分解，同样得到浓度分布；
[0034]以n组分浓度为坐标绘制各点在n维空间的分布，依据各点对各坐标轴的夹角归类；挑选小角度点作为对应组分代表，对其残差和浓度值进行回归分析，依据斜率、拟合优度值和迭代步长修正光谱；
[0035]所述小角度点的阈值小于等于π/4。
[0036]优选的，所述步骤3)后，还包括可视化处理步骤；
[0037]所述可视化处理步骤用于研究液态样品中各组分之间的相互作用是否发生和/或相互作用的发生机理。
[0038]优选的，所述可视化处理包括通过颜色标度映射图进行可视化处理；
[0039]所述研究的方式包括，根据颜色标度映射图判断是否存在或存在几种相互作用；
[0040]和/或，选取角度范围将不同种类相互作用对应的红外光谱分离出，进行机理分析。
[0041]优选的，所述可视化处理的具体步骤包括以下过程：
[0042]依据最后一次迭代得到的浓度数据，在XOY平面作C
A
～C
B
的点分布图，在极坐标系下重新考察每个数据点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于红外光谱成像的液态样品的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用薄膜负载待检测液体，干燥后，得到待测物，通过显微红外光谱仪，获取待测物的载体上待测样品的面红外光谱数据；2)通过对待测样品的面红外光谱数据进行多组分分解，再结合相对浓度的空间分布，利用残差二维插值法，计算得到基线分布，再扣除基线，对光谱进行优化；3)迭代步骤2)，直至光谱稳定，得到待测物样品中各组分的修正光谱和残差。2.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述薄膜包括超薄薄膜；所述薄膜的厚度为0.1～50μm；所述薄膜包括聚合物薄膜和/或无机物薄膜；所述待测样品包括多组分的待测样品。3.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述干燥的方法包括冷冻干燥；所述显微红外光谱仪的面红外扫描模式包括液氮冷冻条件下的红外透射模式；所述多组分分解中，使用非负最小二乘法去拟合光谱曲线。4.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述多组分分解后，得到分解完全的各组分二维浓度矩阵和三维残差矩阵；所述二维浓度矩阵作为数据点分类的依据；所述三维残差矩阵中包含了相互作用的信息。5.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述结合相对浓度的空间分布具体为，对每个像素点，计算其在浓度空间的位置到原点的欧几里得距离，再得到所有像素点欧几里得距离的中位数距离，将小于中位数距离的点归类为基线所属；所述残差二维插值法具体为，根据所述基线属性的样点作自然临近内插，对外围点作e指数为权重的外插，外插得到的基线值；所述优化的具体过程包括，对原面红外光谱数据扣除基线处理后，进行第二次多组分数据分解，同样得到浓度分布；以n组分浓度为坐标绘制各点在n维空间的分布，依据各点对各坐标轴的夹角归类；挑选小角度点作为对应组分代表，对其残差强度和浓度值进行基于最小二乘法的回归分析，依据斜率、拟合优度值和迭代步长，去修正光谱数据。6.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述迭代具体为，将多组分分解、结合相对浓度的空间分布进行残差二维插值得到基线分布、扣除基线后再分解以及对光谱进行优化，四个步骤反复迭代，直至光谱稳定；所述光谱稳定具体为，达到最大迭代次数或迭代前后的光谱差异度量值小于等于迭...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞汉青，钱晨，杜蒙，陈洁洁，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：