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《暨南大学》 2011年
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血清葡萄糖总胆固醇的FTIR/ATR光谱分析

谢军  
【摘要】:葡萄糖、总胆固醇是人体重要的生化指标,目前需要采用不同化学方法分别进行测定,需要化学试剂,会产生污染。本文采用傅立叶变换红外光谱(FTIR)结合衰减全反射(ATR)技术,建立无需化学试剂、直接快速同时测定上述指标的定量分析方法。 由于人体血液是含有多组分的复杂体系,直接测量样品的FTIR/ATR光谱时,光谱中含有各种物理噪音和待测指标以外其它组分的干扰,为了消除这些影响、有效提取待测指标的信息,必须研究和建立有效的化学计量学方法,这其中有很多重要的研究内容,如建模样品的选择与模型稳定性、光谱预处理模式的筛选、分析波段的优化等。 首先,将全体样品划分为用于建立模型的校正集和独立于建模过程的检验集,所有模型优选在校正集中进行,为了得到稳定可靠的模型,所有结果都是基于校正集中的多个定标集预测集划分得到的,并采用了一种新的定标集预测集的划分方法。其次,建立了基于Savitzky-Golay (SG)平滑和偏最小二乘(PLS)模型的光谱预处理和建模平台,可以大范围同时优选SG平滑模式与PLS因子数。第三,计算葡萄糖水溶液和去离子水的差谱,在指纹区域得到葡萄糖的吸收峰,基于这些吸收峰和多元线性回归(MLR)模型,提出血清葡萄糖分析的吸收峰扰动和吸收峰补偿两种离散波长选择方法。第四,采用移动窗口偏最小二乘法(MWPLS)分别建立人体血清葡萄糖、血清总胆固醇的连续优化模型,在此基础上做出改进,提出基于补偿波段和基于多波段组合的两种新的连续波长选择方法。第五,考虑到在样品浓度范围很宽的情况下,吸光度和浓度的分段线性模型更为合理,由此尝试建立了一种基于样品浓度范围的分段组合建模方法。最后,对独立的检验集进行模型检验。 主要结果如下: (1)将全体186个样品划分为校正集(124个样品)和检验集(62个样品),在校正样品集中,基于全谱4500-600 cm-1建立PLS的内部交叉检验模型,利用所得到的样品预测偏差,将校正样品集再划分为定标集(82个样品)和预测集(42个样品)共50次,后面所有模型都在50个定标集预测集划分上建立并优选。 (2)SG平滑模式由原来的117个扩充为406个,并构建全部SG平滑模式和PLS因子数的组合优选平台,在全谱4500-600 cm-1建立SG平滑PLS模型。得到血清葡萄糖分析的校正集预测均方根偏差(C-RMSEP)、校正集预测相关系数C-Rp分别为1.308 mmol/L,0.782,血清总胆固醇分析的C-RMSEP、C-Rp分别为0.723 mmol/L、0.823,结果都表明,SG平滑模式和PLS因子数的组合优选可以明显改善PLS模型的预测效果。 (3)基于葡萄糖水溶液和去离子水的差谱,在指纹区域得到葡萄糖的5个吸收峰为:1150、1103、1078、1034、991(cm-1)。关于血清葡萄糖分析的吸收峰扰动模型,得到最优模型的5个波长为:1140、1096、1084、1030、993(cm-1),相应的C-RMSEP、C-Rp分别为1.164 mmol/L、0.828=在最优吸收峰扰动模型的基础上补偿1个波长,得到最优补偿波长为1063cm-1,相应的C-RMSEP、C-Rp分别为0.981 mmol/L、0.893。扰动模型和补偿模型的建模效果明显优于全谱4500-600 cm-1上SG平滑PLS模型,并且,所使用波长点数分别只有5个、6个,大大减少了模型复杂性,也为设计小型血糖光谱仪提供了理论依据。 (4)血清葡萄糖分析采用基于MWPLS方法的补偿模型,得到最优波段组合为1389-908、2590-2544(cm-1),相应的C-RMSEP、C-Rp分别为0.753 mmol/L、0.931;血清总胆固醇分析采用基于MWPLS方法的多波段组合模型,得到最优波段组合为2924-2642、1749-1466、1277-991(cm-1),相应的C-RMSEP、C-Rp分别为0.356 mmol/L、0.951;建模效果都明显优于全谱4500-600 cm-1上SG平滑PLS模型,并且,也优于传统的MWPLS方法的结果。 (5)以血清葡萄糖分析的MWPLS模型为例,基于样品浓度范围建立分段组合模型。参考人体空腹血糖标准:小于6.11 mmol/L为正常、大于7.00 mmol/L为高血糖,分别建立低浓度(4.09-7.00 mmol/L)、高浓度(6.11-17.82 mmol/L)、全浓度(4.09-17.82mmol/L)3个模型,得到最优波段分别为1219-897、1165-910、1389-908(cm-1),相应的C-RMSEP分别为0.452、1.062、0.782(mmol/L)、相应的C-Rp分别为0.780、0.908、0.925。同时建立了基于上述3个模型的样品预测值的综合决策模型。 (6)以所得到的基于样品浓度范围的分段组合模型为例,在检验集中检验血清葡萄糖的模型预测效果,得到相应的检验集预测均方根偏差(T-RMSEP)、检验集预测相关系数T-Rp分别为0.720 mmol/L、0.953;血清总胆固醇则以基于MWPLS方法的多波段组合模型为例,在检验集中进行检验,得到相应的T-RMSEP、T-Rp分别为0.351 mmol/L、0.955.结果表明,血清葡萄糖、总胆固醇的预测效果都很好。
【学位授予单位】:暨南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:R341

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【参考文献】
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