復(fù)雜化學(xué)及生物過程原位實(shí)時(shí)光譜分析理論與應(yīng)用研究.pdf

1、近紅外(NIR)光譜、中紅外光譜等光譜分析技術(shù)是新型綠色高效分析技術(shù)，在化工、煙草、制藥、石油、環(huán)保等行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。在復(fù)雜化學(xué)與生物過程的監(jiān)測與控制中，通常要求取樣分析頻率在幾分鐘甚至是幾十秒鐘之內(nèi)。傳統(tǒng)的離線分析技術(shù)一般很難滿足這一要求。過程光譜分析技術(shù)具有分析速度快，很少需要預(yù)處理(甚至不需要樣品預(yù)處理)，以及適合與光纖技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時(shí)分析，已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用于復(fù)雜化學(xué)和生化過程的原位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與控制。但是在原位實(shí)時(shí)

2、在線檢測復(fù)雜化學(xué)和生化過程中所獲得的光譜信號與在實(shí)驗(yàn)室所獲得的光譜信號相比要復(fù)雜得多，不但包含有目標(biāo)化學(xué)物濃度變化的信息，而且還受到光纖探頭的光學(xué)性質(zhì)差異、待測體系的物理性質(zhì)以及測試條件變化的影響，因此有必要建立全新的性能更為先進(jìn)的光譜校正模型或?qū)ΜF(xiàn)有的光譜校正模型進(jìn)行改進(jìn)來從復(fù)雜的過程光譜信號中提取有用化學(xué)信息。
　　光譜校正模型一經(jīng)建立，通常希望其有效使用時(shí)間盡可能長。然而在實(shí)際應(yīng)用中，有很多情況可能會導(dǎo)致模型失效，尤其當(dāng)分析

3、對象為復(fù)雜多相體系、復(fù)雜的生物過程體系等時(shí)，類似問題尤為突出。此時(shí)若想實(shí)現(xiàn)其原位實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，涉及到模型轉(zhuǎn)移與維護(hù)的問題。在現(xiàn)階段，如何提高復(fù)雜化學(xué)和生物過程體系光譜定量分析結(jié)果的精確度，將成為當(dāng)前原位實(shí)時(shí)光譜分析技術(shù)研究和應(yīng)用的核心內(nèi)容。
　　本文發(fā)展了新型光譜校正模型和模型轉(zhuǎn)移新方法，并嘗試將這些新方法用于三元混合物模型體系的中紅外光譜數(shù)據(jù)、復(fù)雜生物過程的近紅外光譜數(shù)據(jù)、以及藥物片劑的近紅外光譜數(shù)據(jù)的定量分析，以提高原位實(shí)時(shí)光

4、譜定量分析結(jié)果的精確度。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1)復(fù)雜體系的原位實(shí)施光譜監(jiān)測中，由多通道傳輸光纖光譜記錄的光譜信號不僅包含化學(xué)成分含量變化的光譜信息，而且還包含光纖探頭光學(xué)性質(zhì)的差異所帶來的光譜貢獻(xiàn)。為此，本文提出了一用于定量分析由多個(gè)光纖探頭所獲得的復(fù)雜光譜數(shù)據(jù)的新型多通道光譜校正模型(Multiplex Calibration Model，MCM)。在MCM光譜校正模型中，為每個(gè)光纖探頭引入一個(gè)乘積因子來校正由該光纖探

5、頭的光學(xué)性質(zhì)差異而導(dǎo)致的光譜變化，然后利用本實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的“雙校正”策略(Dual Calibration Strategy)有效地消除其不利影響。本文將此新型光譜校正模型應(yīng)用于三元混合物模型體系的中紅外光譜數(shù)據(jù)的定量分析，并將其結(jié)果與正交信號校正(Orthogonal SignalCorrection，OSC)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換法(Standard Normal Variate，SNV)、多元散射校正法(Multiplicative S

6、cattering Correction，MSC)等常用多元線性校正模型相比具有更好的預(yù)測性能。
　　2)考察了MCM校正模型應(yīng)用于更為復(fù)雜的細(xì)胞發(fā)酵生產(chǎn)單克隆抗體的生物過程的細(xì)胞培養(yǎng)液中葡萄糖含量的近紅外光譜定量分析的可行性，并將其結(jié)果與建立在OSC、SNV、MSC方法處理后的近紅外光譜數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的各PLS校正模型的結(jié)果作對比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MCM具有更好的預(yù)測性能。
　　3)為維護(hù)所建立的光譜校正模型在測量條件或儀器

7、響應(yīng)性能發(fā)生改變的情況下的預(yù)測能力，實(shí)現(xiàn)光譜校正模型的長期有效性，本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)一種新型光譜模型維護(hù)方法.光譜空間變換(Spectral SpaceTransformation，SST)法，并將其應(yīng)用于一三元混合模型體系的多探頭中紅外光譜定量分析，以消除光纖探頭的光學(xué)性質(zhì)的差異所帶來的光譜變化對定量結(jié)果的影響。
　　4)將上述SST模型維護(hù)方法應(yīng)用于藥物片劑的近紅外光譜定量分析，以實(shí)現(xiàn)建立在一臺光譜儀器上的光譜校正模型能夠適用與另一