温控近红外光谱及相关的化学计量学方法研究

Temperature dependent near infrared (TD-NIR) spectroscopy will be studied based on the effect of temperature on the spectra. Works will focus on chemometric studies for extracting concentration- or temperature-related information from the spectra of the samples with different concentration measured at different temperature. Beside the chemometric algorithms of trilinear decomposition and multi-level simultaneous component analysis (MSCA), a mutual factor analysis (MFA) will be proposed and employed for the resolution of TD-NIR spectral data. With the concentration-related information, analytical methods for quantitative analysis will be developed and used in the analysis of mixture and real samples. The temperature-related information, which reflects the effect of temperature on the molecular structure, can be adopted to develop methods for structural or intermolecular interaction analysis. Mixtures of water, hexane, alcohols, and amines will be used for theoretical and chemometric studies, bio-molecules of peptides and proteins, host-guest systems of cyclodextrin and protein with different ligands will be employed for structural or intermolecular interaction analysis, and real samples of drugs and foods will be adopted for practical analytical methods. The project provides a new idea and strategy for developing analytical methods in near infrared spectroscopic studies, proposes a chemometric algorithm for resolution of analytical data, and may promote the advances in both theory and application of near infrared spectroscopy.

以简单混合物体系（水、正己烷、醇、胺）、生物分子体系（多肽、蛋白质）、主客相互作用体系（环糊精-小分子、蛋白质-药物）及实际复杂体系（药品、食品）为研究对象，基于近红外光谱的温度效应，发展温控近红外光谱技术。首先针对不同浓度样品在不同温度下的近红外光谱数据开展化学计量学方法研究。本项目拟提出并建立互因子分析（MFA）算法，同时利用三线性分解算法和多层次同时成分分析（MSCA）算法，开展温控近红外光谱数据的解析，得到数据中的浓度信息和温度效应信息。然后利用浓度信息建立定量分析方法用于混合物体系和实际复杂体系的定量分析；利用温度效应信息理解近红外光谱温度效应的实质，并开展构象分析和分子间相互作用分析等研究。本项目将发展近红外光谱分析的基础理论并建立具有创新性的近红外光谱分析新原理和新方法，所建立的化学计量学方法对推动近红外光谱的理论研究和实际应用均具有重要意义。

基于近红外光谱温度效应，发展了温控近红外光谱技术，建立了用于温控近红外光谱信息提取和信号解析的化学计量学算法，并在混合物体系、生物分子体系及实际复杂体系分析中得到应用。基于水的近红外光谱随温度的变化，建立了基于多级同时成分分析（MSCA）的定量分析方法，提出并建立了共因子分析（MFA）方法，提取了不同温度或不同浓度光谱中所含的共同光谱特征，并通过光谱特征的相对含量对温度或浓度进行了定量分析，实现了血清样本中葡萄糖含量的定量分析，为水溶液体系和生物体系的定量分析提供了新的途径和方法。建立了基于主成分分析（PCA）载荷旋转的混合光谱解析方法，对水-乙醇混合体系的温控近红外光谱进行了分析，得到了在混合溶液中水和乙醇的光谱信息，通过计算光谱和纯物质光谱的差异，可以得到水和乙醇在溶液中的结构信息以及二者之间的相互作用信息；建立了温控近红外光谱中“温度相关变量”的识别方法，通过“温度相关变量”可以实现不同溶液的识别，这些方法为溶液体系中相互作用分析和结构分析提供了新的手段。通过交替三线性分解算法（ATLD）、独立成分分析（ICA）、高斯峰拟合、多级同时成分分析（MSCA）、小波变换（CWT）、二维相关光谱等方法对有机分子、生物分子溶液、蛋白质水溶液等体系的温控近红外光谱进行了分析，考察了光谱的特征及随温度的变化，探索了生物分子对水结构的影响，研究了蛋白质二级结构的热变性过程，揭示了生物小分子的功能和对水结构稳定性的作用，发现水结构变化可以反映蛋白质的变性过程并且在蛋白质变性过程中起到重要作用。此外，还针对近红外光谱分析中变量选择、模型转移、定量模型等普遍性问题开展了研究工作，建立了新的变量选择和模型转移方法，利用银镜背景干扰低和反射强度高的特点，发展了近红外漫反射检测新技术，有效提高了近红外漫反射光谱的检测能力，为实现近红外光谱用于实际复杂体系分析提供了有效手段。