复杂多相体系拉曼光谱定量分析的化学计量学方法研究

拉曼光谱技术在复杂化学反应原位分析、制药过程实时监测以及生物医学分析等研究领域具有十分重要的地位。当待测体系为含固相组分的复杂多相样本时，其拉曼光谱绝对强度不但取决于待测组分的浓度，而且还与样本物理性质（如：细胞和固体颗粒的形状和大小）、入射激光功率、仪器光学系统参数以及测试条件（如：温度）等因素的变化有关，使得这种复杂体系的拉曼光谱定量分析变得十分困难。目前国际上尚没有能有效地解决这一问题的理论和方法。本课题的主要目的是建立复杂多相体系的拉曼光谱定量分析模型，并在此基础上发展新的策略和方法来消除样本物理性质、入射激光功率、仪器光学系统参数以及测试条件等因素变化对样本拉曼光谱的影响，从而实现复杂多相体系中待测组分含量的准确定量分析。本课题的最终成果是可用于定量分析含固相组分的复杂多相体系的拉曼光谱技术，可望为复杂化学反应原位分析、制药过程实时定量监测以及生物医学研究提供重要的研究工具。

本项目围绕复杂多相化学和生物体系的拉曼光谱定量分析基础理论和应用方面展开了深入的研究。主要研究成果如下：1）建立了拉曼光谱仪器光学系统参数和粉末样本物理性质（如：颗粒大小、堆积紧密度等）等因素变化与样本拉曼光谱强度变化之间的定量模型，实现了粉末样本的拉曼光谱准确定量分析；2）提出一种能将化学组分含量变化所引起的光谱贡献与样本物理性质变化所引起的光谱贡献进行有效分离的方法，Modified Optical Path Length Estimation and Correction（OPLECm），以解决复杂非均相混合物体系的准确光谱定量分析问题，实现了非均相混合物体系的准确光谱定量分析；3）首次提出了用于多探针光谱数据的校正模型，Multiplex Calibration Model（MCM），有效地消除了由于光纤探针光学性质不同所带来的光谱变化对定量分析结果的影响；4）为了解决浑浊体系中的散射物质对样本中液相组分的拉曼光谱定量分析结果准确度的影响，提出了乘子效应模型（Multiplicative Effects Model，MEM）来描述散射物质对样本拉曼信号的影响，成功实现了浑浊样本中的液相组分的准确拉曼光谱定量分析；5）提出了荧光定量模型来描述散射物质和吸收物质对非均相体系中荧光物质的荧光光谱的形状和强度的影响，实现了使用荧光指示剂Fura-2对浑浊体系中的游离钙离子的准确定量分析；6）为了克服现有光谱校正模型维护方法不适用于复杂体系、对数据的要求比较苛刻、以及不能应用于复杂多相化学和生物体系的在线监测等缺点，提出了两种用于维护复杂体系光谱校正模型预测能力的方法，Systematic Prediction Error Correction（SPEC）和Spectral Space Transformation (SST) ，以解决光谱校正模型在实际应用中其预测结果的准确度随光谱仪器或实验条件的变化而变化的普遍问题，实现光谱校正模型在同类仪器之间的共享，以及即使在实验条件发生变化的情况下长期使用的有效性；7）发展了新型SERS定量分析模型来描述SERS基底的物理性质以及激光光源变化对待测物质SERS信号的影响，实现了两个模型体系中待测物质的准确SERS定量分析。