拉曼光谱检测糖皮质激素的方法研究.pdf

1、拉 曼 光 谱 检 测 糖 皮 质 激 素 的 方 法 研 究范 宇 华1，付 芸1，李 浩 然1，万 楚 琦2（1.长 春 理 工 大 学 光 电 工 程 学 院，长 春 1 3 0 0 2 2；2.长 春 理 工 大 学 空 间 光 电 技 术 研 究 所，长 春 1 3 0 0 2 2）摘 要：针 对 市 场 上 出 现 的 非 法 添 加 糖 皮 质 激 素 的 问 题，以 糖 皮 质 激 素 中 地 塞 米 松 和 氢 化 可 的 松 为 研 究 对 象，对 其 拉曼 光 谱 展 开 了 定 量 分 析。首 先，采 用 c o i f 3 小 波 基、3 层 分 解 的 小 波 硬

2、阈 值 法 去 噪。其 次，应 用 B E A D S 算 法 进 行 基 线 校正。再 以 3 1 的 比 例 划 分 训 练 集 和 测 试 集，用 连 续 投 影 法 提 取 了 4 个 拉 曼 特 征 波 数。最 后，基 于 R B F 核 函 数 建 立 支持 向 量 回 归 模 型 取 得 较 好 的 分 析 性 能，预 测 集 的 决 定 系 数（R P2）分 别 为 0.9 9 4 4 和 0.9 9 5 9，预 测 集 的 均 方 根 误 差（R M S E P）分 别 为 2.5 2 7 4 m g m L-1和 1.7 5 0 4 m g m L-1，可 见 模 型 的

3、预 测 准 确 性 较 高。实 验 证 明 拉 曼 光 谱 检 测 法 能 够 作为 一 种 精 准 检 测 糖 皮 质 激 素 浓 度 的 新 方 法。关 键 词：拉 曼 光 谱；糖 皮 质 激 素；支 持 向 量 回 归；定 量 分 析中 图 分 类 号：O 6 5 7.3 文 献 标 志 码：A 文 章 编 号：1 6 7 2-9 8 7 0（2 0 2 3）0 2-0 0 4 6-0 9R e s e a r c h o n t h e M e t h o d o f G l u c o c o r t i c o i d D e t e c t i o nb y R a m a n

4、S p e c t r o s c o p yF A N Y u h u a1，F U Y u n1，L I H a o r a n1，W A N C h u q i2（1.S c h o o l o f O p t o-E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g，C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2；2.I n s t i t u t e o f S p a c e O

5、 p t i c s T e c h n o l o g y，C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2）A b s t r a c t：I n r e s p o n s e t o t h e p r o b l e m o f i l l e g a l a d d i t i o n o f g l u c o c o r t i c o i d s i n t h e m a r k e t，d e x a

6、 m e t h a s o n e a n d h y d r o c o r t i s o n ea m o n g g l u c o c o r t i c o i d s w e r e s t u d i e d a n d t h e i r R a m a n s p e c t r a w e r e q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d.F i r s t，t h e w a v e l e t h a r d t h r e s h o l d-i n g m e t h o d w i t h c o i f 3 w

7、a v e l e t b a s i s a n d 3-l a y e r d e c o m p o s i t i o n i s u s e d t o d e n o i s e t h e w a v e l e t s.S e c o n d，t h e B E A D S a l g o-r i t h m i s a p p l i e d f o r b a s e l i n e c o r r e c t i o n.F u r t h e r，t h e t r a i n i n g a n d t e s t s e t s w e r e d i v i d

8、e d i n a r a t i o o f 3 1，a n d f o u r R a m a nf e a t u r e w a v e n u m b e r s w e r e e x t r a c t e d u s i n g t h e c o n t i n u o u s p r o j e c t i o n m e t h o d.F i n a l l y，t h e s u p p o r t v e c t o r r e g r e s s i o n m o d e lb a s e d o n t h e R B F k e r n e l f u n

9、c t i o n a c h i e v e d b e t t e r a n a l y t i c a l p e r f o r m a n c e w i t h t h e c o e f f i c i e n t o f d e t e r m i n a t i o n（R P2）o f0.9 9 4 4 a n d 0.9 9 5 9 f o r t h e p r e d i c t i o n s e t a n d t h e r o o t m e a n s q u a r e e r r o r（R M S E P）o f 2.5 2 7 4 m g m L-

10、1a n d 1.7 5 0 4 m g m L-1f o r t h e p r e d i c t i o n s e t，r e s p e c t i v e l y，w h i c h s h o w e d t h a t t h e p r e d i c t i o n a c c u r a c y o f t h e m o d e l w a s h i g h.I t w a s d e m o n-s t r a t e d t h a t R a m a n s p e c t r o s c o p y c a n b e u s e d a s a n e w

11、m e t h o d f o r a c c u r a t e d e t e c t i o n o f g l u c o c o r t i c o i d c o n c e n t r a t i o n s.K e y w o r d s：R a m a n s p e c t r a；g l u c o c o r t i c o i d；s u p p o r t v e c t o r r e g r e s s i o n；q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s糖 皮 质 激 素（G l u c o c o r t i c o i

12、 d s，G L U s）是 一 种 类固 醇 激 素 1，可 从 人 体 的 肾 上 腺 皮 质 分 泌，也 可人 工 合 成。糖 皮 质 激 素 不 仅 在 生 物 体 内 的 糖、蛋 白 质 和 脂 肪 等 合 成 及 代 谢 过 程 中 起 着 重 要 的长 春 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）JournalofChangchunUniversityofScienceandTechnology（NaturalScienceEdition）V o l.4 6 N o.2A p r.2 0 2 3第 4 6 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月范 宇 华，等：拉 曼 光 谱

13、 检 测 糖 皮 质 激 素 的 方 法 研 究收 稿 日 期：2 0 2 2-0 2-2 4基 金 项 目：吉 林 省 重 点 科 技 计 划 项 目（2 0 1 7 0 2 0 4 0 1 5 G X，2 0 1 8 0 2 0 1 0 4 9 Y Y）；高 等 学 校 学 科 创 新 引 智 计 划（D 2 1 0 0 9）作 者 简 介：范 宇 华（1 9 9 6-），女，硕 士 研 究 生，E-m a i l：1 8 8 4 4 1 8 3 6 0 5 1 6 3.c o m通 讯 作 者：付 芸（1 9 7 1-），女，博 士，副 教 授，硕 士 生 导 师，E-m a i l：l

14、 i n d a _ f y c u s t.e d u.c n调 节 作 用 2，在 药 用 方 面 也 体 现 着 重 要 的 价值 3，如 一 定 量 的 糖 皮 质 激 素 能 起 到 抗 炎 的 作用，可 抑 制 毛 细 血 管 扩 张、缓 解 水 肿；还 可 调 节体 温，缓 解 多 种 症 状 引 起 的 发 热；还 有 抗 过 敏 的作 用 4。但 近 年 来，糖 皮 质 激 素 滥 用 5-6 现 象 广泛 存 在，如 大 剂 量、长 周 期 使 用 糖 皮 质 激 素，引发 依 赖 性；把 糖 皮 质 激 素 随 意 当 作 退 热 药、镇 痛药 和 抗 菌 药 使 用；或

15、 用 在 诊 断 不 明 的 病 例 上 缓解 症 状；更 有 甚 者 在 商 品 中 违 禁 添 加 糖 皮 质 激素，如 动 物 饲 料 7、化 妆 品 8 中 等。但 糖 皮 质 激素 的 滥 用 会 引 发 人 体 免 疫 功 能 障 碍 6，如 体 内 淋巴 细 胞 的 数 量 下 降，抵 抗 力 变 弱；还 会 对 人 体 多种 系 统 造 成 影 响，如 骨 髓 造 血 系 统，使 红 细 胞 和血 小 板 等 的 数 量 增 多，抑 制 白 细 胞 抗 炎 的 功 能，使 消 化 系 统 紊 乱，如 诱 发 胃 溃 疡 9 等。人 体 长 期每 天 使 用 超 过 3 0 m

16、g 的 糖 皮 质 激 素 会 造 成 依 赖性；人 体 每 天 使 用 超 过 1 0 0 m g 的 糖 皮 质 激 素 可导 致 严 重 副 作 用；如 果 每 天 的 使 用 量 为 2 5 0 m g或 以 上 时，则 仅 能 用 药 数 日 后 就 需 停 药。糖 皮 质 激 素 的 检 测 对 于 应 对 非 法 添 加、违 规使 用 和 限 用 等 问 题 有 着 重 要 意 义。现 有 的 糖 皮质 激 素 检 测 方 法 有 很 多 种，广 泛 使 用 的 有 高 效液 相 色 谱 法（H i g h P e r f o r m L i q u i d C h r o m

17、a t o g r a p h y，H P L C）8、超 高 效 液 相 色 谱 法-串 联 质 谱（U l t r aP e r f o r m a n c e L i q u i d C h r o m a t o g r a p h y-t a n d e m M a s sS p e c t r o m e t r y，U P L C-M S/M S）1 0 等 主 流 检 测 方 法，也 有 采 用 微 固 相 萃 取 1 1、免 疫 层 析 1 2 和 电 化 学分 析 1 3 的 方 法，但 这 些 方 法 存 在 仪 器 昂 贵、设 备体 积 大 不 易 携 带、对 操 作

18、人 员 的 技 术 专 业 性 要求 过 高、处 理 繁 琐、检 测 周 期 长 的 缺 陷，不 适 用于 监 管 部 门 和 生 产 企 业 现 场 大 量 样 本 快 速 检 测的 需 求。拉 曼 光 谱 技 术 1 4 是 一 种 高 精 度、灵 敏、快 速和 无 损 的 分 子 检 测 手 段，有 着“指 纹”图 谱 分 辨能 力。具 有 拉 曼 活 性 的 物 质 有 着 对 应 的 拉 曼 特征 峰 位，拉 曼 特 征 峰 强 度 随 浓 度 的 变 化 有 着 高低 的 变 化，可 根 据 拉 曼 峰 特 征 建 立 数 学 模 型，快速 鉴 别 物 质 种 类 和 浓 度。拉

19、曼 光 谱 是 一 种 强 有力 的 物 质 分 析 手 段。拉 曼 光 谱 在 糖 皮 质 激 素 检测 上 有 着 广 泛 的 应 用，如 L i 等 人 1 5 应 用 薄 层 色谱 结 合 斑 点 拉 曼 散 射 法 建 立 了 一 种 同 时 快 速 检测 膳 食 补 充 剂 中 非 法 添 加 的 6 种 糖 皮 质 激 素 的方 法。修 梓 侨 等 人 1 6 通 过 激 光 拉 曼 光 谱 分 析 了地 塞 米 松 的 内 部 结 构 和 拉 曼 光 谱 关 系，可 快 速准 确 地 检 测 出 地 塞 米 松。本 研 究 搭 建 了 一 种 小 型 化 的 拉 曼 光 路，采

20、 用5 3 2 n m 激 光 器 对 糖 皮 质 激 素 地 塞 米 松 和 氢 化 可的 松 固 体 样 本 和 不 同 浓 度 的 二 甲 基 亚 砜 溶 液 进行 了 拉 曼 光 谱 测 试，探 讨 应 用 拉 曼 光 谱 实 现 糖皮 质 激 素 定 量 检 测 的 关 键 技 术，针 对 多 种 预 处理 及 回 归 方 法 进 行 分 析 比 较，得 出 了 一 种 可 以在 实 验 中 快 速 进 行 拉 曼 检 测 的 方 法。本 方 法 实现 了 准 确 测 定 糖 皮 质 激 素 的 浓 度，为 糖 皮 质 激素 的 精 准 分 析 提 供 方 案 策 略。1 实 验 部

21、 分1.1 仪 器 与 试 剂激 发 光 源（M S L-F N-5 3 2，5 3 2 n m，新 产 业），保 护 银 反 射 镜（R S R 2 0-D 2 5 4，锐 纳 光 学），分 光 棱镜（C C M 1-B S 0 1 3/M，t h o r l a b s），平 场 无 限 远 消 色 差显 微 物 镜（2 0 倍，永 新 光 学），滤 光 片（5 3 7 n m，O D 6+，新 产 业），聚 焦 透 镜（G C L-0 1 0 6 0 1，大 恒 光电，f=2 0 0 m m），角 度 反 射 探 头（海 洋 光 学），光谱 仪（s u n s h i n e 系 列，探

22、 测 范 围：5 3 0 7 2 0 n m，共1 9 5 8 个 数 据 点，新 产 业），分 析 天 平（U W 6 2 0 H，岛 津 制 造 所），石 英 比 色 皿（3.5 m L，两 光 通）。地 塞 米 松（分 析 纯，麦 克 林），氢 化 可 的 松（分 析 纯，麦 克 林），二 甲 基 亚 砜（分 析 纯，福 晨 化学），无 水 乙 醇（分 析 纯，富 宇 试 剂），样 品 试 剂 皆为 分 析 纯。本 实 验 使 用 的 所 有 玻 璃 仪 器 均 经 过超 纯 水 清 洗，实 验 使 用 水 均 为 M i l l i-Q 纯 化 的 超纯 水（1 8.2 M c m）。

23、1.2 实 验 光 路本 文 采 用 显 微 拉 曼 测 试 系 统，激 发 光 源 波 长采 用 5 3 2 n m。如 图 1 所 示，激 光 器 发 出 的 激 光 经范 宇 华，等：拉 曼 光 谱 检 测 糖 皮 质 激 素 的 方 法 研 究 第 2 期 4 7长 春 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2 0 2 3 年过 可 调 节 衰 减 器，调 节 输 出 光 功 率 同 时 输 出 线偏 振 光，线 偏 振 光 经 四 分 之 一 波 片 后 变 为 圆 偏振 光，经 折 转 光 路 调 节 出 光 高 度，后 由 分 光 棱 镜分 光，一 束 经 过 显 微 物

24、镜 将 光 斑 聚 集 到 装 有 被测 样 品 的 石 英 比 色 皿 中，被 激 发 的 拉 曼 散 射 光由 显 微 物 镜 收 集 回 来，再 经 5 3 7 n m 长 波 通 滤 光片 将 瑞 利 散 射 光 强 衰 减 至 和 拉 曼 散 射 光 强 度 在同 一 数 量 级 上，通 过 滤 光 片 的 拉 曼 散 射 光 经 聚焦 透 镜 后 聚 焦，由 光 纤 探 头 将 拉 曼 散 射 信 号 传输 至 光 谱 仪。图 1 拉 曼 光 谱 采 集 原 理 框 图图 2 所 示 为 自 行 搭 建 的 拉 曼 光 谱 采 集 实 验平 台。图 2 拉 曼 光 谱 采 集 实

25、验 平 台1.3 样 品 制 备糖 皮 质 激 素 标 准 溶 液 配 制：分 别 制 备 地 塞 米松 与 氢 化 可 的 松 二 甲 基 亚 砜 溶 液 1 0 m g m L-1、2 0 m g m L-1、3 0 m g m L-1、4 0 m g m L-1、5 0 m g m L-1、6 0 m g m L-1、7 0 m g m L-1、8 0 m g m L-1、9 0 m g m L-1、1 0 0 m g m L-1共 1 0 个 浓 度 梯 度 的 标 准 液。分 别 制 备 1 m g m L-1地 塞 米 松 与 氢 化 可 的 松 无 水乙 醇 溶 液。1.4 拉

26、曼 光 谱 仪 的 校 正 及 拉 曼 光 谱 采 集拉 曼 光 谱 仪 的 校 正 及 光 谱 采 集 工 作 在 S p e c t r a lA n a l y s i s 软 件 下 完 成。为 保 证 拉 曼 光 谱 测 量 的 准确 性，需 进 行 拉 曼 光 谱 仪 的 校 正，对 激 光 波 长 进行 校 准：在 拉 曼 频 移 为 零 位 置 处 进 行 校 正，即 在拉 曼 测 试 之 前，不 放 样 品，拿 掉 5 3 7 n m 长 波 通 滤 光片，用 光 谱 仪 测 量 激 光 器 激 发 波 长 为 5 3 3.2 0 6 n m，在“S p e c t r a

27、l A n a l y s i s”软 件 进 行 激 发 波 长 参 数 设定 时 输 入 5 3 3.2 0 6 n m，之 后 测 得 在 拉 曼 频 移 为 零位 置 处 的 强 度 最 大，则 该 波 长 为 当 前 激 光 器 激发 波 长 校 准 值，安 装 滤 光 片 后 输 入 该 波 长 重 新 进行 暗 光 谱 采 集，此 时 完 成 激 光 波 长 校 准 工 作 1 7。运 用“S p e c t r a l A n a l y s i s”软 件 完 成 数 据 采 集 及参 数 设 定 工 作，积 分 时 间 1 0 s，开 始 采 集 拉 曼 光谱 之 前，关

28、闭 激 光 器，避 免 环 境 光 等 对 测 试 结 果的 影 响，保 存 并 扣 除 暗 光 谱，激 发 功 率 约 2 0 0 m W，样 品 置 于 石 英 比 色 皿 中，每 个 标 准 溶 液 取 2 0 个采 样 点，每 点 采 5 次 取 平 均；采 集 地 塞 米 松 与 氢化 可 的 松 固 体 粉 末 的 拉 曼 光 谱；采 集 地 塞 米 松与 氢 化 可 的 松 无 水 乙 醇 溶 液 拉 曼 光 谱；采 集 地塞 米 松 与 氢 化 可 的 松 二 甲 基 亚 砜 溶 液 拉 曼 光 谱。1.5 模 型 的 建 立 及 评 价为 提 高 信 噪 比，对 比 了 基

29、于 不 同 参 数 的 移 动窗 口 平 均 法（M o v i n g W i n d o w A v e r a g i n g，M W A）、移 动 窗 口 中 位 值 法（M o v i n g W i n d o w M e d i a n，M W M）、S a v i t z k y-G o l a y 卷 积 平 滑 法（S G）和 小 波 阈值 法（W a v e l e t T h r e s h o l d，W T）的 去 噪 效 果。采 用信 噪 比（S i g n a l t o N o i s e R a t i o，S N R）和 均 方 根 误差（R o o t

30、M e a n S q u a r e E r r o r，R M S E）作 为 评 价 指标，去 噪 后 的 拉 曼 光 谱 作 为 标 准 信 号，与 噪 声 的比 值 作 为 信 噪 比，计 算 公 式 如 下：S N R=1 0 l o gi=1nf2()ii=1n()f()i-f()i2（1）R M S E=1ni=1n()f()i-f()i2（2）式 中，f()i 为 原 始 含 噪 声 拉 曼 光 谱；f()i 为 去 噪 后的 拉 曼 光 谱；n 为 拉 曼 光 谱 长 度。为 消 除 荧 光 背 景 的 干 扰，对 比 自 适 应 迭 代 重加 权 惩 罚 最 小 二 乘

31、法（A d a p t i v e I t e r a t i v e R e w e i g h t 4 8i n g P e n a l i z e d L e a s t S q u a r e s，a i r P L S）、不 对 称 最 小二 乘 法（A s y m m e t r i c L e a s t S q u a r e s，A L S）和 B E A D S（B a s e l i n e E s t i m a t i o n A d d D e n o i s i n g W i t h S p a r s i t y）算 法 的 基 线 校 正 效 果。以 3 1

32、 比 例 将 每 种 浓 度 的 糖 皮 质 激 素 标 准溶 液 样 品 划 分 为 训 练 集 和 测 试 集，利 用 连 续 投影 算 法（S u c c e s s i v e P r o j e c t i o n s A l g o r i t h m，S P A）选取 特 征 波 数 来 改 善 模 型，特 征 波 数 的 数 量 限 定在 1 3 0 之 间。应 用 多 元 线 性 回 归（M u l t i v a r i a b l eL i n e a r R e g r e s s i o n，M L R）、主 成 分 回 归（P r i n c i p l eC o

33、m p o n e n t R e g r e s s i o n，P C R）、偏 最 小 二 乘 回 归（P a r t i a l L e a s t S q u a r e s R e g r e s s i o n，P L S R）、B P 神 经网 络（B a c k P r o p a g a t i o n，B P）、和 基 于 线 性、多 项式、R B F、s i g m o i d 核 函 数 的 支 持 向 量 回 归（S u p p o r tV e c t o r R e g r e s s i o n，S V R）算 法 建 立 定 量 分 析 模 型。根 据 决

34、定 系 数（R2）和 均 方 根 误 差（R M S E）评 价 模型 的 性 能。计 算 公 式 如 下：R2=1-i=1n()yi-fi2i=1n()yi-y2（3）R M S E=i=1n()yi-fi2N（4）式 中，yi表 示 实 际 浓 度 值；fi为 预 测 值；-y 是 实 际浓 度 的 平 均 值；N 为 样 本 数。决 定 系 数 R2越 接 近1，回 归 效 果 越 好；R M S E 越 小，模 型 预 测 能 力 越强。在 M a t l a b R 2 0 1 9 a 下 对 数 据 进 行 处 理。2 结 果 与 讨 论2.1 糖 皮 质 激 素 拉 曼 光 谱

35、特 征 分 析图 3 为 地 塞 米 松 和 氢 化 可 的 松 固 体 拉 曼 光谱 的 对 比 图，二 者 具 有 结 构 上 的 相 似 性，地 塞 米松 和 氢 化 可 的 松 都 存 在 一 对 强 度 较 高 的 双 峰，特征 峰各 自位 于 1 6 1 1 c m-1、1 6 6 2 c m-1和 1 6 1 4 c m-1、1 6 4 7 c m-1，分 别 源 自 环 己 二 烯 结 构 的 双 键 伸 缩振 动 和 环 己 烯 结 构 的 双 键 伸 缩 振 动，不 同 之 处在 于 氢 化 可 的 松 的 双 峰 强 度 相 当、峰 形 相 似、峰距 较 窄，而 地 塞

36、米 松 受 环 己 二 烯 结 构 的 影 响 导致 其 中 一 峰 强 度 被 衰 减，两 峰 强 度 差 距 较 明显 1 5。地 塞 米 松 2 9 4 7 c m-1和 氢 化 可 的 松 2 9 5 1 c m-1受 甲 基 非 对 称 伸 缩 振 动 影 响 表 现 较 强 1 6，地 塞米 松 5 3 4 c m-1和 6 9 1 c m-1峰 归 属 于 C-F 的 影 响 1 8。（a）地 塞 米 松（b）氢 化 可 的 松图 3 糖 皮 质 激 素 固 体 粉 末 的 拉 曼 光 谱 图2.2 糖 皮 质 激 素 定 量 分 析 的 溶 剂 选 择图 4（a）和 图 4（b

37、）为 两 种 糖 皮 质 激 素 在 无 水乙 醇 中 的 拉 曼 光 谱，图 4（c）和 图 4（d）为 两 种 糖皮 质 激 素 在 二 甲 基 亚 砜 中 的 拉 曼 光 谱，地 塞 米松 和 氢 化 可 的 松 略 溶 于 无 水 乙 醇，两 者 在 无 水乙 醇 中 的 溶 解 度 达 不 到 光 谱 仪 的 拉 曼 检 测 限，在 该 溶 液 状 态 下 无 法 分 辨 两 者 的 拉 曼 峰；在 二甲 基 亚 砜 溶 液 中，地 塞 米 松 在 1 6 1 1 c m-1、1 6 6 2 c m-1和 氢 化 可 的 松 在 1 6 1 4 c m-1、1 6 4 7 c m-1

38、位 置 处 最强 的 双 峰 均 清 晰 可 见，以 上 峰 位 受 二 甲 基 亚 砜溶 剂 的 影 响 均 发 生 了 红 移，分 别 红 移 到 1 6 1 7 c m-1、1 6 6 8 c m-1和 1 6 2 0 c m-1、1 6 6 8 c m-1位 置 处。但是，地 塞 米 松 2 9 4 7 c m-1和 氢 化 可 的 松 2 9 5 1 c m-1特 征 峰 与 二 甲 基 亚 砜 2 9 2 2 c m-1位 置 处 发 生 谱 峰重 叠，地 塞 米 松 1 4 5 2 c m-1和 氢 化 可 的 松 1 4 4 2 c m-1范 宇 华，等：拉 曼 光 谱 检 测

39、 糖 皮 质 激 素 的 方 法 研 究 第 2 期 4 9长 春 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2 0 2 3 年特 征 峰 以 下 的 低 波 数 区 多 为 弱 峰 且 与 二 甲 基 亚砜 的 低 波 数 区 存 在 多 处 重 叠。因 此，适 合 选 择两 种 糖 皮 质 激 素 在 二 甲 基 亚 砜 溶 液 中 双 峰 作 为特 征，为 糖 皮 质 激 素 定 量 分 析 提 供 判 断 的 依 据。（a）地 塞 米 松 无 水 乙 醇 溶 液（b）氢 化 可 的 松 无 水 乙 醇 溶 液（c）地 塞 米 松 二 甲 基 亚 砜 溶 液（d）氢 化 可 的 松 二

40、 甲 基 亚 砜 溶 液图 4 采 用 不 同 溶 剂 的 拉 曼 光 谱 对 比 图2.3 糖 皮 质 激 素 拉 曼 光 谱 的 预 处 理受 光 源 稳 定 性 和 环 境 影 响，原 始 光 谱 数 据 中除 有 用 信 号 外 还 有 许 多 噪 声 信 号 和 荧 光 背 景，如 图 5 所 示。需 对 原 始 光 谱 信 号 进 行 预 处 理。（a）地 塞 米 松 原 始 光 谱（b）氢 化 可 的 松 原 始 光 谱图 5 原 始 光 谱比 较 了 基 于 不 同 参 数 的 M W A、M W M、S G 和W T 去 噪 算 法，表 1 为 各 方 法 不 同 参 数 下

41、 S N R 和R M S E 的 最 优 值。通 过 对 比 分 析 发 现，当 M W A 与M W M 窗 口 宽 度 过 小 时，滤 波 有 残 留，而 窗 口 过 大时，光 谱 信 息 易 丢 失，其 中 M W M 较 适 合 抑 制 拉曼 光 谱 中 的 尖 峰 或 异 常 点 噪 声。由 表 1 可 见 W T法 明 显 优 于 M W A 和 M W M 法。S G 法 虽 能 有 效 地保 留 光 谱 的 特 征 峰 信 息，但 去 噪 效 果 不 理 想。表 1 不 同 去 噪 方 法 S N R 和 R M S E 的 最 优 值去 噪 方 法移 动 窗 口 平 均移

42、动 窗 口 中 位 值S a v i t z k y-G o l a y小 波 软 阈 值小 波 硬 阈 值参 数窗 口 数 3窗 口 数 37 阶、窗 口 数 9c o i f 5 小 波 基、3 层 分 解c o i f 3 小 波 基、3 层 分 解S N R3 8.3 7 2 24 4.6 4 4 34 5.5 2 9 04 3.5 5 8 44 5.8 2 2 7R M S E1 6 6.8 4 7 1 08 1.1 2 2 4 07 3.2 7 9 9 49 1.9 3 2 2 07 0.8 4 3 7 05 0小 波 软 阈 值 在 去 噪 光 滑 性 上 优 于 小 波 硬 阈

43、值，但 会 损 失 高 频 信 息 1 9-2 0。表 1 参 数 下 的 小 波软 阈 值 法 与 真 实 信 号 的 接 近 程 度 次 于 小 波 硬 阈值 法，因 此，采 用 S N R 最 高、R M S E 最 小 的 小 波 基为 c o i f 3、分 解 层 数 为 3 的 小 波 硬 阈 值 法，可 在 去噪 效 果 较 好 的 情 况 下 保 留 了 拉 曼 光 谱 的 大 部 分特 征 信 息，图 6 为 该 参 数 下 两 种 糖 皮 质 激 素 的 去噪 光 谱。（a）地 塞 米 松 去 噪 光 谱（b）氢 化 可 的 松 去 噪 光 谱图 6 糖 皮 质 激 素

44、的 去 噪 后 光 谱 图荧 光 背 景 表 现 为 变 化 平 缓 的 低 频 信 号，而 拉曼 信 号 表 现 为 较 陡 峭 的 高 频 信 号。如 图 6 所 示，荧 光 背 景 表 现 为 由 高 低 波 数 位 置 向 中 间 波 数 位置 上 升 的 现 象，影 响 拉 曼 定 量 分 析 的 后 续 处 理。图 7（a）、图 7（b）、图 7（c）和 图 7（d）分 别 表 示 为去 噪 后 的 光 谱 再 经 过 a i r P L S 和 A L S 法 基 线 校 正后 的 光 谱。采 用 a i r P L S 和 A L S 法 进 行 基 线 校 正时，虽 能 保

45、持 拉 曼 光 谱 的 峰 形，但 存 在 复 杂 荧 光背 景 下 基 线 不 能 完 全 校 正 的 现 象。如 果 先 插 值再 用 B E A D S 算 法 处 理，不 仅 能 保 留 光 谱 数 据 中有 用 信 息，还 能 近 乎 完 整 地 扣 除 荧 光 背 景，得 到平 整 的 光 谱 基 线，如 图 7（e）和 图 7（f）所 示。（a）地 塞 米 松 a i r P L S 法 基 线 校 正（b）氢 化 可 的 松 a i r P L S 法 基 线 校 正（c）地 塞 米 松 A L S 法 基 线 校 正（d）氢 化 可 的 松 A L S 法 基 线 校 正范

46、宇 华，等：拉 曼 光 谱 检 测 糖 皮 质 激 素 的 方 法 研 究 第 2 期 5 1长 春 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2 0 2 3 年（e）地 塞 米 松 B E A D S 法 基 线 校 正（f）氢 化 可 的 松 B E A D S 法 基 线 校 正图 7 基 线 校 正 光 谱 图2.4 糖 皮 质 激 素 拉 曼 光 谱 特 征 提 取 及 定 量 分 析选 取 基 线 校 正 后 1 5 5 0 c m-1 1 7 5 0 c m-1两 种糖 皮 质 激 素 特 征 峰 波 数 区 间 光 谱 数 据，使 用S P A 法 从 1 3 0 个 特 征

47、 波 数 中 选 出 4 个 特 征 波 数得 到 最 小 均 方 根 误 差，分 别 为 4.8 5 4 8 和 4.4 2 1 0，地 塞 米 松 的 特 征 波 数 位 于 1 6 6 4 c m-1、1 6 7 0 c m-1、1 6 8 3 c m-1、1 6 9 0 c m-1，氢 化 可 的 松 的 特 征 波 数 位于 1 6 0 5 c m-1、1 6 1 1 c m-1、1 6 6 3 c m-1、1 6 7 1 c m-1，如 图 8 所 示。（a）地 塞 米 松 特 征 提 取（b）氢 化 可 的 松 特 征 提 取图 8 S P A 特 征 提 取 图将 S P A

48、提 取 的 4 个 波 数 作 为 变 量 输 入 至 不 同回 归 模 型 中，建 模 结 果 如 表 2 和 表 3 所 示。可 以看 出，建 模 样 本 中 基 于 R B F 核 函 数 的 S V R 所 得模 型 效 果 最 好，其 他 方 法 拟 合 效 果 欠 佳。通 过 测试 集 验 证 模 型 的 性 能，对 于 地 塞 米 松 和 氢 化 可的 松，S V R 模 型 的 R P2分 别 为 0.9 9 4 4 和 0.9 9 5 9，相 较 于 其 他 模 型 更 接 近 1。R M S E P 分 别 为2.5 2 7 4 m g m L-1和 1.7 5 0 4 m

49、 g m L-1，表 明 有 更 多的 预 测 样 本 聚 集 在 实 际 浓 度 值 附 近。表 2 地 塞 米 松 数 据 集 建 模 和 预 测 效 果建 模 方 法M L RP C RP L S RB PS V R _ 线 性S V R _ 多 项 式S V R _ R B FS V R _ s i g m o i d建 模 样 本R C20.9 9 5 00.9 9 4 90.9 9 5 00.9 9 7 30.9 9 4 90.9 3 0 60.9 9 6 60.7 2 0 8R M S E C2.0 3 5 12.0 5 8 22.0 3 5 11.5 5 8 42.0 5 8

50、37.6 4 7 31.6 8 7 51 5.7 7 7 8预 测 样 本R P20.9 9 7 00.9 9 6 80.9 9 7 00.9 9 4 90.9 9 6 90.9 5 0 00.9 9 8 10.7 8 2 3R M S E P2.0 3 5 12.0 5 8 22.0 3 5 11.5 5 8 41.6 5 6 16.5 5 8 41.3 0 6 51 5.0 5 8 0表 3 氢 化 可 的 松 数 据 集 建 模 和 预 测 效 果建 模 方 法M L RP C RP L S RB PS V R _ 线 性S V R _ 多 项 式S V R _ R B FS V R _