一种液相色谱梯度分离条件优化的方法

本发明属于色谱应用方法领域，具体说是一种液相色谱梯度分离条件优化的方法。

背景技术：

1、液相色谱是一种通用的分析检测技术，其原理是利用化合物间与流动性和固定相的作用不同，使化合物在不同时间流出实现分离。在应对复杂样品时，常常使用多种流动项配合洗脱，通过控制流动相之间的比例随时间变化关系，实现样品的有效分离。基于这种特性，液相色谱被广泛的应用于中药，石油，生物制品，微量元素分离等复杂样品的分离。在现阶段，分离梯度优化通常依赖人工经验对于计算机辅助的方式还研究较少。常见色谱梯度优化软件如acd，rdkit，通常仅使用线性模型，并佐以遍历和点格阵的方式进行梯度测算，预测性能差，计算时间长，资源需求高。(snyder l r,kirkland j j,dolan jw.introduction to modern liquid chromatography[m].john wiley&sons,2011.)近期，也有一些新专利提出，但起对于容量因子计算还存在部分缺陷，也未能满足用户的具体优化需求，对于实验操作等部分未提出可行方法。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种适用于多种容量因子模型，根据用户需求建立合理目标函数，通过标准实验流程和优化器计算得到合理的梯度时间序列，达到计算机辅助优化的目的。本发明基于溶剂比率与容量因子公式，保留时间与容量因子公式，利用设定标准，优化符合使用需求的实际洗脱溶剂比与时间的关系函数。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

3、一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，包括以下步骤：

4、多梯度数据预实验：测定样品在不同梯度条件下的色谱谱图，得到不同梯度下数据的保留时间矩阵tr和峰宽矩阵w；

5、容量因子梯度参数拟合：根据不同梯度条件下得到的色谱图及成分峰，得到容量因子kmn与溶剂比-时间函数φm的关系函数；

6、保留时间预测：根据拟合得到的容量因子与溶剂比-时间函数的关系函数公式和新梯度计算某一峰的保留时间和峰宽，进而得到新的溶剂比-时间函数下的保留时间矩阵tr′和峰宽矩阵w′；

7、需求设定：设定分离需求、最短分离时间、最长分离时间、最小分离度，建立评价函数；

8、优化器选择及条件优化：基于评价函数，利用优化器迭代用户目标值，当评价函数满足阈值时，停止迭代，完成液相色谱梯度分离条件的优化。

9、所述多梯度数据预实验，具体为：

10、选取多个不同梯度条件，测定样品在不同梯度条件下的色谱谱图，对其进行积分并采用谱图匹配的方式对任意两种样品进行色谱积分结果的峰匹配，相同时间窗口t内，将匹配结果相似度值最大且大于阈值的峰归为同一成分峰pn，作为色谱峰匹配结果，其中n为峰编号。

11、所述保留时间矩阵tr和峰宽矩阵w分别为：

12、

13、

14、其中为样品中第m个梯度序列中第n个成分峰的保留时间，其中wmn为第m个梯度序列中第n个成分峰的峰宽。

15、所述容量因子梯度参数拟合，具体为：

16、根据不同梯度条件下得到的色谱图及匹配后的成分峰pn，计算容量因子kmn与溶剂比-时间函数φm的关系函数，其中在同一个梯度序列m，所有成分峰pn的溶剂比-时间函数φm均相同，故有：

17、φm＝a+bt

18、

19、进而得到

20、kmn＝gmn(φm)

21、gmn为kmn与φm的关系函数

22、对于矩阵有：

23、tr＝f(φ,k)

24、k＝f-1(tr,φ)

25、其中，a，b为梯度函数常数，kmn为第m个梯度序列中第n个成分峰的容量因子，fmn为第m个梯度序列中第n个成分峰的容量因子与溶剂比φ的关系函数，φ(t)为溶剂比φ和时间t的关系函数，k为容量因子矩阵，f为关系函数矩阵。

26、通过下述任意一个泛函方程描述保留因子k与溶剂比-时间函数φm关系：

27、lnk＝c+dlnφm)+eφm

28、lnk＝c+e1φm

29、lnk＝c+e1φm+e2φm2

30、lnk＝c+dln(φm)

31、其中c，d，e，e1，e2为待拟合参数，φm为第m个序列容量因子k与溶剂比-时间函数的方程。

32、所述保留时间预测具体为：

33、根据容量因子kmn与溶剂比-时间函数φm的关系函数和新梯度计算该峰保留时间和峰宽：

34、φ′m＝a′+b′t

35、

36、w′mn＝hmn(φ′m,kmn)

37、其中，a′，b′为梯度函数常数，为拟合后第m个梯度序列中第n个成分峰的保留时间，w′mn为拟合后第m个梯度序列中第n个成分峰的峰宽，φ′m为第m个梯度序列中新的溶剂比和时间的关系函数，hmn为预测峰宽与容量因子和新梯度的关系函数；

38、对于整个矩阵有：

39、tr′＝f(φ′,k)

40、w′＝h(φ′,k)

41、其中，h为预测峰宽与容量因子和新梯度的关系函数的函数矩阵，φ′为新的溶剂比和时间的关系函数。

42、通过下述任意一个方程描述峰保留时间：

43、

44、

45、

46、其中t0为死时间，td为延迟时间，tei为第i个梯度结束时间，t0i为i个梯度起始时间，k'为保留因子的函数，φ为溶剂比-时间函数。

47、所述评价函数为：

48、v′(mint,maxt,r)＝v′(tt′,w′)＝v′(f(φ′,k)，g(φ′,k))

49、其中，r为分离度，任意两个峰pn与pn+1间的分离为：

50、

51、mint为最短分离时间，maxt为最长分离时间，v′为评价函数矩阵；整体记录为：

52、v′(f(φ′,k)，g(φ′,k))＝v(φ′)

53、v为对整个色谱的评价函数，φ′为新的溶剂比和时间的关系函数矩阵。

54、所述优化器为随机梯度下降，粒子群法，模拟退火法，遗传算法，自适应优化中的任意一种。

55、利用以下方程评价优化结果：

56、

57、其中，x，y，z为惩罚系数，ε1，ε2为限制条件，ri为第i个分离度，mint为最短分离时间，maxt为最长分离时间，minr为最小分离度。

58、本发明具有以下有益效果及优点：

59、本发明根据用户需求建立合理目标函数，通过标准实验流程和优化器计算得到合理的梯度时间序列，达到计算机辅助优化的目的。具有精度高，计算快，重现性好，计算资源需求低等优良特性。

技术特征：

1.一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，所述多梯度数据预实验，具体为：

3.根据权利要求1所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，所述保留时间矩阵tr和峰宽矩阵w分别为：

4.根据权利要求1所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，所述容量因子梯度参数拟合，具体为：

5.根据权利要求4所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，通过下述任意一个泛函方程描述保留因子k与溶剂比-时间函数φm关系：

6.根据权利要求1所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，所述保留时间预测具体为：

7.根据权利要求6所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，通过下述任意一个方程描述峰保留时间：

8.根据权利要求1所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，所述评价函数为：

9.根据权利要求1所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，所述优化器为随机梯度下降，粒子群法，模拟退火法，遗传算法，自适应优化中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，其特征在于，利用以下方程评价优化结果：

技术总结
本发明涉及一种液相色谱梯度分离条件优化的方法，包括以下步骤：1、测定样品组分在不同等度或梯度条件下的保留时间和峰宽，拟合容量因子‑保留时间‑梯度关系的数学方程。2、设定最低保留时间，最高保留时间，最小分离度等系列参数。3、基于目标函数评价和优化器算法优化洗脱梯度程序，使之满足目标函数。本发明提供多种线性与非线性数学方程，描述溶剂与容量因子和保留时间的关系，克服了传统的一溶剂‑保留时间预测模型在实践中的局限性。同时可以预测和推荐多阶等度与梯度溶剂曲线，计算速度快，应用范围广。

技术研发人员：梁鑫淼,刘喆,李效农,金红利,肖远胜,郑训皓,甘佳攀,肖柳君,薛倩倩
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15