手持式光譜儀判定結果準不準? 鑑別關鍵藏在分析模式細節裡

2019-12-20

關鍵字:生技醫藥

手持式光譜儀判定結果準不準? 鑑別關鍵藏在分析模式細節裡

用以鑑定毒品、化學物質與藥物原物料的手持式光譜物質鑑定儀通常是以拉曼(Raman)和FTIR透過掃描待測物所得光譜與資料庫中的光譜比對後,鑑定待測物的化合物結構,概率方法(Probabilistic Approach)、也就是所謂的p-value與命中質量指數(Hit Quality Index,HQI)是兩種常被用以分析光譜的演算方法。但這兩種方法究竟是什麼呢?需要分辨結構類似的物質時又該用哪種方法呢?本篇文章將進行概率方法與HQI方法的比較,進一步讓您了解自己適合使用哪種演算法的機台。

手持式光譜儀可提供快速、及時的現場物質鑑定

在正式進入分析演算法的介紹之前,讓我們先了解一下手持式鑑定儀的分析需求與使用情境。在藥廠中,傳統原物料鑑定需於生產流程的每一個環節中取樣,將樣品送至實驗室分析才能得知結果,非常耗費時間與人力。現今使用手持式原料鑑定儀,即便是非專業的技術操作人員,也能直接在倉庫與生產過程中的任何一個檢查點對原料進行分析,有助於縮短檢查的時間、加速原料的放行、不需拆掉包裝便可取樣、可降低交叉污染的風險,快速鑑別及驗證現場的製藥原料。

而於需要現場即時鑑定的情境下,手持式物質鑑定儀可協助緊急應變/警察鑑識/國防軍事人員等現場工作執行者快速偵測現場的各種未知化學物質、毒品或爆裂物樣品,於數秒內獲得準確的化學物質鑑定結果。

手持式光譜物質鑑定儀分析演算法的比較

在了解手持式光譜物鑑定儀的適用情境之後,接著介紹手持式光譜物質鑑定儀的分析演算模式。以手持式鑑定儀測量得到待測物的光譜後,需與資料庫中的已知光譜比對,才能得知待測物的真實身份,以下將介紹兩種不同的光譜比對分析演算方式:

HQI法(Hit Quality Index)

以HQI法計算出的HQI值與每個參考光譜(Reference Spectrum)相關聯,是未知物光譜與每個參考光譜之間緊密度(Closeness)的數字度量,未知物光譜與參考光譜之間可以基於歐幾里得距離(Euclidean distance)、中位數絕對偏差(Median absolute deviation)來計算HQI。HQI值越高,未知物光譜則與參考光譜越接近,當兩個光譜完全對應時,所得的相關係數R為1,當它們無關時相關係數為0。與概率方法不同的是,在HQI法中,數值為0.95時並不代表有95%的機率可說明這兩個光譜是相同的。HQI演算方法對於區辨光譜與光譜之間的微小差異並不敏感,不適合用以鑑定具有相似結構的物質。

概率方法(Probabilistic Approach)

p-value是指在一個概率模型(Probabilistic Model)中,統計摘要(如兩組樣本均值差)與實際觀測數據相同所發生的概率。p-value是常被用於判斷統計上是否顯著的重要指標,在統計上提出虛無假設(Null hypothesis,H0)與對立假設(Alternative hypothesis,H1),在鑑定未知物光譜的例子中,虛無假設為:未知物光譜與資料庫中的已知物質光譜相同;對立假設:未知物光譜與資料庫中的已知光譜不同,p-value越小,表示檢定的結果越顯著,越可以拒絕假設檢定中的虛無假設。一般會將顯著水準設為0.05,以此例而言,p-value若小於0.05,則代表未知物光譜與資料庫中的已知光譜不相同,此兩種為不同的物質。

圖1:未知物光譜與資料庫中光譜是否吻合之闡述

p value若小於0.05,則代表未知光譜未與資料庫中光譜不吻合(No Match),若大於0.05,未知光譜則與資料庫中的已知光譜吻合(Positive Match)。

概率演算法不僅測量光譜之間的相似程度,更注重光譜之間的差異,這強化了對兩種不同光譜之間的鑑別能力,且對微小的差異有高度敏感性,能有效鑑別結構類似物。

概率方法的可靠性

為了說明概率方法的可靠性,我們使用了Thermo公司針對實驗室外現場物質鑑定發展出的概率方法進行微晶纖維素(Microcrystalline Cellulose)與其他纖維素的比較。我們測試了虛無假設 H0(微晶纖維素=其他纖維素),對立假設 H1(微晶纖維素≠其他纖維素),並與HQI方法的結果進行了比較。表1顯示了各種纖維素相對於微晶纖維素的p-value與對應的HQI值。

表1 以概率方法與HQI法進行纖維素比較之結果
樣品p-valueHQI
微晶纖維素0.3380.9998
羥乙基纖維素0.000007540.997
甲基纖維素0.000001850.9766
羥丙甲纖維素0.00000003230.9796

如表 1 中的值所示,概率方法和HQI方法都可以正確識別待測樣品的微晶纖維素與資料庫中的微晶纖維素為同一種物質:在概率方法中,我們接受虛無假設(p-value> 0.05);在HQI方法中,相關係數則非常接近1.0。反觀其他纖維素的辨別,概率方法拒絕了虛無假設(p-value<0.05),正確辨別待測物光譜與資料庫中的微晶纖維素光譜不同:然而HQI方法的數值皆為0.97以上,若依據兩物質相關係數>0.95即為相同物質的原則,則會誤將其他纖維素與微晶纖維素判定為相同的物質。

在圖 2 左圖中,我們可直接目視判斷出羥乙基纖維素(參考樣品)與微晶纖維素光譜為不同的物質。由表1可看出,若以概率方法來看,這兩個光譜的比較結果p-value為0.00000754,遠低於0.05,表示這兩個樣品有顯著差異。而兩者HQI的數值為0.9970,遠高於0.95的閾值,但顯然地,這兩種為不同的物質。

 

圖2:(左)微晶纖維素與羥乙基纖維素的光譜比對;(右)含15%DMMP的氯仿與純氯仿的比較結果進一步說明概率方法之準確性

 

為了進一步說明概率方法的有效性,接著以概率方法分析15% DMMP氯仿與純氯仿,如圖 2 右圖所示,測量了待測物(含有15% DMMP的氯仿)的光譜,再與資料庫中的純氯仿光譜比對,可看出在715 cm -1的區域光譜有差異,p-value為6.1 x 10 -4,具有顯著差異,代表只有1/1639的機率兩者會是相同的東西;因此以概率方法分析可區辨含15% DMMP的氯仿與純氯仿為不同的物質,且具有統計上的意義。

概率方法提供現場人員快速鑑定已知與未知物質

HQI和概率方法均是用以闡述光譜數據的分析方法,概率方法是專為基於現場的決策而設計的,有效協助各種人員快速判斷鑑定結果,無論是進貨倉庫或非實驗室的現場人員皆可輕鬆上手,並適用於判斷結構相似的物質,具有高度的準確性。

欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

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