基于二阶微分和稀疏表示的离子淌度谱重叠峰分离方法技术

技术编号：43169857 阅读：4 留言：0更新日期：2024-11-01 20:00

本发明专利技术公开了一种基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，包括步骤1：获取IMS谱图信号；步骤2：建立由多个高斯函数叠加得到IMS重叠峰模型，通过IMS重叠峰模型表示IMS谱图信号；步骤3：采用二阶微分定位预确定重叠峰的单峰组分数和每个单峰参数的范围；步骤4：采用稀疏表示算法将重叠峰数据特征映射为相应的稀疏表示；步骤5：利用改进的IRLS算法进行搜索，获取基线和稀疏表示系数矩阵；步骤6：根据稀疏表示系数矩阵得到重叠峰峰值参数；步骤7：基于基线校正后，分离重叠的离子淌度谱峰信号，输出IMS谱图分离结果。实验结果表明，本发明专利技术所提方法能够提高重叠峰分离准确性，并能提升分离运算速度。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及离子淌度谱重叠峰分离，尤其是涉及一种基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法。

技术介绍

1、糖类异构体在自然界中的分布非常广泛，在生命过程中扮演关键角色。准确分析糖类异构体对于深入理解其在机体内的生物功能至关重要。然而，由于糖类异构体组分繁多、结构复杂多样，在检测分析时会受到噪声、基线交替等因素的干扰，导致离子淌度谱数据中存在很多假峰、弱峰和重叠峰，从而影响糖类异构体的准确分析。

2、离子淌度质谱(ims)能够通过额外的分析步骤来提供更多的结构相关信息，它的优点在于灵敏度高和通量大，此外还减少了化学噪声的影响。然而，由于大部分商业化的ims仪器存在着分辨率不足的缺点，难以区分一些离子化效率低且差异微小的糖类异构体。并且，目前ims仪器中所采用的传统分离算法进行分离异构体重叠峰时，存在分析过程过于繁琐、运算速度较慢等问题，而且在检测具有多种复杂构象的糖类异构体时，由于传统分离算法过早收敛，容易导致其陷入局部最优，使得ims仪器检测误差过大。

3、目前，现有的商用ims检测仪器结构分辨率不足，导致一些结构较为相似的异构体的峰容易重叠，从而使待测异构体的定性和定量分析结果不准确。此外，现用于帮助ims检测仪器提高结构分辨率的分离算法比较陈旧，在处理大规模数据和复杂样本时，算法的运算性能不够理想，有着一定的改进空间。因此，为帮助ims检测仪器更好、更快的分析异构体，本专利技术设计了一种较为先进的sod-sra优化算法来提高其分析性能。

技术实现思路</p>

1、本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术提出了一种基于二阶微分和稀疏表示的优化算法(second order differential and sparse representationalgorithm,sod-sra)来分离糖类异构体重叠峰，帮助ims分析仪器提高结构分辨率，从而提升其在化学分析领域的分析性能。

2、本专利技术的技术思路为：首先通过二阶微分方法，预先确定重叠峰组分数并定位各个参数大致范围，然后使用稀疏表示算法将重叠峰数据特征映射为相应的稀疏表示矩阵当中，之后采用非参数正则化的迭代重加权最小二乘法(irls-npr)来搜索并计算稀疏表示系数。

3、基于上述技术思路，本专利技术提供了一种基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，包括以下步骤：

4、步骤1：获取ims谱图信号；

5、步骤2：建立由多个高斯函数叠加得到ims重叠峰模型，通过ims重叠峰模型表示ims谱图信号；

6、步骤3：采用二阶微分定位预确定重叠峰的单峰组分数和各个单峰参数的取值范围；

7、步骤4：采用稀疏表示估计算法将重叠峰数据特征映射为相应的稀疏表示；

8、步骤5：利用irls-npr算法进行搜索，获取基线和稀疏表示系数矩阵；

9、步骤6：根据稀疏表示系数矩阵得到重叠峰峰值参数；

10、步骤7：基于基线校正后，分离重叠的离子淌度谱峰信号，输出ims谱图分离结果。

11、进一步地，步骤2的具体步骤包括：

12、步骤21：建立ims重叠峰模型：

13、

14、其中，n表示ims重叠峰的单峰数量，fh(k)表示第h个单峰分量的模型函数；ah、bh和ch分别表示第h个ims单峰的峰强、淌度和半峰宽，k表示ims峰的淌度值；

15、步骤22：基于ims重叠峰模型将初始重叠峰数据定义为f(x)＝[f1(x)，f2(x)，…，fi(x)，…，fl(x)]。

16、进一步地，步骤3的具体步骤包括：

17、步骤31：计算重叠峰f(x)的一阶导函数fi′和二阶导函数fi″：

18、

19、其中，s为步长；

20、步骤32：统计二阶微分中的极小值个数，将其作为重叠峰的组分数量；

21、步骤33：根据二阶微分中的极小值的位置范围确定初始重叠峰中每个单峰的位置范围，基于得到的单峰的位置范围确定参数ah、bh和ch的大致范围。

22、进一步地，步骤4具体包括：

23、步骤41：将预处理后的初始ims图谱信号x表示为y：

24、

25、其中，b表示基线，e表示噪声，ah、bh和ch分别对应的是第h个ims单峰的峰强、淌度和半峰宽；k表示ims峰的淌度值；mass表示目标糖类异构体的ims信号；

26、步骤42：基于信号y构建字典d，并通过步骤3预确定的单峰组分数和每个单峰的参数范围筛选字典中的基函数；

27、步骤43：基于构建的字典d，将公式(6)中的mass进行稀疏表示：

28、

29、其中，d表示构建的字典矩阵，w表示稀疏表示系数矩阵，di表示d中的第i个基函数，wi表示第i个稀疏表示系数矩阵。

30、进一步地，步骤5具体包括：

31、步骤51：建立寻找稀疏表示系数的目标函数：

32、

33、其中，b表示基线，dm表示差分矩阵，d表示构建的字典，w表示稀疏表示系数，ε表示噪声水平；

34、步骤52：通过正则化参数λ1优化公式(8)，得到：

35、

36、步骤53：将上式中的b设为0，得到基线b的更新迭代公式：

37、b(k+1)＝(i+λ1(dm)t(dm)-1(x-dw(k)+λ1(dm)t(dm)b(k)) 公式(10)；

38、步骤54：选择l1-范数作为凸松弛正则化最小二乘法：

39、

40、其中，||w||1表示w中元素的非零数和绝对值之和；

41、步骤55：根据||w||1＝wtw-1w，将式(11)改写为：

42、

43、步骤56：通过引入正则化参数λ2将式(12)转化为下式：

44、

45、根据式(13)得到稀疏表示w：

46、

47、步骤57：根据下式对正则化参数λ2进行更新：

48、

49、步骤58：判断w(k)是否稳定，若是，则输出基线b和稀疏表示系数w，否则，返回步骤53。

50、因此，本专利技术采用上述一种基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，具有以下有益效果：

51、本专利技术提出了一种更为高效的重叠峰分离算法——基于二阶微分和稀疏表示算法(sod-sra)，并将其应用于离子淌度质谱重叠峰分离当中。本优化算法结合二阶微分方法，从而预先得到重叠峰组分数和大致参数范围，接着使用稀疏表示算法，将重叠峰数据特征映射到矩阵系数空间，并通过使用改进后的irls-npr搜索算法来快速搜索并获取系数空间最优解，最后通过系数最优解计算得出各个分离出的单峰参数。专利技术较diwpso-rbf算法，除了在各个参数分离准确性上有了一定的进步，还在运本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，其特征在于，步骤2的具体步骤包括：

3.根据权利要求2所述的基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，其特征在于，步骤3的具体步骤包括：

4.根据权利要求3所述的基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，其特征在于，步骤4具体包括：

5.根据权利要求4所述的基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，其特征在于，步骤5具体包括：

【技术特征摘要】

1.基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重叠峰分离方法，其特征在于，步骤2的具体步骤包括：

3.根据权利要求2所述的基于二阶微分和稀疏表示算法的离子淌度谱重...

【专利技术属性】
技术研发人员：寿彬鑫，高文清，王陈璐，俞建成，唐科奇，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：

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