指纹图谱计算方法
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大连化物所
前言
目前根据整体谱图进行质量控制的数据处理方 法主要有模式识别与人工神经网络的方法，它 们给出的答案是一种分类及定性的信息，不直 接定量比较两张指纹图谱间的相似度。但在很 多情况下我们需要利用这种相似度的计算提供 定量的评价信息，为中药质量控制提供依据。 基于这种情况我们提出了一种定量直接比较两 张指纹谱相似度的新方法：向量夹角法
大连化物所
大连化物所
2 2 2 X ＝ x12 + x 2 + x 3 + ... x n 为向量X的模
向量夹角法的基本原理
每个色谱指纹图谱都可以看作一组对应保留时 间下的峰高(或峰面积)的数值，可以把这组数 值看作多维空间中的向量 两个指纹图谱间相似性的问题转化为多维空间 的两个向量的相似性问题，利用上式能够定量 表征指纹图谱间的相似性
大连化物所
向量夹角法计算相似度的基本步骤
一 在统一的样品处理与分析测试条件下获得 色谱指纹图谱； 二 进行谱图积分获得保留时间、峰高等信息 三 根据分析时的基线噪声水平，将信噪比<5 的色谱峰除去不作考虑； 四 用计算机自动进行两个指纹图谱之间的峰 匹配，并利用上式计算相似度
大连化物所物所
实例:不同吴茱萸样品相似度比较
广西上林汤洗7编 湖南怀化
湖南新晃甘草炮制
广西灌阳
四川广元
广西百色
广西文市镇
广西灌阳茶用
广西上林甘草炮制
广西凌云仰村
贵州遵义
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大连化物所
实例:不同吴茱萸样品相似度比较
表 1：相似度计算结果 Table 1: Results of similarity of Chromatogram No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Origin (产地与炮制方法) Shanglin ,GuangXi (广西上林汤洗7遍) Huaihua, HuNan (湖南怀化) Xinhuang, HuNan (湖南新晃甘草炮制) Guanyang ,GuangXi (广西灌阳县) Guangyuan, SiChuan (四川广元) Baise ,GuangXi (广西百色) Wenshizhen, GuangXi (广西文市镇) Guanyang, GuangXi (广西灌阳茶用) Shanglin ,GuangXi (广西上林甘草炮制) Lingyun, GuangXi (广西凌云仰村) Zuni, GuiZhou (贵州遵义) Similarity 42.30% 78.60% 84.90% 85.20% 85.20% 85.80% 87.50% 87.90% 89.70% 92.10% 100%
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实例:不同吴茱萸样品相似度比较
人工比较时通常只比较大一点的色谱峰而忽略 小峰，而计算机比较则可以把小色谱峰也考虑 在内，这样的计算结果能反应谱图的细微差别 以广西灌阳样品与四川广元样品的相似度计算 为例，说明小峰的考虑与否对相似度计算的影 响。
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实例:不同吴茱萸样品相似度比较
广西灌阳
评价中药色谱指纹谱相似性 的新方法：向量夹角法
中国科学院大连化学 物理研究所: 王龙星
大连化物所
前言
中医药现代化的重要基础是中药材的质 量保障 各种色谱指纹谱在中药质量控制中发挥 着越来越重要的作用。 在不知道中药材的主要有效成分或对其 缺乏全面了解的情况下用指纹谱整体对 药材进行评价是一个有效的、有前途的 方法。
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色谱指纹谱图自动峰匹配问题的解决
大连化物所
应用实例:吴茱萸液相谱图相似度比较
我们对11种不同产地与炮制方法的吴茱萸样品 (沈阳药科大学提供)进行了液相色谱分析
样品处理：称取吴茱萸4.00克加100ml 40％乙醇水溶 液，回流煎煮2小时，冷却后放入冰箱冷冻4小时,过 滤定容至100ml。过0.45 µm 滤膜待分析。 液相分析条件:INTERSIL ODS3 柱(4.6mm×250mm ) Alliance 2690液相色谱仪，检测波长为280nm。进样 量2µL。流动相A为甲醇，流动相B为含0.3％醋酸氨 的水溶液。二元梯度分离，流速1.0ml/min，梯度条 件如下：0min-5min A:5%,5min-50min A:5％－100% ，50min－60min A:100%。
要利用向量夹角公式计算相似度就必须进行两 个指纹谱的峰匹配，判断共有峰与特有峰并把 对应的数值填入向量的对应位置，但实际的指 纹图谱往往有几十、上百个色谱峰，手工进行 峰匹配是非常繁琐的。 我们使用VB6.0编制了一个小程序，能利用两 个色谱图的积分报告自动进行峰匹配，判断共 有峰及特有峰，并把对应的数值填入向量的对 应位置、计算相似度。
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实例:不同吴茱萸样品相似度比较
据文献报道贵州遵义产吴茱萸是一种道地吴茱 萸品种，以此为基准比较、计算了其它样品和 它的相似度结果如表1。
所有吴茱萸样品除汤洗7遍吴茱萸外都比较相似 ，相似度都在78％以上，而汤洗7遍吴茱萸的相似 性只有42.3%，这说明该方法能够很好的区分汤洗 7遍这种炮制方法。 从图1的直观比较可以看出，自上而下谱图与贵 州遵义样品越来越相似，而相似度的计算结果正 好越来越高，从42.3%上升到92.1%。本程序的相 似度计算结果与直观的比较是一致的，这说明该 计算方法是合理的
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色谱指纹谱图自动峰匹配问题的解决
随着分析仪器技术的进步，分析仪器上保留时 间的重复性越来越好，只要严格控制色谱条件 就能够保证色谱峰的出峰次序不变并且保留时 间差异较小 我们的程序是在下列三条原则的基础上进行自 动峰匹配：(自动峰匹配的流程图见下图)
一. 同一分析条件下两张指纹谱对应色谱峰的 保留时间差异在合理的范围以内。(对液相色谱 保留时间差异小于1分是容易做到的) 二. 同一分析条件下两张指纹谱出峰次序不变 三. 在满足一、二的同时寻找使相似度最大(峰 高最接近)的峰匹配结果。
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向量夹角法的基本原理
n个数值组成的行(x1, x2, x3,… xn)称为n维向量 简记为大写字母X 定义 X • Y＝x1 y1 + x2 y2 + ...xn yn 是向量X与Y的内积 而 向量X及Y的向量夹角余弦按照下式计算 X •Y cos θ = X ×Y 向量夹角余弦约接近1说明两向量相似度越高
四川广元
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如果只考虑信噪比>30的大色谱峰相似度＝95％ 如果考虑信噪比>5的所有色谱峰相似度＝86％
计算机自动峰匹配比人工比较更能反应指纹谱的细微差别 大连化物所
总结与展望
向量夹角余弦法数学概念简单、数据处理过 程简便快速，在定量计算两张色谱指纹谱相似 度方面有其优势。 一般来说不同品种药材其指纹图谱差异较大而 相同品种的药材指纹图谱差异较小因此本方法 也可以用作区分不同的药材。如果利用多种道 地药材的标准提取物建立了标准谱图，那么通 过待测样品与标准谱图的相似度比较有可能判 断待测样品究竟是哪一种道地药材，其相似度 如何 ，这也是我们今后进一步研究的目标
前言
目前根据整体谱图进行质量控制的数据处理方 法主要有模式识别与人工神经网络的方法，它 们给出的答案是一种分类及定性的信息，不直 接定量比较两张指纹图谱间的相似度。但在很 多情况下我们需要利用这种相似度的计算提供 定量的评价信息，为中药质量控制提供依据。 基于这种情况我们提出了一种定量直接比较两 张指纹谱相似度的新方法：向量夹角法
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2 2 2 X ＝ x12 + x 2 + x 3 + ... x n 为向量X的模
向量夹角法的基本原理
每个色谱指纹图谱都可以看作一组对应保留时 间下的峰高(或峰面积)的数值，可以把这组数 值看作多维空间中的向量 两个指纹图谱间相似性的问题转化为多维空间 的两个向量的相似性问题，利用上式能够定量 表征指纹图谱间的相似性
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向量夹角法计算相似度的基本步骤
一 在统一的样品处理与分析测试条件下获得 色谱指纹图谱； 二 进行谱图积分获得保留时间、峰高等信息 三 根据分析时的基线噪声水平，将信噪比<5 的色谱峰除去不作考虑； 四 用计算机自动进行两个指纹图谱之间的峰 匹配，并利用上式计算相似度
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实例:不同吴茱萸样品相似度比较
广西上林汤洗7编 湖南怀化
湖南新晃甘草炮制
广西灌阳
四川广元
广西百色
广西文市镇
广西灌阳茶用
广西上林甘草炮制
广西凌云仰村
贵州遵义
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实例:不同吴茱萸样品相似度比较
表 1：相似度计算结果 Table 1: Results of similarity of Chromatogram No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Origin (产地与炮制方法) Shanglin ,GuangXi (广西上林汤洗7遍) Huaihua, HuNan (湖南怀化) Xinhuang, HuNan (湖南新晃甘草炮制) Guanyang ,GuangXi (广西灌阳县) Guangyuan, SiChuan (四川广元) Baise ,GuangXi (广西百色) Wenshizhen, GuangXi (广西文市镇) Guanyang, GuangXi (广西灌阳茶用) Shanglin ,GuangXi (广西上林甘草炮制) Lingyun, GuangXi (广西凌云仰村) Zuni, GuiZhou (贵州遵义) Similarity 42.30% 78.60% 84.90% 85.20% 85.20% 85.80% 87.50% 87.90% 89.70% 92.10% 100%
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实例:不同吴茱萸样品相似度比较
人工比较时通常只比较大一点的色谱峰而忽略 小峰，而计算机比较则可以把小色谱峰也考虑 在内，这样的计算结果能反应谱图的细微差别 以广西灌阳样品与四川广元样品的相似度计算 为例，说明小峰的考虑与否对相似度计算的影 响。
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实例:不同吴茱萸样品相似度比较
广西灌阳
评价中药色谱指纹谱相似性 的新方法：向量夹角法
中国科学院大连化学 物理研究所: 王龙星
大连化物所
前言
中医药现代化的重要基础是中药材的质 量保障 各种色谱指纹谱在中药质量控制中发挥 着越来越重要的作用。 在不知道中药材的主要有效成分或对其 缺乏全面了解的情况下用指纹谱整体对 药材进行评价是一个有效的、有前途的 方法。
大连化物所
色谱指纹谱图自动峰匹配问题的解决
大连化物所
应用实例:吴茱萸液相谱图相似度比较
我们对11种不同产地与炮制方法的吴茱萸样品 (沈阳药科大学提供)进行了液相色谱分析
样品处理：称取吴茱萸4.00克加100ml 40％乙醇水溶 液，回流煎煮2小时，冷却后放入冰箱冷冻4小时,过 滤定容至100ml。过0.45 µm 滤膜待分析。 液相分析条件:INTERSIL ODS3 柱(4.6mm×250mm ) Alliance 2690液相色谱仪，检测波长为280nm。进样 量2µL。流动相A为甲醇，流动相B为含0.3％醋酸氨 的水溶液。二元梯度分离，流速1.0ml/min，梯度条 件如下：0min-5min A:5%,5min-50min A:5％－100% ，50min－60min A:100%。
要利用向量夹角公式计算相似度就必须进行两 个指纹谱的峰匹配，判断共有峰与特有峰并把 对应的数值填入向量的对应位置，但实际的指 纹图谱往往有几十、上百个色谱峰，手工进行 峰匹配是非常繁琐的。 我们使用VB6.0编制了一个小程序，能利用两 个色谱图的积分报告自动进行峰匹配，判断共 有峰及特有峰，并把对应的数值填入向量的对 应位置、计算相似度。
大连化物所
实例:不同吴茱萸样品相似度比较
据文献报道贵州遵义产吴茱萸是一种道地吴茱 萸品种，以此为基准比较、计算了其它样品和 它的相似度结果如表1。
所有吴茱萸样品除汤洗7遍吴茱萸外都比较相似 ，相似度都在78％以上，而汤洗7遍吴茱萸的相似 性只有42.3%，这说明该方法能够很好的区分汤洗 7遍这种炮制方法。 从图1的直观比较可以看出，自上而下谱图与贵 州遵义样品越来越相似，而相似度的计算结果正 好越来越高，从42.3%上升到92.1%。本程序的相 似度计算结果与直观的比较是一致的，这说明该 计算方法是合理的
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色谱指纹谱图自动峰匹配问题的解决
随着分析仪器技术的进步，分析仪器上保留时 间的重复性越来越好，只要严格控制色谱条件 就能够保证色谱峰的出峰次序不变并且保留时 间差异较小 我们的程序是在下列三条原则的基础上进行自 动峰匹配：(自动峰匹配的流程图见下图)
一. 同一分析条件下两张指纹谱对应色谱峰的 保留时间差异在合理的范围以内。(对液相色谱 保留时间差异小于1分是容易做到的) 二. 同一分析条件下两张指纹谱出峰次序不变 三. 在满足一、二的同时寻找使相似度最大(峰 高最接近)的峰匹配结果。
大连化物所
向量夹角法的基本原理
n个数值组成的行(x1, x2, x3,… xn)称为n维向量 简记为大写字母X 定义 X • Y＝x1 y1 + x2 y2 + ...xn yn 是向量X与Y的内积 而 向量X及Y的向量夹角余弦按照下式计算 X •Y cos θ = X ×Y 向量夹角余弦约接近1说明两向量相似度越高
四川广元
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如果只考虑信噪比>30的大色谱峰相似度＝95％ 如果考虑信噪比>5的所有色谱峰相似度＝86％
计算机自动峰匹配比人工比较更能反应指纹谱的细微差别 大连化物所
总结与展望
向量夹角余弦法数学概念简单、数据处理过 程简便快速，在定量计算两张色谱指纹谱相似 度方面有其优势。 一般来说不同品种药材其指纹图谱差异较大而 相同品种的药材指纹图谱差异较小因此本方法 也可以用作区分不同的药材。如果利用多种道 地药材的标准提取物建立了标准谱图，那么通 过待测样品与标准谱图的相似度比较有可能判 断待测样品究竟是哪一种道地药材，其相似度 如何 ，这也是我们今后进一步研究的目标