Разработка методов и алгоритмов для автоматического определения масс и элементных составов ионов по масс-спектру высокого разрешения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТА ХИММЧЕСКОИ ФИЗИКИ

На правах рукописи РАЗНИКОВА Марина Олеговна

УДК 681.32+543.51:543.8

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС И ЭЛЕМЕНТНЫХ СОСТАВОВ ИОНОВ ПО МАСС-СПЕКТРУ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Специальность 01.04.17 — химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 199(1

Работа выполнена в Отделении Института химической физики АН СССР.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Додонов А. Ф.

Официальные оппоненты:

профессор, доктор химических наук Некрасов Ю. С., кандидат физико-математических наук Москвин Ю, Л.

Ведущая организация —

Всесоюзный научно-исследовательский институт по переработке нефти Мшшефтехимпрома

Защита состоится 1гг^>и Ж-Л-Я_1990 г. в час.

на заседании Специализированного совета Д 003.8-3.01 при ИнЭПХФ АН СССР по адресу: 117977, СГП-1, Москва, В-334, ул. Косыгина, 4, корпус 6а, актовый зал.

~ С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХФ АН СССР.

Автореферат разослан _1990 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

Д 003.83.01 ]/

кандидат химических наук Николаева М. И.

© Отделение ордена Ленина Института химической физики АН СССР

Л.;' ОЕЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛООТЫ

'.Актуальность то,та

."л 31 кастоящеэ время масс-спектральиыа кэтод являотгч одакм ¡¿ё1, тзуиях методов зпалзво слоаньге зпкическж: создгшонэй. ?&ее-4п8ктр высокою разрешения (МСВР) дасзт в ссбо ¡шформациэ о состаса асслэдуемого воцестаа, а такта о состезэ и кодкзствэ образовавшихся коков. Прпчои эта информация содержатся в месс-спокгрз в скрытом ззадо. Ва:шо умэть сйфзкпшно использовать полученные эксперзмэнталышо дангио дяя иззхочопил содержательной х'дмко-фхзичоской жфррмациа об лсслэдуемом вещества. Основой этого, в данном слупсэ, явяяотся устоновлонио элемааткаг составов ионов.

УввлкчмЕавдаяся слотость объектов и возрастаний объем нссладовзядй трйбуиг автоматизация процедур» пояска алемэнтяого сос-ава ионов. На атом пута ккоюгся трудности, связанные 7 присутстаиэм' в спзктрэ мудьтаплстоз, т.о. норсореврвшк паков. Другая трудность относится к поиску пиков стандарта или к зкстраго-шсга блюм разпорткя на участки спектра, но -^держащих шп® рэпсряого взщестпа.

Разработка эффективных методов,алгоритмов и программ, необходимых для автоматического устеношюштя пояОолэо вероятных элвцевтта составов копов ко МСВР в условиях, когда в исходном ¡ласе-сдактрэ клогэтся пэполгостьп разд&гешшо мультшлотныо пикп н .когда но срэншггольно больгш участках масс-сязктра отсутстьувт шага рэпарного вещества, является празгасчоска важной а остуалътюП золпчрй.

Трвбояшк» 5й»ктгазгостн провддурм пр^дполагяэ? подучешз) устойттеп< гязтодсм оценок пэизвостхг'х гозрстзтрси с шгшашю Еомаэгшяш когрэшгос'жш прт кгшсс шлисяятельшя ресурсах, я дшстуотсл ото тробекпипэ практической пригашгюстьэ процедур а- свто!гятпз!гроззпгзп еттглх обработка гщсс-стгоктрапыгл: двших прз рэаопзл ряэптебразшк гш:;ш!о-ф^з1косншс задач. ■ <

I

Цель работу

Для уецьсчог'о решения проблемы автоматической расшифровка мзес-спактра васокого разрешения необходимо было решить сведущие задачи:

1. Провести анализ требований к разреващей силе мзсс-епг8м'рам»зра, необходимой для однозначного установления ' элем&нтных составов -лозав по масс-спектру высокого разрешения.'

2. Разработать аффзктивныэ алгорятаи даы повшедая раарешенности масс-сиектрзльшх мульташютов и ездэлэняя ксшожит с определенней ш параметров и погрешностей. .

0. Разработать метод дай определения массовых чисел пиков масс-еядК'грз высокого разрешения ано диапазона репарных шссов с ¿'касяшвм уровня погрешноста.

4. (формулировать общуэ, . схеку аКективного «гиюмвтичаского. преобразования масс-спектра высокого ргзркаеыия в спектр нонов. Научная новизна

1. Впервые получена количественная оценка зависимости доли нерязрешешых дублетов от, разрешения ( ва примере органических совдаениа }.

2. Впарвио задача разделения ыасс-саектральвых муль-сшлетов сформулирована и решена как вариационная задача на условный экстремум. . ■

Алгорвда решения этой задачи в общем случае и в вр&даолояжнии постоянной погрешоста в исходных данных реализовали в вида программ на ВЭСМ-б и ЭШ типа Ш. Шогочисленше рзсчеты по разделвнию .модальных и акспернментальвых мульгаш&тов показали вффэктатаость разработанной методики н устойчивость к шумовому вкладу' в исходаые данные, числу кодаонвн? ыуяьтшдетгв. иаиданиям форш одиночного шка. '

3. Вперше задача' экстраполяции закона развертка касс-спвщда «формулирована как задача жтШтзго прогноза случайного процесса. Проверка на ЭШ БЭСН-6 аагориша

г

рогуляризоЕанного прогноза параметра розперткг по одчоЯ реализации па различных масс-спектрах ( uopl/ropiro; осина я др. ) показала зффбктквность нового подхода л определима) массовых чисэл ионов.

4. Прадаожон ношй способ опредэлеши наиболее вероятных элементны! составов ионов па основе метода мксималыюго правдоподобия с использование« одновременно юг^рчзцяи о hsccqbux числах л шюдйдлх пикон спектра и погрешностях же определения.

5. На оейовз разработанных алгоритмов анализа'и <А>>:боткя масс-сшщтров высокого разрешения с|юрлс^г.1роввио обцаи с/ома автоматического оаредолания влензятннх со станов ясиов и их вкладов в масс-спектр при налнчж! решорнъгх паков только п начало раззэрткл, что особенно важно в условиях химической али атмосферной кошкзоцга, когда трудно подобрать коцэство-стендарт.

"Практическая я тучнея ценность созданных разработок заключается в слэдуггэя.

Ноше алгоритм! повшпожи разрэшэшюстя иесс-спзктрэлыш: г.ультипяатоп позволяют получить, по крайвзй ::зрз, едвоэ фактический мшгрвш в розроютши по ерзвяош® с гюгоготн обнаружения* оданочшга инков боз пзмэшнзя конскую?.1 ni призера. -

Пагод рзгулярнаоваякой обратной •своупет, как тробунщй пзлях затрат вычяслятэлшк pocypcon п устойчяво работающий гатод. йоги? быть пегольэовая в овто.гятз!ЭЩ»1М»пша: сястоиах обработка спактралыш дашшх ко только для раздолзпяя мультшлэтоп, во а для опродолэния пераггэтров когшоноит вракгачоскя разрояэннш: щльгшштов. СоотаэхстаугщЯ! аятората в виде рабочей програггз тгшгвш в состав штзаатзяеекого оОзстачоянл йасснявктроивтрнческшс пзтшрз-гэльжьглчнелзтольшх шдаолсов ЙВК АП02Г ИВК ЯШ, . рэзра-ботгпшя в СКВ АЛ НТО АН СССР Штптрад> н серпЗно выпуска-еют на 'Черзотоповско!.! ЭЗНП АН СССР, что шэдтверддается соотЕзтствущйа актом о гтщянш.

Имеется долэнгтелышй опыт использовании катода дая обработал Ж-слзктроз.

Новый метод вьгеисдешга массових чзгссл пхков масс-спектра на основа лилейного прогноза ло одаоЯ рэзлизсисш развзрткя шжэт быть использован в системах обработки КСЗ?, как пра атмосферной и химической кошзадаа, когда подбор юясодядах гвдаств-стагдзртоа является затрудаттольЕым.тэк и лр;: другиз видах ионизащш, когда поиск пиков стандарта ззтрудяаи.

Разщгий подоод ькгбт найти лртюнешш в задача з калибровки спектральных а другие талов црабороэ.

Прэдоккэкяал и обоснованная общая схема вторично! обработай UCBP мэгзт Оичь долазаа в основу развито! систем иослодованая сложных хякдческиг соединен^ масс-сшктралыав методом с вряшшшек ЭВМ.

Осиоучша иоложоязя, шносюдге 'из зациту.

1. Результаты расчогов по оцэшее доля неразрешенных дублето в масс-спектрах органически соедаяогай различного состава

а найденные ври этом закономерности.

2. Два метода повисшая рэзр&аэшоста масс-са&ктральнь культжшзтов - метод регулярмзовашой обратной свертка ютод рэгуляржзоватюй деконволвдаи.

3. Реализация сшуветсгвувднх алгоритмов на ЭВМ и результат их проверка ев [юдзжш и зкегоршлзнтальшх мультшлетах.

4. Ыогод прогнозирования массовых чисел раков, расположена! вне диапазона рэаерньк ликов» и результаты его реализации ; ЭВМ.

5. Новый подход к прообразованы» МСВР в сдактр ионов . основе метода максимального правдоподобия.

Апробация работа. ' -

Основное' результата, представленный в дассертавд докладавалась ва 21 с IV Всесошшк хсонфзрбащшх по шзс 'сдаотрокэтрш { 1974 г., Лошнград, 1986 р., Суш ), на ] .Сеышарэ "Исшльзовйшэ . бнче«нт0Дьшх шшш

спектроскопии молокул" (1975 г., Новосибирск ), на Всесоюзном симпозиуме по кинстаческой месс-спектрочорм (1977 г., ¡.'юскоа ), на IV Всесоюзной хон1»ре: чиа по. аналитической 2л.\г,и органических соеданенлй ( 1580, Уосхоз), на Новосибирском' дналатачсскон семинаре {1981, Новосибирск),' па се.'шарсх а конкурсах зэучнпх работ математического отдала а ОКСХР 01® АН СССР. Публикации.

Ш материалам диссертаций опубликовано 12 печатпих работ. Структура п объем диссертации.

Диссертация состоит т введения, 4-х глав, заюичения, выводов, списка вдтаруа>ой литературы я приложения - акта о введренш. Работа лзлсиона на 166 страницах машкюиасшго текста, включая 6 таблиц, 32 рисунка* Список литература содержи 65 наиленоватс! ( 10 стр.).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во йзедэжш отмечена актуальность с-Тормуляровэны

цель н задачи, посте лешгае и решенные в дассрртпцяи.

Первая глава является . литературами обзором по гтатодзм регистрация н автоматической обработки масс-спектров шсоко-го разрешения. Под обработкой понимается как первичная, проводит о реальной масптабэ вромзнз и вкличащая обнаружение гиков масс-спектра л .определение параметров одиночных ттса, так н вторгчяая, осуществляемая во вторачпом каснтзбе вреда пл. Конечная цель вторачноЭ обработка состоят в цряводэяия кясс-спектрз к ввду, удобпому . для кгэрпротзцан лсслодователек, В диплом сдучао вторгггазя обработка .заключается в преобразован®! гласс-спектра, заданного параметрам одшючшх пиков - прогоном выхода центра пака я шадядья в спектр попов, определяв?,ай

атаеттншг. составом нона . я ого шладш в иасс-спвктр. Прввгяьпсэ опрэдолепиз касс й элэкэнтамх состегоэ ионов", в чвстности . брутто-фзрГ;?ул1 соэддшзшв!, является основой дрстоворноа иатерпрэтацпа кзсс-сшктра высокого разрешения

5

при структурио-хкдачесхах и друггх не«ссоч*изическнх исследованиях.

В судвствум^и подходах к решении-этой задачи с использованием ЭВМ наличие в масс-спектра нз разделенных по порогу ' обнаружения мульташтоз затрудняет автоматяческув идептафи-кацшэ лаков .иасс-сявкгра. Ийювдазся метода разделения гиков мультанлетз да работает устойчиво, поэтому не могут быть использованы в. автчзтязнрованных системах обработки масс-сяектров высокого разрешения. Другая трудность связана с правильно! вдовяфйсациой. -инков стандарта и обусловлена пронеданЕзм дли налохен-лзц с накален исследуемого вещества, Кроме того нри некоторых вздэх ионазаом, например хама.'ческой наш -атыосфорноЯ, трудно подобрать подходадиЯ стандарт в шроком дашазоно масс., Общепринятый способ определения ыассошх чис&л с помЬпфа штераолядаи закона .ргзвзртки по полному, построенному по репернкм шшаи с точно -кссвстлаля мнссажг, можат давать ошибки, тахге. что ггршх^дзя здоаифкзарая паков вевго масс- спектра делается аовозйохшй« 2 совсем йеПрШЮТИМ в -условиях отсутствия роторных.никои из-за роста погрешности определения массы по ко-ро удаления от реперньсс паков.

Элементные состазы ионов, образующих масс-спектр, отображается не только в массовых .числах соотвэтствущи пиков, но а в соотношениях мэаду шюдадага так называемых нзотошшх гиков. Метод определения злешптных составов ноноз по массовому числу с учетом вклада в масс-спектр изотолнш: элементов, нз сшси которых, как изеэство, в соответствии с природной распространенность!) состоят обьгевне хтшескиг' соеданшзл, известен в литературе как катод праведення каса-' спектра к ыононзотощюму взду. При расчета ьговоизотопЕнг Ш£№сщвтст0& раазтоу, с&ю&ш уравнений" только дм-вабладаемш: ынтоисивностой могут' возникнуть трудности в случаях, когда общее число составов превьшет число зарегистрированная пзков.

. В атой ш главе описан иотод регуляризации, кз едзэ

которого основаны разработанные в дасс&ртации устойташэ методы повышения разрекевзости масс-сгоктральных мудьтдзле-тов н прогнозирования массовых чисел ляхов вне диапазона репершх пиков.

Во второй главе проводятся анализ требований к оекошяш параметрам; хкшеиж ыасс-спэктрокатров - разрьазмцвй сило и точности определения касс - для одоозгатаого уетанопхоаая состава соодиновая по МСБ? (для оргэжтсг.гх соеденожй).

Отдельно рассмотрел вопрос дал пика молекулярного «она, кассовоо пксло которого несет оспошув ¡цс'ермоц'.га об злсион-тнон состава соединения. Ерл азализо болмгинстаа органических соединений достаточно учесть лсхажащее вллдпзга дублетов, пороядешш изотопными от осколочнгк попов состэ-Bst.51, со следущи.!Я найме ньоти разности масс:

лг(13С - 12СН) = 4.4-10~3а.о.к.

-&т(14Ш - i3N) » 10.7-10~3а.о.г*.

WOH, -1О0) в 11.4-10~3ч.е.п.

Зпачвшю разрешающей саш R, необходимой для разрешения' возггетис дублетов нз r.;scce 800 а.о.?!., оясзиэвзтся ршлшк 200000.

Прз решении вопроса о зпачепая R, пообхо/тс::;" дли однозначной шдептпфаиащш инков осколо'шых ясно», по задавши кассе н и погрезпгостл cli по зв'( БЭС!.? й «яссчзгшвмесь гйпотояиосгп» coctsfu попов зэдвпшд гппоэ'и подттюялвсь доля вэрвзрвяенаш: дублетов прз различите апзчзксп? ¡«.ягоши щой шли В D дяшзсот Ю4- 10°.

. На рис. 1 щэдсжшпт грэййша эссасг^стей чсил ш.рвзра-пептгг дусйютов от тазсси для составов с? -з СпЦ.,0 щс r>'s 5, a s G прз p$amz роэрязтък, ирэгс>я$т>у psrwrx fyzt пзкотора: цут. -вазяхавю:- составов (woKsrrt-c; гсглгавз шве CL шя Вт) показала, что дохя Еорезрспшггг. лл-зтоп па больэгг: кзссох при ваддшш розр&кжл ягл j-^sjnsfnr^

coctocod ' •

I" C.H.C,«,

Рис.1.Зависимость доли неразре-

шешшх дузлотов от шзсси для составов вадз С НО N

поре]

По результатам расчетов били построены зешстаостя доля неразрешенных дублетов от волилшш, обратной рэзрэЕОшга, дрн максимальной расчетной массе И = 500 а.е.м. дал составов Бнда СлНА10 Яч прг ограяетйнмх р^бич^бя массе 320 е.е.к. для составов типа СпЙгОрМчБг при тех з® ограничениях на р и ч и г ^ 3. Эти завлоакостя носят практически .тякййгаа характер я Оятаки для составов разлившего вида. Как показал*! расчету, для составов ьида СП'"!,П0РКЧ2Г вс: дублет до массы М=300 оказалась 'разреш&швм только ирг И = 106.

Из соотноэдния для точности мессы, обуслоилонной погрешностью еврэдздения. центра пака, при экспоненциальном закона развертка ж форма пика, близкой к гауссовой, и дашш расчетов

с Ш 1 л--

КГ"* -g- >1/(2 /б-S Ю

можно зашагать, что дня однозначного определения составов ноиов по массовому числу пиков при ялоащц (антонсавности ) S. болов 1Ш ионов на пик для указанных составов требуется раз-р'бшвиа шрядаа ICO тыс., а в случав наложения шков й -1 ши, что конструктивно чразвэтайно слошо к дорого. Поэтому разработка, математических меггодов и алгоритмов повшешя разрешенности мультшлэтов и реализация их ва ЭВМ шар? бодыгао практическое значение. '

Рашешш ата задач посвяадвз третья глава.'

'Особенность иасс-сшктралъшх мультапштоа состоит в той, что исходнаа данные, йолучвшше вря рагастрацка ИЗВР, иргу? Eísíb большой вклад иукз. Решая форашеьва ураннэнио свертки

I<«-> * /ç(t-T}i<T)dr, (1)

жязквахщэго истннннЯ сигнал l(t) и ваблядаекнй% I(t), годучим:

СО

i(t) = 1/(2п) J eiut[ï(w) / 9(u)3d« . (3)

-со

да 9 - некоторая аппаратная функция, воспроюводящая фор?<у дапочгого ппка, о ? - прообразовало Фурье от <р. При пвлн-Ш1 дахэ незначительного вклада пума в исходкыо данние, т.о. î I(t), решение (2) оказывается неустойчивым как рэшв^иа штегрального уравнения 1-го рода, которое, как известно, таляэтся пэкоррэктпшд в классическом скыслэ.

К особенностям решаемой задачи следует отнзсти и тот' факт, сто форла одиночного пнка точно неизвестна, а тага», что гасло компонент мультшпэта заранее неизвестно. Позтоиу существущиэ мето^ч разделения сложных мультнплетов ¡фактически неприменимы в автшатпзпроввншх системах обработка мзсс-сггактральздх данных. В диссертации разработан ЕОЕыа подход, обесшчивавдай коррактнуи постановку задачи а, глэдоватальйо, ее устойчивое реванш.

Пря регистрация КСВР в pesa?« счета ионов измеряется числа попов J(к) за последовательные ревтле интервала врокэ-ез at. Eosno считать, что J(k) - статистически пззпгктсг"Ч п сайт пря достаточно малых J(k) пуассоновскоз распрэдехэззэ с известкой оценкой дкеперепп J(iî): ог(к) -з J(k).

Уровень пука в пеходпнх даяшк J(k) определяет то гагагзс-гео росепнЗ, коториэ прпблкшннэ, со статл*'пг?вскн дакуеш-rs>3 точностью, давяэтворявт уравкэщеэ свертки (1 ) .Метоката-чаехш ото !"озззо внрвзпть стэдущпгз соотноЕопгэш

2[J{k)-J(k)32/ea(l<:) * N, 13)

k=o

гдз К- число интервалов регистрации, J (к) есть среднее значение J(k), связанное с искомой фушсцшзй i(t) следующим соотношением:

к It со

J(k) * /Ittjdts J /9(t-t')l(t')dt'dt.

S \ -00

Идея регуляризация» т.е-, получения устойчивого приблажен-ного рбЕоьня, как известно состоит во ввэденяа й постановку задачи дошянатэльного условия на решение,. Б работа таким условием является следудаве

00

. ш1п L в _/11<«.)1£<л,

■ т.е. из всех решений, удовлэтворящих условин (З), в качества искомого беротся р&шониэ с минимальной нормой в Lg. Такаы °образом имаем вариацжоннув задачу на условный экстремум, которая решается мшямазациай функщонала

' - L + «, (4)

где ь. - множитель Лагрйв» ила параметр регуляризации. •Из необходимого условзя шшщудафузкцшшвда (I) s общем ' едучт приходам й штегрзльногду уравнении 2-го рода .которое, кар известно, является корректным и имеет устойчивое ревшнае.

. При условии, что ся(1с)а о* = cohst н at - мэло, шен0 . шдучЕТЬ аналитическое р$шэшш, шевдэе вад свэртка:

М-1 '

К v.V « | J(p)? ( , . (5)

Ядро свертка да гауешана о Ешршюй о, шее* вид:

■■'"•■ / ' • ' О

Ю

Л)

Паршэтр рэгулярязацяя » » 1А находятся из у словил (3).

. ^акой способ 'решаяия задача повшгешл разрошепноста мультшшта предлагается называть методом рагуляряэоваяной обратной спэртка.

Пранзмая по пшшашо тог факт, что нсходао пвсс-сттптро-лгьшо дапша могут вшть шпостошшый вклад шума.юагзо шзть алгоритм раздэхшшя пиков, учитывающий ото обстоятельство. В дпссортацпп разработан общий подход к задача повшевпкя разрааовал мультаиэтов, т.о. когда о"(к) рззлшш.- Основан оа нэ представлении решения (2) в вида:

шп, учитывая дискретный характер ясходщх дашшх, аналог опэратора обострения для стязтрячшх ашаратниг функций в разпостпоЗ фор?« еээт вид:

гдо йа - одкшший опэраюр, г.о, = «К*). ■

* Дки) - гЛк) + Лм-1), лл+г= лг-лгк

НозМацаэвти ак егшшянгся из условия сусзния сродвегаад-ратпчной чзтрэии пшата кульоткета <г0 в заданное члсло раз п гйаиггаяьпости су?.е.и квадратов значаща рзшехш по "хгостах" лра сохрапошщ пяоада йулытпэта. I

Слэдув? закатить, чго йэшсрздствэшюо " пришили ' опора-тора Р к.йсходше« дакЕКм, гаажцт* шумовой вклад, приводят к зяачпташхта оашдяящш? в рззэшш. Для подучоиал устойчиво-

(С)

п

А „

(7)

II

го решения необхох^иа предварительное сглагпванна исходтт данных. Процедура сгле&язання предлагается аналогичной (4), но в днскрогно.1 фор'да. Благодаря специфической структура матрицы конечпо-разностного оператора обострения приходам к явному выраавцш) сглааюнннх исходных данных, к которым применяя обостряющий оператор, получаем искомое решшю по метода рагуляризовааной дэконволвдаи. Параметр рэгуляразадаа х вычисляется такая из условия (3).

В тж/чтг-рм решении находятся локальные наксимуш, в окрестноота которнх по трем точкамстроятся параболы. Координата изяе^аш парабол принимаются за параметры компонент мульт«зя»т». оценки дисперсий параметров найденных ком-поичч'х мултрагетз вычисляотся ковариационная матрица значений решения. В работе приводятся формулы дая расчета дисперсий хюяоз8шя и амплитуды (площади) одиночного пика, входящего в мудьТшшг.

Разработанный соотвэтствущий алгоритм 1, реализован I вэдэ стандартной программы на ЭВМ БЭСМ 6 на языка АЛГОЛ ГДР. На рас.2 приведен результат его приманзная к модальном} мультжтту. Отношение сигнала к шуму равно 10:1. Расстояние между пиками составляет 2.5сг0, ао- среднеквадратичная пиринг одиночного пика равна 4, а ая- огадаемая среднеквадратична! иарща результата равна 2. Многочисленные расчеты показал устойчпвуп работу алгоритма в широком диапазона шушвогс ' радада щ нсходшю данные - как модельные, так к эксгорзмэЕ-тальные. С помсщыэ разработанных алгоритмов была обработай культаплетн зарегистрированного в реянмэ счета ионов масс-сшктра карборава на кассах 141-146 а.е.м.

А0.

Рес.2.Результат разделения (£ модельного ыульташта ()) яр; действии обостряизэго осэратор. с с*= 12 на сглашш© ссдода^; данные (2).

На ряс.З дан пример обработка по алгоритму 1 экс: .ершен-, талыгого глультшхл&та из масс-спектра карборапэ CsHt2Blo па кассе 142 а.е.м.

Рис.3.Кривая 1- исходный муль-ТШЛ9Т.2 - сглаженные исходные данные, 3 результат тействпя обострявдого оператора с с*=12.

Алгоритм 2, соответствувдяа методу регулярззовэнной обратной свертки, бил реализован на языке алгол на ЭВМ БЭСМ 6 я язнкэ Фортран на ЭВМ СИ-3. На ргс. 4(а)-(б) представлен тот гз мультншгет масс-спектра карборана. что я на ряс.З, и результат его обработки при различных зпачвнжл параметра регуляризации и. пра разделения пиков мультиплота качество решения зависит от значения v. Так найденное оптималытоэ для юдельнш: мульташготов значаще » = O.I доэт удовлетворительный результат пра обработка акспэрямэнталъннх мульташгетов.

Время обработка одного мульташгата -0.1-0.6 гап.

ть

! \

обрзсэтка скрнзгл 2) по аягортзяу'

2.;cí^ssí»tó7a,'KK>x4} ('), что и ка .ряс.З

. В тайтш I приведены данные пряного расчета отвоснталь-шд шпенсльностеа (к^ ) составов ионов СгН12В1о с учетом изотопных вкладов и их масс (т). подгверадаадие правильность разделения мультшшетов масс-спектра корборана по алгоритму 1.

Таблйцэ I

Состав е кв о(ке) лгс а(дге)

ЯА'Ч'Ч 141.171 1.39а; 0.3

С^^В^0^ 14-1.182 ];еа>Бг 1.54Эг 0.08 20 19 0.9

<У*и1Ч*Ч оГагЧ с*б,3х 20 20 1-3

С^а11^10^ 141.205 о^гд^о 0-258^' 0*03 20 СО 1.3

вЛгХ*Ь1% г'.5 )3з 2.4без 0.47

142-1Т9 2.17^ 0.12 19 17 1.7

,42И90 1.'ш>51 1'0251 0Иб 19 20 0,9

СгН1г118^10Вд 142.2(2 §:||}5о 0.76^ 0.05 19 20 0.9

й;Д/}Ао .143.163 < 4 = 280, о-^) = 45 )

СД<.'-1В91°В1 143.175 |;§Т}Бг 1.8732 0.1 18. 13 1.4

Ц&^Ч10^ 143-1861.21^' 0.16 18 19. 0.6

Сг^г11в710йз- 143.153 1.72^ 0.08 18 19 0.6

СгН1011В10 144.171 > Б2 < в'г = 2340, = 109 )

СгНцивв1°й1 144.183 |*|7}Б1 -1.175^ 0.16 17.6 16 0.8

144.194 ^о?}^ 2.313о 0.1 17.6 20 0.8 СА^Чо 145.179 С 660, ^(Э^) * 62 )

Л&г11^10^ г.*!7*5© 2.45£>д 0.1 17 16. 1

.«¡¡Аа'Ч'о 1*6.187 30 2160, 70 >

14

д^. о(а^) - акспершонтальнив относительная эвддь компоненты мультяплетй. погрешность коэ^фодгента, зность времэн выхода двух соседям паков «ультшиата и видартгоэ отклонение. вичяелошшэ разности вро?лоп

птроз пиков мульташ19Та.кс- верхнее пра значении распрост-ценности Р»ов= 0.185, нижнее - 0.2.

В таблица 2 даны сравнительные результаты обработки шести

Таблица %

гортам

1

а

и аХ Й о5 ■ Л "V Б

6.3 0.8 390 50 7.3 1.2 340. 34

■1 24.3 0.4 3600 1С5 24.8 0.6 3700 • 114

44.5 0.5 400 " 50 45.2 0.8 370 .37

64.2 0.9 540 60 65.2 2.5 520 '. 45

11.5 1.1 300 72 10.9 0.5 360 39

12 28.2 0.3 5070 157 28.1 •0.6 5150 140

48.6 0.7 670 84 ' 47.0 0.9 555 45

68.9 0.4 1650 103. 68.7 0.7 1600 77

10.8 0.5 280 45 8;0 0.6 245 33

13 24.2 0.2 4370 130 ■ 23.5 0.6 4600 130

43.5 0.6 800. 70 42.7 1.5 630 60

62.0 0.1 3750 122 61.7 0.3 3620 116

12.6 0.4 2340 109 12.8 0.4 2200 80

КА 28.9 770 74 29.2 1Л 760 48

48.2 0.2 5040 160 48.6 р.6 5200 122

45 / 6.7 О.Т . 660 62 7.3 0.9 4Ш 40

24.1 0.8 5350 144 24.9 0.9 5500 150

46 13.7 0.2 2180 70 12.6 1.7 2180 104

цулътшдатов в «асс-сгоктрэ керборана С^Н^В^ с пошцк свертки с 1(0.1,к) пра о'=12 (алгоритм 2) а с поючда! оОэстрящаго оператора ( алгоритм 1). Н - номинальное кассовое число ыультшлета; to, ata - положения одиночню паков а их стандартный откдоненая; S, <&'- шодада одяночнш пиков к юс стандартные отклонения. Вмгно вздеть, что данннг расчетов в пределах погрешностей хорошо согласуйте мозду собой.

В результате вичжуотелъкыж экспериментов на надельных ; рэплыш мулытльтах проаарэна устойчивость алгоритмов:

- к аумовоцу вкладу в регистрируемые данные;

- к числу пиков, составляэдих ыультаплет;

- к отклонениям аппаратная функции от предполагаешь гаус совой кривой.

Это позволяете использовать разработанные в дассертащг алгорятш в автоматизированных системах обработки МСВР Благодаря малым затрата» ресурсов ЭВМ - памяти и времени программа, соответствующая методу регудяразовашюй обратно сшртки, вкшжна в состав математического обзепэченп ИВК-АГОЗ, раораоотанного »6'СКВ АЛ НТО ДИ СГ.СР (Ленинград) предназначенного дая евтоыаткческой обработка касс-сшктрэ дышх данных.

Следующим иагом в пр&образовашш масс-спэктра являете пароход от врэшшоЁ Екали к' массовой. Четвертая глг.е посвящена вопросам, связанный с определенней кассовых часе паков всего кзсс-споктра н нваболэо вэролтнах составс соотаатствувдях го« танов.

Пра осудоствл&зна аксаопзшщашюа развертка «асс-стага роштро трудно добиться азьэаокйя кагпатпого воля Я "точно i закону Разлтокз прлЗоргаз фактора щшадят

отклонешэ от него, а ато мэеэт сказаться на точности спр; деления касса. Обично щтаэняоьгая лолапоьзгальная апзроксалг; Пая хорошо .рзосугает деть на Baóamzzz участка! рззвертз

16

[ясс-сгоктрэ, что приводит к определении труднос-ям при.

юлске рзпергапс пиков с помощи экстраполяции закона разюор-

■ки.В работе предлагается гЗДдктивннЯ метод экстраполяции на

»сновэ лннзйного прогноза случайного' прэцосса ?<t), например

энного JLn ti(t)n <*t, где а - скорость и направление

зазверткн, U(t)- массовое число. Задача прогноза, т.е.

>пределезил значения развертки ?{t) в момент времени t° по

тзвестшм со значениям в иоконти t < t < • • ■ t , сводится к

S

зострсикэ прогаозлрувдей (t,))= fit) вида

IV

наилучшим образом, в сжслэ минимальности дисперсии, прибли-аящей значение развертка в t° . : Неизвестные коа№щион'ш Gt находятся из условия мжшука дисперсии. необходимое условие минимума приводит к системе уравнений относительно неизвест-гшж коэффициентов С.:

где m<t. .^-корреляционная функция случайного процесса <(t). Такая 'система не всегда имзет единственное решение, т.е. так посгавлонаая задача может оказаться неустойчивой и, следовательно, в таком вида дат од црогнозз не может бнть применим в автоматизированной системе обработки масс-спектрвлъных данных. Для получения устойчивого решения предлагается в шстановку задача ввести дополнительную информации о решении в вадэ:

ain .Jet .

т. е. требование швимуна дисперсия оценки прогноза, обусловленной погрешностями вычисленных центров пиков при условия •

t

I iw-^il^.

с leal

где сгисйя-егарокстаацал реализации е (г) в к-ог,

спок'гро. йдарм взряационнув задачу на условный экстремум, которая решается г-ишшизациай функционала Лагразха. Длз таком подхода необходимо кмзть много реализаций р8звэртга обрабативаашго спектра.

В работе разработана г проверена па эксиершэнтальнш {ласс-спентрбх юдифгкацяя рагулярнзовакного линейного прогноза парамэтра развертки по одной реализации. На рис.5 даш сравнктелышо результаты зкетрацолявди массовых чисел п< одной развортко иасс-спектра пврфторкероскна (ПФК}, снятой пэ масс-спектроштро ИЗ-3301.. Экстрацоляцад по прогноз; (в данном слутао в качество прогнозируемой волнтаны {<Ъ

рассматривалась -/¡Г ) оказалась на порядок лучше, чем п< сплайну, лябо по полиному. Весьма обнэдоаивавщвд оказало, прогноз разности Ерэкэн выхода соответственных пиков в дву: развэрткох иэес-саоктра. В таблица 3 дани результаты такоГ) пролюза для двух реалнзадай развертка мэсс-с ектра парфгор кароезша. 1- время центра ппка в дарвой роалазцад, лт- раз кость &реюа центров соотаэтстЕонньк пиков в двух касс-спек чра!, бпр - ошзбха промоз» ДТ, <*еп- ошбка олредэлешя л? вкстрадалйца&й по сглагападцему сшгайну, М - юшнапыюо шссовоа число пака, с- обуслоалвюоо стятастиной ионного стайяартйоэ отклоявнгэ д£.

Рйс.5.Разность есшшой масс а шес-споктро 1Ш1 й экстре

н noJisposaEHoa fío прогнозу -

крнвля в т ешхейпу - Крз

2QSS л.

ТаС'Тща Э

Í л'Г . órp ¿СП <7 M

29389.6 2728.1 -0.81 -3 0.3 132

31199.0 2892.6 -0.55 -б 0.2 143

31357.6 2907.2 -D.39 -6 0.4 144

32280.3 299!.1 -1.57 -7.6 0.6 150

32430.9 3004.3 -1.1 -7.8 0.2 151

33021.6 3058. i -1.25 -8.9 0,3 155

34021.4 3149.4 -1.78 -10.4 0.2 . 162

3¿16í .7 3162.2 -1.77 -10.6 0.3 163

34709.7 3212.0 .Д6 -11.5 0.5 157

35112.6 3249.0 -0.91 • -11.7 . 0.4 170

35638.4 3295.9 -usa . -13.6 0.5 174

1.5770.1 ЗЗС8.8 -0.9 -12.3 0.5 . 175

36281.1 3354.8 -0.12 -14.0 0.7 179

36657.3 3339.6 0.43 -14.2 0.5 132

37149.5 3433.8 -0.98 -15.5 0.3 • 186

37936.3 3510.1 Q.15 -16,7 0.5 193

38104.1 3520.9 . 0,29 -16.7 ■ 0.7 194

33565.1 3563.1 0.04 - -17.3 0.8- 193

33793.7 3584.1 0.1 -17.4 0.7 200

ззэдг .0 3593.0 -1.39 -18.9 ' 0.5 201

35352.7 3Ó33.0 -1.81 -19.7 0.4 205

¿0114.2 370'-. 2 43.75 . -19.5 0.3 212

4С221.7 3713.6 -1.2 -20.0 . 0.4 213

4Ü6¿2.8 3752.2 -0.64 -20.3 0.5 217

4С953.9 3779.9 -1 .34 -21.5 0.6 220

41361.9 3816.5 -1 .97 -22.6 0.5 224

41463.7 3825.6 -2.2 -23.0 0.6 . 225

41863.5 3863.3 -1.13 -22.3 0.5 229

42158.1 . 3888.9 -2.5 -23.9 0.5 232

42545.7 3924.4 -2.35 -24.2 0.4 236

43С21.9 3969.3 -0.73 -23.4 0.5 241

43203.2 3934.7 -2.26 -25.2 0.2 243

43302.1 3994.2 -1.35 -24.4 0.7 244

¿3571 .2 4020.6 0.49 -24.2 С.6 248

43553.? 4СБ*.4 -2.32 -26.6 0.4 251

44302 1 '065.3 -0.95 -25.9 0.3 255

44743Í0 4125.2 -0,98 -26.7 од 260

45038.1 414S.1 -1.73 -28.0 0.5 263

45345.3 4179.2 -1.58 -23.5 0.3 267

46016.1 4240.S 2.5 -23.9 0.5 275

Как видно из таблица, погрешность прогноза равна 1-2 ¿г;тго?ам на ингзрвзлз в 140 о.а.и. При пересчета в tssccy aro ЕЭ HS$BliXÍ;í:r 0.-QZ f¿2CCÚS*/3 ЗДЕШЦУ. КСПМЬЭОйОЗЕЭ УЗКОГО

подхода к определению массовых чхсел ликов сшхтра открывает новые возможности для кшкбровка шкалы насс при хашчвскоа щи атмэс^оряой модазоциа, когда трудно подобрать регорзше вещества во всем диапазоне месс.

Итак, в результате проведенной -обработка: масс-спектр задается параметрами пиков - массовое число, клтзнсишостг {площадь), а также погрешностях« их вычисления.

После вичксленая массовых чисел масс-споктралышх пнког для последующей юпвроротаидаи данняг" необходим преобразовать полученный масс-спектр в спектр кодов» т.е. определять зломоитнио состава и количества ионов, порождениях наблздаошЭ масс-спэктр. Осуществляется втс слодущгм образом: по пассе а ее погрешности находятся возможные составы, рассчитывайся их изотопные спектры затем приведением квсс-спектра к шноязотопному вид определяются наиболее вороятиыв для данного акспэримэнталь ного спектра составы вонов д ях количества. В работ предложено оценка мовоизотовныг иатенсавностей, соответству щдх количеству испои соредоленного состава,находать методе шшешального правдоподобия с вспользоврчаей в фушща правдоподобия крокэ штонсишюс-твй тформацав. о массош чжслих паков, что обесточивает большую, надежность в достове ркость получонннх результатов. Это оказывается весьма cjuoc твонннм, вела гоадть в взд, что полученный спектр ионе будет слуаять всходао!.. информацией, для. «идущего атаг обработка - гнтерцретацш масс-споктра щбо -устдаовлаш структура Ессшдуваог^ соедшепая.

ВЫВ О Д Ц

I. Путем катецзтаческаго модалзфовапая прэводоко последов нке взегдасвязк оейоша параметров гисс-спэктрэгазтра .- ра рэлюадвй сала s точкоста опродзлепая касс с зозкоглост устааовланая влэеэнгшз составов еопоз к as емадрв в нас сааэтр.

а> "Усташ&аяю, что для однозначного опредадання состав

Н2И00Л80 часто ЕСТ5ЧОТТНХСЯ ионов, состоящих из

C,H,0,K,S, icíesrnts з споом составе но более чем по в атомов 0 :г К ж меого 3 атомов S, с массой до 300 о требуется разрешавшая сила не менее ICO ООО при narrar,i но мояое ICD ионов в соотгстстаул-ем такэ мгсс-сыехтра.

б) Найдено, что для массовых чгсел в диапазона 300 - SQ0 в доля неразрешенных дублетов ионов указанного состава практически обратно пропорциональна разрезало:! ' силе прибора. Близкие зависимое1:..' обнаружены и длл всех других рассмотренных составов попой.

. ; po,2uixt3i;poBüH ряд вариантов роетпш задачи .покпишгхч isapeiiot-MocTii масс-споктрадкка иуйыгсскотоя с заранее шззестаым числом сюставл-тада оданочжх гжсв. Йлергег; зта фсблача с.!ормулзротзакэ как вариационная задача аз условный жс?р*мум с цель» обеспзчеЕШ ycvoJfcBtBocrrs? ротс'Нкя к зумовому вкладу я .чалым асгааэгамм формы одиночного пика. й) Остеьствлена ггрогрзг&шая реализация двух разработанных алгоритмов разделения масс-спектрслыпа: хультиплетив, э&реглстр^ровалшх в ре;га<:з счета ненов. Вычислитель;«*!) акемрилиды un модельных и реальных мудьтяплеа-гх (в масс-спактре карборзпз GjHtl3io) .показали ¿Кекгигность разработанной программы - 1шст$лм в вфМзлтивной разреинвдзй способности примерно двукратный, уменьшение точности спределогш? основных параметров одиночных пиков примерно ^ два раза по сравнении с обработкой разделенных прибором пиков, время обработки среднего мультиплэто 50 ~ 40 сек. работы г игрального процессора ЭВМ БЭСМ - б. б) Реализован в качестве рабочей программы на измерительно-вычислительных комплексах ИМ АП 02, ИМ АП 03 один из разработешшх наш штодов, названный . методом регуляризованной обратной свертка (алгоритм 2). На многочисленных шдельных и экспериментальных примерах продемонстрфована в целом не мэньвая зффектавность, чем реализованного ранее подхода (алгоритм 1), нри более чем

на порядок ыэньиом врамзад обработки мультиплета.

3. Разработан швий подход к определения массовах чисв пнков масс-спектра ¡высокого разрешения, основакшй аа мэтод рогулярязоввяного яяшйшого прогноза закона развертка п решраым ашсам в тмедувдан масс-сноктро, обэспачивавдий сродном нв порддож дучшуа точность, чем обнчне полшоюаяьная экстраполяция.

а) Роалкзован в ввдэ программа для ЭВМ БЭШ-6 вариаи кэтода прогноза паремзтря рззБэртка . по одной с

рэалвзящга. Проводаш расчеты по прогнозу /1Г и 1п К гасс-спектра перфторкероснна. Лучшая в сродном точносч прогноза была получена в первом случае, что п^цтворэдас висказэнноэ в дяссертацян предоолозюшю о шрспэктивнос1

прогноза /¡¡Г по одной разворткэ масс-спектра.

б) Разработана программа прогноза разности времен шзсвд соответственных пиков о двух развертках масс-спектр* Получэншз результаты па ггасс-спвктрах перфгоркеросш! снятых на каес-спэнтроиатрэ Щ-1320, показа, перспективность йошго подхода к прообразован! вромэнноЭ шкалы в иассовун особэшю для -сшсс-спектр хЕМЕЕческоЗ и отшефорцой Еошкацнн - но пптерва кассовых чисел болэа 1«) а.олз. посла последив: ¡роторного шкэ погрэшвооть прогноза в {гассовж единицах : превышала, как правило, 0.01. ...' ■ "' ;

4, Продлогзна <жайа аффективного . определения ваабол барояша элакзнишх составов еоеоз в шюс-споктра шеоко ^юзроаоизп пз оЬшвз прзводэния . шсс-своктра "ЕовоЕзотопвоку взду . прз одаоврэкотаои использовав •щ^пргющш об штонкшЕостгк шков, ех шссовшс числах соотватствусдЕх 'штрашостаз.

Осшшю ^розультеш дассортацпз ШДОЕОЕЯ В сяэдав публикациях:

Д. Твд&розэ В.В.,РвзЕшзва И.О., Розкпкоз и.в., ервдмки Г.В. Ташрэйавзнаэ г^бга^ш оргашчоскЕК совдвнзвЕй

начевмям лМ/м и трэсКшагая к разрешающей способности химз-оск:сс масс-спвктрожтроо. // 1Г Всэсотная конференция ш' асс-спвктрометряи: Тез.докл.,1974, Ленинград, Наука,с.63-64.

Rasnlkov/ W.W, ,Нозп1котгв Ы.О. Bestlmung der üex.ent-Ziis&Tmenß&tzung der Ionen In einem Massenspektrum .oher Auflosung auf der Crundlago einer statistlachen jiQlyse der Ausgsngainlorniatlon. // Coreputer-Elnaatü In ler'AnalytiX: Thea.Auftr., 1977, DDR, c.45-46. 3. Рйзеяков B.B., Разиикова M.Ö., Твдьроза B'.Ji. О rpetfoBsrciKx, нродышляо.'шх к . разрешающей силе .юсс-спехтроматроа в opraimoticol а биоорганическоЯ химии. t/ Х&Х - 1979, "Г.34, Л 5, O.I01I- 1015. '

i. ßosnifcoy V.Y., Rüznlkova И.О., Tal'rose 7.1 Resolution L*equireaent3 of MS in organlc and bioorgarjc chemlntry. • (! J. toal.Cbeai. - 1979, 34, p. 782-785.

5. Рязнзйсов В.Б.,: Ленин. E.B.., Рвзшшовэ И.О., Тахърозв В.Л, Р&гнстрацня а обработка насс-слвктров высокого разрешают. 2 кн. Кинетическая мзсс-аюктрймотркя и оо ападгатаческие нрпданеннл. 1979, Москва, с, 269-275.

6. Рааикова Н.О., ?аз:ыков В.В. Определение масс ионов в масс-спектре высокого разрешения без наличия репарных пиков во всем диапазона развертки масс-спектра.// Разработка а ' применение специализированных масс-снвктроыетрйческях установок! Тез. докл.,1 Всесоюзн. совещ., 1983, Москве, с,98-99,

7. Додонов А,Ф,, Егоров В.А., Разняхов В.В.,Резникова М.О., Тяльрозв В.Л.Ыасс-вффузиомстрачбский метод анализа газовых смесей. // п.т а», с.185-186.

8. Raznlkov V.7..Raznlkova И.О. DeconvolHtlon оi overlappjng maaa spectral peeuts foUowlng lon-countlng data acqulsition. // Intera. Journ. of ifesa Spectp. Ion Proo. - 1985, 63, P. 157-186,

9. Резников B.B., Разшкове и.о. Ояраделенвэ мэссовн* часед и пдегтфтоция пиков «асс-сгоктра высокого рвзроаония прз использовании счета ионов в качестве cnocoöa рогисгрецш. ЩзепрКНТ ОШ АН СССР,'1985, 08с, ..

23

10. Rasnlkov V,V., RasniJwva И.О. ¿aolgn.T,e:U оt the шалз nur.ber to'peaks In iilgb-i-esoluiion шазг spectra acquired via the couniirig ol ions. // Int.. J. Mass Spectr. Ion Proc.-1988, 7.85, p.1-21.

11. Разщкова U.O. Статпсгатоскап обработка пра автоматической раяаафгшяе масс-спектров высокого разрезания. Препринт ОИХФ АН СССР, 1909, 21с.

12. ItaarüKova И.О., Rasnikav Y.V. гъе regularised Inverse convolution approach to resolving the overlapping ваза spectral peato. // Int. J. Maas Spectr. Ion Proc. В печати.

T-OS5I4 26.05.1990г. За к. 386 Обьёы 1.5п.л. Тир. 10Оз ■ Типография ОИХФ АН СССР