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基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510333074.1

申請日:

2015.06.16

公開號:

CN104915563A

公開日:

2015.09.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150616|||公開
IPC分類號: G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G06F19/00
申請人: 中國環境科學研究院
發明人: 穆云松; 吳豐昌; 廖海清; 趙曉麗; 白英臣; 馮承蓮; 陳程; 郄玉
地址: 100012北京市朝陽區安外北苑大羊坊8號
優先權:
專利代理機構: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司11385 代理人: 董芙蓉
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510333074.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.06.08|||2015.10.14|||2015.09.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及水質污染評價領域,具體為基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,根據重金屬離子的結構特征與水生生物慢性毒性效應的定量關系預測未知金屬的毒性終點,結合不同物種的敏感度分布分析推導保護不同比例的水生生物的危險濃度;是綜合重金屬理化結構參數和不同水生生物的致毒機理建立QSAR金屬毒性預測模型,并將其應用于預測未知基準連續濃度的一種方法。本發明基于生態學原理,系統篩選六門八科水生物種作為最小生物預測集,分別構建單參數的毒性預測模型,提高模型精度和預測能力。

權利要求書

權利要求書
1.  基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,其特征在于,根據重金屬離子的結構特征與水生生物慢性毒性效應的定量關系預測未知金屬的毒性終點,結合不同物種的敏感度分布分析推導保護不同比例的水生生物的危險濃度;
該具體過程包括以下步驟:
步驟a,建模毒性數據采集,篩選,運算和匯總;
步驟b,六門八科水生模式生物篩選;
步驟c,構建金屬離子結構描述符數據集,通過各金屬對應的結構參數為自變量進行線性相關性分析,通過相關系數排序,獲得最佳結構描述符;
以單物種的毒性終點為因變量,各金屬對應的結構參數為自變量進行線性相關性分析,根據下述公式(1)計算相關系數r;
r=Σi=1n(xi-x‾)(yi-y‾)Σi=1n(xi-x‾)2(yi-y‾)2---(1)]]>
式中,分別表示各結構參數和毒性值的平均值,xi和yi分別表示第i種金屬對應的結構參數和毒性值;相關系數r>0.8為顯著相關參數;
步驟d,構建毒性預測模型及穩健性檢驗;建立一元線性回歸方程,對參數進行估計,采用F統計量對應的P值進行檢驗;
步驟e,QSAR模型的內部驗證;
步驟f,模型適用范圍計算;經過校驗的模型,以杠桿值h為橫坐標,以各數據點的標準殘差為縱坐標,繪制Williams圖;
步驟g,采用獲得的毒性預測值和物種敏感度分析對未知金屬的毒性和基準連續濃度值進行快速篩選與預測。

2.  根據權利要求1所述的基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,其特征在于,所述的步驟c中,構建金屬離子結構描述符數據集,包括軟指數σp、最大配合物穩定常數log-βn、鮑林(Pauling)電負性Xm、共價指數Xm2r、原子電離勢AN/ΔIP、第一水解常數|logKOH|、電化學勢ΔE0、原子大小AR/AW、極化力參數Z/r、Z/r2、Z2/r、似極化力參數Z/AR、Z/AR2。

3.  根據權利要求1所述的基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法, 其特征在于,所述的步驟d的具體過程包括:
步驟d1,一元回歸方程的構建與參數估計;
以步驟d中確定的最佳結構參數為自變量X,金屬活性值為因變量Y,利用一元線性回歸分析方法構建各模式生物的QICAR方程Y=XB+E,具體為公式(2):
Y=y1y2...yn,X=1x111x21......1xn1,B=β0β1β2,E=ϵ1ϵ2...ϵn---(2)]]>
n為觀測值個數;
采用最小二乘法對方程中參數進行估計,X′為X的轉置矩陣:

步驟d2,擬合優度檢驗和回歸方程的顯著性檢驗,采用F檢驗;
模型的擬合優度檢驗指標為:相關系數的平R2和自由度校正的相關系數標準偏差RMSE;
F檢驗的指標為單因子方差分析計算得到的F值和相關概率p;采用F統計量對應的P值進行檢驗;
步驟d3,判別標準:根據毒性數據獲取途徑,體外實驗R2≥0.81,體內試驗R2≥0.64;顯著水平為α,當p<α時,回歸方程顯著。

4.  根據權利要求3所述的基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,其特征在于,上述步驟d3按照下述公式計算,
R2=1-Σi=1n(yi-y^)2Σi=1n(yi-y‾)2---(4)]]>
R2‾=1-(1-R2)n-1n-3]]>
RMSE=Σi=1n(yi-y^)2n-3---(5)]]>
F=[SS(total)-SS(residual)]/2SS(residual)/(n-3)=[Σi=1n(yi-y‾)2-Σi=1n(yi-y^)2](n-3)2×Σi=1n(yi-y^)2---(6)]]>
式中,R2表示相關系數的平方,R2表示自由度校正的相關系數,RMSE表示標準偏差。

5.  根據權利要求1所述的基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,其特征在于,所述步驟e的具體過程為:
步驟e1,在給定的建模樣本中,抽取一個樣本作為預測集,其余樣本作為訓練集建模,并計算該樣本的預測誤差;
步驟e2,記錄每個方程中預測誤差的平方加和,直到所有的樣本都被預報了一次而且僅被預報一次;
步驟e3,計算交叉驗證相關系數Q2cv和交叉驗證均方根誤差,判別依據:Q2cv>0.6,R2-Q2cv≤0.3。

6.  根據權利要求5所述的基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,其特征在于,上述步驟e3采用的計算公式為:
QCV2=1-Σi=1n(yiobs-yipredcv)2Σi=1n(yiobs-y‾obs)2---(7)]]>
RMSECV=Σi=1n(yiobs-yipredcv)2n---(8)]]>
式中,表示第i個化合物毒性的實測值,代表第i個化合物毒性的預測值,代表訓練集毒性的平均值,n表示訓練集中化合物數。

7.  根據權利要求1所述的基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,其特征在于,所述的步驟f中,杠桿值hi的計算公式為:
hi=xiT(XTX)-1xi   (9)
式中,xi代表第i個金屬的結構參數組成的列向量;對于單參數模型,xi=xi1xi2,]]>X=x11x21...xn1;]]>XT表示矩陣X的轉置矩陣,(XTX)-1表示對XTX矩陣的逆矩陣。

8.  根據權利要求7所述的基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,其特征在于,所述的步驟f中,臨界值h*的計算公式為:
h*=3(p+1)n---(10)]]>
式中,p代表模型中變量數,單參數模型中p=1,n代表模型訓練集化合物的數量,根據步驟a-e校驗過后各QSAR方程中訓練集金屬個數決定;
在Williams圖中h<h*的坐標空間為模型的適用范圍。

9.  根據權利要求1所述的基于金屬定量構效關系的淡水慢性基準預測方法,其特征在于,所述的步驟g的具體過程為:
步驟g1,按照上述步驟a-f所述的方法,依次獲得優選六門八科水生生物的單參數QSAR預測方程;
步驟g2,對于步驟b中篩選出的八個物種,重復步驟c-f的過程,獲得八個典型模式生物的QSAR方程;搜集并整理待預測金屬以上八個方程中出現的所有結構描述符的值,依次代入每個方程計算待預測金屬對各物種的慢性毒性終點;
步驟g3,每種金屬對應的各物種金屬毒性數據由低到高排序后,以累積百分率為縱坐標構建物種敏感度分布圖;
步驟g4,采用非線性Sigmoidal-Logistic擬合方程對曲線進行擬合,根據擬合方程計算累積百分率為0.05,0.1和0.2時對應的危險濃度HC5,HC10和HC20。

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基于 金屬 定量 關系 淡水 慢性 基準 預測 方法
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