modelowanie nieselektywnych sygnałów analitycznych w … · 2017. 5. 26. · testy...
TRANSCRIPT
Modelowanie nieselektywnychModelowanie nieselektywnych sygnałów analitycznych w kontekście yg y ykontroli jakości wybranych produktów
Joanna Orzeł
Instytut Chemii
Uniwersytet ŚląskiUniwersytet Śląski
Smak Czystość
Żywność Leki
SmakZapachKonsystencjaWartości odżywcze
CzystośćForma chemicznaHomogeniczność
J A K O Ś ĆJ A K O Ś Ć
Pochodzenie składników Wartość energetyczna
J A K O Ś ĆJ A K O Ś ĆKosmetyki Paliwo
KonsystencjaZapach
Zawartość substancji stałychDoatki definiujące akcyzę
Lepkość
Wynik pomiarupomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
Skład chemicznyJ A K O Ś ĆJ A K O Ś Ć
Chemiczny odcisk palca
Techniki rozdziału – np chrmatografia Techniki rozdziału np. chrmatografia
Nieselektywne sygnały analityczne –np. widma UV‐Vis, NIR, IR, fluorescencyjne, Wynik
pomiarup d a U s, , , uo esce cyj e,EPR, NMR, XRF, chromatogramy…
pomiaru –źródło informacji
analitycznejŚlesin22‐24 maja
2017
Ce lEfektywne wykorzystanie informacji zawartej w nieselektywnych sygnałach
analitycznych poprzez ich przetwarzanie z użyciem narzędzi chemometrycznych w kontekście rozwiązywania problemów
szeroko pojętej chemii analitycznej
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
witamina C
witamina Awitamina PP
kwercetyna
kwas kawowy
witamina B1
kwas kawowy
witamina B2
Wynik pomiaruwitamina B2
likopenpomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
PRÓBKA
Przygotowaniepróbki do analizy
ekstrakcja
zatężenie lub rozcieńczenie
PRÓBKA
próbki do analizy
Wykonanie
ekstrakt + odczynniki
inkubacjawybranego testuantyoksydacyjnegopomiar instrumentalny
krzywa kalibracyjnaAnliza wyników
krzywa kalibracyjna
ocena parametru
WYNIK Wynik pomiarupomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
PRÓBKA
Przygotowaniepróbki do analizy
ekstrakcja
zatężenie lub rozcieńczenie
PRÓBKA
próbki do analizy
Wykonanie
ekstrakt + odczynniki
inkubacjawybranego testuantyoksydacyjnegopomiar instrumentalny
model kalibracyjnyAnliza wyników
model kalibracyjny
ocena parametru
WYNIK Wynik pomiarupomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
B d i ł ś i ś iBadanie właściwościantyoksydacyjnych
Informacja o zawartościantyoksydantów
Widma w zakresiepodczerwieni
Widma całkowitej fluorescencji
p
0.05
0.1
0.15
0.2
tensyw
ność
Próbka lubekstrakt
2000 1500 10000In
t
cm ‐1
Chromatogramy Intensyw
ność
Rejestracja sygnałunieselektywnego
10
0
10
20
30
40
50
60
Intensyw
ność
Wzbudzenie [nm]Emisja[nm]
Wynik pomiaru5 10 15 20 25 30 35 40
-10
Czas elucji
pomiaru –źródło informacji
analitycznejŚlesin22‐24 maja
2017
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
Model kalibrującyzawartość antyoksydantów
widziane
…
Modelowaniechemometryczne
y = f ( X ) y przew
y obserwowane
y
…Zestaw próbekkalibracyjnych
Ocena parametru dlaOcena parametru dlanowej próbki
na podstawie modelui nieselektywnego sygnału
Wynik pomiarupomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
EkEksperyment:
Próbki
Sygnały nieselektywneWidma całkowitej
fluorescencjiWidma w zakresie
podczerwieni
nten
sywno
ść
0 05
0.1
0.15
0.2
ensywno
ść
fluorescencji podczerwieni
Zawartość antyoksydantów ‐ test ORAC i całkowita zawartośc polifenoli
In
Wzbudzenie [nm]Emisja[nm] 2000 1500 10000
0.05
cm ‐1
Int
Modelowanie:
Konstrukcja wieloparametrowych modeli kalibracyjnych Wynik pomiaruj p y yj y
Regresja częściowych najmniejszych kwadratów, PLS
N‐modalna regresja częściowych najmniejszych kawadratów, N‐PLS
pomiaru –źródło informacji
analitycznejŚlesin22‐24 maja
2017
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
Próbki wodne ekstrakty kawy
Rodzaj sygnałuwidma całkowitej fluorescencjifluorescencji
Metoda modelowania N‐PLS
Kompleksowość modelu 5
Błąd dopasowania 6,2%
Błąd przewidywania 6,3%
J. Orzel i M. Daszykowski, Chemom. Intell. Lab. Sys. 137 (2014) 74‐81
Wynik pomiarupomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
Próbki przeciery pomidorowe
Rodzaj sygnałuwidma w zakresiepodczerwieni
Metoda modelowania PLS
Kompleksowość modelu 4
Bł d d i 9 1%Błąd dopasowania 9,1%
Błąd przewidywania 5,4%
J. Orzel i in., Talanta 138 (2015) 64‐70
Wynik pomiarupomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
Ocena zawartości antyoksydantóww próbkach żywności
Efektywność oceny całkowitej zdolności antyoksydacyjnej na podstawiewidm całkowitej fluorescencji dla próbek ziół (mięty, bazylii, oregano) orazwidm całkowitej fluorescencji dla próbek ziół (mięty, bazylii, oregano) orazsuplementów diety
J. Orzel i M. Daszykowski, Chemom. Intell. Lab. Sys. 137 (2014) 74‐81
Efektywność oceny całkowitej zdolności antyoksydacyjnej naparów herbatytypu rooibos (Aspalathus linearis) używając chromatograficznych odciskówpalca i identyfikacja potencjalnych substancji o właściwościachantyoksydacyjnych
J Orzel i in J Chrom A 1366 (2014) 101 109J. Orzel i in., J. Chrom. A, 1366 (2014) 101‐109
Wynik pomiarupomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
Ocena jakości oleju napędowego zeOcena jakości oleju napędowego ze względu na zawartość dodatków akcyzowych
l llSolvent Yellow 124Znacznik
Solvent Red 19Barwnik
Wynik pomiaruSolvent Red 164
Barwnik
pomiaru –źródło informacji
analitycznejŚlesin22‐24 maja
2017
Ocena jakości oleju napędowego zeOcena jakości oleju napędowego ze względu na zawartość dodatków akcyzowych
Jakościowe i ilościowe oznaczenie znacznika (Solvent Yellow 124) i barwnika (Solvent Red 19)
Eksperyment:500
600
Seria modelowych próbek oleju napędowego z dodatkiem znacznika i barwnika
Sygnały nieselektywne – widma całkowitej fluorescencji
M d l i100
200
300
400
500
Inte
nsyw
nosc
Modelowanie:
Konstrukcja wieloparametrowych modeli kalibracyjnych(PLS oraz N‐PLS)
Wyniki: 350 450 550 650450550
650750
0
Emisja [nm]Wyniki:Barwnik Znacznik
Błąd przewidywania 2,2% 2,6% J. Orzel i in. Talanta, 101 (2012) 78‐84Patent nr 223510 (2.12.2015)
350Wzbudzenie [nm]
Emisja [nm]
RSD 2,3% 3,2%
LOD 0,048 mg∙L‐1 0,042 mg∙L‐1
LOQ 0,144 mg∙L‐1 0,126 mg∙L‐1 Wynik pomiaru
Stabilnośćw czasie
W czasie 96 h metoda daje wyniki niewykazujące statystycznie istotnych różnic
pomiaru –źródło informacji
analitycznejŚlesin22‐24 maja
2017
Ocena jakości oleju napędowego zeOcena jakości oleju napędowego ze względu na zawartość dodatków akcyzowych
Metoda analityczna pozwalająca ocenić pochodzenie paliwaEksperyment:
Seria modelowych próbek oleju napędowego z dodatkiemznacznika (Z) i barwnika (B) odbarwionych poprzez dodatekczynnika adsorbującego
Sygnały nieselektywne ‐ widma całkowitej fluorescencji
ModelowanieModelowanie:
Konstrukcja wieloparametrowych modeli dyskryminacyjnych– dyskryminacyjny wariant regresji częściowych najmniejszychkwadratów (D‐PLS)
J. Orzel i in. Fuel, 117 (2014) 224–229
Wyniki:
Kryterium dyskryminacyjne
Próbki poprawnie zaklasyfikowane bi d l
Próbki poprawnie zaklasyfikowane ze bi t t
y y yjze zbioru modelowego zbioru testowego
Z 30 (100%) 30 (100%)
B 30 (100%) 23 (77%) Wynik pomiaru
B i Z 14 (100%) 35 (78%)
B lub Z 30 (100%) 27 (90%)
pomiaru –źródło informacji
analitycznejŚlesin22‐24 maja
2017
Ocena jakości cukru ze względuOcena jakości cukru ze względu na zawartość popiołu i barwę
Eksperyment:
Próbki cukru pobrane po etapie rafinacji
O i b i ść i ł Oceniono barwę i zawartość popiołu
Sygnały nieselektywne – widma całkowitej fluorescencji
Modelowanie:
Konstrukcja wieloparametrowych modeli kalibracyjnychklasycznych (PLS) i stabilnych (PRM)
J. Orzel i in., Chem. Intell. Lab. Sys., 110 (2012) 89‐93 Wyniki:
Barwa
f Dopasowanie Przewidywanie
PLS 3 1,31 (4,0%) 1,45 (4,4%)Wynik
pomiaruPRM 3 1,15 (3,5%) 1,18 (3,6%) pomiaru –źródło informacji
analitycznejŚlesin22‐24 maja
2017
Wn i o s k i
Opracowałam pięć nowych procedur analitycznych służących oceniejakości produktówjakości produktów.
Procedury opierają się na rejestracji nieselektywnych sygnałówanalitycznych i użyciu odpowiednich narzędzi chemometrycznych do ichanalitycznych i użyciu odpowiednich narzędzi chemometrycznych do ichinterpretacji.
Dla każdej z procedur przeprowadziłam walidację ze względu na Dla każdej z procedur przeprowadziłam walidację ze względu naklasyczne parametry analityczne jak i chemometryczne.
Zrealizowane badania potwierdzają, że jakość produktu można ocenićp ją, j pna podstawie nieselektywnego sygnału analitycznego używającefektywnego modelu chemometrycznego.
Wynik pomiarupomiaru –
źródło informacji analitycznejŚlesin
22‐24 maja2017
d kP o d z i ę k ow a n i a
Fluorescencyjne krajobrazy w połączeniu z metodamichemometrycznymi jako potencjalne narzędzie do wyznaczaniacałkowitej zdolności antyoksydacyjnejcałkowitej zdolności antyoksydacyjnej
Modelowanie całkowitej zdolności antyoksydacyjnej naparówherbaty typu rooibos (Aspalathus linearis) używającherbaty typu rooibos (Aspalathus linearis) używającchromatograficznych odcisków palca i identyfikacja potencjalnychsubstancji o właściwościach antyoksydacyjnych
Eksperyment
228 próbek róznych pod wzgledem jakości
Modelowanie
Przygotowanie danych do analizy – usuniecie linnib ł łó Badania chromatograficzne odciski palca (HPLC‐
DAD), tabela pików (12 związków fenolowych ‐ kwasfenylopirogronowy, aspalathin, nothofagin, izoorientyna, orientyna,kwas felurowy, kwercetyno‐3‐robinobiozyd, witeksyna, hyperozyd,rutyna izoviteksyna i izokwercytyna)
bazowej, nałożenie sygnałów
Regresja częściowych najmniejszych kwadratów ‐PLS
Regresja częściowych najmniejszych kwadratówrutyna, izoviteksyna i izokwercytyna)
Testy antyoksydacyjne DPPH i ORAC
Regresja częściowych najmniejszych kwadratówz eliminacją zmiennych nieistotnych – UVE‐PLS
80
50
60
70
wno
sc
isoorientin
orientin
vitexin
10
20
30
40
Inte
nsyw
PPAG asphalatin
feluric acid
Qrobhyperoside
rutin
vitexin
isovitexin
nothofagin
J. Orzel i in., J. Chrom. A, 1366 (2014) 101‐109 5 10 15 20 25 30 35 40
0
10
Czas [min]
isoquercitin
Modelowanie całkowitej zdolności antyoksydacyjnej naparówherbaty typu rooibos (Aspalathus linearis) używającherbaty typu rooibos (Aspalathus linearis) używającchromatograficznych odcisków palca i identyfikacja potencjalnychsubstancji o właściwościach antyoksydacyjnych
Dane PLS UVE‐PLSWłaściwościd i
Właściwości id i
Właściwości d i
Właściwości id idopasowania przewidywania dopasowania przewidywania
f TE % TE % f TE % TE %Modele dla parametru DPPH
Tabela pików
6 241 9,54 274 9,78 4 244 9,67 280 11,1
Chromatog6 178 7 05 237 9 38 4 225 8 91 235 9 31
ramy6 178 7,05 237 9,38 4 225 8,91 235 9,31
Modele dla parametru ORAC Tabela
6 1016 11 1 1079 11 8 3 1062 11 3 1057 11 6pików
6 1016 11,1 1079 11,8 3 1062 11,3 1057 11,6
Chromatogramy
6 828 9,06 1020 11,2 3 990 10,8 1021 11,2
J. Orzel i in., J. Chrom. A, 1366 (2014) 101‐109
Efektywność oceny całkowitej zdolności antyoksydacyjnej napodstawie widm całkowitej fluorescencji dla próbek ziół (bazylii,podstawie widm całkowitej fluorescencji dla próbek ziół (bazylii,oregano) oraz suplementów diety
Eksperyment 11 rodzajów próbek bazylii
12 rod ajów próbek oregano
Modelowanie Regresja częściowych najmniejszych
kwadratów ‐ PLS lub N‐PLS 12 rodzajów próbek oregano
10 rodzajów próbek suplementów diety
Badania obrazy fluorescencyjne, parametrORAC ść lif li
kwadratów PLS lub N PLS
ORAC, zawartość polifenoli
Błąddopasowania
7,00%Błąddopasowania
4,30% Błąddopasowania
>20%
Błądprzewidywania
18,5%Błądprzewidywania
9,60% Błądprzewidywania
>20%
Parametry walidacyjne (analityczne) charakteryzujące opracowanemetodyki analityczne służące ocenie całkowitej zdolnościmetodyki analityczne służące ocenie całkowitej zdolnościantyoksydacyjnej próbek żywności
k k iEkstrakty kawy
Ekstrakty mięty pieprzowej
Parameter ORACZawartość
lif liORAC
walidacyjny N‐PLS, f = 5 polifenoliPLS, f = 5
PLS, f = 5
Średnia 447,46 6,802 3173,39
RSD 7 13% 1 61% 4 04%RSD 7,13% 1,61% 4,04%
± 26,198 0,089 105,18Cułość 8,33 10,75 5,55
S l k ść 5 57 10 3 6 88 10 3 1 29 10 2Selektywność 5,57 × 10‐3 6,88 × 10‐3 1,29 × 10‐2
LOD 85,42 0,037 12,58LOQ 854,2 0,378 125,8
440
460
140
160
180
sja
[nm
]
380
400
420
100
120
140E
mis
320
340
360
40
60
80
Wzbudzenie [nm]
300 350 400 450 500 550 600
300
320
0
20
[ ]
100
150
200ns
ywno
sc
250300
350 500600
0
50Inte
350400
450500 200
300400
500
Emisja [nm]Wzbudzenie [nm]
100
150
200ns
ywno
sc
250300
350 500600
0
50Inte
350400
450500 200
300400
500
Emisja [nm]Wzbudzenie [nm]
100
150
200yw
nosc
500600
450500
0
50
100
Inte
nsy
200
300
400
250300
350400
450
Wzbudzenie [nm]Emisja [nm]
Rodzaj próbkiWzbudzenie Emisja
Zakres [nm] Δ [nm] Zakres [nm] Δ [nm]Zakres [nm] Δ [nm] Zakres [nm] Δ [nm]
Ekstrakty bazylii 220 ‐ 450 10 280 ‐ 650 2
Ekstrakty oregano 220 ‐ 450 10 280 ‐ 650 2
Suplementy diety 230 ‐ 550 10 300 ‐ 650 2
Ekstrakty kawy 230 ‐ 650 10 330 ‐ 700 2
Ekstrakty mięty 220 ‐ 450 10 280 ‐ 650 2
Pasty pomidorowe 250 ‐500 10 260 ‐ 620 2
Cukier 230, 240, 255, 290, 305, 325 oraz 340 nm 275 ‐ 560 0,5
Olej zabarwiony 250 ‐ 700 10 350 ‐ 800 2Olej zabarwiony 250 700 10 350 800 2
Olej odbarwiony 250 ‐ 700 10 350 ‐ 800 2