رمز خود را فراموش کرده اید ؟

آنالیز کمومتری در تحلیل نتایج داده‌های طیف‌سنجی

  توصیف کاربرد  

·         کلید واژه ها:  کمومتری، آنالیز داده، طیف‌سنجی

·         تکنیک مورد استفاده:

    • آنالیز چند متغیره، کمومتری
    • طیف‌سنجی جذبی، عبوری،فلورسانس، رامان

·         حوزه کاربردی:  

o        افزایش دقت اندازه گیری

o        طیف‌سنجی جذبی، عبوری،فلورسانس، رامان

شرح کاربرد

آنالیز کمومتری یک ابزار قوی برای آنالیز ترکیبات پیچیده شیمیایی به وسیله طیف‌سنجی نوری است. مواد غذایی جزو این دسته از ترکیبات پیچیده قرار می گیرند، چرا که تنوع مواد شیمیایی موجود در مواد غذایی بسیار بالاست این مقاله یک معرفی ابتدایی از روش‌های کمومتری است که نشان می‌دهد چگونه با داده‌های طیف‌سنجی بازتابی می توان نمونه‌های سیب را جهت کنترل کیفی آنالیز نمود. این آنالیز‌ها از اندازه گیری میزان شیرینی سیب تا شناسایی گونه‌های متفاوت سیب به وسیله آنالیز کمومتری قابل انجام است.
طیف‌سنجی نوری سابقه طولانی را به عنوان یک روش قدرتمند در شیمی تجزیه دارد. این روش این توانایی را دارد که حتی غلظت‌های کم از یک ترکیب مشخص، که معمولا یک محلول است، را شناسایی کند.. اکثر شیمیدا‌‌ن‌ها از قانون جذب بیر-لامبرت در یک طول مشخص و رسم منحنی کالیبراسیون برای پیدا کردن غلظت ناشناخته محلول خود استفاده می‌کنند. با این حال، تعداد افراد کمی از محدودیت‌های این قانون قدیمی آگاه هستند. برای مثال در نمونه‌هایی که غلظت محلول به اندازه ای است که نمونه نور را پراکنده می کند یا در مواردی که محلول ناهمگن است ویا در مواردی که قدرت تفکیک طیفی پایین است، حالت هایی به وجود می‌آید که آنالیز با قانون بیر-لامبرت مشکل خواهد بود. همچنین اندازه گیری با طیف‌سنجی بازتابی هم مشکلاتی را به همراه دارد که از این مشکلات، می‌توان به ارزیابی عمق نفوذ و اثر پراکندگی در این اندازه‌گیری‌ها اشاره نمود که دارای چالش می باشند.
در حالت هایی که قانون بیر لامبرت توانایی تشخیص غلظت را ندارد می‌توان با آنالیز‌های پیشرفته تر بر روی داده‌ها این مشکل را حل نمود. روش هایی که در این حالت‌ها غلظت را برای ما تعیین می‌کنند تحت عنوان روش‌های کمومتری شناخته می شوند. روش‌های کمومتری در سال‌های اخیر بیشتر مورد توجه جامعه متخصصین و محققین قرار گرفته‌اند و قابلیت‌های فراوانی را جهت آنالیز‌های دقیق تر برای ما به ارمغان آورده است.
در شبکه جهانی تولید مواد غذایی اغلب میوه‌ها قبل از رشد و رسیدن کامل، چیده می‌شود و در فرایند نقل و انتقال تحت شرایط مشخصی به حالت رسیده تبدیل می‌گردند. برخی میوه‌ها نیز برای توزیع در سراسر سال، ماه‌ها نگهداری می شود در بعضی از مواقع کیفیت میوه‌ها توسط خریدار و فروشنده و به شکل حسی تعیین می شود، به این معنی که آنها میزان رسیدگی میوه را حدس می زنند و این حدس‌ها نیز ممکن است در اکثر مواقع غلط از آب در بیاید اما روش‌های کمومتری می‌تواند میزان شیرینی و همچنین مواد مغذی و سایر پارامترها را با استفاده از داده‌های طیف‌سنجی بازتابی تا حد دقیقی تعیین کنند.
نکته جالب توجه در این روش‌ها این است که نیازی به آسیب به میوه نیست و این آنالیز‌ها را می توان بدون تخریب میوه انجام داد. روش‌های کمومتری در مواقعی که روش‌های قدیمی طیف‌سنجی شکست می خورند، خودشان را بهتر نشان می دهند. به عنوان مثال طیف‌سنجی بازتابی از نمونه‌های سیب. در این حالت‌ها نمی تواند از قانون بیر لامبرت برای آنالیز استفاده کند چرا که میزان طیف بازتابی به شرایطی بستگی دارد که بسیار سخت می توان آنها را در این گونه از آنالیز‌ها کنترل نمود. به عنوان مثال هندسه اندازه گیری، اندازه‌ی ذرات پراکنده‌کننده داخل میوه و پارامترهای سطحی پوست سیب، عواملی چالش برانگیز در این آزمایش‌ها هستند. دلیل دوم وجود‌های عامل‌های NH,OH,CH است. طیف‌سنجی در ناحیه فروسرخ نزدیک در این باندها دارای جذب قوی است و اکثر مواد آلی نیز حاوی ترکیبات هستند، لذا طیف‌سنجی فروسرخ این مواد، همپوشانی‌های فراوانی را در آن باندهای جذبی خواهد داشت که باعث می شود اطلاعات مفیدی از این طیف‌ها در جهت شناسایی مواد نتوان دریافت نمود.
طیف‌های جذبی در ناحیه فروسرخ نزدیک مانند طیف‌های IR توانایی تفکیک باند‌ها را ندارند و حاوی طیف‌های‌های منحنی شکل هستند. و به همین دلیل سال‌ها محققین و متخصصین در این ناحیه طیفی فعالیتی نداشته اند.
کمومتریکس در سال‌های اخیر توانسته است روش‌هایی را توسعه دهد که باعث جلب توجه به این ناحیه طیفی شده است چرا که تجهیزات به نسبت ارزان تر و سریع تری را می طلبد
کمومومتری دقیقا چیست؟
کیمچی یک ابزار میان رشته ای بر پایه آنالیزهای ریاضی و آماری است که اطلاعات با ارزش و قابل توجهی را از اندازه گیری‌های آزمایشگاهی استخراج نموده و در اختیار محققین قرار می دهد. در کاربرد اخیر داده‌های طیف‌سنجی که به وسیله طیف‌سنجی بازتابی در ناحیه فروسرخ نزدیک جمع آوری شده است به وسیله روش کمومتری مورد تجزیه و تحلیل واقع شده و خروجی‌های قابل تفسیر و ساده ای را ارائه خواهد نمود.
آنالیزهای کمومتری به سه دسته از پرسش‌های ما پاسخ می دهند:
کمی سازی - چه مقدار از ماده در نمونه وجود دارد؟
• اندازه گیری مواد موجود در خاک
• اندازه گیری رطوبت کاغذ

دسته بندی - مشخصات یک نمونه چیست؟
• شناسایی مواد مجهول
• دسته بندی مواد بر اساس کیفیت تولید

جداسازی - یک نمونه به کدام گروه تعلق دارد؟
• نمونه هایی که در فرایند تولید باید جدا شوند
• مانیتورینگ در تولید
• پیدا کردن رویداد‌های غیر عادی

آنالیز کمومتری در تحلیل نتایج داده‌های طیف‌سنجی
شکل 1 - شماتیک مکانیزم‌های روش کمومتری

اگر به یاد داشته باشیم برای استفاده از قانون بیر-لامبرت نیاز است که یک منحنی به نام منحنی کالیبراسیون داشته باشیم، برای روشت کمومتری نیز یک چنین الگوریتمی را نیاز داریم. در این فرآیند از طیف هایی که در ابتدای آزمایش تهیه شده است اطلاعاتی استخراج و جهت آنالیز‌های کمی و دسته‌بندی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. کمومتری با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین مدل‌هایی را به وجود می‌آورد که آنالیز کمی و دسته بندی و جداسازی بر اساس آن مدل‌ها انجام می گیرد. بنابراین ابتدا مدل کمومتری درباره نحوه عملکرد داده‌ها و پارامترهای آزمایش اصطلاحاً آموزش داده می شود. برای صحت سنجی از نمونه‌های معین و مشخص در مدل کمومتری استفاده می‌شود تا قدرت پیش‌بینی مدل تست شود اگر میزان خطا در بازه قابل قبولی برای نمونه قرار بگیرد مدل کمومتری برای اعمال بر نمونه‌های جدید آماده است.

اگرچه مراحل تشخیص با روشهای کمومتری ممکن است پیچیده به نظر برسد اما در واقع اینگونه نیست و تمام فرآیندهای ریاضیاتی و کنترلی به وسیله رایانه انجام خواهد شد و کاربر با سرعتی بالا ارزان و بدون تخریب قادر به شناسایی انواع میوه خواهد بود. بنابراین در مقایسه با روشهای آزمایشگاهی طولانی و هزینه‌بر، روش طیف‌سنجی فروسرخ نزدیک پیشنهاد شده توسط تکسان بدون آماده سازی نمونه از این جهت بسیار مفید فایده خواهد بود.

کمومتری چگونه کار میکند؟
کمومتری بر پایه آنالیزهای چند متغیره استوار است و به کمک مشاهده چندین پارامتر و روابط موجود در بین آنها سعی در پیش‌بینی پارامترهای مجهول دارد در طیف‌سنجی پارامترهای قابل اندازه گیری جذب در تعداد زیادی از طول موج هاست. و در مواقعی نیز شامل پارامترهای دیگری همچون دما و فشار و... می‌تواند باشد.
به لحاظ ریاضیاتی فرایند کمومتری شبیه حالت رگرسیون خطی است. بدین شکل که از یک منحنی کالیبراسیون برای پیش‌بینی مقادیر مجهول استفاده می گردد. در آنالیزهای چند متغیره در عوض، تعداد زیادی متغیر برای پیدا کردن مجهول‌ها به کار گرفته می شود.

اما این آنالیز‌ها به چه شکلی انجام می گردد؟
برای پاسخ به این سوال باید گفت یک روش نرمال برای پیدا کردن جواب وجود ندارد بلکه روش‌های متفاوتی برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرند. (PLS, PCA, SVM) برای استفاده از این روش‌ها نیز شما نیازی ندارید که لزوماً بنیان‌های ریاضیاتی این روش‌ها را دریابید، بلکه به دلیل تنوع نرم‌افزارهایی که کار کمومتری می‌کنند به راحتی می توانید از آنها بهره بگیرید. تمام تجهیزات شرکت تکسان با نرم افزارهایی با قابلیت آنالیزهای کمتری برای کاربران عرضه می گردد. تا نیاز کاربر به نرم‌افزارهای ثانویه را جهت آنالیزهای کمومتری مرتفع سازد.
همانگونه که روش‌های متنوعی برای آنالیزهای کمومتری وجود دارد نرم افزارهای متنوعی نیز برای این آنالیزها وجود دارد. در کنار نرم‌افزارهایی همچون R و تولباکس‌های کمومتری MATLAB، نرم‌افزارهای تجاری نیز جهت آنالیز کمومتری همچون Analye IQ و GRAMS از شرکت ترموفیشر، Unscrambler شرکت CAMO و Pironette از شرکت Informix تنها بخشی از نرم افزارهایی هستند که می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند.
این نرم‌افزارها و آنالیز‌های گوناگون آزادی عمل فراوانی را به کاربران جهت تست هایی کمومتری می‌دهند در این مقاله به شکل نمونه یک مورد کاربردی را مورد مطالعه قرار خواهیم داد.

تعیین میزان شیرینی سیب
میزان شکر موجود در میوه‌ها که عموما فروکتوز، گلوکز و ساکاروز هستند و روش‌هایSSC در محلول عصاره میوه و با ضریب شکست اندازه گیری می شود. و با واحد که Brix که معادل میزان گرم ساکاروز در ۱۰۰ میلی لیتر محلول است تعریف می شود. بازه نرمال شیرینی در سیب بین ۱۶ تا ۱۰ Brix برای سیب از گونه‌های متفاوت است. برای سیب‌های رسیده و نرسیده از یک گونه نیز تا ۴ Brix تفاوت خواهد داشت.
اندازه‌گیری Brix یک آنالیز زمانبر و برای نمونه گیری از سیب‌ها جهت انجام آنالیز نیز بسیار خسته کننده خواهد بود. آنالیز به وسیله کمومتری وبا داده‌های بدست آمده از طیف‌سنجی بازتابی فروسرخ نزدیک یک روش سریع و بدون تخریب را پیشنهاد می‌کند. در اولین قدم مراحلی را بررسی می‌کنیم که برای آنالیز کمی پارامتر Brix باید مورد استفاده قرار بگیرد. طیف به دست آمده از ۷۶ نمونه سیب که به وسیله اسپکترومتر در بازی ۹۵۰ تا ۱۶۰۰ و لامپ هالوژن تنگستن گرفته شده است، را می توان در شکل ۲ مشاهده نمود. در این آنالیز نمونه‌های رسیده و نرسیده هر دو مورد آزمایش قرار گرفتند و میزان Brix آنها جهت صحت سنجی در آزمایشگاه‌های با روش‌های دیگر محاسبه شده است برای هر سیب از ۵ طیف متوسط گرفته شده است. چراکه هندسه‌ی اندازه گیری برای هر سیب و هندسه خود سیب متفاوت است و قبل از آنالیزهای کمومتری مراحل نرمالیزه کردن کردن با روشهای (SNV) انجام می گردد.
چون تنها تفاوت موجود برای ما در این آزمایش در میزان شیرینی سیب هاست. ما طیف متوسط‌گیری شده را از همه طیف‌ها کم می کنیم. در شکل زیر میزان Brix برای حالت‌های اندازه گیری در آزمایشگاه با روش‌های کمومتری نشان داده شده است.

آنالیز کمومتری در تحلیل نتایج داده‌های طیف‌سنجی

دسته بندی تنوع سیب ها
به عنوان مثال از دسته بندی سیب‌ها نمونه سیب را با استفاده از آن است که مهمترین طیف‌سنجی بازتابی در ناحیه ۴۸۰ تا ۹۲۰ نانومتر انجام می دهیم. همانند مورد قبل قبل از انجام آزمایش‌های کیومتری یک پیش پردازش بر روی طیف‌ها انجام می شود تشخیص تفاوت‌ها را براب آنالیز کمومتری راحت‌تر نماید.

آنالیز کمومتری در تحلیل نتایج داده‌های طیف‌سنجی
شکل 2- اندازه‌گیری طیفی در ناحیه فروسرخ نزدیک

اگر بخواهیم به شکل ریاضیاتی صحبت کنیم PCA محورهای در داده هستند که در فضای چند بعدی است که توسط طول موج‌های ما به وجود آمده است PCA این امکان را می‌دهد که با محورهای کمتری بتوان داده‌ها را به گونه ای نمایش داد که تفکیک نمونه‌ها در نمایش انجام شده باشد.

آنالیز کمومتری در تحلیل نتایج داده‌های طیف‌سنجی
شکل 3- انجام پیش پردازش

در خروجی‌های به دست آمده در سیب‌ها، ۹۷ درصد تفاوت‌ها تنها با دو محور انجام می گردد. با توجه به شکل مشخص است که نمونه‌ها را در سه دسته سبز و قرمز می توان دسته بندی کرد و نمونه‌های جدید را نیز بر حسب آنالیز PCA مشخص نمود.

آنالیز کمومتری در تحلیل نتایج داده‌های طیف‌سنجی
شکل 4- تفکیک و جداسازی نمونه های سیب بوسیه آنالیز کمومتری

 

نتیجه‌گیری

ترکیب ابزارهای سریع اسپکتروسکوپی با روشهای کمومتری روشی سریع و قدرتمند را نتیجه می دهد که توانایی آنالیزهای پیچیده در مواد غذایی را داراست، که ارزان قیمت و قابلیت آنالیز آنلاین را نیز دارا هستند و این حجم بالایی از کاربردها را به وجود خواهد آورد که در زمینه‌های مختلف قابل استفاده اند.

شرکت تکسان با در اختیارداشتن الگوریتم‌های دقیق کمومتری جهت آنالیز داده‌های طیف‌سنجی و همکاری با متخصصین شیمی تجزیه، بسیاری از فرآیندهای کمومتری را در نرم افزارهای تحلیلی خود مورد استفاده می‌دهد. چنانچه در این زمینه مایل به دریافت اطلاعات بیشتر هستید با ما در تماس باشید.

بالا