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水光谱的概念是由日本Tsenkova教授在2005年提出,通过研究水分子在不同环境下的光谱信息,为水体系的结构和相关功能性质提供巨大的信息来源。大多数工作利用[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]技术,尤其在O-H伸缩一级倍频带(1300-1600 nm,即6250-7692cm-1)。 在研究方法方面,往往通过对体系施加扰动的方法,显示出隐藏的信息,常见的扰动包括温度变化,浓度变化,不同金属离子等等。测量了[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]之后,往往要进行一系列的谱图处理,数据分析步骤主要包括:观察原始谱图,数据处理,传统光谱分析(建立、验证定性定量模型),计量学方法的应用(求导,差谱,回归矢量,载荷矢量等等)。在近红外区域,水的原始光谱主要包含5个峰值,为OH的吸收信息:5150 cm-1(v2+v3),5620 cm-1(v2+v3+vL),6900 cm-1(v1+v3),8310 cm-1 (v1+v2+v3),10300 cm-1(2v1+v3)。接下来可以先进行一些传统的光谱分析,比如光谱平均化,对重复测量的样品光谱进行平均化,目的在于消除非分析物带来的变动影响,如不同的温度,湿度,或连续光照;计算不同组样品的平均光谱可以更好显示不同组样品间的差异。另外还有光谱的差减,即差谱操作,经典方法是从所有样品中扣除平均光谱,还可以建立所有溶液-纯溶剂之间的差谱,找到差异最小的光谱,然后从剩余光谱中减去这条光谱。求导是解决谱带重叠和基线变动的有效方法(二阶导表现最为明显),但副作用是会降低信噪比,因此要适当选择求导阶数和窗口大小。[color=#002060]在水光谱组学应用中,二阶导是非常流行和有效的方法以发现在原始谱图中观察不到的活化水吸收带。之后可以应用各种化学计量学的方法进一步提取想要得到的信息,比如主成分分析,偏最小二乘回归,高斯拟合,以及高维计量学算法。[/color][color=#002060] 未来该研究方向的发展前景主要包括,提高[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]的灵敏度;理解水分子与其它分子之间相互作用;开发[/color][color=#002060]分离水和不同溶质相互作用的计量学方法;研究由溶质引起的水化动力学变化,从水的角度理解基本已知的物理现象或化学反应。[/color]
[align=center][b]水光谱组学应用于发酵体系的可行性研究[/b][/align][b]本研究拟对[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]技术结合水光谱组学用于一系列甲醇-培养基(YPD,LB,YPPG)体系中甲醇含量测定的可行性进行分析。[b]1 材料1.1 仪器与软件[/b] [/b][table][tr][td]仪器[/td][td]生产厂家[/td][/tr][tr][td]Antaris Ⅱ傅立叶变换[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url][/td][td]美国Thermo Fisher 公司[/td][/tr][tr][td]1 mm比色皿[/td][td]Hellma Analytics[/td][/tr][tr][td]TW12数显恒温水浴锅[/td][td]JULABO[/td][/tr][tr][td]Milli-Q 纯水仪[/td][td]美国 Millipore 公司[/td][/tr][tr][td]分析天平[/td][td]梅特勒-托利多有限公司[/td][/tr][tr][td]高压蒸汽灭菌锅[/td][td]日本Panasonic公司[/td][/tr][tr][td]pH计[/td][td]梅特勒-托利多仪器有限公司[/td][/tr][tr][td]SHB-III型循环水式多用真空泵[/td][td]郑州长城科工贸有限公司[/td][/tr][tr][td][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/9p][color=#3333ff][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/9p][color=#3333ff]移液枪[/color][/url][/color][/url][/td][td]德国 Eppendorf 股份公司[/td][/tr][tr][td]Matlab 2015b[/td][td]Mathworks[/td][/tr][tr][td]PLS_Toolbox工具箱[/td][td]Eigenvector Research[/td][/tr][tr][td]RESULT[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]采集软件[/td][td]美国Thermo Fisher公司[/td][/tr][/table][b]1.2 试剂[/b]甲醇(色谱纯,山东禹王实业有限公司化工分公司),trypton(胰化胨或称胰蛋白胨,OXOID)、葡萄糖(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)、yeastextract(酵母提取物,OXOID)、氯化钠(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)、甘油(分析纯,天津市富宇精细化工有限公司)、乙醇(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)、去离子水(实验室自制)。[b]2 方法2.1 样品的制备[/b]甲醇使用时没有进一步纯化,利用三种不同的培养基配备体积分数为0.1-2.5%(直接稀释)[color=#444444],[/color]间隔为0.1%的甲醇溶液,共75个样品。三种培养基如下:(1)YPD培养基(2)LB培养基(3)YPEG培养基[b]2.2 光谱的采集[/b]用AntarisⅡ傅里叶变换[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url]透射模块采集样品光谱,以空气为背景参比,每测一个样本扣除一次背景,随机将样品注入一个光程为1mm的石英比色皿中,利用控温附件将采谱温度控制在30[sup]o[/sup]C。每个样品采集10张光谱,取其平均作为样品的原始[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]图。[b]2.3 考察甲醇扰动对水光谱的影响[/b]结合水光谱组学,选择12个适用于低含量甲醇溶液的水基质坐标(water matrixcoordinates,WAMACS)。在甲醇扰动下,利用WAMACS的吸光度作雷达图,观察不同浓度的甲醇水溶液在不同波数下对水光谱的影响。[b]2.4 定量分析模型的建立[/b]首先对原始光谱进行依次相减法差谱处理,其次利用基于欧氏距离的Kennaed-Stone (KS)[sup][/sup]法对样品进行校正集和验证集的划分。而后筛选最佳的光谱预处理方法,以提高模型的准确性和有效性。[b]3 实验结果3.1 [url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]图3-1为用FT-NIR光谱仪采集得到的25个样品的近红外原始光谱图。从图中可以看出,不同样品光谱的差异性很小,所以需要采用一些化学计量学方法来使不同样品之间的光谱差异放大化[/b][align=center][b]。[img=,663,220]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161605214991_1509_3237657_3.png!w663x220.jpg[/img][/b][/align][b][/b][align=center]图3-1 甲醇-培养基(YPD)溶液样品[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]图(a:原始光谱图;b:差谱图)[/align][b]3.2 甲醇扰动对水光谱的影响[/b]水的吸收峰较强,容易掩盖住其它扰动对其产生的影响,因此我们必须借助化学计量学手段对光谱进行处理。首先通过依次相减法对样品和溶剂光谱进行差谱之后,再对其进行一阶导数处理,以便突出光谱间的差异。如图3-2所示,从中可以看出,经过差谱和一阶导数处理之后,一些重叠峰显现出来,光谱的分辨能力提高。[align=center][img=,563,284]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161605533127_3501_3237657_3.png!w563x284.jpg[/img][/align][align=center]图3-2 预处理之后的甲醇-YPD溶液样品[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]图[/align][align=center][img=,558,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161607071488_951_3237657_3.png!w558x267.jpg[/img][/align][align=center]图3-3 预处理之后7700-6250 cm[sup]-1[/sup]波段的甲醇-YPD溶液样品[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]图[/align][align=center] [/align][align=center]表3-1 [url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]中水的特征峰的归属[/align] [table][tr][td] [align=center]序号[/align] [/td][td] [align=center]波数(cm[sup]-1[/sup])[/align] [/td][td] [align=center]解释[/align] [/td][td] [align=center]参考文献[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]1[/align] [/td][td] [align=center]6400-6200[/align] [/td][td] [align=center]与甲醇多聚体的数目有关[/align] [/td][td] [/td][/tr][tr][td] [align=center]2[/align] [/td][td] [align=center]6667[/align] [/td][td] [align=center]低于这个波数,溶液中氢键增多,水的结构更加稳定[/align] [/td][td] [/td][/tr][tr][td] [align=center]3[/align] [/td][td] [align=center]6836、6711[/align] [/td][td] [align=center](H[sub]2[/sub]O)[sub]2-3[/sub],指含有两、三个氢键的水物种[/align] [/td][td] [/td][/tr][tr][td] [align=center]4[/align] [/td][td] [align=center]6900[/align] [/td][td] [align=center]水分子中OH的对称和反对称伸缩振动的组合频[/align] [/td][td] [/td][/tr][tr][td] [align=center]5[/align] [/td][td] [align=center]6940[/align] [/td][td] [align=center](H[sub]2[/sub]O)[sub]1[/sub],指含有一个氢键的水物种[/align] [/td][td] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6[/align] [/td][td] [align=center]7070、6845、6850[/align] [/td][td] [align=center]水分子中对称和反对称OH伸缩振动的一级组合谱带、甲醇和水形成的环状二聚体[/align] [/td][td] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7[/align] [/td][td] [align=center]7070[/align] [/td][td] [align=center](H[sub]2[/sub]O)[sub]0[/sub],不含有氢键的水分子,即自由的水分子[/align] [/td][td] [/td][/tr][tr][td] [align=center]8[/align] [/td][td] [align=center]7082、6702、6954[/align] [/td][td] [align=center]弱氢键、强氢键、第三种(受温度影响较大)[/align] [/td][td] [/td][/tr][tr][td] [align=center]9[/align] [/td][td] [align=center]7149[/align] [/td][td] [align=center]被称为捕获水的7168和7128 cm[sup]-1[/sup]之间的是脱水波段[/align] [/td][td] [/td][/tr][/table]我们选定12个WAMACS用于低含量甲醇的测定,分别为7149 cm[sup]-1[/sup]、7082 cm[sup]-1[/sup]、6954 cm[sup]-1[/sup]、6940 cm[sup]-1[/sup]、6900 cm[sup]-1[/sup]、6871 cm[sup]-1[/sup]、6836 cm[sup]-1[/sup]、6773 cm[sup]-1[/sup]、6702 cm[sup]-1[/sup]、6667 cm[sup]-1[/sup]、6509 cm[sup]-1[/sup]和6400 cm[sup]-1[/sup]。[b]图3-4为根据低含量的甲醇-YPD溶液在12个WAMACS下的吸光度的差异所做的雷达图。[/b][align=center][b][img=,489,319]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161615375161_9631_3237657_3.png!w489x319.jpg[/img][/b][/align][b][/b][align=center]图3-4 甲醇-YPD溶液雷达图[/align][align=center] [/align]为了进一步证实所选波数的正确性,我们将具体波数下的吸光度与一级数据进行关联。如表3-2所示,相关系数均大于0.965,说明这12个波数的吸光度与一级数据之间关联度极高,证实了这12个波数的有效性。进一步验证了雷达图用于表征低浓度甲醇溶液的可靠性,说明水光谱组学用于发酵过程可能是一种较好的选择。[align=center] [/align][align=center]表3-2 甲醇-YPD溶液特定波数下的吸光度和一级数据之间的相关性[/align] [table][tr][td] [align=center]wavenumber(cm[sup]-1[/sup])[/align] [/td][td] [align=center]correlation coefficient[/align] [/td][td] [align=center]wavenumber(cm[sup]-1[/sup])[/align] [/td][td] [align=center]correlation coefficient[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7149[/align] [/td][td] [align=center]0.997[/align] [/td][td] [align=center]6836[/align] [/td][td] [align=center]0.972[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7082[/align] [/td][td] [align=center]0.967[/align] [/td][td] [align=center]6773[/align] [/td][td] [align=center]0.978[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6954[/align] [/td][td] [align=center]0.985[/align] [/td][td] [align=center]6702[/align] [/td][td] [align=center]0.985[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6940[/align] [/td][td] [align=center]0.986[/align] [/td][td] [align=center]6667[/align] [/td][td] [align=center]0.988[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6900[/align] [/td][td] [align=center]0.979[/align] [/td][td] [align=center]6509[/align] [/td][td] [align=center]0.995[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6871[/align] [/td][td] [align=center]0.969[/align] [/td][td] [align=center]6400[/align] [/td][td] [align=center]0.976[/align] [/td][/tr][/table][b]3.3 定量分析模型的建立[/b]应用KS样品集划分方法,将25份样品按照2:1的比例划分为校正集和验证集,17个校正集样品用于PLSR模型的建立,剩下的8个样品用于模型的预测,PLSR模型用5-倍交叉验证进行检验。在水的第一倍频区(7600-6250cm[sup]-1[/sup])和甲醇的CH[sub]3[/sub]组合频区(4550-4250cm[sup]-1[/sup])两个波段分别建立模型。两个模型的预测结果很相似,证明了可以水为探针对甲醇浓度进行监测,表3-3和表3-4为只对数据进行均值中心化处理时两个模型的预测结果。[align=center] [/align][align=center]表3-3 样本在7600-6250 cm[sup]-1[/sup]波段模型的预测结果[/align] [table][tr][td] [align=center]No.[/align] [/td][td] [align=center]Reference value (%)[/align] [/td][td] [align=center]Prediction value(%)[/align] [/td][td] [align=center]Deviation (%)[/align] [/td][td] [align=center]Relative deviation(%)[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]1[/align] [/td][td] [align=center]0.100[/align] [/td][td] [align=center]0.156[/align] [/td][td] [align=center]0.056[/align] [/td][td] [align=center]56.000[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]2[/align] [/td][td] [align=center]0.800[/align] [/td][td] [align=center]0.865[/align] [/td][td] [align=center]0.065[/align] [/td][td] [align=center]8.125 [/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]3[/align] [/td][td] [align=center]1.300[/align] [/td][td] [align=center]1.341[/align] [/td][td] [align=center]0.041[/align] [/td][td] [align=center]3.153 [/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]4[/align] [/td][td] [align=center]1.500[/align] [/td][td] [align=center]1.523[/align] [/td][td] [align=center]0.023[/align] [/td][td] [align=center]1.533 [/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]5[/align] [/td][td] [align=center]1.600[/align] [/td][td] [align=center]1.652[/align] [/td][td] [align=center]0.052[/align] [/td][td] [align=center]3.250 [/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6[/align] [/td][td] [align=center]1.800[/align] [/td][td] [align=center]1.868[/align] [/td][td] [align=center]0.068[/align] [/td][td] [align=center]3.778 [/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7[/align] [/td][td] [align=center]2.000[/align] [/td][td] [align=center]2.018[/align] [/td][td] [align=center]0.018[/align] [/td][td] [align=center]0.900 [/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]8[/align] [/td][td] [align=center]2.400[/align] [/td][td] [align=center]2.414[/align] [/td][td] [align=center]0.014[/align] [/td][td] [align=center]0.583 [/align] [/td][/tr][/table][align=center]表3-4 样本在4500-4250 cm[sup]-1[/sup]波段模型的预测结果[/align] [table][tr][td] [align=center]No.[/align] [/td][td] [align=center]Reference value (%)[/align] [/td][td] [align=center]Prediction value(%)[/align] [/td][td] [align=center]Deviation (%)[/align] [/td][td] [align=center]Relative deviation(%)[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]1[/align] [/td][td] [align=center]0.100[/align] [/td][td] [align=center]0.110[/align] [/td][td] [align=center]0.010[/align] [/td][td] [align=center]10.000[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]2[/align] [/td][td] [align=center]0.800[/align] [/td][td] [align=center]0.852[/align] [/td][td] [align=center]0.052[/align] [/td][td] [align=center]6.500[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]3[/align] [/td][td] [align=center]1.300[/align] [/td][td] [align=center]1.306[/align] [/td][td] [align=center]0.006[/align] [/td][td] [align=center]0.462[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]4[/align] [/td][td] [align=center]1.500[/align] [/td][td] [align=center]1.499[/align] [/td][td] [align=center]-0.001[/align] [/td][td] [align=center]-0.067[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]5[/align] [/td][td] [align=center]1.600[/align] [/td][td] [align=center]1.627[/align] [/td][td] [align=center]0.027[/align] [/td][td] [align=center]1.688[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6[/align] [/td][td] [align=center]1.800[/align] [/td][td] [align=center]1.804[/align] [/td][td] [align=center]0.004[/align] [/td][td] [align=center]0.222[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7[/align] [/td][td] [align=center]2.000[/align] [/td][td] [align=center]1.996[/align] [/td][td] [align=center]-0.004[/align] [/td][td] [align=center]-0.200[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]8[/align] [/td][td] [align=center]2.400[/align] [/td][td] [align=center]2.399[/align] [/td][td] [align=center]-0.001[/align] [/td][td] [align=center]0.042[/align] [/td][/tr][/table][b]表3-5为水的第一倍频波段的预处理方法优化建模结果,RMSCV值作为模型的评价标准,其值越小说明模型越优。其中导数和SG平滑的点数(3-25点)也经过了优化,如图3-5所示,一阶导数SG平滑的最优点数是13点,过少会使光谱的无效信息滤除的不完全,点数过多会使一些信息有效信息被滤除掉。如图3-6所示,二阶导数SG平滑的最优点数是25点。基于水光谱组学建立的PLSR模型,其最佳预处理方法是二阶导数25点平滑,此时主成分数是4。由图3-7可知,RMSECV随着主成分数的增加而降低,当主成分数选择4时,RMSECV达到最低点,因此,甲醇-YPD溶液中甲醇的定量分析模型的最佳主成分数为4,相关参数(RMSEC、RMSECV、RMSEP、R[sub]c[/sub][sup]2[/sup]、R[sub]cv[/sub][sup]2[/sup]和R[sub]p[/sub][sup]2[/sup])分别是0.014%,0.038%,0.047%,1.000,0.997,0.999,结果证明[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]技术结合水光谱组学可能为低含量甲醇的测定提供一个新的思路,最佳模型结果如图3-8所示。[/b][align=center][img=,535,271]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161615048367_8587_3237657_3.png!w535x271.jpg[/img][/align][align=center]图3-5 一阶导数平滑窗口宽度优化结果[/align][b][/b][align=center][img=,550,285]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161614446326_5887_3237657_3.png!w550x285.jpg[/img][/align][align=center]图3-6 二阶导数平滑窗口宽度优化结果[/align][align=center][/align][align=center]表3-5 不同预处理方法下的建模结果比较[/align] [table][tr][td=1,2] [align=center]预处理方法[/align] [/td][td=7,1] [align=center]模型评价参数[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]RMSEC[/align] [/td][td] [align=center]RMSECV[/align] [/td][td] [align=center]RMSEP[/align] [/td][td] [align=center]R[sub]c[/sub][sup]2[/sup][/align] [/td][td] [align=center]R[sub]cv[/sub][sup]2[/sup][/align] [/td][td] [align=center]R[sub]p[/sub][sup]2[/sup][/align] [/td][td] [align=center]RPD[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]autoscaling[/align] [/td][td] [align=center]0.045[/align] [/td][td] [align=center]0.052[/align] [/td][td] [align=center]0.118[/align] [/td][td] [align=center]0.996[/align] [/td][td] [align=center]0.995[/align] [/td][td] [align=center]0.988[/align] [/td][td] [align=center]6.093[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]mean center[/align] [/td][td] [align=center]0.041[/align] [/td][td] [align=center]0.050[/align] [/td][td] [align=center]0.123[/align] [/td][td] [align=center]0.997[/align] [/td][td] [align=center]0.995[/align] [/td][td] [align=center]0.988[/align] [/td][td] [align=center]5.846[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]SNV[sup]a[/sup][/align] [/td][td] [align=center]0.529[/align] [/td][td] [align=center]0.657[/align] [/td][td] [align=center]0.424[/align] [/td][td] [align=center]0.481[/align] [/td][td] [align=center]0.339[/align] [/td][td] [align=center]0.651[/align] [/td][td] [align=center]1.696[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]MSC[sup]a[/sup][/align] [/td][td] [align=center]0.530[/align] [/td][td] [align=center]0.688[/align] [/td][td] [align=center]0.426[/align] [/td][td] [align=center]0.479[/align] [/td][td] [align=center]0.337[/align] [/td][td] [align=center]0.653[/align] [/td][td] [align=center]1.688[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]SG(13,1,1)[sup]a, b[/sup][/align] [/td][td] [align=center]0.017[/align] [/td][td] [align=center]0.044[/align] [/td][td] [align=center]0.035[/align] [/td][td] [align=center]0.999[/align] [/td][td] [align=center]0.996[/align] [/td][td] [align=center]0.999[/align] [/td][td] [align=center]20.543[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]SG(25,2,2)[sup]a, b[/sup][/align] [/td][td] [align=center]0.014[/align] [/td][td] [align=center]0.038[/align] [/td][td] [align=center]0.047[/align] [/td][td] [align=center]1.000[/align] [/td][td] [align=center]0.997[/align] [/td][td] [align=center]0.999[/align] [/td][td] [align=center]15.298[/align] [/td][/tr][/table]a) 预处理之前,对光谱先进行了meancenter处理。b)SG(a1,a2,a3):a1是平滑的窗口宽度,a2是多项式次数,a3是导数。[align=center][img=,612,341]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161614063851_5860_3237657_3.png!w612x341.jpg[/img] [/align][align=center]图3-7 主成分数的选择[/align][align=center][b] [img=,608,296]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161614195255_712_3237657_3.png!w608x296.jpg[/img][/b][/align][align=center]图3-8 甲醇-YPD溶液最佳定量模型[/align][align=center][/align][b]3.4 其它[/b]利用甲醇-LB溶液和甲醇-YEPG溶液得到的结果均和上述甲醇-YPD溶液得到的结果类似,显示水光谱组学可以用于甲醇-培养基溶液中甲醇含量的测定,为水光谱组学应用于目标物质含量低的毕赤酵母发酵过程奠定了基础。甲醇-LB溶液和甲醇-YEPG溶液的雷达图分别见图3-9和图3-10,不同浓度甲醇溶液在选定的12个WAMACS下的吸光度显示出了差异性。特定波数下的吸光度和一级数据之间的相关性分别见表3-6和表3-7,相关系数均大于0.91,相关度较高,证实了所选WAMACS的正确性。两种培养基溶液的甲醇最佳定量模型分别见3-11和3-12,由表可知RMSE值均很低,R[sup]2[/sup]都大于0.97,说明模型的误差很低,准确度很高。[align=center][img=,690,352]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161612071351_5227_3237657_3.png!w690x352.jpg[/img][/align][align=center]图3-9 甲醇-LB溶液雷达图(见实验记录0005497-p97)[/align][align=center][img=,664,348]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161612456091_8187_3237657_3.png!w664x348.jpg[/img][/align][align=center]图3-10 甲醇-YEPG溶液雷达图(见实验记录0005497-p97)[/align][align=center] [/align][align=center]表3-6 甲醇-LB溶液特定波数下的吸光度和一级数据之间的相关性[/align] [table][tr][td] [align=center]wavenumber(cm[sup]-1[/sup])[/align] [/td][td] [align=center]correlation coefficient[/align] [/td][td] [align=center]wavenumber(cm[sup]-1[/sup])[/align] [/td][td] [align=center]correlation coefficient[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7149[/align] [/td][td] [align=center]0.991[/align] [/td][td] [align=center]6836[/align] [/td][td] [align=center]0.962[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7082[/align] [/td][td] [align=center]0.969[/align] [/td][td] [align=center]6773[/align] [/td][td] [align=center]0.978[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6954[/align] [/td][td] [align=center]0.980[/align] [/td][td] [align=center]6702[/align] [/td][td] [align=center]0.984[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6940[/align] [/td][td] [align=center]0.977[/align] [/td][td] [align=center]6667[/align] [/td][td] [align=center]0.987[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6900[/align] [/td][td] [align=center]0.964[/align] [/td][td] [align=center]6509[/align] [/td][td] [align=center]0.989[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6871[/align] [/td][td] [align=center]0.950[/align] [/td][td] [align=center]6400[/align] [/td][td] [align=center]0.964[/align] [/td][/tr][/table][align=center]表3-7 甲醇-YEPG溶液特定波数下的吸光度和一级数据之间的相关性[/align] [table][tr][td] [align=center]wavenumber(cm[sup]-1[/sup])[/align] [/td][td] [align=center]correlation coefficient[/align] [/td][td] [align=center]wavenumber(cm[sup]-1[/sup])[/align] [/td][td] [align=center]correlation coefficient[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7149[/align] [/td][td] [align=center]0.994[/align] [/td][td] [align=center]6836[/align] [/td][td] [align=center]0.962[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]7082[/align] [/td][td] [align=center]0.968[/align] [/td][td] [align=center]6773[/align] [/td][td] [align=center]0.990[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6954[/align] [/td][td] [align=center]0.958[/align] [/td][td] [align=center]6702[/align] [/td][td] [align=center]0.993[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6940[/align] [/td][td] [align=center]0.957[/align] [/td][td] [align=center]6667[/align] [/td][td] [align=center]0.994[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6900[/align] [/td][td] [align=center]0.935[/align] [/td][td] [align=center]6509[/align] [/td][td] [align=center]0.994[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]6871[/align] [/td][td] [align=center]0.918[/align] [/td][td] [align=center]6400[/align] [/td][td] [align=center]0.991[/align] [/td][/tr][/table][align=center][img=,583,308]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161613128067_1312_3237657_3.png!w583x308.jpg[/img][/align][align=center]图3-11 甲醇-LB溶液最佳定量模型[/align][align=center][img=,603,303]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/08/201908161613369595_3970_3237657_3.png!w603x303.jpg[/img] [/align][align=center]图3-12 甲醇-YEPG溶液最佳定量模型[/align][b]4 讨论与结论[/b]本章研究中采用AntarisII傅立叶变换[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱仪[/color][/url]对水光谱组学在甲醇-培养基(YPD、LB、YEPG)体系中的可行性进行了探究,以便确定其能否用于毕赤酵母发酵过程。首先,实验室条件下直接稀释法配制0.1-2.5%([i]v[/i]/[i]v[/i])甲醇-培养基(YPD、LB、YEPG)溶液,间隔0.1%。其次,利用雷达图选定12个活化的水吸收峰(7149 cm[sup]-1[/sup]、7082 cm[sup]-1[/sup]、6954 cm[sup]-1[/sup]、6940 cm[sup]-1[/sup]、6900 cm[sup]-1[/sup]、6871 cm[sup]-1[/sup]、6836 cm[sup]-1[/sup]、6773 cm[sup]-1[/sup]、6702 cm[sup]-1[/sup]、6667 cm[sup]-1[/sup]、6509 cm[sup]-1[/sup]和6400 cm[sup]-1[/sup])用于反应甲醇的存在对水光谱的影响,结果显示即使甲醇的变化量是0.1%,仍可以在雷达图中观察到特定波数下吸光度的变化。然后,利用PLSR建立了水光谱组学用于低含量甲醇测定的NIR分析模型,以甲醇-YPD溶液为例,光谱的最佳预处理方法是二阶导数SG25点平滑,最佳主成分数为4,最佳模型的R[sup]2[/sup][sub]c[/sub],R[sup]2[/sup][sub]cv[/sub],R[sup]2[/sup][sub]p[/sub],RMSEC、RMSECV和RMSEP值分别是1.000,0.997,0.999,0.014%,0.038%,0.047%。甲醇-LB培养基溶液和甲醇-YEPG培养基溶液得到的结果和上述甲醇-YPD培养基溶液得到的结果极其相似,结果证明水光谱组学可以用于甲醇含量的测定,为低含量甲醇的测定提供了一个新的视角。由于样品是在实验室所配的简单体系,距离真正应用于发酵生产中还需要进一步的研究。考虑到实际发酵过程的复杂性,下一步将探讨上述方法在实际动态发酵过程中的应用。
[font=Calibri][font=宋体]仪器信息网于[/font]5[/font][font=Calibri][size=10.5pt][font=宋体]月[/font]26-29[font=宋体]日组织召开[/font][b] [size=18px][b]第九届光谱网络会议[/b][/size][/b][/size][/font][font=Calibri][size=10.5pt][font=宋体],特邀嘉宾[url=https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/News/expert?id=6560]邵学广(南开大学)[/url][/font][font=宋体],带来报告[b]《[url=https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/News/expert?id=6560]水光谱组学与温控[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url][/url]》[/b];[/font][/size][/font][font=宋体]欢迎感兴趣的你,报名参会![/font][b][font='Times New Roman'][color=#0563c1][url=https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/SCIEX522/]https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/iCS2020/[/url][/color][/font][/b]