水光谱组学应用于发酵体系的可行性研究
本研究拟对近红外光谱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。仪器 | 生产厂家 |
Antaris Ⅱ傅立叶变换近红外光谱仪 | 美国Thermo Fisher 公司 |
1 mm比色皿 | Hellma Analytics |
TW12数显恒温水浴锅 | JULABO |
Milli-Q 纯水仪 | 美国 Millipore 公司 |
分析天平 | 梅特勒-托利多有限公司 |
高压蒸汽灭菌锅 | 日本Panasonic公司 |
pH计 | 梅特勒-托利多仪器有限公司 |
SHB-III型循环水式多用真空泵 | 郑州长城科工贸有限公司 |
移液枪 | 德国 Eppendorf 股份公司 |
Matlab 2015b | Mathworks |
PLS_Toolbox工具箱 | Eigenvector Research |
RESULT近红外光谱采集软件 | 美国Thermo Fisher公司 |
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图3-1 甲醇-培养基(YPD)溶液样品近红外光谱图(a:原始光谱图;b:差谱图)
图3-2 预处理之后的甲醇-YPD溶液样品近红外光谱图
图3-3 预处理之后7700-6250 cm-1波段的甲醇-YPD溶液样品近红外光谱图
表3-1 近红外光谱中水的特征峰的归属
序号 | 波数(cm-1) | 解释 | 参考文献 |
1 | 6400-6200 | 与甲醇多聚体的数目有关 | |
2 | 6667 | 低于这个波数,溶液中氢键增多,水的结构更加稳定 | |
3 | 6836、6711 | (H2O)2-3,指含有两、三个氢键的水物种 | |
4 | 6900 | 水分子中OH的对称和反对称伸缩振动的组合频 | |
5 | 6940 | (H2O)1,指含有一个氢键的水物种 | |
6 | 7070、6845、6850 | 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 | |
7 | 7070 | (H2O)0,不含有氢键的水分子,即自由的水分子 | |
8 | 7082、6702、6954 | 弱氢键、强氢键、第三种(受温度影响较大) | |
9 | 7149 | 被称为捕获水的7168和7128 cm-1之间的是脱水波段 |
图3-4 甲醇-YPD溶液雷达图
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
wavenumber(cm-1) | correlation coefficient | wavenumber(cm-1) | correlation coefficient |
7149 | 0.997 | 6836 | 0.972 |
7082 | 0.967 | 6773 | 0.978 |
6954 | 0.985 | 6702 | 0.985 |
6940 | 0.986 | 6667 | 0.988 |
6900 | 0.979 | 6509 | 0.995 |
6871 | 0.969 | 6400 | 0.976 |
表3-3 样本在7600-6250 cm-1波段模型的预测结果
No. | Reference value (%) | Prediction value(%) | Deviation (%) | Relative deviation(%) |
1 | 0.100 | 0.156 | 0.056 | 56.000 |
2 | 0.800 | 0.865 | 0.065 | 8.125 |
3 | 1.300 | 1.341 | 0.041 | 3.153 |
4 | 1.500 | 1.523 | 0.023 | 1.533 |
5 | 1.600 | 1.652 | 0.052 | 3.250 |
6 | 1.800 | 1.868 | 0.068 | 3.778 |
7 | 2.000 | 2.018 | 0.018 | 0.900 |
8 | 2.400 | 2.414 | 0.014 | 0.583 |
表3-4 样本在4500-4250 cm-1波段模型的预测结果
No. | Reference value (%) | Prediction value(%) | Deviation (%) | Relative deviation(%) |
1 | 0.100 | 0.110 | 0.010 | 10.000 |
2 | 0.800 | 0.852 | 0.052 | 6.500 |
3 | 1.300 | 1.306 | 0.006 | 0.462 |
4 | 1.500 | 1.499 | -0.001 | -0.067 |
5 | 1.600 | 1.627 | 0.027 | 1.688 |
6 | 1.800 | 1.804 | 0.004 | 0.222 |
7 | 2.000 | 1.996 | -0.004 | -0.200 |
8 | 2.400 | 2.399 | -0.001 | 0.042 |
图3-5 一阶导数平滑窗口宽度优化结果
图3-6 二阶导数平滑窗口宽度优化结果
表3-5 不同预处理方法下的建模结果比较
预处理方法 | 模型评价参数 | ||||||
RMSEC | RMSECV | RMSEP | Rc2 | Rcv2 | Rp2 | RPD | |
autoscaling | 0.045 | 0.052 | 0.118 | 0.996 | 0.995 | 0.988 | 6.093 |
mean center | 0.041 | 0.050 | 0.123 | 0.997 | 0.995 | 0.988 | 5.846 |
SNVa | 0.529 | 0.657 | 0.424 | 0.481 | 0.339 | 0.651 | 1.696 |
MSCa | 0.530 | 0.688 | 0.426 | 0.479 | 0.337 | 0.653 | 1.688 |
SG(13,1,1)a, b | 0.017 | 0.044 | 0.035 | 0.999 | 0.996 | 0.999 | 20.543 |
SG(25,2,2)a, b | 0.014 | 0.038 | 0.047 | 1.000 | 0.997 | 0.999 | 15.298 |
图3-7 主成分数的选择
图3-8 甲醇-YPD溶液最佳定量模型
图3-9 甲醇-LB溶液雷达图(见实验记录0005497-p97)
图3-10 甲醇-YEPG溶液雷达图(见实验记录0005497-p97)
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
wavenumber(cm-1) | correlation coefficient | wavenumber(cm-1) | correlation coefficient |
7149 | 0.991 | 6836 | 0.962 |
7082 | 0.969 | 6773 | 0.978 |
6954 | 0.980 | 6702 | 0.984 |
6940 | 0.977 | 6667 | 0.987 |
6900 | 0.964 | 6509 | 0.989 |
6871 | 0.950 | 6400 | 0.964 |
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
wavenumber(cm-1) | correlation coefficient | wavenumber(cm-1) | correlation coefficient |
7149 | 0.994 | 6836 | 0.962 |
7082 | 0.968 | 6773 | 0.990 |
6954 | 0.958 | 6702 | 0.993 |
6940 | 0.957 | 6667 | 0.994 |
6900 | 0.935 | 6509 | 0.994 |
6871 | 0.918 | 6400 | 0.991 |
图3-11 甲醇-LB溶液最佳定量模型
图3-12 甲醇-YEPG溶液最佳定量模型