Quantitative chemical profile and multivariate statistical analysis of alembic distilled sugarcane spirit fractions

As concentrações de 39 compostos orgânicos foram determinadas em três frações (cabeça, coração e cauda) obtidas da destilação em alambique do caldo de cana fermentado. Os resultados foram avaliados utilizando-se análise de variância (ANOVA), teste de Tukey, análise de componentes principais (PCA), agrupamento hierárquico (HCA) e análise discriminante linear (LDA). De acordo com PCA e HCA, os dados experimentais conduzem à formação de três agrupamentos. As frações de cabeça deram origem a um grupo mais definido. As frações coração e cauda apresentaram alguma sobreposição coerente com sua composição em ácidos. As habilidades preditivas de calibração e validação dos modelos gerados pela LDA para a classificação das três frações foram de 90,5 e 100%, respectivamente. Este modelo reconheceu como coração doze de treze cachaças comerciais (92,3%) com boas características sensoriais, apresentando potencial para a orientação do processo de cortes.

Multivariate spectroscopic methods for the analysis of solutions

In this thesis some multivariate spectroscopic methods for the analysis of solutions are proposed. Spectroscopy and multivariate data analysis form a powerful combination for obtaining both quantitative and qualitative information and it is shown how spectroscopic techniques in combination with chemometric data evaluation can be used to obtain rapid, simple and efficient analytical methods. These spectroscopic methods consisting of spectroscopic analysis, a high level of automation and chemometric data evaluation can lead to analytical methods with a high analytical capacity, and for these methods, the term high-capacity analysis (HCA) is suggested. It is further shown how chemometric evaluation of the multivariate data in chromatographic analyses decreases the need for baseline separation. The thesis is based on six papers and the chemometric tools used are experimental design, principal component analysis (PCA), soft independent modelling of class analogy (SIMCA), partial least squares regression (PLS) and parallel factor analysis (PARAFAC). The analytical techniques utilised are scanning ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, diode array detection (DAD) used in non-column chromatographic diode array UV spectroscopy, high-performance liquid chromatography with diode array detection (HPLC-DAD) and fluorescence spectroscopy. The methods proposed are exemplified in the analysis of pharmaceutical solutions and serum proteins. In Paper I a method is proposed for the determination of the content and identity of the active compound in pharmaceutical solutions by means of UV-Vis spectroscopy, orthogonal signal correction and multivariate calibration with PLS and SIMCA classification. Paper II proposes a new method for the rapid determination of pharmaceutical solutions by the use of non-column chromatographic diode array UV spectroscopy, i.e. a conventional HPLC-DAD system without any chromatographic column connected. In Paper III an investigation is made of the ability of a control sample, of known content and identity to diagnose and correct errors in multivariate predictions something that together with use of multivariate residuals can make it possible to use the same calibration model over time. In Paper IV a method is proposed for simultaneous determination of serum proteins with fluorescence spectroscopy and multivariate calibration. Paper V proposes a method for the determination of chromatographic peak purity by means of PCA of HPLC-DAD data. In Paper VI PARAFAC is applied for the decomposition of DAD data of some partially separated peaks into the pure chromatographic, spectral and concentration profiles.

Funktionelle Magnetresonanztomographie mittels simultaner EEG-Registrierung interiktaler Spikes bei fokaler Epilepsie: Vergleich der on-, off- mit der häufigkeitskorrelierten Datenanalyse

Obwohl die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) interiktaler Spikes mit simultaner EEG-Ableitung bei Patienten mit fokalen Anfallsleiden seit einigen Jahren zur Lokalisation beteiligter Hirnstrukturen untersucht wird, ist sie nach wie vor eine experimentelle Methode. Um zuverlässig Ergebnisse zu erhalten, ist insbesondere die Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses in der statistischen Bilddatenauswertung von Bedeutung. Frühere Untersuchungen zur sog. event-related fMRI weisen auf einen Zusammenhang zwischen Häufigkeit von Einzelreizen und nachfolgender hämodynamischer Signalantwort in der fMRI hin. Um einen möglichen Einfluss der Häufigkeit interiktaler Spikes auf die Signalantwort nachzuweisen, wurden 20 Kinder mit fokaler Epilepsie mit der EEG-fMRI untersucht. Von 11 dieser Patienten konnten die Daten ausgewertet werden. In einer zweifachen Analyse mit dem Softwarepaket SPM99 wurden die Bilddaten zuerst ausschließlich je nach Auftreten interiktaler Spikes der „Reiz“- oder „Ruhe“-Bedingung zugeordnet, unabhängig von der jeweiligen Anzahl der Spikes je Messzeitpunkt (on/off-Analyse). In einem zweiten Schritt wurden die „Reiz“- Bedingungen auch differenziert nach jeweiliger Anzahl einzelner Spikes ausgewertet (häufigkeitskorrelierte Analyse). Die Ergebnisse dieser Analysen zeigten bei 5 der 11 Patienten eine Zunahme von Sensitivität und Signifikanzen der in der fMRI nachgewiesenen Aktivierungen. Eine höhere Spezifität konnte hingegen nicht gezeigt werden. Diese Ergebnisse weisen auf eine positive Korrelation von Reizhäufigkeit und nachfolgender hämodynamischer Antwort auch bei interiktalen Spikes hin, welche für die EEG-fMRI nutzbar ist. Bei 6 Patienten konnte keine fMRI-Aktivierung nachgewiesen werden. Mögliche technische und physiologische Ursachen hierfür werden diskutiert.

Valutazione della qualità ed autenticità di prodotti oleari e lattiero caseari mediante metodi fisici di analisi accoppiati a tecniche statistiche multivariate

Questa tesi descrive alcuni studi di messa a punto di metodi di analisi fisici accoppiati con tecniche statistiche multivariate per valutare la qualità e l’autenticità di oli vegetali e prodotti caseari. L’applicazione di strumenti fisici permette di abbattere i costi ed i tempi necessari per le analisi classiche ed allo stesso tempo può fornire un insieme diverso di informazioni che possono riguardare tanto la qualità come l’autenticità di prodotti. Per il buon funzionamento di tali metodi è necessaria la costruzione di modelli statistici robusti che utilizzino set di dati correttamente raccolti e rappresentativi del campo di applicazione. In questo lavoro di tesi sono stati analizzati oli vegetali e alcune tipologie di formaggi (in particolare pecorini per due lavori di ricerca e Parmigiano-Reggiano per un altro). Sono stati utilizzati diversi strumenti di analisi (metodi fisici), in particolare la spettroscopia, l’analisi termica differenziale, il naso elettronico, oltre a metodiche separative tradizionali. I dati ottenuti dalle analisi sono stati trattati mediante diverse tecniche statistiche, soprattutto: minimi quadrati parziali; regressione lineare multipla ed analisi discriminante lineare.

Multivariate analysis methods in the search for the Higgs boson produced in association with top pairs at the ATLAS experiment at LHC.

The Large Hadron Collider, located at the CERN laboratories in Geneva, is the largest particle accelerator in the world. One of the main research fields at LHC is the study of the Higgs boson, the latest particle discovered at the ATLAS and CMS experiments. Due to the small production cross section for the Higgs boson, only a substantial statistics can offer the chance to study this particle properties. In order to perform these searches it is desirable to avoid the contamination of the signal signature by the number and variety of the background processes produced in pp collisions at LHC. Much account assumes the study of multivariate methods which, compared to the standard cut-based analysis, can enhance the signal selection of a Higgs boson produced in association with a top quark pair through a dileptonic final state (ttH channel). The statistics collected up to 2012 is not sufficient to supply a significant number of ttH events; however, the methods applied in this thesis will provide a powerful tool for the increasing statistics that will be collected during the next LHC data taking.

Unraveling efficiency-limiting processes in organic solar cells by ultrafast spectroscopy - impact of chemical structure and morphology on photophysics and efficiency

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.

Uniform approach to linear and nonlinear interrelation patterns in multivariate time series

Currently, a variety of linear and nonlinear measures is in use to investigate spatiotemporal interrelation patterns of multivariate time series. Whereas the former are by definition insensitive to nonlinear effects, the latter detect both nonlinear and linear interrelation. In the present contribution we employ a uniform surrogate-based approach, which is capable of disentangling interrelations that significantly exceed random effects and interrelations that significantly exceed linear correlation. The bivariate version of the proposed framework is explored using a simple model allowing for separate tuning of coupling and nonlinearity of interrelation. To demonstrate applicability of the approach to multivariate real-world time series we investigate resting state functional magnetic resonance imaging (rsfMRI) data of two healthy subjects as well as intracranial electroencephalograms (iEEG) of two epilepsy patients with focal onset seizures. The main findings are that for our rsfMRI data interrelations can be described by linear cross-correlation. Rejection of the null hypothesis of linear iEEG interrelation occurs predominantly for epileptogenic tissue as well as during epileptic seizures.

A multivariate approach for processing magnetization effects in triggered event-related functional magnetic resonance imaging time series

Triggered event-related functional magnetic resonance imaging requires sparse intervals of temporally resolved functional data acquisitions, whose initiation corresponds to the occurrence of an event, typically an epileptic spike in the electroencephalographic trace. However, conventional fMRI time series are greatly affected by non-steady-state magnetization effects, which obscure initial blood oxygen level-dependent (BOLD) signals. Here, conventional echo-planar imaging and a post-processing solution based on principal component analysis were employed to remove the dominant eigenimages of the time series, to filter out the global signal changes induced by magnetization decay and to recover BOLD signals starting with the first functional volume. This approach was compared with a physical solution using radiofrequency preparation, which nullifies magnetization effects. As an application of the method, the detectability of the initial transient BOLD response in the auditory cortex, which is elicited by the onset of acoustic scanner noise, was used to demonstrate that post-processing-based removal of magnetization effects allows to detect brain activity patterns identical with those obtained using the radiofrequency preparation. Using the auditory responses as an ideal experimental model of triggered brain activity, our results suggest that reducing the initial magnetization effects by removing a few principal components from fMRI data may be potentially useful in the analysis of triggered event-related echo-planar time series. The implications of this study are discussed with special caution to remaining technical limitations and the additional neurophysiological issues of the triggered acquisition.