Acoplamento de técnicas espectrométricas com métodos quimiométricos de classificação e calibração multivariada em alimentos

Este trabalho de pesquisa descreve três estudos de utilização de métodos quimiométricos para a classificação e caracterização de óleos comestíveis vegetais e seus parâmetros de qualidade através das técnicas de espectrometria de absorção molecular no infravermelho médio com transformada de Fourier e de espectrometria no infravermelho próximo, e o monitoramento da qualidade e estabilidade oxidativa do iogurte usando espectrometria de fluorescência molecular. O primeiro e segundo estudos visam à classificação e caracterização de parâmetros de qualidade de óleos comestíveis vegetais utilizando espectrometria no infravermelho médio com transformada de Fourier (FT-MIR) e no infravermelho próximo (NIR). O algoritmo de Kennard-Stone foi usado para a seleção do conjunto de validação após análise de componentes principais (PCA). A discriminação entre os óleos de canola, girassol, milho e soja foi investigada usando SVM-DA, SIMCA e PLS-DA. A predição dos parâmetros de qualidade, índice de refração e densidade relativa dos óleos, foi investigada usando os métodos de calibração multivariada dos mínimos quadrados parciais (PLS), iPLS e SVM para os dados de FT-MIR e NIR. Vários tipos de pré-processamentos, primeira derivada, correção do sinal multiplicativo (MSC), dados centrados na média, correção do sinal ortogonal (OSC) e variação normal padrão (SNV) foram utilizados, usando a raiz quadrada do erro médio quadrático de validação cruzada (RMSECV) e de predição (RMSEP) como parâmetros de avaliação. A metodologia desenvolvida para determinação de índice de refração e densidade relativa e classificação dos óleos vegetais é rápida e direta. O terceiro estudo visa à avaliação da estabilidade oxidativa e qualidade do iogurte armazenado a 4C submetido à luz direta e mantido no escuro, usando a análise dos fatores paralelos (PARAFAC) na luminescência exibida por três fluoróforos presentes no iogurte, onde pelo menos um deles está fortemente relacionado com as condições de armazenamento. O sinal fluorescente foi identificado pelo espectro de emissão e excitação das substâncias fluorescentes puras, que foram sugeridas serem vitamina A, triptofano e riboflavina. Modelos de regressão baseados nos escores do PARAFAC para a riboflavina foram desenvolvidos usando os escores obtidos no primeiro dia como variável dependente e os escores obtidos durante o armazenamento como variável independente. Foi visível o decaimento da curva analítica com o decurso do tempo da experimentação. Portanto, o teor de riboflavina pode ser considerado um bom indicador para a estabilidade do iogurte. Assim, é possível concluir que a espectroscopia de fluorescência combinada com métodos quimiométricos é um método rápido para monitorar a estabilidade oxidativa e a qualidade do iogurte

Microscopia multimodal prática: registro automático de imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura

A discriminação de fases que são praticamente indistinguíveis ao microscópio ótico de luz refletida ou ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um dos problemas clássicos da microscopia de minérios. Com o objetivo de resolver este problema vem sendo recentemente empregada a técnica de microscopia colocalizada, que consiste na junção de duas modalidades de microscopia, microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. O objetivo da técnica é fornecer uma imagem de microscopia multimodal, tornando possível a identificação, em amostras de minerais, de fases que não seriam distinguíveis com o uso de uma única modalidade, superando assim as limitações individuais dos dois sistemas. O método de registro até então disponível na literatura para a fusão das imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura é um procedimento trabalhoso e extremamente dependente da interação do operador, uma vez que envolve a calibração do sistema com uma malha padrão a cada rotina de aquisição de imagens. Por esse motivo a técnica existente não é prática. Este trabalho propõe uma metodologia para automatizar o processo de registro de imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura de maneira a aperfeiçoar e simplificar o uso da técnica de microscopia colocalizada. O método proposto pode ser subdividido em dois procedimentos: obtenção da transformação e registro das imagens com uso desta transformação. A obtenção da transformação envolve, primeiramente, o pré-processamento dos pares de forma a executar um registro grosseiro entre as imagens de cada par. Em seguida, são obtidos pontos homólogos, nas imagens óticas e de MEV. Para tal, foram utilizados dois métodos, o primeiro desenvolvido com base no algoritmo SIFT e o segundo definido a partir da varredura pelo máximo valor do coeficiente de correlação. Na etapa seguinte é calculada a transformação. Foram empregadas duas abordagens distintas: a média ponderada local (LWM) e os mínimos quadrados ponderados com polinômios ortogonais (MQPPO). O LWM recebe como entradas os chamados pseudo-homólogos, pontos que são forçadamente distribuídos de forma regular na imagem de referência, e que revelam, na imagem a ser registrada, os deslocamentos locais relativos entre as imagens. Tais pseudo-homólogos podem ser obtidos tanto pelo SIFT como pelo método do coeficiente de correlação. Por outro lado, o MQPPO recebe um conjunto de pontos com a distribuição natural. A análise dos registro de imagens obtidos empregou como métrica o valor da correlação entre as imagens obtidas. Observou-se que com o uso das variantes propostas SIFT-LWM e SIFT-Correlação foram obtidos resultados ligeiramente superiores aos do método com a malha padrão e LWM. Assim, a proposta, além de reduzir drasticamente a intervenção do operador, ainda possibilitou resultados mais precisos. Por outro lado, o método baseado na transformação fornecida pelos mínimos quadrados ponderados com polinômios ortogonais mostrou resultados inferiores aos produzidos pelo método que faz uso da malha padrão.

Estudo da previsão de propriedades do biodiesel utilizando espectros de infravermelho e calibração multivariada

O biodiesel tem sido amplamente utilizado como uma fonte de energia renovável, que contribui para a diminuição de demanda por diesel mineral. Portanto, existem várias propriedades que devem ser monitoradas, a fim de produzir e distribuir biodiesel com a qualidade exigida. Neste trabalho, as propriedades físicas do biodiesel, tais como massa específica, índice de refração e ponto de entupimento de filtro a frio foram medidas e associadas a espectrometria no infravermelho próximo (NIR) e espectrometria no infravermelho médio (Mid-IR) utilizando ferramentas quimiométricas. Os métodos de regressão por mínimos quadrados parciais (PLS), regressão de mínimos quadrados parciais por intervalos (iPLS), e regressão por máquinas de vetor de suporte (SVM) com seleção de variáveis por Algoritmo Genético (GA) foram utilizadas para modelar as propriedades mencionadas. As amostras de biodiesel foram sintetizadas a partir de diferentes fontes, tais como canola, girassol, milho e soja. Amostras adicionais de biodiesel foram adquiridas de um fornecedor da região sul do Brasil. Em primeiro lugar, o pré-processamento de correção de linha de base foi usado para normalizar os dados espectrais de NIR, seguidos de outros tipos de pré-processamentos que foram aplicados, tais como centralização dos dados na média, 1 derivada e variação de padrão normal. O melhor resultado para a previsão do ponto de entupimento de filtro a frio foi utilizando os espectros de Mid-IR e o método de regressão GA-SVM, com alto coeficiente de determinação da previsão, R2Pred=0,96 e baixo valor da Raiz Quadrada do Erro Médio Quadrático da previsão, RMSEP (C)= 0,6. Para o modelo de previsão da massa específica, o melhor resultado foi obtido utilizando os espectros de Mid-IR e regressão por PLS, com R2Pred=0,98 e RMSEP (g/cm3)= 0,0002. Quanto ao modelo de previsão para o índice de refração, o melhor resultado foi obtido utilizando os espectros de Mid-IR e regressão por PLS, com excelente R2Pred=0,98 e RMSEP= 0,0001. Para esses conjuntos de dados, o PLS e o SVM demonstraram sua robustez, apresentando-se como ferramentas úteis para a previsão das propriedades do biodiesel estudadas

Uso da calibração multivariada para a predição de propriedades físico-químicas de misturas de óleo de soja e biodiesel

O objetivo deste trabalho foi estabelecer um modelo empregando-se ferramentas de regressão multivariada para a previsão do teor em ésteres metílicos e, simultaneamente, de propriedades físico-químicas de misturas de óleo de soja e biodiesel de soja. O modelo foi proposto a partir da correlação das propriedades de interesse com os espectros de reflectância total atenuada no infravermelho médio das misturas. Para a determinação dos teores de ésteres metílicos foi utilizada a cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC), podendo esta ser uma técnica alternativa aos método de referência que utilizam a cromatografia em fase gasosa (EN 14103 e EN 14105). As propriedades físico-químicas selecionadas foram índice de refração, massa específica e viscosidade. Para o estudo, foram preparadas 11 misturas com diferentes proporções de biodiesel de soja e de óleo de soja (0-100 % em massa de biodiesel de soja), em quintuplicata, totalizando 55 amostras. A região do infravermelho estudada foi a faixa de 3801 a 650 cm-1. Os espectros foram submetidos aos pré-tratamentos de correção de sinal multiplicativo (MSC) e, em seguida, à centralização na média (MC). As propriedades de interesse foram submetidas ao autoescalamento. Em seguida foi aplicada análise de componentes principais (PCA) com a finalidade de reduzir a dimensionalidade dos dados e detectar a presença de valores anômalos. Quando estes foram detectados, a amostra era descartada. Os dados originais foram submetidos ao algoritmo de Kennard-Stone dividindo-os em um conjunto de calibração, para a construção do modelo, e um conjunto de validação, para verificar a sua confiabilidade. Os resultados mostraram que o modelo proposto por PLS2 (Mínimos Quadrados Parciais) foi capaz de se ajustar bem os dados de índice de refração e de massa específica, podendo ser observado um comportamento aleatório dos erros, indicando a presença de homocedasticidade nos valores residuais, em outras palavras, o modelo construído apresentou uma capacidade de previsão para as propriedades de massa específica e índice de refração com 95% de confiança. A exatidão do modelo foi também avaliada através da estimativa dos parâmetros de regressão que são a inclinação e o intercepto pela Região Conjunta da Elipse de Confiança (EJCR). Os resultados confirmaram que o modelo MIR-PLS desenvolvido foi capaz de prever, simultaneamente, as propriedades índice de refração e massa específica. Para os teores de éteres metílicos determinados por HPLC, foi também desenvolvido um modelo MIR-PLS para correlacionar estes valores com os espectros de MIR, porém a qualidade do ajuste não foi tão boa. Apesar disso, foi possível mostrar que os dados podem ser modelados e correlacionados com os espectros de infravermelho utilizando calibração multivariada

Improved bounds for subband-adaptive iterative shrinkage/thresholding algorithms.

This paper presents new methods for computing the step sizes of the subband-adaptive iterative shrinkage-thresholding algorithms proposed by Bayram & Selesnick and Vonesch & Unser. The method yields tighter wavelet-domain bounds of the system matrix, thus leading to improved convergence speeds. It is directly applicable to non-redundant wavelet bases, and we also adapt it for cases of redundant frames. It turns out that the simplest and most intuitive setting for the step sizes that ignores subband aliasing is often satisfactory in practice. We show that our methods can be used to advantage with reweighted least squares penalty functions as well as L1 penalties. We emphasize that the algorithms presented here are suitable for performing inverse filtering on very large datasets, including 3D data, since inversions are applied only to diagonal matrices and fast transforms are used to achieve all matrix-vector products.

Free energy surface reconstruction from umbrella samples using Gaussian process regression II: Multiple collective variables

We demonstrate how a prior assumption of smoothness can be used to enhance the reconstruction of free energy profiles from multiple umbrella sampling simulations using the Bayesian Gaussian process regression approach. The method we derive allows the concurrent use of histograms and free energy gradients and can easily be extended to include further data. In Part I we review the necessary theory and test the method for one collective variable. We demonstrate improved performance with respect to the weighted histogram analysis method and obtain meaningful error bars without any significant additional computation. In Part II we consider the case of multiple collective variables and compare to a reconstruction using least squares fitting of radial basis functions. We find substantial improvements in the regimes of spatially sparse data or short sampling trajectories. A software implementation is made available on www.libatoms.org.

Quantitative structure-property relationships (QSPRs) on direct photolysis of PCDDs

By the use of partial least squares (PLS) method and 27 quantum chemical descriptors computed by PM3 Hamiltonian, a statistically significant QSPR were obtained for direct photolysis quantum yields (Y) of selected Polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs). The QSPR can be used for prediction. The direct photolysis quantum yields of the PCDDs are dependent on the number of chlorine atoms bonded with the parent structures, the character of the carbon-oxygen bonds, and molecular polarity. Increasing bulkness and polarity of PCDDs lead to decrease of log Y values. Increasing the frontier molecular orbital energies (E-lumo and E-homo) and heat of formation (HOF) values leads to increase of log Y values. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Quantitative structure-property relationship study on reductive dehalogenation of selected halogenated aliphatic hydrocarbons in sediment slurries

In this study, by the use of partial least squares (PLS) method and 26 quantum chemical descriptors computed by PM3 Hamiltonian, a quantitative structure-property relationship (QSPR) model was developed for reductive dehalogenation rate constants of 13 halogenated aliphatic compounds in sediment slurry under anaerobic conditions. The model can be used to explain the dehalogenation mechanism. Halogenated aliphatic compounds with great energy of the lowest unoccupied molecular orbital (E-lumo), total energy (TE), electronic energy (EE), the smallest bond order of the carbon-halogen bonds (BO) and the most positive net atomic charges on an atom of the molecule (q(+)) values tend to be reductively dehalogenated slow, whereas halogenated aliphatic compounds with high values of molecular weight (Mw), average molecular polarizability (a) and core-core repulsion energy (CCR) values tend to be reductively dehalogenated fastest. (C) 2001 Published by Elsevier Science Ltd.

Calculation of light delay for coupled microrings by FDTD technique and Pade approximation

The Pade approximation with Baker's algorithm is compared with the least-squares Prony method and the generalized pencil-of-functions (GPOF) method for calculating mode frequencies and mode Q factors for coupled optical microdisks by FDTD technique. Comparisons of intensity spectra and the corresponding mode frequencies and Q factors show that the Pade approximation can yield more stable results than the Prony and the GPOF methods, especially the intensity spectrum. The results of the Prony method and the GPOF method are greatly influenced by the selected number of resonant modes, which need to be optimized during the data processing, in addition to the length of the time response signal. Furthermore, the Pade approximation is applied to calculate light delay for embedded microring resonators from complex transmission spectra obtained by the Pade approximation from a FDTD output. The Prony and the GPOF methods cannot be applied to calculate the transmission spectra, because the transmission signal obtained by the FDTD simulation cannot be expressed as a sum of damped complex exponentials. (C) 2009 Optical Society of America

Measurement of a reciprocal four-port transmission line structure using the 16-term error model

A new method to measure reciprocal four-port structures, using a 16-term error model, is presented. The measurement is based on 5 two-port calibration standards connected to two of the ports, while the network analyzer is connected to the two remaining ports. Least-squares-fit data reduction techniques are used to lower error sensitivity. The effect of connectors is deembedded using closed-form equations. (C) 2007 Wiley Periodicals, Inc.

Kinetics of picosecond laser pulse induced charge separation and proton transfer in bacteriorhodopsin

Bacteriorhodopsin (BR) films oriented by an electrophoretic method are deposited on a transparent conductive ITO glass. A counterelectrode of copper and gelose gel is used to compose a sandwich-type photodetector with the structure of ITO/BR film/gelose gel/Cu. A single 30-ps laser pulse and a mode-locked pulse train are respectively used to excite the BR photodetector. The ultrafast failing edge and the bipolar response signal are measured by the digital oscilloscope under seven different time ranges. Marquardt nonlinear least squares fitting is used to fit all the experimental data and a good fitting equation is found to describe the kinetic process of the photoelectric signal. Data fitting resolves six exponential components that can be assigned to a seven-step BR photocycle model: BR-->K-->KL-->L-->M-->N-->O-->BR. Comparing tests of the BR photodetector with a 100-ps Si PIN photodiode demonstrates that this type of BIR photocletector has at least 100-ps response time and can also serve as a fast photoelectric switch. (C) 2003 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

Crystal structures of EtEDTB center dot 1.4C(2)H(5)OH center dot 5H(2)O and H4EtEDTB(ClO4)(4)center dot C2H5OH (EtEDTB=N, N, N ', N '-tetrakis[2-(1-ethylbenzimidazolyl)methyl]-1,2-ethanediamine)

The crystal structures of EtEDTB.1.4C(2)H(5)OH.5H(2)O 1 and H4EtEDTB(ClO4)(4).C2H5OH 2 (EtEDTB = N, N,N',N'-tetrakis[2-(1-ethylbenzimidazolyl)methyl]-1,2-ethanediamine) have been determined by single-crystal X-ray diffraction method. Compound 1 crystallizes in the space group P(1) over bar with a = 11.489(2), b = 11.866(3), c = 12.002(3) Angstrom, alpha = 97.47(2), beta = 114.564(13), gamma = 114.11(2)degrees, V = 1266.6(5) Angstrom(3), Z = 1, M-r = 847.48, D-c = 1.111 g/cm(3), F(000) = 456 and mu(MoKalpha) = 0.076 mm(-1). A total of 5207 reflections were measured for 1, of which 4323 were independent. The structure of 1 was solved by direct methods and refined by full-matrix least-squares technique to the final R = 0.0706 and wR = 0.1802 for 1318 observed reflections with I > 2sigma(I). In the structure of 1, centrosymmetric EtEDTB molecules are linked by hydrogen bonds through water and ethanol to form 2-dimensional network. Compound 2 crystallizes in the space group C2/c with a = 24.260(5), b = 13.040(3), c = 17.680(4) Angstrom, beta = 97.50(3)degrees, V = 5545.2(2) Angstrom(3), Z = 4, M-r = 1140.80, D-c = 1.366 g/cm(3), F(000) = 2384 and mu(MoKalpha) = 0.289 mm(-1).

Hydrothermal synthesis and crystal structure of a novel compound: [Ni(phen)(3)](2)[(SiMo10V2O40)-O-IV((VO)-O-IV)2]center dot 2H(2)O

A novel compound [Ni(phen)(3)](2)[(SiMo10V1/2O40)-O-V((VO)-O-IV)(2)] . 2H(2)O has been hydrothermally synthesized and structurally characterized by single-crystal X-ray diffraction. The compound crystallizes in the triclinic, system, space group P-1, a = 12.378(4) Angstrom, b = 14.148(5) Angstrom, c = 14.316(2) Angstrom, alpha = 105.91(2)degrees, beta = 95.31(2)degrees, gamma = 96.89(3)degrees, V = 2373.0(12) Angstrom(3), Z = 1, (lambdaMo(Kalpha)) = 0.71073 Angstrom, R1 (wR2) = 0.0869(0.2174). Data were collected on a Siemens P4 four-circle diffractometer at 293 K in the range of 1.51 < theta < 22.50degrees using the omega-scan technique. Empirical absorption correction (psi scan) was applied. The structure was solved by the direct method and refined by the Full-matrix least-squares on F-2 using the SHELXL-97 software. X-ray crystallographic study showed that the title compound contained a bi-capped alpha-Kegin-type [(SiMo10V2O40)-O-IV((VO)-O-IV)(2)](4-) polyoxoanion.

Hydrothermal synthesis and crystal structure of an unusual compound: [Cu(en)(2)](4)[(SiMo8V4O40)-O-V((VO)-O-IV)(2)][MoO4](2)center dot 5H(2)O

A novel compound [Cu(en)(2)](4)[(SiMo8V4O40)-O-v(V-IV O)(2)] [MoO4](2) . 5H(2)O has been hydrothermally synthesized and structurally characterized by single-crystal X-ray diffraction. Black crystals crystallize in the tetragonal. system, space group 14/m, a = b = 14.019(2) Angstrom, c = 20.341(4) Angstrom, V = 3997.9(11) Angstrom(3), Z = 2, lambda(MoKalpha) = 0.71073 Angstrom (R(F) = 0.0443 for 1819 reflections). Data were collected on a Siemens P4 four-circle diffractometer at 293 K in the range of 1.76 < theta < 24.98degrees using the omega-scan technique. The structure was solved by the direct method and refined by the full-matrix least squares on F-2 method using the SHELXL-97 software. X-ray crystallographic study showed that the title compound contained a bicapped alpha-Keggin fragment [SiMo8 (V4O40)-O-v((VO)-O-IV)(2)](4-) polyoxoanion.

Three-dimensional quantitative structure-activity relationship of the opioid antagonist with potent anorectant activity of 3,4-dimethyl-4-(3-hydroxyphenyl) piperidine

A series of 3,4-dimethyl-4-(3-hydroxyphenyl) piperidine opioid antagonists with varying substituents on the nitrogen were evaluated for their effect on food consumption in obese Zucker rats. In developing three-dimensional quantitative structure-activity relationship (3D-QSAR) studies for this series of opioid antagonists, different structure alignments have been tested to predict the anorectant activities. The interaction energies between molecules and the probe atom were then correlated with anorectant activity using partial least squares (PLS) method. The steric and electrostatic features of the 3D-QSAR were presented in the form of standard deviation coefficient contour maps of steric and electrostatic fields. The results showed that 3D-QSAR results are much better than the results obtained by 2D-QSAR.