Laser induced breakdown spectroscopy assisted by machine learning for the classification/authentication of food products

作者
Dimitrios Stefas
标识
DOI:10.12681/eadd/53200
摘要

Από την ανάπτυξη του λέιζερ, το επιστημονικό τοπίο έχει αλλάξει δραματικά, με αποτέλεσμα νέες πειραματικές μεθοδολογίες και ποικίλες τεχνολογικές εφαρμογές. Μια αναλυτική τεχνική που μπορεί να εφαρμοστεί στο πεδίο είναι η φασματοσκοπία πλάσματος επαγόμενου από λέιζερ (Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS), η οποία μερικές φορές ονομάζεται φασματοσκοπία πλάσματος επαγόμενου με λέιζερ (Laser Induced Plasma Spectroscopy, LIPS). Η τεχνική LIBS χρησιμοποιεί ένα παλμικό λέιζερ υψηλής ενέργειας για την παραγωγή πλάσματος σε ένα δείγμα. Τα φασματικά χαρακτηριστικά που παράγονται από διεγερμένα άτομα, ιόντα και μόρια, χρησιμοποιούνται για τη συλλογή ποσοτικών και ποιοτικών αναλυτικών πληροφοριών σχετικά με το δείγμα. Λόγω του γεγονότος ότι η οπτική εκπομπή από το πλάσμα περιλαμβάνει τις φασματικές υπογραφές όλων των στοιχείων που υπάρχουν στο υλικό του δείγματος, η στοιχειακή σύσταση του μπορεί να προσδιοριστεί γρήγορα παρατηρώντας τα φάσματα LIBS. Η τεχνική LIBS προσφέρει την αξιοσημείωτη ικανότητα να εκτελεί ανάλυση πολλών στοιχείων σε πραγματικό χρόνο, η οποία δεν είναι εφικτή με άλλες παραδοσιακές τεχνικές. Ωστόσο, λόγω της σχετικά χαμηλής ευαισθησίας της, η ανίχνευση ιχνοστοιχείων παραμένει δύσκολη, γεγονός που αποτελεί βασικό μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης. Η πρώτη καταγραφή ενός πλάσματος που παράγεται με λέιζερ αναφέρθηκε σχεδόν αμέσως μετά την εφεύρεση των λέιζερ, ενώ τις τελευταίες τρεις δεκαετίες έχει προταθεί και υλοποιηθεί ένας σημαντικός αριθμός εφαρμογών που σχετίζονται με την τεχνική LIBS. Επιπλέον, βελτιώνονται οι στατιστικές προσεγγίσεις για την ανάλυση των φασμάτων LIBS, διατίθενται εμπορικά όργανα LIBS, ενώ θεωρητικά και υπολογιστικά μοντέλα που περιγράφουν τη δυναμική συμπεριφορά του πλάσματος και της ακτινοβολίας που εκπέμπει έχουν εξεταστεί διεξοδικά μέσω πειραμάτων. Την τελευταία δεκαετία, τα χημειομετρικά εργαλεία και τα εργαλεία μηχανικής μάθησης για την ανάλυση φασματοσκοπικών δεδομένων LIBS έχουν αναζωπυρώσει το επιστημονικό ενδιαφέρον για ποικίλες εφαρμογές, λόγω των τεράστιων συνόλων δεδομένων με χιλιάδες μεταβλητές που παρέχονται σε εξαιρετικά γρήγορους χρόνους λήψης, σε σύγκριση με άλλες φασματοσκοπικές τεχνικές. Μια αναδυόμενη και απαιτητική εφαρμογή είναι η ανάλυση τροφίμων, κυρίως ως μέθοδος διασφάλισης ποιότητας. Στην παρούσα διατριβή διερευνάται η εφαρμογή της τεχνικής LIBS, με τη βοήθεια της μηχανικής μάθησης, στην ανάλυση ελαιόλαδων. Η ταξινόμηση των διαφόρων ελαιόλαδων πραγματοποιείται είτε με βάση τη γεωγραφική τους προέλευση είτε με βάση την προέλευση της ποικιλίας τους. Δοκιμάζονται διάφοροι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης και η ανάλυση των δεδομένων LIBS παρέχει πληροφορίες σχετικά με τα φασματικά χαρακτηριστικά που είναι πιο σημαντικά για την επιτυχή ταξινόμηση. Επιπλέον, πραγματοποιείται άμεση σύγκριση της τεχνικής LIBS με τη φασματοσκοπία απορρόφησης και η επακόλουθη συγχώνευση των διαφορετικών φασματοσκοπικών δεδομένων για τη βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης. Στο πνεύμα αυτό, η παρούσα εργασία καταδεικνύει τις βελτιωμένες δυνατότητες της τεχνικής LIBS για την ανάλυση τροφίμων, ως εργαλείο που προτείνεται για την αξιολόγηση της ποιότητας των προϊόντων ελαιόλαδου. Το κεφάλαιο 1 της παρούσας διατριβής παρέχει μια επισκόπηση της τρέχουσας βιβλιογραφίας όσον αφορά την εφαρμογή της τεχνικής LIBS για την ανάλυση τροφίμων, γενικά. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται σε διάφορα τρόφιμα ενδιαφέροντος, όπως το ελαιόλαδο, το μέλι και το γάλα. Συζητούνται και περιγράφονται λεπτομερώς οι αρχές της τεχνικής LIBS. Δίνεται μια περίληψη των μεθόδων μηχανικής μάθησης που χρησιμοποιούνται στις αναλύσεις LIBS, με έμφαση και στην επικύρωση των προγνωστικών μοντέλων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται διεξοδικά συγκεκριμένες εφαρμογές της LIBS στην επιστήμη των τροφίμων. Στο Κεφάλαιο 2 τα φάσματα LIBS από συνολικά 139 δείγματα εξαιρετικά παρθένου και παρθένου ελαιόλαδου ταξινομούνται με βάση τη γεωγραφική προέλευση των δειγμάτων. Χρησιμοποιούνται διάφοροι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης και αξιολογούνται οι επιδόσεις τους στην ταξινόμηση. Επιπλέον, αξιολογήθηκε η σημασία των φασματικών χαρακτηριστικών στην ταξινόμηση και εντοπίστηκαν τα πιο σημαντικά. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται και πραγματοποιείται μια συγκριτική μελέτη μεταξύ της φασματοσκοπίας LIBS και της φασματοσκοπίας απορρόφησης UV-Vis, όσον αφορά την ταξινόμηση των ελαιόλαδων με βάση τη γεωγραφική τους προέλευση. Τόσο τα φάσματα LIBS όσο και τα φάσματα απορρόφησης υποβλήθηκαν αρχικά σε προεπεξεργασία μέσω της Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή προγνωστικών μοντέλων, χρησιμοποιώντας γραμμική διακριτική ανάλυση και μηχανές διανυσμάτων υποστήριξης. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 4, γίνεται διάκριση των εξαιρετικά παρθένων ελαιόλαδων με βάση την προέλευση της ποικιλίας τους. Σε συνέχεια του Κεφαλαίου 3, τα φάσματα LIBS και απορρόφησης των δειγμάτων ταξινομούνται με τη χρήση των αλγορίθμων μηχανικής μάθησης και ο επακόλουθος συνδυασμός των δύο διαφορετικών τύπων φασματοσκοπικών δεδομένων, δηλαδή των φασμάτων εκπομπής και απορρόφησης, προτείνεται ως μια αποτελεσματική στρατηγική για την πρόβλεψη της προέλευσης της ποικιλίας του ελαιόκαρπου των διαφόρων δειγμάτων ελαιόλαδου.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
刚刚
小萌发布了新的文献求助10
刚刚
一路硕博发布了新的文献求助10
刚刚
kkkkk完成签到 ,获得积分10
1秒前
南京市民的应助被失眠惊蛰采纳,获得10
1秒前
2秒前
2秒前
夏天的西瓜完成签到,获得积分10
2秒前
3秒前
houniao发布了新的文献求助10
3秒前
3秒前
Xxxw发布了新的文献求助10
3秒前
阿冰发布了新的文献求助10
4秒前
CoconutCreek完成签到,获得积分10
4秒前
yingzi完成签到,获得积分10
4秒前
哈哈哈完成签到,获得积分10
4秒前
打打的应助被Vincent采纳,获得10
5秒前
半邪完成签到 ,获得积分10
5秒前
sanbenzi发布了新的文献求助10
5秒前
脑洞疼的应助被肥美的醉鸭采纳,获得30
5秒前
蓝朱发布了新的文献求助10
6秒前
Z2H发布了新的文献求助10
6秒前
appleye发布了新的文献求助10
6秒前
7秒前
SciGPT的应助被甜蜜的无血采纳,获得10
7秒前
Lucas的应助被失眠惊蛰采纳,获得10
7秒前
8秒前
卷卷发布了新的文献求助10
8秒前
8秒前
yeonh完成签到 ,获得积分10
8秒前
8秒前
9秒前
123456789完成签到,获得积分10
9秒前
111发布了新的文献求助10
10秒前
毛斗子完成签到,获得积分10
10秒前
完美世界的应助被Feng5945采纳,获得10
11秒前
11秒前
内向柠檬发布了新的文献求助20
11秒前
霸气的小天鹅的应助被林利芳采纳,获得10
11秒前
科研通AI6.2的应助被Yixuan_Zou采纳,获得10
11秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Aspects of Post-SPE Phonology 2000
Performance standards for antimicrobial disk and dilution susceptibility tests for bacteria isolated from animals 888
Rosenblum, Global Change Biology 800
Holistic Discourse Analysis, Second Edition by Robert E. Longacre (2012-09-10) 666
Change the Wallpaper: Transforming Cultural Patterns to Build More Just Communities 600
Final Report for the 2-D Test of Model 901 Rotor and Wing Airfoils (BSWT 592) 528
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 计算机科学 工程类 纳米技术 物理 有机化学 化学工程 内科学 生物化学 复合材料 催化作用 心理学 细胞生物学 无机化学 电极 光电子学 人工智能
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7884490
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9397412
关于积分的说明 20821624
捐赠科研通 7486636
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3355890
关于科研通互助平台的介绍 2494821
邀请新用户注册赠送积分活动 2383601