• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Kemometri01. 01. 2013 | Katrine Meyn

Multieksponentiel analyse: CuSO4, relaxometri og multivejskemometri

Kemometri01. 01. 2013 By Katrine Meyn

Multivejs kemometriske modeller kan bruges til unikt at resolvere multi-eksponentielle relaxationsprofiler i underliggende rene eksponentielle profiler. Metoden benytter sig af redundant information, og tricket hedder: slicing igen-igen.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1/2, 2013 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.

Af Søren Balling Engelsen, Rasmus Bro, Institut for Fødevarevidenskab, Københavns Universitet og Lars Nørgaard, FOSS

Multieksponentiel analyse er et klassisk analytisk problem. Overlappende eksponentielle fænomener er almindeligt forekommende indenfor forskellige videnskabelige discipliner såsom dynamiske biokemiske reaktioner og relaxometriske målinger. Der er derfor fokus på robuste og effektive løsninger på dette ikke-lineære problem. I denne foreløbig sidste klumme omhandlende multivejskemometri vil vi vise, at multivejskemometri, blandt mange andre anvendelser, også kan bidrage med en effektiv alternativ løsning til resolvering af det multieksponentielle problem. Der er ikke tale om en klassisk kemometrisk anvendelse, hvor signaler fra flere prøver behandles samtidig, men om en højst overraskende anvendelse til signalbehandling af en enkelt multieksponentiel profil.
Tricket er en opgradering af den multieksponentielle profil til en datakube ved brug af en operation, som hedder dobbelt-slicing, deraf navnet på algoritmen: DOUBLESLICING [1]. Ideen bag DOUBLESLICING er at slice den eksponentielle profil to gange og derved generere en trevejs datakube, som kan analyseres ved brug af multivejs kemometriske modeller. Slicing-ideen blev præsenteret af Windig og Antalek på KODAK-laboratorierne [2]. Figur 1 viser princippet bag DOUBLESLICING. Ved den første slicing-operation (translation langs tidsaksen) skabes et antal pseudoprofiler, som alle har de samme underliggende eksponential profiler, men forskudt i tid. Det er altså samme profil, der gentages, men forskudt. Den ene profil bliver derved til en matrix af profiler, som hver repræsenterer forskudte tidsafsnit. Ved den anden slicing-operation gentages processen langs kolonneretningen, og dette resulterer i en trevejs datastruktur. Denne preprocessering kan synes som en unødvendig kompliceret proces med stærkt redundant information, men den har til formål at skabe en trevejs datastruktur fra en enkelt multieksponentiel profil. Man kan vise, at denne trevejsstruktur vil følge en PARAFAC-model, og man kan derved benytte den til at løse det diskrete multieksponentielle problem. Fordelene ved at benytte multivejskemometri er, at løsningen, givet ved PARAFAC i modsætning til multieksponentiel kurvefitning, bliver unik og lynhurtig under forudsætning af, at der er tale om et lavrangs (få komponenter) multieksponentielt system.
Vi vil i denne klumme demonstrere algoritmen til brug for multieksponentielle profiler målt med et benchtop kernemagnetisk resonans (NMR) instrument også kaldet NMR-relaxometri. Denne type målinger er udbredt indenfor fødevareforskningen, hvor de bl.a. bruges til at bestemme ”solid fat” i spiseolier, hvor profilen deles op i en hurtigt relaxerende del (fast fedt) og en langsomt relaxerende del (flydende fedt).
For at kunne illustrere den nye algoritmes effektivitet har vi designet et prøvesæt, som eliminerer vekselvirkninger mellem de forskellige eksponentielle komponenter. NMR er baseret på diamagnetisme, men det er velkendt, at tilstedeværelse af paramagnetiske kerner vil quenche NMR-signalerne. Tilsætning af forskellige koncentrationer af CuSO4 til vand kan således designes til en given tilsyneladende T2-relaxation. Vi har til formålet lavet fire moderopløsninger med forskellige CuSO4-koncentrationer på hhv. 55, 26, 13, og 6.5 mM. Det svarer til tilsyneladende transverse T2-relaxationstider på 20, 40, 80 og 160 ms. Mono-eksponentiel kurvefitning af de målte relaxationsprofiler for de fire moderopløsninger resulterede i følgende T2-værdier: 19.6, 40.6, 81.4, and 159.4 ms.
Vha. de fire moderopløsninger har vi konstrueret et 4-komponent (D-optimal) design med syv koncentrationsniveauer. Designet på i alt 30 prøver blev etableret ved at placere syv små NMR-rør (5mm) fyldt med de fire moderopløsninger indeni i et 18mm NMR-rør (figur 2). Koncentrationsværdier, som svarer til antallet af de små rør med en given moderopløsning (værdier fra 1 til 7), er vist i figur 2. Hver enhed svarer til en syvendedel af det totale NMR-volumen. Skemaet (figur2) angiver, hvor mange af hver af de fire moderopløsninger, der er til stede ved en given måling (i prøve nummer 1 er alle de små NMR-rør fyldt med moderopløsning 4). Ved at bruge dette eksperimentelle design er det muligt at kontrollere det eksakte bidrag fra hver af relaxationskomponenterne til det totale NMR-signal samtidig med, at vi kan undgå vekselvirkninger, som typisk forekommer, når koncentrationerne varieres. Man skal dog være opmærksom på, at opdeling af NMR-røret i mindre rum kan føre til artifakter, som stammer fra mellemrummene mellem de små NMR-rør (NMR susceptibility). Desuden kan der opstå mindre artifakter, pga. at forskellige dele af den samme prøve kan opleve en smule anderledes magnetisk felt.
For hver af de 30 prøver måltes det transverse relaxationssignal af vandkomponenten vha. en CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) pulssekvens (figur 3). Dette unikke datasæt er tilgængeligt i MATLAB-format fra http://www.models.life.ku.dk sammen med MATLAB-koden til DOUBLESLICING.
De resulterede 30 NMR-relaxationsprofiler er vist i figur 3, hvor de er farvet efter deres indhold af den hurtigt relaxerende komponent (20 ms). Figur 5 viser dispersionen af de ekstraherede T2-værdier ved applikation af DOUBLESLING. Algoritmen (se skitse i figur 4) har ingen problemer med at ekstrahere de fire underliggende rene eksponentielle komponenter fra disse relativt komplekse NMR-henfaldskurver.
Vi har gennemført en række test af DOUBLESLICING, og den viser sig i det store hele at give nogenlunde de samme resultater som en effektiv klassisk kurvefitningsalgoritme. På to afgørende punkter er der imidlertid en forskel.
For et første er DOUBLESLICING ikke-iterativ, da den har en analytisk løsning og er for disse data minimum en faktor fire hurtigere i beregningstid. Den hurtigere beregningstid giver DOUBLESLICING et stort potentiale indenfor applikationer, hvor mange oligo-eksponentialfunktioner skal analyseres eller i andre tilfælde, hvor omfattende resampling er nødvendig for et sikkert analyseresultat. Den lynhurtige DOUBLESLICING kan også benyttes som et superkvalificeret begyndelsesgæt for en traditionel numerisk kurvefitningsalgoritme, og indenfor Magnetic Resonance Imaging (MRI) kan DOUBLESLICING finde anvendelse som matematisk kontrast af MRI-billeder [3].
For det andet giver brugen af multivejskemometri til analyse af multieksponentielle kurver nogle gode diagnostiske redskaber. Et af hovedproblemerne ved anvendelse af traditionel kurvefitning er at estimere antallet af komponenter. Dette foretages som regel ved at undersøge RMSE (root mean square error) for kurvefittet som en funktion af antallet af komponenter. Men ofte er det subtile forskelle, der afgør, om man skal bruge to eller tre komponenter på trods af, at de resulterende modeller kan være væsenligt forskellige. Ved brug af DOUBLESLICING kan man anvende diverse diagnostiske redskaber som f.eks. den såkaldte core consistency (figur 6), der samlet kan give et bedre fingerpeg om, hvor mange komponenter der er passende [4]. Normalt ses kun to- eller trekomponent-løsninger indenfor NMR-relaxometry, men som figur 6 antyder, er dette formentlig et firekomponent-system.
Brugen af DOUBLESLICING til multieksponentiel analyse giver således en væsentlig bedre diagnosticering med hensyn til det vigtige valg af antallet af komponenter.

Outro
Multivejskemometri kan på overraskende vis bidrage med en ny vinkel på multi-eksponentiel analyse. DOUBLESLICING har vist sig at være tilstrækkeligt nøjagtig til at estimere relaxationstider (T2-værdier) og deres relaterede koncentrationer. Hovedfordelen ved DOUBLESLICING er imidlertid dens meget kortere beregningstider sammenlignet med de traditionelle kurvefitningsalgoritmer, samt de forbedrede muligheder for det kritiske valg af antal af eksponentialkomponenter i en given profil.

Referencer
1. L. Andrade, E. Micklander, I.A. Farhat, R. Bro & S.B. Engelsen, DoubleSlicing: a non-iterative single profile multi-exponential curve resolution procedure. Application to time-domain NMR transverse relaxation data, Journal of Magnetic Resonance (2007), 189(2), 286-292.
2. W. Windig and B. Antalek, Direct exponential curve resolution algorithm (DECRA): A novel application of the generalized rank annihilation method for a single spectral mixture data set with exponentially decaying contribution profiles, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems (1997) 37, 241-254
3. H.F. Seefeldt, F. van den Berg, W. Köckenberger, S.B. Engelsen and B. Wollenweber, Water mobility in the endosperm of high beta-glucan barley mutants as studied by Nuclear Magnetic Resonance Imaging, Magnetic Resonance Imaging (2007), 25(3), 425-432.
4. R. Bro and H.A.L. Kiers, A new efficient method for determining the number of components in PARAFAC models, Journal of Chemometrics, 17(5), 274-286.

Figur 1. Princippet bag DOUBLESLICING. Det transverse NMR-signal optaget som funktion af tiden er en éndimensional datastruktur (en vektor), som indeholder en sum af N eksponentielle henfald svarende til N forskellige vandpopulationer. Kurven inddeles i et antal (to er vist) af stærkt overlappende segmenter (X-slices) ved at fjerne det samme antal af de første eller sidste punkter. De to segmenter placeres i en matrix (tovejs datastruktur), hvorefter proceduren gentages for at danne Z-slices, som kan stables efter hinanden for at danne en trevejs datastruktur. Disse data kan herefter dekomponeres vha. PARAFAC.

Figur 2. Det eksperimentelle design. Koncentrationen af de 30 prøver er i enhederne 1–7, hvor hver enhed repræsenterer en syvendedel af prøvevolumet. Prøverne er mærket iht. deres koncentration.

Figur 3. De 30 relaxationsprofiler farvet efter deres indhold af den hurtigst relaxerende komponent (20 ms).

Figur 4. PARAFAC- modellen som den benyttes i DOUBLESLICING. Den dobbelt-slicede relaxationskurve resolveres til rene mono-eksponentielle komponenter og deres tilsvarende koncentrationer.

Figur 5. Dispersion af T2-værdier fundet ved brug af DOUBLESLICING. Vi ser, at der for de 30 prøver er en overordentlig fin opløsning af de fire underliggende T2-komponenter ved hhv. 20, 40, 80 og 160 ms.

Figur 6. Eksempel på evaluering af PARAFAC core-consistency for en firekomponents-blanding. Værdier tæt på eller under nul, antyder, at for mange komponenter er brugt. Eksemplet viser, at en firekomponents PARAFAC-model beskriver data godt.

Skrevet i: Kemometri

Seneste nyt fra redaktionen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

Analytisk kemiArtikler fra Dansk KemiTop19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi14. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

AktueltBranchenyt14. 05. 2025

Busch Group annoncerer, at deres brand centrotherm clean solutions bliver en del af Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Fra september 2025 vil gasreduktionssystemerne til Semicon-industrien, som tidligere blev tilbudt under dette mærke, blive integreret i Pfeiffer-porteføljen og fremover være

I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

Branchenyt14. 05. 2025

For blot fjerde gang i dette årtusinde uddeles Videnskabernes Selskabs Guldmedalje. Det sker i dag, hvor bakterieforsker Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet, får den fine hæder for sit livsværk og sin holdånd. Han er manden, der kortlægger

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

AktueltMedicinalkemi21. 04. 2025

I dag er det frem med nålen, hvis man er i behandling med diverse former for fedme-medicin. Det hæmmer imidlertid udbredelsen på specielt asiatiske og afrikanske markeder, hvor der er en udtalt nålefobi. Derfor arbejder det danskstiftede biotekselskab Pila Pharma med at få udvikle deres

Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

AktueltBioteknologiFødevarekemi07. 04. 2025

NitroVolt, en dansk biotech-virksomhed, vil vende produktionen af ammoniak på hovedet. I stedet for den velkendte løsning, der bygger på den energitunge Haber-Bosch-proces, vil produktionen nu foregå i en container, der fx kan stå direkte ude hos en landmand. Ammoniak til kunstgødning er en slags

En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi01. 04. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Læs originalartiklen her Nomenklaturudvalget får indimellem henvendelser om dansk kemisk nomenklatur fra de oversættere i EU, hvis opgave det er at oversætte EU-lovgivning på

Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

AktueltEnergi31. 03. 2025

Efter en byggeperiode på omkring to år, er BASF nye 54 megawatt elektrolyseanlæg blevet indviet. Udover at være Tyskland største, med en kapacitet til at producere op til 8.000 ton grøn brint årligt, skriver det også historie på et andet område. Brinten skal primært anvendes som råmateriale i

Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

AktueltBranchenyt31. 03. 2025

Danske virksomheder er fortsat nogle af de mest aktive i Europa til at innovere. Det viser nye tal fra Den Europæiske Patentmyndighed, EPO, som udsteder patenter, der kan dække i op til 45 lande. Vestas, Novozymes og Danmarks Tekniske Universitet har leveret de største bidrag til, at Danmark kan

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Kem-En-Tec Nordic

    Sikker gelfarvning på kun 15 minutter?

  • DENIOS ApS

    Her er den oversete vej til et sundere arbejdsmiljø

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions lancerer den nye HiCube Neo RGA

  • Busch Vakuumteknik A/S

    centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

  • DENIOS ApS

    Ved du, hvornår det er tid til at vedligeholde, udskifte eller flytte dit opsamlingskar?

  • DENIOS ApS

    3 sikkerhedsfunktioner, du skal kigge efter på dit opsamlingskar

  • Holm & Halby

    VidensDage 2025: To dage i videnskabens og fremtidens tegn

  • Holm & Halby

    Holm & Halby deltager i Europe Biobank Week 2025

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    LabDays – Almost sold out

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch på IFFA 2025: Vacuum Diagnostics til intelligente vakuumløsninger til kødforarbejdning

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

  • Ny grundbog tager studerende på videregående uddannelser ind i den basale kemi

    26.03.2025

  • Nedrivningsarbejdere i kontakt med PCB slipper med skrækken – kun lave niveauer i blodet

    25.03.2025

  • Styrkelse af nyfundet gen kan gøre kartoflen resistent over for svampeangreb

    24.03.2025

  • Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i det danske arbejdsmiljø

    21.03.2025

  • Dansk forbud mod PFAS er lige på trapperne – indsigelsesfrist mod 2024-aftale er overskredet

    20.03.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik