تحليل الفاكهة المتطايرة باستخدام الأنف الالكتروني

Summary

ووصف طريقة سريعة لتحليل مركب متطاير في الفاكهة. ويفصل بسرعة المتطايرة موجودة في فراغ الرأس من جناسة من العينة والكشف مع اللوني للغاز فائقة السرعة (GC) إلى جانب وجود سطح الموجة الصوتية (SAW) الاستشعار. ويناقش أيضا إجراء لمعالجة البيانات وتحليلها.

Abstract

التغيرات الفسيولوجية عديدة ومتنوعة تحدث أثناء نضج الثمار، بما في ذلك تطوير مزيج متقلب المحددة التي تميز رائحة الفاكهة. النضج عند الحصاد هو واحد من العوامل الرئيسية التي تؤثر على جودة نكهة الفواكه والخضروات ^1. المصادقة على وسائل قوية التي تقيم بسرعة نضج الثمار ونوعية رائحة سيسمح تحسين إدارة برامج التربية المتقدمة، وممارسات الإنتاج والمناولة بعد الحصاد.

على مدى العقود الثلاثة الماضية، وقد أجريت الكثير من البحوث لتطوير ما يسمى الأنوف الإلكترونية، والتي هي أجهزة قادرة على الكشف عن الروائح والنكهات بسرعة ^2-4. حاليا هناك العديد من أنوف الإلكترونية المتاحة تجاريا قادرا على أداء تحليل متقلبة، تعتمد على تقنيات مختلفة. الأنف الالكترونية المستخدمة في عملنا (zNose، بتوقيت شرق الولايات المتحدة، نيوبري بارك، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية)، ويتألف من اللوني للغاز فائقة السرعة إلى جانب وجود موجة استشعار سطح الصوتية (UFGC-ص). وقد تم بالفعل هذه التكنولوجيا لاختبار قدرته على رصد نوعية السلع المختلفة، بما في ذلك الكشف عن تدهور في التفاح ^5؛ النضج وتقييم تعفن في المانجو ^6؛ التنميط رائحة الأنواع الغدة الصعترية ^(7)؛ C ₆ مركبات طيارة في التوت العنب ^8؛ توصيف الزيوت النباتية ⁽⁹⁾ وكشف الغش في زيت جوز الهند ^10.

هذا النظام يمكن تنفيذ الخطوات الرئيسية الثلاثة لتحليل رائحة: فراغ الرأس لأخذ العينات، والفصل بين مركبات طيارة، والكشف. في حوالي دقيقة واحدة، ويتم إنتاج الإخراج، واللوني، وبعد دورة تطهير، صك على استعداد لمزيد من التحليل. ويمكن مقارنة النتائج المتحصل عليها مع zNose لتلك النظم الغاز الكروماتوغرافي الأخرى عن طريق حساب الأرقام القياسية لKovats (كي). مرة واحدة تم ضبطها الصك مع حل معيار ألكان، يتم تحويلها تلقائيا إلى الاحتفاظ مراتكيس. ومع ذلك، يتوقع تغييرات طفيفة في درجة الحرارة ومعدل تدفق للتحدث مع مرور الوقت، مما تسبب في مرات الاحتفاظ إلى الانحراف. أيضا، اعتمادا على قطبية المرحلة عمود ثابت، لا يمكن للاستنساخ من حسابات KI تختلف من وحدة مؤشر عدة ^11. وقد وضعت لذلك سلسلة من البرامج واجهات رسومية لمقارنة بين عينات KIS محسوبة بطريقة شبه آلية. هذه البرامج تقليل الوقت اللازم لتحليل اللوني مجموعات كبيرة من البيانات وتقليل احتمالات سوء تفسير البيانات عندما لا تكون متوافقة تماما المخططات الاستشرابية.

نحن نقدم طريقة لتحليل مركب سريع التقلب في الفاكهة. وتناقش أيضا إعداد نموذج، الحصول على البيانات والتعامل مع الإجراءات.

Protocol

1. عينة تحضير

1. ثمار موسم الحصاد في مرحلة النضج المطلوب. شطف مع مياه الصنبور من أجل إزالة الأوساخ والغبار.
2. اختر الفواكه للتحليل على أساس عدم وجود عيوب داخلية وخارجية، وتجانس الحجم.
3. قطع الفواكه طوليا إلى أسافين لاستخدامها لأخذ العينات المضطربة. إن وجدت، وإزالة الجلد والبذور والبذور أنسجة تجويف، أو حفرة. ويجب اختيار الفواكه الأنسجة تكون متسقة في كافة مراحل التجربة، وتأخذ في الاعتبار التباين داخل ثمرة واحدة (أي الحصول على عينة متساوية من زهر، الاستوائية وأجزاء نهاية الجذعية).
4. الجمع بين أنسجة الفاكهة المختارة، أنها مزيج من أجل بطريقة عشوائية، ومن ثم الخروج تزن 200 غرام في خلاط.
5. إضافة 200 مل من محلول مشبع ₂ CaCl (372.5 ز عند 20 درجة مئوية، في 500 مل من الماء منزوع الأيونات) و 50 ميكرولتر من حل 100 ملم من methylbutyl-2 isovalerate في الميثانول. المقصود من ₂ CaCl ليكون بمثابة المانع من AC الإنزيميةtivity، والتي قد تحدث بعد قطع والمجانسة لحم الفاكهة. يضاف 2-Methylbutyl isovalerate كمعيار داخلي لمراقبة أي خسائر محتملة من المركبات المتطايرة أثناء عملية التجانس.
6. التجانس الخليط في خلاط مختبر (وارنج، الولايات المتحدة)، لمدة 30 ثانية عند 18000 دورة في الدقيقة، ثم صب على الفور في زجاجة وختم مع غطاء تفلون. الحفاظ على جناسة في الزجاجة في درجة حرارة الغرفة حتى يتم إعداد جميع العينات.
7. بعد صب جناسة في زجاجة، وانتظر 10 دقيقة للسماح للانفصال المادة العازلة من السائل، ثم aliquots ماصة 5 مل من السائل، وبدون رغوة، إلى 20 قارورة مل العنبر والزجاج، وختم القنينات مع قبعات المسمار الصلب مزودة تفلون / سيليكون الحاجز. هذا الإجراء هو مناسبة لالبطيخ وإعداد جناسة الكمثرى. إذا تم استخدام الثمار الأخرى للتحليل، قد تكون هناك حاجة إلى خطوة الطرد المركزي. ولذلك، إزالة الرغوة ثم منبذة السائل إلى جسيمات بيليه الذي قدعرقلة ماصة. اعداد لا تقل عن ثلاث قوارير لكل عينة لتكون بمثابة التقنية مكررات.
8. عند هذه النقطة، قد يتم تحليل العينات على الفور أو فلاش مجمدة في النيتروجين السائل وتخزينه في درجة الحرارة المنخفضة جدا (-80 درجة مئوية) لتحليلها لاحقا.
9. لالعينات المجمدة، في اليوم تحليل إزالة عينات من الثلاجة، وتمكينهم من ذوبان الجليد لمدة ساعة في درجة حرارة الغرفة. بعد ذوبان الجليد، وقبل التحليل، واستبدال غطاء قارورة مع واحد جديد لديه نظيفة، والحاجز الجافة. إذا لم يتم استبدال الحاجز، يمكن استخلاص الماء المكثف على الحاجز خلال ذوبان الجليد في صك والاضرار بها.

2. الموجة الصوتية الغاز اللوني السطحية (GC-SAW) مجموعة المتابعة والحصول على البيانات

1. تحميل طريقة التحليل المناسبة على zNose.
   لتحليل الشخصية استر الغنية تقلبا من البطيخ، والمعلمات لدينا في النسخة MicroSense 5.44.22 البرنامج (نيوبري بارك، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية) هي كما يلي: شفط فراغ الرأس فيمدخل لمدة 20 ثانية في 30 دقيقة ^-1 مل عبر مضخة؛ درجة الحرارة مدخل إلى 200 درجة مئوية؛ تيناكس فخ درجة الحرارة نحو 225 درجة مئوية، معدل تدفق الغاز الناقل (نقاء الهليوم 99.999٪) من 2.9 مل دقيقة-1، العمود (DB-5 عمود، 1 م × 0.25mm معرف برنامج درجة الحرارة × 0.25 ميكرومتر سماكة الفيلم) من 45 درجة مئوية إلى 180 درجة مئوية، بمعدل 10 درجة مئوية ثانية ^-1؛ درجة الحرارة الاستشعار عند 40 درجة مئوية؛ صمام نحو 165 درجة مئوية. الوقت تحليل مجموع 1 دقيقة لكل عينة.
2. ربط إبرة الفولاذ المقاوم للصدأ مع المنظمات غير تقوير طرف إلى مدخل zNose وتطهير النظام عدة مرات مع الهواء المحيط حتى خط الأساس هو مستقر ولا قمم أكبر من 200 التهم (CT) يتم الكشف عنها.
3. ضبط أداة تستخدم حل من سلسلة الألكانات مستقيم (C6-C14). يستخدم نتيجة تناغم من قبل البرنامج أداة لتحويل الوقت الإبقاء على قمم مزال من وحدات الوقت في مؤشر Kovats (KI) وحدة سكنية. وبناء على ذلك، بعد أن يتم ضبطها في النظام، وذكرت الصحيفة أن الاحتفاظ في وحدة كي.
4. قبل التحليل، والسماح للعينة لكي تتوازن لمدة 30 دقيقة. لتحليل واحد من قوارير عينة، اضافة الى وجود الإبرة في قنينة الحاجز لتخفيف الضغط. ثم أدخل إبرة متصلة صك مدخل إلى الحاجز قارورة والشروع في أخذ العينات فراغ الرأس. تحليل فني لا يقل عن ثلاثة مكررات لكل عينة.
5. بدء يدويا للصك من خلال النقر على زر "تشغيل"، وينشط المضخة وتنسحب من الأبخرة فوق تقديم العينة. في نهاية التحليل، وهو اللوني يظهر على الشاشة، ويتم تسخين أجهزة الاستشعار تلقائيا إلى 150 درجة مئوية لمدة 10 ثانية لتنظيفه. عند ظهور مربع وضع زر نظام اللون الأخضر مرة أخرى، صك على استعداد لتحليل عينة أخرى.
6. لضمان وجود خط أساس مستقر وسليم تنظيف نظام تشغيل واحد على الأقل فارغة الجوية بين كل عينة. لمراقبة تلوث المتقلبة ممكن من القارورة والغطاء، وتحليل 2 قنينة الفراغات (قارورة فارغة مع قبعة)، في بداية ونهاية اليوم.

3. تصدير البيانات وتحليل

1. تصدير البيانات إلى ملف Microsoft Excel بعد اكتساب باستخدام "بيك تسجيل" وظيفة في مجال البرمجيات MicroSense. مرة واحدة ويتم تصدير البيانات، إضافة أعمدة تحتوي على بطاقات لاصقة للمتغيرات ومكررات.
2. تحويل تنسيق البيانات لسهولة التلاعب باستخدام بيثون (الإصدار 2.6، متاحة مجانا على الانترنت) النصي التي قمنا بتطويرها، واسمه "reform_data.py" (انظر الشكل 1 مثالا لتنسيق البيانات قبل وبعد استخدام البرنامج النصي "reform_data. PY "). يتم تحريرها اسم الملف المصدر (XLS شكل)، واسم ورقة لإدخال البيانات، وكذلك اسم الملف المطلوب للإخراج (XLS الشكل)، مباشرة في البرنامج النصي.
3. بدء تشغيل "kim_interface.py" (كما كتب في بيثون 2.6، انظر الشكل 2)، واستيراد البيانات من ملف ولدت في الخطوة السابقة. على وجه التحديد، ويستند هذا التحليل على عرض وتحليل عدد المرات التي تم الكشف عن كل قيمة KI("يضرب KI"). وهكذا فإن البرنامج يعرض رسم بياني شريطي من الزيارات KI لكل قيمة KI.
4. تقييم الفعالية KI من مجموعات فرعية معينة من العينات، وتحليل كل مجموعة من التقنية مكررات معا. للقيام بذلك، وتحليل كل معاملة أو متغير بشكل منفصل عن طريق فحص / إلغاء تحديد المربعات المقابلة. انظر الشكل 2 التوضيحية لشرح مفصل من واجهة المستخدم الرسومية (GUI) الميزات.
5. بعد تحديد عرض كل نافذة KI باستخدام واجهة المستخدم الرسومية، باختيار عشوائي لبعض المخططات الاستشرابية المقابلة في برنامج Microsense وتقييم التداخل بين القمم الفنية مكررات. انظر الشكل 3 للحصول على مثال من المخططات الاستشرابية مضافين اثنين من التقنية مكررات.
6. بمجرد تفرد النافذة KI، استخدام 'دمج' الميزة متوفرة في واجهة المستخدم الرسومية لدمج KIS التي تقع في الإطار، إلى KI اكتظاظا بالسكان. باستخدام هذه الميزة، يتم توحيد قمم المسمى مع مجموعة من القيم KI تحت تسمية واحدة KI، allowiنانوغرام معالجة قمم مثل متغير واحد.
   للقيام بذلك، أولا انقر على زر "دمج" لتفعيل ميزة وحدد KI اكتظاظا بالسكان كمركز من النافذة من قبل اليسار بالضغط على شريط المقابلة. مرة واحدة وقد تم اختيار شريط، يتغير لونه، واللون الأخضر. لدمج KIS التي تقع ضمن نافذة على KI المحدد، على أشرطة المقابلة انقر بالزر الايمن، وهذا يؤدي إلى تحويل أشرطة حمراء، في حين يتم إضافة شريط أزرق طول المقابلة على رأس KI الوسطى (انظر الشكل 4 ). مرة واحدة تم دمج كل كيس المحدد إلى KI المركزية المناسبة، انقر على زر "دمج" مرة أخرى لقبول التغييرات، وهذا يؤدي على زر 'دمج' بالتحول الى اللون الأصفر. في حالة وجود أخطاء، وعلى زر 'إلغاء دمجها' هو متاح أيضا. إلى إلغاء دمجها، انقر على زر 'إلغاء دمجها "في واجهة المستخدم الرسومية، ثم على شريط أحمر تريد إلغاء دمجها انقر بالزر الايمن. من أحمر، شريط يتحول اللون الأزرق. انقر فوق "إلغاء دمجها 'الزر مرة أخرى لقبول التغييرات.
7. إذا كان أحد محاولات أنادمج ncorrectly ذروتين في عينة واحدة في قيمة KI واحد، تتم طباعة رسالة خطأ. في مثل هذه الظروف، والتحقق عن كثب اللوني وإعادة تحديد إطار KI في تلك المنطقة.
8. بمجرد أن يتم تنفيذ كافة عمليات الدمج، حفظ الملف.
9. قبل الشروع في التحليل الإحصائي، وتحليل المخططات الاستشرابية من الهواء والفراغات قارورة لمراقبة التلوث ممكن. مرة واحدة وقد تم التعرف على KI من قمم في الفراغات، وطرح منطقة ذروة الكشف عنها في / الهواء وأو قنينة فارغة، من منطقة ذروة الحالي في العينة.
   ثم المضي قدما في التحليل الاحصائي.

4. ممثل النتائج

وكان الأنف الالكترونية قادرة على الكشف عن الاختلافات في ملامح متقلبة بين فاكهة البطيخ المقطوع في مراحل النضج المختلفة (الشكل 5). وقد تم تحديد عشرين KI النوافذ في جميع العينات. أظهر تحليل التباين أن 14 قمم deteالمديرية من الأنف الالكتروني يختلف اختلافا كبيرا بين مراحل النضج. في الشكل (6)، سجل للمناطق ذروة يعني من هذه المكونات يتم رسم 14 لاظهار الفروق في الكميات المتوفرة من الذروة بين مراحل النضج اثنين، وناضجة في وقت مبكر، وثمرة ناضجة تماما.

الشكل 1. ومن الأمثلة على تنسيق البيانات التي تم تصديرها من البرنامج أداة (A) وبعد التحول، ويقوم باستخدام "reform_data.py" سيناريو (B) لتسهيل معالجة البيانات وتحليلها، ويتم تحديد كل كيس فريدة من نوعها عبر جميع العينات، ثم يتم إعادة ترتيب البيانات مع معلومات عينة في الصفوف والأعمدة في منطقة ذروة الموافق KIS فريدة من نوعها. إذا لم يتم الكشف عن ذروة لقيمة KI في عينة، الخلية المقابلة لا تزال فارغة.

القبض على الشاشة رقم 2. من السهمتي ملف "kim_interface.py". المؤامرة في وسط يعرض عدد من الزيارات في مقابل KI KI. "ضرب لكل KI 'هو عدد العينات التي تم الكشف عن الذروة مع أن KI محددة. على الجانب الأيسر، وهناك ثلاثة صناديق صفراء السيطرة على البيانات المحددة. لأنها تكشف عن المعلمات لتقسيم مجموعة البيانات (العلاجات، ويعيد، والمتغيرات النوعية، وما إلى ذلك). في هذا العدد، هم (من الأعلى إلى الأسفل): منوع، تاريخ زراعة ومرحلة النضج عند الحصاد. في الجزء السفلي: من خلال النقر على 3 بارات وتحريك الشريط الأزرق إلى اليسار أو إلى اليمين، يمكن للمرء تحديد الحد الأدنى والحد الأقصى لقيمة المجموعة KI، ومنطقة ذروة الحد الأدنى ('عتبة'). على اليمين: زر "دمج" يتيح دمج KIS مختارة من خلال النقر يدويا على القضبان في المؤامرة. زر "إلغاء دمجها 'يسمح احد لعكس العملية لحالات مختارة.

الشكل 3. المخططات الاستشرابية مضافين (في الأسود والأحمر) من اثنين من التقنية مكررات من فراغ الرأس البطيخ المتقلبة لتوضيح تحول في الوقت الاحتفاظ.

الشكل 4. مثال للKI دمج الداخلي. في المؤامرة المركزي، وشريط أخضر (وسط KI) يمثل KI اكتظاظا بالسكان، والتي تم اختيارها كمركز من النافذة كي. KI س و ص KI هي كيس هبوط في إطار المصالح وأنها بحاجة إلى دمجها في KI المركزية. بالنقر بزر الماوس الأيمن على شريط KI X، فإنه أحمرا، وفي الوقت نفسه، وشريط أزرق من نفس الطول من شريط KI العاشر، ويظهر على رأس واحد أخضر. وبتكرار نفس الإجراء Y KI، وطول الشريط الأزرق (كيس مدموجة) زيادة طول المقابلة. مرة واحدة تم إضافة كل كيس، وذلك بالنقر على الزر الأخضر "دمج"، انتهاء عملية الدمج، يتم حفظ التغييرات، ولون زر يتحول إلى اللون الأصفر.

/ files/ftp_upload/3821/3821fig5.jpg "/>
الشكل 5. اثنين من المخططات الاستشرابية عينات البطيخ المقطوع في مراحل النضج المختلفة، وناضجة في وقت مبكر (أعلى) وناضجة تماما (القاع)، لتوضيح قدرة الأنف الالكتروني للكشف عن اختلافات في الكميات المتوفرة متقلبة.

الشكل 6. مؤامرة الرادار تبين منطقة ذروة من 14 عناصر موجودة في عينات البطيخ 2 في مرحلتين نضج مختلفة، وناضجة في وقت مبكر، وناضجة تماما. وذكرت ومناطق الذروة في نطاق سجل للمساعدة في تصور المقارنة. الأرقام في نهاية كل شعاع تمثيل المقابلة Kovats مؤشرات.

Discussion

أنوف إلكترونية يمثل طريقة واعدة لتقييم سريع وموضوعي لمحات من رائحة الفواكه أو عينات المضطربة الغنية بالنفط. ومع ذلك، والتحولات في الوقت الاحتفاظ تمثل تحديا لتحديد الذروة ويمكن أن يؤدي إلى سوء تفسير البيانات عندما لا يتم 2 المخططات الاستشرابية متوافقة تماما. وأشار الفحص البصري من المخططات الاستشرابية أن تباين مرات الاحتفاظ بين عينات تسببت في كثير من الأحيان في ذروة نفسه إلى أن يكون المسمى مع القيم KI مختلفة قليلا (ما يقرب من ± 10). هذا يترجم إلى عدد مبالغ فيه من كيس فريدة من نوعها المكتشفة. من أجل الاستفادة من الحقائق التي (أ) مركبات مختلفة موجودة في مراحل النضج المختلفة و (ب) يعيد التقنية متطابقة تقريبا، ومخطوطات التي تعتمد على الكمبيوتر 2 ("kim_merge.py"، والذي يتضمن إجراءات لمعالجة البيانات وقد وضعت مجموعة، و "kim_interface.py"، الذي يوفر واجهة المستخدم الرسومية (GUI)) على نحو منتظممقارنة عينات بطريقة شبه آلية، والحد بشكل كبير من الوقت اللازم لتحليل اللوني مجموعات كبيرة من البيانات. هذه البرامج تسمح للتوحيد، عند الاقتضاء، من قمم المسمى مع مجموعة من القيم KI تحت تسمية واحدة كي. هذا يخدم غرضين هامين: (أ) فإنه يمكن إجراء تحليل إحصائي لعلاج قمم مثل متغير واحد، و (ب) أن تسهل تحديد الذروة وبالمقارنة مع غيرها من النظم والقيم التي تم نشرها. النتائج المعروضة هنا تشير إلى أنه يمكن تمييز عينات البطيخ على أساس الاستحقاق والتنميط رائحة باستخدام نظام zNose في تركيبة مع تحديد KI كاف. وهذا يمثل تكنولوجيا جديدة واعدة لتحليل المواد المتطايرة التي يمكن استخدامها لبرامج مراقبة الجودة.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
اسم كاشف	شركة	فهرس العدد	تعليقات
كلوريد الكالسيوم	النائب الطبية الحيوية	195088
2-Methylbutyl isovalerate	SAFC العالمية	W350613	≥ 98٪، والطبيعية، لجنة الاتصالات الفدرالية
الميثانول	فيشر العلمية	A411-4
قارورة	سيغما / Supelco	SU860098
قبعة	سيغما / Supelco	SU860101
مختبر خلاط	وارنج مختبر العلوم	7009G	2-سرعة الخلاط: 1 - ليتر عاء زجاجي
زجاجة	فيشر العلمية	06-414-1C	بيركس، 500 مل، البولي بروبلين المكونات ختم
إبرة	الاستشعار الالكترونية تقنية	TLC101046	الجانب ثقب luer
الألكانات حل	الاستشعار الالكترونية تقنية		C6-C14 الألكانات حل في الميثانول
zNose	الاستشعار الالكترونية تقنية	نموذج 4500
DB-5 عمود GC	الاستشعار الالكترونية تقنية	SYS4500C5
MicroSense	الاستشعار الالكترونية تقنية	الإصدار 5.44.22
بيثون 2.6			متاحة مجانا على الإنترنت
"reform_data.py" و "kim_interface.py" مخطوطات			كما تتوفر مواد تكميلية عن مخطوطات [جوف]