Mulitvariate Kalibration, Clusteranalyse und Neuronale Netze

Multivariate Kalibration, Clusteranalyse und Neuronale Netze
Literaturangaben
Josef Derkosch
"Absorptionsspektralanalyse im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Gebiet"; Akademische Verlagsgesellschaft,
Frankfurt a. M.
B. Hampel
" Absorptionsspektroskopie im ultravioletten und sichtbaren Bereich"; Verlag F. Vieweg und Sohn, Braunschweig
Hesse, Maier, Zeeh
" Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie"; Thieme Verlag, Stuttgart
Naumer, Heller
"Untersuchungsmethoden in der Chemie"; Georg Thieme Verlag, Stuttgart
OPUS Handbuch; Bruker Optik GmbH, Ettlingen
D. A. Skoog, J. J. Leary
“Instrumentelle Analytik“; Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg
Backhaus,
“Multivariate Analysemethoden“, Springer-Verlag; Berlin
verschiedene Publikationen , Institut Homepage
NeuroDeveloper Handbuch, Synthon GmbH , Heidelberg
Theoretische Grundlagen, Stichwortangabe
Ultraviolettes und sichtbares Spektrum, Lambert-Beer'sches-Gesetz, Monochromatoren, Prisma, Holographisches Gitter,
Farbe, Bandenspektren, Elektronenübergänge, Anregungsvorgänge, Lichtquellen, Detektoren, Absorption, Emission,
Transmission, Intensität, Chemometrie, Clusteranalyse, Dendrogramm, Euklidische Distanz, Datenvorbehandlung,
RMSECV, Mulitvariate Auswertemethoden, Kreuzvalidierung, Faktoranalyse, PLS., FTIR-Spektroskopie, Neuronale
Netze, Typischer Fingerprintbereich, Pattern recognition, Mustererkennung.
Lernziele
Selbständige Bedienung des Diodenarrray Spektrometers der Fa. HP, Umgang mit dem entsprechenden Gerätemanual,
Auswahl der geeigneten Spektrenauswerteprogramme bzw. Aufnahmemethoden, Arbeiten mit chemometrischen
Auswertemethoden, Erstellung von Clusteranalysen und Neuronalen Netzen, Erarbeitung von multivariaten
Kalibrationsmodellen.
Aufgabenstellung
1. Erstellen von multivariaten Kalibrationsmodellen und Clusteranalysen am Beispiel eines Aminosäurengemisches von
Tyrosin und Tryptophan.
2. Unterscheidung von Krankheitsbildern mittels künstlicher neuronaler Netze (ANN).
Die überlappenden Absorptionsbanden der Aminosäuren im UV-Bereich machen ein mulitvariates mathematisches
Verfahren notwendig um quantitative Aussagen treffen zu können.
Hierfür sollen faktoranalytische Methoden zur Auswertung eingesetzt werden.
Die PLS-Methode, als Vollspektrenanalyse, reduziert die große Anzahl der spektralen Daten, indem sie das Spektrum in
geeignete Faktoren zerlegt, die das Spektrum beschreiben. Die Spektren werden im Unterschied zu den Methoden der

MLR (Multi Linear Regression) oder CLS (Principal Component Regression) nicht direkt verwendet sondern zuvor in
sogenannte Score- und Loading-Vektoren zerlegt. Die grundsätzliche Idee ist es, so viel Konzentrations-Information aus
den Spektren zu erhalten wie möglich.
Mit Hilfe der Clusteranalyse und Neuronalen Netzen können qualitative Aussagen getroffen werden. Die Cluster Analyse
untersucht die UV Spektren auf ihre Ähnlichkeit, wobei sie ähnliche Spektren in Gruppen zusammenfasst. Diese Gruppen
werden auch Klassen oder Cluster genannt. Die Gruppenbildung lässt sich grafisch in einem Dendrogramm darstellen.
Die Methode der Clusteranalyse beruht auf der Berechnung der reduzierten Distanzmatrixen von euklidischen Distanzen
der eingesetzten Spektren.
Eine weitere Klassifizierung (Mustererkennung, “Pattern recognition“) dieser spektralen Daten könnte mittels künstlicher
Neuronalen Netzen erfolgen. Diese arbeiten anlog zum menschlichen Nervensystem. Neuronen tauschen untereinander
Daten und Informationen aus. Sie sind in der Lage zu lernen und somit ihre Leistungsfähigkeit im Bezug auf die
Klassifizierung zu verbessern. Im Praktikum sollen Spektren von komplexen biologischen Proben mittels Neuronaler
Netze untersucht werden. Es handelt sich herbei um Seren von Patienten bei denen unterschiedlichste Krankheitsbilder
diagnostiziert wurden.
Die softwaregestützte Auswertung der spektralen Daten erfolgt nach Einweisung.
Messaufgabe
Für die Ausarbeitung sollen 30 Lösungen von Mischungen der Aminosäuren, 5 Lösungen von Tyrosin und 5 Lösungen
nur von Tryptophan angesetzt werden. Die Konzentrationen für Tyrosin sollen im Bereich von 0,01 bis 0,12 mg/ml liegen.
Tryptophan dagegen zwischen 0,005 und 0,06 mg/ml. Die Aminosäurelösungen sind in 4,6% Salzsäure anzusetzen. Die
Auswertung der Spektren soll im Wellenlägenbereich zwischen 240 und 300nm erfolgen. Die Lösungen werden in
Quarzküvetten mit den UV/VIS-Spektrometern der Firmen Agilent (HP 8453) oder J&M (Tidas II) vermessen.
Arbeitsschritte
- Ansetzen einer Verdünnungsreihe mit 30 Mischungen von Tyrosin und Tryptophan
- Ansetzen von 5 Tyrosin und 5 Tryptophan
- Messen der einzelnen UV-Spektren für alle Konzentrationen
- Speichern und Konvertieren der Spektren in das JCAMP –Format
- Erstellen eines multivariaten Kalibrationsmodells für die Aminosäurenmischungen
- Validierung des Modells anhand eines Testsets unbekannter Proben (Spektren)
- Durchführung einer Clusteranalyse mit allen Spektren
- Validierung der Clusteranalyse mit unbekannten Proben (Spektren)
Ansetzen der Lösungen
Herstellung in einer 4,6% HCl:
In einen 1 Liter Messkolben werden 125ml 37%-ige Salzsäure eingefüllt und mit destilliertem Wasser bis zur Eichmarke
aufgefüllt.
Herstellung der Stammlösungen von Tyrosin und Trpytophan:
Es werden ca. 0,08g Tyrosin abgewogen und in einen 250ml Messkolben quantitativ unter Ausspülen des
Wägeschiffschens überführt und bis zur Eichmarke mit 4,6%-iger Salzsäure aufgefüllt. Für die Tryptophanlösung werden
ca. 0,04g Tryptophan abgewogen und auf die gleiche Weise wie oben in einem 250ml Messkolben gelöst.
Berechnung der Verdünnungsreihe
Öffnen Sie die Exeltabelle “Verdünnungsreihe“ und tragen Sie in die Tabelle in die dafür vorgesehenen Felder die exakte
Tyrosin- und Tryptophaneinwaage, sowie das gewünschte Volumen der Messkolben für die Verdünnungsreihe ein. Hinter
die Probennummer werden nun beliebige Volumen der Tyrosin und Tryptophanstammlösung eingegeben. Automatisch
werden nun die Konzentrationen berechnet. Für Tyrosin liegt der Konzentrationsbereich zwischen 0,01 und 0,12 mg/ml.
Für Tryptophan liegen die Konzentrationen zwischen 0,005 und 0,06 mg/ml. Die Volumen werden so gewählt, dass dieser
Bereich gleichmäßig abgedeckt wird.

Protokoll
- Deckblatt
- Abgestempeltes sauberes(!) Tagesprotokoll der Versuchsdurchführung, in dem alle
verwendeten Lösungen mit Konzentrationen, ggfs. Einwaagen etc. anzugeben sind.
- Aufgenommene Spektren bzw. Messwerte
- Auswertung (Formeln)
- Dokumentation der Ergebnisse der Clusteranalysen, Multivariaten Kalibrationsmodellen und Neuronalen Netzen
- Diskussion der Ergebnisse
Abgabetermin: 1Woche nach Durchführung