人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于直接化學(xué)電離質(zhì)譜分析食用油品質(zhì)的研究

摘 要 無需任何樣品預(yù)處理，采用表面解吸常壓化學(xué)電離質(zhì)譜（DAPCI-MS）技術(shù)直接對涂覆在載玻片表面的食用油樣品和地溝油樣品進(jìn)行檢測，快速獲得了不同油類樣品的質(zhì)譜信號；并運(yùn)用改進(jìn)的反向傳輸（BP）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對DAPCI-MS所得到的油類樣品質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行有監(jiān)督的分類識別，建立多分組預(yù)測模型。結(jié)果表明： DAPCI-MS能夠承受食用油中復(fù)雜基體的影響，可對油類樣品進(jìn)行直接快速質(zhì)譜分析；誤差反轉(zhuǎn)（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的分類判別能力，對食用油樣品質(zhì)譜數(shù)據(jù)識別效果比較理想，能夠在對地溝油和非地溝油樣品進(jìn)行有效區(qū)分的同時，實(shí)現(xiàn)對不同品種的食用油的分離及分類判別。本方法分析速度快，信息提取準(zhǔn)確，識別精度高，對快速質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在該領(lǐng)域的應(yīng)用以及食用油品質(zhì)的快速鑒定具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 表面解吸常壓化學(xué)電離； 質(zhì)譜； 反向傳輸人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 食用油； 地溝油

1 引 言

近年來，“地溝油”成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。“地溝油”因受污染、變質(zhì)等原因產(chǎn)生的黃曲霉素等有害物質(zhì)會導(dǎo)致腹瀉、腹痛等疾病，甚至誘發(fā)癌變[1]。因此，對地溝油進(jìn)行快速檢測和識別具有重要意義。常規(guī)地溝油檢測主要有水分含量測定法、酸價測定法、膽固醇含量測定法、近紅外光譜法、電導(dǎo)率與極性物質(zhì)測定法、重金屬含量測定法[1，2]。上述方法操作較為復(fù)雜，費(fèi)時費(fèi)力，并且由于主要針對地溝油中的特殊成分進(jìn)行檢測，無法對合法食用油類（如大豆油、花生油等）進(jìn)行識別。

表面解吸常壓化學(xué)電離質(zhì)譜（DACPI-MS）技術(shù)無需有毒化學(xué)試劑，即可對樣品完成無創(chuàng)、無污染的檢測，在食品安全領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢[3，4]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已成為解決化學(xué)問題的重要化學(xué)計(jì)量學(xué)手段，其中反向傳輸（BP）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一[5，6]。目前已有大量近紅外光譜與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的分組預(yù)測模型的成功應(yīng)用的報(bào)道[7，8]，但質(zhì)譜與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的分析識別應(yīng)用的報(bào)道鮮見。

本研究采用DAPCI-MS技術(shù)對地溝油和3種主要食用油類（大豆油、花生油和油菜籽油）進(jìn)行快速質(zhì)譜分析，同時利用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為識別模型，實(shí)現(xiàn)了對DAPCI-MS所得到的油類樣品質(zhì)譜數(shù)據(jù)的自動辨識。本方法分析速度快、信息提取準(zhǔn)確、識別精度高，對油類樣品質(zhì)譜數(shù)據(jù)具有較好的識別效果。

2 基本理論

標(biāo)準(zhǔn)的BP算法使用最速梯度下降法進(jìn)行誤差調(diào)整，其權(quán)值的修正是沿著誤差性能函數(shù)梯度的反方向進(jìn)行的:

x（k＋1）＝x（k）－αg（k）（1）

其中，x（k）為第k次迭代各層之間的連接權(quán)向量或閾值向量；α為學(xué)習(xí)速率；g（k）＝E（K）x（k）為第k次迭代的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出誤差對各個權(quán)值或閾值的梯度向量。由于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層采用Sigmoid型傳輸函數(shù)，在輸入量很大或很小時，輸出函數(shù)的斜率趨近于零。因此在權(quán)值和閾值距離最佳值甚遠(yuǎn)時，權(quán)值和閾值的修正量也很小。所以標(biāo)準(zhǔn)的BP算法存在收斂速度慢，訓(xùn)練時間長等不足[9～11]。

BP算法改進(jìn)的主要目標(biāo)是加快訓(xùn)練速度，消除梯度幅度的不利影響。算法的改進(jìn)基于對表現(xiàn)函數(shù)梯度加以分析：權(quán)值的修正值取決于g（k）的正負(fù)號，而g（k）的幅度與權(quán)值的修正無關(guān)[14]。權(quán)值或閾值x（k）的第k＋1次迭代的幅度修正值Δx（k＋1）的算法描述如下[12]：

Δx（k＋1）＝Δx（k）#8226;kinc#8226;Sign（g（k）） （當(dāng)連續(xù)兩次迭代的梯度方向相同）

Δx（k）#8226;kdec#8226;Sign（g（k）） （當(dāng)連續(xù)兩次迭代的梯度方向相反）

Δx（k） （當(dāng)g（k）＝0）（2）

當(dāng)連續(xù)兩次迭代的梯度方向相同時，修正值隨增量因子kinc增加；當(dāng)連續(xù)兩次迭代的梯度方向相反時，修正值隨減量因子kdec減??；當(dāng)梯度為零時，修正值保持不變。改進(jìn)以后，如果權(quán)值在相同的梯度上被連續(xù)修正，則增加權(quán)值變化的量級，克服了幅度偏導(dǎo)帶來的不利影響，加快了訓(xùn)練速度。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 儀器與試劑

DAPCI離子源（東華理工大學(xué)研制[15，16]）； LTQ-XL增強(qiáng)型線性離子阱質(zhì)譜儀（美國Finnigan公司），配有Xcalibur數(shù)據(jù)系統(tǒng)。甲醇（色譜純）；食用油樣品（采購自當(dāng)?shù)爻校?；地溝油樣品（?dāng)?shù)毓ど滩块T提供）。

3.2 質(zhì)譜分析

將未經(jīng)任何樣品預(yù)處理的油樣品直接涂覆在干凈的載玻片上，待其擴(kuò)散成較薄的一層油膜后，放置在DAPCI 離子源下，直接進(jìn)行質(zhì)譜分析。設(shè)置DAPCI離子源為負(fù)離子檢測模式，質(zhì)量范圍為50～300 Da，電離電壓3.6 kV，離子傳輸管溫度150 ℃，放電針與水平面夾角約43°。通過針尖電暈放電產(chǎn)生的大量初級離子，將承載在載玻片上的食用油樣品解吸和電離，形成的離子引入質(zhì)譜進(jìn)行分析。其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)由系統(tǒng)自動優(yōu)化。

3.3 樣本的使用

為了減少樣本分布帶來的偶然性，每次從每類油品的50個樣本中按次序取出30個（4類共120個）樣本參與訓(xùn)練，其余20個（4類共80個）樣本參與測試，共進(jìn)行6次訓(xùn)練和測試。采用基于類內(nèi)類間距離的可分離性判據(jù)，對質(zhì)譜儀記錄的樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行特征選擇與提取[17]。將選定的26個特征向量歸一化轉(zhuǎn)換得到的相對豐度輸入到改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，建立兩層的網(wǎng)絡(luò)模型。

4 結(jié)果與討論

4.1 油類樣品的DAPCI-MS分析

DAPCI-MS實(shí)驗(yàn)記錄了同種品牌的大豆油、花生油、油菜籽油樣品和地溝油樣品的質(zhì)譜圖（圖1）。由于地溝油在其變質(zhì)、非法處理等過程中形成了較多小分子有毒物質(zhì)，在m/z 50～300質(zhì)量范圍內(nèi)，質(zhì)譜信號較為豐富，信號強(qiáng)度較高；3種食用油的譜圖相似度較高，差別較小。由于3種食用油的油料不同，其主要營養(yǎng)成分及微量物質(zhì)的含量存在差異，其質(zhì)譜圖中信號間的相對豐度存在細(xì)微差別，并具有獨(dú)自的特征。

4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

4.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 在本實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)為26個；在地溝油與正常食用油的分類識別中，輸出量的表示采用n中取1表示法（10和01），輸出節(jié)點(diǎn)為2個；在4種油品的分類識別中，輸出量的表示采用n－1表示法（000，001，010和100），輸出節(jié)點(diǎn)為3個。網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確立根據(jù)公式（3）：

m＝n＋l＋α（3）

其中，m為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，l為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，α取值范圍1～10，則隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)m的取值范圍6～15。通過多次實(shí)驗(yàn)并選取最優(yōu)分類結(jié)果，最終確定網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為7和13，Δx（0）為0.07；增量因子kinc為1.3；減量因子kdec為0.4。上述數(shù)據(jù)處理方法均在Matlab7.8中編程實(shí)現(xiàn)。

4.2.2 地溝油與正常食用油的分類識別 為實(shí)現(xiàn)地溝油樣品與非地溝油樣品的快速鑒別，將樣品分為兩類供學(xué)習(xí)。設(shè)置地溝油的目標(biāo)輸出為（10），非地溝油（大豆油、花生油、油菜籽油）的目標(biāo)輸出為（01），上述油品的質(zhì)譜數(shù)據(jù)對應(yīng)圖1所示譜圖。網(wǎng)絡(luò)分類以及預(yù)測所得結(jié)果映射到二維平面如圖3所示，每類結(jié)果的判決區(qū)間由相同類型的判決線決定。網(wǎng)絡(luò)的分類識別結(jié)果列于表1。經(jīng)計(jì)算，訓(xùn)練樣本預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率為100.0%; 測試樣本預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率為98.5%，地溝油樣品與非地溝油樣品被明顯區(qū)分，表明本方法能夠有效對地溝油樣品進(jìn)行分類和鑒定。

4.2.3 4種油品的分類識別 為了進(jìn)一步考察3種食用油（大豆油、花生油和油菜籽油）之間的差異，將樣品分為4類供網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。設(shè)置大豆油、花生油、油菜籽油和地溝油的目標(biāo)輸出分別為（000）， （100）， （010）和

（001），上述油品的質(zhì)譜數(shù)據(jù)對應(yīng)圖1所示譜圖。4種油品的網(wǎng)絡(luò)分類及預(yù)測結(jié)果映射到二維平面如圖4所示，每類結(jié)果的判決區(qū)間由相鄰兩條判決線決定。網(wǎng)絡(luò)的分類識別結(jié)果列于表2。經(jīng)計(jì)算，訓(xùn)練樣本預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率為98.0%，測試樣本預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確率為85.8%，表明本方法能夠有效地對不同種類的食用油進(jìn)行分類和鑒定。

改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法能夠利用DAPCI-MS數(shù)據(jù)對大豆油、花生油和油菜籽油進(jìn)行有效分類和鑒別。不同種類的食用油，因其油料種類等的不同，所含微量化合物的種類及相對濃度也必然存在差別。該細(xì)微差別所導(dǎo)致的質(zhì)譜信號差異，能夠被DAPCI-MS檢測和記錄，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算展現(xiàn)出來。因此DAPCI-MS能夠抵抗油類基體的干擾，并對其中的微量物質(zhì)進(jìn)行分析。

研究結(jié)果表明， 將改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與DAPCI-MS相結(jié)合，能夠在無需任何樣品預(yù)處理的條件下，直接對食用油類樣品進(jìn)行高通量分析，并實(shí)現(xiàn)了對地溝油的快速準(zhǔn)確鑒別。同時DAPCI-MS數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)對大豆油、花生油和油菜籽油的分類識別，檢測結(jié)果理想。本方法分析速度快、信息提取準(zhǔn)確、識別精度高。

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Surface Desorption Atmospheric Pressure Chemical Ionization

Mass Spectrometry for Edible Oil Analysis Based on

Back Propagation Neural Networks

ZHOU Zhi-Quan1， ZHANG Ting-Ting1， JIA Bin2， OUYANG Yong-Zhong2，

FANG Xiao-Wei2， CHEN Huan-Wen2

1（Institute of Information Engineering， Harbin Institute of Technology at Weihai， Weihai 264209）

2（Jiangxi Key Laboratory for Mass Spectrometry and Instrumentation，

East China Institute of Technology， Nanchang 330013）

Abstract Without any sample pretreatment， oil samples smeared on slide were directly detected by surface desorption atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry （DAPCI-MS）， the mass spectra rapidly recorded by DAPCI-MS were subjected to data processing for classification using improved BP（Back Propagation） neural networks. The results showed that DAPCI-MS was a practically convenient tool for edible and hogwash oil detection without much matrix effect. The improved BP neural network can be applied to the simultaneous determination of hogwash-standard oil and different kinds of edible oil samples. The data demonstrated that the DAPCI-MS combined improved BP neural network methods was a promising technique for edible oil rapid identification with expedite convergence pace and superior prediction precision.

Keywords Surface desorption atmospheric pressure chemical ionization; Mass spectrometry; Back propagation neural network; Edible oil; Hogwash oil