通过LF-NMR信号的标准化分析方法实现多变量数据分析——以更新特级初榨橄榄油的认证过程为例

《Talanta》：Standardized analytical multivariate methods via agnostization of LF-NMR signals – Updating extra virgin olive oil authentication as practical example

本研究提出一种基于低频核磁共振（LF-NMR）的仪器去偏方法，通过标准化化学外部参考（ER）和线性插值实现不同仪器信号的统一，建立独立的PLS-DA多变量模型，有效区分橄榄油与混合油，验证了仪器去偏在跨设备分析中的可行性。

　　在当前食品工业中，确保食品的真实性和质量是至关重要的。橄榄油作为地中海饮食的核心组成部分，其纯度和真实性评估具有重要意义。然而，传统实验室分析方法在效率和速度方面存在明显不足，这使得食品检测结果的交付时间较长，影响了市场的快速响应能力。因此，引入先进的分析技术，如人工智能（AI）和机器学习（ML），对于优化这些分析方法，提高检测效率，同时保持准确性，成为研究的重点。

当前，橄榄油的检测主要依赖于传统的光谱分析技术，如近红外（NIR）、傅里叶变换红外（FT-IR）光谱和拉曼光谱。这些方法虽然在食品分析中广泛应用，但它们在日常检测中的应用仍然受到限制。另一个潜在的替代方法是核磁共振（NMR）技术，尤其是低频场核磁共振（LF-NMR），因其成本相对较低、操作简便以及易于在常规实验室中实施而受到关注。然而，LF-NMR信号在不同仪器间存在显著差异，这限制了其在构建统一的多变量模型时的应用。

为了解决这一问题，研究者们提出了“仪器无关化”（instrument-agnostizing）的方法，旨在消除不同仪器对分析结果的影响，从而创建一个统一的分析指纹数据库。该方法最初应用于色谱信号的标准化，但随后被扩展到NMR信号的处理。通过使用一个稳定的外部参考物（ER），可以计算出标准频率分数（SFS），将不同仪器获得的信号转换为统一的频率域（SF domain），以消除化学移位（CS domain）带来的位置相关偏差。这种方法能够确保无论使用何种仪器，所获得的指纹数据都是可比的，从而为构建跨实验室的统一分析模型提供基础。

在本研究中，研究人员利用两种不同频率的LF-NMR仪器（80 MHz和100 MHz）对橄榄油样品和非橄榄油混合物进行了分析。他们选择了甘油三油酸酯（glyceryl trioleate）作为外部参考物，并利用其在NMR谱中的位置来建立标准频率分数。随后，通过线性插值将不同仪器获得的样品信号转换为标准频率域，并对信号进行重采样以确保所有指纹数据具有相同的变量数量。这一过程显著减少了不同仪器之间信号的差异，从而使得后续的多变量分析成为可能。

在对信号进行处理后，研究人员应用了主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等统计方法，对数据进行了分类和评估。PCA用于探索数据的自然分组情况，而PLS-DA则用于构建分类模型，以区分真正的橄榄油（EVOO）与非橄榄油及混合物。结果显示，通过仪器无关化处理后的信号，能够更有效地进行分类，特别是在交叉仪器验证过程中，模型的准确性和特异性均有所提高。

研究中使用的橄榄油样品主要来自意大利市场，包括76个声明为特级初榨橄榄油（EVOO）和17个非橄榄油。此外，还准备了9种橄榄油与非橄榄油的混合样品。所有样品均按照优化的实验流程进行处理，以确保分析结果的一致性。通过对比处理前后的信号，研究人员发现，仪器无关化方法显著减少了不同仪器之间的位置相关偏差，使得信号更加统一和可比。

实验结果表明，100 MHz仪器的信号在分辨率上优于80 MHz仪器，因此其在区分非常相似的化学组成样品时表现出更高的信息量。然而，即使在较低分辨率的80 MHz仪器下，通过仪器无关化处理后的信号仍然能够实现较高的分类准确率。交叉仪器验证的结果进一步证明了该方法的有效性，表明不同仪器获得的信号经过标准化处理后，可以用于构建统一的多变量模型。

本研究的主要贡献在于提出了一个适用于LF-NMR信号的仪器无关化方法，并验证了其在橄榄油真实性检测中的可行性。通过这种方法，不同实验室可以获得一致的分析结果，从而提高检测的可靠性和可比性。此外，该方法还能减少对特定仪器的依赖，使得多变量模型能够在不同实验室间通用，为橄榄油质量控制提供了一种更加高效和标准化的解决方案。

未来，这一方法有望在橄榄油质量控制实验室中得到广泛应用。随着数据存储技术的进步，建立一个统一的LF-NMR指纹数据库将成为可能，从而为食品安全和质量控制提供强有力的支持。同时，该方法也为其他食品分析领域提供了借鉴，例如乳制品和蜂蜜的检测，这些领域同样面临着多变量分析方法标准化的挑战。

综上所述，本研究不仅展示了仪器无关化方法在LF-NMR信号处理中的应用潜力，还验证了其在橄榄油真实性检测中的有效性。通过这种方法，可以显著提高分析效率，减少检测时间，同时保持分析的准确性。这为食品行业提供了一种新的工具，有助于推动食品检测技术的现代化和标准化，提高食品安全水平，满足日益增长的市场需求。