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문제 정의
- 본 연구에서는 황금에 함유되어 있는 지표성분인 baicalin과 baicalein 함량을 NIRS를 이용하여 신속하게 분석할 수 있는 모델을 개발하였기에 그 결과를 보고하는 바이다.
제안 방법
- NIRS를 이용한 정량 분석 방법은 먼저 수집된 유전자원들의 NIR spectrum을 얻은 후 검량식을 유도하여야 한다. NIRS spectrum은 가시광선 및 근적외선 대역(400～2,500 ㎚)에서 시료를 분말 상태(20 mesh)로 스캐닝하였으며, HPLC로 분석되어진 지표 성분 함량치와 비교 분석하여 검량식을 작성하였다. 분석에 이용된 기기는 NIRSystem model 6500 (FOSS NIRSystem) 이었다.
- 그림에서 보는 바와 같이 유전자원별로 스펙트럼의 변이 폭이 넓게 나타났는데 이것은 각 스펙트럼의 바탕선이 일치하지 않는 것도 한 요인이 될 수 있다. 따라서 바탕선의 일치를 위하여 NIRS 분석에는 수처리를 하게 되며 본 실험에서도 1차 및 2차 미분 등을 통한 수처리를 수행한 후 검량식을 작성하였다. Fig.
- 황금의 지표 성분 함량은 HPLC (S511, Sykam, Germany)를 사용하여 분석하였으며 표준물질인 baicalin, baicalein, wogonin 등은 Wako사(USA)에서 구입하여 농도 구배로 검량선을 구하였다. 시료는 유전자원 각 부위를 분쇄한 후 20 mesh를 통과한 분말을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 황금유전자원은 중국에서 17개, 우리나라에서 4개를 수집하였다. 수집된 유전자원은 2011년 6월 10일에 Russia Хасанский район Краскино(러시아 하산스키군 크라스키노) 지역에 파종한 후 10월에 수확하였다.
데이터처리
- 수처리(math treatment) 는 우선 1차 미분법을 이용한 1, 4, 4, 1 (1st derivative, 4nm gap, 4 points first smooth, and 1 point second smooth)조건, 1, 6, 6, 1 및 1, 10, 10, 1 조건으로 처리하였으며 이밖에도 2차 미분과 3차 미분에 의한 수처리도 수행하였다. 수처리된 spectrum은 회귀분석을 통하여 검량식을 작성하였으며 회귀분석은 PLS (Partial Least Squares), MPLS (Modified Partial Least Squares) 및 MLR (Multiple Linear Regression)법을 사용하여 검량식을 산출하였고 작성된 검량식을 상호 비교분석한 후 적정의 검량식을 도출하였다. 검량식의 정확도는 검량식 작성에 사용되지 않은 별도의 시료그룹을 대상으로 만들어진 validation equation 을 통해 확인하였다.
이론/모형
- 수처리된 spectrum은 회귀분석을 통하여 검량식을 작성하였으며 회귀분석은 PLS (Partial Least Squares), MPLS (Modified Partial Least Squares) 및 MLR (Multiple Linear Regression)법을 사용하여 검량식을 산출하였고 작성된 검량식을 상호 비교분석한 후 적정의 검량식을 도출하였다. 검량식의 정확도는 검량식 작성에 사용되지 않은 별도의 시료그룹을 대상으로 만들어진 validation equation 을 통해 확인하였다.
- Table 1은 NIRS를 이용하여 분석할 때 적절한 회귀분석법을 찾고자 baicalin 함량의 검량식 작성을 수행한 결과이다. 회귀분석법은 PLS, PCR 및 MPLS 방법을 이용하였다. 검량식 작성의 수처리는 우선 1차 미분 및 2차 미분을 이용하는 2가지 방법을 사용하였는데 스펙트럼을 1차 미분한 1, 10, 10, 1 (1st derivative, 10 ㎚ gap, 10 points first smooth, and 1 point second smooth) 조건과 2차 미분을 이용한 2, 10, 10, 1 조건을 사용하였다.
성능/효과
- Table 3은 수처리시 미분법을 달리하여 다시 검량식을 작성한 결과로 1, 2차 미분처리의 parameter 값에 비해 3차 미분시에는 R²와 SEC 분석치의 정확도가 떨어지는 것을 볼 수 있어 3차 미분 수처리는 검량식 작성에 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 1, 2차 미분 간에도 큰 차이는 없었으나 황금의 지표 성분 세 가지 모두 1차 미분 수치가 2차 미분보다 우수한 경향이었다. 수처리시 미분법 적용도시료 및 분석 항목에 따라 달라지지만 대부분 1차 및 2차 미분법 적용 의 결과가 우수한 것으로 보고되었으므로(Kim et al.
- 검량식 작성의 수처리는 우선 1차 미분 및 2차 미분을 이용하는 2가지 방법을 사용하였는데 스펙트럼을 1차 미분한 1, 10, 10, 1 (1st derivative, 10 ㎚ gap, 10 points first smooth, and 1 point second smooth) 조건과 2차 미분을 이용한 2, 10, 10, 1 조건을 사용하였다. 본 실험에서 PLS 회귀 분석법과 MPLS 회귀분석법 및 PCR 회귀분석법을 비교한 결과 MPLS 회귀분석법으로 작성된 검량식이 검량식의 parameter인 R2 과 SEC 값에서 PLS, PCR 회귀분석법으로 작성된 검량식보다 더 정확도가 높은 경향이었다. Shenk and Westerhaus (1991)는 MPLS를 이용한 검량식에서 높은 R² (결정 계수)와 1-VR(예측 상관도)을 얻을 수 있었다고 보고한 바 있으며 현재 NIRS 분석의 회귀식은 많은 경우 MPLS법을 이용하고 있다.
- 수처리 지표 성분 간에는 baicalin과 baicalein의 분석치 정확도가 높은 반면 wogonin의 R²와 SEC 분석값은 다른 성분에 비해 상대적으로 떨어질 뿐만 아니라 절대치로도 정확성이 떨어지는 것으로 나타났다. 이것은 wogonin의 함량 자체가 미미할 뿐만 아니라 유전자원 간의 함량 변이도 적었기 때문이다.
- 1과 같다. 이들 표준물질을 이용하여 만들어진 지표 성분들의 검량식을 근거로 황금 유전자원들의 지표성분 함량을 분석한 결과, baicalin은 유전자원 간에 평균 9.66%의 함량을 보였으며 변이는 4.56∼13.59%의 폭을 나타내었고 baicalein과 wogonin은 각각 평균 2.09%와 0.52%로 함량변이는 각각 0.28∼5.54%, 0.05∼1.67%로 나타났다. 즉 황금의 지표 성분은 baicalin이 가장 많았고 wogonin의 함량은 전체적으로 미량으로 존재하였다.
- 즉 황금의 지표 성분은 baicalin이 가장 많았고 wogonin의 함량은 전체적으로 미량으로 존재하였다. 이와 같이 시료 간 성분 함량들의 변이가 크게 나타남으로써 이들 성분들의 함량을 NIRS를 이용하여 정량 분석함에 있어 유리하게 적용할 수 있었다.
- 67%로 나타났다. 즉 황금의 지표 성분은 baicalin이 가장 많았고 wogonin의 함량은 전체적으로 미량으로 존재하였다. 이와 같이 시료 간 성분 함량들의 변이가 크게 나타남으로써 이들 성분들의 함량을 NIRS를 이용하여 정량 분석함에 있어 유리하게 적용할 수 있었다.
후속연구
- 52를 나타내어 검량식의 정확도가 높음을 알 수 있었다. 그러나 wogonin의 경우는 validation의 상관계수의 값이 0.489로 정확도가 떨어졌는데 이것은 상기한 바와 같이 wogonin 함량의 변이폭이 좁았기 때문인 것으로 사료되는 바 NIRS 분석법을 wogonin 함량분석에 직접 사용하기 위해서는 추후 좀 더 많은 유전자원들의 함량치가 보완된 NIRS 검량식을 작성하여야 할 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 본 실험에서도출된 결과로도 황금 지 표 성분 wogonin의 상대적 평가는 가능할 것으로 사료되며 따라서 본 연구에서 개발된 NIRS 모델들은 황금의 우량 품종 육성과정에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 정확한 함량분석을 위해서는 유전자원의 함량이 좀 더 고른 분포도를 보일 수 있도록 유전자원의 수집 등이 수행되어져야 할 것으로 사료된다. 그러나 본 연구에서도출된 baicalin 과 baicalein의 검량식은 미지의 시료를 대상으로 한 황금지 표 성분의 함량분석에 무리 없이 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 489로 정확도가 떨어졌는데 이것은 상기한 바와 같이 wogonin 함량의 변이폭이 좁았기 때문인 것으로 사료되는 바 NIRS 분석법을 wogonin 함량분석에 직접 사용하기 위해서는 추후 좀 더 많은 유전자원들의 함량치가 보완된 NIRS 검량식을 작성하여야 할 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 본 실험에서도출된 결과로도 황금 지 표 성분 wogonin의 상대적 평가는 가능할 것으로 사료되며 따라서 본 연구에서 개발된 NIRS 모델들은 황금의 우량 품종 육성과정에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 검량식에 이용된 황금유전자원지표성분별 함량 분포는 baicalin은 비교적 전체 범위에서 고르게 분포되어 있는 반면 baicalein은 평균값에 치우쳐 있는 경향이다. 따라서 정확한 함량분석을 위해서는 유전자원의 함량이 좀 더 고른 분포도를 보일 수 있도록 유전자원의 수집 등이 수행되어져야 할 것으로 사료된다. 그러나 본 연구에서도출된 baicalin 과 baicalein의 검량식은 미지의 시료를 대상으로 한 황금지 표 성분의 함량분석에 무리 없이 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
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