doctoralThesis
Utilização de metodologias analíticas baseadas em espectroscopia no infravermelho e quimiometria para diferenciação de espécies e detecção de terbufós em dípteros de importância forense
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SILVA, Hellyda Katharine Tomaz de Andrade. Utilização de metodologias analíticas baseadas em espectroscopia no infravermelho e quimiometria para diferenciação de espécies e detecção de terbufós em dípteros de importância forense. Orientador: Kássio Michell Gomes de Lima. 2023. 144f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.
Autor
Silva, Hellyda Katharine Tomaz de Andrade
Resumen
This thesis presents the development of alternative analytical methodologies based on near
infrared spectroscopy (NIRS, from near infrared spectroscopy) and medium infrared
spectroscopy (ATR-FTIR, from attenuated total reflectance with Fourier transform infrared)
combined with unsupervised chemometric techniques: principal component analysis (PCA) and
hierarchical cluster analysis (HCA); variable selection and multivariate classification: principal
component analysis with quadratic discriminant analysis (PCA-QDA), successive projections
algorithm with quadratic discriminant analysis (SPA-QDA) and genetic algorithm with
quadratic discriminant analysis (GA-QDA) applied to forensic entomology. In the first study,
NIRS was used for spectral acquisition of nine species of flies with forensic potential (Diptera:
Calliphoridae and Sarcophagidae) in two regions of the insect (dorsal and ventral) with the
subsequent construction of PCA and HCA models aiming to evaluate the potential methodology
in the separation/grouping of specimens into taxonomic categories. The best model was
achieved from the average dorsal and ventral spectra, observing the discrimination of the
species Chrysomya albiceps (Wiedemann, 1819), Lucilia eximia (Wiedemann, 1819) and
Ravinia belforti (Prado & Fonseca, 1932), the resulting loadings scored absorptions associated
with O-H, C-O, C-H and N-H stretches, the latter may be associated with chitin (poly-N-acetyl
glucosamine), the olefinic C-H and fundamental stretches for an unsaturated carbon associated
with lipid compounds. In the dendrogram, a distinction was observed between specimens by
family (Calliphoridae and Sarcophagidae) and genera (Chrysomya (Robineau-Desvoidy, 1830),
Lucilia (Robineau-Desvoidy, 1830), Oxysarcodexia Townsend, 1917, Peckia (Wiedemann,
1830) and Ravinia (Robineau-Desvoidy, 1863)), whereas the species Oxysarcodexia and
Peckia did not present such established groups, but with considerable overlap. In the second
study, the ATR-FTIR was applied together with the PCA-QDA, SPA-QDA and GA-QDA in
the classification of scavenger larvae (Diptera: Sarcophagidae) in groups: control and
intoxicated after feeding on carcasses of rats exposed to the pesticide terbufos. The results
showed that the proposed methodology has the potential to classify samples with sensitivity
and specificity values greater than 90%. Among the three models, GA-QDA was the best to
detect changes in the biochemical composition of larvae exposed to terbufos, successfully
classifying intoxication based on five variables and reaching 98.9% sensitivity and specificity.
Therefore, the reported results suggest the potential of NIRS and ATR-FTIR spectroscopies
combined with multivariate analysis as alternative tools to identify taxonomic properties of
flies, such as family and genera, providing rapid evidence for species identity and in the
detection of terbufos poisoning in scavenger fly larvae from carcasses of intoxicated rats, respectively. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A referida tese apresenta o desenvolvimento de metodologias analíticas alternativas baseadas
nas espectroscopias no infravermelho próximo (NIRS, do inglês near infrared spectroscopy) e
médio (ATR-FTIR, do inglês attenuated total reflectance with Fourier transform infrared)
combinadas à técnicas quimiométricas não supervisionadas: análise por componentes principais
(PCA, do inglês principal component analysis) e análise de agrupamentos hierárquicos (HCA,
do inglês hierarchical cluster analysis); seleção de variáveis e classificação multivariada:
análise por componentes principais com análise discriminante quadrática (PCA-QDA, do
inglês principal component analysis with quadratic discriminant analysis), algoritmo das
projeções sucessivas (SPA-QDA, do inglês successive projections algorithm with quadratic
discriminant analysis) e algoritmo genético com análise discriminante quadrática (GA-QDA,
do inglês genetic algorithm with quadratic discriminant analysis) aplicadas à entomologia
forense. No primeiro estudo, a NIRS foi ultilizada para aquisição espectral de nove espécies de
moscas com o potencial forense (Diptera: Calliphoridae e Sarcophagidae) em duas regiões do
inseto (dorsal e ventral) com a subsequente construção dos modelos PCA e HCA visando
avaliar o potencial da metodologia na separação/agrupamento dos espécimes em categorias
taxonômicas. O melhor modelo foi alcançado a partir dos espectros médios dorsal e ventral
sendo observada a discriminação das espécies Chrysomya albiceps (Wiedemann, 1819), Lucilia
eximia (Wiedemann, 1819) e Ravinia belforti (Prado & Fonseca, 1932), os loadings resultantes
pontuaram absorções associadas à estiramentos O-H, C-O, C-H e N-H, esta última podendo
estar associada à quitina (poli-N-acetil-glucosamina), os estiramentos C-H olefínico e
fundamental para um carbono insaturado associados a compostos lipídicos. No dendrograma
foi observado uma distinção entre os espécimes por família (Calliphoridae e Sarcophagidae) e
gêneros (Chrysomya (Robineau-Desvoidy, 1830), Lucilia (Robineau-Desvoidy, 1830),
Oxysarcodexia Townsend, 1917, Peckia (Wiedemann, 1830) e Ravinia (Robineau-Desvoidy,
1863)), já as espécies Oxysarcodexia e Peckia não apresentaram grupos tão estabelecidos, mas
com considerada sobreposição. No segundo estudo, a ATR-FTIR foi aplicada juntamente à
PCA-QDA, SPA-QDA e GA-QDA na classificação de larvas necrófagas (Diptera:
Sarcophagidae) em grupos: controle e intoxicadas após se alimentaram de carcaças de ratos
expostos ao pesticida terbufós. Os resultados mostraram que a metodologia proposta tem
potencial para classificar as amostras com valores de sensibilidade e especificidade superiores
a 90%. Dentre os três modelos, o GA-QDA foi o melhor para detectar alterações na composição
bioquímica das larvas expostas ao terbufós, classificando com sucesso a intoxicação com base
em cinco variáveis e alcançando valores de 98,9% de sensibilidade e especificidade. Portanto,
os resultados reportados sugerem o potencial das espectroscopias NIRS e ATR-FTIR
combinadas à análise multivariada como ferramentas alternativas para identificar propriedades
taxonômicas de moscas, como família e gêneros, fornecendo evidências rápidas para a
identidade das espécies e na detecção de intoxicação por terbufós em larvas de moscas
necrófagas provenientes de carcaças de ratos intoxicados, respectivamente.