異丙醇(IPA)分子作為抗病毒診斷的生物標(biāo)志物,在與環(huán)境安全和醫(yī)療保健相關(guān)的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而,傳統(tǒng)的氣體分子檢測存在諸多明顯缺陷,例如離子淌度方法的工作條件苛刻,中紅外光譜的光物質(zhì)相互作用微弱,從而導(dǎo)致目標(biāo)分子的響應(yīng)受限。為了實(shí)現(xiàn)對異丙醇的高選擇性、快速響應(yīng)、高靈敏度檢測,研究人員提出了一種基于離子淌度質(zhì)譜(IMMS)的人工智能(AI)增強(qiáng)化學(xué)檢測方法,并借助多開關(guān)摩擦電納米發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近日,東南大學(xué)與新加坡國立大學(xué)(National University of Singapore)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊發(fā)表了以“Triboelectric-induced ion mobility for artificial intelligence-enhanced mid-infrared gas spectroscopy”為主題的論文。該論文第一作者為東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院朱建雄副教授,通訊作者為朱建雄副教授、東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院宋愛國教授和新加坡國立大學(xué)Chengkuo Lee教授。
這項(xiàng)研究提出了一種AI增強(qiáng)離子淌度與中紅外光譜的協(xié)同方法,利用來自不同維度傳感信號的互補(bǔ)特征,實(shí)現(xiàn)異丙醇識別的高精度。利用摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的“冷”等離子體放電,增強(qiáng)了異丙醇的中紅外光譜響應(yīng),并獲得良好的回歸預(yù)測。此外,即使在不同碳基氣體的干擾下,該協(xié)同方法也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確率99.08%的氣體濃度預(yù)測。AI增強(qiáng)系統(tǒng)的協(xié)同方法為醫(yī)療保健應(yīng)用中的混合物和回歸預(yù)測提供了準(zhǔn)確的氣體傳感機(jī)制。
基于IMMS的AI增強(qiáng)化學(xué)傳感檢測
準(zhǔn)確檢測異丙醇的種類對于提供安全環(huán)境至關(guān)重要。準(zhǔn)確檢測異丙醇最常用的方法是基于離子淌度或中紅外光譜。然而,這些檢測方法受限于特定條件(低氣壓和高溫)。為了解決這個(gè)問題,研究人員提出了利用自供電的摩擦發(fā)電機(jī)作為額外的高壓源,在環(huán)境氣壓下產(chǎn)生冷離子等離子體?;跈C(jī)械振動(dòng)的摩擦電納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的高壓顯著增強(qiáng)了離子淌度在低氣壓和環(huán)境氣壓下對異丙醇的精確檢測。同時(shí),中紅外光譜降低了異丙醇分子隨吸收和反射的響應(yīng),從而精確地獲得波長和響應(yīng)。IMMS化學(xué)傳感的協(xié)同方法成為利用摩擦電納米發(fā)電機(jī)來快速準(zhǔn)確檢測低濃度氣體混合物的解決方案。
因此,離子淌度傳感與增強(qiáng)中紅外反射的協(xié)同機(jī)制使化學(xué)傳感能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確檢測。此外,采用AI增強(qiáng)方法的數(shù)據(jù)處理將充分發(fā)揮離子淌度傳感和增強(qiáng)中紅外響應(yīng)的優(yōu)勢,從而實(shí)現(xiàn)超高精度和大范圍的檢測(如圖1)。
圖1 基于IMMS協(xié)同方法論的AI增強(qiáng)化學(xué)傳感示意圖
用于氣體檢測的離子淌度質(zhì)譜儀
離子淌度系統(tǒng)由針狀板電極結(jié)構(gòu)、高電壓元件(摩擦電納米發(fā)電機(jī))和集電器構(gòu)成,如圖2a所示。圖2b展示了AI增強(qiáng)離子淌度方法的示意圖。通過使用深度學(xué)習(xí)方法,可以準(zhǔn)確地估計(jì)異丙醇濃度。
圖2 利用離子淌度質(zhì)譜儀檢測異丙醇
AI增強(qiáng)中紅外檢測
圖3a展示了異丙醇分子在中紅外光譜區(qū)域的等離子體增強(qiáng)振動(dòng)光譜,顯著提高了其檢測靈敏度。圖3c介紹了中紅外光譜的AI增強(qiáng)方法,說明了異丙醇數(shù)據(jù)處理過程。數(shù)據(jù)處理包括:標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)、合成少數(shù)級別的過采樣技術(shù)(SMOTE)增強(qiáng)方法和t分布-隨機(jī)鄰近嵌入(t-SNE)分類。圖3d為異丙醇濃度與中紅外響應(yīng)間的關(guān)系曲線。
圖3 中紅外增強(qiáng)等離子體放電對不同濃度異丙醇的影響
在進(jìn)行實(shí)際光學(xué)測量前,對傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀的背景標(biāo)定至關(guān)重要。為了避免這種耗費(fèi)人力的過程,研究人員采用AI方法來提供準(zhǔn)確的濃度測量。圖4a展示了未經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理可通過標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)、SMOTE和環(huán)境光傳感器(ALS)校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn);接著,使用t-SNE進(jìn)行特征提取;最后利用線性判別分析(LDA)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)進(jìn)行氣體分類和預(yù)測。
圖4 無需任何初始背景標(biāo)定的AI增強(qiáng)方法
利用協(xié)同方法在混合氣體中識別異丙醇
圖5闡釋了IMMS與紅外光譜的協(xié)同方法。如圖5a所示,兩者的信號被送至機(jī)器學(xué)習(xí)工具進(jìn)行計(jì)算。IMMS方法中的異丙醇分子受到超高壓的劇烈震動(dòng)。在濃度估計(jì)方面,將兩種方法測量相同濃度的數(shù)據(jù)相連接,然后使用t-SNE進(jìn)行特征提取,再使用DNN進(jìn)行濃度估計(jì)。氣體數(shù)據(jù)采用并行連接和尋址方式,利用LDA對氣體特征進(jìn)行分類,以識別不同異丙醇濃度或不同種類的氣體。最后,采用AI增強(qiáng)的傳感器融合機(jī)制對異丙醇濃度進(jìn)行檢測。
圖5 基于IMMS協(xié)同作用的混合氣體檢測
綜上所述,這項(xiàng)研究提出了一種用于AI增強(qiáng)的化學(xué)傳感的協(xié)同IMMS機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)對氣體混合物的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確檢測。研究人員利用摩擦電納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生高壓等離子體,解決了環(huán)境壓力對離子淌度的限制以及氣體分子的中紅外光譜響應(yīng)和反射探測微弱的問題。該研究結(jié)果顯示,通過AI增強(qiáng)自動(dòng)提取特定特征,自供電離子淌度的精度比傳統(tǒng)方法提高了近兩倍。該研究還表明,摩擦電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的冷等離子體也增強(qiáng)了異丙醇傳感的中紅外光譜響應(yīng),并通過深度學(xué)習(xí)得到了良好的線性預(yù)測。
此外,數(shù)據(jù)處理可能會(huì)消除基于觀測的背景標(biāo)定,從而節(jié)省人力成本。針對異丙醇檢測中存在的問題,該研究以99.08%的準(zhǔn)確率利用AI增強(qiáng)技術(shù)從IMMS數(shù)據(jù)成功提取異丙醇特征。該研究提出的方法可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多模態(tài)數(shù)據(jù)處理,并可與現(xiàn)有方法結(jié)合,實(shí)現(xiàn)協(xié)同機(jī)制。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:AI增強(qiáng)離子淌度與中紅外光譜的協(xié)同方法,實(shí)現(xiàn)高精度異丙醇?xì)怏w檢測
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