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Enregistrement W3025246106 · doi:10.1149/ma2020-01261854mtgabs

Towards an End-to-End Method for High-Variance SERS Spectra Classification and Quantification

2020· article· en· W3025246106 sur OpenAlexaff
Vincent Thibault, Jean‐François Masson

Notice bibliographique

RevueECS Meeting Abstracts · 2020
Typearticle
Langueen
DomaineMaterials Science
ThématiqueGold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications
Établissements canadiensUniversité de Montréal
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésRaman spectroscopySmoothingComputer scienceSurface-enhanced Raman spectroscopyArtificial intelligenceSIGNAL (programming language)Biological systemPattern recognition (psychology)Materials scienceAlgorithmRaman scatteringOpticsPhysicsComputer vision

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) is a subfield of Raman spectroscopy where trace compounds can be detected with the help of plasmonic materials. They enhance the Raman signal from molecules in proximity. Our work exploits the low number of molecules with enhanced signal by taking sequences of short integration spectra. This enable us to see events where a Raman active molecule shortly adsorb to the surface in an enhancing spot and gives us strong, but anisotropic signal. Because of this, conventional classification algorithms are not suited for efficient classification. The novel data analysis method presented here is based on active spectrum detection, where spectra are kept based on how many Raman peaks they are composed of. The end goal is the characterization and quantification of common drugs and cutting agents in a short time frame. A reusable microfluidic SERS sensor is used in a batch flow way, such as a technician could inject a diluted drug sample in it, analyse it for a few minutes and get result on the screen. The current architecture of the classification of the spectra can be represented with the flowchart as seen on figure 1, where the preprocessing and active spectrum detection are both classical algorithms, in the sense that they are not being optimized by training like machine learning ones, and simply apply the same rules for each and every spectrum. This preprocessing exploits a Savitzky-Golay smoothing, a baseline generation with airPLS, and a peak finding function to select valid peaks and count them and determine if a spectrum is active or not. Afterwards, the active spectra are processed with a multiclass CNN. To create a streamlined quantification pipeline, two quantification algorithms are compared with drug spectra: a CNN that is processing “stitchings” of multiple random spectra and a custom network based on modular neural networks. Both are also compared with various active spectrum detection and classifier methods. The current active spectrum detection is based on peak detection, with an arbitrary threshold set in a manner that if a peak is over its height, it is an active peak, and a spectrum would need an arbitrary number of active peaks to be considered active. This method can sort good spectra from the inactive and weakly active one, but the weak one can be filled with information that could be processed by the classification network. The proposed quantification pipeline forces the next network to be dependent of the previous ones, and such, parallel optimization is possible during training. By setting a quality score based on how active the spectra are, we can let the network optimize the trade-off between how many spectra will be considered for classification and the accuracy of the classification, because weakly active spectra can lower the accuracy when they don’t have enough information to be correctly classified. As mentioned earlier, a multiclass CNN is used. This type of classifier uses a All vs. All (AVA) strategy. This implies that all classes are tested against each other, and that one of the classes must be chosen. In the case of physiological spectra classification, this is problematic. The active spectrum of an unknown molecule would reach the classifier and be forced into one of the learned classes, and the result would be inherently false. To avoid this problem, two different type of classification architecture are tested with the quantification network: 1. An ensemble of binary CNN classifiers will be tested with a One vs. All (OVA) strategy, where there are only 2 outcomes for each classifier. 2. An ensemble of one-class classifiers (OCC) where the outcome possible is either Yes or No for one class each. They might look the same at first hand but the difference is vast. This is also called Concept Learning and Anomaly Detection. Figure 1

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,003
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,004
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,006
Score d'incertitude au seuil0,021

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0030,004
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0020,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0020,001
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0030,002
Science ouverte0,0030,002
Intégrité de la recherche0,0020,003
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0060,011

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,056
Tête enseignante GPT0,305
Écart entre enseignants0,248 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2020
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Résumé présentoui

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