Explainable Deep Learning-Assisted Photochromic Sensor for β-Lactam Antibiotic Identification

光致变色 卷积神经网络 化学 鉴定(生物学) 深度学习 人工智能 人工神经网络 模式识别(心理学) 计算机科学 生物系统 光化学 植物 生物
作者
Xiaoqing Tan,Yongtao Tang,Tingting Yang,Guoliang Dai,Changqing Ye,Jianxin Meng,Fengyu Li
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:95 (6): 3309-3316 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.2c04346
摘要

Photochromic sensors have the advantages of diverse isomers for multi-analysis, providing more sensing information and possessing more recognition units and more sensitivity to external stimulations, but they present enormous complexity with various stimulations as well. Deep learning (DL) algorithms contribute a huge advantage at analyzing nonlinear and multidimensional data, but they suffer from nontransparent inner networks, “black-boxes”. In this work, we employed the explainable DL approach to process and explicate photochromic sensing. Spirooxazine metallic complexes were adopted to prepare a multi-state analysis array for β-Lactams identification and quantitation. A dataset of 2520 unduplicated fluorescence intensity images was collected for convolutional neural network (CNN) operation. The method clearly discriminated six β-Lactams with 97.98% prediction accuracy and allowed rapid quantification with a concentration range from 1 to 100 mg/L. The photochromic sensing mechanism was verified via molecular simulation and class activation mapping, which explicated how the CNN model assesses the importance of photochromic sensor states and makes a discrimination decision. The explainable DL-assisted analysis method establishes an end-to-end strategy to ascertain and verify the complicated sensing mechanism for device optimization and even new scientific discovery.
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