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In silico machine learning–enabled detection of polycyclic aromatic hydrocarbons from contaminated soil

稳健性(进化) 拉曼光谱 计算机科学 密度泛函理论 生物系统 分析物 环境化学 人工智能 化学 环境科学 计算化学 色谱法 物理 生物化学 生物 基因 光学
作者
Yilong Ju,Oara Neumann,Sara B. Denison,Peixuan Jin,Andrés B. Sánchez‐Alvarado,Peter Nordlander,Thomas P. Senftle,Pedro J. J. Alvarez,Ankit Patel,Naomi J. Halas
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (19): e2427069122-e2427069122 被引量:4
标识
DOI:10.1073/pnas.2427069122
摘要

The detection and identification of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and their modified derivatives in contaminated soil is challenging due to the chemical and microbial complexity of soil organic matter. To address these challenges, we developed an innovative analytical approach that combines Surface-enhanced Raman spectroscopy with a Raman spectral library constructed in silico using density functional theory (DFT)-calculated spectra. This method overcomes several limitations associated with traditional experimental libraries, including spectral background interference, solvent effects, and commercially unavailable or challenging to synthesize compounds. Our methodology employs a physics-informed machine learning pipeline that operates in two stages: the characteristic peak extraction (CaPE) algorithm, which isolates distinctive spectral features, and the characteristic peak similarity (CaPSim) algorithm, which identifies analytes with high robustness to spectral shifts and amplitude variations. Validation of this approach showed strong similarity values (>0.6) between DFT-calculated and experimental Surface-enhanced Raman spectra for multiple PAHs, confirming its accuracy and discriminative capability. This study establishes the viability of DFT-calculated spectra as reliable references for identifying analytes that lack experimental reference spectra, including those formed through environmental modification of PAHs. This advancement addresses a critical gap in environmental monitoring, providing a valuable tool for assessing public health risks associated with these contaminants.
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