Infrared spectroscopy–based zero-shot learning for identifying reaction intermediates in unseen systems

概化理论 人工智能 计算机科学 机器学习 反应中间体 维数之咒 降维 化学计量学 化学 生物系统 模式识别(心理学) 催化作用 数学 有机化学 统计 生物
作者
Yucheng He,Yan Huang,Hengyu Xiao,Jun Jiang,Song Wang
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 (32): e2506834122-e2506834122 被引量:2
标识
DOI:10.1073/pnas.2506834122
摘要

Identifying reaction intermediates is a critical component of elucidating the mechanisms of chemical reactions. Spectroscopic techniques are instrumental in this identification process. The capacity of AI to establish the correlations between spectra and chemical substances renders it a suitable tool for spectra analysis. However, the presence of limited data, or even the absence of data, is a common occurrence for intermediates with transient characteristics. This poses a significant challenge in meeting the data requirements of AI models. Herein, we propose a generalizable machine learning model that utilizes zero-shot learning to identify chemical reaction intermediates by their spectra in unseen catalytic systems. Using SHapley Additive exPlanations (SHAP) analysis and visual dimensionality reduction, it was determined that the model's superior generalizability is attributable to its capacity of learning common patterns of spectra-intermediates, effectively mapping disparate catalytic systems to analogous digital spaces. Therefore, the model can be directly used without fine-tuning parameters for unseen systems even in the presence of noise or solvents. This work demonstrates the application of zero-shot learning in machine learned spectroscopy and illustrates the prediction mechanism, providing a perspective for interpretable and robust cross-system prediction. It lays a solid foundation for the application of spectral descriptors in real reaction systems and the comprehension of chemical reaction mechanisms.
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