Precision classification and quantitative analysis of bacteria biomarkers via surface-enhanced Raman spectroscopy and machine learning

校准 卷积神经网络 拉曼光谱 校准曲线 生物系统 化学 分析化学(期刊) 模式识别(心理学) 人工智能 材料科学 色谱法 计算机科学 数学 生物 光学 物理 检出限 统计
作者
Amit Kumar,Md. Redwan Islam,Susu M. Zughaier,Xianyan Chen,Yiping Zhao
出处
期刊:Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy [Elsevier BV]
卷期号:320: 124627-124627 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.saa.2024.124627
摘要

The SERS spectra of six bacterial biomarkers, 2,3-DHBA, 2,5-DHBA, Pyocyanin, lipoteichoic acid (LTA), Enterobactin, and β-carotene, of various concentrations, were obtained from silver nanorod array substrates, and the spectral peaks and the corresponding vibrational modes were identified to classify different spectra. The spectral variations in three different concentration regions due to various reasons have imposed a challenge to use classic calibration curve methods to quantify the concentration of biomarkers. Depending on baseline removal strategy, i.e., local or global baseline removal, the calibration curve differed significantly. With the aid of convolutional neural network (CNN), a two-step process was established to classify and quantify biomarker solutions based on SERS spectra: using a specific CNN model, a remarkable differentiation and classification accuracy of 99.99 % for all six biomarkers regardless of the concentration can be achieved. After classification, six regression CNN models were established to predict the concentration of biomarkers, with coefficient of determination R
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