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Supervised Machine Learning and Graph Neural Networks to Predict Collision Cross-Section Values of Aquatic Dissolved Organic Compounds

随机森林 支持向量机 人工智能 分子描述符 人工神经网络 机器学习 Lasso(编程语言) 图形 分子图 特征选择 化学 监督学习 投票 计算机科学 模式识别(心理学) 回归 碰撞 数据挖掘 线性回归 数量结构-活动关系 选择(遗传算法) 预测能力 反向传播 均方预测误差 多数决原则 化学信息学 加权投票 计算 深度学习 预测建模 交叉验证 班级(哲学) 生物系统
作者
Sadollah Ebrahimi,Louis Criqui,Armand Soldera,Céline Guéguen
出处
期刊:Journal of the American Society for Mass Spectrometry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jasms.5c00276
摘要

Accurate prediction of Collision Cross-Section (CCS) values is essential for identifying molecular structures in complex environmental mixtures. This study integrates supervised machine learning and deep learning to predict CCS values for a diverse array of dissolved organic molecules, including carbohydrates, hydrocarbons, lignins, lipids, proteins, tannins, and unassigned molecules. We evaluated eight regression models─Gradient Boosted Regression, K-Nearest Neighbors, LASSO, Linear Regression, Partial Least Squares, Random Forest, Support Vector Regression, and a Voting Regressor─alongside a Graph Neural Network (GNN) trained on molecular fingerprints (SMILES) and structural descriptors (m/z, O/C, H/C, AImod, DBE). Model performance varied by molecular class and the characteristics of the data set. The best-performing models were as follows: Voting Regressor for carbohydrates and unknowns, Random Forest for hydrocarbons and proteins, SVR for lignins and lipids, and LASSO for tannins. The GNN consistently delivered competitive accuracy across all classes. Validation using High-Resolution Mass Spectrometry (HRMS) data from the Arctic Ocean confirmed the predictive power of these models, enabling more precise selection of correct molecular structures from candidate lists generated by conventional workflows. This work presents a robust, data-driven framework for CCS prediction that enhances molecular classification and improves contaminant detection in environmental samples.

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