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Unveiling Spectrum–Structure Correlation in Vibrational Spectroscopy: Task-Driven Deep Learning Classification Balancing Global Fusion and Local Extraction

化学 融合 光谱学 任务(项目管理) 萃取(化学) 相关性 模式识别(心理学) 人工智能 生物系统 色谱法 几何学 物理 语言学 量子力学 生物 哲学 计算机科学 经济 数学 管理
作者
Guo-yang Shi,Haoyu Guo,Tianchu Gao,Hao-ping Wu,Si-Heng Luo,Shuwen Wang,Yong Lei,Yun Zhang,Yangfan Xie,Bin Ren,Zhong‐Qun Tian,Guifang Shao,Guokun Liu
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:97 (21): 10988-10998 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.4c05842
摘要

Spectrum-structure correlation is crucial to identify and quantify chemicals, in which classification of mixtures and identification of functional groups are two central tasks. Deep learning-driven algorithms have made significant strides to these two tasks. However, many of these algorithms are merely adaptations of models originally designed for computer vision applications. As a result, the models often suffer from either low accuracy or limited generality when applied to spectral data due to the overlooked inherent limitations in feature richness and volume of spectral data. Here, in light of the distinctive difference in the attention of global and local information in spectral data between these two tasks, we developed contrapuntally two CNN-based algorithms, incorporating multiscale convolution and attention mechanism, to address the unique requirements of each task. It was found that the lightweight CNN-Peak algorithm is favored for the classification of a mixture, a type of single-label task, in which the feature fusion of global information is more important. Meanwhile, the more complex ResNet-ResPeak algorithm is ideally suited for the identification of functional groups, a type of multilabel task, in which the feature extraction of local information takes precedence. The task-oriented, conceptual design of deep learning algorithms not only enhances the efficacy and accuracy of spectrum-structure correlation analysis but also feeds back to achieve a more rigorous experimental design and implementation, forming a closed loop of AI for Science.
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