准确率达 80%,深度进修识别布朗运动中纳米粒子外形

编辑 | 绿萝随着纳米粒子在医疗、制药和工业领域的实际利用。从材料的角度出发,需要对每个纳米粒子的性质和团聚状态进行评价并进行质量控制。评价液体中纳米粒子的一种步骤是阐明布朗运动的轨迹。虽然纳米粒子跟踪阐明技术(Nano-tracking analysis,NTA) 是一种用于丈量从微观到纳米尺度的单个粒子的简单步骤,但它不能评价纳米粒子的外形一直是一个长期存在的问题。NTA 在利用 Stokes-Einstein 方程量化粒子大小时总是假设球形,但无法验证所丈量的粒子是否真的是球形的。东京大学的研讨团队提出了一种

准确率达 80%,深度进修识别布朗运动中纳米粒子外形

编辑 | 绿萝

随着纳米粒子在医疗、制药和工业领域的实际利用。从材料的角度出发,需要对每个纳米粒子的性质和团聚状态进行评价并进行质量控制。

评价液体中纳米粒子的一种步骤是阐明布朗运动的轨迹。虽然纳米粒子跟踪阐明技术(Nano-tracking analysis,NTA) 是一种用于丈量从微观到纳米尺度的单个粒子的简单步骤,但它不能评价纳米粒子的外形一直是一个长期存在的问题。NTA 在利用 Stokes-Einstein 方程量化粒子大小时总是假设球形,但无法验证所丈量的粒子是否真的是球形的。

东京大学的研讨团队提出了一种新的纳米粒子外形各向异性特性评价步骤,解决了自爱因斯坦时代以来一直存在的纳米粒子评价问题。

研讨人员建立了一个深度进修(DL)模型,利用 NTA 丈量取得的布朗运动的时间序列轨迹数据来预测纳米粒子的外形。通过利用集成模型进行轨迹阐明,深度进修模型能够对两种尺寸大致相同但外形不同的金纳米粒子实现约 80% 的单粒子分类精度,而传统的 NTA 无法单独区分这两种纳米粒子。

此外,研讨证明了球形纳米粒子和棒状纳米粒子的混同比例可以从纳米粒子混同样品的丈量数据定量估计。这一结果表明,通过将 DL 阐明利用于 NTA 丈量来评价粒子外形是可能的,这在以前被认为是不可能的。

该研讨以《利用深度进修阐明非球形纳米粒子的布朗运动轨迹》(「Analysis of Brownian motion trajectories of non-spherical nanoparticles using deep learning」)为题,发表在《APL Machine learning》上。

准确率达 80%,深度进修识别布朗运动中纳米粒子外形

NTA 是利用光散射和布朗运动的特性取得液体悬浮液中的样本粒度分布的检测步骤,已被广泛利用于商业利用。NTA 利用爱因斯坦 100 多年前发现的理论公式计算粒子的直径。

布朗运动的轨迹反映了粒子外形的影响,但实际上很难丈量极快的运动。此外,即使粒子是非球形的,传统的阐明步骤也不准确,因为它们无条件地假设粒子是球形的,并利用斯托克斯-爱因斯坦方程进行阐明。

然而,利用善于在大规模数据中发现隐藏相关性的深度进修,即使丈量数据是平均的或包含无法分离的误差,也有可能检测到由外形差异引起的差异。

东京大学 Takanori Ichiki 教授的研讨小组成功地建立了一个深度进修模型,该模型可以在不改变实验步骤的情况下,从丈量的布朗运动轨迹数据中识别外形。为了既考虑数据的时间序列变化,又考虑数据与周围环境的相关性,他们将擅长通过卷积提取局部特征的一维(1D)CNN 模型与能够积累时间动态的双向 LSTM 模型相结合。

外形估计模型的开发包括三个阶段:用于原始数据采集的 NTA 丈量,用于深度进修的数据集和模型的创建,以及深度进修。

准确率达 80%,深度进修识别布朗运动中纳米粒子外形

图示:一维 CNN+Bi-LSTM 深度进修模型的结构。(来源:论文)

研讨利用不同轨迹长度(20、40、60、80 和 100 帧的时间序列数据,通过改变四种模型(MLP、LSTM、1D CNN 和 1D CNN+Bi-LSTM)的每帧数的超参数来验证进修的收敛性。

LSTM 和 1D CNN 模型在 100 帧下的准确率都在 80% 以上,这表明通过卷积提取局部特征和时间动态积累都是提取外形特征的有效步骤。同时,高精度表明液体中纳米粒子的外形分类已经达到了用 NTA 和 DL 进行单粒子阐明的现实水平。

准确率达 80%,深度进修识别布朗运动中纳米粒子外形

图示:各深度进修模型的外形分类评价指标与帧数的关系。(来源:论文)

如此高的准确率表明,利用深度进修阐明对液体中单个纳米粒子的外形分类首次达到了实用水平。此外,在该研讨中,建立了校准曲线,以确定两种类型的纳米粒子(球形和棒状)混同溶液的混同比例。考虑到现有纳米粒子的外形类型,认为该步骤可以充分检测纳米粒子的外形。

准确率达 80%,深度进修识别布朗运动中纳米粒子外形

图示:基于微毛细管芯片的粒子阐明系统,通过 NTA 步骤从布朗运动丈量中取得混同物的粒度分布。(来源:论文)

传统的 NTA 步骤不能直接观察到粒子的外形,取得的特征信息有限。利用 DL 步骤,即使具有相同水合直径的不同外形的粒子,也可以根据其轨迹将其与混同物区分开来。

在研讨中,他们试图确定两种粒子的外形,但考虑到商业上可取得的纳米粒子的外形类型,他们认为这种步骤可以用于实际利用,例如检测均匀体系中的异物。NTA 的扩展不仅可以利用于研讨,还可以利用于工业领域,例如评价非球形纳米粒子的性质、团聚状态和均匀性,以及质量控制。

研讨人员表示:「将丈量对象扩展到各种外形和材料的粒子将是有趣的,检验 DL+NTA 步骤的适用性是未来的研讨课题。」

特别是,它有望成为在类似于生物体的环境中评价各种生物纳米粒子(如细胞外囊泡)特性的解决方案。它也有可能成为液体中非球形粒子布朗运动基础研讨的一种创新步骤。

论文链接:https://doi.org/10.1063/5.0160979

参考内容:https://phys.org/news/2023-10-deep-long-standing-identification-nanoparticle.html

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