Stellen Sie sich vor, Sie zoomen auf einen getrockneten Tropfen Salzlösung – jedes Muster ein einzigartiges Meisterwerk, das an abstrakte Kunst erinnert, jedoch nicht größer als ein Penny ist.
Neue Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern der Abteilung für Chemie und Biochemie der Florida State University nutzen die Muster einer getrockneten Salzlösung, um einen maschinellen Lernalgorithmus zu trainieren, der die chemische Zusammensetzung verschiedener Salze identifizieren kann. Die Arbeit wurde veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Wir nehmen chemische Fingerabdrücke von verschiedenen Salzen“, sagte Oliver Steinbock, Cottrell-Professor für Chemie. „Denken Sie zum Beispiel an Natriumchlorid oder Speisesalz – alle Proben dieser Art sehen immer ähnlich aus. Es gibt zwar Unterschiede von Probe zu Probe, aber alle Proben unterscheiden sich genug von anderen Typen, sodass wir sagen können, um welche Art von Salz es sich handelt.“
Wenn eine Salzlösung trocknet, wirken alle möglichen Kräfte. Chemiker haben untersucht, wie Flüssigkeitsbewegung, Kristallwachstum, Umweltfaktoren und andere Prozesse interagieren, um das Ablagerungsmuster zu bestimmen. Die FSU-Forscher näherten sich dem Problem von der entgegengesetzten Seite: Könnten sie anhand des Musters eines getrockneten Lösungströpfchens bestimmen, um welche Art von Salz es sich handelte?
Video, das das Wachstum verschiedener Salze zeigt, aufgenommen unter dem Mikroskop. Bildnachweis: Oliver Steinbock
Dazu haben die Forscher 7.500 Fotos von 42 verschiedenen Arten von Salzflecken aufgenommen. Mithilfe eines neuen Softwareansatzes haben sie jedes Bild in 16 Parameter übersetzt, die mit Methoden des maschinellen Lernens schnell analysiert werden können. Die Parameter erfassen Merkmale wie Ablagerungsfläche, Kompaktheit und Textur. Jedes Bild wurde in Zahlen übersetzt, die auf subtile Weise die Anordnung der winzigen Kristalle in Ringen, Nadeln und blattähnlichen Formen verschlüsseln.
Um die Fähigkeit ihres Programms zu testen, die Zusammensetzung vorherzusagen, analysierten die Forscher zusätzliche Bilder, die nicht Teil des ursprünglichen Datensatzes waren. Diese Programme identifizierten in 90 % der Versuche erfolgreich das richtige Salz.
„Wir waren überrascht, wie gut das funktioniert hat“, sagte Steinbock. „Wer würde denken, dass man auf einem Foto den Unterschied zwischen Natriumchlorid und Kaliumchlorid erkennen kann? Auf den Bildern sehen sie sich sehr ähnlich. Aber die Methode ist sehr gut.“
Die Forscher planen, den Trainingsdatensatz durch die Analyse von Hunderttausenden neuer Bilder zu erweitern, was ihr Werkzeug noch genauer und vielseitiger machen würde. Diese enorme Zahl erfordert eine Laborautomatisierung, und ein solcher Roboter-Tropfenbildgeber wird derzeit in Steinbocks Gruppe getestet.
„Der Unterschied zwischen einem Menschen und einem Computer besteht darin, dass der Computer und unsere Software dies quantitativ tun können“, sagte Steinbock. „Wenn ich Ihnen 7.500 Bilder zeigen würde, wären Sie verwirrt. Aber der Computer wird mit immer mehr Bildern immer besser.“
Die Möglichkeit, anhand einer Fotografie schnell Einblicke in die chemische Zusammensetzung einer Probe zu gewinnen, bietet viele potenzielle Anwendungen. So wäre es beispielsweise schwierig und teuer, einen Rover, der einen anderen Planeten erforscht, mit einem kompletten Chemielabor auszustatten. Eine Kamera bietet jedoch eine günstige und leichte Alternative. Andere Szenarien, wie das Testen von Materialien zur Laborsicherheit, schnelle Tests auf verdächtige Drogen oder kostengünstige Blutanalysen an Orten ohne Zugang zu Krankenhäusern, bieten weitere potenzielle Anwendungen.
Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist, dass nur eine winzige Menge Material erforderlich ist. Mit nur wenigen Milligramm, aus denen eine Salzablagerung besteht, können Benutzer verstehen, was sie wahrscheinlich handhaben, und ihre Entscheidungen über das weitere Vorgehen treffen.
„Wenn Sie eine ungefähre Vorstellung davon haben möchten, was dieser Fleck oder die verschüttete Flüssigkeit auf einem Labortisch ist, können Sie dies als oberflächliche Analyse im ersten Schritt verwenden“, sagte Bruno Batista, ein leitender Forscher in Steinbocks Labor und Hauptautor der Studie.
Co-Autoren dieses Artikels waren Semhare Tekle, eine studentische Forscherin in Steinbocks Labor, Jie Yan, Professorin im Fachbereich Informatik an der Bowie State University, und Beni Dangi, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Chemie an der Florida A&M University.
Weitere Bilder von Salzmustern, die von Steinbocks Labor analysiert wurden, finden Sie unter die SaltScapes Gallery auf der Website seiner Gruppe.
Mehr Informationen:
Steinbock, Oliver, Chemische Zusammensetzung aus Fotos: Getrocknete Lösungstropfen zeigen einen morphogenetischen Baum, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2405963121. doi.org/10.1073/pnas.2405963121