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Interesting features finder (IFF): Another way to explore spectroscopic imaging data sets, giving minor compounds and traces a chance to express themselves

Citation

Qicheng Wu, César Marina-Montes, Jorge O. Cáceres, Jesús Anzano, Vincent Motto-Ros, Ludovic Duponchel, Interesting features finder (IFF): Another way to explore spectroscopic imaging data sets giving minor compounds and traces a chance to express themselves, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, Volume 195, 2022, 106508, ISSN 0584-8547, https://doi.org/10.1016/j.sab.2022.106508. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0584854722001525)

Abstract

Today, we acquire larger and larger spectroscopic imaging data sets on complex samples. Even before proceeding with a spectroscopic analysis, we often have information concerning for example the presence of major compounds. However, we are not in the same position regarding the presence and location of minor compounds and traces in the sample, while this is generally a more interesting piece of information. Modern spectroscopic imaging uses chemometric tools that allow the simultaneous exploration of the entire spectral range available. These well-tested tools, such as principal component analysis, often exploit the variance contained in the data set to extract maximum chemical information. In general, we can say that these approaches are quite efficient but they are not completely adapted to the characteristics of the data acquired during a spectral imaging experiment. Indeed, such data sets have generally a limited signal to noise ratio and minor compounds and traces are often present on a small number of pixels compared to the total number in the considered data set. It is then quite possible that these compounds are present in a sample but not detected by the chosen multivariate tool. The goal of this work is to introduce an approach called Interesting Features Finder (IFF) able to retrieve minor compounds and traces independently of the variance they may express in the spectral data set. Like other state of the art methods, it uses the notion of convex hull but with the great advantage of working directly on the raw data, without prior projection to reduce their dimensionality. By means of a synthetic spectral data set and a micro-LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy) imaging one acquired on a sample taken in Antarctica, we will show the potential of this approach in terms of sensitivity of detection of compounds but also of robustness against noise.

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Hoy en día, adquirimos conjuntos de datos de imágenes espectroscópicas cada vez mayores sobre muestras complejas. Incluso antes de proceder a un análisis espectroscópico, a menudo disponemos de información relativa, por ejemplo, a la presencia de compuestos principales. Sin embargo, no estamos en la misma situación en lo que respecta a la presencia y localización de compuestos menores y trazas en la muestra, si bien ésta suele ser una información más interesante. La imagen espectroscópica moderna utiliza herramientas quimiométricas que permiten la exploración simultánea de toda la gama espectral disponible. Estas herramientas, bien probadas, como el análisis de componentes principales, suelen explotar la varianza contenida en el conjunto de datos para extraer el máximo de información química. En general, podemos decir que estos enfoques son bastante eficaces, pero no están completamente adaptados a las características de los datos adquiridos durante un experimento de obtención de imágenes espectrales. De hecho, estos conjuntos de datos suelen tener una relación señal/ruido limitada y los compuestos y trazas menores suelen estar presentes en un número reducido de píxeles en comparación con el número total del conjunto de datos considerado. Por tanto, es muy posible que estos compuestos estén presentes en una muestra pero no sean detectados por la herramienta multivariante elegida. El objetivo de este trabajo es introducir un enfoque llamado Buscador de Características Interesantes (IFF) capaz de recuperar compuestos y trazas menores independientemente de la varianza que puedan expresar en el conjunto de datos espectrales. Al igual que otros métodos del estado del arte, utiliza la noción de casco convexo pero con la gran ventaja de trabajar directamente sobre los datos brutos, sin necesidad de proyección previa para reducir su dimensionalidad. Mediante un conjunto de datos espectrales sintéticos y uno de imágenes micro-LIBS (espectroscopia de descomposición inducida por láser) adquirido sobre una muestra tomada en la Antártida, mostraremos el potencial de este enfoque en términos de sensibilidad de detección de compuestos pero también de robustez frente al ruido.

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