JP7362337B2 - Information processing device, control method for information processing device, and program - Google Patents
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Description
本発明は、情報処理装置、情報処理装置の制御方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to an information processing device, a method of controlling the information processing device, and a program.
所望の機械的、物理的、及び化学的性質を持った樹脂を調製するために、さまざまな添加剤が樹脂に添加されている。そのため、樹脂に添加された添加剤の濃度を知ることは、品質管理や材料設計において重要である。 Various additives are added to resins to prepare the resins with desired mechanical, physical, and chemical properties. Therefore, knowing the concentration of additives added to resin is important in quality control and material design.
添加剤の分析方法としては、樹脂に添加された添加剤を分離し、紫外線検出器、赤外線検出器、質量分析装置などの分析装置を用いて分析する方法、添加剤が付着した樹脂そのものを直接分析する方法などが挙げられる。 Methods for analyzing additives include separating the additives added to the resin and analyzing them using analyzers such as ultraviolet detectors, infrared detectors, and mass spectrometers, and directly analyzing the resin itself with the additives attached. Examples include methods of analysis.
樹脂に添加された添加剤を分離する方法としては、溶剤を用いて添加剤を抽出し、液体クロマトグラフィーで添加剤を分離する方法、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で添加剤を含む低分子量成分を分離する方法などが挙げられる。しかし、このような方法は、テトラヒドロフランやクロロホルムなどの有機溶剤を使用するため、環境負荷や作業者の安全衛生の面で好ましくない。 Methods for separating additives added to the resin include methods of extracting the additives using a solvent and separating the additives using liquid chromatography, and methods of separating low molecular weight components including the additives using size exclusion chromatography (SEC). Examples include methods of separating. However, since such a method uses organic solvents such as tetrahydrofuran and chloroform, it is unfavorable in terms of environmental burden and safety and health of workers.
添加剤が付着した樹脂そのものを直接分析する方法としては、ダイナミック二次イオン質量分析法(Dynamic SIMS法)、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS法)などの二次イオン質量分析法が挙げられる。Dynamic SIMS法は、固体試料にイオンビームを連続的に照射して不純物の深さ方向における分布を得る手法である。一方、TOF-SIMS法は、固体試料にDynamic SIMS法よりも少ない量のイオンビームを照射して固体試料の表面に存在する元素及び分子の情報を得る手法である(特許文献1及び2参照)。ここで、TOF-SIMS法の原理について、詳細に説明する。 Secondary ion mass spectrometry methods such as dynamic secondary ion mass spectrometry (Dynamic SIMS method) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS method) are methods for directly analyzing the resin itself with additives attached. One example is the law. The Dynamic SIMS method is a method of continuously irradiating a solid sample with an ion beam to obtain the distribution of impurities in the depth direction. On the other hand, the TOF-SIMS method is a method of obtaining information on elements and molecules present on the surface of a solid sample by irradiating the solid sample with a smaller amount of ion beam than the Dynamic SIMS method (see Patent Documents 1 and 2). . Here, the principle of the TOF-SIMS method will be explained in detail.
高真空中で固体試料にイオンビーム(一次イオン)を照射すると、固体試料表面の構成成分が真空中に放出される。この過程で発生する正又は負の電荷を帯びたイオン(二次イオン)を、電場によって一方向に収束し、一定距離だけ離れた位置で検出する。固体試料表面の組成に応じて、さまざまな質量を持った二次イオンが発生するが、一定の電界中では、質量の小さいイオンほど速く、質量の大きいイオンほど遅く飛行する。そのため、二次イオンが発生してから検出器に到達するまでの時間(飛行時間)を測定することで、発生した二次イオンの質量を分析することができる。 When a solid sample is irradiated with an ion beam (primary ions) in a high vacuum, constituent components on the surface of the solid sample are released into the vacuum. Positively or negatively charged ions (secondary ions) generated in this process are focused in one direction by an electric field and detected at a fixed distance away. Secondary ions with various masses are generated depending on the composition of the solid sample surface, but in a constant electric field, ions with lower mass fly faster and ions with higher mass fly slower. Therefore, by measuring the time (flight time) from when the secondary ions are generated until they reach the detector, the mass of the generated secondary ions can be analyzed.
TOF-SIMS法は、ppmオーダー、すなわち1011atoms/cm2の成分を検出できること、有機物・無機物のいずれにも適用可能であること、固体試料の表面から1nm以下の深さに存在する成分の測定が可能であることなどのメリットを有する。しかし、この方法では、固体試料そのものを直接分析するため、得られるスペクトルには夾雑物のピークが混ざりやすい。また、構成成分の二次イオンへのなりやすさ(イオン化効率)は、固体試料表面の形状や電荷のわずかな違いによる影響を受けやすく、固体試料の測定箇所に応じて二次イオン強度がばらつきやすい。さらに、二次イオン強度は、固体試料の種類や組成の違いの影響を受けやすい。したがって、TOF-SIMS法により得られるスペクトルは煩雑になりやすく、二次イオン強度のみから固体試料の情報を得るのに時間を要する。そこで、固体試料(樹脂)の情報を得るために、機械学習を利用してTOF-SIMS法により得られるスペクトルを解析する方法が検討されている(非特許文献1参照)。 The TOF-SIMS method can detect components on the ppm order, that is, 10 11 atoms/cm 2 , can be applied to both organic and inorganic materials, and can detect components present at a depth of 1 nm or less from the surface of a solid sample. It has the advantage of being measurable. However, since this method directly analyzes the solid sample itself, the resulting spectrum is likely to contain peaks from impurities. In addition, the ease with which constituent components become secondary ions (ionization efficiency) is easily affected by slight differences in the shape and charge of the solid sample surface, and the secondary ion intensity varies depending on the measurement location of the solid sample. Cheap. Furthermore, the secondary ion strength is susceptible to differences in the type and composition of the solid sample. Therefore, spectra obtained by the TOF-SIMS method tend to be complicated, and it takes time to obtain information about a solid sample only from the secondary ion intensity. Therefore, in order to obtain information about a solid sample (resin), a method of analyzing spectra obtained by the TOF-SIMS method using machine learning is being considered (see Non-Patent Document 1).
上記の通り、固体試料(樹脂)の情報を得るために、機械学習を利用してTOF-SIMS法により得られるスペクトルを解析する方法が検討されている。しかし、固体試料(樹脂)に付着した付着物(以下「測定対象物質」と記載する場合がある)の種類に関する情報を得るために、TOF-SIMS法により得られるスペクトルを簡便、迅速、かつ、高精度に解析する方法についてはこれまで検討されてこなかった。 As mentioned above, in order to obtain information about a solid sample (resin), methods of analyzing spectra obtained by TOF-SIMS using machine learning are being considered. However, in order to obtain information on the type of deposits (hereinafter sometimes referred to as "substance to be measured") attached to a solid sample (resin), spectra obtained by the TOF-SIMS method can be easily, quickly, and Until now, no consideration has been given to methods for highly accurate analysis.
したがって、本発明の目的は、固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報から測定対象物質の種類を簡便、迅速、かつ、高精度に解析できる情報処理装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、前記情報処理装置の制御方法、及びプログラムを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an information processing device that can easily, quickly, and highly accurately analyze the type of a substance to be measured based on spectral information of a sample including a solid sample and a substance to be measured. Another object of the present invention is to provide a method and program for controlling the information processing apparatus.
本発明の情報処理装置は、固体試料のスペクトル情報、及び前記固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報を学習モデルに入力することにより推定された、サンプル中の前記測定対象物質の種類に関する情報を取得する情報取得手段を有する情報処理装置であって、前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得されることを特徴とする。 The information processing device of the present invention provides a type of the substance to be measured in the sample, which is estimated by inputting spectral information of the solid sample and spectral information of the sample including the solid sample and the substance to be measured into a learning model. An information processing device comprising an information acquisition means for acquiring information regarding the spectral information, wherein the spectral information is acquired by secondary ion mass spectrometry.
また、本発明の情報処理装置の制御方法は、固体試料のスペクトル情報、及び前記固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報を学習モデルに入力することにより推定された、サンプル中の前記測定対象物質の種類に関する情報を取得する情報取得工程を有する情報処理装置の制御方法であって、前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得されることを特徴とする。 In addition, the control method for an information processing apparatus of the present invention includes a method for controlling an information processing apparatus, which is estimated by inputting spectral information of a solid sample and spectral information of a sample including the solid sample and a substance to be measured into a learning model. A method for controlling an information processing apparatus, which includes an information acquisition step of acquiring information regarding the type of a substance to be measured, characterized in that the spectrum information is acquired by secondary ion mass spectrometry.
本発明によれば、固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報から測定対象物質の種類を簡便、迅速、かつ、高精度に解析できる情報処理装置、前記情報処理装置の制御方法、及びプログラムを提供することにある。 According to the present invention, there is provided an information processing device that can easily, quickly, and highly accurately analyze the type of a substance to be measured from spectral information of a sample including a solid sample and a substance to be measured, a method for controlling the information processing device, and The goal is to provide programs.
以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態(実施形態)について説明する。但し、本発明の範囲は以下で説明する各実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention (embodiments) will be described with reference to the drawings. However, the scope of the present invention is not limited to each embodiment described below.
本発明において、固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報から、目的サンプル中の測定対象物質の種類を簡便、迅速、かつ、高精度に解析するためには、以下の情報処理装置を用いる。情報処理装置は、固体試料のスペクトル情報、及び固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報を学習モデルに入力することにより推定された、サンプル中の測定対象物質の種類に関する情報を取得する情報取得手段を有する。また、これらのスペクトル情報は、二次イオン質量分析により取得される。 In the present invention, in order to easily, quickly, and highly accurately analyze the type of substance to be measured in the target sample from the spectrum information of the sample including the solid sample and the substance to be measured, the following information processing device is required. use The information processing device acquires information regarding the type of substance to be measured in the sample, which is estimated by inputting spectral information of the solid sample and spectral information of the sample including the solid sample and the substance to be measured into the learning model. It has information acquisition means. Further, this spectral information is obtained by secondary ion mass spectrometry.
これにより、サンプル中の測定対象物質の種類に応じたスペクトル情報を準備して学習モデルに入力する必要がなく、目的サンプル中の測定対象物質の種類が未知の場合であっても、測定対象物質の種類の情報を得ることが可能となる。また、固体試料の表面の形状、電荷のわずかな違い、種類や組成の影響を受けて、得られるスペクトルが煩雑になりやすい二次イオン質量分析におけるスペクトル解析にも適用可能である。 This eliminates the need to prepare spectral information according to the type of substance to be measured in the sample and input it into the learning model, and even if the type of substance to be measured in the target sample is unknown, It becomes possible to obtain the following types of information. It can also be applied to spectrum analysis in secondary ion mass spectrometry, where the spectrum obtained tends to be complicated due to the influence of the surface shape, slight differences in charge, type, and composition of a solid sample.
(サンプル)
サンプルは、固体試料と測定対象物質とを含む。固体試料としては、樹脂、シリコン基板、及び銅箔からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましく、樹脂であることが好ましい。樹脂は、不飽和カルボン酸エステル類に由来するユニットで構成されることが好ましく、アルキル(メタ)アクリレート類に由来するユニットで構成されることがさらに好ましい。ここで、ユニットとは、1の単量体に由来する繰り返し単位のことを指すものとする。
(sample)
The sample includes a solid sample and a substance to be measured. The solid sample is preferably at least one selected from the group consisting of resin, silicon substrate, and copper foil, and resin is preferable. The resin is preferably composed of units derived from unsaturated carboxylic acid esters, and more preferably composed of units derived from alkyl (meth)acrylates. Here, the unit refers to a repeating unit derived from one monomer.
(測定対象物質)
測定対象物質は、固体試料に添加された添加剤や固体試料に付着する付着物であることが好ましい。測定対象物質としては、可塑剤、増粘剤、減粘剤、結晶核剤、結晶化促進剤、結晶化遅延剤、離型剤、難燃剤、難燃助剤、熱分解防止剤、補強剤、導電材、帯電防止剤、熱伝導剤、酸化防止剤、耐候防止剤、紫外線吸収剤、抗菌剤、着色剤、ガスバリア剤、防曇り剤、防反射剤、防汚剤、不純物などが挙げられる。なかでも、測定対象物質は、可塑剤であることが好ましい。可塑剤としては、界面活性剤などが挙げられる。
(Measurement target substance)
The substance to be measured is preferably an additive added to the solid sample or a deposit attached to the solid sample. Measured substances include plasticizers, thickeners, thinners, crystal nucleating agents, crystallization promoters, crystallization retarders, mold release agents, flame retardants, flame retardant aids, thermal decomposition inhibitors, and reinforcing agents. , conductive materials, antistatic agents, thermal conductive agents, antioxidants, weatherproofing agents, ultraviolet absorbers, antibacterial agents, coloring agents, gas barrier agents, antifogging agents, antireflective agents, antifouling agents, impurities, etc. . Among these, it is preferable that the substance to be measured is a plasticizer. Examples of plasticizers include surfactants.
固体試料を構成する元素群と、前記測定対象物質とを構成する元素群とは同じであることが好ましい。固体試料を構成する元素群と、測定対象物質とを構成する元素群は、炭素原子、水素原子、酸素原子、及び窒素原子からなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。 It is preferable that the group of elements constituting the solid sample and the group of elements constituting the substance to be measured are the same. The element group constituting the solid sample and the element group constituting the substance to be measured preferably include at least one selected from the group consisting of carbon atoms, hydrogen atoms, oxygen atoms, and nitrogen atoms.
(測定対象物質の種類に関する情報)
本実施形態における測定対象物質名に関する情報としては、測定対象物質の名称、略称、化学的分類、構造式、化学式、立体構造図などが挙げられる。
(Information regarding the type of substance to be measured)
Information regarding the name of the substance to be measured in this embodiment includes the name, abbreviation, chemical classification, structural formula, chemical formula, 3D structure diagram, etc. of the substance to be measured.
(測定対象物質の定量的な情報)
本発明においては、固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報から、目的サンプル中の測定対象物質の種類に関する情報だけでなく、定量的な情報を取得することも可能である。定量的な情報は、固体サンプル中の測定対象物質の含有量、固体サンプル中の測定対象物質の濃度、固体サンプル中の測定対象物質の有無からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。また、定量的な情報は、測定対象物質の基準量に対する固体サンプル中の測定対象物質の濃度又は量の比率、固体サンプル中の測定対象物質の含有量又は濃度の比率からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
(Quantitative information on the substance to be measured)
In the present invention, it is possible to obtain not only information regarding the type of the substance to be measured in the target sample but also quantitative information from the spectrum information of the sample including the solid sample and the substance to be measured. The quantitative information may be at least one type selected from the group consisting of the content of the substance to be measured in the solid sample, the concentration of the substance to be measured in the solid sample, and the presence or absence of the substance to be measured in the solid sample. preferable. In addition, the quantitative information is selected from the group consisting of the ratio of the concentration or amount of the substance to be measured in the solid sample to the reference amount of the substance to be measured, and the ratio of the content or concentration of the substance to be measured in the solid sample. It is preferable that it is at least one type.
(スペクトル情報)
本実施形態におけるスペクトル情報としては、二次イオン質量分析法により取得されるものである。二次イオン質量分析法としては、Dynamic SIMS法、TOF-SIMS法などが挙げられる。なかでも、二次イオン質量分析法として、TOF-SIMS法を用いることが好ましい。
(spectrum information)
The spectral information in this embodiment is acquired by secondary ion mass spectrometry. Examples of the secondary ion mass spectrometry include the Dynamic SIMS method and the TOF-SIMS method. Among these, it is preferable to use the TOF-SIMS method as the secondary ion mass spectrometry method.
(情報処理システム、情報処理装置)
次に、図1を用いて、本実施形態における情報処理システムを説明する。図1は、本実施形態に係る情報処理装置を含む情報処理システムの全体構成を示す図である。
(information processing system, information processing device)
Next, the information processing system in this embodiment will be explained using FIG. 1. FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of an information processing system including an information processing apparatus according to this embodiment.
情報処理システムは、情報処理装置10とデータベース22と分析装置23とを含んでいる。情報処理装置10とデータベース22とは、通信手段を介して互いに通信可接続されている。本実施形態においては、通信手段はLAN(Local Area Network)21で構成される。また、情報処理装置10と分析装置23とは、USB(Universal Serial Bus)などの規格の通信手段で接続されている。なお、LANは、有線LANでも無線LANでもよいし、WAN(Wide Area Network)であってもよい。また、USBはLANであってもよい。
The information processing system includes an
データベース22は、分析装置23による分析によって取得されたスペクトル情報を管理する。また、データベース22は、後述する学習モデル生成部42により生成された学習モデル(学習済みモデル)を管理する。情報処理装置10は、データベース22で管理されたスペクトル情報や学習モデルを、LAN21を介して取得する。
The
(学習モデル)
本実施形態における学習モデルとは、回帰学習モデルであり、深層学習などの機械学習によって生成されたものを用いることができる。機械学習アルゴリズムに教師データを用いて学習を行い、適切な予測が行えるように構築したものをここでは学習モデルと呼ぶ。学習モデルに用いる機械学習アルゴリズムには多様な種類がある。例えば、ニューラルネットワークを用いた深層学習を使用することができる。ニューラルネットワークは、入力層、出力層、及び複数の隠れ層から構成され、各層は、活性化関数と呼ばれる計算式で結合されている。ラベル(入力に対応する出力)付き教師データを用いる場合、入力と出力の関係が成り立つように活性化関数の係数を決定していく。複数の教師データを用いて係数を決定することで、高精度で入力に対する出力を予測できる学習モデルを生成することができる。
(learning model)
The learning model in this embodiment is a regression learning model, and one generated by machine learning such as deep learning can be used. A machine learning algorithm that uses training data to perform learning and is constructed to make appropriate predictions is referred to here as a learning model. There are various types of machine learning algorithms used in learning models. For example, deep learning using neural networks can be used. A neural network is composed of an input layer, an output layer, and a plurality of hidden layers, and each layer is connected by a calculation formula called an activation function. When using labeled training data (output corresponding to input), the coefficients of the activation function are determined so that the relationship between input and output holds. By determining coefficients using multiple pieces of training data, it is possible to generate a learning model that can predict outputs for inputs with high accuracy.
(分析装置)
分析装置23は、サンプルや固体試料などを分析するための装置である。分析装置23は、分析手段の一例に相当する。なお、前述したように、本実施形態では、情報処理装置10と分析装置23とが通信可能に接続されている。しかし、情報処理装置10の内部に分析装置23を備える形態であってもよいし、分析装置23の内部に情報処理装置10を備える形態であってもよい。さらに、不揮発メモリなどの記録媒体を介して分析結果(スペクトル情報)を分析装置23から情報処理装置10へ受け渡す形態であってもよい。
(Analysis equipment)
The
本実施形態における分析装置23は、二次イオン質量分析法によりスペクトル情報を取得できるものであれば利用できる。二次イオン質量分析法によりスペクトル情報を取得できる装置としては、飛行時間型二次イオン質量分析装置(TOF-SIMS)などが挙げられる。以下、TOF-SIMSについて詳細に説明する。
The
TOF-SIMSは、サンプルにイオンビーム(一次イオン)を照射すると、固体試料表面から元素や分子が放出する。一次イオンとしては、Ga+、In+、Au+、Bi+などが挙げられる。この一次イオンは、幅が0.7nsec以下、繰り返し周波数が数kHzから50kHzのパルスに成形されて、サンプルに照射される。そして、引き出し電場によってサンプルから引き出された二次イオンがグリットと検出器との間の無電場空間を一定速度で飛行した後、飛行時間型質量分析計で検出される。その際の飛行速度が2次イオンの質量により異なるため、飛行時間型質量分析計への到達時間の差により、質量分析を行う。なお、反射型飛行時間型質量分析計は、反射型のフライト(ドリフト)チューブを使用して、2mの距離を飛行する時間により、質量分析を行う。 In TOF-SIMS, when a sample is irradiated with an ion beam (primary ions), elements and molecules are released from the surface of the solid sample. Examples of primary ions include Ga + , In + , Au + , Bi + and the like. These primary ions are shaped into a pulse with a width of 0.7 nsec or less and a repetition frequency of several kHz to 50 kHz, and are irradiated onto the sample. The secondary ions extracted from the sample by the extraction electric field fly at a constant speed in the electric field-free space between the grid and the detector, and then are detected by a time-of-flight mass spectrometer. Since the flight speed at that time differs depending on the mass of the secondary ion, mass analysis is performed based on the difference in arrival time to the time-of-flight mass spectrometer. Note that the reflection time-of-flight mass spectrometer uses a reflection flight (drift) tube to perform mass spectrometry based on the time it takes to fly over a distance of 2 m.
情報処理装置10は、その機能的な構成として、通信IF31、ROM32、RAM33、記憶部34、操作部35、表示部36、及び制御部37を具備する。
The
通信IF(Interface)31は、例えば、LANカード及びUSBのインターフェースカードで実現される。通信IF31は、LAN21とUSBを介した外部装置(例えば、データベース22と分析装置23)と情報処理装置10との間の通信を司る。ROM(Read Only Memory)32は、不揮発性のメモリなどで実現され、各種プログラムなどを記憶する。RAM(Random Access Memory)33は、揮発性のメモリなどで実現され、各種情報を一時的に記憶する。記憶部34は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)などで実現され、各種情報を記憶する。操作部35は、例えば、キーボードやマウスなどで実現され、ユーザからの指示を装置内に入力する。表示部36は、例えば、ディスプレイなどで実現され、各種情報をユーザに向けて表示する。操作部35や表示部36は、制御部37からの制御により、GUI(Graphical User Interface)としての機能を提供する。
The communication IF (Interface) 31 is realized by, for example, a LAN card and a USB interface card. Communication IF 31 controls communication between external devices (for example,
(制御部)
制御部37は、例えば、少なくとも1つのCPU(Central Processing Unit)などで実現され、情報処理装置10における処理を統括制御する。制御部37は、その機能的な構成として、スペクトル情報取得部41、学習モデル生成部42、学習モデル取得部43、推定部44、情報取得部45、及び表示制御部46を具備する。
(control unit)
The
(スペクトル情報取得部41)
スペクトル情報取得部41は、固体試料と測定対象物質とを含む目的サンプルの分析結果、具体的には目的サンプルのスペクトル情報を分析装置23から取得する。なお、あらかじめ分析結果が格納されたデータベース22から、目的サンプルのスペクトル情報を取得してもよい。また、同様に固体試料のスペクトル情報、及び固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報を取得する。この固体試料のスペクトル情報は、固体物質が単一で存在した場合のスペクトル情報である。固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報は、例えば、サンプル中の測定対象物質の含有量が0.2%、0.4%などと異なる量の測定対象物質を含む複数種のサンプルを用意し、各サンプルから得られるスペクトル情報のことである。
(Spectral information acquisition unit 41)
The spectral
そして、スペクトル情報取得部41は、取得したサンプルのスペクトル情報を推定部44に出力する。また、取得したサンプルのスペクトル情報、及び固体試料のスペクトル情報を学習モデル生成部42に出力する。
Then, the spectrum
(学習モデル生成部42)
学習モデル生成部42は、スペクトル情報取得部41が取得した固体試料、及びサンプルのスペクトル情報を用いて教師データを生成する。そして、学習モデル生成部42は、教師データを用いて深層学習を実行し、学習モデルを生成する。教師データの生成及び学習モデルの生成に関する詳細な説明は、後述する。そして、学習モデル生成部42は、生成した学習モデルを学習モデル取得部43へ出力する。なお、学習モデル生成部42は、生成した学習モデルをデータベース22へ出力してもよい。
(Learning model generation unit 42)
The learning
(学習モデル取得部43)
学習モデル取得部43は、学習モデル生成部42が生成した学習モデルを取得する。なお、学習モデルがデータベース22に格納されている場合には、学習モデル取得部43は、データベース22から学習モデルを取得する。そして、学習モデル取得部43は、取得した学習モデルを推定部44へ出力する。
(Learning model acquisition unit 43)
The learning
(推定部44)
推定部44は、学習モデル取得部43が取得した学習モデルに、スペクトル情報取得部41が取得した目的サンプルのスペクトル情報を入力することにより、目的サンプルに含まれる測定対象物質の種類に関する情報を学習モデルに推定させる。そして、推定部44は、推定された種類に関する情報を、情報取得部45へ出力する。推定部44は、目的サンプルのスペクトル情報を学習モデルに入力することにより、測定対象物質の種類に関する情報を推定する推定手段の一例に相当する。
(Estimation unit 44)
The
(情報取得部45)
情報取得部45は、学習モデルが推定した種類に関する情報を取得する。すなわち、情報取得部45は、目的サンプルのスペクトル情報を学習モデルに入力することにより推定された、測定対象物質の種類に関する情報を取得する情報取得手段の一例に相当する。そして、情報取得部45は、取得した種類に関する情報を表示制御部46へ出力する。
(Information acquisition unit 45)
The
(表示制御部46)
表示制御部46は、情報取得部45が取得した種類に関する情報を表示部36に表示させる。表示制御部46は、表示制御手段の一例に相当する。
(Display control unit 46)
The
なお、制御部37が具備する各部の少なくとも一部は、独立した装置として実現してもよい。また、それぞれが機能を実現するソフトウェアとして実現してもよい。この場合、機能を実現するソフトウェアは、クラウドをはじめとするネットワークを介したサーバ上で動作してもよい。本実施形態では各部はローカル環境におけるソフトウェアによりそれぞれ実現されているものとする。
Note that at least a part of each unit included in the
また、図1に示す情報処理システムの構成はあくまで一例である。例えば、情報処理装置10の記憶部34がデータベース22の機能を具備し、記憶部34が各種情報を保持してもよい。
Furthermore, the configuration of the information processing system shown in FIG. 1 is merely an example. For example, the
次に、図2を用いて、本実施形態における学習モデル生成の処理手順を説明する。図2は、本実施形態に係る学習モデルの生成に関する処理手順のフローチャートの一例を示す図である。 Next, the processing procedure for generating a learning model in this embodiment will be explained using FIG. 2. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a flowchart of a processing procedure regarding generation of a learning model according to the present embodiment.
(S201:固体試料単体、及び固体試料と測定対象物質A、B、C、Dのいずれか1つとを含むサンプルを分析)
まず、分析装置23は、固体試料単体、及び固体試料と測定対象物質を含むサンプルを分析する(ステップS1)。分析条件は、感度や分析時間などの観点から適宜選択すればよい。固体試料と測定対象物質とを含む試料を分析する場合は、測定対象物質の濃度を何通りか変化させて分析する。どの程度の数が必要であるかは、物質の性質などによっても異なるが、一般的に3点以上変化させることが好ましい。測定対象物質が複数種ある場合は、それぞれ分析することが好ましいが、測定対象物質同士の信号が十分に分離できる場合は、同時に測定してもよい。
(S201: Analyze a single solid sample and a sample containing a solid sample and any one of the substances to be measured A, B, C, or D)
First, the
そして、分析装置23は、取得したスペクトル情報を情報処理装置10に出力する。情報処理装置10は、分析装置23からスペクトル情報を受信し、RAM33又は記憶部34に保持する。スペクトル情報取得部41は、こうして保持されたスペクトル情報を取得する。
The
なお、前述したように、分析結果であるスペクトル情報は、データベース22が保持してもよい。この場合、スペクトル情報取得部41は、データベース22からスペクトル情報を取得する。また、分析装置23が被検物質を分析するタイミングは、ステップS3におけるスペクトル情報の選択よりも前に実行されれば、どのようなタイミングであってもよい。
Note that, as described above, the
(S202:教師データを生成)
学習モデル生成部42は、ステップS201で得られた固体試料単体、及び固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報を用いて、教師データを生成する。その際、第1のスペクトル情報、及び第2のスペクトル情報に基づいて、教師データを生成する。以下、第1のスペクトル情報、及び第2のスペクトル情報を詳細に説明する。
(S202: Generate teacher data)
The learning
第1のスペクトル情報とは、固体試料単体のスペクトル情報、固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報、及びノイズスペクトルを用いて作成されたスペクトル情報のことである。 The first spectral information refers to spectral information of a single solid sample, spectral information of a sample including a solid sample and a substance to be measured, and spectral information created using a noise spectrum.
第2のスペクトル情報とは、第1のスペクトル情報群から抽出された、測定対象物質の濃度が異なるサンプルのスペクトル情報から作成されるものである。具体的には、測定対象物質に関して、その濃度が、抽出された2つの第1のスペクトル情報の濃度の間に含まれるものである。以下、作成したスペクトルを人工スペクトル、このスペクトルの作成方法を濃度補間と記載する。 The second spectral information is created from the spectral information of samples with different concentrations of the substance to be measured, extracted from the first spectral information group. Specifically, the concentration of the substance to be measured is included between the concentrations of the two extracted first spectrum information. Hereinafter, the created spectrum will be referred to as an artificial spectrum, and the method for creating this spectrum will be referred to as concentration interpolation.
次に、ノイズ付与を行った教師データ作成方法について述べる。スペクトル情報は、各フラグメントで測定されたイオン強度、又はm/zの所定の範囲内のフラグメントが持つイオン強度の合計で除算し正規化されたイオン強度からなるもので、その数値は、分子量mをイオン価数zで除算したm/zごとに測定されている。 Next, a method for creating training data with noise added will be described. The spectral information consists of the ion intensity measured for each fragment or the ion intensity normalized by dividing by the sum of the ion intensities of fragments within a predetermined range of m/z, and the value is the molecular weight m It is measured for each m/z, which is calculated by dividing the ion valence by the ion valence z.
固体試料及び測定対象物質を含むサンプルのスペクトル情報のm/zが10以上のフラグメントイオン強度の合計に対する、測定対象物質のスペクトル情報におけるイオン強度の割合は、7×10-5以下であってもよい。測定対象物質のスペクトル情報のイオン強度の割合が7×10-5以下と小さい場合でも、本発明の情報処理装置を用いれば、簡便、迅速、かつ高精度に測定対象物質の種類に関する情報を得ることが可能となる。前記割合は、7×10-5未満であることが好ましい。 Even if the ratio of the ion intensity in the spectral information of the substance to be measured to the total of the fragment ion intensities with m/z of 10 or more in the spectral information of the solid sample and the sample containing the substance to be measured is 7×10 −5 or less good. Even if the ratio of the ion intensity of the spectral information of the substance to be measured is as small as 7×10 -5 or less, by using the information processing device of the present invention, information regarding the type of substance to be measured can be obtained simply, quickly, and with high precision. becomes possible. Preferably, the ratio is less than 7×10 −5 .
本実施形態においては、固体試料単体のスペクトル情報において、それぞれのイオン強度に0.1から5.0の間の任意の数値を乗算する。この任意の数値を乗算したスペクトルをノイズスペクトルとし、また、この乗算作業をノイズ付与と記載する。次に、固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報のうち、同じm/z値を持つイオン強度と乗算した値を平均した値、イオン強度と任意の数値を乗算した値との平均値、又は最も大きい値をもって新たに作成したイオン強度とするとよい。この作業をすべてのm/zに対して行い、第1のスペクトル情報とする。 In this embodiment, in the spectrum information of a single solid sample, each ion intensity is multiplied by an arbitrary value between 0.1 and 5.0. The spectrum multiplied by this arbitrary value is referred to as a noise spectrum, and this multiplication operation is referred to as noise addition. Next, among the spectrum information of the sample including the solid sample and the substance to be measured, the average value of the value multiplied by the ion intensity having the same m/z value, and the average value of the value multiplied by the ion intensity and an arbitrary value are calculated. value, or the largest value may be used as the newly created ion strength. This operation is performed for all m/z and used as first spectrum information.
教師データの生成において濃度補間とノイズ付与は、どちらを先に行ってもよい。 In generating the training data, either density interpolation or noise addition may be performed first.
(S203:学習モデルを生成)
生成した教師データを用いて、所定のアルゴリズムに従った機械学習を実施して学習モデルを構築する(ステップS203)。具体的な学習の手法としては、たとえば、一般的な機械学習手法であるニューラルネットワークやサポートベクターマシンなどを用いてもよい。また、隠れ層が多層になった深層学習手法として、DNN(ディープニューラルネットワーク)やCNN(コンボリューショナルニューラルネットワーク)などを用いてもよい。測定対象物質が複数種ある場合には、それぞれの物質に対して学習モデルを生成する。そして、学習モデル生成部42は、RAM33、記憶部34、又はデータベース22に、生成した学習モデルを格納する。
(S203: Generate learning model)
Using the generated training data, machine learning is performed according to a predetermined algorithm to construct a learning model (step S203). As a specific learning method, for example, general machine learning methods such as a neural network or a support vector machine may be used. Further, as a deep learning method with multiple hidden layers, DNN (deep neural network), CNN (convolutional neural network), etc. may be used. If there are multiple types of substances to be measured, a learning model is generated for each substance. The learning
以上のようにして、固体試料単体、及び固体試料と測定対象物質とを含むサンプルのスペクトル情報に基づいて、目的サンプルに含まれる測定対象物質の種類に関する情報を推定する学習モデルを生成する。 As described above, a learning model that estimates information regarding the type of substance to be measured contained in the target sample is generated based on the spectral information of the solid sample alone and the sample including the solid sample and the substance to be measured.
次に、種類に関する情報を表示する方法について、説明する。図3は、本実施形態に係る種類に関する情報を表示する処理手順のフローチャートの一例を示す図である。 Next, a method of displaying information regarding types will be explained. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a flowchart of a processing procedure for displaying information regarding types according to the present embodiment.
(S301:目的サンプルを分析)
分析装置23は、固体試料と測定対象物質とを含む目的サンプルを分析し、目的サンプルのスペクトル情報を取得する。分析条件は、前述したステップ201と同一の条件とする。そして、分析装置23は、取得したスペクトル情報を情報処理装置10に出力する。情報処理装置10は分析装置23からスペクトル情報を受信し、RAM33又は記憶部34に保持する。スペクトル情報取得部41は、こうして保持されたスペクトル情報を取得する。なお、前述したように、分析結果であるスペクトル情報は、データベース22が保持してもよい。この場合、スペクトル情報取得部41は、データベース22からスペクトル情報を取得する。また、分析装置23がサンプルを分析するタイミングは、ステップS302における種類に関する情報の推定よりも前に実行されれば、どのようなタイミングであってもよい。
(S301: Analyze target sample)
The
(S302:種類に関する情報を推定)
学習モデル取得部43は、RAM33、記憶部34、又はデータベース22に格納された学習モデルを取得する。そして、推定部44は、取得された学習モデルに、ステップS301で取得された目的サンプルのスペクトル情報を入力することにより、目的サンプルに含まれる測定対象物質の種類に関する情報を推定させる。また、必要に応じて、推定部44は、推定された種類に関する情報を、表示部36において表示する形式に換算する。表示部36において表示する形式としては、g/L、mol/Lなどの濃度でもよいし、基準量(標準量)に対する割合でもよい。学習モデルにより推定される値がこれらの表示形式であれば、換算する必要はない。そして、情報取得部45は、推定された種類に関する情報を推定部44から取得し、RAM33又は記憶部34に格納する。
(S302: Estimate information regarding type)
The learning
(S303:種類に関する情報を表示)
表示制御部46は、ステップ302で学習モデルにより推定された、目的サンプルに含まれる測定対象物質の種類に関する情報を表示部36に表示させる。その際、グラフ形式や表形式に整理して表示してもよい。図7に、表示部36に表示された画面(ウィンドウ)の一例を示す。さらに、“高い”、“低い”など推定濃度の数値に応じて、そのレベルを表示してもよい。
(S303: Display information regarding type)
The
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention provides a system or device with a program that implements one or more of the functions of the embodiments described above via a network or a storage medium, and one or more processors in the computer of the system or device reads and executes the program. This can also be achieved by processing. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
<実施例>
以下に、実施例および比較例を挙げて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<Example>
The present invention will be explained in more detail below by giving Examples and Comparative Examples. Note that the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
[固体試料の作製]
モノマーとしてのメチルメタクリレートと、架橋剤としてのトリメチロールプロパンメタクリレート(いずれも東京化成工業製)を49.5gずつ混合した。さらに、混合した溶液に、重合開始剤としてのOmnirad 819(IGM Resins B.V.製)を1g添加した。次に、得られた溶液から1gを分取し、ミキサー(あわとり練太郎 AR-100、シンキー製)を用いて、5分間撹拌した。そして、撹拌した溶液から0.3gを分取し、フッ素樹脂フィルム(ネオフロンPFAフィルム、ダイキン工業製)で挟み、水銀ランプ(UL750 HOYA製)をフッ素樹脂フィルムの30cm遠方から5分間照射した。これにより、光硬化樹脂が得られ、これを固体試料とした。
(Example 1)
[Preparation of solid sample]
49.5 g each of methyl methacrylate as a monomer and trimethylolpropane methacrylate (both manufactured by Tokyo Kasei Kogyo) as a crosslinking agent were mixed. Furthermore, 1 g of Omnirad 819 (manufactured by IGM Resins B.V.) as a polymerization initiator was added to the mixed solution. Next, 1 g was taken from the obtained solution and stirred for 5 minutes using a mixer (Awatori Rentaro AR-100, manufactured by Shinky). Then, 0.3 g was taken out from the stirred solution, sandwiched between fluororesin films (Neoflon PFA film, manufactured by Daikin Industries), and irradiated with a mercury lamp (UL750 manufactured by HOYA) for 5 minutes from a distance of 30 cm from the fluororesin film. As a result, a photocurable resin was obtained, which was used as a solid sample.
[固体試料と測定対象物質とを含むサンプルの作製]
〔サンプルAの作製〕
固体試料の作製において得られた撹拌した液体から1gに、可塑剤として測定対象物質Aであるジイソノニルフタレート(下記構造式A、富士フイルム和光純薬製)を0.001g添加し、固体試料に対して測定対象物質Aを0.1%含むサンプルAを作製した。
[Preparation of sample containing solid sample and substance to be measured]
[Preparation of sample A]
To 1 g of the stirred liquid obtained in the preparation of the solid sample, 0.001 g of diisononyl phthalate (the following structural formula A, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), which is the substance A to be measured, was added as a plasticizer, and the mixture was added to the solid sample. Sample A containing 0.1% of substance A to be measured was prepared.
なお、可塑剤を添加して得られた溶液から光硬化樹脂を得る方法は、固体試料の作製と同様の方法である。 Note that the method for obtaining a photocurable resin from a solution obtained by adding a plasticizer is the same method as for producing a solid sample.
さらに、可塑剤の添加量を変更することで、固体試料に対して測定対象物質Aをそれぞれ0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、10.0%含むサンプルを作製した。可塑剤の添加量を変更したこと以外は、サンプルAの作製方法と同様の方法でサンプルを作製した。 Furthermore, by changing the amount of plasticizer added, the target substance A was added to the solid sample by 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, 1.0%, and 10%, respectively. A sample containing .0% was prepared. A sample was produced in the same manner as Sample A, except that the amount of plasticizer added was changed.
〔サンプルBの作製〕
可塑剤を測定対象物質Bである2-イソプロピルチオキサントン(下記構造式B、東京化成工業製)に変更したこと以外は、サンプルAの作製と同様の方法でサンプルBを作製した。その際、可塑剤の添加量を変更することで、固体試料に対して測定対象物質Bをそれぞれ0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、10.0%含むサンプルを作製した。
[Preparation of sample B]
Sample B was prepared in the same manner as Sample A, except that the plasticizer was changed to 2-isopropylthioxanthone (Structural Formula B below, manufactured by Tokyo Kasei Kogyo), which is the substance to be measured B. At that time, by changing the amount of plasticizer added, 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, Samples containing 1.0% and 10.0% were prepared.
〔サンプルCの作製〕
可塑剤を測定対象物質CであるアセチレノールE100(下記構造式C、川研ファインケミカル製)に変更したこと以外は、サンプルAの作製と同様の方法でサンプルCを作製した。その際、可塑剤の添加量を変更することで、固体試料に対して測定対象物質Cをそれぞれ0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、10.0%含むサンプルを作製した。
[Preparation of sample C]
Sample C was prepared in the same manner as sample A, except that the plasticizer was changed to acetylenol E100 (the following structural formula C, manufactured by Kawaken Fine Chemicals), which is the substance C to be measured. At that time, by changing the amount of plasticizer added, the measured substance C was added to the solid sample by 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, respectively. Samples containing 1.0% and 10.0% were prepared.
〔サンプルDの作製〕
可塑剤を測定対象物質Dであるメロシアニン(下記構造式D、FDB-009、山田化学製)に変更したこと以外は、サンプルAの作製と同様の方法でサンプルDを作製した。その際、可塑剤の添加量を変更することで、固体試料に対して測定対象物質Dをそれぞれ0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、10.0%含むサンプルを作製した。
[Preparation of sample D]
Sample D was produced in the same manner as Sample A, except that the plasticizer was changed to merocyanine (Structural Formula D below, FDB-009, manufactured by Yamada Chemical), which is the substance D to be measured. At that time, by changing the amount of plasticizer added, the measured substance D was added to the solid sample by 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, respectively. Samples containing 1.0% and 10.0% were prepared.
[TOF-SIMS法による測定]
作製した固体試料、及び固体試料と測定対象物質とを含むサンプルをそれぞれ1cm角の正方形に切り出し、以下の条件でTOF-SIMS法による測定を行った。
測定機種:TOF-SIMS5(ION-TOF製)
一次イオン種:Bi3+
一次イオン電流:0.4pA(Pulse電流)
一次イオンエネルギー:25keV
測定モード:Bunching Mode(バンチングモード)
検出範囲:1~800amu
電子銃:帯電補正用電子銃
測定真空度:7×10-8Pa
測定領域:300μm×300μm
測定点数:測定領域内の128×128点
積算:16回測定モード ネガティブイオン
測定回数:各サンプルに対しそれぞれ6回
以上の測定により図4~7に記載のスペクトル群を得た。図4は、固体試料、及び固体試料と測定対象物質Aとを含むサンプルAのスペクトル情報の一例である。図5は、固体試料と測定対象物質Bとを含むサンプルBのスペクトル情報の一例である。図6は、固体試料と測定対象物質Cとを含むサンプルCのスペクトル情報の一例である。図7は、固体試料と測定対象物質Dとを含むサンプルDのスペクトル情報の一例である。
[Measurement by TOF-SIMS method]
The prepared solid sample and the sample containing the solid sample and the substance to be measured were each cut into a 1 cm square, and measured by the TOF-SIMS method under the following conditions.
Measurement model: TOF-SIMS5 (manufactured by ION-TOF)
Primary ion species: Bi 3+
Primary ion current: 0.4pA (Pulse current)
Primary ion energy: 25keV
Measurement mode: Bunching Mode
Detection range: 1~800amu
Electron gun: Charge correction electron gun Measurement vacuum: 7×10 -8 Pa
Measurement area: 300μm x 300μm
Number of measurement points: 128 x 128 points within the measurement area Integration: 16 times measurement mode Negative ion Measurement number: 6 times or more for each sample The spectrum groups shown in FIGS. 4 to 7 were obtained by measuring at least 6 times for each sample. FIG. 4 is an example of spectrum information of a solid sample and a sample A that includes the solid sample and the substance A to be measured. FIG. 5 is an example of spectrum information of sample B including a solid sample and measurement target substance B. FIG. 6 is an example of spectrum information of a sample C including a solid sample and a substance C to be measured. FIG. 7 is an example of spectrum information of a sample D including a solid sample and a substance D to be measured.
(比較例1)
表1に示すTOF-SIMSの作業従事年数がさまざまなオペレータ4名が、測定対象物質A、B、C、Dのうちいずれかを0.1%、0.4%、又は0.8%含むサンプルのスペクトル群(各6組、計72組)を利用して、サンプル中の測定対象物質を同定した。その際、測定対象物質A、B、C、Dのいずれか1つを10.0%含むサンプルのスペクトル群(各6組、計24組)を参考にした。いずれの測定対象物質も正しく同定できたものの、表1に記載の通り、人の力による測定対象物質の同定には、1時間以上かかることが分かった。
(Comparative example 1)
The four operators shown in Table 1, who have been working on TOF-SIMS for various years, contained 0.1%, 0.4%, or 0.8% of the target substances A, B, C, and D. The substance to be measured in the sample was identified using the spectrum groups of the sample (6 sets each, 72 sets in total). At that time, spectral groups (6 sets each, 24 sets in total) of samples containing 10.0% of any one of the measurement target substances A, B, C, and D were used as reference. Although all of the substances to be measured were correctly identified, as shown in Table 1, it was found that it took more than one hour to manually identify the substances to be measured.
(実施例2)
教師データの作成方法については、図8のフローチャートに基づいて説明する。
(Example 2)
The method for creating the teacher data will be explained based on the flowchart of FIG. 8.
[ノイズ付与による教師データの作成]
実施例1で測定されたスペクトル情報を用いて、下記の方法で作成した。
[Creating training data by adding noise]
It was created using the spectrum information measured in Example 1 in the following manner.
固体試料単体のスペクトル(計6組)のイオン強度をm/z毎に比較し、最も高い値を持つイオン強度を抽出した。これら最高値を持つイオン強度をm/zが10から700まで組み合わせた上で、各m/z毎に0.1から5.0の間でランダムに選ばれた任意の数値を掛け合わせてノイズスペクトルを作成した。
The ion intensities of the spectra (total of 6 sets) of a single solid sample were compared for each m/z, and the ion intensity with the highest value was extracted. After combining the ion intensities with the highest values from m/
次にこのノイズスペクトルと固体試料単体のスペクトルのイオン強度をm/z毎に比較し、最も高い値を持つイオン強度を抽出した。これら最高値を持つイオン強度群をm/zが10から700まで組み合わせた人工スペクトルを作成した。 Next, the ion intensities of this noise spectrum and the spectrum of a single solid sample were compared for each m/z, and the ion intensity having the highest value was extracted. An artificial spectrum was created by combining the ion intensity groups having the highest values with m/z of 10 to 700.
以上の作業を6組ある固体試料単体のスペクトルそれぞれに対し10回行い、測定対象物質を含まない人工スペクトルからなる教師データを計60組作成した。なお、任意の数値は毎回新しい値に更新している(ステップ:S401)。 The above operations were performed 10 times for each of the six sets of spectra of single solid samples, and a total of 60 sets of training data consisting of artificial spectra that did not contain the substance to be measured were created. Note that any numerical value is updated to a new value each time (step: S401).
さらに、ノイズスペクトルと、測定対象物質Aを0.2%含むサンプルAのスペクトルに対し、イオン強度をm/z毎に比べ、最も高い値を持つイオン強度を抽出した。そして、これら最高値を持つイオン強度群をm/zが10から700まで組み合わせた人工スペクトルを作成した。この作業を6組ある測定対象物質Aを0.2%含むサンプルAのスペクトルそれぞれに対し10回行い、測定対象物質Aを0.2%含むサンプルAの人工スペクトルからなる教師データを計60組作成した(ステップ:S402)。 Further, the ion intensities were compared for each m/z between the noise spectrum and the spectrum of sample A containing 0.2% of the substance A to be measured, and the ion intensity having the highest value was extracted. Then, an artificial spectrum was created by combining the ion intensity groups having the highest values from m/z of 10 to 700. This process was performed 10 times for each of the six sets of spectra of sample A containing 0.2% of the target substance A, and a total of 60 sets of training data consisting of artificial spectra of sample A containing 0.2% of the target substance A were obtained. created (step: S402).
次に、測定対象物質Aをそれぞれ0.6%、1.0%含むスペクトルに関しても、測定対象物質Aを0.2%含むサンプルAの人工スペクトルからなる教師データの作成と同様な作業を行い、それぞれ60組の教師データを作成した。 Next, for the spectra containing 0.6% and 1.0% of the target substance A, respectively, we performed the same work as creating training data consisting of the artificial spectrum of sample A containing 0.2% of the target substance A. , 60 pairs of teacher data were created for each.
以上より、第1のスペクトル群から、計240組の教師データを作成した(ステップ:S403とS404)。 As described above, a total of 240 sets of training data were created from the first spectrum group (steps: S403 and S404).
さらに、測定対象物質B、C、及びDのいずれか1種をそれぞれ0.2%、0.6%、1.0%含むスペクトルに関しても、測定対象物質Aを含むサンプルAの人工スペクトルからなる教師データの作成と同様な作業を行った。これにより、それぞれ60組の教師データを作成した。 Furthermore, the spectra containing 0.2%, 0.6%, and 1.0% of any one of the target substances B, C, and D, respectively, are also composed of artificial spectra of sample A containing the target substance A. We performed the same work as creating the training data. As a result, 60 sets of training data were created for each.
以上より、ノイズ付与による教師データの作成において、得られる教師データは、計780組となった。 From the above, a total of 780 sets of teacher data were obtained in creating the teacher data by adding noise.
[濃度補間による教師データの作成]
固体試料単体のスペクトルからなる教師データ(計60組)と、測定対象物質Aを0.2%含むサンプルAのスペクトルからなる教師データ(計60組)の中から、それぞれスペクトル1つずつ抽出した。さらに、各m/z毎に計算式(1)~(3)を用い、測定対象物質Aを0.05%、0.1%、0.15%を含むサンプルAのスペクトル(人工スペクトル)を作成した。
[Creating training data by density interpolation]
One spectrum was extracted from each of the training data (60 sets in total) consisting of the spectrum of a single solid sample and the training data (60 sets in total) consisting of the spectrum of sample A containing 0.2% of target substance A. . Furthermore, using calculation formulas (1) to (3) for each m/z, the spectrum (artificial spectrum) of sample A containing 0.05%, 0.1%, and 0.15% of substance A to be measured is calculated. Created.
ここで、I0は、固体試料単体のスペクトルからなる教師データのイオン強度であり、Inは、測定対象物質Aをn%含むスペクトルのイオン強度である。以上の作業を、固体試料単体のスペクトルからなる教師データを60組と測定対象物質Aを0.2%含む教師データを60組に対し総当たりで行い、60×60×3=10800個の教師データを得た(ステップ:S405)。 Here, I 0 is the ion intensity of the training data consisting of the spectrum of a single solid sample, and I n is the ion intensity of the spectrum containing n% of the substance A to be measured. The above work was performed on 60 sets of training data consisting of the spectrum of a single solid sample and 60 sets of training data containing 0.2% of target substance A, and 60 x 60 x 3 = 10,800 sets of training data were used. Data was obtained (step: S405).
同様の方法で測定対象物質Aを0.2%含む教師データ群と、測定対象物質Aを0.6%含む教師データ群から、測定対象物質Aを0.3%、0.4%、0.5%それぞれ含む計10800組の教師データを作成した。 In the same way, from the teacher data group containing 0.2% of the substance A to be measured and the group of teacher data containing 0.6% of the substance A to be measured, the substance A to be measured is 0.3%, 0.4%, 0. A total of 10,800 sets of teacher data containing .5% each were created.
また、同様の方法で測定対象物質Aを0.6%含む教師データ群と、測定対象物質Aを1.0%含む教師データ群から、測定対象物質を0.7%、0.8%、0.9%それぞれ含む計10800組の教師データを作成した。以上より、第2のスペクトル群から、計32400組の教師データを作成した(ステップ:S406とS407)。 In addition, using the same method, from the teacher data group containing 0.6% of the target substance A and the teacher data group containing 1.0% of the target substance A, the target substances were added to 0.7%, 0.8%, A total of 10,800 sets of teacher data containing 0.9% each were created. As described above, a total of 32,400 sets of training data were created from the second spectrum group (steps: S406 and S407).
さらに、測定対象物質B、C、及びDに関しても、測定対象物質Aを含むサンプルAの濃度補間による教師データの作成と同様な作業を行い、それぞれ32400組の教師データを作成した。 Furthermore, for the substances to be measured B, C, and D, the same work as the creation of teacher data by concentration interpolation for sample A containing the substance to be measured was performed, and 32,400 sets of teacher data were created for each.
ノイズ付与により作成されたサンプルの教師データ720組と、濃度補間により作成されたサンプルの教師データ129600組とを合わせた130320組を教師データとして、機械学習を行い、学習モデルを生成した。機械学習の手法として、全結合ニューラルネットワークを用い、活性化関数としてrelu関数、及びsoftmax関数を用いた。損失関数として平均二乗誤差を用い、最適化アルゴリズムにはAdamを用いた。十分な同定精度を得るには、1000エポック程度の繰り返し演算が必要であった。 A learning model was generated by machine learning using 130,320 sets of teacher data, which are a combination of 720 sets of sample teacher data created by adding noise and 129,600 sets of sample teacher data created by density interpolation, as teacher data. A fully connected neural network was used as a machine learning method, and a relu function and a softmax function were used as activation functions. The mean squared error was used as the loss function, and Adam was used as the optimization algorithm. In order to obtain sufficient identification accuracy, it was necessary to repeat calculations for about 1000 epochs.
次に、測定対象物質A、B、C、及びDのいずれかを0.1%、0.4%、0.8%含むサンプルのスペクトルを各6組ずつ用意し、得られた学習モデルに適用し、サンプルに含まれる測定対象物質の種類を予測した。すなわち、softmax関数を用いて算出される各測定対象物質の分類確率を比較し、最も高い確率である測定対象物質を、機械学習による判定結果とし、その確率を信頼度とした。また、この予測は、TOF-SIMSを扱ったことのない人が行った。表2に記載の通り、経験がなく、解析スキルを持たない人でも、迅速(わずか5秒)、かつ、高精度に測定対象物質を同定することができた。 Next, we prepared six sets of spectra each for samples containing 0.1%, 0.4%, and 0.8% of any of the measurement target substances A, B, C, and D, and applied them to the obtained learning model. The method was applied to predict the type of substance to be measured contained in the sample. That is, the classification probabilities of each substance to be measured calculated using the softmax function were compared, and the substance to be measured with the highest probability was determined by machine learning, and the probability was taken as the reliability. Furthermore, this prediction was made by a person who had no experience with TOF-SIMS. As shown in Table 2, even a person with no experience or analytical skills was able to quickly (in just 5 seconds) identify the substance to be measured with high accuracy.
(実施例3)
実施例2におけるノイズ付与を行わなかったこと以外は、実施例2と同様の方法で学習モデルを作成した。具体的には以下に示す通りである。
(Example 3)
A learning model was created in the same manner as in Example 2, except that noise was not added in Example 2. Specifically, it is as shown below.
固体試料単体のスペクトルと測定対象物質A、B、C、及びDのいずれか1つをそれぞれ0.2%、0.6%、1.0%含むサンプルのスペクトル各6組の計72組のスペクトルを第1のスペクトル情報とした。 A total of 72 sets of spectra, 6 sets each of the spectrum of the solid sample alone and the spectrum of the sample containing 0.2%, 0.6%, and 1.0% of any one of the target substances A, B, C, and D, respectively. The spectrum was used as first spectrum information.
[濃度補間による教師データの作成]
固体試料単体のスペクトル6組と測定対象物質Aを0.2%含むサンプルAのスペクトル6組のなかからそれぞれスペクトル1つずつ抽出した。さらに、各m/z毎に前記計算式(1)~(3)を用い、測定対象物質Aをそれぞれ0.05%、0.1%、0.15%含むサンプルAのスペクトル(人工スペクトル)を作成した。
[Creating training data by density interpolation]
One spectrum was extracted from each of six sets of spectra of the solid sample alone and six sets of spectra of sample A containing 0.2% of substance A to be measured. Furthermore, using the above calculation formulas (1) to (3) for each m/z, the spectra of sample A containing 0.05%, 0.1%, and 0.15% of the substance A to be measured (artificial spectrum), respectively. It was created.
この作業を固体試料単体のスペクトル6組と測定対象物質Aを0.2%含むサンプルAのスペクトル6組に対し総当たりで行い、6×6×3=108個の教師データを得た。 This work was performed in a round-robin manner on 6 sets of spectra of a single solid sample and 6 sets of spectra of sample A containing 0.2% of substance A to be measured, and 6×6×3=108 pieces of training data were obtained.
同様の方法で測定対象物質Aを0.2%含むスペクトル6組と、測定対象物質Aを0.6%含むスペクトル6組から、測定対象物質Aをそれぞれ0.3%、0.4%、0.5%含む計108組の教師データを作成した。 Using the same method, from 6 sets of spectra containing 0.2% of target substance A and 6 sets of spectra containing 0.6% of target substance A, 0.3% and 0.4% of target substance A were obtained, respectively. A total of 108 sets of teacher data containing 0.5% were created.
また、同様の方法で測定対象物質Aを0.6%含むスペクトル6組と、測定対象物質Aを1.0%含むスペクトル6組から、測定対象物質をそれぞれ0.7%、0.8%、0.9%含む計108個の教師データを作成した。以上より、計324組の第2のスペクトル情報とした。 In addition, using the same method, from 6 sets of spectra containing 0.6% of target substance A and 6 sets of spectra containing 1.0% of target substance A, 0.7% and 0.8% of the target substance were obtained, respectively. , a total of 108 pieces of training data containing 0.9% were created. From the above, a total of 324 sets of second spectrum information were set.
さらに、測定対象物質B、C、及びDに関しても、測定対象物質Aを含むサンプルAの濃度補間による教師データの作成と同様な作業を行い、計1296組の教師データを作成した。 Furthermore, for the substances to be measured B, C, and D, the same work as the creation of teacher data by concentration interpolation for sample A containing the substance to be measured A was performed, and a total of 1296 sets of teacher data were created.
以上、第1と第2のスペクトル計1368組を教師データとし、機械学習を行い、学習モデルを生成した。機械学習の手法として、全結合ニューラルネットワークを用い、活性化関数としてrelu関数、及びsoftmax関数を用いた。損失関数として平均二乗誤差を用い、最適化アルゴリズムにはAdamを用いた。十分な同定精度を得るには、1000エポック程度の繰り返し演算が必要であった。 As described above, a learning model was generated by performing machine learning using 1368 pairs of first and second spectrometers as training data. A fully connected neural network was used as a machine learning method, and a relu function and a softmax function were used as activation functions. The mean squared error was used as the loss function, and Adam was used as the optimization algorithm. In order to obtain sufficient identification accuracy, it was necessary to repeat calculations for about 1000 epochs.
次に、測定対象物質A、B、C、及びDのいずれかを0.1%、0.4%、0.8%含むサンプルのスペクトルを各6組ずつ用意し、得られた学習モデルに適用し、サンプルに含まれる測定対象物質の種類を予測した。すなわち、softmax関数を用いて算出される各測定対象物質の分類確率を比較し、最も高い確率である測定対象物質を、機械学習による判定結果とし、その確率を信頼度とした。また、この予測は、TOF-SIMSを扱ったことのない人が行った。表3に記載の通り、経験がなく、解析スキルを持たない人でも、迅速(わずか5秒)、かつ、高精度に測定対象物質を同定することができた。 Next, we prepared six sets of spectra each for samples containing 0.1%, 0.4%, and 0.8% of any of the measurement target substances A, B, C, and D, and applied them to the obtained learning model. The method was applied to predict the type of substance to be measured contained in the sample. That is, the classification probabilities of each substance to be measured calculated using the softmax function were compared, and the substance to be measured with the highest probability was determined by machine learning, and the probability was taken as the reliability. Furthermore, this prediction was made by a person who had no experience with TOF-SIMS. As shown in Table 3, even a person with no experience or analytical skills was able to quickly (in just 5 seconds) identify the substance to be measured with high accuracy.
(比較例2)
実施例3における濃度補間による教師データの作成を行わなかったこと以外は、実施例3と同様の方法で学習モデルを作成した。具体的には以下に示す通りである。
(Comparative example 2)
A learning model was created in the same manner as in Example 3, except that the training data was not created by density interpolation in Example 3. Specifically, it is as shown below.
固体試料単体のスペクトル6組と測定対象物質Aを0.2%含むサンプルAのスペクトル6組と、測定対象物質Aを0.6%含むサンプルAのスペクトル6組と、測定対象物質Aを1.0%含むサンプルAのスペクトル6組を教師データとした。 6 sets of spectra of a single solid sample, 6 sets of spectra of sample A containing 0.2% of target substance A, 6 sets of spectra of sample A containing 0.6% of target substance A, and 1 set of spectra of sample A containing 0.6% of target substance A. Six sets of spectra of sample A containing .0% were used as training data.
さらに、測定対象物質B、C、及びDに関しても、測定対象物質Aと同様の方法で、それぞれ18組の教師データを得た。 Furthermore, 18 sets of training data were obtained for each of the measurement target substances B, C, and D in the same manner as for the measurement target substance A.
これら計72組を教師データとし、機械学習を行い、学習モデルを生成した。機械学習の手法として、全結合ニューラルネットワークを用い、活性化関数としてrelu関数、及びsoftmax関数を用いた。損失関数として平均二乗誤差を用い、最適化アルゴリズムにはAdamを用いた。十分な同定精度を得るには、200エポック程度の繰り返し演算が必要であった。 Using these 72 sets as training data, machine learning was performed to generate a learning model. A fully connected neural network was used as a machine learning method, and a relu function and a softmax function were used as activation functions. The mean squared error was used as the loss function, and Adam was used as the optimization algorithm. In order to obtain sufficient identification accuracy, it was necessary to perform repeated calculations for about 200 epochs.
次に、測定対象物質A、B、C、及びDのいずれかを0.1%、0.4%、0.8%含むサンプルのスペクトルを各6組ずつ用意し、得られた学習モデルに適用し、サンプルに含まれる測定対象物質の種類を予測した。すなわち、softmax関数を用いて算出される各測定対象物質の分類確率を比較し、最も高い確率である測定対象物質を、機械学習による判定結果とし、その確率を信頼度とした。表4に記載の通り、精度よく測定対象物質を同定できなかった。 Next, we prepared six sets of spectra each for samples containing 0.1%, 0.4%, and 0.8% of any of the measurement target substances A, B, C, and D, and applied them to the obtained learning model. The method was applied to predict the type of substance to be measured contained in the sample. That is, the classification probabilities of each substance to be measured calculated using the softmax function were compared, and the substance to be measured with the highest probability was determined by machine learning, and the probability was taken as the reliability. As shown in Table 4, the substance to be measured could not be identified with high accuracy.
Claims (21)
前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得される、m/z毎のフラグメントイオン強度を示すスペクトルであり、
前記学習モデルが、前記固体試料単体のスペクトル、前記測定対象物質を含む前記固体試料のスペクトル、前記固体試料単体のスペクトルのm/z毎のフラグメントイオン強度にノイズが付与された人工スペクトル、及び前記測定対象物質を含む前記固体試料のスペクトルのm/z毎のフラグメントイオン強度にノイズが付与された人工スペクトルに少なくとも基づいて生成されることを特徴とする情報処理装置。 Information acquisition means for acquiring information regarding the type of the substance to be measured in the sample, estimated by inputting spectral information of the solid sample and spectral information of the sample including the solid sample and the substance to be measured into a learning model. An information processing device having:
The spectral information is a spectrum indicating fragment ion intensity for each m/z obtained by secondary ion mass spectrometry,
The learning model includes a spectrum of the solid sample alone, a spectrum of the solid sample containing the substance to be measured, an artificial spectrum in which noise is added to the fragment ion intensity for each m/z of the spectrum of the solid sample alone, and the An information processing device characterized in that the information processing device is generated based on at least an artificial spectrum in which noise is added to the fragment ion intensity for each m/z of the spectrum of the solid sample containing the substance to be measured.
前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得される、m/z毎のフラグメントイオン強度を示すスペクトルであり、
前記学習モデルが、前記固体試料単体のスペクトル、前記測定対象物質を含む前記固体試料のスペクトル、前記固体試料単体のスペクトルのm/z毎のフラグメントイオン強度にノイズが付与された人工スペクトル、及び前記測定対象物質を含む前記固体試料のスペクトルのm/z毎のフラグメントイオン強度にノイズが付与された人工スペクトルに少なくとも基づいて生成されることを特徴とする情報処理装置。 Information regarding the type of the substance to be measured in the sample and quantitative information estimated by inputting spectral information of the solid sample and spectral information of the sample including the solid sample and the substance to be measured into a learning model. An information processing device having an information acquisition means for acquiring
The spectral information is a spectrum indicating fragment ion intensity for each m/z obtained by secondary ion mass spectrometry,
The learning model includes a spectrum of the solid sample alone, a spectrum of the solid sample containing the substance to be measured, an artificial spectrum in which noise is added to the fragment ion intensity for each m/z of the spectrum of the solid sample alone, and the An information processing device characterized in that the information processing device is generated based on at least an artificial spectrum in which noise is added to the fragment ion intensity for each m/z of the spectrum of the solid sample containing the substance to be measured.
前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得される、m/z毎のフラグメントイオン強度を示すスペクトルであり、
前記学習モデルが、前記固体試料単体のスペクトル、前記測定対象物質を含む前記固体試料のスペクトル、前記固体試料単体のスペクトルのm/z毎のフラグメントイオン強度にノイズが付与された人工スペクトル、及び前記測定対象物質を含む前記固体試料のスペクトルのm/z毎のフラグメントイオン強度にノイズが付与された人工スペクトルに少なくとも基づいて生成されることを特徴とする情報処理装置の制御方法。 an information acquisition step of acquiring information regarding the type of the substance to be measured in the sample, estimated by inputting spectral information of the solid sample and spectral information of the sample including the solid sample and the substance to be measured into a learning model; A method for controlling an information processing device, the method comprising:
The spectral information is a spectrum indicating fragment ion intensity for each m/z obtained by secondary ion mass spectrometry,
The learning model includes a spectrum of the solid sample alone, a spectrum of the solid sample containing the substance to be measured, an artificial spectrum in which noise is added to the fragment ion intensity for each m/z of the spectrum of the solid sample alone, and the A method for controlling an information processing device, characterized in that the control method for an information processing device is generated based on at least an artificial spectrum in which noise is added to the fragment ion intensity for each m/z of the spectrum of the solid sample containing a substance to be measured.
前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得される、m/z毎のフラグメントイオン強度を示すスペクトルであり、
前記学習モデルが、前記固体試料単体のスペクトル、前記測定対象物質を含む前記固体試料のスペクトル、前記固体試料単体のスペクトルのm/z毎のフラグメントイオン強度にノイズが付与された人工スペクトル、及び前記測定対象物質を含む前記固体試料のスペクトルのm/z毎のフラグメントイオン強度にノイズが付与された人工スペクトルに少なくとも基づいて生成されることを特徴とする情報処理装置の制御方法。 Information regarding the type of the substance to be measured in the sample and quantitative information estimated by inputting spectral information of the solid sample and spectral information of the sample including the solid sample and the substance to be measured into a learning model. A method for controlling an information processing device, comprising an information acquisition step of acquiring
The spectral information is a spectrum indicating fragment ion intensity for each m/z obtained by secondary ion mass spectrometry,
The learning model includes a spectrum of the solid sample alone, a spectrum of the solid sample containing the substance to be measured, an artificial spectrum in which noise is added to the fragment ion intensity for each m/z of the spectrum of the solid sample alone, and the A method for controlling an information processing device, characterized in that the control method for an information processing device is generated based on at least an artificial spectrum in which noise is added to the fragment ion intensity for each m/z of the spectrum of the solid sample containing a substance to be measured.
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