JP7780757B2 - Compound identification method and compound identification device - Google Patents
Compound identification method and compound identification deviceInfo
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Description
特許法第30条第2項適用 第7回次世代イニシアティブ廃炉技術カンファレンス(NDEC-7) 2022年3月11日開催Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act will be applied to the 7th Next Generation Initiative Decommissioning Technology Conference (NDEC-7) held on March 11, 2022.
本発明は、未知試料に含まれる金属元素や化合物を分類・推定する方法に関する。 The present invention relates to a method for classifying and estimating metal elements and compounds contained in an unknown sample.
原子力発電所の廃炉に向けて、汚染水対策、使用済燃料プールからの燃料取出し、燃料デブリ取出し、廃棄物対策などが必要である。炉心溶融した原子炉では、溶解した燃料、制御棒などが混ざり合って燃料デブリとして固化していると考えられる。制御材に炭化ホウ素(B4C)を用いている原子炉では、酸化物の約2倍の硬度を持つホウ化物が生成されているため、金属、酸化物及びホウ化物を判別しながら燃料デブリを取り出すのが効率的である。なお、ホウ化物には、含有されているホウ素濃度と硬度に相関があることも確認されている。燃料デブリ取出方法の検討のため、未知試料の材料特定、材料硬度特定が必要である。また、未知試料内の材料分布、硬度分布の作成も検討されている。 Decommissioning nuclear power plants requires measures to deal with contaminated water, remove fuel from spent fuel pools, remove fuel debris, and dispose of waste. In reactors with melted cores, molten fuel, control rods, and other materials are thought to have solidified into fuel debris. In reactors that use boron carbide ( B4C ) as a control material, borides, which are approximately twice as hard as oxides, are produced. Therefore, it is efficient to remove fuel debris while distinguishing between metals, oxides, and borides. It has also been confirmed that there is a correlation between the boron concentration and hardness of borides. To investigate fuel debris removal methods, it is necessary to identify the material and hardness of unknown samples. Furthermore, the creation of material and hardness distributions within unknown samples is also being considered.
試料中の元素の定性・定量分析を行う方法として、誘導結合プラズマ発光分析(ICP-AES)や、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析(LA-ICP-MS)がある。試料に外部から何らかのエネルギーを与えると、試料に含まれる元素は、元素固有の波長の光を放出するので、放出された光の波長と量を測定することで元素分析する。ICP-AESでは、干渉により正確に分析できないことがある。なお、特許文献1に記載されているように、試料に含まれる異物を正確かつ容易に解析することができる異物解析装置の発明も開示されている。 Methods for qualitative and quantitative analysis of elements in samples include inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). When a sample is externally energized, the elements contained in the sample emit light with wavelengths specific to the element, and elemental analysis is performed by measuring the wavelength and amount of emitted light. ICP-AES can sometimes be inaccurate due to interference. Patent Document 1 also discloses an invention for a foreign matter analysis device that can accurately and easily analyze foreign matter contained in a sample.
また、固体、液体、気体等の状態に関わらず元素分析をする方法として、レーザー誘起ブレークダウン分光法(LIBS)がある。LIBSは、高エネルギーのパルスレーザーを励起源とする原子発光分析法であり、複雑な前処理の工程を経ずに短時間で分析可能で、軽元素(ホウ素、酸素)から重元素(金属)まで同時計測が可能であることから、高レベル廃棄物の元素情報取得、硬度計測、ホウ素分布情報を基にした臨界管理等に応用が期待されている。なお、特許文献2に記載されているように、金属を主成分とする材料中の酸素やホウ素の組成や材料の硬度を算出する方法の発明も開示されている。 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is another method for elemental analysis, regardless of whether the material is in a solid, liquid, or gaseous state. LIBS is an atomic emission spectroscopy method that uses a high-energy pulsed laser as an excitation source. It enables analysis in a short time without complex pretreatment processes and is capable of simultaneously measuring elements ranging from light elements (boron and oxygen) to heavy elements (metals). Therefore, it is expected to be applied to obtaining elemental information on high-level waste, hardness measurement, and criticality control based on boron distribution information. Patent Document 2 also discloses an invention for a method for calculating the composition of oxygen and boron in metal-based materials and the hardness of the material.
LIBSでは、ナノ秒以下のパルス幅を持つピークパワーの高いレーザーを測定対象に照射すると数万℃のプラズマが瞬時形成される。この際、測定対象物はプラズマ化により原子化・励起され、プラズマ消失と共に励起された原子は基底状態へ緩和され、元素固有の蛍光発光を伴う。これを計測し、測定対象元素の同定と定量を行う。レーザー出力の変動や測定対象を構成する元素により生成されるプラズマが、時間・空間的に微小に変動を伴うため、結果として測定値にも変動が生じてしまう。 In LIBS, when a high-peak-power laser with a pulse width of less than a nanosecond is irradiated onto the object to be measured, a plasma of tens of thousands of degrees Celsius is instantly formed. At this time, the object to be measured is atomized and excited by the plasma, and as the plasma disappears, the excited atoms relax to their ground state, emitting element-specific fluorescent light. This is measured to identify and quantify the element being measured. Fluctuations in the laser output and the plasma generated by the elements that make up the object to be measured cause minute fluctuations in time and space, which ultimately result in fluctuations in the measured values.
LIBSであれば、プラズマ状態(時間・空間等)によるバックグラウンド、エネルギー弁別処理であれば、放射線と物質との相互作用により生じる散乱成分等が、計測値に大きく影響を与える。レーザー、X線や中性子等の放射線をプローブとして用いる分光計測においては、その各種要因や影響の大小はあるものの、それらをキャンセル又は補正する機能が、精度の高い計測をするために望まれている。 In the case of LIBS, background due to the plasma state (time, space, etc.) and, in the case of energy discrimination processing, scattering components caused by the interaction between radiation and matter have a significant impact on measurement values. In spectroscopic measurements that use radiation such as lasers, X-rays, and neutrons as probes, although there are various factors and their influence varies in magnitude, a function to cancel or correct these is desired to achieve highly accurate measurements.
しかしながら、未知の固体試料を分析する際に、多くの元素を含む合金や溶融物では、多くの発光波長を有するスペクトルデータが得られ、元素や化合物を判別することが困難な場合がある。例えば、鉄(Fe)やジルコニウム(Zr)の発光線は、非常に多く重なり合うと定量分析に支障をきたすことがある。 However, when analyzing unknown solid samples, such as alloys or melts containing many elements, spectral data with many emission wavelengths is obtained, making it difficult to identify the elements or compounds. For example, the emission lines of iron (Fe) and zirconium (Zr) can overlap so much that quantitative analysis can be hindered.
また、レーザーのみならず、X線や中性子等の分光器を用いた計測では、分光器を閉止した条件で暗電流の計測を行い、その影響を除去している。測定環境(空気環境下や不活性環境下等)を除去するために、ブランクデータ(サンプルの無い状態での計測)を基に、その影響を除去しているものもある。しかし、これらの影響は装置機能に付加されていなかったり、類似したサンプルが存在しなかったりする場合などには適用できない。 In addition, when measurements are made using spectrometers that use not only lasers but also X-rays, neutrons, etc., the dark current is measured with the spectrometer closed to eliminate its effects. In order to eliminate the effects of the measurement environment (air environment, inert environment, etc.), some methods use blank data (measurements without a sample) to eliminate the effects. However, these effects cannot be applied in cases where they are not added to the device's functions or where similar samples do not exist.
加えて、レーザーを用いた発光分析法(LIBSやLA-ICP-MS)や自己遮蔽を持つ中性子等では、試料固有の誤差を評価する必要があるが、中性子やプラズマ発光に関しては、照射エネルギーがコントロールできない場合が多い。 In addition, with laser-based optical emission spectrometry (LIBS and LA-ICP-MS) and neutrons, which have self-shielding, it is necessary to evaluate sample-specific errors, but with neutrons and plasma emission, it is often impossible to control the irradiation energy.
特に、LIBS測定では、雰囲気ガスによりスペクトルのベースライン(バックグラウンドと思われる点を繋いでいき、それを連続したラインとして示したもの)が変動することがある。例えば、アルゴン(Ar)雰囲気では発光感度が高く、ベースラインが広範囲の波長域でブロードになるホワイトノイズが発生する場合がある。また、190nmから900nmまでの波長の光を検出するため、複数の検出器を用いることになるが、光学系の特性で検出できる波長域が変わるため、検出器が切り替わる波長でベースラインにズレが生じてしまう。 In particular, with LIBS measurements, the spectral baseline (a continuous line formed by connecting points thought to be the background) can fluctuate depending on the ambient gas. For example, argon (Ar) atmospheres have high luminescence sensitivity, which can result in white noise, which broadens the baseline over a wide wavelength range. Furthermore, multiple detectors are used to detect light with wavelengths from 190 nm to 900 nm, but because the detectable wavelength range varies depending on the characteristics of the optical system, deviations in the baseline occur at wavelengths where the detectors switch.
このように、分光分析、放射線分析等のスペクトル分析におけるバックグラウンドノイズ成分(分光器の暗電流等の変動誤差)の軽減、各種分析における被測定対象物に対する光や放射線によるプローブ条件の適正化(被測定物に対するプローブによる損傷の緩和)、各種化合物(金属やセラミックス等を含む)の同定などが求められている。 As such, there is a demand for reducing background noise components (variation errors such as dark current in spectrometers) in spectral analysis such as spectroscopic analysis and radiation analysis, optimizing probe conditions for light and radiation on the object being measured in various analyses (mitigating damage caused by the probe to the object being measured), and identifying various compounds (including metals, ceramics, etc.).
そこで、本発明は、未知試料に含まれる金属元素や化合物を分類・推定する方法を提供することを目的とする。また、金属元素や化合物を分類・推定するに際して、試料固有の誤差を評価し、予め補正しておくことを別の目的とする。 The present invention therefore aims to provide a method for classifying and estimating metal elements and compounds contained in unknown samples. Another aim is to evaluate sample-specific errors and correct them in advance when classifying and estimating metal elements and compounds.
上記の課題を解決するために、本発明である化合物同定方法は、想定される化合物種の標準試料についてスペクトルデータを因子分解して因子及び前記因子の影響度を表す因子スコアを導出し、前記化合物種を決定木において前記因子スコアで分類するためのスコア閾値及び前記因子スコアを前記決定木にかける因子適用順を予め学習・設定しておき、未知試料のスペクトルデータに対して前記標準試料の因子を用いて前記未知試料における因子スコアを算出し、前記因子適用順にしたがって前記決定木で前記未知試料の因子スコアを前記スコア閾値によって分類していくことにより、前記未知試料に含まれる化合物種を同定する、ことを特徴とする。 To solve the above problems, the compound identification method of the present invention factorizes the spectral data of a standard sample of a suspected compound species to derive factors and factor scores representing the influence of the factors; learns and sets in advance a score threshold for classifying the compound species using the factor scores in a decision tree and a factor application order for applying the factor scores to the decision tree; calculates factor scores for an unknown sample using the factors of the standard sample for the spectral data of the unknown sample; and identifies the compound species contained in the unknown sample by classifying the factor scores of the unknown sample using the score threshold in the decision tree in accordance with the factor application order.
前記化合物同定方法において、前記スペクトルデータは、測定値が推定値を上回ったときより下回ったときに誤差が厳しく評価されるように罰則項付き非対称最小二乗法で近似させたベースラインに補正される、ことを特徴とする。 In the compound identification method, the spectral data is corrected to a baseline approximated by a penalized asymmetric least squares method so that errors are evaluated more severely when the measured value is below the estimated value than when it is above the estimated value.
前記化合物同定方法において、前記因子分解は、前記スペクトルデータの波長の標本数(波長次元)Kと試料数NからなるK行N列の行列Yを、指定されたM個の非負値基底ベクトルで分解して得られた前記因子の影響度を前記因子スコアとして導出する、ことを特徴とする。 In the compound identification method, the factorization is characterized in that a matrix Y with K rows and N columns, consisting of the number of wavelength samples (wavelength dimension) K and the number of samples N in the spectral data, is decomposed using M specified non-negative basis vectors, and the influence of the obtained factors is derive as the factor score.
前記化合物同定方法において、前記決定木は、前記化合物種を分類するときに、不純度を用いたコスト関数が最小値となるような因子とスコア閾値を導出しておく、ことを特徴とする。 In the compound identification method, the decision tree is characterized in that, when classifying the compound types, factors and score thresholds are derived that minimize the cost function using impurity.
前記化合物同定方法において、前記因子スコアをマッピングし、前記未知試料の成分や組成比を推定する、ことを特徴とする。 The compound identification method is characterized in that the factor scores are mapped to estimate the components and composition ratios of the unknown sample.
また、本発明である化合物同定装置は、前記試料にレーザーを照射する照射装置と、前記レーザーが照射された前記試料から放出された光を分解する分光器と、前記分光器で生成されたスペクトルデータを所定の範囲の波長ごとに分けて取得する複数の検出器と、を有し、前記検出器から入力されたスペクトルデータを用いて前記試料に含まれる化合物を同定する、ことを特徴とする。 The compound identification device of the present invention is characterized by having an irradiation device that irradiates the sample with a laser, a spectrometer that resolves the light emitted from the sample irradiated with the laser, and multiple detectors that acquire spectral data generated by the spectrometer by dividing it into wavelengths within a predetermined range, and identifying compounds contained in the sample using the spectral data input from the detectors.
本発明によれば、未知試料に含まれる金属元素や化合物を分類・推定することができる。事前に既知物質のスペクトルデータを複数の因子に分解し、決定木により元素や化合物の分類方法を学習させておくことで、未知試料の成分の分類に利用することができる。 This invention makes it possible to classify and estimate the metal elements and compounds contained in unknown samples. By decomposing the spectral data of known substances into multiple factors in advance and training the system to classify elements and compounds using a decision tree, this can be used to classify the components of unknown samples.
また、試料固有の誤差を評価し、予め補正しておくことで、金属元素や化合物を精度良く分類・推定することができる。なお、後付けで補正することが可能で、ホワイトノイズも含め誤差を除去することができる。 In addition, by evaluating sample-specific errors and correcting them in advance, metal elements and compounds can be classified and estimated with high accuracy. Corrections can also be made retrospectively, eliminating errors, including white noise.
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Components with the same functions will be assigned the same reference numerals, and repeated explanations may be omitted.
本発明は、可視光-赤外光やX線・ガンマ線・中性子等の放射線等を用いる分光分析の計測系に関して、計測系の安定性に起因するバックグラウンド変動の低減処理、計測対象のスペクトル同定処理の2つの処理を対象としたアルゴリズムに関するものである。本アルゴリズムは、計測データ(予測データを含む)を学習データとする機械学習方法およびその結果がもたらすデータ処理系の構成からなり、実施により計測精度やロバスト性の向上が期待される。また、ソフトウェア処理として実施可能なため、既存の分光分析装置に具備される解析プログラムへの実装性が高い。 This invention relates to an algorithm for two processes in spectroscopic measurement systems that use radiation such as visible light, infrared light, X-rays, gamma rays, and neutrons: reducing background fluctuations caused by the stability of the measurement system, and identifying the spectrum of the measurement target. This algorithm consists of a machine learning method that uses measurement data (including predicted data) as training data, and a data processing system that results from this method. Its implementation is expected to improve measurement accuracy and robustness. Furthermore, because it can be implemented as software processing, it is highly adaptable to analysis programs installed in existing spectroscopic analysis equipment.
LIBS(レーザー誘起ブレークダウン分光法)による元素の同定及び定量化の分析精度を高度化するために、元素発光スペクトルに加えてプラズマ状態(時間・空間等)を特徴付けるパラメータ(参照パラメータ)を同時に計測し、双方の相関性を補正処理に用いる。具体的には、測定対象とする原子発光スペクトルの強度や形状と強く相関している参照パラメータを設定する。従来は、習熟経験が高い測定者が変動成分や特性を把握した上で設定していた。高い分析精度を得るためには、スペクトルの変動メカニズムを理解した評価が必要である。 To improve the analytical accuracy of element identification and quantification using LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy), parameters that characterize the plasma state (time, space, etc.) (reference parameters) are measured simultaneously in addition to the elemental emission spectrum, and the correlation between the two is used in the correction process. Specifically, reference parameters that are strongly correlated with the intensity and shape of the atomic emission spectrum being measured are set. Traditionally, these were set by highly skilled and experienced technicians who understood the fluctuating components and characteristics. To achieve high analytical accuracy, evaluation that takes into account the spectral fluctuation mechanisms is necessary.
参照パラメータの設定には、機械学習を使う。従来手法では、測定対象のスペクトルを一定の幅を有するピークとしてサーチするのに対し、本発明では、人間では取扱いが困難なビッグデータ(各種分析装置等から得られた波長-カウント値(光強度値)がセットとなった全スペクトル成分)に機械学習手法(NMF:非負値行列因子分解)を適用し、参照パラメータを構築する。シグナルピークではなく、全スペクトル成分を用いることで、未知試料の同定の際に、スペクトルの強度や形状等も含む評価が可能である。 Machine learning is used to set the reference parameters. While conventional methods search for peaks with a certain width in the spectrum of the object to be measured, this invention applies a machine learning method (NMF: non-negative matrix factorization) to big data that is difficult for humans to handle (all spectral components consisting of sets of wavelength-count values (light intensity values) obtained from various analytical devices, etc.) to construct the reference parameters. By using all spectral components rather than signal peaks, it is possible to evaluate spectral intensity, shape, etc. when identifying unknown samples.
本発明は、オーケストラの中からバイオリンやビオラ等の特定音を抽出する手法や、雑踏の中から特定の個人を抽出する手法に着想を得て、測定装置に展開したものである。本発明のアルゴリズムとしては、前処理段階(プレプロセッシングフェーズ)で加工した標準試料のスペクトルデータを、学習段階(トレーニングフェーズ)でNMF及び決定木を用いて学習させ、運用段階(運用フェーズ)で未知試料に適用している。 The present invention is inspired by methods for extracting specific sounds, such as violins and violas, from an orchestra, or methods for extracting a specific individual from a crowd, and has been applied to a measurement device. The algorithm of the present invention involves processing the spectral data of a standard sample in the preprocessing phase, training it using NMF and decision trees, and then applying it to unknown samples in the operation phase.
図1は、本発明である化合物同定方法における測定装置の概観図である。測定装置100は、チャンバー200、照射装置300、分光器400、検出器410、及び制御装置220などを備え、LIBS測定を行う。 Figure 1 is an overview of the measurement device used in the compound identification method of the present invention. The measurement device 100 is equipped with a chamber 200, an irradiation device 300, a spectrometer 400, a detector 410, and a control device 220, and performs LIBS measurements.
チャンバー200は、真空容器などであり、真空ポンプ210を用いて減圧された内部に試料110が載置される。試料110としては、主に、学習段階においては、標準試料110aなどの既知試料が使用され、運用段階においては、測定・分析対象の未知試料110bが使用される。標準試料110aは、金属元素や化合物など予め組成が判明しているもの、未知試料110bは、原子力発電所から運び込まれた燃料デブリなど組成が不明なものである。 The chamber 200 is a vacuum vessel or the like, and the sample 110 is placed inside after reducing the pressure using a vacuum pump 210. During the learning phase, known samples such as the standard sample 110a are primarily used as the sample 110, while during the operational phase, unknown samples 110b to be measured and analyzed are used. Standard samples 110a are those with known compositions, such as metal elements or compounds, while unknown samples 110b are those with unknown compositions, such as fuel debris brought in from a nuclear power plant.
照射装置300は、レーザー発振器を備えたレーザーヘッド等であり、チャンバー200内の試料110にパルスレーザー等の照射光310を照射する。照射光310としては、YAG(イットリウム、アルミニウム、ガーネット)にNd(ネオジム)を添加した結晶を媒体として用いた波長1064nmのNd:YAGレーザー等を使用する。 The irradiation device 300 is a laser head or the like equipped with a laser oscillator, and irradiates the sample 110 in the chamber 200 with irradiation light 310 such as a pulsed laser. The irradiation light 310 is an Nd:YAG laser or the like with a wavelength of 1064 nm, which uses a crystal of YAG (yttrium, aluminum, garnet) doped with Nd (neodymium) as a medium.
照射光310を照射することにより試料110の表面をプラズマ化し、それが基底状態に戻る際に放出された放出光320を検出する。放出光320をコリメーター等で平行にした上で分光器400に入射させる。分光器400は、プリズムや回折格子などであり、光を波長ごとに分解し、強度分布を表したスペクトルデータ420を複数の検出器410を並置して所定の範囲の波長ごとに分けて取得させ、制御装置220に送る。 By irradiating the surface of the sample 110 with irradiation light 310, the surface is converted into plasma, and the emitted light 320 is detected as it returns to its ground state. The emitted light 320 is collimated using a collimator or similar device before entering the spectrometer 400. The spectrometer 400 is a prism or diffraction grating, which separates the light into wavelengths and acquires spectral data 420 representing the intensity distribution by arranging multiple detectors 410 side by side, dividing the data into wavelengths within a predetermined range, and sends the data to the control device 220.
制御装置220は、コンピュータ等であり、各装置を制御するとともに、取得したスペクトルデータ420から試料110の分類・分析を行う。その他、必要に応じて、シーケンサ230、電動のステージ240、冷却水循環設備などを備えても良い。 The control device 220 is a computer or the like, which controls each device and classifies and analyzes the sample 110 based on the acquired spectral data 420. If necessary, the system may also be equipped with a sequencer 230, an electrically operated stage 240, a cooling water circulation system, etc.
例えば、試料110を載せたステージ240をシーケンサ230の制御で移動させて多地点を走査させる。ステージ240の位置情報(X-Y-Z軸の座標情報)からレーザーの照射位置を取得するとともに、変位計で試料110の形状情報(高さ情報)を取得し、制御装置220で座標をマッピングして立体的に形状と強度情報を可視化する。 For example, the stage 240 carrying the sample 110 is moved under the control of the sequencer 230 to scan multiple points. The laser irradiation position is obtained from the position information (X-Y-Z axis coordinate information) of the stage 240, and shape information (height information) of the sample 110 is obtained using a displacement meter. The coordinates are then mapped by the control device 220 to visualize the shape and intensity information in three dimensions.
図2は、化合物同定方法の前処理段階および学習段階の流れを示すフローチャートである。前処理段階として、標準試料準備(標準試料の化合物種の設定)L1、スペクトルデータ取得(ベースライン推定)L2、学習段階として、NMF実行(標準試料の因子と因子スコアの取得)L3、及び決定木ルール生成(スコア閾値と因子適用順の設定)L4のステップを有する。 Figure 2 is a flowchart showing the flow of the preprocessing and learning stages of the compound identification method. The preprocessing stage includes standard sample preparation (setting the compound type of the standard sample) L1, and spectral data acquisition (baseline estimation) L2. The learning stage includes NMF execution (obtaining the factors and factor scores of the standard sample) L3, and decision tree rule generation (setting the score threshold and factor application order) L4.
前処理段階及び学習段階においては、想定される化合物種を設定して標準試料110aを準備し、取得した標準試料110aのスペクトルデータ420を因子分解して標準試料110aの因子及び因子スコアを導出し、化合物種を決定木において因子スコアで分類するためのスコア閾値と、因子を決定木にかける因子適用順を、決定木のルールとして学習し、予め設定しておく。 In the preprocessing and learning stages, the expected compound species are set and a standard sample 110a is prepared, the acquired spectral data 420 of the standard sample 110a is factorized to derive the factors and factor scores of the standard sample 110a, and the score threshold for classifying the compound species by factor scores in the decision tree and the order in which the factors are applied to the decision tree are learned and set in advance as decision tree rules.
前処理段階に係る工程は、図2の標準試料準備L1、スペクトルデータ取得L2からなる。標準試料準備L1ステップでは、測定対象の未知試料110bの成分として想定される金属元素や化合物などの化合物種を設定しておき、その金属元素や化合物を標準試料110aとして準備する。標準試料110aは、未知試料110bに含まれる化合物種を同定する際に、どの因子がどの程度の影響を及ぼしているかを見るために予め用意しておくデータとなる。 The pre-processing stage consists of standard sample preparation L1 and spectral data acquisition L2 in Figure 2. In the standard sample preparation L1 step, compound types such as metal elements and compounds that are expected to be components of the unknown sample 110b to be measured are set in advance, and these metal elements and compounds are prepared as standard sample 110a. Standard sample 110a is data prepared in advance to determine the influence and extent of each factor when identifying the compound types contained in unknown sample 110b.
スペクトルデータ取得L2ステップでは、検出器410から送られてきたスペクトルデータ420(事前に記憶装置等に保存していたものを含む)を制御装置220に入力する。スペクトルデータ420にはノイズ等が含まれ、ベースライン430(基線)が乱れているので、制御装置220においてベースライン推定を行う。ベースライン推定では、ベースライン430が平滑となるようにスペクトルデータ420を補正する。 In the spectral data acquisition step L2, the spectral data 420 sent from the detector 410 (including data previously stored in a storage device, etc.) is input to the control device 220. Since the spectral data 420 contains noise and the baseline 430 (baseline) is disturbed, the control device 220 performs baseline estimation. In baseline estimation, the spectral data 420 is corrected so that the baseline 430 is smooth.
次に、上述した前処理段階に係る工程について、LIBS測定を行って得た実例を図3から図4を参照して説明する。図3及び図4は、化合物同定方法におけるスペクトルデータの補正を説明する図である。 Next, the steps involved in the pretreatment stage described above will be explained with reference to Figures 3 and 4, which show examples obtained by performing LIBS measurements. Figures 3 and 4 explain the correction of spectral data in the compound identification method.
図3(a)は、LIBS測定系において複数の測定波長範囲を分割し、各々に感度が高い分光器を用い広帯域化(190nmから900nm)を図り、取得したスペクトルである。図3(a)に示すように、検出器410の波長範囲の境界でベースライン430にズレを生じていることが分かる。ズレを生じることで、検出器410の感度や暗電流に起因するベースライン430に不連続性が発生することになる。 Figure 3(a) shows a spectrum obtained by dividing the LIBS measurement system into multiple measurement wavelength ranges and using a highly sensitive spectrometer for each range to broaden the bandwidth (190 nm to 900 nm). As shown in Figure 3(a), it can be seen that there is a shift in the baseline 430 at the boundary of the wavelength range of the detector 410. This shift causes discontinuities in the baseline 430 due to the sensitivity and dark current of the detector 410.
不連続性が発生した波長域では、計測結果に不確かな要因を多く含み、結果の信頼性が得られない。また、不連続部分にスペクトルがある対象の場合、正確な面積を算出することができず、場合によってはスペクトルの判別ができなくなる。 In wavelength ranges where discontinuities occur, the measurement results contain many uncertain factors, making the results unreliable. Furthermore, if the target has a spectrum in the discontinuous area, it is not possible to calculate the accurate area, and in some cases it may not be possible to distinguish the spectrum.
また、図3(b)は、図3(a)のスペクトルデータ420の一部を拡大したスペクトルである。図3(b)に示すように、ディテクタの分解能に対して最適なスムージングを適用しない限り、必要以上に調整されたベースラインになってしまう。 Figure 3(b) is an enlarged spectrum of a portion of the spectral data 420 in Figure 3(a). As shown in Figure 3(b), unless optimal smoothing is applied for the detector resolution, the baseline will be adjusted more than necessary.
そこで、発明者らは、図3(c)に示す、非対称重みペナルティ最小二乗スムージング(罰則項付き非対称最小二乗法)により、複数の検出器410の波長範囲の境界におけるベースライン430のズレ(不連続性)を補正することを考案した。罰則項付き非対称最小二乗法は、測定値yiに対するベースライン430の推定値ziの好ましさ(良さ)を、測定値と推定値の差が最小とするだけでなく、平滑となるように評価関数を最小化することにより、好ましいベースライン430を導出するものである。 Therefore, the inventors devised a method for correcting the deviation (discontinuity) of the baseline 430 at the boundary of the wavelength ranges of the multiple detectors 410 by asymmetric weighted penalty least squares smoothing (asymmetric least squares method with a penalty term) shown in Fig. 3( c ). The asymmetric least squares method with a penalty term derives a preferable baseline 430 by minimizing an evaluation function that not only minimizes the difference between the measured value and the estimated value but also minimizes the smoothness of the baseline 430, determining the desirability (goodness) of the estimated value z i of the baseline 430 relative to the measured value y i.
評価の観点としては、まず、二乗誤差Σi(yi-zi)2の観点から、yi≦ziの際には誤差を非常に厳しくし、yi>ziの際には誤差を非常に甘くする非対称な評価を行い、さらに、ziの変動の観点から、変動の変化に対して厳しい評価を行う。wiは、非対称重みであり、yi>ziならばpとなり、yi≦ziならば(1-p)となる。p(p∈[0,1]:pは非常に小さい値)は、測定値が推定値を上回ったかどうかでwiを変える役割を持つ。μは、正則化パラメータであり、推定値の変動(非平滑度)Σi(Δ2zi)2が罰則項となる。なお、Δ2は2階微分演算子を表し、wi、μは設計者が経験的に定めるハイパーパラメータである。パラメータを変化させ、最適解を探っていけば良い。 From the viewpoint of evaluation, first, from the viewpoint of the squared error Σ i (y i - z i ) 2 , an asymmetric evaluation is performed in which the error is very strict when y i ≦ z i and very lenient when y i > z i . Furthermore, from the viewpoint of the fluctuation of z i , a strict evaluation is performed against changes in the fluctuation. w i is an asymmetric weight, and if y i > z i , it becomes p, and if y i ≦ z i, it becomes (1-p). p (p ∈ [0, 1]: p is a very small value) plays a role in changing w i depending on whether the measured value exceeds the estimated value. μ is a regularization parameter, and the fluctuation (non-smoothness) of the estimated value Σ i (Δ 2 z i ) 2 is the penalty term. Note that Δ 2 represents a second-order differential operator, and w i and μ are hyperparameters empirically determined by the designer. The optimal solution can be found by changing the parameters.
これにより、スペクトルデータ420は、測定値が推定値を上回ったときよりも、測定値が推定値を下回ったときに誤差が厳しく評価されるように罰則項付き非対称最小二乗法で近似させたベースライン430に補正される。 As a result, the spectral data 420 is corrected to a baseline 430 approximated using a penalized asymmetric least squares method so that errors are assessed more severely when the measured value is below the estimated value than when the measured value is above the estimated value.
図4は、図3(c)の補正により、図3のスペクトルデータ420を補正したスペクトルである。なお、図4(a)は、図3(a)のスペクトルデータ420を補正したスペクトルであり、図4(b)は、図4(a)のスペクトルデータ420の一部を拡大したスペクトルである。 Figure 4 shows the spectrum obtained by correcting the spectrum data 420 in Figure 3 using the correction shown in Figure 3(c). Note that Figure 4(a) shows the spectrum obtained by correcting the spectrum data 420 in Figure 3(a), and Figure 4(b) shows an enlarged view of a portion of the spectrum data 420 in Figure 4(a).
図4(a)に示すように、補正後の平滑化されたベースライン430により、図3(a)のスペクトルの不連続性が解消され、バックグラウンド除去によりスペクトルデータ420の形状や強度を識別することが容易になることが分かる。これにより、元素同定及び定量性の観点で分析精度が向上し、今まで困難であったスペクトル評価が可能となる。なお、本実施例であるLIBS測定に限られず、分光器400を使う全ての測定装置に適用可能である。 As shown in Figure 4(a), the smoothed baseline 430 after correction eliminates the discontinuity in the spectrum in Figure 3(a), and background removal makes it easier to identify the shape and intensity of the spectral data 420. This improves analytical accuracy in terms of element identification and quantification, making spectral evaluation, which was previously difficult, possible. Note that this method is not limited to the LIBS measurement in this example, but can be applied to all measurement devices that use the spectrometer 400.
また、非対称重みペナルティ最小二乗スムージングだけでなく、サンプルが無い条件でのベースライン430からパターン認識による除去等を適用することで、各種分析装置固有の性能向上やサンプル依存性の低減を図る。ラマン分光法やLA-ICP-MS等のレーザー光源を用いた分析手法のみならず、分光器400を使う全ての測定装置100に適用可能である。 In addition to asymmetric weighted penalty least-squares smoothing, the system also uses pattern recognition to remove baseline 430 in the absence of a sample, improving the performance specific to various analytical devices and reducing sample dependency. This system is applicable not only to analytical methods using laser light sources such as Raman spectroscopy and LA-ICP-MS, but also to all measurement devices 100 that use a spectrometer 400.
パターン認識による除去の例としては、試料が無い条件(空打ち)で測定環境のみを測定した際に得られたスペクトルをパターン認識させ、ベースラインで削除するものがある。一般的には、試料が無い条件を単純に差し引くことで行っているが、パターン認識を駆使すると測定毎に上下するベースラインに合わせた補正が可能である。 An example of removal using pattern recognition is to perform pattern recognition on the spectrum obtained when measuring only the measurement environment under conditions where no sample is present (blank shot), and then remove it at the baseline. This is generally done by simply subtracting the conditions under which no sample is present, but by making full use of pattern recognition, it is possible to make corrections to match the baseline, which fluctuates with each measurement.
図5及び図6は、化合物同定方法におけるスペクトルデータの因子分解を説明する図である。NMF実行L3ステップでは、制御装置220において、補正後のスペクトルデータ420に対して、非負値行列因子分解(NMF)を行う。 Figures 5 and 6 are diagrams explaining the factorization of spectral data in the compound identification method. In the NMF execution L3 step, the control device 220 performs nonnegative matrix factorization (NMF) on the corrected spectral data 420.
NMFでは、機械学習により重なり合った発光スペクトルデータ全体を指定した因子数の因子に分解し、因子スコアと物質名のペアで表現されているサンプルデータ群に対して、決定木でどの因子に注目してどんな閾値によって峻別していけば、正しく物質の分類ができるのかを探し出すアルゴリズムを使用し、関連する因子に分けることで未知試料110bから元素や化合物を分類する。 NMF uses machine learning to decompose all overlapping emission spectrum data into a specified number of factors, and then uses an algorithm to determine which factors to focus on and what thresholds to use in a decision tree to correctly classify substances for a group of sample data represented by pairs of factor scores and substance names. NMF then classifies elements and compounds from the unknown sample 110b by dividing them into related factors.
事前に既知物質のスペクトルデータ420を次元削減手法により、低次元の因子スコアベクトルにスペクトルを変換し、決定木により元素や化合物などを分類するアルゴリズムを学習させておくことで、未知試料110bの中の成分を推定する。 The spectral data 420 of known substances is converted into a low-dimensional factor score vector using a dimension reduction method in advance, and an algorithm that classifies elements, compounds, etc. using a decision tree is trained to estimate the components in the unknown sample 110b.
学習段階では、図5(a)に示すスペクトルデータ420(K次元のベクトル群)を一纏めにし、NMFを使ってM個の因子440に分けて、決定木で扱いやすいように低次元化する。NMFは、スペクトルデータが0と正の値の行列表現ができれば、データの種類によらず適用可能である。 In the learning stage, the spectral data 420 (a group of K-dimensional vectors) shown in Figure 5(a) is grouped together and divided into M factors 440 using NMF, reducing the dimension to make it easier to handle with a decision tree. NMF can be applied to any type of data as long as the spectral data can be expressed as a matrix of 0 and positive values.
図5(b)に示すように、N個の測定データY(y1~yN)を近似的に因子Hと因子スコアUに分解する。測定データyiは、K次元(例えば、K=11562種類の波長)のベクトルデータ(強度)であり、K×N(K行N列)の行列で表される。因子Hは、K次元のベクトルデータに共通する何らかの因子を、M個(例えば、M=3個の因子)の基底ベクトルとして表したものであり、K×M(K行M列)の行列で表される。因子スコアUは、N個の測定データYとM個の因子Hに関する結合係数であり、M×N(M行N列)の行列で表される。なお、Mはハイパーパラメータである。 As shown in FIG. 5( b), N pieces of measurement data Y (y 1 to y N ) are approximately decomposed into factors H and factor scores U. The measurement data y i is vector data (intensity) of K dimensions (for example, K = 11,562 types of wavelengths) and is represented by a K × N (K rows and N columns) matrix. The factor H is a representation of some factor common to the K-dimensional vector data as M basis vectors (for example, M = 3 factors) and is represented by a K × M (K rows and M columns) matrix. The factor score U is a coupling coefficient for the N pieces of measurement data Y and the M factors H and is represented by an M × N (M rows and N columns) matrix. M is a hyperparameter.
標準試料110aの場合、スペクトルデータ420の波長の標本数(波長次元)と試料数からなる行列を非負値で因子分解し、得られた因子(例えば、第1因子~第3因子)をそれぞれ標準試料110aの因子440とし、標準試料110aにおける各因子440の影響度を表す係数がそれぞれ因子スコア450として導出される。因子スコア450は、測定データがどの因子440の影響を大きく受けているかを示すものである。 For the standard sample 110a, a matrix consisting of the number of wavelength samples (wavelength dimension) and the number of samples in the spectral data 420 is factorized using non-negative values, and the resulting factors (e.g., factors 1 to 3) are each set as factors 440 for the standard sample 110a, and coefficients representing the degree of influence of each factor 440 on the standard sample 110a are derived as factor scores 450. The factor scores 450 indicate which factors 440 have the greatest influence on the measurement data.
LIBSを用いた例として、ホウ化物を中心に4種類の化合物種を設定し、標準試料110aとしてそれぞれ37個(N=37×4)のスペクトルデータ420を抽出し、高次元(各スペクトルの波長次元数k=11562)のサンプルとした。それをNMFにより低次元化(参照パラメータとして特徴量の異なる3つの因子440と因子スコア450)した結果を示す。図6に示すように、各因子440に因子スコア450の影響を考慮した上で、3つの因子の線形和により、測定したスペクトルデータ(図5(a))を表現可能である。 As an example using LIBS, four types of compounds, primarily borides, were selected, and 37 pieces (N = 37 x 4) of spectral data 420 were extracted from each of the standard samples 110a, resulting in high-dimensional samples (number of wavelength dimensions for each spectrum, k = 11,562). The results of reducing the dimensions using NMF (using three factors 440 with different feature values and factor scores 450 as reference parameters) are shown below. As shown in Figure 6, after taking into account the influence of the factor scores 450 on each factor 440, the measured spectral data (Figure 5(a)) can be expressed as a linear sum of the three factors.
なお、因子440は、波長ごとの強度のスケールを揃えるために、平均値と標準偏差でスペクトルデータ420を標準化しても良い。標準化しない場合は、そのステップを省略しても良い。なお、レーザー照射によるサンプルの壊れやすさや放射線計測におけるサンプル特有の自己遮へいがあるので、標準化することでこれらを緩和することができる。 Factor 440 may standardize the spectral data 420 using the mean and standard deviation to align the intensity scale for each wavelength. If standardization is not required, this step may be omitted. Note that sample damage due to laser irradiation and sample-specific self-shielding during radiation measurement can be alleviated by standardization.
図7~図9は、化合物同定方法における決定木による分類を説明する図である。決定木ルール生成L4ステップでは、制御装置220において、標準試料110aの因子スコア450を特徴量として決定木500を作成し、標準試料110aの因子440を適用するときに因子スコア450によって分類するためのスコア閾値460と、標準試料110aのどの因子440から適用して決定木500で分類していくか因子適用順を設定する。 Figures 7 to 9 are diagrams explaining classification using a decision tree in the compound identification method. In the decision tree rule generation L4 step, the control device 220 creates a decision tree 500 using the factor score 450 of the standard sample 110a as a feature, and sets a score threshold 460 for classification using the factor score 450 when applying the factors 440 of the standard sample 110a, as well as the factor application order, which determines which factor 440 of the standard sample 110a to apply first to classify using the decision tree 500.
決定木500は、NMFで得た参照パラメータを元に「True」又は「False」を判断する分類方法であり、学習データに対して、着目した因子440(参照パラメータ)とその判断に用いる因子スコア450のスコア閾値460を用いて、物質を正しく分類する探索アルゴリズムである。 The decision tree 500 is a classification method that determines "True" or "False" based on reference parameters obtained by NMF, and is a search algorithm that correctly classifies substances using the training data, using the focused factor 440 (reference parameter) and the score threshold 460 of the factor score 450 used for that determination.
学習段階にあるNMFと決定木500の組合せは、動的光散乱や誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP-MS)等のスペクトルデータ420がある解析手法はもちろん、「0」と「正の値」の行列表現記載ができれば、データの種類によらず適用することができる。TEM(透過電子顕微鏡)やSEM(走査電子顕微鏡)及びそれに付随したEDX(エネルギー分散型X線分析)等の画像データ等にも展開が期待できる。 The combination of NMF and decision tree 500 in the learning stage can be applied to analytical methods that use spectral data 420, such as dynamic light scattering and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), as well as any type of data, as long as it can be expressed in matrix form with "0" and "positive values." It is also expected to be applicable to image data from TEM (transmission electron microscope), SEM (scanning electron microscope), and associated EDX (energy dispersive X-ray analysis) data.
図7(a)に示すように、決定木500で条件分岐させるために、標準試料110aの因子スコア450について不純度を計算するコスト関数Jを使用し、コスト関数Jが最小となるようなスコア閾値tk(1≦k≦m)を導出する。なお、コスト関数Jはジニ不純度などを用いて算出しており、kは因子番号、mは因子440の数、mleftは一方に分ける因子(左サブセット)の数、mrightは他方に分ける因子(右サブセット)の数、Gleftは左サブセットの不純度、Grightは右サブセットの不純度である。 7A, in order to perform conditional branching in the decision tree 500, a cost function J that calculates the impurity of the factor score 450 of the standard sample 110a is used, and a score threshold tk (1≦k≦m) that minimizes the cost function J is derived. Note that the cost function J is calculated using Gini impurity or the like, where k is the factor number, m is the number of factors 440, mleft is the number of factors to be divided into one group (left subset), mright is the number of factors to be divided into the other group (right subset), Gleft is the impurity of the left subset, and Gright is the impurity of the right subset.
なお、サブセット中に存在する化合物が1種類だけであれば、純粋なサブセット、複数種類の化合物が混合されていれば、不純なサブセットとなる。このとき、サブセットの不純度は、サブセット中に含まれる各化合物の比率に基づく、ジニ不純度や交差エントロピーによって表される。 If only one type of compound exists in a subset, it is a pure subset, and if multiple types of compounds are mixed, it is an impure subset. In this case, the impurity of the subset is expressed by the Gini impurity or cross entropy, which are based on the ratio of each compound contained in the subset.
図7(b)に示すように、化合物種(雰囲気)がArとN2の場合に、横軸側の因子440について因子スコア450のスコア閾値460(例えば、114.155)が導出され、決定木500において、因子スコア450がスコア閾値460より小さければ因子440は左サブセット(N2と推定)に分類され、因子スコア450がスコア閾値460より大きければ因子440は右サブセット(Arと推定)に分類される。 As shown in FIG. 7B , when the compound species (atmosphere) are Ar and N2 , a score threshold 460 (e.g., 114.155) of the factor score 450 is derived for the factor 440 on the horizontal axis side, and in the decision tree 500, if the factor score 450 is smaller than the score threshold 460, the factor 440 is classified into the left subset (estimated as N2 ), and if the factor score 450 is greater than the score threshold 460, the factor 440 is classified into the right subset (estimated as Ar).
図8(a)は、LIBSで測定したホウ化物スペクトル(CrB系、FeB系、NiB系、ZrB系の4つの化合物種)に対して、因子440に分解し、特徴量(因子スコア450)を抽出して決定木500を作成する例を示す。因子440の因子適用順は、第2因子、第3因子、第1因子の順になったとする。 Figure 8(a) shows an example in which boride spectra (four compound types: CrB, FeB, NiB, and ZrB) measured with LIBS are decomposed into factors 440, feature quantities (factor scores 450) are extracted, and a decision tree 500 is created. The order of application of factors 440 is assumed to be the second factor, then the third factor, and then the first factor.
決定木500のノードN1では、第2因子における因子スコア450のスコア閾値460が108.615と導出され、図8(b)に示すように、スコア閾値460より大きいものがCrとBを含む化合物として分類され、それ以外はノードN2で分類される。 At node N1 of the decision tree 500, the score threshold 460 for the factor score 450 in the second factor is derived as 108.615, and as shown in Figure 8(b), compounds with a score greater than the score threshold 460 are classified as compounds containing Cr and B, and the rest are classified at node N2.
決定木500のノードN2では、第3因子における因子スコア450のスコア閾値460が65.837と導出され、図9(a)に示すように、スコア閾値460より大きいものがNiとBを含む化合物として分類され、それ以外はノードN3で分類される。 At node N2 of the decision tree 500, the score threshold 460 for the factor score 450 in the third factor is derived as 65.837, and as shown in Figure 9(a), compounds with scores greater than the score threshold 460 are classified as compounds containing Ni and B, and the rest are classified at node N3.
決定木500のノードN3では、第1因子における因子スコア450のスコア閾値460が117.886と導出され、図9(b)に示すように、スコア閾値460より大きいものがZrとBを含む化合物として分類され、それ以外はFeとBを含む化合物として分類される。 At node N3 of the decision tree 500, the score threshold 460 for the factor score 450 in the first factor is derived as 117.886, and as shown in Figure 9(b), compounds with scores greater than the score threshold 460 are classified as compounds containing Zr and B, and all others are classified as compounds containing Fe and B.
比較的スペクトルの多いジルコニウム(Zr)や鉄(Fe)よりもクロム(Cr)が決定木500の始めに分類されており、決定木500では人間の予想とは異なり、より正確に分類されている。これは、ZrやFeが干渉の影響を伴うピークを多数含むことも影響していると考えられる(従来手法のように、単純に干渉の無いシグナルピークによる分類だけだと正答率は低下する)。 Chromium (Cr) is classified at the beginning of decision tree 500, rather than zirconium (Zr) or iron (Fe), which have relatively large spectra, and decision tree 500 shows a more accurate classification than human predictions. This is thought to be due to the fact that Zr and Fe contain many peaks that are affected by interference (classification based simply on signal peaks without interference, as in conventional methods, results in a lower accuracy rate).
制御装置220において、標準試料110aから得られた因子440と因子スコア450、さらに決定木500のルールとして因子スコア450のスコア閾値と因子440の因子適用順をデータベース等の記憶装置に蓄積し、化合物同定指標を作成する。学習段階では、どのような標準試料110aからのデータか、因子スコア450がそれぞれの因子440でどのようになっているかを把握し、運用段階において、未知試料110bを分類する際の化合物同定指標として利用する。 The control device 220 stores the factors 440 and factor scores 450 obtained from the standard sample 110a, as well as the score threshold for the factor score 450 and the order in which the factors 440 are applied as rules for the decision tree 500, in a storage device such as a database, and creates a compound identification index. During the learning phase, it is determined what type of standard sample 110a the data is from and how the factor scores 450 are for each factor 440. During the operation phase, this is used as a compound identification index when classifying unknown samples 110b.
図10は、化合物同定方法の運用段階の流れを示すフローチャート図である。運用段階として、未知試料測定S1、スペクトルデータ補正S2、因子分解処理S3、決定木分類処理S4のステップを有する。標準試料110aの各因子440とその因子スコア450が予め化合物同定指標として用意されており、未知試料110bの各因子440についての因子スコア450で振り分けることにより、未知試料110bをクラス分けする。 Figure 10 is a flowchart showing the flow of the operational stages of the compound identification method. The operational stages include unknown sample measurement S1, spectral data correction S2, factor decomposition processing S3, and decision tree classification processing S4. Each factor 440 and its factor score 450 of the standard sample 110a are prepared in advance as compound identification indices, and the unknown sample 110b is classified by sorting it using the factor score 450 for each factor 440 of the unknown sample 110b.
運用段階においては、未知試料110bのスペクトルデータ420に対して、標準試料110aの因子440を用いて未知試料110bにおける因子スコア450を算出し、因子440の因子適用順にしたがって決定木500で未知試料110bの因子スコア450をスコア閾値460によって分けていき、未知試料110bのクラスを推定することで、未知試料110bに含まれる化合物種を同定する。 In the operational phase, the factor score 450 for the unknown sample 110b is calculated for the spectral data 420 of the unknown sample 110b using the factors 440 of the standard sample 110a, and the factor score 450 for the unknown sample 110b is divided by the score threshold 460 in the decision tree 500 according to the order in which the factors 440 are applied, and the class of the unknown sample 110b is estimated, thereby identifying the compound species contained in the unknown sample 110b.
未知試料測定S1ステップでは、測定装置100において未知試料110bにレーザーを照射し、検出器410から送られてきたスペクトルデータ420を制御装置220に入力する。 In the unknown sample measurement S1 step, the measurement device 100 irradiates the unknown sample 110b with a laser, and the spectral data 420 sent from the detector 410 is input into the control device 220.
スペクトルデータ補正S2ステップでは、制御装置220において、未知試料110bのスペクトルデータ420に対しても、スペクトルデータ取得L2ステップと同様にベースライン補正を行う。 In the spectral data correction S2 step, the control device 220 also performs baseline correction on the spectral data 420 of the unknown sample 110b, similar to the spectral data acquisition L2 step.
因子分解処理S3ステップでは、制御装置220において、未知試料110bの補正済みのスペクトルデータ420に対して、標準試料110aの因子440を用いてNMFによる因子分解を行い、未知試料110bの因子スコア450を算出する。なお、必要に応じて標準化処理を施しても良い。 In the factorization process S3 step, the control device 220 performs NMF factorization on the corrected spectral data 420 of the unknown sample 110b using the factors 440 of the standard sample 110a, and calculates the factor score 450 of the unknown sample 110b. Note that standardization processing may also be performed if necessary.
決定木分類処理S4ステップでは、制御装置220において、未知試料110bの因子スコア450を決定木500のルール(学習させたアルゴリズム)に基づき因子440をクラス分けする。決定木500において、因子440の因子適用順にしたがって未知試料110bの因子スコア450をスコア閾値460によってクラス分けし、未知試料が属するクラスを推定していくことにより、未知試料110bに含まれる化合物種を同定する。 In the decision tree classification process S4 step, the control device 220 classifies the factor scores 450 of the unknown sample 110b into factors 440 based on the rules (learned algorithm) of the decision tree 500. In the decision tree 500, the factor scores 450 of the unknown sample 110b are classified using the score threshold 460 according to the factor application order of the factors 440, and the class to which the unknown sample belongs is estimated, thereby identifying the compound species contained in the unknown sample 110b.
決定木500に掛けることにより、因子スコア450と化合物種が対応付けられる。標準試料群の全てのスペクトルデータ420から、その共通する因子440(第1因子~第m因子)が導出され、各因子を通して各スペクトルデータ420は因子スコア450に変換される。そして、決定木500を通して化合物種にクラス分けされる。 By applying the decision tree 500, the factor scores 450 are associated with compound types. Common factors 440 (factors 1 to m) are derived from all the spectral data 420 of the standard sample group, and each spectral data 420 is converted into a factor score 450 through each factor. The compound types are then classified through the decision tree 500.
実際に、未知試料110bとして、ステンレス鋼(SUS)と炭化ホウ素(B4C)の共晶化合物等を対象として測定したところ、テストデータ4種類×8個で正答率は100%の結果を得た。 In fact, when a eutectic compound of stainless steel (SUS) and boron carbide (B 4 C) was measured as the unknown sample 110b, the accuracy rate was 100% for four types of test data x eight pieces.
図11は、化合物同定方法で分類した結果を示す図である。因子スコア450をマッピングし、未知試料110bの成分や組成比を推定しても良い。図11(a)に示すように、模擬試料がある化合物に含まれる要素を含んでいるか成分を推定することもできる。また、図11(b)に示すように、CrB2が多く含まれているか否か組成比を推定することもできる。 FIG. 11 shows the results of classification using the compound identification method. The factor scores 450 may be mapped to estimate the components and composition ratios of the unknown sample 110b. As shown in FIG. 11(a), it is also possible to estimate whether a simulated sample contains elements contained in a certain compound. Furthermore, as shown in FIG. 11(b), it is also possible to estimate the composition ratio to determine whether a sample contains a large amount of CrB2 .
X軸とY軸の2軸座標の制御と、変位計によりステージと変位計の間に載せた試料の距離を計測することで、高さZ軸の情報を取得し、試料形状を把握する。座標の制御は、電動ステージを用いると容易である。X-Y-Z軸を既知とした試料の位置をピンポイントでLIBS計測することにより、LIBS測定結果が得られる。LIBS測定結果から特徴的な元素の発光スペクトルの範囲を選択し、面積値や高さを算出する。二次元上元素のマッピング情報を表示するには、X座標とY座標情報を2軸に設定し、選択した元素発光スペクトルの強度をカラーで示すことで選択した元素をマッピングすれば良い。 By controlling the coordinates on two axes (X and Y) and measuring the distance between the stage and the sample using a displacement meter, height Z-axis information can be obtained and the sample shape determined. Coordinate control is easy using an electric stage. LIBS measurement results can be obtained by pinpointing the position of the sample with the X-Y-Z axes known and performing LIBS measurements. From the LIBS measurement results, the range of the emission spectrum of a characteristic element can be selected and the area value and height calculated. To display element mapping information in two dimensions, the X- and Y-coordinate information can be set on two axes, and the selected element can be mapped by displaying the intensity of the selected element's emission spectrum in color.
本発明によれば、未知試料に含まれる金属元素や化合物を分類・推定することができる。事前に既知物質のスペクトルデータを複数の因子に分解し、決定木により元素や化合物の分類方法を学習させておくことで、未知試料の成分の分類に利用することができる。 This invention makes it possible to classify and estimate the metal elements and compounds contained in unknown samples. By decomposing the spectral data of known substances into multiple factors in advance and training the system to classify elements and compounds using a decision tree, this can be used to classify the components of unknown samples.
また、試料固有の誤差を評価し、予め補正しておくことで、金属元素や化合物を精度良く分類・推定することができる。なお、後付けで補正することが可能で、ホワイトノイズも含め誤差を除去することができる。 In addition, by evaluating sample-specific errors and correcting them in advance, metal elements and compounds can be classified and estimated with high accuracy. Corrections can also be made retrospectively, eliminating errors, including white noise.
本発明では、プラズマ状態(時間・空間等)を特徴付ける参照パラメータにより測定対象とする原子発光スペクトルの採用・棄却を決める。また、参照パラメータの設定に機械学習を使っている。従来手法では、測定対象のスペクトルを一定の幅を有するピークとしてサーチするのに対し、本発明では、人間では取り扱うのが困難なビッグデータ(各種分析装置等から得られた全スペクトル成分)をNMFにより機械学習させ、参照パラメータを構築する。これにより、従来方法で行っていたシグナルピークによる処理ではなく、全スペクトル成分を対象に処理することで、評価に用いるデータ量が103まで増大し、その結果、今まで難しかったスペクトルの強度や形状等も含む評価ができるようになり、高い分析精度を確立する見通しも得られた。 In the present invention, reference parameters that characterize the plasma state (time, space, etc.) are used to determine whether to accept or reject the atomic emission spectrum to be measured. Machine learning is also used to set the reference parameters. While conventional methods search for the spectrum of the measurement target as a peak with a certain width, the present invention uses NMF to machine-learn big data (all spectral components obtained from various analytical devices, etc.), which is difficult for humans to handle, to construct the reference parameters. By processing all spectral components rather than processing signal peaks as in conventional methods, the amount of data used for evaluation increases to 103. As a result, it is now possible to evaluate spectral intensity, shape, and other parameters, which were previously difficult to assess, and there is a prospect of achieving high analytical accuracy.
前処理で用いているベースライン補正は、その種類によって、非対称重みペナルティ最小二乗スムージング法のような関数や、パターン認識のような機械学習を行うことで、スペクトル毎に適用できる。学習データとして公的研究機関等のデータベースや既知試料の計測ができる環境があれば、後付けで既に所有している各種分析装置固有の性能向上(ラマン散乱やLA-ICP-MS等のレーザー光源を用いた分析手法のみならず、分光器を使う全ての測定器)やサンプル依存性の低減が可能である。 Depending on the type, baseline correction used in preprocessing can be applied to each spectrum using functions such as asymmetric weighted penalty least-squares smoothing or machine learning such as pattern recognition. If you have an environment where you can measure known samples or use databases from public research institutions as training data, you can retroactively improve the performance of various analytical instruments you already own (not only analytical methods using laser light sources such as Raman scattering and LA-ICP-MS, but all measuring instruments that use spectroscopy) and reduce sample dependency.
学習データとして公的研究機関等のデータベース(分光や放射線スペクトル情報)や材料組成が既知である標準試料の計測をすれば良く、装置の解析ソフトウェアに実装するなどハードウェア改修することなく、簡便に各種分析装置固有の性能向上やサンプル依存性の低減が可能である。レーザー、X線や中性子等の光源をプローブに用いる分光計測のみならず、分光機能としてエネルギー分散型X線分析(EDX)が付加された電子顕微鏡(透過電子顕微鏡:TEM-EDX、走査電子顕微鏡:SEM-EDX)、電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)等で分光データを面情報として画像化するものまで多種多様な応用が期待される。 By simply using databases (spectroscopy and radiation spectrum information) from public research institutions and measurements of standard samples with known material compositions as training data, it is possible to easily improve the performance of various analytical instruments and reduce sample dependency without having to modify the hardware, such as by implementing it in the instrument's analysis software. A wide variety of applications are expected, including not only spectroscopic measurements using light sources such as lasers, X-rays, and neutrons as probes, but also electron microscopes (transmission electron microscopes: TEM-EDX, scanning electron microscopes: SEM-EDX) equipped with energy dispersive X-ray analysis (EDX) as a spectroscopic function, and electron probe microanalyzers (EPMA) that visualize spectroscopic data as surface information.
以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、NMFは、オーケストラの音からバイオリンやビオラ等の因子に分ける機械学習に使われる手法で、バイオリンやビオラの特徴音(参照パラメータ)を作成し分類することができる。このように、様々なビッグデータに対し、本発明を応用することができる。 The above describes examples of the present invention, but the present invention is not limited to these. For example, NMF is a method used in machine learning to separate orchestral sounds into factors such as violins and violas, and can create and classify characteristic sounds (reference parameters) for violins and violas. In this way, the present invention can be applied to a variety of big data.
また、未知試料内の材料分布や硬度分布を作成しても良いし、多変量解析に応用しても良い。 It can also be used to create material distributions and hardness distributions within unknown samples, or to apply them to multivariate analysis.
100:測定装置
110:試料
110a:標準試料
110b:未知試料
200:チャンバー
210:真空ポンプ
220:制御装置
230:シーケンサ
240:ステージ
300:照射装置
310:照射光
320:放出光
400:分光器
410:検出器
420:スペクトルデータ
430:ベースライン
440:因子
450:因子スコア
460:スコア閾値
500:決定木
100: Measuring device 110: Sample 110a: Standard sample 110b: Unknown sample 200: Chamber 210: Vacuum pump 220: Control device 230: Sequencer 240: Stage 300: Irradiation device 310: Irradiation light 320: Emission light 400: Spectrometer 410: Detector 420: Spectral data 430: Baseline 440: Factor 450: Factor score 460: Score threshold 500: Decision tree
Claims (6)
想定される化合物種の標準試料についてスペクトルデータを因子分解して因子及び前記因子の影響度を表す因子スコアを導出し、前記化合物種を決定木において前記因子スコアで分類するためのスコア閾値及び前記因子スコアを前記決定木にかける因子適用順を予め学習・設定しておき、
未知試料のスペクトルデータに対して前記標準試料の因子を用いて前記未知試料における因子スコアを算出し、前記因子適用順にしたがって前記決定木で前記未知試料の因子スコアを前記スコア閾値によって分類していくことにより、前記未知試料に含まれる化合物種を同定する、
ことを特徴とする化合物同定方法。 The control device
factorizing spectral data of a standard sample of a predicted compound species to derive factors and factor scores representing the influence of the factors; learning and setting in advance a score threshold for classifying the compound species using the factor scores in a decision tree and a factor application order for applying the factor scores to the decision tree;
calculating factor scores for the unknown sample using the factors of the standard sample for the spectral data of the unknown sample, and classifying the factor scores of the unknown sample using the decision tree in accordance with the factor application order and the score threshold, thereby identifying the compound species contained in the unknown sample;
A compound identification method characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の化合物同定方法。 The spectral data is corrected to a baseline fitted using a penalized asymmetric least squares method so that errors are assessed more severely when the measured value is below the estimated value than when it is above the estimated value.
The compound identification method according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の化合物同定方法。 The factorization involves decomposing a K-row, N-column matrix consisting of K wavelength dimensions and N sample numbers of the spectral data using M specified non-negative basis vectors, and deriving the influences of the factors obtained as the factor scores.
3. The compound identification method according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一に記載の化合物同定方法。 The decision tree derives factors and score thresholds that minimize a cost function using impurity when classifying the compound species.
4. The compound identification method according to claim 1, wherein the compound is a nucleotide sequence.
ことを特徴とする化合物同定装置。 Executing the compound identification method according to any one of claims 1 to 4,
A compound identification device characterized by:
前記レーザーが照射された前記未知試料から放出された光を分解する分光器と、
前記分光器で生成されたスペクトルデータを取得する検出器と、を有し、
前記検出器から入力されたスペクトルデータを用いて前記未知試料に含まれる化合物を同定する、
ことを特徴とする請求項5に記載の化合物同定装置。 an irradiation device that irradiates the unknown sample with a laser;
a spectrometer for resolving light emitted from the unknown sample irradiated by the laser;
a detector for acquiring spectral data generated by the spectrometer;
Identifying compounds contained in the unknown sample using the spectral data input from the detector;
6. The compound identification device according to claim 5.
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