Technologie

Auswertung von Raman-Spektren mit standardisierten KI-Methoden

14.12.2021 - Vom experimentellen Design über Datenaufbereitung und Datenmodellierung zur statistischen Analyse.

Mit Hilfe der Raman-Spektroskopie lässt sich der molekulare Finger­abdruck von Proben ermitteln. Damit können zum Beispiel Materialien aufgrund ihrer spezifischen chemischen Zusammen­setzung unter­schieden werden. Ebenso ist es möglich, Krankheits­erreger zu identi­fi­zieren oder krankes Gewebe zu erkennen. Dabei sind die zu detekt­ierenden Signale und Signal-Unter­schiede innerhalb der Messdaten nur minimal und werden von zahl­reichen Faktoren beeinflusst. Für die Auswertung kommen Methoden des maschinellen Lernens – also künstliche Intelligenz – zum Einsatz. „Um der Raman-Spektroskopie zum Durchbruch in der Anwendung zu verhelfen, braucht es standardi­sierte Arbeits­abläufe die möglichst robuste Ergebnisse liefern“, so Thomas Bocklitz vom Leibniz-Institut für photonische Techno­logien und der Uni Jena. Bisher gibt es aber noch keine etablierten vereinheit­lichten Normen für den Analyse­prozess von Raman-Spektren.

Bocklitz und seine Kollegen liefern jetzt erstmalig eine Anleitung für die Auswertung von Raman-Spektren und beziehen dabei alle Arbeits­schritte, angefangen beim experi­men­tellen Design über die Daten­auf­bereitung bis hin zur Daten­model­lierung und statistischen Analyse, mit ein und verweisen zugleich auf mögliche Fallstricke und wie diese umgangen werden können. Dabei konnte der Physiko­chemiker auf seine lang­jährige Erfahrung bei der Entwicklung und Verfeinerung von daten­getriebenen Methoden zurück­greifen. Mittler­weile gehört sein Team zu einem der inter­national führenden Forschungs­gruppen, die sich mit der computer­gestützten Auswertung von Raman-Spektren auf der konzep­tion­ellen Ebene beschäftigen.

Von Vorteil erweist sich die enge Zusammen­arbeit mit der Forschungs­abteilung Spektro­skopie/Bildgebung am Leibniz-IPHT unter Leitung von Jürgen Popp, welche ihre Kompetenz auf dem Gebiet der Raman-Spektroskopie für die Analytik und Diagnostik in den Bereichen Medizin, Lebens- und Umwelt­wissen­schaften, Qualitäts- und Prozess­analytik sowie Pharmazie in das gemeinsame Projekt einbringen konnte.

Die Forscher möchten mit der Anleitung einen Beitrag zur standardi­sierten Raman-Spektral­analyse liefern. Gemeinsam mit Partnern anderer Forschungs­einrichtungen soll die Methodik in einem nächsten Schritt auf die Geräte­vergleich­barkeit durch einen gemeinsamen Ring-Versuch fokussiert werden, indem Methoden zur Korrektur der Geräte­abhängigkeit erforscht werden. Schließlich wollen die Wissen­schaftler des Leibniz-IPHT und der Uni Jena die standardi­sierten Methoden zur KI-basierten Auswertung von Raman-Spektren zur Entwicklung von markt­reifen licht­basierten Diagnose­verfahren und neuartigen Therapie­ansätzen im zukünftigen Leibniz-Zentrum für Photonik in der Infektions­forschung in Jena einsetzen.

Leibniz-IPHT / RK

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