Chemometrické metody v plazmové spektrometrii

Mgr. Veronika Faltusová, Ph.D.

Doctoral thesis

Chemometry in plasma spectrometry

Abstract:

Tato disertační práce je komentovanou sbírkou mých 8 vydaných recenzovaných článků, které jsou zaměřeny na různé činnosti v oblasti základního zpracování dat, explorační analýzy dat nebo klasifikace, digitálního zpracování obrazu aplikované jak na bodovou analýzu, tak i na zobrazovaní. Primárním účelem této práce je zaměření na zpracování a statistické vyhodnocení dat získaných použitím metod plazmové spektrometrie. Mezi nejčastější použité metody se řadí hmotnostní spektrometrie indukčně vázaného plazmatu ve spojení s laserovou ablací (LA-ICP-MS) a spektrometrie laserem buzeného plazmatu (LIBS). V oblasti potravinářské chemie, byla provedená klasifikace vín s použitím metod strojového učení (KNN, RF, ANN, CNN) pro vytvoření nástroje na identifikaci falšovaných vín. V oblasti prvkového zobrazování, se tato práce zabývala porovnáním (EPMA a LA-ICP-MS) a spájením (LIBS a LA-ICP-MS) metod, segmentaci obrazu v oboru geologie a taky digitálním zlepšováním prvkové distribuce pro obrazové artefakty jako například odstraňování rozmazání a šumu nebo super rozlišení. Jádrem této studie je open-source program Ilaps. Ten byl vyvinutý pro účel automatizace zpracování dat z LA-ICP-MS. Ilaps je naprogramován v jazyce python a je volně dostupný na platformě GitHub. Nabízí základní postupy zpracování dat LA-ICP-MS, jako jsou výběr signálu, korekce pozadí, korekce driftu signálu, kvantifikace, normalizace na interní standard, korekce na celkovou sumu a také prvkové zobrazování. V současnosti je tento software běžně využíván pro zpracování dat v naší laboratoři. K dnešnímu dni se tato práce podílí na poznání v oblastech bio-analýzy, geologie, archeologie a potravinářské chemie.

Abstract:

This dissertation thesis is a commented synthesis of my 8 peer-reviewed papers that are focused on the activities of basic data processing, exploratory data analysis or classification, digital image processing and computer vision applied to both, bulk analysis, as well as imaging. The focus of this research concentrates in particular on data processing and statistical evaluation of data obtained using plasma spectrometry methods. More specifically, these are laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS), or laser induced breakdown spectrometry (LIBS). For food chemistry, a classification of wines using machine learning methods (KNN, RF, ANN, CNN) was conducted to create a tool for identification of fraudulent wines. In the imaging field, this work included the comparison (EPMA and LA-ICP-MS) and merging (LIBS and LA-ICP-MS) of methods, image segmentation for geology and digital enhancement of the elemental distribution, for image artefacts, such as blur and noise removal and super resolution. The core study of this work is a standalone open-source software, Ilaps. Ilaps was designed with the express purpose of the automatization of LA-ICP-MS data processing. Ilaps is written in python and is freely accessible from GitHub. It offers basic data reduction steps of LA-ICP-MS analysis such as signal selection, background correction, drift correction, quantification, internal standard normalisation, total sum correction as well as elemental imaging. Currently it is routinely used for data processing in our laboratory. To date, this work contributes to knowledge in the fields of bioanalysis, geology, archaeology, and food chemistry.

Keywords

zpracování dat LA-ICP-MS, Ilaps, prvkové zobrazování, klasifikace, strojové učení, umělé neuronové sítě, LA-ICP-MS data reduction, elemental imaging, classification, machine learning, artificial neural networks

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 8. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 5. 10. 2022
• Supervisor: prof. RNDr. Viktor Kanický, DrSc.
• Reader: doc. Ing. David Milde, Ph.D., Dr. Christophe Pecheyran, Dr. Michael Sperling

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Analytical Chemistry