Ученые научились обнаруживать палладий в сложных химических смесях
В лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН) разработали систему детекции палладийсодержащих ионов в масс-спектрах высокого разрешения с помощью графовых алгоритмов и сверточных нейронных сетей.
Палладий играет важнейшую роль в органическом катализе, но вместе с тем нередко выступает загрязнителем в лабораторных и природных образцах. Даже следовые количества этого металла могут повлиять на ход химической реакции и привести исследователей к неверным выводам, если истинная причина наблюдаемых результатов останется незамеченной. Поэтому важно уметь обнаруживать палладий в химических системах и объектах окружающей среды, особенно при низких концентрациях.
Обработка масс-спектра происходит в два этапа. Сначала графовый алгоритм разделяет спектр на группы пиков, соответствующих отдельным ионам и образующих характерные паттерны. Затем нейронная сеть оценивает вероятность присутствия палладия в каждом из них. Таким образом, система не просто определяет наличие металла в образце, но и указывает, какие именно сигналы масс-спектра соответствуют палладийсодержащим ионам. При исследовании химических реакций это позволяет отслеживать изменения в составе и интенсивности сигналов палладийсодержащих частиц с течением времени и получать информацию о механизмах протекающих превращений.
Ученые отмечают, что новый метод продемонстрировал устойчивые результаты в различных каталитических системах и позволил обнаруживать соединения палладия при концентрациях вплоть до 10⁻8 моль/л. Для обучения моделей использовали около 50 тысяч теоретически рассчитанных паттернов, а для тестирования — 471 экспериментальный масс-спектр с ручной разметкой. Алгоритмы продемонстрировали высокое качество распознавания (значения метрики ROC AUC для палладия достигали 0,995) и работоспособность в различных условиях: в гомогенном и гетерогенном катализе, при регистрации положительных и отрицательных ионов, а также при анализе отдельных спектров и непрерывном мониторинге химических реакций.
«Особенно важно, что разработанная нами система уже применяется в лаборатории и помогает исследователям анализировать сложные каталитические системы, обнаруживать следовые примеси металлов и изучать механизмы химических превращений. Методика повышает точность и автоматизацию анализа и, по сути, превращает обычный прибор в высокопроизводительный «сканер элементов», — рассказал автор проекта, аспирант Сколтеха, сотрудник лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов ИОХ РАН Павел Гуревич.
По мнению ученых, архитектуру системы возможно расширить, обучив ее выявлять и другие металлы. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России.