ES2356879B1 - INSTANT IDENTIFICATION AND CHARACTERIZATION OF SAMPLES THROUGH LASER ABLATION DYNAMIC COMBINATION AND MATHEMATICAL ALGORITHMS. - Google Patents
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Abstract
Identificación y caracterización instantánea de muestras sin tratamiento previo mediante la combinación dinámica de ablación láser y algoritmos matemáticos.#El método se basa en el análisis de un único pulso láser del cual se obtiene un espectro de la muestra que se compara con una base de datos espectral dinámica empleando una red neuronal que permite manejar un gran número de datos en un tiempo muy corto con un 100% de sensibilidad y especificidad.#La técnica identificación y caracterización es rápida, directa y permite la correlación de los datos analíticos con propiedades organolépticas o de calidad así como la determinación de sustancias, compuestos contaminantes, patógenos o bioactivos presentes en muestras en cualquier estado de la materia sin ningún tipo de preparación previa.Instantaneous identification and characterization of samples without prior treatment by means of the dynamic combination of laser ablation and mathematical algorithms. # The method is based on the analysis of a single laser pulse from which a sample spectrum is obtained that is compared with a database. Dynamic spectral using a neural network that allows to handle a large number of data in a very short time with 100% sensitivity and specificity. # The identification and characterization technique is fast, direct and allows the correlation of analytical data with organoleptic properties or of quality as well as the determination of substances, contaminating compounds, pathogens or bioactives present in samples in any state of the matter without any previous preparation.
Description
Identificación y caracterización instantánea de muestras mediante la combinación dinámica de ablación láser y algoritmos matemáticos. Instantaneous identification and characterization of samples through the dynamic combination of laser ablation and mathematical algorithms.
Objeto y Campo de la invención Object and Field of the Invention
Esta invención se enmarca en el campo de análisis espectral de compuestos químicos presentes en muestras líquidas, sólidas o gaseosas. De forma más concreta, la invención se refiere a un método de identificación y caracterización mediante la determinación cualitativa de compuestos químicos en muestras, sin ningún tipo de tratamiento previo y que permite la correlación con propiedades organolépticas o de calidad con aplicación en diversos campos como en muestras de aguas, alimentos o muestras biológicas. El método combina la técnica espectroscópica láser y el tratamiento espectral basado en algoritmos matemáticos. This invention is part of the field of spectral analysis of chemical compounds present in liquid, solid or gaseous samples. More specifically, the invention refers to a method of identification and characterization by qualitative determination of chemical compounds in samples, without any prior treatment and that allows correlation with organoleptic or quality properties with application in various fields such as in water samples, food or biological samples. The method combines laser spectroscopic technique and spectral treatment based on mathematical algorithms.
Este tipo de algoritmos proporciona un método adecuado con un 100% de sensibilidad y 100% especificidad en la discriminación de compuestos, sustancias o materiales que permiten su identificación y correlación con propiedades organolépticas o de calidad, trazabilidad de alimentos o la detección de contaminantes o patógenos de diversa naturaleza. This type of algorithm provides a suitable method with 100% sensitivity and 100% specificity in the discrimination of compounds, substances or materials that allow their identification and correlation with organoleptic or quality properties, food traceability or the detection of contaminants or pathogens. Of different nature.
Esta invención permite la correlación de los datos analíticos con propiedades organolépticas o de calidad y/o la determinación de sustancias, compuestos, contaminantes o agentes patógenos, en muestras de aguas (pluviales, subterráneas, afluentes naturales, cloacales, de residuos industriales), alimentos (zumos de fruta, aceites vegetales, leche y sus derivados), y muestras biológicas (sangre, suero, orina, etc.), muestras sólidas (aceros, aleaciones, maderas, huesos, rocas, minerales, etc.). This invention allows the correlation of analytical data with organoleptic or quality properties and / or the determination of substances, compounds, pollutants or pathogens, in water samples (rainwater, underground, natural fl uents, sewage, industrial waste), food (fruit juices, vegetable oils, milk and its derivatives), and biological samples (blood, serum, urine, etc.), solid samples (steels, alloys, wood, bones, rocks, minerals, etc.).
Estado de la técnica State of the art
La técnica de LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) es un método rápido y versátil para efectuar el análisis de distintos tipos de muestras que pueden ser inaccesibles o tediosos por técnicas analíticas convencionales, siendo particularmente útil en el análisis de muestras con una matriz compleja, (J.O. Caceres et al. Spectrochimica Acta B: Atomic Spectroscopy 56(6) 831 (2001), WB Lee, et al, Appl Spectrosc. Rev. 39(1) 27 (2004)). The LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) technique is a fast and versatile method for analyzing different types of samples that may be inaccessible or tedious by conventional analytical techniques, being particularly useful in the analysis of samples with a complex matrix, ( JO Caceres et al. Spectrochimica Acta B: Atomic Spectroscopy 56 (6) 831 (2001), WB Lee, et al, Appl Spectrosc. Rev. 39 (1) 27 (2004)).
Sin embargo, esta técnica ha sido aplicable principalmente al análisis elemental y en muchas situaciones existe un número considerable de técnicas alternativas disponibles con una sensibilidad superior a LIBS. La decisión sobre la elección de un método para análisis elemental puede hacerse favorable a la técnica LIBS debido a algunas de sus características que le confieren una ventaja considerable respecto a técnicas convencionales como son a) la eliminación de la necesidad de preparar la muestra para el análisis, b) el análisis puede ser llevado a cabo en cualquiera de los estados de la materia (sólido, líquido, gas), c) el análisis se realiza en unos pocos segundos, d) sólo una muy pequeña cantidad de la muestra, en el orden de los microgramos, es vaporizada desde la superficie de la muestra y e) los límites de detección se encuentran para las mayoría de las muestras en el orden de unas pocas partes por millón. However, this technique has been mainly applicable to elementary analysis and in many situations there is a considerable number of alternative techniques available with a sensitivity greater than LIBS. The decision on the choice of a method for elementary analysis can be made favorable to the LIBS technique due to some of its characteristics that give it a considerable advantage over conventional techniques such as a) the elimination of the need to prepare the sample for analysis , b) the analysis can be carried out in any of the states of matter (solid, liquid, gas), c) the analysis is carried out in a few seconds, d) only a very small amount of the sample, in the order of micrograms, is vaporized from the surface of the sample and e) the detection limits are found for most samples in the order of a few parts per million.
Es evidente la gran importancia de esta técnica para el análisis espectroquímico cuantitativo. Sin embargo, sorprendentemente, mucha menos atención ha sido puesta en el potencial de la técnica LIBS como herramienta de análisis cualitativo. En este caso, no se busca una composición química detallada, más bien una identificación instantánea de la muestra utilizando una característica única de LIBS, la cual es capaz de generar una “huella digital” de la muestra. Esta “huella digital” es un espectro LIBS de la muestra, el cual proviene exclusivamente de ésta y por lo tanto depende de su matriz. Además, debido a la naturaleza del espectro de emisión, el cual está dominado por líneas iónicas, que a menudo se ven inhibidas en su relación directa entre la concentración elemental en la muestra y sus intensidades, proporciona un espectro único y solo perteneciente a la muestra bajo análisis. The great importance of this technique for quantitative spectrum chemical analysis is evident. However, surprisingly, much less attention has been placed on the potential of the LIBS technique as a qualitative analysis tool. In this case, a detailed chemical composition is not sought, rather an instantaneous identification of the sample using a unique feature of LIBS, which is capable of generating a "fingerprint" of the sample. This “fingerprint” is a LIBS spectrum of the sample, which comes exclusively from it and therefore depends on its matrix. In addition, due to the nature of the emission spectrum, which is dominated by ionic lines, which are often inhibited in their direct relationship between the elementary concentration in the sample and its intensities, it provides a unique spectrum and only belonging to the sample. under analysis
Utilizando un procedimiento de correlación, el sistema LIBS puede ser entrenado para reconocer espectros procedentes de diferentes muestras, lo cual significa, evaluar la similitud de espectros desconocidos con un banco espectral de muestras clasificadas. Es necesario, por lo tanto, conocer qué técnica de correlación es más adecuada para la identificación de muestras. Su elección, suele estar determinada por el arreglo experimental, el tipo de datos obtenidos y por los requerimientos de tiempo de análisis. Using a correlation procedure, the LIBS system can be trained to recognize spectra from different samples, which means assessing the similarity of unknown spectra with a spectral bank of classified samples. It is necessary, therefore, to know which correlation technique is most suitable for the identification of samples. Your choice is usually determined by the experimental arrangement, the type of data obtained and the time requirements for analysis.
En los últimos años se han utilizado distintas metodologías para realizar la identificación o clasificación de compuestos, en una progresión de complejidad que va desde los relativamente simples procedimientos de correlación lineal no paramétrica (I.B. Gornushkin et al Anal. Chem. 71, 5157-5164, (1999), A.J. Lopez et al Appl. Phys. A 83, 695698 (2006)), análisis Fourier (W.H. Flannery et al, Numericla recipes, the Art of Scientific Computing Cambridge University Press NY (1986)), el método conocido como Mahalanobis distance (O. Sameck et al LNCS, 2124,443 (2001)), hasta ciertos tipos de redes neuronales desde sus primeras aplicaciones a la detección y clasificación en la década de los 90 (I. Ruisanchez et al, J. Chem. Inf. Comput. Sci 36, 214 (1996), R. Sattmann et al Appl. Spect. 52 456 (1998)). Las redes neuronales proveen los mejores resultados, sin embargo a pesar de su difusión y aplicación a diversos campos de investigación como los minerales y las pinturas artísticas (M:M. Howari, J. Appl. Spect. 70, 782 (2003), D. Anglos Appl. Spect. 51, 258A (1997)), tienen fuertes limitaciones y no ha sido capaces de dar una solución satisfactoria a muchos problemas prácticos, principalmente debido a incertidumbres en la capacidad de evaluar muestras con una alta sensibilidad y especificidad, o con resultados, con un grado de error o incertidumbre en la identificación que puede ser mayor al 30% siendo totalmente inaceptables para el caso, por ejemplo, de detección e identificación de explosivos (W. Nunes et al, Appl. Rad. Isotop. 56, 937 (2002)). In recent years, different methodologies have been used to identify or classify compounds, in a progression of complexity ranging from the relatively simple non-parametric linear correlation procedures (IB Gornushkin et al. Chem. 71, 5157-5164, (1999), AJ Lopez et al Appl. Phys. A 83, 695698 (2006)), Fourier analysis (WH Flannery et al, Numericla recipes, the Art of Scienti fi c Computing Cambridge University Press NY (1986)), the method known as Mahalanobis distance (O. Sameck et al. LNCS, 2124,443 (2001)), up to certain types of neural networks from their first applications to detection and classification in the 1990s (I. Ruisanchez et al, J. Chem. Inf. Comput. Sci 36, 214 (1996), R. Sattmann et al Appl. Spect. 52 456 (1998)). Neural networks provide the best results, however despite their dissemination and application to various fields of research such as minerals and artistic paintings (M: M. Howari, J. Appl. Spect. 70, 782 (2003), D Anglos Appl. Spect. 51, 258A (1997)), have strong limitations and have not been able to provide a satisfactory solution to many practical problems, mainly due to uncertainties in the ability to evaluate samples with high sensitivity and specificity, or with results, with a degree of error or uncertainty in the identification that may be greater than 30% being totally unacceptable in the case, for example, of detection and identification of explosives (W. Nunes et al, Appl. Rad. Isotop. 56 , 937 (2002)).
Existen métodos de análisis que combinan diferentes técnicas analíticas con redes neuronales para la detección de sustancias en una muestra. Así, la patente US 6,618,712 describe un método de identificación de bioaerosoles que combina espectros de masas de iones (positivos y negativos) de partículas conocidas utilizado para entrenar una red neuronal y correlacionar los datos obtenidos de una sustancia desconocida, con otra identificada a través del entrenamiento. Estas medidas, no obstante, requieren de un tratamiento previo que introduce incertidumbre en el resultado y alarga el tiempo de análisis. (R.A. Gieray et al. J. Microbiol. Meth. 29, 191 (1997)). There are methods of analysis that combine different analytical techniques with neural networks for the detection of substances in a sample. Thus, US 6,618,712 describes a method of identifying bioaerosols that combines spectra of ion masses (positive and negative) of known particles used to train a neural network and correlate the data obtained from an unknown substance, with another one identified through the training. These measures, however, require a prior treatment that introduces uncertainty in the result and lengthens the analysis time. (R.A. Gieray et al. J. Microbiol. Meth. 29, 191 (1997)).
A pesar de la existencia de otros métodos de análisis que se combinan con redes neuronales, el campo de las redes neuronales puede mejorarse en muchas direcciones. Despite the existence of other methods of analysis that combine with neural networks, the field of neural networks can be improved in many directions.
En esta invención se utiliza un número muy alto de puntos espectrales obtenidos de la emisión del plasma de la muestra en todo el espectro visible, combinado con un sistema de algoritmos matemáticos adecuados para manejar un gran número de datos en un tiempo muy corto y de forma eficiente y efectiva, asegurando un 100% de sensibilidad y 100% especificidad como se demostrara más adelante. In this invention a very high number of spectral points obtained from the plasma emission of the sample in the entire visible spectrum is used, combined with a system of mathematical algorithms suitable for handling a large number of data in a very short time and in a way Efficient and effective, ensuring 100% sensitivity and 100% specificity as will be demonstrated later.
El método de análisis se basa en un análisis de un único pulso láser que produce un proceso de vaporización y posterior formación de un plasma de la superficie de la muestra, la obtención del espectro de emisión de este plasma en el orden de unos pocos microsegundos sin ningún tipo de tratamiento de datos y la posterior comparación espectral con una base de datos espectral dinámica para lo cual se utilizan algoritmos matemáticos entrenados y la comparación de espectros adecuados para el análisis con los de las matrices espectrales que pueden tener 2048x100 puntos como mínimo y con un tiempo de análisis total menor a 60 (sesenta) segundos. The analysis method is based on an analysis of a single laser pulse that produces a vaporization process and subsequent formation of a plasma from the surface of the sample, obtaining the emission spectrum of this plasma in the order of a few microseconds without No type of data processing and subsequent spectral comparison with a dynamic spectral database for which trained mathematical algorithms are used and the comparison of spectra suitable for analysis with those of spectral matrices that can have at least 2048x100 points and with a total analysis time of less than 60 (sixty) seconds.
El método que se reivindica en la patente permite obtener gran sensibilidad (concentraciones comprendidas entre partes por millón (ppm) y partes por billón (ppb)), la facilidad del manejo de muestras tóxicas o potencialmente peligrosas, y realizar análisis in-situ de las muestras. Dado el escaso tiempo de cálculo necesario para el tratamiento de los datos suministrados por el láser (menor a 10 segundos), hacen que la conjunción Láser-NNs ofrezca unas posibilidades de medida en línea (on-line) desconocidas hasta el momento. The method claimed in the patent allows to obtain great sensitivity (concentrations between parts per million (ppm) and parts per billion (ppb)), the ease of handling toxic or potentially dangerous samples, and performing in-situ analysis of samples. Given the limited calculation time necessary for the treatment of the data supplied by the laser (less than 10 seconds), they make the Laser-NNs conjunction offer online measurement possibilities unknown so far.
Descripción de la invención Description of the invention
La presente invención consiste en un método rápido y directo para la determinación cualitativa y/o análisis espectral completo de compuestos químicos presentes en muestras líquidas o sólidas. Esta invención permite identificación y caracterización de muestras, permitiendo la correlación de los datos analíticos con propiedades organolépticas o de calidad y/o la determinación de sustancias, compuestos, contaminantes, agentes patógenos o bioactivos, en las muestras analizadas. The present invention consists of a rapid and direct method for the qualitative determination and / or complete spectral analysis of chemical compounds present in liquid or solid samples. This invention allows identification and characterization of samples, allowing the correlation of analytical data with organoleptic or quality properties and / or the determination of substances, compounds, contaminants, pathogens or bioactive agents, in the analyzed samples.
Mediante el uso de características propias presentes en la técnica LIBS y los algoritmos matemáticos utilizados, la nueva metodología permite la identificación de una muestra sin ningún tipo de preparación, en cualquier estado de la materia, con un solo pulso, en un tiempo menor de un segundo y con una alta sensibilidad y especificidad. By using its own characteristics present in the LIBS technique and the mathematical algorithms used, the new methodology allows the identification of a sample without any preparation, in any state of the matter, with a single pulse, in a time less than one second and with high sensitivity and specificity.
El dispositivo utilizado para la identificación y caracterización de muestras, mostrado en la figura 1, se compone de un láser pulsado (1), en este caso particular se ha utilizado un láser de Nd:YAG trabajando a una frecuencia de 1 a 20 Hz, una longitud de onda fija de 1064 nm y una duración de pulso de 4 nanosegundos que puede proporcionar hasta 180 mJ/pulso de energía de salida. Esta longitud de onda no es limitativa para el uso de otras longitudes de onda, que también puede emitir este láser como 266 ó 532 nm, u otras longitudes de onda producidas por cualquier otro tipo de láser tanto de estado sólido o gaseosos (láser de nitrógeno, láser de dióxido de carbono, láser de eximeros, láser OPO, etc.) que permita obtener condiciones energéticas suficientes para poder producir un plasma. Por este motivo pueden utilizarse láseres tanto en el ultra violeta, visible o infrarrojo. The device used for the identification and characterization of samples, shown in Figure 1, consists of a pulsed laser (1), in this particular case an Nd: YAG laser has been used working at a frequency of 1 to 20 Hz, a fixed wavelength of 1064 nm and a pulse duration of 4 nanoseconds that can provide up to 180 mJ / pulse of output energy. This wavelength is not limiting for the use of other wavelengths, which can also emit this laser as 266 or 532 nm, or other wavelengths produced by any other type of laser both solid-state or gaseous (nitrogen laser , carbon dioxide laser, eximer laser, OPO laser, etc.) that allows to obtain sufficient energy conditions to produce a plasma. For this reason lasers can be used both in ultra violet, visible or infrared.
Se han utilizado espejos (2) y lentes (3) adecuados a fin de focalizar el haz del láser sobre la muestra (4). La emisión del plasma es colectada utilizando una fibra óptica de 1 metro acoplada al detector, que a su vez es activado por el pulso láser. El detector es un sensor óptico CCD que proporciona 2048 puntos espectrales en un rango de 200 a 1100 nm. La señal del detector es posteriormente comparada con una base espectral almacenada utilizando un sistema de algoritmos matemáticos. Una interfaz gráfica, permite al usuario el control del láser, la observación del espectro de la muestra obtenido, y la representación de los resultados para su evaluación. Appropriate mirrors (2) and lenses (3) have been used in order to focus the laser beam on the sample (4). Plasma emission is collected using a 1 meter optical fiber coupled to the detector, which in turn is activated by the laser pulse. The detector is a CCD optical sensor that provides 2048 spectral points in a range of 200 to 1100 nm. The detector signal is subsequently compared to a spectral base stored using a system of mathematical algorithms. A graphical interface allows the user to control the laser, observe the spectrum of the sample obtained, and the representation of the results for evaluation.
La información espectral correspondiente a la emisión de elementos tales como P, C, Mg, Ca, y Na provee suficiente información para alcanzar la identificación de las muestras y, posteriormente, en el caso de los alimentos, correlacionar los resultados del análisis espectral con las propiedades organolépticas (en el caso de los alimentos) o de calidad de las muestras, previamente determinadas por otros métodos analíticos. The spectral information corresponding to the emission of elements such as P, C, Mg, Ca, and Na provides sufficient information to achieve the identification of the samples and, subsequently, in the case of food, correlate the results of the spectral analysis with the organoleptic properties (in the case of food) or sample quality, previously determined by other analytical methods.
A pesar de que la calidad del espectro y su reproducibilidad pueden variar considerablemente, no afectan a la capacidad del sistema para la identificación de la muestra. Esto es así por dos motivos: primero, el sistema es entrenado con un conjunto de espectros que han sido almacenados usando todas las posibles variaciones de los parámetros de ablación, tales como cambios en la distancia lente-muestra, energía del pulso láser etc. y, segundo, tanto la relación de intensidades y el ancho de cada banda es analizado por la red neuronal lo que hace la discriminación e identificación posible. Although the quality of the spectrum and its reproducibility can vary considerably, they do not affect the ability of the system to identify the sample. This is so for two reasons: first, the system is trained with a set of spectra that have been stored using all possible variations of the ablation parameters, such as changes in the lens-sample distance, laser pulse energy etc. and, second, both the relationship of intensities and the width of each band is analyzed by the neural network which makes discrimination and identification possible.
Con el objeto de crear una base de datos espectral dinámica que recoja las “huellas dactilares” de cada muestra, se utiliza una red neuronal (NN) con conexiones hacia delante, concretamente se trata de un modelo de propagación perceptron (back-propagating perceptron model). La NN empleada consta de tres capas denominadas de entrada, de salida y ocultas, formadas por neuronas (único elemento operativo). La capa de entrada se utiliza sólo para la entrada de la matriz de datos en la NN. En las otras capas, se realizan cálculos no lineares. En la capa oculta, cada neurona recibe señales de otras neuronas de entrada, sumándose éstas mediante la función activación, ecuación 1. Después, el resultado es transformado por la función de transferencia, ecuación 2. Finalmente, el resultado es enviado a las neuronas de salida (neuronas en la capa de salida). In order to create a dynamic spectral database that collects the “fingerprints” of each sample, a neural network (NN) with forward connections is used, specifically it is a perceptron propagation model (back-propagating perceptron model ). The NN used consists of three layers called input, output and hidden, formed by neurons (only operating element). The input layer is used only for the input of the data matrix in the NN. In the other layers, nonlinear calculations are performed. In the hidden layer, each neuron receives signals from other input neurons, adding these through the activation function, equation 1. Then, the result is transformed by the transfer function, equation 2. Finally, the result is sent to the neurons of output (neurons in the output layer).
En las ecuaciones 1 y 2, yie yk representan la salida de las neuronas ocultas (j) y de las neuronas de salida (k) respectivamente, wjk representa el peso entre el jth de las neuronas ocultas y el de las neuronas de salida. Como función de transferencia se ha utilizado el algoritmo tangente hiperbólico sigmoidal, ecuación 2, y el resultado utilizado oscila entre0y1.Los pesos fueron parámetros ajustables de las NN asociados con cada una de las conexiones entre neuronas y estas pueden modificar la señal de comunicación entre éstas. El proceso de optimización de la matriz de pesos de la NN se llevó a cabo mediante el algoritmo de entrenamiento de gradiente escalado conjugado SCG. Este algoritmo fue seleccionado con el fin de prevenir el sobreajuste (violation of Occam’s razor) y el sobreentrenamiento (I.V. Tetko, et al J. Chem. Inf. Coput. Sci. 35, 826 (1995)). El problema del sobreentrenamiento se refiere al hecho de que la red sólo memoriza el conjunto de aprendizaje y pierde su habilidad para generalizar. Por otra parte, el algoritmo SCG, fue desarrollado para entrenamientos rápidos de sistemas de aprendizaje de redes neuronales (H. Demuth et al, Neural Network Toolbox for use whit Matlab User’s guide version 4.0.6. ninth printing revised; The math Works: Natick, MA, 2005). Una importante característica de este tipo de algoritmos de alto rendimiento, es que pueden converger cientos de veces mas rápido que otros tipos de algoritmos, aunque a su vez, consume una gran cantidad de memoria. El SCG minimiza el error de predicción empleando una combinación lineal del error cuadrático medio (MSE), ecuación 3. Esto determina la combinación correcta para producir una red que generalice nuevos datos de entrada dentro del rango de los datos de aprendizaje. In equations 1 and 2, yie and k represent the output of the hidden neurons (j) and the output neurons (k) respectively, wjk represents the weight between the jth of the hidden neurons and that of the output neurons. As a transfer function, the sigmoidal hyperbolic tangent algorithm, equation 2, was used and the result used ranges from 0 to 1. The weights were adjustable parameters of the NNs associated with each of the connections between neurons and these can modify the communication signal between them. . The optimization process of the NN weight matrix was carried out using the SCG conjugate scaled gradient training algorithm. This algorithm was selected in order to prevent over-adjustment (violation of Occam’s razor) and overtraining (I.V. Tetko, et al. J. Chem. Inf. Coput. Sci. 35, 826 (1995)). The problem of overtraining refers to the fact that the network only memorizes the learning set and loses its ability to generalize. On the other hand, the SCG algorithm was developed for rapid training of neural network learning systems (H. Demuth et al, Neural Network Toolbox for use whit Matlab User's guide version 4.0.6. Ninth printing revised; The math Works: Natick , MA, 2005). An important feature of this type of high performance algorithms is that they can converge hundreds of times faster than other types of algorithms, but in turn, consumes a large amount of memory. The SCG minimizes the prediction error by using a linear combination of the mean square error (MSE), equation 3. This determines the correct combination to produce a network that generalizes new input data within the range of the learning data.
En la ecuación 3, N corresponde al número de observaciones, yk, el valor real, rk, las estimaciones en el modelo de NN y k capa de salida de NN, respectivamente. In equation 3, N corresponds to the number of observations, and k, the real value, rk, the estimates in the NN model and k NN output layer, respectively.
Los algoritmos básicos de backpropagation ajustan los pesos en una fuerte pendiente de dirección descendente (valores negativos del gradiente), esto es la dirección en la cual la función de rendimiento disminuye más rápidamente. Resulta que, aunque la función disminuye más rápidamente a lo largo de los valores negativos de la pendiente, esta no produce necesariamente la convergencia más rápida. En el algoritmo de gradiente conjugado, realiza una búsqueda a lo largo de direcciones conjugadas, lo que produce generalmente una convergencia más rápida. (Ver Hagan, M.T., The basic backpropagation algorithms adjust the weights in a steep downward slope (negative gradient values), this is the direction in which the performance function decreases more rapidly. It turns out that, although the function decreases more rapidly along the negative values of the slope, it does not necessarily produce the fastest convergence. In the conjugate gradient algorithm, it performs a search along conjugate directions, which generally produces a faster convergence. (See Hagan, M.T.,
H.B. Demuth, and M.H. Beale, Neural Network Design, Boston, MA: PWS Publishing, 1996. para una discusión mas amplia de los algoritmos de gradiente conjugado). H.B. Demuth, and M.H. Beale, Neural Network Design, Boston, MA: PWS Publishing, 1996. for a broader discussion of conjugate gradient algorithms).
Cada uno de los algoritmos de gradiente conjugado requiere de una línea de búsqueda en cada interacción. Esta línea de búsqueda es computacionalmente costosa, porque requiere que la red dé respuesta a todas las entradas de entrenamiento varias veces para cada búsqueda. El algoritmo de gradiente conjugado desarrollado por Moller [(M.F. Moller, Neural Networks, 6 525 (1993))], fue diseñado para prevenir el consumo de tiempo de la línea de búsqueda. Each of the conjugate gradient algorithms requires a search line in each interaction. This search line is computationally expensive, because it requires the network to respond to all training entries several times for each search. The conjugate gradient algorithm developed by Moller [(M.F. Moller, Neural Networks, 6 525 (1993))], was designed to prevent time-consuming search line.
Todos los algoritmos de gradiente conjugado comienzan con la búsqueda de la dirección descendiente del gradiente (gradiente negativo) en la primera interacción. All conjugate gradient algorithms begin with the search for the descending direction of the gradient (negative gradient) in the first interaction.
Posteriormente, se realiza una línea de búsqueda, para determinar la distancia óptima de movimiento a lo largo de esta dirección de búsqueda: Subsequently, a search line is made, to determine the optimal distance of movement along this search direction:
El procedimiento general para determinar la nueva dirección de búsqueda es la combinación de la nueva pendiente de dirección con la búsqueda anterior: The general procedure to determine the new search address is the combination of the new pending address with the previous search:
Las distintas versiones de los algoritmos de gradiente conjugado se distinguen por la manera en que la constante βk es calculada, para el algoritmo SCG el procedimiento de actualización es: The different versions of the conjugate gradient algorithms are distinguished by the way in which the constant βk is calculated, for the SCG algorithm the update procedure is:
Este algoritmo combina el enfoque de región verdadera (usada en el algoritmo de Levenberg-Marquardt (D. Marquardt, J. Appl. Math. 11, 431-441, (1963)), con la aproximación del gradiente conjugado, (ver Moller, para una explicación detallada de este algoritmo). This algorithm combines the true region approach (used in the Levenberg-Marquardt algorithm (D. Marquardt, J. Appl. Math. 11, 431-441, (1963)), with the conjugate gradient approximation, (see Moller, for a detailed explanation of this algorithm).
La topología de la NN empleada en este trabajo consistió en una capa de entrada con 2048 neuronas para las variables de entrada (espectro LIBS). Una capa oculta (optimizada después) y una capa de salida con dos neuronas para determinar si el reconocimiento es positivo o negativo. Esta topología con una sola capa oculta fue adecuada para resolver los problemas de todas las muestras estudiadas. Cada modelo de NN empleado en este trabajo se diseñó utilizando el programa Matlab, seleccionado por su eficacia en el cálculo vectorial. The topology of the NN used in this work consisted of an input layer with 2048 neurons for the input variables (LIBS spectrum). A hidden layer (optimized later) and an output layer with two neurons to determine if the recognition is positive or negative. This topology with a single hidden layer was adequate to solve the problems of all the samples studied. Each NN model used in this work was designed using the Matlab program, selected for its effectiveness in vector calculation.
Dado que la NN utilizada se basa en el algoritmo supervisado, para optimizar la matriz de pesos es necesario emplear datos de entrada y salida que caractericen adecuadamente el proceso que será modelado. Estos datos han sido tomados directamente de 50 espectros LIBS obtenidos a partir de las muestras. Cada espectro corresponde a un único pulso láser. Tanto las muestras como los datos espectrales obtenidos no tuvieron ningún tipo de tratamiento previo. El conjunto de datos (espectros LIBS de las muestras) fue distribuido al azar en el aprendizaje (80%) y en la verificación (20%) de las muestras, teniendo en cuenta que ningún conjunto de datos o cualquiera de sus réplicas deben ser presentados en la verificación de la muestra. Since the NN used is based on the supervised algorithm, to optimize the weight matrix it is necessary to use input and output data that properly characterize the process that will be modeled. These data have been taken directly from 50 LIBS spectra obtained from the samples. Each spectrum corresponds to a single laser pulse. Both the samples and the spectral data obtained did not have any previous treatment. The data set (LIBS spectra of the samples) was distributed randomly in the learning (80%) and in the verification (20%) of the samples, taking into account that no data set or any of its replicas should be presented in the verification of the sample.
La precisión es la principal característica de un procedimiento de reconocimiento como recurso para la toma de decisión, motivo por el cual, las métricas para evaluar procesos de detección tienen una importancia significativa e involucran la frecuencia relativa de los reconocimientos correctos e incorrectos que hace un observador a partir de los resultados obtenidos. Las medidas básicas son el número de positivos y negativos, (verdaderos y falsos, PV, NV, FP, FN), a partir de los cuales se calculan la sensibilidad y la especificidad de los procesos de detección. Accuracy is the main characteristic of a recognition procedure as a resource for decision-making, which is why the metrics to evaluate detection processes are of significant importance and involve the relative frequency of the correct and incorrect acknowledgments that an observer makes from the results obtained. The basic measures are the number of positive and negative, (true and false, PV, NV, FP, FN), from which the sensitivity and specificity of the detection processes are calculated.
Un positivo verdadero (PV) corresponde a la detección correcta de una sustancia, compuesto o característica en una muestra, cuando esta realmente existe. Un negativo verdadero (NV) corresponde a la detección negativa de una sustancia, compuesto o característica en una muestra cuando efectivamente esta no existe. Las detecciones falsas (PF, NF) corresponden a los casos en los que la detección no corresponde con la realidad de la muestra. A true positive (PV) corresponds to the correct detection of a substance, compound or characteristic in a sample, when it really exists. A true negative (NV) corresponds to the negative detection of a substance, compound or characteristic in a sample when it does not exist. False detections (PF, NF) correspond to cases in which the detection does not correspond to the reality of the sample.
La sensibilidad y la especificidad son dos métricas del desempeño de un proceso de detección que se construyen a partir del número de PV, PF, NV y NF en una muestra de validación. La sensibilidad de un proceso de detección se refiere a la probabilidad de que una sustancia, compuesto o característica sea detectada cuando realmente existe. La sensibilidad se especifica como una fracción entre0y1,oun porcentaje entre 0 y 100. Sensitivity and specificity are two metrics of the performance of a detection process that are constructed from the number of PV, PF, NV and NF in a validation sample. The sensitivity of a detection process refers to the probability that a substance, compound or characteristic is detected when it really exists. Sensitivity is specified as a fraction between 0 and 1, or a percentage between 0 and 100.
La suma de PV y FN corresponde al total de positivos en el proceso de detección así la sensibilidad de un sistema de detección se puede calcular como: The sum of PV and FN corresponds to the total of positives in the detection process so the sensitivity of a detection system can be calculated as:
Sensibilidad = PV/(PV + FN) Sensitivity = PV / (PV + FN)
Una sensibilidad de 1 indica que todas las sustancias, compuestos o características son detectados. La sensibilidad también se denomina Fracción de positivos Verdaderos. A sensitivity of 1 indicates that all substances, compounds or characteristics are detected. Sensitivity is also called True Positive Fraction.
La métrica que complementa a la sensibilidad es la especificidad la cual mide la probabilidad de que un proceso de detección reporte correctamente la no existencia de una sustancia, compuesto o característica cuando efectivamente no existe. La suma de NV y PF corresponde al total de falsos en el proceso de detección así la especificidad en un sistema de detección se puede calcular como: The metric that complements sensitivity is the specificity which measures the probability that a detection process correctly reports the non-existence of a substance, compound or characteristic when it does not exist. The sum of NV and PF corresponds to the total false in the detection process so the specificity in a detection system can be calculated as:
Especificidad = NV/(NV + PF) Speci fi city = NV / (NV + PF)
Una especificidad de 1 indica que nunca se reporta la existencia de una sustancia, compuesto o característica cuando este no existe. La Fracción de Falsos Positivos esta definida como (1-especificidad) y es la fracción de muestras que se reportan equivocadamente. A specificity of 1 indicates that the existence of a substance, compound or characteristic is never reported when it does not exist. The Fraction of Positive False is defined as (1-specificity) and is the fraction of samples that are reported wrongly.
Para evaluar un proceso de detección es necesario tener los valores de sus dos métricas: especificidad y sensibilidad, ya que una sola métrica no puede evaluar correctamente el proceso. Esto debido a que se puede forzar una sensibilidad de 1 si nuestro sistema de detección reporta todos los casos como positivos (a lo que corresponde una especificidad de 0) y también se puede forzar una especificad de 1 si nuestro sistema reporta todos los casos como negativos (a esto corresponde una sensibilidad de 0). To evaluate a detection process it is necessary to have the values of its two metrics: specificity and sensitivity, since a single metric cannot correctly evaluate the process. This is because a sensitivity of 1 can be forced if our detection system reports all cases as positive (which corresponds to a specificity of 0) and a speci fi cation of 1 can also be forced if our system reports all cases as negative. (This corresponds to a sensitivity of 0).
El análisis de la Curva Característica de Operación del Receptor (ROC) (del inglés Receiver Operating Characteristic) desarrollada en el contexto de la detección de señales electrónicas en los inicios de la década de los 50, encontró una importante aplicación en el proceso de toma de decisión médicas. La curva ROC es la herramienta estándar para graficar todas las posibles combinaciones de sensibilidad y especificidad de un proceso de detección. Usualmente se gráfica la Fracción de Positivos Verdaderos (TPF) o sensibilidad en el eje Y, vs la Fracción de Falsos Positivos (FPF) The analysis of the Receiver Operating Characteristic Curve (ROC) developed in the context of the detection of electronic signals in the early 1950s, found an important application in the process of making medical decision The ROC curve is the standard tool for plotting all possible combinations of sensitivity and specificity of a detection process. Usually, the Fraction of True Positives (TPF) or Y-axis sensitivity is plotted, vs the Fraction of False Positives (FPF)
o (1-especificidad) en el eje X. En una curva ROC el punto de operación ideal es la esquina superior izquierda donde TPF=1, FPF=0. or (1-specificity) on the X axis. In an ROC curve the ideal operating point is the upper left corner where TPF = 1, FPF = 0.
El procedimiento de identificación permite la completa separación y por lo tanto su identificación para muestras con matrices muy similares. Las curvas ROC de estas muestras muestran que el procedimiento de identificación, funciona perfectamente, y a todos los efectos prácticos puede considerarse que se resuelven con un 100% de sensibilidad y un 100% especificidad. The identification procedure allows complete separation and therefore its identification for samples with very similar matrices. The ROC curves of these samples show that the identification procedure works perfectly, and for all practical purposes they can be considered to be resolved with 100% sensitivity and 100% specificity.
El interés del análisis va desde la simple identificación de una muestra hasta determinar si posee o no una determinada característica, sensorial, química, física o biológica. Incluyendo la posibilidad de determinar su trazabilidad u origen de la muestra (alimentos o muestras en general). The interest of the analysis ranges from the simple identification of a sample to determine whether or not it has a certain characteristic, sensory, chemical, physical or biological. Including the possibility of determining its traceability or origin of the sample (food or samples in general).
Descripción de las figuras Description of the fi gures
La figura 1 muestra una vista esquematizada del dispositivo comprendiendo tanto el equipo láser (1), los espejos (2), lentes (3), muestra (4), fibra óptica (5), monocromador (6), controlador de retrasos de pulso (7), osciloscopio (8) y ordenador personal (9). Figure 1 shows a schematic view of the device comprising both the laser equipment (1), the mirrors (2), lenses (3), sample (4), optical fiber (5), monochromator (6), pulse delay controller (7), oscilloscope (8) and personal computer (9).
La figura 2 muestra los espectros LIBS de las muestra de aceite clasificadas como oliva1 (a) y oliva2 (b). Figure 2 shows the LIBS spectra of the oil samples classified as olive1 (a) and olive2 (b).
La figura 3 muestra los resultados de la red, los resultados correspondientes a la muestra de oliva1 tienen un valor de 1 (uno) mientras que los resultados correspondientes a la muestra oliva2 tienen un valor de 0 (cero). Figure 3 shows the results of the network, the results corresponding to the olive1 sample have a value of 1 (one) while the results corresponding to the olive2 sample have a value of 0 (zero).
La figura 4 muestra la curva de repuesta ROC de las muestras de oliva. Figure 4 shows the ROC response curve of olive samples.
La figura 5 muestra los espectros LIBS de las muestras de derivados de tomate clasificadas como ketchup (a) y tomate-frito (b). Figure 5 shows the LIBS spectra of the tomato derivative samples classified as ketchup (a) and tomato-fried (b).
La figura 6 muestra los resultados de la red, los resultados correspondientes a la muestra de ketchup tienen un valor de 1 (uno) mientras que los resultados correspondientes a la muestra de tomate-frito tienen un valor de 0 (cero). Figure 6 shows the results of the network, the results corresponding to the ketchup sample have a value of 1 (one) while the results corresponding to the tomato-fried sample have a value of 0 (zero).
La figura 7 muestra la curva de repuesta ROC de las muestras de derivados de tomate. Figure 7 shows the ROC response curve of tomato derivative samples.
La figura 8 muestra los espectros LIBS de las muestras de ketchup clasificadas como ketchup1 (a) y ketchup2 (b). Figure 8 shows the LIBS spectra of the ketchup samples classified as ketchup1 (a) and ketchup2 (b).
La figura 9 muestra los resultados de la red, los resultados correspondientes a la muestra de ketchup1 tienen un valor de 1 (uno) mientras que los resultados correspondientes a la muestra de ketchup2 tienen un valor de 0 (cero). Figure 9 shows the results of the network, the results corresponding to the ketchup1 sample have a value of 1 (one) while the results corresponding to the ketchup2 sample have a value of 0 (zero).
La figura 10 muestra la curva de repuesta ROC de las muestras de ketchup. Figure 10 shows the ROC response curve of ketchup samples.
La figura 11 muestra los espectros LIBS de las muestras de leche infantil de composición similar, clasificadas como leche1 (a) y leche2 (b). Figure 11 shows the LIBS spectra of infant milk samples of similar composition, classified as milk1 (a) and milk2 (b).
La figura 12 muestra los resultados de la red, los resultados correspondientes a la muestra de leche1 tienen un valor de 1 (uno) mientras que los resultados correspondientes a la muestra de leche2 tienen un valor de 0 (cero). Figure 12 shows the results of the network, the results corresponding to the milk sample1 have a value of 1 (one) while the results corresponding to the milk sample2 have a value of 0 (zero).
La figura 13 muestra la curva de repuesta ROC de las muestras de derivados de leche infantil. Figure 13 shows the ROC response curve of infant milk derivative samples.
Modo de realización de la invención Embodiment of the invention
La presente invención se ilustra mediante los siguientes ejemplos que no son en ningún caso limitativo de su alcance, el cual viene definido exclusivamente por la nota reivindicatoria. The present invention is illustrated by the following examples that are not in any case limiting its scope, which is defined exclusively by the claim.
Ejemplo 1 Example 1
Identificación y clasificación de aceites de oliva Identi fi cation and classification of olive oils
Como ejemplo, a fin de identificar una muestra de aceite, se procede a la obtención de espectros LIBS obtenidos de un único disparo láser, procedente de muestras conocidas o identificadas. Un total de 50 pulsos láser de cada muestra son almacenados en una base de datos como huellas digitales de las muestras. A fin de prevenir la radiación de cuerpo negro generada en los primero momentos del plasma se utilizó como tiempo óptimo, un retraso de 10 μs entre el pulso láser y la obtención del espectro en la evolución del plasma. Los espectros de dos muestras de aceite de oliva, por lo tanto con un tipo de matriz muy similar y con una suave diferencia de sabor, fueron clasificadas como muestra de oliva1 y muestra de oliva2, y se muestran en la figura 2. La clasificación realizada por la red NN se muestra en la figura 3. Siendo los primeros 50 puntos correspondientes a la muestra de oliva1 y los restantes a la muestra de oliva2, puede observarse que estas muestras son totalmente separables. La evaluación del procedimiento, curva ROC (figura 4) muestra que el 100% de los espectros han sido clasificados correctamente, aproximando la evaluación realizada a un ideal 100% de sensibilidad y 100% especificidad. As an example, in order to identify an oil sample, LIBS spectra obtained from a single laser shot are obtained from known or identi fi ed samples. A total of 50 laser pulses of each sample are stored in a database as fingerprints of the samples. In order to prevent black body radiation generated in the first moments of the plasma, a delay of 10 μs between the laser pulse and obtaining the spectrum in the evolution of the plasma was used as the optimal time. The spectra of two olive oil samples, therefore with a very similar type of matrix and with a slight difference in flavor, were classified as an olive sample1 and an olive sample2, and are shown in Figure 2. The classification made The NN network is shown in Figure 3. With the first 50 points corresponding to the olive sample1 and the remaining points to the olive sample2, it can be seen that these samples are completely separable. The evaluation of the procedure, ROC curve (Figure 4) shows that 100% of the spectra have been correctly classified, approximating the evaluation to an ideal 100% sensitivity and 100% specificity.
Ejemplo 2 Example 2
Identificación y clasificación de derivados de tomate Identi fi cation and classification of tomato derivatives
Como ejemplo, a fin de identificar diferentes derivados de tomate, este ejemplo es presentado como un ejemplo de la amplia variedad de elementos y sustancias que pueden ser analizados en soluciones o suspensiones en diversos tipos de matrices, como en el caso del zumo de tomate y el cual puede ser extendido a otros tipos de zumos de frutas e incluso a sustancias líquidas como la leche y biológicos como la sangre, extendiendo su aplicación a muestras sólidas minerales, metales, etc. El procedimiento utilizado es similar al ya descrito y donde una muestra del zumo de tomate fue colocada en el portamuestra, posteriormente el haz del láser fue focalizado sobre la superficie de la muestras para la obtención de los espectros LIBS obtenidos de un único disparo láser. Se utilizó como tiempo óptimo, un retraso de 10 μs entre el pulso láser y la obtención del espectro en la evolución del plasma. Los espectros de las muestras de tomate ketchup y tomate frito, fueron clasificadas como ketchup y Tfrito, estos espectros se muestran en la figura 5. La clasificación realizada por la red NN se muestra en la figura 6. Siendo los primeros 50 puntos correspondientes a la muestra de ketchup y los restantes a la muestra de Tfrito, puede observarse que estas muestras son totalmente separables. La evaluación del procedimiento, curva ROC (figura 7) muestra que el 100% de los espectros han sido clasificados correctamente, aproximando la evaluación realizada a un ideal 100% de sensibilidad y 100% especificidad. As an example, in order to identify different tomato derivatives, this example is presented as an example of the wide variety of elements and substances that can be analyzed in solutions or suspensions in various types of matrices, as in the case of tomato juice and which can be extended to other types of fruit juices and even to liquid substances such as milk and biological substances such as blood, extending its application to solid samples of minerals, metals, etc. The procedure used is similar to that already described and where a sample of tomato juice was placed in the sample holder, then the laser beam was focused on the surface of the samples to obtain LIBS spectra obtained from a single laser shot. It was used as optimal time, a delay of 10 μs between the laser pulse and obtaining the spectrum in the evolution of the plasma. The spectra of the ketchup and fried tomato samples were classified as ketchup and Tfrito, these spectra are shown in Figure 5. The classification carried out by the NN network is shown in Figure 6. The first 50 points corresponding to the ketchup sample and the remaining ones to the Tfrito sample, it can be seen that these samples are completely separable. The evaluation of the procedure, ROC curve (Figure 7) shows that 100% of the spectra have been correctly classified, approximating the evaluation to an ideal 100% sensitivity and 100% specificity.
Ejemplo 3 Example 3
Identificación y clasificación de ketchup comercial Identi fi cation and classification of commercial ketchup
Como ejemplo, a fin de identificar diferentes tipos de ketchup de origen comercial, es presentada de capacidad del método utilizado para realizar una correcta identificación y clasificación de dos muestras idénticas, cuya única diferencia es la introducción de una cantidad conocida de caroteno con una concentración inferior a 100 ppm, siendo de esta forma la matriz de ambas muestras exactamente iguales. El procedimiento utilizado es similar al ya descrito y donde las muestra son colocadas en el portamuestra, posteriormente el haz del láser fue focalizado sobre la superficie de la muestras para la obtención de los espectros LIBS obtenidos de un único disparo láser. Se utilizó como tiempo óptimo, un retraso de 10 μs entre el pulso láser y la obtención del espectro en la evolución del plasma. Los espectros de las muestras de tomate ketchup, fueron clasificados como ketchup1 y ketchup2, estos espectros se muestran en la figura As an example, in order to identify different types of ketchup of commercial origin, it is presented with the capacity of the method used to correctly identify and classify two identical samples, whose only difference is the introduction of a known amount of carotene with a lower concentration at 100 ppm, the matrix of both samples being exactly the same. The procedure used is similar to that already described and where the samples are placed in the sample holder, then the laser beam was focused on the surface of the samples to obtain LIBS spectra obtained from a single laser shot. It was used as optimal time, a delay of 10 μs between the laser pulse and obtaining the spectrum in the evolution of the plasma. The spectra of the ketchup tomato samples were classified as ketchup1 and ketchup2, these spectra are shown in the figure
5. La clasificación realizada por la red NN se muestra en la figura 6. Siendo los primeros 50 puntos correspondientes a la muestra de ketchup1 y los restantes a la muestra de ketchup2, puede observarse que estas muestras son totalmente separables. La evaluación del procedimiento, curva ROC (figura 10) muestra que el 100% de los espectros han sido clasificados correctamente, aproximando la evaluación realizada a un ideal 100% de sensibilidad y 100% especificidad. 5. The classification carried out by the NN network is shown in Figure 6. With the first 50 points corresponding to the ketchup1 sample and the remaining points to the ketchup2 sample, it can be seen that these samples are completely separable. The evaluation of the procedure, ROC curve (Figure 10) shows that 100% of the spectra have been correctly classified, approximating the evaluation to an ideal 100% sensitivity and 100% specificity.
Ejemplo 4 Example 4
Identificación y clasificación de productos lácteos (leches infantiles comerciales) Identi fi cation and classification of dairy products (commercial infant milk)
Como ejemplo, a fin de identificar una muestra de leche, este ejemplo es presentado como un ejemplo de la amplia variedad de elementos y sustancias que pueden ser analizados utilizando estos métodos de análisis. El procedimiento utilizado es similar al ya descrito y donde las muestra son colocadas en el portamuestra, posteriormente el haz del láser fue focalizado sobre la superficie de la muestras para la obtención de los espectros LIBS obtenidos de un único disparo láser. Se utilizó como tiempo óptimo, un retraso de 10 μs entre el pulso láser y la obtención del espectro en la evolución del plasma. Los espectros de las muestras de productos lácteos, fueron clasificados como leche1 y leche2, estos espectros se muestran en la figura 11. La clasificación realizada por la red NN se muestra en la figura 12. Siendo los primeros 50 puntos correspondientes a la muestra de leche1 y los restantes a la muestra de leche2, puede observarse que estas muestras son totalmente separables. La evaluación del procedimiento, curva ROC (figura 13) muestra que el 100% de los espectros han sido clasificados correctamente, aproximando la evaluación realizada a un ideal 100% de sensibilidad y 100% especificidad. As an example, in order to identify a milk sample, this example is presented as an example of the wide variety of elements and substances that can be analyzed using these methods of analysis. The procedure used is similar to that already described and where the samples are placed in the sample holder, then the laser beam was focused on the surface of the samples to obtain LIBS spectra obtained from a single laser shot. It was used as optimal time, a delay of 10 μs between the laser pulse and obtaining the spectrum in the evolution of the plasma. The spectra of the samples of dairy products were classified as milk1 and milk2, these spectra are shown in Figure 11. The classification made by the NN network is shown in Figure 12. The first 50 points corresponding to the milk sample1 and those remaining in the milk sample2, it can be seen that these samples are completely separable. The evaluation of the procedure, ROC curve (Figure 13) shows that 100% of the spectra have been correctly classified, approximating the evaluation to an ideal 100% sensitivity and 100% specificity.
Claims (12)
- 1. one.
- Método de análisis para identificación y caracterización instantánea de muestras caracterizado porque comprende: (a) irradiar una muestra empleando un láser focalizado sobre la superficie de una muestra, (b) detectar la radiación producida por los elementos químicos del plasma que se forma en la superficie sobre la que se focaliza el haz láser, obteniendo un espectro único de la muestra, utilizando un analizador óptico (c) comparar la señal del detector con una base espectral dinámica utilizando un sistema de redes neuronales artificiales que incluyen algoritmos matemáticos supervisados. Method of analysis for instantaneous identification and characterization of samples characterized in that it comprises: (a) irradiating a sample using a laser focused on the surface of a sample, (b) detecting the radiation produced by the chemical elements of the plasma that forms on the surface on which the laser beam is focused, obtaining a single spectrum of the sample, using an optical analyzer (c) to compare the detector signal with a dynamic spectral base using a system of artificial neural networks that include supervised mathematical algorithms.
- 2. 2.
- Método de análisis para identificación y caracterización instantánea de muestras, según reivindicación 1, donde el láser es un láser en estado sólido o gaseoso que emite en el rango de ultravioleta, visible o infrarrojo. Method of analysis for instantaneous identification and characterization of samples, according to claim 1, wherein the laser is a solid or gaseous state laser that emits in the ultraviolet, visible or infrared range.
- 3. 3.
- Método de análisis para identificación y caracterización instantánea de muestras, según reivindicaciones 1 y 2, donde el láser es del tipo Nd:YAG trabajando a una frecuencia de 1 a 20 Hz, a una longitud de onda fija de 1064 nm, con una duración de pulso de 4 nanosegundos Method of analysis for instantaneous identification and characterization of samples, according to claims 1 and 2, wherein the laser is of the Nd: YAG type working at a frequency of 1 to 20 Hz, at a fixed wavelength of 1064 nm, with a duration of 4 nanosecond pulse
- 4. Four.
- Método de análisis para identificación y caracterización instantánea de muestras, según reivindicación 1, donde la detección de la radiación producida por los elementos químicos del plasma se realiza a través de un sensor óptico CCD que proporciona 2048 puntos espectrales en un rango de 200 a 1100 nm. Method of analysis for instantaneous identification and characterization of samples, according to claim 1, wherein the detection of the radiation produced by the chemical elements of the plasma is carried out through a CCD optical sensor that provides 2048 spectral points in a range of 200 to 1100 nm .
- 5. 5.
- Método de análisis para identificación y caracterización instantánea de muestras, según reivindicación 1, donde la red neuronal posee conexiones hacia delante basadas en un modelo de propagación perceptron, tres capas (entrada, salida y oculta), una función de transferencia entre capas que utiliza una algoritmo tangente hiperbólico sigmoidal y su matriz de pesos se optimiza mediante el algoritmo de entrenamiento de gradiente escalado conjugado SCG previniendo el sobreajuste y el sobreentrenamiento. Analysis method for instant identification and characterization of samples, according to claim 1, wherein the neural network has forward connections based on a perceptron propagation model, three layers (input, output and hidden), a transfer function between layers that uses a Sigmoidal hyperbolic tangent algorithm and its weight matrix is optimized by the SCG conjugate scaled gradient training algorithm preventing overfitting and overtraining.
- 6. 6.
- Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras que comprende: (a) un equipo láser capaz de producir un proceso de vaporización y posterior formación de un plasma en la superficie de una muestra, Device for instantaneous identification and characterization of samples comprising: (a) laser equipment capable of producing a vaporization process and subsequent formation of a plasma on the surface of a sample,
- 7. 7.
- Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras, según reivindicación 6, donde el láser es un láser en estado sólido o gaseoso que emite en el rango de ultravioleta, visible o infrarrojo. Device for instantaneous identification and characterization of samples, according to claim 6, wherein the laser is a solid or gaseous state laser that emits in the ultraviolet, visible or infrared range.
- 8. 8.
- Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras, según reivindicaciones6y7, donde el láser es del tipo Nd:YAG trabajando a una frecuencia de1a20Hz,auna longitud de onda fija de 1064 nm, con una duración de pulso entre4y5nanosegundos. Device for instantaneous identification and characterization of samples, according to claims 6 and 7, wherein the laser is of the Nd: YAG type working at a frequency of 1 to 20 Hz, at a fixed wavelength of 1064 nm, with a pulse duration between 4 and 5 seconds.
- 9. 9.
- Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras, según reivindicación 6, donde la detección de la radiación producida por los elementos químicos del plasma se realiza a través de un sensor óptico CCD que proporciona 2048 puntos espectrales en un rango de 200 a 1100 nm. Device for instantaneous identification and characterization of samples, according to claim 6, wherein the detection of the radiation produced by the chemical elements of the plasma is carried out through a CCD optical sensor that provides 2048 spectral points in a range of 200 to 1100 nm.
- 10. 10.
- Dispositivo para la identificación y caracterización instantánea de muestras, según reivindicación 6, donde la red neuronal posee conexiones hacia delante basadas en un modelo de propagación perceptron, tres capas (entrada, salida y oculta), una función de transferencia entre capas que utiliza una algoritmo tangente hiperbólico sigmoidal y su matriz de pesos se optimiza mediante el algoritmo de entrenamiento de gradiente escalado conjugado SCG previniendo el sobreajuste y el sobreentrenamiento. Device for instantaneous identification and characterization of samples, according to claim 6, wherein the neural network has forward connections based on a perceptron propagation model, three layers (input, output and hidden), a transfer function between layers using an algorithm Sigmoidal hyperbolic tangent and its weight matrix is optimized by the SCG conjugate scaled gradient training algorithm preventing overfitting and overtraining.
- 11. eleven.
- Uso del dispositivo reivindicado para la determinación espectral cualitativa de compuestos químicos presentes en una muestra y su posterior correlación con propiedades organolépticas o de calidad de dicha muestra en muestras de aguas, alimentos o muestras biológicas, en cualquier estado de la materia (sólido, líquido o gas) previamente determinadas por otros métodos analíticos. Use of the claimed device for the qualitative spectral determination of chemical compounds present in a sample and their subsequent correlation with organoleptic or quality properties of said sample in water, food or biological samples, in any state of matter (solid, liquid or gas) previously determined by other analytical methods.
- Categoría Category
- Documentos citados Reivindicacione s afectadas Documents cited Claims Affected
- X X
- RAMIL, A. et al. Application of artificial neural networks for the rapid classification of archaeological ceramics by means of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). Applied Physics A. Materials Science & Processing. 2008, Vol. 92, Nº 1, páginas 197-202 <DOI: 10.1007/s00339-008-4481-7> 1-4,6-9,11 RAMIL, A. et al. Application of artificial neural networks for the rapid classification of archaeological ceramics by means of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). Applied Physics A. Materials Science & Processing 2008, Vol. 92, No. 1, pages 197-202 <DOI: 10.1007 / s00339-008-4481-7> 1-4.6-9.11
- Y Y
- 5,10 5.10
- Y Y
- MOLLER, M.F. A scaled conjugated gradient algorithm for fast supervised learning. [en línea] 18.02.2005. [Recuperado el 04.11.2010] Recuperado en Internet: <URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/B6T08-4HC1K78-5/2/83389e738f7c78e981d 1addae6bfa827>, resumen. 5,10 MOLLER, M.F. A scaled conjugated gradient algorithm for fast supervised learning. [online] 18.02.2005. [Recovered on 04.11.2010] Recovered on the Internet: <URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/B6T08-4HC1K78-5/2/83389e738f7c78e981d 1addae6bfa827>, summary. 5.10
- A TO
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- X X
- MOTTO-ROS, V. et al. Quantitative multi-elemental laser-induced Breakdown spectroscopy using artificial neural networks. Journal of the European Optical Society – Rapid publications. 2008. Vol. 3, páginas 08011-1 a 08011-5. ISSN 1990-2573. <DOI: 10.2971/jeos.2008.08011> 1-4,6-9,11 MOTTO-ROS, V. et al. Quantitative multi-elementary laser-induced Breakdown spectroscopy using artificial neural networks. Journal of the European Optical Society - Rapid publications. 2008. Vol. 3, pages 08011-1 to 08011-5. ISSN 1990-2573. <DOI: 10.2971 / jeos. 2008.08011> 1-4.6-9.11
- A TO
- Wikipedia (varios autores). Nd: YAG laser. [en línea] 26.04.2009 [recuperado el 04.11.2010] Recuperado en Internet: <URL: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nd:YAG_laser&oldid=286140280> 2,3,7,8 Wikipedia (several authors). Nd: YAG laser. [online] 04/26/2009 [retrieved 04.11.2010] Recovered on the Internet: <URL: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nd:YAG_laser&oldid=286140280> 2,3,7,8
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- GORNUSHKIN, I.B. et al. Identification of Solid Materials by Correlation Analysis Using a Microscopic Laser-Induced Plasma Spectrometer. Analytical Chemistry. 14 de noviembre de 1999. Vol. 71, Nº 22, páginas 5157 a 5164. <DOI: 10.1021/ac9905524> 3,4,8,9 GORNUSHKIN, I.B. et al. Identification of Solid Materials by Correlation Analysis Using a Microscopic Laser-Induced Plasma Spectrometer. Analytical Chemistry November 14, 1999. Vol. 71, No. 22, pages 5157-5164. <DOI: 10.1021 / ac9905524> 3,4,8,9
- X X
- US 2003132142 A1 (KUMAR) 17.07.2003, resumen; párrafos [2-8],[40-50],[63-65],[75-78],[83-86]; figuras 1,2,6,10. 1-4,6-9,11 US 2003132142 A1 (KUMAR) 07.17.2003, summary; paragraphs [2-8], [40-50], [63-65], [75-78], [83-86]; Figures 1,2,6,10. 1-4.6-9.11
- A TO
- Wikipedia (varios autores) Laser-induced breakdown spectroscopy. 02.06.2009 [recuperado el 04.11.2010] Recuperado en Internet: <URL:http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Laserinduced_breakdown_spectroscopy&oldid=293 940191> 4 Wikipedia (several authors) Laser-induced breakdown spectroscopy. 06.02.2009 [retrieved 04.11.2010] Recovered on the Internet: <URL: http: //en.wikipedia.org/w/index.php? Title = Laserinduced_breakdown_spectroscopy & oldid = 293 940191> 4
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 30.03.2011 Date of realization of the report 30.03.2011
- Examinador A. Figuera González Página 1/7 Examiner A. Figuera González Page 1/7
- Categoría Category
- Documentos citados Reivindicaciones afectadas Documents cited Claims Affected
- X X
- SNYDER, E.G. et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for the classification of unknown powders. Applied Optics. 01.11.2008. Vol. 47, Nº 31, páginas G80-G87 <DOI: 10.1364/AO.47.000G80> 1-4,6-9,11 SNYDER, E.G. et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for the classification of unknown powders. Applied Optics 01.11.2008. Vol. 47, No. 31, pages G80-G87 <DOI: 10.1364 / AO.47.000G80> 1-4.6-9.11
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 30.03.2011 Date of realization of the report 30.03.2011
- Examinador A. Figuera González Página 2/7 Examiner A. Figuera González Page 2/7
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones 3 -11 Reivindicaciones 1, 2 SI NO Claims 3-11 Claims 1, 2 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1 -11 SI NO Claims Claims 1-11 IF NOT
- Documento Document
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date
- D01 D01
- RAMIL, A. et al. Application of artificial neural networks for the rapid classification of archaeological ceramics by means of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). Applied Physics A. Materials Science & Processing. Vol. 92, Nº 1, páginas 197-202. 2008 RAMIL, A. et al. Application of artificial neural networks for the rapid classification of archaeological ceramics by means of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). Applied Physics A. Materials Science & Processing Vol. 92, No. 1, pages 197-202. 2008
- D02 D02
- MOLLER, M.F. A scaled conjugated gradient algorithm for fast supervised learning. Resumen. 18.02.2005 MOLLER, M.F. A scaled conjugated gradient algorithm for fast supervised learning. Summary. 02/18/2005
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- SNYDER, E.G. et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for the classification of unknown powders. Applied Optics. Vol.47, Nº 31, páginas G80-G87. 01.11.2008 SNYDER, E.G. et al. Laser-induced breakdown spectroscopy for the classification of unknown powders. Applied Optics Vol. 47, No. 31, pages G80-G87. 01.11.2008
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