El estudio de la interacción entre la materia y la radiación electromagnética se conoce como espectroscopia. Históricamente, la espectroscopia se originó a través del estudio de la luz visible dispersa según su longitud de onda, por un prisma. Los datos espectroscópicos a menudo están representados por un espectro de emisión, una gráfica de la respuesta de interés en función de la longitud de onda o la frecuencia.
La espectroscopia, principalmente en el espectro electromagnético, es una herramienta exploratoria fundamental en los campos de la física, la química y la astronomía. Permite investigar la composición, la estructura física y la estructura electrónica de la materia a escala atómica, molecular, macroescala, así como a distancias astronómicas. Se derivan aplicaciones importantes de la espectroscopia biomédica en las áreas de análisis de tejidos e imágenes médicas.
Inteligencia Artificial para Espectroscopia (ARTIST) es un nuevo enfoque de la espectroscopia que utiliza la inteligencia artificial (IA) para acelerar el análisis espectroscópico de materiales y el descubrimiento de nuevas moléculas o materiales, y determina instantáneamente cómo una molécula reaccionará a la luz.
ARTIST fue desarrollado por investigadores de la Universidad de Aalto y la Universidad Técnica de Dinamarca para ayudar a acelerar el desarrollo de nuevas tecnologías, desde electrónica portátil hasta paneles solares flexibles.
El uso de IA (inteligencia artificial) ARTIST puede determinar rápidamente los espectros de moléculas individuales. «Normalmente, para encontrar las mejores moléculas para dispositivos, tenemos que combinar el conocimiento previo con cierto grado de intuición química», dijo la investigadora Milica Todorovic. «Comprobar sus espectros individuales es entonces un proceso de ensayo y error que puede estirar semanas o meses, dependiendo del número de moléculas que podrían encajar en el trabajo. Nuestra IA le da estas propiedades al instante.» El equipo considera que ARTIST es el primer paso hacia la construcción de un espectroscopista de IA para cosechar la riqueza de datos espectroscópicos ya disponibles.
ARTIST se basa en redes neuronales profundas (DNN) hechas a medida que aprenden moléculas orgánicas. Las DNN pueden predecir las posiciones máximas de los espectros de ionización molecular con un error promedio tan bajo como 0.19 eV y el peso espectral dentro del 3 por ciento. Las DNN deducen los espectros directamente de la estructura molecular y no requieren entrada auxiliar. Los investigadores dijeron que las predicciones hechas por las DNN son rápidas (unos pocos milisegundos para una sola molécula), lo que podría facilitar su aplicación a grandes bases de datos y cribado de alto rendimiento.
ARTIST puede ayudar a hacer predicciones para un nuevo conjunto de datos de más de 132.000 moléculas orgánicas. Durante la investigación, se utilizó para hacer predicciones para un nuevo conjunto de datos de moléculas orgánicas que no se utilizó en el entrenamiento de las DNN. Fue capaz de hacer predicciones de espectros para 10.000 moléculas sin costo adicional en relación con los cálculos.
«Enormes cantidades de información de espectroscopia se sentan en laboratorios de todo el mundo», dijo el profesor Patrick Rinke. «Queremos seguir entrenando ARTIST con otros grandes conjuntos de datos para que pueda aprender de algún día continuamente a medida que llegan más y más datos».
ARTIST tiene el potencial de acelerar el desarrollo de la electrónica flexible, incluyendo LEDs y papel con capacidades similares a pantallas. Como herramienta complementaria a la investigación básica y la caracterización, ARTIST también podría ayudar a crear nuevos compuestos.
Estas son algunas otras formas en las que se utiliza la espectroscopia:
- Monitorización de la curación de compuestos mediante fibras ópticas
- Estimar los tiempos de exposición de la madera desgastada utilizando espectroscopia infrarroja cercana
- Medición de diferentes compuestos en muestras de alimentos por espectroscopia de absorción tanto en espectro visible como infrarrojo
- Medición de compuestos tóxicos en muestras de sangre
- Análisis elemental no destructivo por fluorescencia de rayos X
- Investigación de estructura electrónica con varios espectroscopios
Para asegurarse de que la información se transmite correctamente a los investigadores dentro de su campo particular de disciplina, es imperativo que el diseño de la lente sea de la más alta calidad posible. El equipo de ingeniería, junto con el departamento de fabricación de Universe Optics trabajará con sus desarrolladores para crear la lente de precisión necesaria para su diseño.