Investigation of a Deep Learning-Assisted Workflow for the Analysis of Per-And Polyfluoroalkyl Substances in Environmental Matrices
Postery | 2025 | Agilent Technologies | ASMSInstrumentace
Per- a polyfluoroalkylové látky (PFAS) patří mezi vysoce perzistentní organické polutanty, které se kumulují v životním prostředí (voda, půda, vzduch) i v potravinách. Jejich detekce a kvantifikace v stopových koncentracích je klíčová pro ochranu zdraví a dodržení regulačních limitů. Konvenční chromatografické techniky spojené s hmotnostní spektrometrií (LC-MS/MS, GC-MS/MS) disponují vysokou citlivostí, avšak manuální integrace chromatografických píků zůstává časově náročná a citlivá na chyby.
Cílem prezentované studie bylo navrhnout a otestovat workflow, které kombinuje tradiční LC-MS/MS analýzu PFAS s modely hlubokého učení (CNN, transformer). Výzkum zahrnoval:
Datové sady zahrnovaly vzorky vody, půdy a biotických matric analyzované na LC-MS/MS přístrojích Agilent Infinity III 1290 UHPLC spojeném s 6495D Triple Quadrupole MS v režimu MRM. Workflow bylo rozděleno na dva režimy:
Nově bylo zavedeno označení AI flag, které indikuje způsob integrace píku (vestavěný integrátor, model, manuálně) a AI confidence score pro hodnocení spolehlivosti na úrovni každého analyzovaného PFAS.
Modely dosáhly vysoké přesnosti integrace:
Výkonnostní testy prokázaly dramatické zkrácení doby revize dat:
Automatizované asistované integrace pomocí hlubokého učení:
Další rozvoj se zaměří na:
Studie prokázala, že asistované workflow s hlubokými neuronovými sítěmi významně redukuje manuální zásahy při analýze PFAS v režimu LC-MS/MS MRM. Modely dosahují vysoké přesnosti integrace, snižují dobu zpracování až desetinásobně a přinášejí reprodukovatelnost výsledků na expertní úrovni.
1. United States Environmental Protection Agency. Method 1633: Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances in Aqueous, Solid, Biosolids, and Tissue Samples by LC-MS/MS; 4th draft, December 2024.
2. AOAC International. Standard Method Performance Requirements for Per- and Polyfluoroalkyl Substances in Produce, Beverages, Dairy Products, Eggs, Seafood, Meat Products, and Feed (SMPR 2023.003); 2023.
3. Krizhevsky A., Sutskever I., Hinton G.E. ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks. arXiv:1505.04597; 2012.
4. Dosovitskiy A. et al. An Image is Worth 16×16 Words: Transformers for Image Recognition at Scale. arXiv:1910.11162; 2020.
5. Perslev M. et al. U-Net for Multi-Species Single-Fish Tracking. npj Digital Medicine, 4, 72 (2021).
6. Baltrušaitis T. et al. Multimodal Machine Learning: A Survey and Taxonomy. arXiv:1803.01271; 2018.
7. Zhou Y. et al. Self-Supervised Learning for Audio-Visual Data. arXiv:2105.15203; 2021.
Software, LC/MS, LC/MS/MS, LC/QQQ
ZaměřeníŽivotní prostředí
VýrobceAgilent Technologies
Souhrn
Význam tématu
Per- a polyfluoroalkylové látky (PFAS) patří mezi vysoce perzistentní organické polutanty, které se kumulují v životním prostředí (voda, půda, vzduch) i v potravinách. Jejich detekce a kvantifikace v stopových koncentracích je klíčová pro ochranu zdraví a dodržení regulačních limitů. Konvenční chromatografické techniky spojené s hmotnostní spektrometrií (LC-MS/MS, GC-MS/MS) disponují vysokou citlivostí, avšak manuální integrace chromatografických píků zůstává časově náročná a citlivá na chyby.
Cíle a přehled studie
Cílem prezentované studie bylo navrhnout a otestovat workflow, které kombinuje tradiční LC-MS/MS analýzu PFAS s modely hlubokého učení (CNN, transformer). Výzkum zahrnoval:
- Shromáždění dvou interních datových sad podle metodiky EPA 1633 a AOAC SMPR 2023.003.
- Implementaci tréninkového a predikčního režimu v softwaru Agilent MassHunter Quantitative Analysis.
- Srovnání výkonnosti klasické manuální integrace vs. automatizované integrace asistované hlubokým učením.
Použitá metodika a instrumentace
Datové sady zahrnovaly vzorky vody, půdy a biotických matric analyzované na LC-MS/MS přístrojích Agilent Infinity III 1290 UHPLC spojeném s 6495D Triple Quadrupole MS v režimu MRM. Workflow bylo rozděleno na dva režimy:
- Trénink: Analýza a manuální integrace pomocí MassHunter Quantitative Analysis (v. 12.1), extrakce metadat (posun retenčních časů, korelace kvantifikátor-kvalifikátor).
- Predikce: Aplikace natrénovaných CNN a transformer modelů lokálně bez nutnosti manuálního zásahu.
Hlavní výsledky a diskuse
Nově bylo zavedeno označení AI flag, které indikuje způsob integrace píku (vestavěný integrátor, model, manuálně) a AI confidence score pro hodnocení spolehlivosti na úrovni každého analyzovaného PFAS.
Modely dosáhly vysoké přesnosti integrace:
- F1 skóre, PPV a NPV stabilně nad 0,95 po 20 tréninkových epochách.
- Schopnost správně integrovat komplikované píky u raně eluujících látek, izomerů a ve vzorcích s vysokou úrovní rušení maticí.
Výkonnostní testy prokázaly dramatické zkrácení doby revize dat:
- Průměrný čas predikce: 5–6 s na vzorek oproti 60–120 s při konvenční manuální integraci.
Přínosy a praktické využití metody
Automatizované asistované integrace pomocí hlubokého učení:
- Výrazně zkracují dobu analýzy a zvyšují laboratorní propustnost.
- Zajišťují konzistentní a reprodukovatelné výsledky nezávisle na operátorovi.
- Minimalizují riziko chyb vznikajících při manuální kontrole.
Budoucí trendy a možnosti využití
Další rozvoj se zaměří na:
- Integraci modelů do laboratorních informačních systémů (LIMS) pro plně automatizovaný provoz.
- Rozšíření přístupu na jiné třídy analytů (pesticidy, farmaka, metabolity).
- Využití federovaného učení pro sdílení modelů mezi laboratořemi bez výměny citlivých dat.
- Real-time zpracování dat přímo během běhu chromatografu.
Závěr
Studie prokázala, že asistované workflow s hlubokými neuronovými sítěmi významně redukuje manuální zásahy při analýze PFAS v režimu LC-MS/MS MRM. Modely dosahují vysoké přesnosti integrace, snižují dobu zpracování až desetinásobně a přinášejí reprodukovatelnost výsledků na expertní úrovni.
Reference
1. United States Environmental Protection Agency. Method 1633: Analysis of Per- and Polyfluoroalkyl Substances in Aqueous, Solid, Biosolids, and Tissue Samples by LC-MS/MS; 4th draft, December 2024.
2. AOAC International. Standard Method Performance Requirements for Per- and Polyfluoroalkyl Substances in Produce, Beverages, Dairy Products, Eggs, Seafood, Meat Products, and Feed (SMPR 2023.003); 2023.
3. Krizhevsky A., Sutskever I., Hinton G.E. ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks. arXiv:1505.04597; 2012.
4. Dosovitskiy A. et al. An Image is Worth 16×16 Words: Transformers for Image Recognition at Scale. arXiv:1910.11162; 2020.
5. Perslev M. et al. U-Net for Multi-Species Single-Fish Tracking. npj Digital Medicine, 4, 72 (2021).
6. Baltrušaitis T. et al. Multimodal Machine Learning: A Survey and Taxonomy. arXiv:1803.01271; 2018.
7. Zhou Y. et al. Self-Supervised Learning for Audio-Visual Data. arXiv:2105.15203; 2021.
Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.
Podobná PDF
Efficient Data Analysis with Peakintelligence - Application for Analyzing Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS)
2024|Shimadzu|Aplikace
High Performance Liquid Chromatograph Mass Spectrometer LCMS™-8045/8050/8060RX Application News Efficient Data Analysis with Peakintelligence™ —Application for Analyzing Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS)— Takanari Hattori and Hiroyuki Niwa User Benefits Peakintelligence peak integration software substantially reduces the time and effort…
Klíčová slova
peakintelligence, peakintelligencetrained, trainedintegration, integrationpfas, pfasalgorithms, algorithmsprevious, previousfalsely, falselypeak, peakfalse, falsedetections, detectionsdata, dataprocess, processmodel, modelmachine, machinelearning
Enhanced identity spectrum search with AI/ML confidence scoring for HRAM data
2025|Thermo Fisher Scientific|Postery
Enhanced identity spectrum search with AI/ML confidence scoring for HRAM data Gábor Zsemlye1, Rajesh k. Jha 2, Maria Falaq 2, Juraj Lutišan1, Marynka Ulaszewska3, Samuel Benkovič1, Tim Stratton4, Michal Raab1 1 Thermo Fisher Scientific, Bratislava, Slovakia; 2 Thermo Fisher Scientific,…
Klíčová slova
ranking, rankingmzcloud, mzcloudlibrary, libraryshapley, shapleyquery, queryspectral, spectralhit, hitconfidence, confidencemodel, modelcosine, cosineautoprocessed, autoprocessedspectra, spectratrue, truecompound, compoundscoring
Deep learning methods applied tothe analysis of metabolomics data
2019|Shimadzu|Postery
PO-CON1857E Deep learning methods applied to the analysis of metabolomics data ASMS 2019 WP 389 Shinji Kanazawa1,3,4, Yohei Yamada1, Hiroyuki Yasuda1, Akihiro Kunisawa1,3, Toru Shiohama1, Shigeki Kajihara1, Norio Mukai1, Masaki Kakisako2, Go Fujisawa2, Yuzuru Yamakage2, Junko Iida1,3, Eiichiro Fukusaki5, Fumio…
Klíčová slova
learning, learningdeep, deepmetabolomics, metabolomicsapplied, appliedrecall, recallmethods, methodsbaseline, baselinepeak, peakdata, datapositive, positivefalse, falseaugmentation, augmentationtrue, truederivation, derivationalgorithms
Agilent MassHunter Quantitative Data Analysis - Batch Table, Compound Information Setup, Calibration Curve and Globals Settings
2018|Agilent Technologies|Prezentace
Agilent MassHunter Quantitative Data Analysis Presenters: Howard Sanford Stephen Harnos MassHunter Quantitation: Batch Table, Compound Information Setup, Calibration Curve and Globals Settings MassHunter Webinar Series 1/17/2018 1 MassHunter Quantitative Software Review and Quant Method Optimization Topics • Brief Review •…
Klíčová slova
webinar, webinarmasshunter, masshunterseries, seriesglobals, globalsglance, glancebatch, batchcompound, compoundtable, tablesettings, settingscurve, curvelayout, layoutintegration, integrationassistant, assistantoutliers, outlierscompounds