JP7580962B2 - Information processing device, control method for information processing device, and program - Google Patents
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Description
本発明は、情報処理装置、情報処理装置の制御方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to an information processing device, a control method for an information processing device, and a program.
所望の機械的、物理的、及び化学的性質を持った樹脂を調製するために、さまざまな添加剤が樹脂に添加されている。そのため、樹脂に添加された添加剤の濃度を知ることは、品質管理や材料設計において重要である。 Various additives are added to resins to prepare them with the desired mechanical, physical, and chemical properties. Therefore, knowing the concentration of additives added to resins is important for quality control and material design.
添加剤の分析方法としては、樹脂に添加された添加剤を抽出・分離し、紫外線検出器、赤外線検出器、質量分析装置などの分析装置を用いて分析する方法、添加剤が付着した樹脂そのものを直接分析する方法などが挙げられる。 Methods for analyzing additives include extracting and separating the additives added to the resin and analyzing them using analytical equipment such as an ultraviolet detector, an infrared detector, or a mass spectrometer, and directly analyzing the resin itself to which the additives are attached.
樹脂に添加された添加剤を抽出・分離する方法としては、溶剤を用いて添加剤を溶解・抽出し、液体クロマトグラフィーで添加剤を分離する方法、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で添加剤を含む低分子量成分を分離する方法などが挙げられる。しかし、このような方法は、テトラヒドロフランやクロロホルムなどの有機溶剤を使用するため、環境負荷や作業者の安全衛生の面で好ましくない。 Methods for extracting and separating additives added to resins include dissolving and extracting the additives using a solvent and then separating the additives using liquid chromatography, and separating low molecular weight components containing the additives using size exclusion chromatography (SEC). However, these methods are undesirable in terms of environmental impact and worker safety and health, as they use organic solvents such as tetrahydrofuran and chloroform.
添加剤が付着した樹脂そのものを直接分析する方法としては、ダイナミック二次イオン質量分析法(Dynamic SIMS法)、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS法)などの二次イオン質量分析法が挙げられる。Dynamic SIMS法は、固体試料にイオンビームを連続的に照射して不純物の深さ方向における分布を得る手法である。一方、TOF-SIMS法は、固体試料にDynamic SIMS法よりも少ない量のイオンビームを照射して固体試料の表面に存在する元素及び分子の情報を得る手法である(特許文献1及び2参照)。ここで、TOF-SIMS法の原理について、詳細に説明する。 Methods for directly analyzing the resin itself to which additives are attached include secondary ion mass spectrometry such as dynamic secondary ion mass spectrometry (Dynamic SIMS) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). Dynamic SIMS is a method for continuously irradiating a solid sample with an ion beam to obtain the distribution of impurities in the depth direction. On the other hand, TOF-SIMS is a method for irradiating a solid sample with a smaller amount of ion beam than the Dynamic SIMS method to obtain information on elements and molecules present on the surface of the solid sample (see Patent Documents 1 and 2). Here, the principle of TOF-SIMS will be explained in detail.
高真空中で固体試料にイオンビーム(一次イオン)を照射すると、固体試料表面の構成成分が真空中に放出される。この過程で発生する正又は負の電荷を帯びたイオン(二次イオン)を、電場によって一方向に収束し、一定距離だけ離れた位置で検出する。固体試料表面の組成に応じて、さまざまな質量を持った二次イオンが発生するが、一定の電界中では、質量の小さいイオンほど速く、質量の大きいイオンほど遅く飛行する。そのため、二次イオンが発生してから検出器に到達するまでの時間(飛行時間)を測定することで、発生した二次イオンの質量を分析することができる。 When a solid sample is irradiated with an ion beam (primary ions) in a high vacuum, the components of the solid sample surface are released into the vacuum. Positively or negatively charged ions (secondary ions) generated during this process are converged in one direction by an electric field and detected at a certain distance away. Secondary ions with various masses are generated depending on the composition of the solid sample surface, but in a certain electric field, ions with smaller masses fly faster and ions with larger masses fly slower. Therefore, the mass of the secondary ions generated can be analyzed by measuring the time from when the secondary ions are generated until they reach the detector (time of flight).
TOF-SIMS法は、ppmオーダー、すなわち1011atoms/cm2の成分を検出できること、有機物・無機物のいずれにも適用可能であること、固体試料の表面から1nm以下の深さに存在する成分の測定が可能であることなどのメリットを有する。しかし、この方法では、固体試料そのものを直接分析するため、得られるスペクトルには夾雑物のピークが混ざりやすい。また、構成成分の二次イオンへのなりやすさ(イオン化効率)は、固体試料表面の形状や電荷のわずかな違いによる影響を受けやすく、固体試料の測定箇所に応じて二次イオン強度がばらつきやすい(非特許文献1及び2参照)。さらに、二次イオン強度は、固体試料の種類や組成の違いの影響を受けやすい。したがって、TOF-SIMS法により得られるスペクトルは煩雑になりやすく、二次イオン強度のみから固体試料の情報を得るのに時間を要する。そこで、固体試料(樹脂)の情報を得るために、機械学習を利用してTOF-SIMS法により得られるスペクトルを解析する方法が検討されている(非特許文献3参照)。 The TOF-SIMS method has the advantages of being able to detect components on the order of ppm, i.e., 10 11 atoms/cm 2, being applicable to both organic and inorganic substances, and being able to measure components present at a depth of 1 nm or less from the surface of a solid sample. However, in this method, since the solid sample itself is directly analyzed, the peaks of impurities are likely to be mixed into the spectrum obtained. In addition, the ease with which components become secondary ions (ionization efficiency) is easily affected by slight differences in the shape and charge of the solid sample surface, and the secondary ion intensity is likely to vary depending on the measurement point of the solid sample (see Non-Patent Documents 1 and 2). Furthermore, the secondary ion intensity is easily affected by differences in the type and composition of the solid sample. Therefore, the spectrum obtained by the TOF-SIMS method is likely to be complicated, and it takes time to obtain information on the solid sample from only the secondary ion intensity. Therefore, in order to obtain information on the solid sample (resin), a method of analyzing the spectrum obtained by the TOF-SIMS method using machine learning has been considered (see Non-Patent Document 3).
上記の通り、固体試料(樹脂)の情報を得るために、機械学習を利用してTOF-SIMS法により得られるスペクトルを解析する方法が検討されている(非特許文献3参照)。しかし、固体試料(樹脂)に付着した付着物(以下「測定対象物質」として記載する場合がある)の定量的な情報を得るために、TOF-SIMS法により得られるスペクトルを簡便、かつ、高精度に解析する方法についてはこれまで検討されてこなかった。 As described above, methods of analyzing spectra obtained by TOF-SIMS using machine learning to obtain information on solid samples (resins) have been investigated (see Non-Patent Document 3). However, no methods have been investigated so far for easily and highly accurately analyzing spectra obtained by TOF-SIMS to obtain quantitative information on the attachments (hereinafter sometimes referred to as "measurement target substances") attached to solid samples (resins).
したがって、本発明の目的は、固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報から、目的試料中の測定対象物質の定量的な情報を簡便、かつ、高精度に解析できる情報処理装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、前記情報処理装置の制御方法、及びプログラムを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an information processing device that can easily and accurately analyze quantitative information of a substance to be measured in a target sample from spectral information of the sample that contains a solid sample and the substance to be measured. Another object of the present invention is to provide a control method and program for the information processing device.
本発明の情報処理装置は、固体試料のスペクトル情報、及び前記固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報を学習モデルに入力することにより推定された、目的試料中の前記測定対象物質の定量的な情報を取得する情報取得手段を有する情報処理装置であって、前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得されることを特徴とする。 The information processing device of the present invention is an information processing device having an information acquisition means for acquiring quantitative information of the target substance in a target sample, which is estimated by inputting spectral information of a solid sample and spectral information of a sample containing the solid sample and the target substance into a learning model, and is characterized in that the spectral information is acquired by secondary ion mass spectrometry.
また、本発明の情報処理装置の制御方法は、固体試料のスペクトル情報、及び前記固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報を学習モデルに入力することにより推定された、目的試料中の前記測定対象物質の定量的な情報を取得する情報取得工程を有する情報処理装置の制御方法であって、前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得されることを特徴とする。 The control method for an information processing device of the present invention is a control method for an information processing device having an information acquisition step of acquiring quantitative information of the measured substance in a target sample, the quantitative information being estimated by inputting spectral information of a solid sample and spectral information of a sample containing the solid sample and the measured substance into a learning model, and is characterized in that the spectral information is acquired by secondary ion mass spectrometry.
本発明によれば、固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報から、目的試料中の測定対象物質の定量的な情報を簡便、かつ、高精度に解析できる情報処理装置、前記情報処理装置の制御方法、及びプログラムを提供することにある。 The present invention provides an information processing device that can easily and accurately analyze quantitative information on a substance to be measured in a target sample from spectral information of the sample that contains a solid sample and the substance to be measured, as well as a control method and program for the information processing device.
以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態(実施形態)について説明する。但し、本発明の範囲は以下で説明する各実施形態に限定されるものではない。 Below, the form (embodiment) for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the scope of the present invention is not limited to each of the embodiments described below.
本発明において、固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報から、目的試料中の測定対象物質の定量的な情報を簡便、かつ、高精度に解析するためには、以下の情報処理装置を用いる。情報処理装置は、固体試料のスペクトル情報、及び固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報を学習モデルに入力することにより推定された、目的試料中の測定対象物質の定量的な情報を取得する情報取得手段を有する。また、これらのスペクトル情報は、二次イオン質量分析により取得される。 In the present invention, the following information processing device is used to easily and accurately analyze quantitative information on the target substance in a target sample from the spectral information of a sample containing a solid sample and the target substance. The information processing device has an information acquisition means for acquiring quantitative information on the target substance in a target sample, which is estimated by inputting the spectral information of the solid sample and the spectral information of a sample containing a solid sample and the target substance into a learning model. In addition, this spectral information is acquired by secondary ion mass spectrometry.
これにより、試料中の測定対象物質の濃度や量と同じ濃度や量のスペクトル情報を準備して学習モデルに入力する必要がなく、目的試料中の測定対象物質の濃度や量が未知の場合であっても、測定対象物質の濃度や量を分析することが可能となる。 This eliminates the need to prepare and input into the learning model spectral information with the same concentration and amount as the target substance in the sample, making it possible to analyze the concentration and amount of the target substance even if the concentration and amount of the target substance in the target sample are unknown.
(試料)
試料は、固体試料と測定対象物質とを含む。
(sample)
The sample includes a solid sample and a substance to be measured.
〔固体試料〕
固体試料としては、樹脂、シリコン基板、及び銅箔からなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、樹脂を含むことが好ましい。樹脂は、不飽和カルボン酸エステル類に由来するユニットを有することが好ましく、アルキル(メタ)アクリレート類に由来するユニットを有することがさらに好ましい。ここで、ユニットとは、1の単量体に由来する繰り返し単位のことを指すものとする。
[Solid sample]
The solid sample preferably includes at least one selected from the group consisting of a resin, a silicon substrate, and a copper foil, and more preferably includes a resin. The resin preferably has a unit derived from an unsaturated carboxylic acid ester, and more preferably has a unit derived from an alkyl (meth)acrylate. Here, the unit refers to a repeating unit derived from one monomer.
〔測定対象物質〕
測定対象物質は、固体試料に添加された添加剤や固体試料に付着する付着物であることが好ましい。測定対象物質としては、可塑剤、増粘剤、減粘剤、結晶核剤、結晶化促進剤、結晶化遅延剤、離型剤、難燃剤、難燃助剤、熱分解防止剤、補強剤、導電材、帯電防止剤、熱伝導剤、酸化防止剤、耐候防止剤、紫外線吸収剤、抗菌剤、着色剤、ガスバリア剤、防曇り剤、防反射剤、防汚剤、不純物などが挙げられる。なかでも、測定対象物質は、可塑剤であることが好ましい。可塑剤としては、界面活性剤などが挙げられる。
[Measurement target substance]
The measurement target substance is preferably an additive added to a solid sample or an attachment attached to a solid sample. Examples of the measurement target substance include plasticizers, thickeners, viscosity reducers, crystal nucleating agents, crystallization promoters, crystallization retarders, release agents, flame retardant agents, flame retardant assistants, thermal decomposition inhibitors, reinforcing agents, conductive materials, antistatic agents, thermal conductive agents, antioxidants, weathering inhibitors, ultraviolet absorbers, antibacterial agents, colorants, gas barrier agents, antifogging agents, antireflective agents, antifouling agents, and impurities. Among these, the measurement target substance is preferably a plasticizer. Examples of the plasticizer include surfactants.
固体試料を構成する元素群と、前記測定対象物質とを構成する元素群とは同じであることが好ましい。固体試料を構成する元素群と、測定対象物質とを構成する元素群は、炭素原子、水素原子、酸素原子、及び窒素原子からなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。 It is preferable that the group of elements constituting the solid sample and the group of elements constituting the substance to be measured are the same. It is preferable that the group of elements constituting the solid sample and the group of elements constituting the substance to be measured include at least one element selected from the group consisting of carbon atoms, hydrogen atoms, oxygen atoms, and nitrogen atoms.
(定量的な情報)
本実施形態における定量的な情報としては、試料中の測定対象物質の量、試料中の測定対象物質の濃度、試料中の測定対象物質の有無などが挙げられる。また、その他の定量的な情報としては、測定対象物質の基準量に対する、試料中の測定対象物質の量又は濃度の比率、試料中の測定対象物質の量又は濃度の比率などが挙げられる。
(Quantitative information)
In this embodiment, the quantitative information includes the amount of the target substance in the sample, the concentration of the target substance in the sample, the presence or absence of the target substance in the sample, etc. In addition, other quantitative information includes the ratio of the amount or concentration of the target substance in the sample to a reference amount of the target substance, the ratio of the amount or concentration of the target substance in the sample, etc.
(スペクトル情報)
本実施形態におけるスペクトル情報としては、二次イオン質量分析法により取得されるものである。二次イオン質量分析法としては、Dynamic SIMS法、TOF-SIMS法などが挙げられる。なかでも、二次イオン質量分析法として、TOF-SIMS法を用いることが好ましい。
(Spectral information)
The spectrum information in this embodiment is acquired by secondary ion mass spectrometry. Examples of the secondary ion mass spectrometry include Dynamic SIMS and TOF-SIMS. Of these, it is preferable to use TOF-SIMS as the secondary ion mass spectrometry.
(情報処理システム、情報処理装置)
次に、図1を用いて、本実施形態における情報処理システムを説明する。図1は、本実施形態に係る情報処理装置を含む情報処理システムの全体構成を示す図である。
(Information processing system, information processing device)
Next, an information processing system according to this embodiment will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is a diagram showing the overall configuration of an information processing system including an information processing device according to this embodiment.
情報処理システムは、情報処理装置10とデータベース22と分析装置23とを含んでいる。情報処理装置10とデータベース22とは、通信手段を介して互いに通信可接続されている。本実施形態においては、通信手段はLAN(Local Area Network)21で構成される。また、情報処理装置10と分析装置23とは、USB(Universal Serial Bus)などの規格の通信手段で接続されている。なお、LANは、有線LANでも無線LANでもよいし、WAN(Wide Area Network)であってもよい。また、USBはLANであってもよい。
The information processing system includes an
データベース22は、分析装置23による分析によって取得されたスペクトル情報を管理する。また、データベース22は、後述する学習モデル生成部42により生成された学習モデル(学習済みモデル)を管理する。情報処理装置10は、データベース22で管理されたスペクトル情報や学習モデルを、LAN21を介して取得する。
The
(学習モデル)
本実施形態における学習モデルとは、回帰学習モデルであり、深層学習などの機械学習によって生成されたものを用いることができる。機械学習アルゴリズムに教師データを用いて学習を行い、適切な予測が行えるように構築したものをここでは学習モデルと呼ぶ。学習モデルに用いる機械学習アルゴリズムには多様な種類がある。例えば、ニューラルネットワークを用いた深層学習を使用することができる。ニューラルネットワークは、入力層、出力層、及び複数の隠れ層から構成され、各層は、活性化関数と呼ばれる計算式で結合されている。ラベル(入力に対応する出力)付き教師データを用いる場合、入力と出力の関係が成り立つように活性化関数の係数を決定していく。複数の教師データを用いて係数を決定することで、高精度で入力に対する出力を予測できる学習モデルを生成することができる。
(Learning model)
The learning model in this embodiment is a regression learning model, and can be generated by machine learning such as deep learning. A learning model is a model constructed by learning a machine learning algorithm using teacher data and making appropriate predictions. There are various types of machine learning algorithms used in the learning model. For example, deep learning using a neural network can be used. A neural network is composed of an input layer, an output layer, and multiple hidden layers, and each layer is connected by a formula called an activation function. When using teacher data with labels (output corresponding to input), the coefficients of the activation function are determined so that the relationship between the input and the output is established. By determining the coefficients using multiple teacher data, a learning model that can predict the output for the input with high accuracy can be generated.
(分析装置)
分析装置23は、試料や固体試料などを分析するための装置である。分析装置23は、分析手段の一例に相当する。なお、前述したように、本実施形態では、情報処理装置10と分析装置23とが通信可能に接続されている。しかし、情報処理装置10の内部に分析装置23を備える形態であってもよいし、分析装置23の内部に情報処理装置10を備える形態であってもよい。さらに、不揮発メモリなどの記録媒体を介して分析結果(スペクトル情報)を分析装置23から情報処理装置10へ受け渡す形態であってもよい。
(Analytical Equipment)
The
本実施形態における分析装置23は、二次イオン質量分析法によりスペクトル情報を取得できるものであれば利用できる。二次イオン質量分析法によりスペクトル情報を取得できる装置としては、飛行時間型二次イオン質量分析装置(TOF-SIMS)などが挙げられる。以下、TOF-SIMSについて詳細に説明する。
The
TOF-SIMSは、試料にイオンビーム(一次イオン)を照射すると、試料表面から元素や分子が放出する。一次イオンとしては、Ga+、In+、Au+、Bi3+などが挙げられる。この一次イオンは、幅が0.7nsec以下、繰り返し周波数が数kHzから50kHzのパルスに成形されて、試料に照射される。そして、引き出し電場によって試料から引き出された二次イオンがグリットと検出器との間の無電場空間を一定速度で飛行した後、飛行時間型質量分析計で検出される。その際の飛行速度が2次イオンの質量により異なるため、飛行時間型質量分析計への到達時間の差により、質量分析を行う。なお、反射型飛行時間型質量分析計は、反射型のフライト(ドリフト)チューブを使用して、2mの距離を飛行する時間により、質量分析を行う。 In TOF-SIMS, when a sample is irradiated with an ion beam (primary ions), elements and molecules are released from the sample surface. Examples of primary ions include Ga + , In + , Au + , and Bi 3+ . The primary ions are shaped into pulses with a width of 0.7 nsec or less and a repetition frequency of several kHz to 50 kHz, and then irradiated onto the sample. Secondary ions extracted from the sample by the extraction electric field fly at a constant speed in the field-free space between the grid and the detector, and are then detected by a time-of-flight mass spectrometer. Since the flight speed at that time differs depending on the mass of the secondary ions, mass analysis is performed based on the difference in the arrival time to the time-of-flight mass spectrometer. The reflection type time-of-flight mass spectrometer uses a reflection type flight (drift) tube to perform mass analysis based on the time it takes to fly a distance of 2 m.
情報処理装置10は、その機能的な構成として、通信IF31、ROM32、RAM33、記憶部34、操作部35、表示部36、及び制御部37を具備する。
The
通信IF(Interface)31は、例えば、LANカード及びUSBのインターフェースカードで実現される。通信IF31は、LAN21とUSBを介した外部装置(例えば、データベース22と分析装置23)と情報処理装置10との間の通信を司る。ROM(Read Only Memory)32は、不揮発性のメモリなどで実現され、各種プログラムなどを記憶する。RAM(Random Access Memory)33は、揮発性のメモリなどで実現され、各種情報を一時的に記憶する。記憶部34は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)などで実現され、各種情報を記憶する。操作部35は、例えば、キーボードやマウスなどで実現され、ユーザからの指示を装置内に入力する。表示部36は、例えば、ディスプレイなどで実現され、各種情報をユーザに向けて表示する。操作部35や表示部36は、制御部37からの制御により、GUI(Graphical User Interface)としての機能を提供する。
The communication IF (Interface) 31 is realized, for example, by a LAN card and a USB interface card. The communication IF 31 manages communication between the
(制御部)
制御部37は、例えば、少なくとも1つのCPU(Central Processing Unit)などで実現され、情報処理装置10における処理を統括制御する。制御部37は、その機能的な構成として、スペクトル情報取得部41、学習モデル生成部42、学習モデル取得部43、推定部44、情報取得部45、及び表示制御部46を具備する。
(Control Unit)
The
(スペクトル情報取得部41)
スペクトル情報取得部41は、固体試料と測定対象物質とを含む目的試料の分析結果、具体的には目的試料のスペクトル情報を分析装置23から取得する。なお、あらかじめ分析結果が格納されたデータベース22から、目的試料のスペクトル情報を取得してもよい。また、同様に固体試料のスペクトル情報、及び固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報を取得する。この固体試料のスペクトル情報は、固体物質が単一で存在した場合のスペクトル情報である。固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報は、例えば、試料中の測定対象物質の含有量が0.2%、0.4%などと異なる量の測定対象物質を含む複数種の試料を用意し、各試料から得られるスペクトル情報のことである。
(Spectral information acquisition unit 41)
The spectral
そして、スペクトル情報取得部41は、取得した試料のスペクトル情報を推定部44に出力する。また、取得した試料のスペクトル情報、及び固体試料のスペクトル情報を学習モデル生成部42に出力する。
Then, the spectral
(学習モデル生成部42)
学習モデル生成部42は、スペクトル情報取得部41が取得した固体試料、及び試料のスペクトル情報を用いて教師データを生成する。そして、学習モデル生成部42は、教師データを用いて深層学習を実行し、学習モデルを生成する。教師データの生成及び学習モデルの生成に関する詳細な説明は、後述する。そして、学習モデル生成部42は、生成した学習モデルを学習モデル取得部43へ出力する。なお、学習モデル生成部42は、生成した学習モデルをデータベース22へ出力してもよい。
(Learning model generation unit 42)
The learning
(学習モデル取得部43)
学習モデル取得部43は、学習モデル生成部42が生成した学習モデルを取得する。なお、学習モデルがデータベース22に格納されている場合には、学習モデル取得部43は、データベース22から学習モデルを取得する。そして、学習モデル取得部43は、取得した学習モデルを推定部44へ出力する。
(Learning model acquisition unit 43)
The learning
(推定部44)
推定部44は、学習モデル取得部43が取得した学習モデルに、スペクトル情報取得部41が取得した目的試料のスペクトル情報を入力することにより、目的試料に含まれる測定対象物質の定量的な情報を学習モデルに推定させる。そして、推定部44は、推定された定量的な情報を、情報取得部45へ出力する。推定部44は、目的試料のスペクトル情報を学習モデルに入力することにより、測定対象物質の定量的な情報を推定する推定手段の一例に相当する。
(Estimation unit 44)
The
(情報取得部45)
情報取得部45は、学習モデルが推定した定量的な情報を取得する。すなわち、情報取得部45は、目的試料のスペクトル情報を学習モデルに入力することにより推定された、測定対象物質の定量的な情報を取得する情報取得手段の一例に相当する。そして、情報取得部45は、取得した定量的な情報を表示制御部46へ出力する。
(Information Acquisition Unit 45)
The
(表示制御部46)
表示制御部46は、情報取得部45が取得した定量的な情報を表示部36に表示させる。表示制御部46は、表示制御手段の一例に相当する。
(Display control unit 46)
The
なお、制御部37が具備する各部の少なくとも一部は、独立した装置として実現してもよい。また、それぞれが機能を実現するソフトウェアとして実現してもよい。この場合、機能を実現するソフトウェアは、クラウドをはじめとするネットワークを介したサーバ上で動作してもよい。本実施形態では各部はローカル環境におけるソフトウェアによりそれぞれ実現されているものとする。
Note that at least some of the components of the
また、図1に示す情報処理システムの構成はあくまで一例である。例えば、情報処理装置10の記憶部34がデータベース22の機能を具備し、記憶部34が各種情報を保持してもよい。
The configuration of the information processing system shown in FIG. 1 is merely an example. For example, the
次に、図2を用いて、本実施形態における学習モデル生成の処理手順を説明する。図2は、本実施形態に係る学習モデルの生成に関する処理手順のフローチャートの一例を示す図である。 Next, the processing procedure for generating a learning model in this embodiment will be described with reference to FIG. 2. FIG. 2 is a diagram showing an example of a flowchart of the processing procedure for generating a learning model according to this embodiment.
(S201:固体試料単体、及び固体試料と測定対象物質とを含む試料を分析)
まず、分析装置23は、固体試料単体、及び固体試料と測定対象物質とを含む試料を分析する(ステップS1)。分析条件は、感度や分析時間などの観点から適宜選択すればよい。固体試料と測定対象物質とを含む試料を分析する場合は、測定対象物質の濃度を何通りか変化させて分析する。どの程度の数が必要であるかは、物質の性質などによっても異なるが、一般的に3点以上変化させることが好ましい。測定対象物質が複数種ある場合は、それぞれ分析することが好ましいが、測定対象物質同士の信号が十分に分離できる場合は、同時に測定してもよい。
(S201: Analyze a solid sample alone and a sample containing a solid sample and a substance to be measured)
First, the
そして、分析装置23は、取得したスペクトル情報を情報処理装置10に出力する。情報処理装置10は、分析装置23からスペクトル情報を受信し、RAM33又は記憶部34に保持する。スペクトル情報取得部41は、こうして保持されたスペクトル情報を取得する。
Then, the
なお、前述したように、分析結果であるスペクトル情報は、データベース22が保持してもよい。この場合、スペクトル情報取得部41は、データベース22からスペクトル情報を取得する。また、分析装置23が被検物質を分析するタイミングは、ステップS3におけるスペクトル情報の選択よりも前に実行されれば、どのようなタイミングであってもよい。
As described above, the spectral information resulting from the analysis may be stored in the
(S202:教師データを生成)
学習モデル生成部42は、ステップS201で得られた固体試料単体、及び固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報を用いて、教師データを生成する。その際、第1のスペクトル情報、及び第2のスペクトル情報に基づいて、教師データを生成する。以下、第1のスペクトル情報、及び第2のスペクトル情報を詳細に説明する。
(S202: Generate teacher data)
The learning
第1のスペクトル情報とは、固体試料単体のスペクトル情報、固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報、及びノイズスペクトルを用いて作成されたスペクトル情報のことである。 The first spectral information refers to spectral information of the solid sample alone, spectral information of a sample containing a solid sample and a substance to be measured, and spectral information created using a noise spectrum.
第2のスペクトル情報とは、第1のスペクトル情報群から抽出された、測定対象物質の濃度が異なる試料のスペクトル情報から作成されるものである。具体的には、測定対象物質に関して、その濃度が、抽出された2つの第1のスペクトル情報の濃度の間に含まれるものである。以下、作成したスペクトルを人工スペクトル、このスペクトルの作成方法を濃度補間と記載する。 The second spectral information is created from the spectral information of samples with different concentrations of the substance to be measured, extracted from the first spectral information group. Specifically, the concentration of the substance to be measured is between the concentrations of the two extracted first spectral information. Hereinafter, the created spectrum will be referred to as an artificial spectrum, and the method of creating this spectrum will be referred to as concentration interpolation.
次に、ノイズ付与を行った教師データ作成方法について述べる。スペクトル情報は、各フラグメントで測定されたイオン強度、又はm/zの所定の範囲内のフラグメントが持つイオン強度の合計で除算し正規化されたイオン強度からなるもので、その数値は、分子量mをイオン価数zで除算したm/zごとに測定されている。 Next, we will explain how to create training data with noise added. Spectral information consists of the ion intensity measured for each fragment, or the ion intensity normalized by dividing by the sum of the ion intensities of fragments within a specified m/z range, and the numerical value is measured for each m/z obtained by dividing the molecular weight m by the ion charge z.
測定対象物質のスペクトル情報におけるイオン強度は、固体試料及び測定対象物質を含む試料のスペクトル情報のm/zが10.0以上のフラグメントイオン強度の合計に対して、7×105未満であることが好ましい。測定対象物質のスペクトル情報のイオン強度が7×105未満と小さい場合でも、本実施形態に係る情報処理装置を用いれば、簡便、かつ、高精度に測定対象物質の定量的な情報を得ることが可能となる。 The ion intensity in the spectral information of the target substance is preferably less than 7×10 5 relative to the sum of the fragment ion intensities with m/z of 10.0 or more in the spectral information of the solid sample and the sample containing the target substance. Even when the ion intensity of the spectral information of the target substance is as small as less than 7×10 5 , it is possible to easily and highly accurately obtain quantitative information of the target substance by using the information processing device according to this embodiment.
m/zが10.0未満のフラグメントは、水素原子や1から2個の他の原子から構成されるため、多量に存在し、イオン強度が過大になる。そのため、m/zが10.0以上のフラグメントの変化が軽視されてしまう。そのためm/zが10.0以上スペクトル情報のみを扱うことが望ましい。 Fragments with m/z less than 10.0 are composed of hydrogen atoms and one or two other atoms, so they are present in large quantities and have excessive ionic strength. As a result, changes in fragments with m/z greater than 10.0 are overlooked. For this reason, it is desirable to handle only spectral information with m/z greater than 10.0.
一方、取り扱うフラグメントのm/zの最大値は、測定対象物の分子量程度とすると精度が良い。しかしm/zの最大値が大きいと取り扱う教師データ量が増え、学習時間を長くしてしまうので、この最大値は期待する予測精度に合わせてユーザが自分で設定可能とされていることが好ましい。また、実施例で後述するように、m/zの最大値(m/zの範囲)が大きいほど、測定対象物質の濃度の予測精度が高く、m/zの最大値(m/zの範囲)が小さいほど、測定対象物質の濃度の予測精度が低い。一方、m/zの最大値(m/zの範囲)が大きいほど、予測するための計算時間が長く、m/zの最大値(m/zの範囲)が小さいほど、予測するための計算時間が短い。したがって、ユーザが求める予測精度と結果を得る際に要する計算時間を考慮して、ユーザがm/zの最大値(もしくはm/zの範囲)を設定するための設定部(不図示)を有していてもよい。または、ユーザが求める予測精度と結果を得る際に要する計算時間から、自動でm/zの最大値(もしくはm/zの範囲)を設定できる構成であってもよい。m/zの範囲を設定する場合、m/zの最小値、及び最大値の少なくともいずれか一方を設定できるようにしておくことができる。さらに、m/zの最小値、最大値、及び範囲の少なくともいずれか1つを表示部に表示させる表示制御部を有していてもよい。 On the other hand, the maximum m/z value of the fragments to be handled is accurate if it is set to the molecular weight of the object to be measured. However, if the maximum m/z value is large, the amount of teacher data to be handled increases, and the learning time is lengthened, so it is preferable that the maximum value can be set by the user according to the expected prediction accuracy. Also, as described later in the embodiment, the larger the maximum m/z value (m/z range), the higher the prediction accuracy of the concentration of the substance to be measured, and the smaller the maximum m/z value (m/z range), the lower the prediction accuracy of the concentration of the substance to be measured. On the other hand, the larger the maximum m/z value (m/z range), the longer the calculation time for prediction, and the smaller the maximum m/z value (m/z range), the shorter the calculation time for prediction. Therefore, the device may have a setting unit (not shown) for the user to set the maximum m/z value (or the m/z range) taking into account the prediction accuracy desired by the user and the calculation time required to obtain the result. Alternatively, the device may be configured to automatically set the maximum m/z value (or the m/z range) based on the prediction accuracy desired by the user and the calculation time required to obtain the result. When setting the m/z range, at least one of the minimum and maximum values of m/z can be set. Furthermore, the device may have a display control unit that displays at least one of the minimum, maximum, and range of m/z on the display unit.
本実施形態においては、固体試料単体のスペクトル情報において、それぞれのイオン強度に0.1から5.0の間の任意の数値を乗算する。この任意の数値を乗算したスペクトルをノイズスペクトルとし、また、この乗算作業をノイズ付与と記載する。次に、固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報のうち、同じm/z値を持つイオン強度と乗算した値を平均した値、イオン強度と任意の数値を乗算した値との平均値、又は最も大きい値をもって新たに作成したイオン強度とする。この作業をすべてのm/zに対して行い、第1のスペクトル情報とする。 In this embodiment, in the spectral information of the solid sample alone, each ion intensity is multiplied by an arbitrary numerical value between 0.1 and 5.0. The spectrum multiplied by this arbitrary numerical value is called a noise spectrum, and this multiplication process is described as adding noise. Next, a new ion intensity is created by averaging values multiplied by ion intensities having the same m/z value, averaging values multiplied by an arbitrary numerical value, or using the largest value in the spectral information of a sample containing a solid sample and a substance to be measured. This process is performed for all m/z values, and the first spectral information is created.
教師データの生成において濃度補間とノイズ付与は、どちらを先に行ってもよい。 When generating training data, it is up to you to perform either density interpolation or noise addition first.
(S203:学習モデルを生成)
生成した教師データを用いて、所定のアルゴリズムに従った機械学習を実施して学習モデルを構築する(ステップS203)。具体的な学習の手法としては、たとえば、一般的な機械学習手法であるニューラルネットワークやサポートベクターマシンなどを用いてもよい。また、隠れ層が多層になった深層学習手法として、DNN(ディープニューラルネットワーク)やCNN(コンボリューショナルニューラルネットワーク)などを用いてもよい。測定対象物質が複数種ある場合には、それぞれの物質に対して学習モデルを生成する。そして、学習モデル生成部42は、RAM33、記憶部34、又はデータベース22に、生成した学習モデルを格納する。
(S203: Generate learning model)
Using the generated teacher data, machine learning according to a predetermined algorithm is performed to construct a learning model (step S203). As a specific learning method, for example, a neural network or a support vector machine, which is a general machine learning method, may be used. In addition, as a deep learning method with multiple hidden layers, a deep neural network (DNN) or a convolutional neural network (CNN) may be used. When there are multiple substances to be measured, a learning model is generated for each substance. Then, the learning
以上のようにして、固体試料単体、及び固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報に基づいて、目的試料に含まれる測定対象物質の定量的な情報を推定する学習モデルを生成する。 In this way, a learning model is generated that estimates quantitative information about the target substance contained in the target sample based on the spectral information of the solid sample alone and the sample containing the solid sample and the target substance.
次に、定量的な情報を表示する方法について、説明する。図3は、本実施形態に係る定量的な情報を表示する処理手順のフローチャートの一例を示す図である。 Next, a method for displaying quantitative information will be described. FIG. 3 is a diagram showing an example of a flowchart of a processing procedure for displaying quantitative information according to this embodiment.
(S301:目的試料を分析)
分析装置23は、固体試料と測定対象物質とを含む目的試料を分析し、目的試料のスペクトル情報を取得する。分析条件は、前述したステップ201と同一の条件とする。そして、分析装置23は、取得したスペクトル情報を情報処理装置10に出力する。情報処理装置10は分析装置23からスペクトル情報を受信し、RAM33又は記憶部34に保持する。スペクトル情報取得部41は、こうして保持されたスペクトル情報を取得する。なお、前述したように、分析結果であるスペクトル情報は、データベース22が保持してもよい。この場合、スペクトル情報取得部41は、データベース22からスペクトル情報を取得する。また、分析装置23が試料を分析するタイミングは、ステップS302における定量的な情報の推定よりも前に実行されれば、どのようなタイミングであってもよい。
(S301: Analyze the target sample)
The
(S302:定量的な情報を推定)
学習モデル取得部43は、RAM33、記憶部34、又はデータベース22に格納された学習モデルを取得する。そして、推定部44は、取得された学習モデルに、ステップS301で取得された目的試料のスペクトル情報を入力することにより、目的試料に含まれる測定対象物質の定量的な情報を推定させる。また、必要に応じて、推定部44は、推定された定量的な情報を、表示部36において表示する形式に換算する。表示部36において表示する形式としては、g/L、mol/Lなどの濃度でもよいし、基準量(標準量)に対する割合でもよい。学習モデルにより推定される値がこれらの表示形式であれば、換算する必要はない。そして、情報取得部45は、推定された定量的な情報を推定部44から取得し、RAM33又は記憶部34に格納する。
(S302: Estimate quantitative information)
The learning
(S303:定量的な情報を表示)
表示制御部46は、ステップ302で学習モデルにより推定された、目的試料に含まれる測定対象物質の定量的な情報を表示部36に表示させる。その際、グラフ形式や表形式に整理して表示してもよい。図7に、表示部36に表示された画面(ウィンドウ)の一例を示す。さらに、“高い”、“低い”など推定濃度の数値に応じて、そのレベルを表示してもよい。
(S303: Display quantitative information)
The
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention can also be realized by supplying a program that realizes one or more of the functions of the above-mentioned embodiments to a system or device via a network or storage medium, and having one or more processors in the computer of the system or device read and execute the program. It can also be realized by a circuit (e.g., an ASIC) that realizes one or more functions.
<実施例>
以下に、実施例および比較例を挙げて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<Example>
The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
[固体試料の作製]
モノマーとしてのメチルメタクリレートと、架橋剤としてのトリメチロールプロパンメタクリレート(いずれも東京化成工業製)を49.5gずつ混合した。さらに、混合した溶液に、重合開始剤としてのOmnirad 819(IGM Resins B.V.製)を1g添加した。次に、得られた溶液から1gを分取し、ミキサー(あわとり練太郎 AR-100、シンキー製)を用いて、5分間撹拌した。そして、撹拌した溶液から0.3gを分取し、フッ素樹脂フィルム(ネオフロンPFAフィルム、ダイキン工業製)で挟み、水銀ランプ(UL750 HOYA製)をフッ素樹脂フィルムの30cm遠方から5分間照射した。これにより、光硬化樹脂が得られ、これを固体試料とした。
Example 1
[Preparation of solid samples]
Methyl methacrylate as a monomer and trimethylolpropane methacrylate as a crosslinking agent (both manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were mixed in amounts of 49.5 g each. Furthermore, 1 g of Omnirad 819 (manufactured by IGM Resins B.V.) as a polymerization initiator was added to the mixed solution. Next, 1 g was taken from the obtained solution and stirred for 5 minutes using a mixer (Thinky Mixer AR-100). Then, 0.3 g was taken from the stirred solution and sandwiched between fluororesin films (Neoflon PFA film, manufactured by Daikin Industries), and mercury lamps (UL750 manufactured by HOYA) were irradiated from a distance of 30 cm from the fluororesin film for 5 minutes. This resulted in a photocured resin, which was used as a solid sample.
[固体試料と測定対象物質とを含む試料の作製]
固体試料の作製において得られた撹拌した液体から1gを分取し、可塑剤としての界面活性剤(アセチレノールE100、川研ファインケミカル製)0.001gを添加した。これにより、測定対象物質である界面活性剤が0.1%含む試料を作製した。なお、界面活性剤を添加して得られた溶液から光硬化樹脂を得る方法は、固体試料の作製と同様の方法である。
[Preparation of a sample containing a solid sample and a substance to be measured]
1 g of the stirred liquid obtained in the preparation of the solid sample was taken, and 0.001 g of a surfactant (Acetylenol E100, manufactured by Kawaken Fine Chemicals) was added as a plasticizer. This produced a sample containing 0.1% of the surfactant, which is the substance to be measured. The method for obtaining a photocurable resin from the solution obtained by adding the surfactant was the same as that for preparing the solid sample.
さらに、界面活性剤の添加量を変更することで、測定対象物質である界面活性剤がそれぞれ0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、10.0%含む試料を作製した。界面活性剤の添加量を変更したこと以外は、界面活性剤が0.1%含む試料の作製方法と同様の方法で試料を作製した。 Furthermore, by changing the amount of surfactant added, samples containing 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, 1.0%, and 10.0% of the surfactant, the substance to be measured, were prepared. Apart from changing the amount of surfactant added, the samples were prepared in the same manner as the sample containing 0.1% surfactant.
[TOF-SIMS法による測定]
作製した固体試料、及び固体試料と測定対象物質とを含む試料をそれぞれ1cm角の正方形に切り出し、以下の条件でTOF-SIMS法による測定を行った。
測定機種:TOF-SIMS5(ION-TOF製)
一次イオン種:Bi3+
一次イオン電流:0.4pA(Pulse電流)
一次イオンエネルギー:25keV
測定モード:Bunching Mode(バンチングモード)
検出範囲:1~800amu
電子銃:帯電補正用電子銃使用
測定真空度:7×10-8Pa
測定領域:300μm×300μm
測定点数:測定領域内の128×128点
積算:16回測定モード ネガティブイオン
測定回数:各試料に対しそれぞれ6回
[Measurement by TOF-SIMS method]
The prepared solid sample and a sample containing the solid sample and the substance to be measured were each cut into a 1 cm square, and measurement was performed by TOF-SIMS under the following conditions.
Measurement model: TOF-SIMS5 (ION-TOF)
Primary ion species: Bi
Primary ion current: 0.4 pA (Pulse current)
Primary ion energy: 25 keV
Measurement mode: Bunching Mode
Detection range: 1 to 800 amu
Electron gun: Electron gun for charge correction used Measured vacuum level: 7×10 −8 Pa
Measurement area: 300μm x 300μm
Number of measurement points: 128 x 128 points within the measurement area. Accumulation: 16 times. Measurement mode: Negative ions. Number of measurements: 6 times for each sample.
以上の測定により図4に記載のスペクトル群を得た。図4は、固体試料、及び固体試料と測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報の一例である。 The above measurements yielded the group of spectra shown in Figure 4. Figure 4 shows an example of spectral information for a solid sample and a sample containing a solid sample and a substance to be measured.
(比較例1)
前記固体試料単体のスペクトルと測定対象物質を10.0%含むスペクトルとを比較し、測定対象物質由来のフラグメントを推定した。このフラグメントのイオン強度とm/zが10~700までの全フラグメントのイオン強度の合計で正規化した値を表1に記載した。m/zが10未満のフラグメントを除外したのは、この範囲のフラグメント(例えば、H+)のイオン強度は、他のフラグメントのイオン強度に比べて大きすぎるため、その測定誤差が正規化後の値の精度に大きな影響を与えてしまうからである。
(Comparative Example 1)
The spectrum of the solid sample alone was compared with a spectrum containing 10.0% of the substance to be measured, and the fragments derived from the substance to be measured were estimated. The ion intensities of these fragments and values normalized by the sum of the ion intensities of all fragments with m/z of 10 to 700 are shown in Table 1. Fragments with m/z less than 10 were excluded because the ion intensities of fragments in this range (e.g., H + ) are too large compared to the ion intensities of other fragments, and the measurement error thereof would have a significant effect on the accuracy of the normalized value.
次に、図5において、フラグメントについての固体試料中の測定対象物質の含有量を比較したが、各フラグメントのイオン強度は、濃度増加に伴い増加する傾向を示しておらず、検量線の作成は難しかった。その理由は、以下の通りである。 Next, in Figure 5, the content of the target substance in the solid sample was compared for the fragments, but the ion intensity of each fragment did not show a tendency to increase with increasing concentration, making it difficult to create a calibration curve. The reasons for this are as follows.
固体試料から得られたフラグメントのイオン強度は、約7.0×10-5未満である。そして、固体試料と測定対象物質とを含む試料から得られたフラグメントのイオン強度も、約7.0×10-5未満である。そのため、測定対象物質から放出したフラグメント情報が固体試料から放出したフラグメント情報のバラつきのなかに埋もれてしまった。その結果、人の力による定量分析は難しいとの結果を得た。 The ion intensity of the fragments obtained from the solid sample is less than about 7.0×10 −5 . The ion intensity of the fragments obtained from the sample containing the solid sample and the substance to be measured is also less than about 7.0×10 −5 . Therefore, the fragment information released from the substance to be measured is buried in the variation in the fragment information released from the solid sample. As a result, it was found that quantitative analysis by human effort is difficult.
(実施例2)
教師データの作成方法については、図6のフローチャートに基づいて説明する。
Example 2
A method for creating the teacher data will be described with reference to the flowchart of FIG.
[実施例2におけるノイズ付与による教師データの作成]
実施例1で測定されたスペクトル情報を用いて、下記の方法で作成した。
[Creation of training data by adding noise in Example 2]
Using the spectral information measured in Example 1, it was prepared in the following manner.
固体試料単体のスペクトル(計6組)のイオン強度をm/z毎に比較し、最も高い値を持つイオン強度を抽出した。これら最高値を持つイオン強度をm/zが10から700まで組み合わせた上で、各m/z毎に0.1から5.0の間でランダムに選ばれた任意の数値を掛け合わせてノイズスペクトルを作成した。 The ion intensities of the spectra of the solid sample alone (six sets in total) were compared for each m/z, and the ion intensities with the highest values were extracted. These highest ion intensities were combined for m/z values from 10 to 700, and then multiplied by any randomly selected value between 0.1 and 5.0 for each m/z value to create a noise spectrum.
次にこのノイズスペクトルと固体試料単体のスペクトルのイオン強度をm/z毎に比較し、最も高い値を持つイオン強度を抽出した。これら最高値を持つイオン強度群をm/zが10から700まで組み合わせた人工スペクトルを作成した。
Next, the ion intensities of this noise spectrum and the spectrum of the solid sample alone were compared for each m/z, and the ion intensities with the highest values were extracted. An artificial spectrum was created by combining the groups of ion intensities with the highest values from m/
以上の作業を6組ある固体試料単体のスペクトルそれぞれに対し10回行い、測定対象物質を含まない人工スペクトルからなる教師データを計60組作成した。なお、任意の数値は毎回新しい値に更新している(ステップ:S401)。 The above procedure was repeated 10 times for each of the six sets of spectra for the solid samples, resulting in a total of 60 sets of training data consisting of artificial spectra that do not contain the substance to be measured. Note that the arbitrary values were updated to new values each time (step: S401).
さらに、ノイズスペクトルと、測定対象物質を0.2%含む試料のスペクトルに対し、イオン強度をm/z毎に比べ、最も高い値を持つイオン強度を抽出した。これら最高値を持つイオン強度群をm/zが10.0から700.0まで組み合わせた人工スペクトルを作成した。この作業を6組ある測定対象物質を0.2%含む試料のスペクトルそれぞれに対し10回行い、測定対象物質を0.2%含む試料の人工スペクトルからなる教師データを計60組作成した(ステップ:S402)。 Furthermore, the ion intensity was compared for each m/z for the noise spectrum and the spectrum of the sample containing 0.2% of the substance to be measured, and the ion intensity with the highest value was extracted. An artificial spectrum was created by combining the ion intensity groups with the highest values from m/z 10.0 to 700.0. This process was performed 10 times for each of the six sets of spectra of samples containing 0.2% of the substance to be measured, and a total of 60 sets of training data consisting of artificial spectra of samples containing 0.2% of the substance to be measured were created (step: S402).
次に、測定対象物質をそれぞれ0.6%、1.0%含むスペクトルに関しても、測定対象物質を0.2%含む試料の人工スペクトルからなる教師データの作成と同様な作業を行い、それぞれ60組の教師データを作成した。 Next, for the spectra containing 0.6% and 1.0% of the target substance, a similar process was carried out to create training data consisting of artificial spectra of samples containing 0.2% of the target substance, and 60 sets of training data were created for each.
以上より、第1のスペクトル群から、計240組の教師データを作成した(ステップ:S403とS404)。 As a result, a total of 240 sets of training data were created from the first group of spectra (steps: S403 and S404).
[濃度補間による教師データの作成]
固体試料単体のスペクトルからなる教師データ(計60組)と、測定対象物質を0.2%含む固体試料のスペクトルからなる教師データ(計60組)の中から、それぞれスペクトル1つずつ抽出した。さらに、各m/z毎に計算式(1)~(3)を用い、測定対象物質を0.05%、0.1%、0.15%を含む試料のスペクトル(人工スペクトル)を作成した。
[Creating training data by density interpolation]
One spectrum was extracted from each of the teacher data (60 sets in total) consisting of the spectrum of the solid sample alone and the teacher data (60 sets in total) consisting of the spectrum of the solid sample containing 0.2% of the target substance. Furthermore, using formulas (1) to (3) for each m/z, spectra (artificial spectra) of samples containing 0.05%, 0.1%, and 0.15% of the target substance were created.
ここで、I0は、固体試料単体のスペクトルからなる教師データのイオン強度であり、Inは、測定対象物質をn%含むスペクトルのイオン強度である。以上の作業を、固体試料単体のスペクトルからなる教師データを60組と測定対象物質を0.2%含む教師データを60組に対し総当たりで行い、60×60×3=10800個の教師データを得た(ステップ:S405)。 Here, I 0 is the ion intensity of the teacher data consisting of the spectrum of the solid sample alone, and I n is the ion intensity of the spectrum containing n% of the measured substance. The above operation was performed on 60 sets of teacher data consisting of the spectrum of the solid sample alone and 60 sets of teacher data containing 0.2% of the measured substance in a brute force manner, obtaining 60 x 60 x 3 = 10,800 pieces of teacher data (step: S405).
同様の方法で測定対象物質を0.2%含む教師データ群と、測定対象物質を0.6%含む教師データ群から、測定対象物質を0.3%、0.4%、0.5%それぞれ含む計10800組の教師データを作成した。 Using a similar method, a total of 10,800 sets of training data were created from a training data group containing 0.2% of the substance to be measured and a training data group containing 0.6% of the substance to be measured, each containing 0.3%, 0.4%, and 0.5% of the substance to be measured.
また、同様の方法で測定対象物質を0.6%含む教師データ群と、測定対象物質を1.0%含む教師データ群から、測定対象物質を0.7%、0.8%、0.9%それぞれ含む計10800組の教師データを作成した。以上より、第2のスペクトル群から、計32400組の教師データを作成した(ステップ:S406とS407)。 Furthermore, using a similar method, a total of 10,800 sets of training data containing 0.7%, 0.8%, and 0.9% of the target substance were created from a training data group containing 0.6% of the target substance and a training data group containing 1.0% of the target substance. As a result, a total of 32,400 sets of training data were created from the second spectrum group (steps S406 and S407).
これら計32640組を教師データとし、機械学習を行い、学習モデルを生成した。機械学習の手法として、全結合ニューラルネットワークを用い、活性化関数としてrelu関数、及びlinear関数を用いた。損失関数として平均二乗誤差を用い、最適化アルゴリズムにはAdamを用いた。十分な定量精度を得るには、1000エポック程度の繰り返し演算が必要であった。 A total of 32,640 pairs were used as training data, and machine learning was performed to generate a learning model. A fully connected neural network was used as the machine learning method, with the relu function and linear function used as the activation function. The mean squared error was used as the loss function, and Adam was used as the optimization algorithm. Repeated calculations of around 1,000 epochs were required to obtain sufficient quantitative accuracy.
次に、測定対象物質を0.1%、0.4%、0.8%含む試料のスペクトルを各6組ずつ用意し、得られた学習モデルに適用し、試料に含まれる測定対象物質の濃度を予測した。表2に記載の通り、高精度で測定対象物質の濃度を予測できた。 Next, six sets of spectra were prepared for samples containing 0.1%, 0.4%, and 0.8% of the target substance, and these were applied to the resulting learning model to predict the concentration of the target substance contained in the sample. As shown in Table 2, the concentration of the target substance was predicted with high accuracy.
(実施例3)
実施例2で説明したようなノイズ付与方法を採用しなかったこと以外は、実施例2と同様の方法で学習モデルを作成した。具体的には以下に示す通りある。
Example 3
A learning model was created in the same manner as in Example 2, except that the noise-adding method described in Example 2 was not adopted. Specifically, the method is as follows.
固体試料単体のスペクトルと測定対象物質をそれぞれ0.2%、0.6%、1.0%含む試料のスペクトル各6組の計24組のスペクトルを第1のスペクトル情報とした。 The first spectral information consisted of 24 sets of spectra, including six sets of spectra for the solid sample alone and six sets of spectra for samples containing 0.2%, 0.6%, and 1.0% of the substance to be measured.
[濃度補間による教師データの作成]
固体試料単体のスペクトル6組と測定対象物質を0.2%含む試料のスペクトル6組のなかからそれぞれスペクトル1つずつ抽出した。さらに、各m/z毎に前記計算式(1)~(3)を用い、測定対象物質をそれぞれ0.05%、0.1%、0.15%含む試料のスペクトル(人工スペクトル)を作成した。
[Creating training data by density interpolation]
One spectrum was extracted from each of the six sets of spectra of the solid sample alone and the six sets of spectra of the sample containing 0.2% of the substance to be measured. Furthermore, the above-mentioned formulas (1) to (3) were used for each m/z to create spectra (artificial spectra) of samples containing 0.05%, 0.1%, and 0.15% of the substance to be measured.
この作業を固体試料単体のスペクトル6組と測定対象物質を0.2%含む試料のスペクトル6組に対し総当たりで行い、6×6×3=108個の教師データを得た。 This process was performed on six sets of spectra from solid samples alone and six sets of spectra from samples containing 0.2% of the substance to be measured, yielding 6 x 6 x 3 = 108 pieces of training data.
同様の方法で測定対象物質を0.2%含むスペクトル6組と、測定対象物質を0.6%含むスペクトル6組から、測定対象物質をそれぞれ0.3%、0.4%、0.5%含む計108組の教師データを作成した。 Using a similar method, a total of 108 sets of training data were created from six sets of spectra containing 0.2% of the target substance and six sets of spectra containing 0.6% of the target substance, each containing 0.3%, 0.4%, and 0.5% of the target substance, respectively.
また、同様の方法で測定対象物質を0.6%含むスペクトル6組と、測定対象物質を1.0%含むスペクトル6組から、測定対象物質をそれぞれ0.7%、0.8%、0.9%含む計108個の教師データを作成した。以上より、計324組の第2のスペクトル情報とした。 In addition, using a similar method, a total of 108 sets of training data were created from six sets of spectra containing 0.6% of the measured substance and six sets of spectra containing 1.0% of the measured substance, containing 0.7%, 0.8%, and 0.9% of the measured substance, respectively. From the above, a total of 324 sets of second spectral information were created.
以上、第1と第2のスペクトル計348組を教師データとし、機械学習を行い、学習モデルを生成した。機械学習の手法として、全結合ニューラルネットワークを用い、活性化関数としてrelu関数、及びlinear関数を用いた。損失関数として平均二乗誤差を用い、最適化アルゴリズムにはAdamを用いた。十分な定量精度を得るには、1000エポック程度の繰り返し演算が必要であった。 As described above, 348 pairs of the first and second spectrometers were used as training data, and machine learning was performed to generate a learning model. A fully connected neural network was used as the machine learning method, with the relu function and linear function used as the activation function. The mean squared error was used as the loss function, and Adam was used as the optimization algorithm. Repeated calculations of about 1,000 epochs were required to obtain sufficient quantitative accuracy.
次に、測定対象物質をそれぞれ0.1%、0.4%、0.8%含む試料のスペクトルを各6組ずつ用意し、得られた学習モデルに適用し、試料に含まれる測定対象物質の濃度を予測した。表3に記載の通り、高精度で測定対象物質の濃度を予測できた。 Next, six sets of spectra were prepared for samples containing 0.1%, 0.4%, and 0.8% of the target substance, and these were applied to the resulting learning model to predict the concentration of the target substance contained in the sample. As shown in Table 3, the concentration of the target substance was predicted with high accuracy.
(実施例4)
ノイズ付与による教師データの作成方法以外については、実施例2と同様である。本実施例では計算精度と計算時間のバランスをとるためにm/zの最大値を300.0に設定した。
Example 4
Other than the method of generating training data by adding noise, the method is the same as in Example 2. In this example, the maximum m/z value was set to 300.0 in order to balance calculation accuracy and calculation time.
[実施例4におけるノイズ付与による教師データの作成]
ノイズスペクトルと固体試料単体のスペクトルのイオン強度をm/z毎の比較において、最も高い値を持つイオン強度を抽出する際に、イオン強度群をm/zを10.0から300.0まで組み合わせた人工スペクトルを作成した以外は実施例2と同様である。
[Creating training data by adding noise in the fourth embodiment]
The procedure is the same as in Example 2, except that when comparing the ion intensities of the noise spectrum and the spectrum of the solid sample alone for each m/z, an artificial spectrum was created by combining ion intensities from m/z 10.0 to 300.0 when extracting the ion intensity with the highest value.
次に、測定対象物質をそれぞれ0.1%、0.4%、0.8%含む試料のスペクトルを各6組ずつ用意し、得られた学習モデルに適用し、試料に含まれる測定対象物質の濃度を予測した。表4に記載の通り、高精度で測定対象物質の濃度を予測できた。 Next, six sets of spectra were prepared for samples containing 0.1%, 0.4%, and 0.8% of the target substance, and these were applied to the resulting learning model to predict the concentration of the target substance contained in the sample. As shown in Table 4, the concentration of the target substance was predicted with high accuracy.
(実施例5)
ノイズ付与による教師データの作成方法以外については、実施例2および4と同様である。本実施例では計算時間を短縮するためにm/zの最大値を100.0に設定した。
Example 5
Other than the method of generating training data by adding noise, the method is the same as in Examples 2 and 4. In this example, the maximum m/z value was set to 100.0 in order to reduce the calculation time.
[実施例5におけるノイズ付与による教師データの作成]
イオン強度群をm/zを10.0から100.0まで組み合わせた人工スペクトルを作成した以外は実施例4と同様である。
[Creation of training data by adding noise in embodiment 5]
The procedure was the same as in Example 4, except that an artificial spectrum was created by combining ion intensity groups with m/z values ranging from 10.0 to 100.0.
次に、測定対象物質をそれぞれ0.1%、0.4%、0.8%含む試料のスペクトルを各6組ずつ用意し、得られた学習モデルに適用し、試料に含まれる測定対象物質の濃度を予測した。表5に記載の通り、高精度で測定対象物質の濃度を予測できた。 Next, six sets of spectra were prepared for samples containing 0.1%, 0.4%, and 0.8% of the target substance, and these were applied to the resulting learning model to predict the concentration of the target substance contained in the sample. As shown in Table 5, the concentration of the target substance was predicted with high accuracy.
なお、実施例5は、実施例2、3、4に比べて測定対象物質の濃度の予測精度は低いものの、予測に要した時間は短い。したがって、予測精度を高くしたい場合は、z/mの範囲を大きくし(最大値を大きくし)、計算時間を短くしたい場合は、z/mの範囲を小さくする(最大値を小さくする)ことが好ましい。 In addition, although Example 5 has a lower prediction accuracy of the concentration of the substance to be measured than Examples 2, 3, and 4, the time required for prediction is short. Therefore, if you want to increase the prediction accuracy, it is preferable to increase the range of z/m (increase the maximum value), and if you want to shorten the calculation time, it is preferable to decrease the range of z/m (decrease the maximum value).
(比較例2)
実施例3における濃度補間による教師データの作成を行わなかったこと以外は、実施例3と同様の方法で学習モデルを作成した。具体的には以下に示す通りある。
(Comparative Example 2)
A learning model was created in the same manner as in Example 3, except that the teacher data was not created by the density interpolation in Example 3. Specifically, the method is as follows.
固体試料単体のスペクトル6組と測定対象物質を0.2%含む試料のスペクトル6組と、測定対象物質を0.6%含むスペクトル6組と、測定対象物質を1.0%含むスペクトル6組を教師データとした。 The training data consisted of six sets of spectra from a solid sample alone, six sets of spectra from a sample containing 0.2% of the substance to be measured, six sets of spectra from a sample containing 0.6% of the substance to be measured, and six sets of spectra from a sample containing 1.0% of the substance to be measured.
これら計24組を教師データとし、機械学習を行い、学習モデルを生成した。機械学習の手法として、全結合ニューラルネットワークを用い、活性化関数としてrelu関数、及びlinear関数を用いた。損失関数として平均二乗誤差を用い、最適化アルゴリズムにはAdamを用いた。十分な定量精度を得るには、200エポック程度の繰り返し演算が必要であった。 A total of 24 sets of these were used as training data, and machine learning was performed to generate a learning model. A fully connected neural network was used as the machine learning method, with the relu function and linear function used as the activation function. The mean squared error was used as the loss function, and Adam was used as the optimization algorithm. Repeated calculations of around 200 epochs were required to obtain sufficient quantitative accuracy.
次に、測定対象物質を0.1%、0.4%、0.8%含む試料のスペクトルを各6組ずつ用意し、得られた学習モデルに適用し、試料に含まれる測定対象物質の濃度を予測した。表6に記載の通り、精度よく測定対象物質の濃度を予測することはできなかった。 Next, six sets of spectra were prepared for samples containing 0.1%, 0.4%, and 0.8% of the target substance, and these were applied to the resulting learning model to predict the concentration of the target substance contained in the sample. As shown in Table 6, it was not possible to predict the concentration of the target substance with high accuracy.
Claims (16)
測定対象物質を含む目的試料のスペクトル情報が前記学習モデルに入力されることにより前記学習モデルから出力された、前記測定対象物質の定量的な情報を取得する情報取得部と、を有する情報処理装置であって、an information acquisition unit that acquires quantitative information of a target substance to be measured, the quantitative information being output from the learning model by inputting spectral information of a target sample containing the target substance to the learning model,
前記学習モデルは、固体試料のスペクトル情報と、前記測定対象物質を含む固体試料のスペクトル情報であって、前記固体試料に対する前記測定対象物質の濃度が互いに異なる複数のスペクトル情報と、前記固体試料のスペクトル情報にノイズが付与されたスペクトル情報とに基づく教師データを用いて生成されたものであり、the learning model is generated using teacher data based on a plurality of pieces of spectral information of a solid sample, a plurality of pieces of spectral information of a solid sample containing the target substance, the plurality of pieces of spectral information each having a different concentration of the target substance in the solid sample, and a plurality of pieces of spectral information obtained by adding noise to the spectral information of the solid sample;
前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得されたものである、情報処理装置。The information processing device, wherein the spectral information is obtained by secondary ion mass spectrometry.
前記学習モデル生成部は、前記設定部によって設定されたm/z(分子量mをイオン価数zで除算した値)の範囲における前記固体試料のスペクトル情報、及び前記固体試料と前記測定対象物質とを含む試料のスペクトル情報を用いて前記学習モデルを生成する請求項1乃至12のいずれか1項に記載の情報処理装置。 a learning model generating unit that generates the learning model; and a setting unit that sets at least one of a minimum value and a maximum value of m/z of spectral information of the solid sample and a sample containing the measurement target substance,
The information processing device according to any one of claims 1 to 12, wherein the learning model generation unit generates the learning model using spectral information of the solid sample in the range of m/ z (the value obtained by dividing the molecular weight m by the ionic valence z) set by the setting unit, and spectral information of a sample containing the solid sample and the substance to be measured.
測定対象物質を含む目的試料のスペクトル情報が前記学習モデルに入力されることにより前記学習モデルから出力された、前記測定対象物質の定量的な情報を取得する情報取得工程と、を有する情報処理装置であって、and an information acquiring step of acquiring quantitative information of the measurement target substance output from the learning model by inputting spectral information of a target sample containing the measurement target substance into the learning model,
前記学習モデルは、固体試料のスペクトル情報と、前記測定対象物質を含む固体試料のスペクトル情報であって、前記固体試料に対する前記測定対象物質の濃度が互いに異なる複数のスペクトル情報と、前記固体試料のスペクトル情報にノイズが付与されたスペクトル情報とに基づく教師データを用いて生成されたものであり、the learning model is generated using teacher data based on a plurality of pieces of spectral information of a solid sample, a plurality of pieces of spectral information of a solid sample containing the target substance, the plurality of pieces of spectral information each having a different concentration of the target substance in the solid sample, and a plurality of pieces of spectral information obtained by adding noise to the spectral information of the solid sample;
前記スペクトル情報が、二次イオン質量分析法により取得されたものである、情報処理方法。An information processing method, wherein the spectral information is obtained by secondary ion mass spectrometry.
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