機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)解碼有機(jī)晶體的核磁共振譜

這一突破消除了更廣泛應(yīng)用固態(tài)核磁共振 (NMR) 光譜的主要技術(shù)瓶頸之一，該技術(shù)用于通過(guò)測(cè)量由發(fā)射的頻率來(lái)確定分子和材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、3D 結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。在強(qiáng)磁場(chǎng)中暴露于無(wú)線電波的原子核。

第一作者、瑞士洛桑聯(lián)邦綜合理工學(xué)院的博士生曼努埃爾科爾多瓦在一份聲明中說(shuō)：“這種方法可以通過(guò)簡(jiǎn)化這些研究的重要第一步來(lái)顯著加速核磁共振對(duì)材料的研究。”

所討論的基本第一步稱(chēng)為“化學(xué)位移分配”，它涉及將 NMR 光譜中的每個(gè)峰分配給所研究的分子或材料中的給定原子。

“通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得分配可能具有挑戰(zhàn)性，通常需要耗時(shí)的多維相關(guān)實(shí)驗(yàn)，”作者指出。“確定分配的另一種解決方案涉及實(shí)驗(yàn)化學(xué)位移數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)分析，但不存在用于分子固體的此類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)。”

五年前，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了 ShiftML，這是一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，可預(yù)測(cè)分子固體中的化學(xué)位移。ShiftML 通過(guò)將實(shí)驗(yàn)化學(xué)位移與使用密度泛函理論(一種計(jì)算量子力學(xué)建模方法)計(jì)算的位移進(jìn)行比較來(lái)訓(xùn)練。訓(xùn)練后，系統(tǒng)無(wú)需執(zhí)行額外的量子計(jì)算即可對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

在當(dāng)前的論文中，研究人員將 ShiftML 應(yīng)用于劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù) (CSD)，這是一個(gè)由劍橋大學(xué)維護(hù)的超過(guò) 200,000 個(gè) 3D 有機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

研究人員使用 ShiftML 來(lái)預(yù)測(cè)從 CSD 中提取的 200,000 多種化合物的位移，從而為每個(gè)獨(dú)特的拓?fù)湓迎h(huán)境生成化學(xué)位移的統(tǒng)計(jì)分布。這些環(huán)境被建模為圖形，頂點(diǎn)代表原子，邊代表共價(jià)連接。當(dāng)原子對(duì)中原子之間的距離小于所涉及原子的共價(jià)半徑總和的 1.1 倍時(shí)，原子對(duì)被確定為共價(jià)鍵合。

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