Chemometrics and statistical analysis in raman spectroscopy-based biological investigations

Guo, Shuxia GND

As mentioned in the chapter 1, chemometrics has become an essential tool in Raman spectroscopy-based biological investigations and significantly enhanced the sensitivity of Raman spectroscopy-based detection. However, there are some open issues on applying chemometrics in Raman spectroscopy-based biological investigations. An automatic proce- dure is needed to optimize the parameters of the mathematical baseline correction. Spectral reconstruction algorithm is required to recover a fluorescence-free Raman spectrum from the two Raman spectra measured with different excitation wavelengths for the shifted-excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) technique. Guidelines are necessary for reliable model optimization and rigorous model evaluation to ensure high accuracy and robustness in Raman spectroscopy-based biological detection. Computational methods are required to enable a trained model to successfully predict new data that is significantly different from the training data due to inter-replicate variations. These tasks were tackled in this thesis. The related investigations were related to three main topics: baseline correction, statistical modeling, and model transfer.

Wie im Kapitel 1 erwähnt, ist die Chemometrie zu einem essentiellen Werkzeug für biolo- gische Untersuchungen mittels der Raman-Spektroskopie geworden und hat die Sensitivität der Raman-spektroskopischen Detektion erheblich verbessert. Es gibt jedoch einige offene Fragen, welche die Anwendung der Chemometrie in Raman-spektroskopischen Untersuchun- gen biologischer Proben betreffen. Zum Beispiel wird eine automatische Prozedur benötigt, um die Parameter einer mathematischen Basislinienkorrektur zu optimieren. Ein SERDS- Rekonstruktionsalgorithmus ist erforderlich, um ein Fluoreszenz-freies Raman-Spektrum aus den zwei Raman-Spektren zu extrahieren, welche bei der Shifted-excitation-Raman-Differenz- Spektroskopie (SERDS) gemessen werden. Des Weiteren sind Richtlinien erforderlich, welche eine zuverlässige Modelloptimierung und eine rigorose Modellevaluation erlauben. Durch diese Richtlinien wird eine hohe Genauigkeit und Robustheit der Raman-spektroskopischen Detektion biologischer Proben gewährleistet. Computergestützte Methoden sind nötig, um mit einem trainierten Modell erfolgreich neue Daten, die sich aufgrund von Inter-Replikat- Variationen signifikant von den Trainingsdaten unterscheiden, vorherzusagen. Diese vier Probleme sind Beispiele für offene Fragen in der Chemometrie und diese vier Probleme wur- den in dieser Arbeit behandelt. Die damit verbundenen Untersuchungen bezogen sich auf drei Hauptthemen: die Basislinienkorrektur, die statistische Modellierung und der Modell- transfer.

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Guo, Shuxia: Chemometrics and statistical analysis in raman spectroscopy-based biological investigations. Jena 2019.

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