간편하고 매우 정확한 pH

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22584(2022) 이 기사 인용

1578 액세스

1 인용

10 알트메트릭

측정항목 세부정보

수많은 과학, 의료 및 산업 응용 분야에서 넓은 pH 범위를 포괄하는 저비용, 고정밀 광학 pH 센서 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 진지한 노력에도 불구하고 높은 정확도와 비용 효율성을 개발하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. 이러한 관점에서 우리는 정확한 pH 값 추정을 위해 일반적인 pH 논문에 기계 학습 기술을 구현하는 방법을 제시합니다. 또한, 상용 pH 종이를 사용하여 용액의 정확한 pH 값을 예측하는 기계 학습 알고리즘을 기반으로 간단하고 유연하며 정밀한 무료 모바일 애플리케이션을 개발합니다. 일반적인 조명 조건은 350, 200 및 20 Lux의 다양한 광도에서 연구되었습니다. 모델은 특별한 장비 제어 없이 2689개의 실험값을 사용하여 훈련되었습니다. 1:14의 pH 범위는 ~ 0.1 pH 값의 간격으로 적용됩니다. 결과는 파란색에 의한 낮은 상관관계와 대조적으로 pH 값과 빨간색 및 녹색 사이의 중요한 관계를 보여줍니다. K Neighbors Regressor 모델은 선형성을 개선하고 가장 낮은 오류와 결합된 0.995의 중요한 결정 계수를 보여줍니다. 무료로 공개적으로 액세스할 수 있는 온라인 및 모바일 애플리케이션이 개발되었으며 일반적인 pH 용지의 RGB 색상 코드에 따라 pH 값을 매우 정확하게 추정할 수 있습니다. 우리의 연구 결과는 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리는 추가 실험 작업 없이도 휴대용 pH 감지 기능과 주방의 요리사를 포함한 모든 사람을 위한 지능형 스마트폰 시스템을 사용하여 값비싼 pH 기기를 대체할 수 있습니다.

다양한 용액의 pH 값은 실외 또는 실내 응용 분야의 산업, 생물학, 화학 및 환경 과학에 대한 최적화된 조건과 품질 관리를 결정하는 데 특히 중요한 포인트입니다1,2. 수소 이온 농도[H+]는 0에서 14까지의 pH 등급으로 표시되며, 검출을 위해 계산되는 대부분의 방법은 미세 전극3, 산 기반 지시약4, 전위차 적정1, 비색 및 형광 프로브 적용5,6과 같이 복잡하고 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다. 7,8,9,10. 현재 전위차 측정은 pH 검출에 가장 많이 사용되는 기술입니다. 용액의 pH는 전위차 장치의 전극 사이의 서로 다른 전압을 측정하여 계산할 수 있습니다11. 기존 전위차계 장치의 정확도가 높음에도 불구하고 작동 및 교정 프로세스가 더 복잡하고 비용이 많이 들기 때문에 실내 또는 실외 목적에는 적용할 수 없습니다. 그러나 쉽고 접근하기 쉬운 pH 스트립은 시각적 pH 검출을 위한 대체 방법으로 사용되지만 스트립은 정확도가 낮은 결과를 제공합니다.

반면, 머신러닝(ML) 기술은 인공지능(AI)을 사용한 실험에서 파생된 훈련 데이터로부터 새로운 값을 예측하는 기능을 알고리즘에 제공합니다. 따라서 목표를 달성하고 계획에 높은 성능을 제공하기 위해 하이퍼 매개변수 및 메커니즘에 의존하는 ML용 회귀 또는 분류 알고리즘이 많이 있습니다12. ML은 화학 발견13, 분자 표현14, 합성 화학15, 재료 화학16, 수생화학 연구17,18, 수질 오염19 등의 화학 분야에서 사용되고 있습니다.

여기서는 일반적인 스트립 pH 종이의 정밀도를 향상시키기 위해 ML 기술을 사용했습니다. ML 모델은 전체 pH 범위를 포괄하는 2689 실험 데이터에 대해 훈련되었습니다. 또한 ML 알고리즘을 기반으로 pH 값을 예측하는 모바일/웹 애플리케이션을 개발했습니다. 따라서 개발된 앱은 추가 비용 없이 누구나(화학자 여부에 관계없이) 휴대용 장치로 사용할 수 있고 빠른 응답이 가능하며 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있는 모바일에서 작동할 수 있습니다.