Comparing the artificial neural network with parcial least squares for prediction of soil organic carbon and pH at different moisture content levels using visible and near-infrared spectroscopy

Visible and near infrared (vis-NIR) spectroscopy is widely used to detect soil properties. The objective of this study is to evaluate the combined effect of moisture content (MC) and the modeling algorithm on prediction of soil organic carbon (SOC) and pH. Partial least squares (PLS) and the Artificial neural network (ANN) for modeling of SOC and pH at different MC levels were compared in terms of efficiency in prediction of regression. A total of 270 soil samples were used. Before spectral measurement, dry soil samples were weighed to determine the amount of water to be added by weight to achieve the specified gravimetric MC levels of 5, 10, 15, 20, and 25 %. A fiber-optic vis-NIR spectrophotometer (350-2500 nm) was used to measure spectra of soil samples in the diffuse reflectance mode. Spectra preprocessing and PLS regression were carried using Unscrambler® software. Statistica® software was used for ANN modeling. The best prediction result for SOC was obtained using the ANN (RMSEP = 0.82 % and RPD = 4.23) for soil samples with 25 % MC. The best prediction results for pH were obtained with PLS for dry soil samples (RMSEP = 0.65 % and RPD = 1.68) and soil samples with 10 % MC (RMSEP = 0.61 % and RPD = 1.71). Whereas the ANN showed better performance for SOC prediction at all MC levels, PLS showed better predictive accuracy of pH at all MC levels except for 25 % MC. Therefore, based on the data set used in the current study, the ANN is recommended for the analyses of SOC at all MC levels, whereas PLS is recommended for the analysis of pH at MC levels below 20 %.

"Bottleneck effect" in two-Dimensional microfluidics

An anomalously long transient is needed to achieve a steady pressurization of a fluid when forced to flow through micronarrowed channels under constant mechanical driving. This phenomenon, known as the "bottleneck effect" is here revisited from a different perspective, by using confined displacements of interfacial fluids. Compared to standard microfluidics, such effect admits in this case a neat quantitative characterization, which reveals intrinsic material characteristics of flowing monolayers and permits to envisage strategies for their controlled micromanipulation.

Quasi-two-dimensional electrodeposition under forced fluid flow

Experimental quasi-two-dimensional Zn electrodeposits are grown under forced convection conditions. Large-scale effects, with preferential growth towards the impinging flow, together with small-scale roughness suppression effects are evidenced and separately analyzed by using two different radial cell configurations. Interpretations are given in terms of primary concepts concerning current and concentration distributions.

Dispersion of passive particles by a quasi-two-dimensional turbulent flow

Using the experimental data of Paret and Tabeling [Phys. Rev. Lett. 79, 4162 (1997)] we consider in detail the dispersion of particle pairs by a two-dimensional turbulent flow and its relation to the kinematic properties of the velocity field. We show that the mean square separation of a pair of particles is governed by rather rare, extreme events and that the majority of initially close pairs are not dispersed by the flow. Another manifestation of the same effect is the fact that the dispersion of an initially dense cluster is not the result of homogeneously spreading the particles within the whole system. Instead it proceeds through a splitting into smaller but also dense clusters. The statistical nature of this effect is discussed.

Further insights on dynamic morphological transitions in quasi-two-dimensional electrodeposition

Dynamic morphological transitions in thin-layer electrodeposits obtained from copper sulphate solutions have been studied. The chemical composition of the electrodeposits indicates that they appear as a consequence of the competition between copper and cuprous oxide formation. In addition, the Ohmic control of the process is verified at initial stages of the deposit growth. At higher deposit developments, gravity-induced convection currents play a role in the control of the whole process and affect the position of these transitions.

Influence of an inert electrolyte on the morphology of quasi-two-dimensional electrodeposits

The influence of an inert electrolyte (sodium sulfate) on quasi-two-dimensional copper electrodeposition from a nondeaerated aqueous copper sulfate solution has been analyzed. The different morphologies for a fixed concentration of CuSO4 have been classified in a diagram in terms of the applied potential and the inert electrolyte concentration. The main conclusion is the extension of the well-known Ohmic model for the homogeneous growth regime for copper sulfate solutions with small amounts of sodium sulfate. Moreover, we have observed the formation of fingerlike deposits at large applied potential and inert electrolyte concentration values, before hydrogen evolution becomes the main electrode reaction.

Fast low-specific absorption rate B0 -mapping along projections at high field using two-dimensional radiofrequency pulses.

PURPOSE: At 7 Tesla (T), conventional static field (B0 ) projection mapping techniques, e.g., FASTMAP, FASTESTMAP, lead to elevated specific absorption rates (SAR), requiring longer total acquisition times (TA). In this work, the series of adiabatic pulses needed for slab selection in FASTMAP is replaced by a single two-dimensional radiofrequency (2D-RF) pulse to minimize TA while ensuring equal shimming performance. METHODS: Spiral gradients and 2D-RF pulses were designed to excite thin slabs in the small tip angle regime. The corresponding selection profile was characterized in phantoms and in vivo. After optimization of the shimming protocol, the spectral linewidths obtained after 2D localized shimming were compared with conventional techniques and published values from (Emir et al NMR Biomed 2012;25:152-160) in six different brain regions. RESULTS: Results on healthy volunteers show no significant difference (P > 0.5) between the spectroscopic linewidths obtained with the adiabatic (TA = 4 min) and the new low-SAR and time-efficient FASTMAP sequence (TA = 42 s). The SAR can be reduced by three orders of magnitude and TA accelerated six times without impact on the shimming performances or quality of the resulting spectra. CONCLUSION: Multidimensional pulses can be used to minimize the RF energy and time spent for automated shimming using projection mapping at high field. Magn Reson Med, 2014. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

Applications of Fourier transform infrared spectroscopy

This article summarizes the basic principles of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, with examples of methodologies and applications to different field sciences.

Interactions of juvenile Lumbricus terrestris with adults and their burrow systems in a two-dimensional microcosm

The objective of this work was to evaluate interactions of Lumbricus terrestris juveniles with adults and with inherited burrow systems. An experiment was set up using a two dimensional Evans' boxes microcosm. Adult L. terrestris were added to 16 boxes (one individual per box) and kept in darkness at 17ºC along with eight unoccupied boxes for two months. The adult L. terrestris were removed from eight randomly selected boxes, and L. terrestris juveniles were added (one juvenile per box), composing three treatments with eight replicates: 1, with an adult in an inherited burrow (ABJ); 2, alone in an inherited burrow (BJ); and 3, alone in a previously uninhabited box (J). The proportion of juveniles occupying adult burrows observed was significantly different in treatments ABJ (48%) and BJ (75%). The mean mass of juveniles at experimental termination differed significantly among treatments and was greater in treatment J (4.04±0.39 g) in comparison to the BJ (3.09±0.93 g) and ABJ treatments (2.13±0.64 g). Results suggest a negative influence of both the presence of an adult and its burrow system on juvenile growth. Intraspecific competition partially explained this, but further investigation is required to examine how an inherited environment (i.e. burrow) could negatively affect the growth of juveniles.

Predicting rapeseed oil content with near-infrared spectroscopy

The objective of this work was to establish a calibration equation and to estimate the efficiency of near-infrared reflectance (NIR) spectroscopy for evaluating rapeseed oil content in Southern Brazil. Spectral data from 124 half-sib families were correlated with oil contents determined by the chemical method. The accuracy of the equation was verified by coefficient of determination (R²) of 0.92, error of calibration (SEC) of 0.78, and error of performance (SEP) of 1.22. The oil content of ten genotypes, which were not included in the calibration with NIR, was similar to the one obtained by the standard chemical method. NIR spectroscopy is adequate to differentiate oil content of rapeseed genotypes.

Computer-assisted two-dimensional preoperative planning for total hip arthroplasty: clinical evaluation.

The purpose of this study is to clinically validate a new two-dimensional preoperative planning software for cementless total hip arthroplasty (THA). Manual and two-dimensional computer-assisted planning were compared by an independent observer for each of the 30 patients with osteoarthritis who underwent THA. This study showed that there were no statistical differences between the results of both preoperative plans in terms of stem size and neck length (<1 size) and hip rotation center position (<5 mm). Two-dimensional computer-assisted preoperative planning provided successful results comparable to those using the manual procedure, thereby allowing the surgeon to simulate various stem designs easily.

Methods for the analysis of two dimensional measurement data of paper web

This work is devoted to the problem of reconstructing the basis weight structure at paper web with black{box techniques. The data that is analyzed comes from a real paper machine and is collected by an o®-line scanner. The principal mathematical tool used in this work is Autoregressive Moving Average (ARMA) modelling. When coupled with the Discrete Fourier Transform (DFT), it gives a very flexible and interesting tool for analyzing properties of the paper web. Both ARMA and DFT are independently used to represent the given signal in a simplified version of our algorithm, but the final goal is to combine the two together. Ljung-Box Q-statistic lack-of-fit test combined with the Root Mean Squared Error coefficient gives a tool to separate significant signals from noise.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Cosmic censorship in two-dimensional gravity

A weak version of the cosmic censorship hypothesis is implemented as a set of boundary conditions on exact semiclassical solutions of two-dimensional dilaton gravity. These boundary conditions reflect low-energy matter from the strong coupling region and they also serve to stabilize the vacuum of the theory against decay into negative energy states. Information about low-energy incoming matter can be recovered in the final state but at high energy black holes are formed and inevitably lead to information loss at the semiclassical level.