simsMVA: A Matlab tool for multivariate analysis of ToF-SIMS datasets
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This document introduces simsMVA, a Matlab tool for multivariate analysis of time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) datasets. It was developed during the author's PhD to make multivariate analysis quick and accessible. Examples are provided showing how simsMVA helped solve problems in imaging a resin blend, characterizing wood growth regions, and analyzing stainless steel at high temperature. While initially focused on ToF-SIMS data, simsMVA can also analyze other analytical techniques like FTIR, PIXE, and XPS. The tool performs techniques like PCA, NMF, and k-means on spectra, images, depth profiles, and 3D datasets.
simsMVA: A Matlab tool for multivariate analysis of ToF-SIMS datasets
- 1. A Matlab tool for multivariate analysis of ToF-SIMS datasets Wednesday, 20 September 2017 1 Gustavo Ferraz Trindade The Surface Analysis Laboratory, University of Surrey, UK s i m s M V A
- 2. Outline Wednesday, 20 September 2017 2 Introduction Examples Other techniques
- 3. Data analysis methodologies? Wednesday, 20 September 2017 3 Surface analysis expertise Good instrumentation Sample knowledge Sample prep. Data handling Data processing Data visualisation Good quality data File formats Import/export Memory management Algorithms Error analysis Software Tables Plots Overlays INTERPRETATION
- 4. Wednesday, 20 September 2017 Very well established at Surrey Very good literature in SIMS community NPLs good practices2 SIA special issue on MVA1 1February 2009. Volume 41, Issue 2. Pages 75142 2www.npl.co.uk/upload/pdf/chemometrics.pdf Great information on data processing and interpretation, not as much on data handling and visualisation Data analysis methodologies? 4
- 5. Wednesday, 20 September 2017 5 Initial goal of my PhD: Learn and apply those literature recommendations to data of industrial samples* typically analysed at Surreys Surface Analysis Lab. *paints, adhesives, automotive polymers, additives Introduction
- 6. Wednesday, 20 September 2017 6 Fast forward 3 years Introduction
- 7. Wednesday, 20 September 2017 7 s i m s M V A Introduction
- 8. s i m s M V A Wednesday, 20 September 2017 8 s i m s M V A is a Matlab-based app for multivariate analysis of analytical data (focus on ToF-SIMS) Developed throughout my PhD, motivated mainly by the idea of making MVA quick and accessible to everyone in the research group PCA, NMF, k-means of different data structures (spectra, images, depth profiles, 3D)
- 9. s i m s M V A | Examples Wednesday, 20 September 2017 9 Three examples from Surreys Surface Analysis Lab. were chosen to show how simsMVA helped to solve problems or perhaps how problems helped the development of simsMVA 1) Imaging of a resin blend 2) Characterisation of wood growth regions 3) Steel at high temperature
- 10. s i m s M V A | Industrial coating Wednesday, 20 September 2017 10 1 Imaging of a resin blend Data from Surreys PhD student Ms Rene Tshulu Industrial coating is cut using ultra low angle microtomy, exposing/extending interfaces* DOI 10.1002/sia.1985 * ~ 1000 亮m
- 11. s i m s M V A | Large area analysis Wednesday, 20 September 2017 11 The area covering both interfaces is greater than the primary ion beam raster size (500x500um2) Several patches are needed (large area imaging) Automated acquisition is tricky due to charging and topography Solution: create separate datasets and stitch them together afterwards using s i m s M V A 1 Imaging of a resin blend
- 12. s i m s M V A | Images stitching procedure Wednesday, 20 September 2017 12 .BIF6 files exported from IONTOFs software
- 13. Wednesday, 20 September 2017 13 Normalised by total counts Poisson scaled MVA sampling 10% of pixels* *Low discrepancy subsampling as described in: 10.1002/sia.6042 Images mode NMF Menu s i m s M V A | Images tab
- 14. Wednesday, 20 September 2017 14 Loadings / NMF spectra Scores / NMF weights MVA results tab Variance / Error s i m s M V A | MVA results tab
- 15. Wednesday, 20 September 2017 15 NMF spectraOverlayed NMF weights Overlay window s i m s M V A | Overlay window Resin 1 Resin 2 Chromium layer Top surface Zinc substrate
- 16. Wednesday, 20 September 2017 16 Top surface s i m s M V A Substrate
- 17. Wednesday, 20 September 2017 17 One single map gives a very complete initial description of the sample, highlighting the two phases of the blend, the top surface and the metal substrate with a chromate layer - What if we have more samples? - Which resin is which in the blend? - How to discard topographic effects hypothesis? To expand the analysis even further, we can stitch measurements of more than one sample together, and also include standards s i m s M V A | Examples
- 18. Wednesday, 20 September 2017 18 s i m s M V A | Data stitching schematic Factorised columns are folded back for visualisation G. F. Trindade et. al. Submitted to Anal. Chem.
- 19. Wednesday, 20 September 2017 20 Overlay window s i m s M V A | Examples G. F. Trindade et. al. Submitted to Anal. Chem. Cured resin 2 Cured resin 1 Uncured resin 1 Uncured resin 2 SAMPLE 1 SAMPLE 3 SAMPLE 2 SAMPLE 4 (3) Resin 1 (6) Resin 2
- 20. Wednesday, 20 September 2017 21 Surface mass spectra of different wood growth regions* PLUS standard lignin and cellulose samples Carefully selected peaks list for MVA (with characteristic peaks of cellulose, lignin and extractives) DOI: 10.1002/sia.59154 2 Characterisation of wood samples s i m s M V A | Examples *
- 21. Wednesday, 20 September 2017 22 Overlay windowData table Poisson scaled and Mean centredVariables correlations can be checked prior to PCA Spectra mode Many variables selectedA few variables selected PCA s i m s M V A | Correlation matrix Ionsofinterest Ions of interest
- 22. Wednesday, 20 September 2017 23 Overlay window Spectra mode Loadings Scores Variance Lignin peaks Cellulose peaks s i m s M V A | MVA results (Spectra)
- 23. Wednesday, 20 September 2017 24 Overlay window Spectra mode Biplot shows loadings and scores in the same plot K-means finds categories s i m s M V A | Scores visualisation
- 24. Wednesday, 20 September 2017 25 Stainless steel heated up in vacuum using heating/cooling stage of a TOF.SIMS 5 (Iontof) Secondary ions images acquired periodically to create a data cube 3 Stainless steel at high temperature s i m s M V A SAMPLE HEAT TOF-SIMS Crater with DC beam Scratch using blade DC beam removes the oxide layer that regrows after heating
- 25. Wednesday, 20 September 2017 26 Before any MVA, two crucial pre-processing steps s i m s M V A | Examples Peak background removal Pixel warping
- 26. Wednesday, 20 September 2017 27 Use simsMVA 3D mode to process s i m s M V A | Examples sub sampling of voxels NMF
- 27. Wednesday, 20 September 2017 28 Use simsMVA 3D mode to process s i m s M V A | Examples Video button to create a multivariate film
- 28. Wednesday, 20 September 2017 29 s i m s M V A | Examples Chamber Pressure Temperature 1 hour
- 29. Wednesday, 20 September 2017 30 s i m s M V A | Examples 27Al+ 28Si+ 52Cr+ 55Mn+ Aided by results, it is possible to go back to original data and look at specific ions Chamber Pressure Temperature 1 hour
- 30. Wednesday, 20 September 2017 31 A few recent examples s i m s M V A | Examples
- 31. Wednesday, 20 September 2017 32 s i m s M V A | Examples Add M. Baileys talk reference here Large area imaging of fingerprints for drug detection Invited talk yesterday: Melanie Bailey, University of Surrey, England - "ToF-SIMS for imaging latent fingerprints".
- 32. Wednesday, 20 September 2017 33 s i m s M V A | Examples Depth profile of a multi-layered sample
- 33. Wednesday, 20 September 2017 34 Large area imaging of plasma treated polymer s i m s M V A | Examples G. F. Trindade et. al. Submitted to SIA ECASIA SPECIAL ISSUE
- 34. Wednesday, 20 September 2017 35 Characterisation of coffee s i m s M V A | Examples Depth profile of a solar cell G. F. Trindade et. al. Submitted to SIA ECASIA SPECIAL ISSUE D. Luo et. al. Submitted to Science
- 35. Wednesday, 20 September 2017 36 s i m s M V A can also be used to analyse other analytical chemistry data Data matrices can be loaded from Matlab workspace s i m s M V A | Other analytical techniques
- 36. Wednesday, 20 September 2017 37 s i m s M V A | Other analytical techniques Al+ Si+ Cr+ Al+ Go back and look at individual ions FTIR of polyesters
- 37. Wednesday, 20 September 2017 38 s i m s M V A | Other analytical techniques Al+ Si+ Cr+ Al+ Go back and look at individual ions PIXE mapping of a fossil
- 38. Wednesday, 20 September 2017 39 s i m s M V A | Other analytical techniques Al+ Si+ Cr+ Al+ Go back and look at individual ions XPS depth profile
- 39. s i m s M V A | Find out more Wednesday, 20 September 2017 40 To know more about simsMVA visit mvatools.com
- 40. - Ms Rene Tshulu - Mr Jorge Banuls-Ciscar - Dr. Taraneh B. Moghim - Dr. Sabrina Tardio - Dr. Robin Simpson - Mr Kristof Marcoen - Mr Min Jang Acknowledgements Supervisors - Prof. John F. Watts - Dr. Marie-Laure Abel Sponsors - CAPES - Science without borders - UKSAF Thank you for your attention! mvatools.com simsMVA testers
Editor's Notes
- #3: - Fazer um rapido overview da apresentacao. Quando falar de resultados mencionar que foram feitas analyses SEM, EDX, XPS e SIMS.
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