Graphormer-IR: Graph Transformers Predict Experimental IR Spectra Using Highly Specialized Attention

计算机科学 平滑的 谱线 人工神经网络 缩放比例 红外光谱学 模式识别(心理学) 人工智能 算法 化学 物理 数学 几何学 计算机视觉 有机化学 天文
作者
Cailum M. K. Stienstra,Liam Hebert,P. Thomas,Alexander Haack,Jason Guo,W. Scott Hopkins
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2023-f38b5-v2
摘要

Given that Infrared (IR) spectroscopy is a crucial tool in various chemical and forensic domains, improved in silico methods for predicting experimental spectra are needed due to the time and accuracy limitations of ab initio methods. We employ Graphormer, a graph neural network (GNN) transformer, to predict IR spectra using only Simplified Molecular-Input Line-Entry System (SMILES) strings. Our dataset includes 53,528 high-quality spectra with elements H, C, N, O, F, Si, S, P, Cl, Br, and I in five phases. When using only atomic numbers for node encodings, Graphormer-IR achieved mean test Spectral Information Similarity (SIS_μ) of 0.8449±0.0012 (n=5), surpassing the state-of-the-art Chemprop-IR (SIS_μ = 0.8409 ± 0.0014, n=5), with only 36% of the encoded information. Augmenting node embeddings with additional node-level descriptors in learned embeddings generated through a multi-layer perceptron improves scores to SIS_μ = 0.8523±0.0006, a total improvement of 19.7σ. These improved scores show how Graphormer-IR excels in capturing long-range interactions like hydrogen bonding, anharmonic peak positions in experimental spectra, and stretching frequencies of uncommon functional groups. Scaling our architecture to 210 attention heads demonstrates specialist-like behavior for distinct IR frequencies that improves model performance. Our model utilizes novel architectures, including a global node for phase encoding, learned node feature embeddings, and a 1D smoothing CNN. Graphormer-IR’s innovations underscore its value over traditional message-passing neural networks (MPNNs) due to its expressive embeddings and ability to capture long-range intra-molecular relationships.
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