太赫兹技术对头孢菌素类抗生素的研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对物质进行识别和定量分析是太赫兹应用领域的一个研究热点。文章报道了14种头孢类抗生素纯品在0.2～2.6 THz波段的共振吸收谱和折射率谱,其中8种特征吸收峰明显。没有明显特征吸收峰的抗生素样品在该波段的折射率谱也有较为明显差异。这些结果是利用太赫兹时域光谱技术鉴别抗生素品种的依据。利用纯品太赫兹吸收谱,对两个不同厂家生产的头孢克肟药品进行了主成分定量评估,分别得到了头孢克肟在药品中的含量,它们与药品包装上标定含量的相对误差分别为9.38%和0.92%。证明了太赫兹技术在药品检测中的可靠性和良好的应用前景。     

吸收峰混叠的太赫兹光谱区间组合特征提取算法

太赫兹光谱是物质识别的前沿方法之一。由于不同物质的分子组成或结构各异,许多物质的太赫兹吸收谱会在特定频率上出现吸收峰,可以作为混合物成分检测的重要特征。有效准确地提取这些吸收峰的参数,是提高识别率的关键。多峰拟合算法将光谱曲线拟合成若干个标准峰函数之和,能够同时提取到吸收峰的频率、峰高、峰宽等信息。但是该算法以寻峰算法结果为基础确定吸收峰的大致位置和数量,寻峰结果不一定是最优的拟合结果,而且很难准确识别定位混叠状态的吸收峰。为了提高混叠光谱中吸收峰的识别定位精度,提出以大幅度平滑后的曲线波谷为分界点,将预处理后的光谱分成若干个子区间。然后将子区间组合起来进行多峰拟合,通过遗传算法得到最优的拟合子区间组合和吸收峰频率近似值,拟合时每个子区间中通过峰数递增最优化方法确定拟合的吸收峰数,最后微调优化得到最优的吸收峰频率、峰高值。为了实现物质的识别,通过密度聚类算法得到同一类纯净物在多次测量中的共同吸收峰,以此作为标准数据,通过提出的基于吸收峰特征的光谱匹配算法实现了纯净物和不同含量混合物的快速识别。对10类纯净物的实际光谱数据进行拟合聚类,得到其吸收峰参数,结果与太赫兹光谱数据库一致。通过识别算法对纯净物测试集进行识别的识别率为100%,证明了特征提取和物质识别算法的有效性。对于含有混叠峰的混合物光谱,二阶导数法对葡萄糖-乳糖混合物光谱中被掩盖吸收峰(1.280 THz)的识别率仅为70%,提取到的频率平均值为1.316 THz;而该算法提高识别率至95%,频率平均值为1.281 THz,该算法提高了对混叠峰的分辨能力,能够精确定位混叠峰。对10类纯净物构成的6类不同程度混叠的二元混合物前二、三识别率分别达到90.8%和98.3%,提取到的特征能够有效应用于混合物的成分检测。该算法能够以纯净物数据为标准数据实现成分各异的混合物成分检测,对于太赫兹光谱混合物成分检测有重要意义。     

基于太赫兹光谱检测的危险品模糊识别研究

在采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对7种常见危险品进行实验研究并得到它们在0.2～2.6 THz频率范围的特征吸收谱的基础上,用模糊识别方法对7种常见危险品的太赫兹特征吸收谱进行了训练和识别。将爆炸物RDX(黑索金)、γ-HNIW、DNT(2,4-二硝基甲苯)及毒品MA(甲基苯丙胺)、氯胺酮等的不同特征吸收峰作为模糊聚类分析数据源,利用相关系数法建立模糊相似矩阵,借助传递闭包法获得模糊等价矩阵,形成标准太赫兹吸收光谱模型库,采用极差分析进行数据预处理,计算海明贴近度,识别待检物品为隐蔽在军服后的RDX和毒品MDA(替苯丙胺)。研究结果表明,由分子间相互作用或声子共振模式引起的不同特征吸收是确定危险品类型和种类的依据,用模糊识别可以实现对不同种类危险物品的识别和鉴定,为太赫兹光谱技术用于危险品的检测和识别提供了一种新的有效方法。     

氨基酸官能团的太赫兹振动模式研究

对比于氨基酸的红外分析法,太赫兹波的电子能量更低,可实现无损检测。氨基酸分子内原子振动、分子间氢键的作用、以及晶体中晶格的低频振动均处于太赫兹波段,使其在太赫兹波段具有吸收峰,且不同的氨基酸分子太赫兹吸收峰不同,故可用氨基酸在太赫兹波段的这种“指纹特性”实现氨基酸类物质的定性分析。量子化学分析方法可以应用量子力学的基本原理和方法,研究稳定和不稳定分子的结构、性能及其之间的关系,还可以针对分子与分子间的相互作用、相互碰撞及相互反应等问题进行研究。通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定参考性与指向性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,还能为实验结果进行验证。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸的太赫兹吸收谱,分别构建这三种氨基酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子构型,利用量子化学计算方法在完成结构优化后进行太赫兹吸收谱模拟计算。计算结果表明三种氨基酸单分子的太赫兹吸收谱计算结果与实验获取的太赫兹吸收谱差异较大,但在高频段吸收峰峰位基本吻合。通过GaussView分别查看了这三种氨基酸分子在太赫兹段内的吸收峰对应频率处的振转情况,发现在高频段内三种氨基酸分子官能团均只发生转动而未见振动,并且转动模式基本一致。通过对氨基酸官能团的太赫兹吸收谱进行量子化学计算,将官能团在高频段内吸收峰对应频率处的振转模式与三种氨基酸分子在该段内吸收峰对应频率处的振转模式做了对比。研究表明,在氨基酸单分子构型下由量子化学方法计算所得的太赫兹吸收谱中,高频段内计算得出的模拟吸收峰与实验获取的太赫兹吸收峰基本吻合;振转模式分析发现,谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸在太赫兹高频段内的氨基酸官能团振转模式相同,三种氨基酸分子在高频段内的吸收峰主要来源于氨基酸官能团。因此,结合量子化学计算与太赫兹吸收谱可以实现氨基酸类物质的定性分析。     

拉西地平的太赫兹光谱实验研究

测量了高纯拉西地平(98%)和拉西地平口服药片(2%)0.5~1.8 THz的太赫兹反射时域信号,并分别提取出二者的吸收谱和折射率谱。通过将纯样品的吸收峰位与CASTEP晶体软件计算得到的吸收线位置进行比较,并用Lorentz线型函数对其中位置相近的吸收峰进行拟合,得到了拉西地平的指纹谱,并从实验上确定了拉西地平的六个特征频率,这些频率分别为0.62,0.78,1.07,1.28,1.63和1.76 THz;由于口服药片中添加了其他大分子物质作为辅料,这些物质带来的吸收本底会对拉西地平的特征峰的识别造成干扰,因此,特征吸收峰数量减少至四个,它们分别是0.62,0.78,1.28和1.63 THz;另外,纯样品和口服药片的折射率谱存在较大差异,这也与口服药中添加的辅料有关。尽管实际的拉西地平口服药片中含有的拉西地平的成分很低,但是,太赫兹指纹谱依然可以将拉西地平的特征频率识别出来。因此,太赫兹时域光谱技术对拉西地平药品的成分检测是十分有效的。     

THz时域光谱测试中的散射问题

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)提取物质在太赫兹波段的吸收谱是太赫兹应用的一个重要方面。THz-TDS实验系统中的被测样片一般是多种成份的微粒与稀释剂(PE)按一定摩尔浓度混合研磨后压制而成的薄圆片。一般认为,吸收谱中出现的随频率缓慢上升的基线是源于样品颗粒对THz波的散射。该基线对准确获取吸收谱中的特征吸收峰的峰高和峰形信息产生了影响,故为了进一步对吸收谱实现准确的定量分析,应设法移除基线,消除样品颗粒散射对吸收谱的影响,使吸收谱中的特征吸收峰更准确的体现被测物质在太赫兹频段内的吸收特性。对基线产生的原因进行了分析,对近年来出现的散射处理方法进行了综述,为了验证文献中去除散射方法的合理性,选取三种氨基酸进行实验,对比了去除散射影响前后氨基酸的摩尔浓度计算精度,结果表明,去除散射影响后部分氨基酸的摩尔浓度计算精度得到了提高,最后综合实验结果提出了THz吸收谱中去除散射影响需要进一步研究的方向。     

基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱物质识别

许多太赫兹光谱物质识别方法依靠寻找该物质在太赫兹波段范围内不同光谱表现出的不同特征来识别特定物质。吸收峰提取法是常用的光谱特征提取算法,但当光谱无明显特征吸收峰或峰位、峰值相近或难以识别时,难以利用吸收峰特征辨别物质。将机器学习和统计学习技术用于太赫兹光谱的识别中虽减少了吸收峰的干扰,但常常需要人为定义特征而导致分类误差。深度学习法能自动提取特征,但在识别前往往需要进行复杂的预处理操作,并且在特征提取的过程中容易丢失部分特征从而导致分类误差。针对以上问题,提出了一种基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱识别方法。利用太赫兹光谱信号进行小波变换时,由于小波系数矩阵的每一行系数与原始光谱信号存在着对应关系,因此将太赫兹光谱的吸收系数通过小波变换在频率域上展开,能得到不同的二维的频率-尺度分布图,又称小波系数图。然后构造一个卷积神经网络(CNN)对小波系数图进行分类,可得到太赫兹光谱物质的分类结果。为了验证所提出算法的有效性,将三组小波系数图数据与原始光谱数据分别输入CNN、Support Vector Machin (SVM)、Multilayer Perceptron (MLP)三种不同的分类器作对比,从实验结果可以发现本文算法在三组数据中的识别率均达到了100%,说明相比于传统方法,本文方法能准确分类没有明显特征吸收峰的光谱,证明了使用卷积神经网络识别小波系数图的有效性。为了体现本文算法的优势,与小波脊线寻峰识别算法作对比,实验结果表明本文算法几乎不受峰频、峰位、峰值的影响,无论是识别不存在吸收峰的淀粉,还是识别相似度高的蔗糖和葡萄糖,都具有较高的识别率,分类准确率达97.62%,证明了所提算法的优越性。该算法为太赫兹光谱数据识别提供了一种新思路,同时也可以推广运用到其他谱图物质的识别中。     

红薯淀粉中添加剂明矾的定性和定量太赫兹时域光谱技术检测

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对红薯淀粉中的添加剂明矾进行了实验研究,获得了红薯淀粉和明矾的太赫兹时域光谱和频域光谱,通过计算得到二者的吸收系数谱和折射率谱,吸收系数谱显示明矾在太赫兹波段有明显的特征吸收峰,可以用THz-TDS技术对淀粉中的明矾进行特征识别。实验获得了红薯淀粉中掺杂不同百分比(质量分数)明矾的太赫兹时域光谱,计算得到吸收系数谱和折射率谱,发现随着明矾含量的增加吸收峰的幅度下降,折射率逐渐下降,说明THz-TDS技术可以用于淀粉中明矾的定性识别和定量检测。     

几种油脂分子太赫兹谱分析技术的基础研究

为了探索脂类有机大分子对太赫兹（THz）辐射的吸收特征,以及使用THz对生物有机大分子实现检测和鉴别,使用透射型太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统获得了七种植物油、两种调和油的太赫兹吸收光谱,得到它们的特征吸收参数,对比和分析了它们特征吸收峰的差异。结果表明:脂类有机大分子对THz辐射具有差异性吸收,具备在THz波段的识别基础,可通过THz技术进行鉴别和定性分析。     

基于太赫兹辐射的糖类异构体信息提取方法研究

应用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）获取了两种互为异构体的糖类D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖的太赫兹吸收谱，发现D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖在0.3～1.72 THz频段内太赫兹吸收峰位存在明显区别，可以由1.41和1.66 THz两个吸收峰位鉴别D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖。为研究D-(+)-葡萄糖太赫兹光谱吸收峰形成机理，首先构建了D-(+)-葡萄糖的单分子构型，采用密度泛函理论中的B3LYP泛函，利用Gaussian09完成对D-(+)-葡萄糖单分子构型的结构优化与频率计算。将量子化学计算结果与实验谱对比发现，基于D-(+)-葡萄糖单分子构型的量子化学计算结果与实验谱差异较大。然后构建了D-(+)-葡萄糖晶胞构型，采用广义梯度近似中的PBE泛函，利用CASTEP软件完成对D-(+)-葡萄糖晶胞构型的结构优化与频率计算。将量子化学计算结果与实验谱对比发现，基于D-(+)-葡萄糖晶胞构型的量子化学计算结果与实验谱较为吻合。D-(+)-葡萄糖晶胞构型量子化学计算时，因较为全面的考虑了分子间的氢键及范德华力的作用，说明D-(+)-葡萄糖在1.41 THz处吸收峰的形成为分子间弱相互作用。其次通过Materials Studio 2017软件指认了D-(+)-葡萄糖在1.41 THz吸收峰处的振转模式，发现D-(+)-葡萄糖在1.41 THz吸收峰主要是分子之间的相互作用，进一步说明D-(+)-葡萄糖在1.41 THz处的吸收峰主要是分子间的弱相互作用。在量子化学计算结果的基础上利用Multiwfn软件对D-(+)-葡萄糖晶胞进行RDG计算，利用VMD软件对D-(+)-葡萄糖晶胞中分子间的弱相互作用的类型、位置和强度进行可视化研究。研究结果表明，利用太赫兹时域光谱技术能够敏锐地感知糖类物质结构的细微变化，并能够正确鉴别其同分异构体。     

基于经验模态分解提高太赫兹频率分辨率的方法

太赫兹频率分辨率是影响物质鉴别的重要因素,但是由于太赫兹时域光谱系统中存在器件反射,使得参考信号和测量信号出现多个反射峰,时域信号长度截断导致频率分辨率很低。为了去除反射峰的影响,提出基于经验模态分解去除时域反射峰,从而提高太赫兹频率分辨率的方法。通过与太赫兹主峰的互相关定位时域反射峰,计算反射峰的上下包络和求平均值,获取本征模函数并代替反射峰,增加时域信号有效长度,提高太赫兹频域分辨率。空气中水蒸汽的太赫兹透射谱实验结果表明,该方法具有自适应去除多个反射峰的能力,对太赫兹时域信号修复效果良好,频率分辨率提高了12倍,而且未丢失有用的吸收谱信息,吸收峰的位置和个数与真实谱一致,很好地保留了太赫兹谱的鉴别能力。     

4种过期感冒药品的太赫兹光谱研究

针对近期几起过期药品致病的负面消息,为进一步提高药品质量检测的速度,提出采用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）无损检测药品质量的新方法。首先,通过飞秒激光器以及THz-TDS系统（Z-3）检测过期阿莫西林胶囊、复方氨酚烷胺片、板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒等常用感冒药的太赫兹时域光谱。然后,通过快速傅里叶变换（FFT）,得到其太赫兹脉冲随频率变化的频谱图。接着,根据Dorney和Duvillaret等提出的THz-TDS提取光学参数模型,得到以上4种感冒药品的太赫兹特征吸收峰、吸收系数图谱和折射率。最后,将上述实验结果与相关文献报道的太赫兹特征吸收峰、吸收系数以及折射率进行对比。实验显示：过期阿莫西林胶囊和复方氨酚烷胺片在有效频段0.2~0.9 THz内的平均折射率分别为1.90和1.85,这比相关文献分别报道的最小折射率1.92和2.05小;过期板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒在有效频段0.2~1.4 THz内的平均折射率均为1.84,这较相关文献报道的最大折射率1.797略大;过期阿莫西林胶囊的5个太赫兹特征吸收峰均出现,但幅值有所降低;过期复方氨酚烷胺片的3个太赫兹特征吸收峰仍然存在,但幅值也有所降低,且在1.50 THz附近出现新的太赫兹特征吸收峰;过期板蓝根颗粒在1.43 THz出现新的太赫兹强特征吸收峰,且吸收系数减小;过期复方板蓝根颗粒在1.43,1.48和1.54 THz出现3个新的太赫兹特征吸收峰,且吸收系数也减小。结果表明：过期阿莫西林胶囊、复方氨酚烷胺片、板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒的有效成分均有所减少,部分化学成分已经发生改变;过期阿莫西林胶囊和复方氨酚烷胺片等西药的折射率会增大,而过期板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒等中药的折射率会减小;通过折射率的变化和太赫兹特征吸收峰位置的不同以及新出现的太赫兹特征吸收峰,可以区分以上4种过期药品,由此可以为太赫兹光谱技术区分过期药品提供参考。     

利用太赫兹光谱检测萘啶酸的同质多晶

太赫兹光谱可以反映与固体中晶格振动有关的信息，特别适合于检测相同分子形成的不同晶体，因此利用太赫兹光谱对检测并控制药物的不同晶型具有重要的意义。而药物分子的晶型会影响药物在存储中的稳定性等性质。选取最早使用的喹诺酮类抗生素萘啶酸作为研究对象，首先合成了萘啶酸的两种晶型NA-Ⅰ和NA-Ⅱ。通过X射线粉末衍射确认了两种晶型。使用太赫兹时域光谱技术在室温下对合成的两种萘啶酸不同晶型NA-Ⅰ和NA-Ⅱ在0.2～2.4 THz范围内进行检测，NA-Ⅰ和NA-Ⅱ在太赫兹光谱中表现出明显的差异。NA-Ⅰ在0.94，1.41，1.88，2.05和2.17THz处有五处特征峰，而NA-Ⅱ在0.72，0.96，1.38，1.80，2.04和2.16 THz处有六处特征峰。二者最明显的差异是NA-Ⅱ在2.04 THz处的峰为肩峰，而NA-Ⅰ在2.05 THz处的吸收强度要大得多。不同于其他光谱，如红外光谱，太赫兹光谱中的特征峰不对应特定的官能团，因此对光谱峰的指认尤为重要。利用密度泛函理论对两种晶型进行理论计算，理论峰与实验特征峰基本对应，得出萘啶酸两种晶型在此低频范围的振动模式主要是分子的骨架运动，并从两种晶体堆积方式的不同阐述了光谱显著差异的原因。该研究为利用太赫兹光谱检测药物的同质多晶提供了依据。     

天然纤维素太赫兹和红外光谱分析研究

为研究太赫兹波技术在植物中纤维素检测的应用前景。选取玉米、麦壳、芦苇进行太赫兹时域光谱检测,并与纤维素粉作为参考样品进行比较,分析结果表明上述三种植物样品和参考样品在1.75,1.62,1.1和0.7 THz等频率处均有明显特征吸收峰。比较几种样品的吸收强度情况,纤维素粉在1.62 THz处吸收最强,采用化学分析方法检测玉米、麦壳以及芦苇中纤维素含量,并与太赫兹波检测比较,发现在该频率处植物中纤维素含量越高,则其在太赫兹波中的吸收峰也越高,说明植物纤维素能在该频率段内发生晶格振动,使其官能团出现变形、弯曲或伸缩等变化。利用密度泛函理论对纤维素进行量子化学计算,也获得纤维素在0.7,1.1和1.75 THz处特征吸收峰,表明了太赫兹时域光谱能用于植物纤维素检测。最后,用红外光谱技术对玉米和纤维素粉进行检测,探讨纤维素分子微结构的扭转及振动模式,并把它们的特征吸收谱与量子化学计算进行比较,实验结果和理论计算基本一致。这为植物纤维素的检测判断提供了一种新方法。     

食品添加剂特丁基对苯二酚的太赫兹光谱及其检测分析

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对物质进行无损检测是太赫兹应用领域的一个研究热点.针对近日报道检查出部分麦当劳的"麦乐鸡"添加剂中含有的一种化学成分一特丁基对苯二酚(TBHQ)含量超标,应用太赫兹无损检测技术对其作定性识别.测得该种化学成分在0.2～2.2 THz的吸收谱和折射率曲线,并将其以不同比例与面粉均匀混合,测得混和物和面粉在0.2～2.2 THz的吸收谱.同时对TBHQ进行理论模拟作为对比.结果表明,通过太赫兹波段吸收曲线的特征差异检测TBHQ是可行的,为无损食品添加剂的检测提供一种新型的方法.     

基于太赫兹光谱的奶粉中葡萄糖及蔗糖定性定量检测方法

奶粉富含人体所需的五大营养物质,是婴幼儿主要的营养来源之一,奶粉中的营养成分对婴幼儿的生长发育具有重要影响,除乳糖外的糖类含量超标可能对婴幼儿健康产生不良影响。由于奶粉成分复杂,目前的色谱法和近红外光谱法检测技术都难以满足奶粉糖分快速无损检测的要求,因此亟须探索一种奶粉中葡萄糖、蔗糖含量快速无损检测方法。太赫兹波对不同大分子物质的吸收峰具有“指纹”特性,可利用该特性对不同的大分子物质进行识别。应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）并结合化学计量学方法对奶粉中葡萄糖、蔗糖两种糖分的定性定量检测方法进行了研究。实验装置采用TAS7500TS太赫兹光谱系统,实验样品为不含糖的婴幼儿奶粉和纯度大于99%的葡萄糖、蔗糖晶体及不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物,实验分别采集了3种纯品样品及15种不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物样品的太赫兹时域信号,每个样品采集三次并取平均值作为其时域光谱信号,经快速傅里叶变换（FFT）得到各样品的太赫兹频域信号,再根据Dorney提出的光学参数提取公式计算得到各样品的吸收系数谱和折射率谱。最后分别基于两组混合物样品的吸收系数谱和折射率谱数据,采用偏最小二乘法（PLS）建立相应的定量分析模型,校正集和预测集样品比例为2∶1。实验结果表明,奶粉在太赫兹波段无明显特征吸收峰,葡萄糖和蔗糖分别在1.45,1.8,1.98,2.7 THz和1.5,1.9,2.6 THz频率处有较强的特征吸收峰,可根据两种物质的太赫兹指纹特征峰进行定性分析。不同梯度浓度的两组混合物的整体吸收峰位置与葡萄糖、蔗糖纯品太赫兹吸收峰位置基本一致,具有稳定的吸收特性。基于吸收系数谱和折射率谱数据建立偏最小二乘法模型,均可实现奶粉中葡萄糖和蔗糖的定量分析,且由折射率谱建立的葡萄糖、蔗糖定量回归模型效果均优于由吸收系数谱建立的模型效果,其中,奶粉-葡萄糖混合物中葡萄糖含量PLS模型的校正集相关系数（R_c）及均方根误差（RMSEC）分别为0.99和0.18%,预测集R_P及RMSEP分别为0.96和0.66%,奶粉-蔗糖混合物中蔗糖含量PLS模型的校正集R_c及RMSEC分别为0.96和0.55%,预测集R_P及RMSEP分别为0.99和0.25%,葡萄糖和蔗糖定量模型的预测效果均较为理想。研究结果表明THz-TDS技术可有效用于奶粉中葡萄糖和蔗糖定性定量分析,为运用THz-TDS技术开展奶粉掺假及品质快速检测方法研究提供参考。