特征谱区筛选在多元混合物的太赫兹光谱定量分析中的应用

用特征谱区筛选法结合太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对多元混合物成分含量进行了定量分析研究。实验利用太赫兹时域光谱系统测量了由乳糖一水合物(LAC)、对乙酰氨基酚(APAP)、可溶性淀粉(starch)以及微晶纤维素(MCC)四种材料组成的混合物样品的太赫兹吸收光谱,并分别尝试采用常规区间偏最小二乘(iPLS)、向后区间偏最小二乘(biPLS)、联合区间偏最小二乘(siPLS)和移动窗口偏最小二乘(mwPLS)四种特征谱区筛选法对多元混合物的太赫兹吸收光谱进行特征子区间优选,建立了太赫兹吸收谱与四元混合物中乳糖一水合物含量之间的定量回归模型。通过比较四种谱区筛选算法模型及全光谱偏最小二乘(PLS)模型所得结果,表明采用移动窗口偏最小二乘法建立的谱区筛选模型得到的结果相对最优,其交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)、校正集相关系数(R_C)和预测集相关系数(R_P)分别为0.980 3,1.114 1,0.996 0和0.995 1。实验结果表明,采用特征谱区筛选方法可以有效选择多元混合物太赫兹吸收光谱的特征区间,提高模型精度和降低模型复杂性,为实现多元混合物成分含量的快速检测提供了一种有效的方法。     

散射在太赫兹吸收谱定量分析中的应用研究

基于太赫兹光谱的物质成分定量分析是太赫兹技术重要的应用方向之一。但是当太赫兹波入射样品时,会与样品颗粒在微观尺度下发生散射效应,造成太赫兹波强度的衰减。因此实验测得的样品的太赫兹吸收谱主要由两部分组成,即样品本身对太赫兹波的吸收以及由散射效应造成的衰减。尤其是当样品的颗粒尺寸与太赫兹波的波长接近或可相比拟时,散射效应更为明显。在以往的太赫兹定量分析领域,往往仅考虑了Lambert-Beer定律,即物质对光的吸收与其浓度成线性变化的关系,而忽视了散射效应的作用,导致定量分析的准确度受到了限制。在对混合物样品的太赫兹波段散射效应进行分析的基础上,采用类比的方法,提出了混合物的太赫兹吸收谱模型,并通过一系列定量分析实验验证了该模型的有效性。在对多组混合物样品的定量分析实验中,定量分析误差普遍小于3%,较之仅考虑Lambert-Beer定律而言准确度得到了大幅提高,表明研究散射效应对提高太赫兹定量分析的准确度具有重要作用。     

橡胶添加剂瓦斯炭黑的太赫兹光谱定量研究

瓦斯炭黑是橡胶中重要的添加剂之一,其含量对橡胶性能有重要的影响。丁腈橡胶是工业生产中应用比较广泛的合成橡胶,研究丁腈橡胶中瓦斯炭黑的含量具有重要意义。利用太赫兹时域光谱技术,对八种不同含量瓦斯炭黑与丁腈橡胶组成的混合物样本中的瓦斯炭黑含量进行测试,获取了混合物样本在0.3~1.4 THz频段的吸收光谱数据。分别利用偏最小二乘(PLS)和支持向量回归(SVR)建立混合物中瓦斯炭黑的定量分析模型,使用均匀梯度法来选择模型的校正集和预测集,获得瓦斯炭黑预测集的相关系数与均方根误差。偏最小二乘模型相关系数与均方根误差分别为0.985 8和2.098 9%,支持向量回归模型相关系数与均方根误差分别为0.998 0和0.785 4%。实验结果表明,支持向量回归定量分析模型的预测结果优于偏最小二乘模型。为进一步证明支持向量回归模型的稳定性,多次使用随机选择法选择它的校正集和预测集,并求得其相关系数与均方根误差。结果表明,无论是利用均匀梯度法还是随机选择法对支持向量回归定量分析模型的校正集和预测集进行选择,求得的相关系数和均方根误差均优于偏最小二乘模型。     

无机盐混合溶液的太赫兹光谱定量分析

太赫兹生物医学是当前光谱研究领域的前沿热点,其主要难点在于如何在有效避免水分干扰的同时,实现复杂生物体系组分的精准分析。太赫兹光谱产生于分子振动的信息,其吸收谱较弱,吸收峰严重重叠,且多组分复杂样品的太赫兹光谱往往不是各组分光谱的简单叠加,难以用传统的峰高、峰面积标定技术进行定量计算。但采用多元校正技术可以方便地实现太赫兹光谱的定量分析,使太赫兹光谱成为一种快速、简便且适用范围广泛的分析技术。以KCl和NaCl的无机盐混合体系为典型研究体系,两种组分的浓度范围均为0.1～2 mol·L-1,浓度间隔为0.1 mol·L-1。获取20组浓度配比不同的混合溶液的吸收系数和折射率,巧妙利用水溶液体系中无机金属离子的水合氢键作用,由此采集无机盐溶液体系的太赫兹时域光谱,提取各组分的特征信息,建立多尺度数据驱动的定量分析模型,有望实现水溶液中无机金属离子的定量分析。针对太赫兹光谱数据规模大、基质干扰强及数据关联复杂等特点,构建复杂二维小波变换、多变量筛选、贝叶斯数据挖掘、深度学习和数据关联性分析技术为一体的算法数据库,由此构建基于多尺度数据驱动的太赫兹光谱解析方法。论文依据正交实验的原则,构建具备良好数据结构特征的混合溶液数据集,引导后续的光谱解析方法准确提取无机金属离子水合氢键信息。在此基础上,发展自适应算法,寻找光谱数据变量与浓度间的关系,并采用变量筛选技术,从原始光谱数据中提取无机盐水合氢键的特征信息,最终构建浓度与特征信息之间的数据驱动模型。计算结果表明,KCl和NaCl组分的预测误差分别为8.0%和9.1%,能有效满足大部分应用的检测精度要求。多尺度数据驱动模型方法充分利用太赫兹光谱信号的时域和频域多尺度特性,实现数据预处理与多元校正的一体化运算以避免重要信息丢失,具备高度自适应特征。因此,基于数据驱动建模的太赫兹光谱分析新方法为太赫兹生物医学研究提供了新思路。     

太赫兹技术在爆炸物检测中的应用

研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。确定了四种爆炸物样品(TNT,RDX,DNT,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。结果表明,这四种爆炸物样品在0~2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

太赫兹时域光谱的药物多组分同时定量测定

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合化学计量学方法对多组分药物混合物中药物活性成分(API)和药用辅料的含量进行了定量分析研究。用THz-TDS系统测量了无水茶碱、乳糖一水合物和硬脂酸镁三元药物混合物及对乙酰氨基酚、乳糖一水合物、微晶纤维素和可溶性淀粉四元药物混合物的太赫兹吸收光谱,并采用主成分回归(PCR)和偏最小二乘回归(PLS)两种多元校正方法分别建立了太赫兹吸收谱与多元混合物各组分含量的定量回归模型,同时获得了混合物中药物活性成分和药用辅料的含量。PLS回归取得更好结果,其中三元混合物两组分含量的PLS定量模型校正及预测相关系数R均高于0.98,四元混合物中对乙酰氨基酚、乳糖一水合物、微晶纤维素和可溶性淀粉含量的PLS定量模型校正及预测相关系数R均分别高于0.93,0.98,0.63和0.86。结果表明,THz-TDS技术结合化学计量学方法建立定量分析模型能够实现对多元混合物成分含量的无损非破坏定量分析,在药物分析等领域将有广阔的应用价值。     

基于太赫兹时域光谱的食用油过氧化值定量分析研究

针对目前太赫兹光谱技术在食用油品质检测方面存在定性多、定量难的问题,提出一种基于衰减全反射(ATR)式太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术的食用油过氧化值定量分析方法.首先采集不同种类、不同氧化程度食用油样本的太赫兹时域光谱图,筛选有效信号波段并提取得到光学常数,经预处理算法校正后的光学常数,结合多种化学计量学方法建立...     

菊酯农药的太赫兹时域光谱定性和定量检测

拟除虫菊酯类农药是一类能防治多种害虫的广谱杀虫剂,主要用于卫生杀虫和农田害虫防治。利用太赫兹时域光谱技术对室温状态下的三种常用于农田害虫防治的菊酯农药高效氯氰菊酯、高效氯氟氰菊酯及溴氰菊酯进行了研究,三种菊酯农药根据其在0.2～2.2THz的吸收谱可清晰地分辨;采用线性回归和偏最小二乘回归对溴氰菊酯、聚乙烯混合物进行定量分析。偏最小二乘回归取得更好结果,其中溴氰菊酯含量的检出限达2.0%,获得的均方差为0.55%,绝对偏差均小于0.8%。结果表明THz-TDS技术在农药分子识别及含量检测方面有很大潜力。     

太赫兹时域光谱技术对化学混合物的成分分析研究

不同化合物在太赫兹波段的吸收谱差别很大,所以存在用太赫兹光谱对化合物及混合物进行含量分析的可能。利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)技术测量VC和VB1各纯化合物吸收谱,基于化合物的吸收谱,采用线性回归技术,对VC和VB1混合物的太赫兹吸收谱进行分析,得到样品中各个混合成分的相对含量。通过以VC和VB1混合物的THz吸收谱的研究为例,证实了利用整个测量波段的频谱作为化合物的指纹特征来分析化学混合物的成分和相对含量是可行的。     

核苷混合物的太赫兹谱定量分析

以物质的太赫兹吸收全谱为特征指纹可以进行混合物的成分分析。生化物质容易受外界影响而变性,使用光子能量只有毫电子伏特的太赫兹波来分析物质成分不会带来有害的电离辐射。文章使用太 赫兹谱成分分析法对腺苷、胸苷、鸟苷、胞苷、尿苷的混合物做了分析,实验结果表明该方法可以较为准确地分析出这几种核苷混合物的成分及其含量,相对误差在10%以内,并对误差产生的原因做了简 要分析。该项研究表明,此方法简单有效而且对样品无损。有可能成为生化物质成分分析的一种新手段,从而进一步拓展太赫兹谱的应用领域。     

小波变换在太赫兹时域光谱分析中的应用

随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时,样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在0.2～1.9太赫兹波段的光谱,并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考,利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理,消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响,实验结果证明了该方法的可行性,在此基础上,还对其中四种样品做了成像和识别,并得到了较好的结果。     

基于Zernike矩的保持架直径测量方法

为了解决轴承保持架人工抽检费时费力等问题,同时提高工业生产自动化水平,简述了一种基于Zernike矩的保持架直径测量方法;以型号32007E的圆锥滚动轴承筐形保持架为例,提出了基于视觉的直径测量方法,分析CCD相机采集到的轴承保持架大小端面图像,进行图像预处理后,对Sobel算子边界点阈值进行重新设定,快速检测出保持架两端圆面可能存在的边缘点集,增加了有效圆检测算法,剔除部分偏离有效圆的点,再利用 Zernike 矩算子对有效的边缘点进行重新定位,检测出保持架两端圆面的亚像素边缘并计算其精确位置,最后对所得到的亚像素边缘点集进行最小二乘法拟合,获取保持架两端直径具体尺寸;实验表明,该方法测量结果与人工测量精度接近,甚至更高,具有良好的效果和实用价值。     

太赫兹光谱结合特征谱区筛选算法在发动机润滑油含水量定量分析中应用研究

发动机润滑油是保障汽车发动机持久且稳定运转的基石,准确评定发动机润滑油各项性能指标是其在生产到使用全过程必不可少的步骤.发动机润滑油在一段时间的使用后会因为多种原因引起油品变质,发动机润滑油变质的指标可以用其中非磁性颗粒物浓度、金属屑含量、pH值、粘稠度、含水率等表述.关于发动机润滑油含水量的检测,传统的检测方法存在操...     

卟啉化合物太赫兹光谱特性研究

用化学方法合成了四苯基卟啉（TPP）、四苯基卟啉乙酸合锰（TPPMn）、四对羟基苯基卟啉（THPP）,并用太赫兹时域光谱技术研究了室温条件下这三种化合物的光谱特征,得到了各自的时域谱和透射谱。结果表明不同的卟啉化合物在太赫兹波段有不同的吸收,四苯基卟啉与四苯基卟啉乙酸合锰透射峰的位置相同,可能由于金属原予在大分子环内部配位,对分子的振动模式无影响,只是增强了物质对THz的吸收。通过比较样品的透射谱,讨论了卟啉分子结构与THz光谱吸收的关系。