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太赫兹光谱技术快速识别与检测大米中沙蚕毒素类农药残留

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中国食品学报 2022年第9期22卷 217-225页

作者：张瑛吴静珠刘慧琳北京工商大学食品与健康学院北京100048 北京工商大学计算机与信息工程学院食品安全大数据技术北京市重点实验室北京100048

建立透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合主成分分析(PCA)对大米中3种沙蚕毒素类农药(杀螟丹、杀虫磺和杀虫单)残留进行快速识别和检测。基于聚乙烯为基质获取杀螟丹、杀虫磺和杀虫单的THz特征吸收峰,进行物质识别和定量分析。以大... 详细信息

建立透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合主成分分析(PCA)对大米中3种沙蚕毒素类农药(杀螟丹、杀虫磺和杀虫单)残留进行快速识别和检测。基于聚乙烯为基质获取杀螟丹、杀虫磺和杀虫单的THz特征吸收峰,进行物质识别和定量分析。以大米为基质,分别添加杀螟丹、杀虫磺和杀虫单,借助PCA分析进行检测和识别。结果表明,杀螟丹、杀虫磺和杀虫单的THz吸收谱图中存在特征吸收峰(1.95,1.19,1.70 THz),为物质识别提供了依据。在0.002%~16.667%范围,1.95,1.19,1.70 THz处特征峰吸收值与质量分数具有良好的线性关系,相关系数均高于0.9599。以大米粉为基质,PCA分析实现了对0.002%~16.667%添加范围THz吸收谱的完全区分以及0.002%低质量分数添加下3种沙蚕毒素类农药的识别。透射式THz-TDS技术可实现农产品中沙蚕毒素类农药残留的快速识别与检测,试验结果为该技术在农产品中农药残留的检测提供了试验依据。

关键词：大米太赫兹光谱技术沙蚕毒素类农药残留食品安全主成分分析

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基于太赫兹光谱技术的贝母品种鉴别方法研究

光谱学与光谱分析 2021年第11期41卷 3357-3362页

作者：刘燕德徐振胡军李茂鹏崔惠桢华东交通大学机电与车辆工程学院江西南昌330013

贝母是广泛应用于临床实践的中药材,其中川贝母尤为珍贵,存在掺假及伪冒现象,伪劣贝母会对用药者的健康产生不良影响。太赫兹时域光谱(Terahertz time domain spectroscopy)具有瞬态性、宽带性、安全性和穿透性等许多优越特性,近年来在... 详细信息

贝母是广泛应用于临床实践的中药材,其中川贝母尤为珍贵,存在掺假及伪冒现象,伪劣贝母会对用药者的健康产生不良影响。太赫兹时域光谱(Terahertz time domain spectroscopy)具有瞬态性、宽带性、安全性和穿透性等许多优越特性,近年来在药食无损检测领域十分活跃。以四种常见贝母(川贝母、平贝母、伊贝母、浙贝母)为研究对象,探究利用太赫兹时域光谱技术鉴别贝母品种的可行性。利用TAS7500TS太赫兹光谱系统采集贝母样品在0.6~3.0 THz范围内的光谱,并结合化学计量学方法进行预处理与建立分类模型。当分类数量为二时,称为二分类问题,当分类数量超过二时称为多分类问题。利用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)建立四种贝母的二分类模型;使用Savitzky-Golay(S-G)平滑、多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、移动平均、基线偏移校正(Baseline offset)对原始光谱进行预处理,再采用主成分分析(PCA)对预处理后的数据进行降维,以减少数据运算量、简化运算,最后建立随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、反向传播神经网络(BPNN)多分类模型。结果显示:川-伊贝母二分类鉴别模型正确率为93.333%,平-浙贝母二分类鉴别模型正确率为98.333%,其他四种二分类鉴别模型正确率均为100%。对建立的多分类模型进行对比分析发现SVM结合SNV建模效果最好,其中川贝母正确率为95.349%,伊贝母正确率为96.552%,平贝母与浙贝母正确率均为100%,整体正确率高达97.490%。研究结果表明利用太赫兹时域光谱技术鉴别不同品种贝母是可行的,并建立了分类效果较好的SNV-SVM多分类模型,为把控中药材质量提供一种新的手段,对维护中药材市场的正常运转具有重要的意义。

关键词：太赫兹光谱技术贝母二分类多分类

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生物医学检测中太赫兹光谱技术的算法研究

光学学报 2021年第1期41卷 385-394页

作者：朱亦鸣施辰君吴旭彭滟上海理工大学太赫兹技术创新研究院上海市现代光学系统重点实验室太赫兹光谱与影像技术协同创新中心上海200093

基于太赫兹波的非电离、非侵入性、高穿透性、高分辨率和光谱指纹特征,太赫兹光谱技术在生物医学领域具有巨大潜力。基于太赫兹光谱技术和不同的分析算法,不同研究小组实现了对混合物样品的定性、定量识别。然而,实际的生物混合物样品... 详细信息

基于太赫兹波的非电离、非侵入性、高穿透性、高分辨率和光谱指纹特征,太赫兹光谱技术在生物医学领域具有巨大潜力。基于太赫兹光谱技术和不同的分析算法,不同研究小组实现了对混合物样品的定性、定量识别。然而,实际的生物混合物样品中通常包含水在内的不同成分,进而导致光谱的信噪比较差,导致最终的光谱分析结果误差较大。对于此类问题,降噪算法和重构算法是比较有效的解决办法。这些算法通过去除光谱数据中的无效信息或提取其中的有效信息来达到提高光谱信噪比的目的,最终结合分析算法实现对生物样本的高精度定性和定量识别。本文对近五年来应用于太赫兹光谱技术中的主要算法进行了归纳介绍,并总结了它们的优势和缺点。

关键词：光谱学太赫兹光谱技术算法信号降噪数据重构定性及定量分析

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太赫兹光谱技术在气体检测中的应用

激光与光电子学进展 2009年第7期46卷 29-35页

作者：吴亮凌福日刘劲松姚建铨华中科技大学光电子科学与工程学院武汉光电国家实验室湖北武汉430074 天津大学精仪学院激光与光电子研究所天津300072

相关环境污染信息在太赫兹波段内具有较强的吸收特性,使得利用太赫兹光谱技术探测大气中的污染物成为可能。概述了国内外太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究历史和发展现状,介绍了不同的气体分子在太赫兹波段的吸收谱,以及对混合... 详细信息

相关环境污染信息在太赫兹波段内具有较强的吸收特性,使得利用太赫兹光谱技术探测大气中的污染物成为可能。概述了国内外太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究历史和发展现状,介绍了不同的气体分子在太赫兹波段的吸收谱,以及对混合气体分子和同素异形体分子的识别。对太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究方向进行了展望。

关键词：太赫兹光谱技术大气污染时域光谱系统转动能级跃迁吸收谱

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太赫兹光谱技术用于肺癌检测的初步探索研究

第三军医大学学报 2017年第17期39卷 1739-1743页

作者：刘丁瑗施长城周向东第三军医大学西南医院呼吸内科重庆400038 中国科学院重庆绿色智能技术研究院重庆400714

目的利用太赫兹光谱技术,对人肺癌组织进行检测,比较肺癌组织、癌旁组织及正常肺组织之间的差异,筛选出具有特异性诊断价值的太赫兹频段,初步探索太赫兹光谱技术用于肺癌的早期检测。方法收集2015年6月至2015年12月经我院胸外科手术切... 详细信息

目的利用太赫兹光谱技术,对人肺癌组织进行检测,比较肺癌组织、癌旁组织及正常肺组织之间的差异,筛选出具有特异性诊断价值的太赫兹频段,初步探索太赫兹光谱技术用于肺癌的早期检测。方法收集2015年6月至2015年12月经我院胸外科手术切除、病理明确诊断为Ⅰ~ⅢA期非小细胞肺癌患者30例,其肺癌组织病理类型为:腺癌17例、鳞癌10例、大细胞肺癌2例、肉瘤样癌1例。每组包括同一患者肺癌组织、癌旁组织及正常肺组织。运用频段为0.2~2.0 THz的太赫兹光谱进行检测,对比3类组织标本对太赫兹光谱的吸收率。结果 (1)肺癌组织对太赫兹光谱吸收率显著高于正常肺组织;(2)太赫兹光谱频段1.4~2.0 THz可能为具有肺癌特异性诊断价值的太赫兹频段。结论鉴于肺癌组织对太赫兹光谱吸收率高于正常肺组织,太赫兹光谱技术可能成为一种新型非侵入诊断肺癌的检测技术,其具有特异性诊断价值的太赫兹频段可能为1.4~2.0 THz。

关键词：太赫兹光谱技术非小细胞肺癌吸收率

太赫兹光谱技术在抗生素质量评价中的应用研究

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太赫兹光谱技术在抗生素质量评价中的应用研究

作者：谢伟西南科技大学

学位级别：硕士

太赫兹光谱技术作为一种新兴的光谱技术,与红外、拉曼等光谱形成互补,在抗生素药品的主成分含量分析、成分鉴别等方面具有一定的应用价值,为抗生素质量评价提供了一种快速、安全和有效的检测方法。本文首先通过太赫兹时域光谱系统检测... 详细信息

太赫兹光谱技术作为一种新兴的光谱技术,与红外、拉曼等光谱形成互补,在抗生素药品的主成分含量分析、成分鉴别等方面具有一定的应用价值,为抗生素质量评价提供了一种快速、安全和有效的检测方法。本文首先通过太赫兹时域光谱系统检测了米诺环素等27种抗生素的太赫兹特征光谱,为抗生素的定性鉴别和定量分析提供数据支撑;其次,通过双三元、二维液相色谱仪检测了4种抗生素的特征光谱,鉴定了不同厂家抗生素药品的合格性,为定性及定量分析提供对比;然后,通过聚类分析、主成分分析、多元线性回归等方法对4类抗生素进行了定性鉴别和定量分析;最后,通过高低温湿热试验箱对13种抗生素进行了加速老化,探索抗生素老化规律。研究结果表明:(1)将太赫兹光谱技术与聚类分析方法相结合,在鉴别不同厂家抗生素药品合格性方面具有较高的分辨能力;同类抗生素中的部分抗生素药品能通过聚类方法进行有效的归类,可以区分原料药与制剂。(2)太赫兹光谱技术在抗生素的定量分析中具有明显的优势。盐酸米诺环素胶囊(3个不同厂家)、阿莫西林和氧氟沙星定量模型的相关系数均达到0.99以上,多元线性回归模型的平均相对误差分别为5.2%、8.9%、10.0%、7.8%和3.5%;克拉霉素、阿奇霉素和甲硝唑定量模型的相关系数在0.98以上,多元线性回归模型的平均相对误差分别为11.2%、12.1%和17.0%,这是由于克拉霉素碾磨后分子间存在的强相互作用力导致制样均匀性差、阿奇霉素随着样品浓度的增加平行样品的一致性变差、甲硝唑的太赫兹特征吸收峰处于功率急剧衰减的高频段。(3)太赫兹光谱技术可以应用于抗生素的老化分析。13种抗生素药品老化前后太赫兹特征峰处的吸收系数发生了一定的改变,部分老化样品可以通过欧式距离区分,且欧式距离与老化程度正相关;老化时间越长,抗生素药品中成分增多,其太赫兹特征光谱信噪比降低,有效频谱范围减小。(4)基于太赫兹光谱技术的抗生素定性和定量分析结果与液相色谱检测结果一致,可以采用液相色谱检测结果对太赫兹光谱分析方法进行标定。本论文提出了利用太赫兹光谱技术评价抗生素质量,为确保抗生素药物的功能有效性和作用安全性提供一种新的检测方法。

关键词：太赫兹光谱技术液相色谱抗生素质量评价

基于太赫兹光谱技术的橄榄油品质快速检测方法的研究

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基于太赫兹光谱技术的橄榄油品质快速检测方法的研究

作者：余俊杰合肥工业大学

学位级别：硕士

食品的质量和安全问题与人们健康的饮食息息相关。随着人们生活水平的提高和食品安全事件的频繁发生,食品品质与安全检测越来越受到人们关注。我国市场上特级初榨橄榄油大多来自于进口,来源、加工生产均不可控,因此其原产地、品质与安... 详细信息

食品的质量和安全问题与人们健康的饮食息息相关。随着人们生活水平的提高和食品安全事件的频繁发生,食品品质与安全检测越来越受到人们关注。我国市场上特级初榨橄榄油大多来自于进口,来源、加工生产均不可控,因此其原产地、品质与安全深受消费者的关注。本文以特级初榨橄榄油为实验对象,应用太赫兹时域光谱技术并结合化学计量方法对特级初榨橄榄油进行了产地鉴别、掺杂掺假检测、以及氧化酸败分析。具体研究内容与结果如下:（1）基于太赫兹光谱技术的特级初榨橄榄油产地鉴别研究。分析了橄榄油在0-3.0059 THz波段区间的时域和频域光谱特性,分别采用了最小二乘支持向量机（LS-SVM）、反向传播神经网络（BPNN）、随机森林（RF）与主成分分析（PCA）、遗传算法（GA）相结合的分类识别算法进行产地鉴别。针对太赫兹光谱的高维光谱特征数据,分别比较了PCA和GA算法的降维效果,建立对橄榄油产地的快速鉴别模型。通过对比试验结果表明,GA-LS-SVM模型结合太赫兹吸收光谱为橄榄油原产地鉴别提供了新的分析方法并取得了最好的分类结果,其建模集和预测集的准确率分别高达100%和96.25%。（2）利用太赫兹光谱和化学计量学方法对掺假橄榄油做定性鉴别和定量分析。将葵花籽油分别按照0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的比例掺入到意大利生产的特级初榨橄榄油中,得到不同掺假比例的橄榄油样品。分析样品在太赫兹22-30 ps区间内的时域光谱、0-3.0059 THz区间的频域光谱和吸收光谱,采用LS-SVM、BPNN和偏最小二乘（PLS）方法,同时与结合GA算法筛选特征变量的模型相比较,定量分析掺假比例。结果表明,GA-LS-SVM模型对掺假比例的预测精度最高,其预测集决定系数（Rp2）、预测均方根误差（RMSEP）和相对预测误差（RPD）分别为0.887、0.965%和3.856。（3）应用太赫兹光谱技术对不同氧化酸败程度的特级初榨橄榄油进行鉴别。通过设定贮存条件促进氧化酸败,以获得不同氧化阶段的橄榄油样品,采用太赫兹系统测量样品在0.3051-2.0065 THz范围内的THz吸收光谱,并将GA与SVM、BPNN和PLS模型相结合建立鉴别模型,其中GA-SVM所得预测模型最优,建模集和预测集的鉴别准确率分别为98.5%和99%。此外,运用区间偏最小二乘（i PLS）分析了过氧化值与太赫兹波段的相关性,结果表明,0.6867-0.9613 THz区间与过氧化值有良好的线性关系,比其他光谱范围更能代表橄榄油氧化状况。本研究表明太赫兹光谱技术能够实现对橄榄油品质的快速检测,满足工业上对橄榄油加工和贮藏过程中品质的实时监测;研究结果为太赫兹光谱检测技术在橄榄油工业上的实际运用提供了理论支持,也为太赫兹光谱技术在其它农产品检测领域中的应用提供参考。

关键词：特级初榨橄榄油太赫兹光谱技术产地鉴别掺假氧化酸败快速检测

基于太赫兹光谱技术与化学计量学方法的中药识别研究

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基于太赫兹光谱技术与化学计量学方法的中药识别研究

作者：章龙南京林业大学

学位级别：硕士

牛黄为中医常用的中药材,具有很高的药用价值,由于天然牛黄资源紧缺,市场上经常出现用价格低廉的黄连、大黄、蒲黄等中药冒充天然牛黄粉的不法行径,如何快速准确地识别牛黄具有十分重要的意义。中药天麻为传统名贵中药之一,广泛分布于... 详细信息

牛黄为中医常用的中药材,具有很高的药用价值,由于天然牛黄资源紧缺,市场上经常出现用价格低廉的黄连、大黄、蒲黄等中药冒充天然牛黄粉的不法行径,如何快速准确地识别牛黄具有十分重要的意义。中药天麻为传统名贵中药之一,广泛分布于我国西南至东北等地,由于遗传、生态环境因素的影响,不同产地的天麻品质存在较大差异。快速准确识别不同产地的天麻能够规范中药市场,并为临床正确用药提供参考。目前,中药的常用鉴别方法,主要为经验鉴别,显微鉴别和理化鉴别。上述几种方法有效、精确且针对性强,但是也存在一些缺点,例如前两种方法依据鉴定者的主观判断,缺乏明确的鉴定标准,对鉴定者的个人能力依赖性较大。理化鉴定方法对样品进行分析鉴别,会对被测样品造成破坏,且逐一分离比较耗时同时成本较高。太赫兹波（Terahertz,THz）是指频率范围在0.1～10THz的电磁波,具有电子和光学的双重特性。许多生物大分子的振动与转动能级都位于THz频段,同时由于太赫兹辐射的能量低,不会由于光子能量过高而电离破坏物质的结构,因此THz技术被广泛应用于无损检测领域。但是,对于中药这种成分较为复杂的样品,其在太赫兹波段没有明显的特征吸收峰,借助化学计量学方法可以提取样品太赫兹光谱中的有用信息,并建立识别模型进行识别分析。本文以牛黄及其易混品以及不同产地的天麻为研究对象,应用太赫兹光谱技术结合化学计量学方法建立识别模型。本文的主要研究内容如下:（1）牛黄及其易混品的识别研究。采用太赫兹时域光谱技术结合化学计量学方法对牛黄及其易混品进行鉴别分析。获取了黄连、大黄、蒲黄、人工牛黄、掺杂牛黄和天然牛黄的太赫兹时域光谱图,采用主成分分析方法对样品的太赫兹时域光谱信号进行分析,分别构建随机森林（RF）模型和三种参数优化的支持向量机（SVM）模型,对六种物质的太赫兹吸收光谱进行分类鉴别,最后对于样品数据集不平衡导致随机森林模型识别准确率下降的问题,提出基于合成少数类过采样技术（SMOTE）的随机森林模型。结果表明,随机森林模型和SVM模型均可达到95%左右的分类准确率,但随机森林模型具有更快的运行速度,运行时间仅为最优PSO-SVM模型运行时间的2%。基于SMOTE的随机森林模型可有效地解决数据不平衡情况下识别率低的问题,识别率从84.17%提高到94.17%,计算速度基本不变。（2）天麻及其产地检测的识别研究。采用太赫兹时域光谱技术结合化学计量学方法对不同产地的天麻进行鉴别分析。获取辽宁抚顺天麻、湖北恩施天麻、陕西汉中天麻、安徽金寨天麻以及云南昭通天麻的太赫兹吸谱图,采用光谱预处理方法,如SG平滑、一阶导数、二阶导数、标准正态变量变换（SNV）、多元散射校正（MSC）及其相互组合对原始光谱数据进行去噪和消除谱图的基线漂移处理。分别建立广义回归神经网络以及S＿Kohonen神经网络模型,对五种经过光谱预处理之后的天麻太赫兹吸收谱数据进行分类鉴别,对比识别效果。结果表明,采用正交信号校正的光谱预处理方法,两种鉴别模型广义回归神经网络以及S＿Kohonen神经网络模型都达到了最高的识别准确率,分别为92%和94%。通过研究对比发现对于不同产地天麻的鉴别,SNV光谱预处理结合S＿Kohonen神经网络模型可以达到最优的识别效果。

关键词：太赫兹光谱技术牛黄天麻随机森林 SKohonen神经网络

太赫兹光谱技术在中药大黄炮制品检测中的应用价值分析

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世界最新医学信息文摘 2018年第72期18卷 265-267页

作者：胡清宇姚锦平李德成山西药科职业学院黑龙江民族职业学院

本文采用太赫兹光谱技术对常见的四种中药大黄炮制品进行了检测研究,以比较炮制前后大黄炮制品的成分如何影响中药疗效。采用了化学计量学处理方法获得了中药大黄广谱数据,并按照炮制品种的种类分析了广谱数据。另外,采用了薄层色谱法... 详细信息

本文采用太赫兹光谱技术对常见的四种中药大黄炮制品进行了检测研究,以比较炮制前后大黄炮制品的成分如何影响中药疗效。采用了化学计量学处理方法获得了中药大黄广谱数据,并按照炮制品种的种类分析了广谱数据。另外,采用了薄层色谱法对不同炮制方法的大黄进行了研究分析,得到的试验结果与变化规律相符。由此说明太赫兹光谱技术对中药炮制品成分具有敏感性,可以为相关研究提供参考。

关键词：大黄炮制品太赫兹光谱技术广谱识别成分分析