基于太赫兹光谱与化学计量学的植物药和食品检测技术研究
发布时间：2021-08-30 19:08
随着社会经济的发展以及人民生活水平的提高,健康问题成为了人们关注的热点问题。传统的食品药品检测方法往往存在检测时间长、流程复杂、可能破坏样品成分等问题。因此,快速、安全的检测手段显得尤为重要。太赫兹波是频率范围为0.110THz的电磁辐射,处于电子学向光子学过渡的交叉区域,该频段可以用于观测分子间的作用力、晶格振动、分子集体振动等微观过程,近些年来被广泛应用于化学、医药、生物材料等领域的定性和定量研究。本文利用太赫兹时域光谱技术对食品和药品领域常用的几种化合物分子进行光谱测量,结合量子化学计算对化合物孤立分子、聚合物（二聚体）、晶胞等体系进行仿真,并完成对相应特征峰的振动模式指认;研究了手性化合物的太赫兹光谱鉴别;研究了几种植物提取物的太赫兹光谱;对几类中药材进行测定,结合化学计量学方法完成光谱数据聚类可视化和分类分析。主要做了如下研究:（1）研究了几种小分子化合物的太赫兹光谱。以食品领域常用的苯甲酸、苯甲酸钠、山梨酸为例,分别利用B3LYP泛函与B3PW91泛函对它们的单分子、二聚体结构进行仿真,并把分子结构优化后的键长键角参数与文献中的实验值进行比较,对实验与...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太赫兹电磁波在电磁波谱中的位置
电子科技大学硕士学位论文6第二章太赫兹时域光谱检测与分析基础2.1太赫兹时域光谱技术2.1.1太赫兹时域光谱系统太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种高新光谱技术，适用于生物分子、通信、医学检测等诸多领域的研究[1]，具有很高的应用研究价值。在THz-TDS技术中，脉冲太赫兹辐射的产生与探测技术至关重要，常用的产生脉冲太赫兹辐射的手段是光电导与光整流[41]。这两种激发机制都是利用飞秒激光器作为照射源，光电导主要作用在半导体材料表面，光整流主要作用于非线性介质内[42]，前者的得到的太赫兹辐射较后者更强，但是波谱范围更窄。与之对应，常用的脉冲太赫兹探测手段是光电导采样与电光采样[42]。图2-1太赫兹时域光谱及其原理图（透射）在THz-TDS系统中，目前最常见的是透射式与反射式这两种。典型的THz-TDS系统主要包括飞秒激光器作为光源、太赫兹辐射产生装置和相应的探测系统，以及时间延迟控制系统四个部分[43]。本文实验中用的太赫兹光谱仪是英国TeraviewTPS3000系列，该系统中安装的飞秒激光器是由德国公司MenloSystems生产的飞秒光纤激光器，重复频率为100MHz，输出功率大于65mW。本文采用的是透射式THz-TDS系统，如图2-1所示，飞秒激光脉冲经分束镜作用分为泵浦光和探测光两束光，泵浦光能量较探测光大，用于激发光导发射器表面产生太赫兹波，太赫兹透过样品后并到达探测装置，探测光则经由时间延迟系统与携带样品信息的太赫兹波共线通过探测装置，探测信号输入锁相放大器，进一步被计算机接收处理。在整个过程中，通过调节延迟系统的光路位置，改变
第二章太赫兹时域光谱检测与分析基础9十分重要的一步。箱线图是1977年由美国的统计学家约翰·图基(JohnTukey)提出的一种识别数据中异常值的方法[45]，相较于服从3法以及Z分数法而言，箱线图法没有假定数据服从正态分布，而是客观地展现真实数据的状态，被广泛应用于各个领域。本文主要将箱线图应用于于高维光谱数据中，通过对同类样本高维特征中异常特征进行统计，将异常特征比较多的样本找出来，并结合实际实验过程，考虑剔除该样本。箱线图原图理如图2-2所示。图2-2箱线图示意图箱线图是由样本的半四分位距来度量的[45]，包括最小值、上四位分数Q3，中位数（Q2），下四分位数（Q1）和最大值五个统计量[46]，将样本数据按照升序排列，按照样本数量占比25%，50%，75%分别为下四分位数，中位数，上四分位数。四分位距IQR为：IQR=上四分位数Q3-下四分位数Q1箱线图法中数据大于Q3+k*IQR和小于Q1-k*IQR定义为异常值，本文将k取为1.5，图中红色圆点为异常点。2.2.2数据的特征提取高维光谱数据特征维度大，容易造成数据冗余。特征提取是对光谱测量数据成分的分解、重组和选择的过程[47]，其目的是寻找最能表现数据特点的特征来实现数据的压缩与降维，对建立一个稳定性好、误差孝效率高的分类模型或聚类分析有着重要的意义。在从高维映射到低维的过程中，尽可能选择携带样本信息
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于太赫兹时域光谱技术的天麻素检测[J]. 刘丽萍,王煜斐,杨霏,宋茂江. 中药材. 2018(04)
[2]氨基酸的太赫兹光谱温度相关性研究[J]. 虞江萍,李春,易雯婷,金飚兵,刘云飞,蒋玲. 光谱学与光谱分析. 2018(02)
[3]基于线性叠加技术的0.38THz四倍频器设计[J]. 王亚冰,何庆国,刘亚男,胡志富. 太赫兹科学与电子信息学报. 2017(01)
[4]太赫兹科学技术在食品质量安全领域的应用研究进展[J]. 马微,程丽,单艺,王海波,魏书娟,杨春雨. 肉类研究. 2015(11)
[5]几种沉积岩的太赫兹光谱特性研究[J]. 陈晨,刘劲松,姚建铨,王绍龙,王阳恩. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(08)
[6]药品稳定性在药品质量控制中的应用探析[J]. 戴海韵. 科技创新导报. 2015(14)
[7]基于主成分分析和支持向量机的太赫兹光谱冰片鉴别[J]. 李武,胡冰,王明伟. 光谱学与光谱分析. 2014(12)
[8]L-天冬酰胺及其一水合物的太赫兹光谱研究[J]. 杨静琦,李绍限,赵红卫,张建兵,杨娜,荆丹丹,王晨阳,韩家广. 物理学报. 2014(13)
[9]基于太赫兹技术的药物检测[J]. 段瑞鑫,赵红卫,朱亦鸣. 物理. 2013(11)
[10]太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用研究[J]. 和挺,沈京玲. 光谱学与光谱分析. 2013(09)
博士论文
[1]D. tsuruhatensis R-酰胺酶基因鉴定、表达及其在西司他丁合成中的应用[D]. 杨仲毅.江南大学 2011
硕士论文
[1]第三方点评网站垃圾评论分类模型的构建[D]. 吴琪.天津师范大学 2018
[2]中药太赫兹光谱分析与鉴定关键技术研究[D]. 田珺宏.电子科技大学 2018
[3]同分异构与分子结构相似有机物太赫兹波谱研究[D]. 丁玲.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2017
[4]有机分子太赫兹光谱的实验与理论计算研究[D]. 闫慧.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2012
[5]嘌呤衍生物的结构及性质的理论研究[D]. 邢立娟.江南大学 2009
本文编号：3373340
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太赫兹电磁波在电磁波谱中的位置
电子科技大学硕士学位论文6第二章太赫兹时域光谱检测与分析基础2.1太赫兹时域光谱技术2.1.1太赫兹时域光谱系统太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种高新光谱技术，适用于生物分子、通信、医学检测等诸多领域的研究[1]，具有很高的应用研究价值。在THz-TDS技术中，脉冲太赫兹辐射的产生与探测技术至关重要，常用的产生脉冲太赫兹辐射的手段是光电导与光整流[41]。这两种激发机制都是利用飞秒激光器作为照射源，光电导主要作用在半导体材料表面，光整流主要作用于非线性介质内[42]，前者的得到的太赫兹辐射较后者更强，但是波谱范围更窄。与之对应，常用的脉冲太赫兹探测手段是光电导采样与电光采样[42]。图2-1太赫兹时域光谱及其原理图（透射）在THz-TDS系统中，目前最常见的是透射式与反射式这两种。典型的THz-TDS系统主要包括飞秒激光器作为光源、太赫兹辐射产生装置和相应的探测系统，以及时间延迟控制系统四个部分[43]。本文实验中用的太赫兹光谱仪是英国TeraviewTPS3000系列，该系统中安装的飞秒激光器是由德国公司MenloSystems生产的飞秒光纤激光器，重复频率为100MHz，输出功率大于65mW。本文采用的是透射式THz-TDS系统，如图2-1所示，飞秒激光脉冲经分束镜作用分为泵浦光和探测光两束光，泵浦光能量较探测光大，用于激发光导发射器表面产生太赫兹波，太赫兹透过样品后并到达探测装置，探测光则经由时间延迟系统与携带样品信息的太赫兹波共线通过探测装置，探测信号输入锁相放大器，进一步被计算机接收处理。在整个过程中，通过调节延迟系统的光路位置，改变
第二章太赫兹时域光谱检测与分析基础9十分重要的一步。箱线图是1977年由美国的统计学家约翰·图基(JohnTukey)提出的一种识别数据中异常值的方法[45]，相较于服从3法以及Z分数法而言，箱线图法没有假定数据服从正态分布，而是客观地展现真实数据的状态，被广泛应用于各个领域。本文主要将箱线图应用于于高维光谱数据中，通过对同类样本高维特征中异常特征进行统计，将异常特征比较多的样本找出来，并结合实际实验过程，考虑剔除该样本。箱线图原图理如图2-2所示。图2-2箱线图示意图箱线图是由样本的半四分位距来度量的[45]，包括最小值、上四位分数Q3，中位数（Q2），下四分位数（Q1）和最大值五个统计量[46]，将样本数据按照升序排列，按照样本数量占比25%，50%，75%分别为下四分位数，中位数，上四分位数。四分位距IQR为：IQR=上四分位数Q3-下四分位数Q1箱线图法中数据大于Q3+k*IQR和小于Q1-k*IQR定义为异常值，本文将k取为1.5，图中红色圆点为异常点。2.2.2数据的特征提取高维光谱数据特征维度大，容易造成数据冗余。特征提取是对光谱测量数据成分的分解、重组和选择的过程[47]，其目的是寻找最能表现数据特点的特征来实现数据的压缩与降维，对建立一个稳定性好、误差孝效率高的分类模型或聚类分析有着重要的意义。在从高维映射到低维的过程中，尽可能选择携带样本信息
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于太赫兹时域光谱技术的天麻素检测[J]. 刘丽萍,王煜斐,杨霏,宋茂江. 中药材. 2018(04)
[2]氨基酸的太赫兹光谱温度相关性研究[J]. 虞江萍,李春,易雯婷,金飚兵,刘云飞,蒋玲. 光谱学与光谱分析. 2018(02)
[3]基于线性叠加技术的0.38THz四倍频器设计[J]. 王亚冰,何庆国,刘亚男,胡志富. 太赫兹科学与电子信息学报. 2017(01)
[4]太赫兹科学技术在食品质量安全领域的应用研究进展[J]. 马微,程丽,单艺,王海波,魏书娟,杨春雨. 肉类研究. 2015(11)
[5]几种沉积岩的太赫兹光谱特性研究[J]. 陈晨,刘劲松,姚建铨,王绍龙,王阳恩. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(08)
[6]药品稳定性在药品质量控制中的应用探析[J]. 戴海韵. 科技创新导报. 2015(14)
[7]基于主成分分析和支持向量机的太赫兹光谱冰片鉴别[J]. 李武,胡冰,王明伟. 光谱学与光谱分析. 2014(12)
[8]L-天冬酰胺及其一水合物的太赫兹光谱研究[J]. 杨静琦,李绍限,赵红卫,张建兵,杨娜,荆丹丹,王晨阳,韩家广. 物理学报. 2014(13)
[9]基于太赫兹技术的药物检测[J]. 段瑞鑫,赵红卫,朱亦鸣. 物理. 2013(11)
[10]太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用研究[J]. 和挺,沈京玲. 光谱学与光谱分析. 2013(09)
博士论文
[1]D. tsuruhatensis R-酰胺酶基因鉴定、表达及其在西司他丁合成中的应用[D]. 杨仲毅.江南大学 2011
硕士论文
[1]第三方点评网站垃圾评论分类模型的构建[D]. 吴琪.天津师范大学 2018
[2]中药太赫兹光谱分析与鉴定关键技术研究[D]. 田珺宏.电子科技大学 2018
[3]同分异构与分子结构相似有机物太赫兹波谱研究[D]. 丁玲.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2017
[4]有机分子太赫兹光谱的实验与理论计算研究[D]. 闫慧.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2012
[5]嘌呤衍生物的结构及性质的理论研究[D]. 邢立娟.江南大学 2009
本文编号：3373340
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