Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China
2 Department of Electronics and Information Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
With the framework of exterior product, we investigate the relationship between composite multiscale entropy (CMSE) and refractive index and absorption coefficient by reanalyzing six concentrations of bovine serum albumin aqueous solutions from the published work. Two bivectors are constructed by CMSE and its square by the refractive index and absorption coefficient under vectorization. The desirable linear behaviors can be captured, not only between the defined two bivectors in normalized magnitudes, but also between the normalized magnitude of bivectors pertinent to CMSE and the magnitude of a single vector on the refractive index or absorption coefficient, with the processing of optimum selection. Besides that, the relationship between the coefficients of two bivectors is also considered. The results reveal that plenty of sound linear behaviors can be found and also suggest the scale of 15, 16 and frequency of 0.2, 0.21 THz are prominent for those linear behaviors. This work provides a new insight into the correlation between terahertz (THz) time and frequency domain information.
bivector refractive index absorption coefficient terahertz composite multiscale entropy linear behavior Chinese Optics Letters
2022, 20(6): 063701
L-苯丙氨酸和L-酪氨酸在合成神经递质和激素的过程中起到了重要的作用。 这两种氨基酸具有极为相似的分子结构, 但在生物功能上却具有明显区别。 前人的研究表明, 这两种氨基酸在低频振动上存在显著差异。 近年来, 太赫兹(THz)光谱学技术作为研究生物分子低频动力学的有效手段被广泛应用, 通过太赫兹光谱对氨基酸进行研究, 对进一步了解蛋白质和相关生物活性具有重要意义。 多变量校准方法已成功应用于太赫兹多组分光谱数据定量分析研究中。 然而, 传统校准技术由于仅在光谱和目标之间建立单个模型预测未知样品, 其预测性能有时仍不尽人意。 因此, 具有更好精度的集成建模方法(ensemble modeling method)应运而生。 集成建模的基本概念是组合多个单独模型的优势以产生更好的预测结果。 由黄锷博士提出的经验模态分解(EMD)的方法, 可以将信号自适应地分解为一系列的本征模式函数(IMF), 成功地应用于信号和光谱处理中。 基于该方法的信号分析也已在太赫兹波段开始使用。 然而, 在对物质进行定量分析的过程中, 目前还没有报道基于EMD方法的太赫兹光谱偏最小二乘(PLS)回归的相关工作。 提出了一种基于PLS的EMD分析, 并对不同浓度氨基酸混合物的太赫兹光谱进行了定量研究。 具体而言, 原始的太赫兹时域信号首先通过EMD手段在不同频段被分解为一系列的IMF和一个残差函数。 随后, 将前几个IMF相加作为一个整体(此处研究了前两、 三、 四和五个IMF叠加的结果), 对其进行吸收光谱的重建。 最后, 建立PLS回归模型, 用于进一步的物质定量分析。 预测结果表明, 与原始吸收光谱及其他分解后重组光谱的PLS结果相比, 基于前四个IMF信号之和的吸收谱具有更高的R(0.9961)和最小的RMSEP(0.019 8)。 由此可知, EMD-PLS法可以在太赫兹波段对两种氨基酸混合物进行有效地定量分析, 实现较为理想的预测精度。
太赫兹 经验模态分析 偏最小二乘法回归 氨基酸 Terahertz Empirical mode decomposition Partial least squares Amino acids 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3061
1 中央民族大学理学院, 北京 100081
2 首都师范大学物理系, 北京市成像技术高精尖中心, 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
藏红花和天然牛黄是广泛应用于临床实践的中药材, 由于产量较低、 药用价值和价格高, 市场需求量大等因素, 掺伪和伪品较多, 不仅严重损害患者健康, 而且妨碍市场正常运转。 传统的“一看、 二闻、 三泡”等经验鉴别方法已经越来越难以分辨高仿伪品; 而通过化学提取和色谱、 质谱等理化检测方法往往步骤繁琐、 费时, 且对检测环境、 人员及设备的要求和依赖度较高, 不能适应现场、 快速、 简便等实际需求, 亟需探索新的有效检测方法和鉴别技术。 太赫兹时域光谱（THz-TDS）不但具有单纯化合物的高度专属性和特异性, 又具有混合体系的“宏观指纹特征”, 可以鉴别混合物化学成分的多样性和复杂性。 另外, 主成分分析(PCA)作为一种常用的统计分析手段, 主要是用少数几个且能最大解释原始数据方差的综合变量来取代原始变量, 可以对不同种类的样本进行模式识别。 采用粉末研磨压片技术分别压制了藏红花和草红花样品各18个、 天然牛黄和人工牛黄各20个, 并利用太赫兹时域光谱测试技术分别测量了两种名贵中药材及其伪品在0.3～2.5 THz范围的吸收光谱, 最后利用主成分分析方法对获得的光谱数据进行分类识别。 为了提高PCA对测试数据的鉴别能力, 一方面将数据集映射到一组基（特征向量）进行简化, 选用较大的特征值代替原来的主要光谱信息; 另一方面, 为了消除无关因素对分类处理的干扰, 在进行PCA之前采取了Savitzky-Golay（S-G）平滑处理进行降噪, 去除冗余、 不相关的光谱特征; 然后通过Fisher诊断线进行判别分析。 对比未处理和经过S-G平滑处理的主成分得分图, 可以看出平滑处理后的分类效果明显优于未做处理的, 在未处理的得分图中, 两类样品点重叠比较严重, 而经过平滑后的得分图却只有相对较少的部分样品点重叠, 由此可以看出SG平滑在光谱识别中的重要性; 另外, 前两个主成分（PC1和PC2）已经基本能反映光谱之间的差异性。 分类结果显示, 藏红花和草红花具有明显的聚类趋势, 分类鉴别准确率均为100%; 而人工牛黄和天然牛黄的类内样品基本聚在一起, 但是类间略有重叠, 分类鉴别准确率分别为100%和90%。 除此之外, 样本的主成分得分图还可以反映样本的内部特征和聚类信息。 其中, 藏红花样本由于藏红花素、 藏红花酸等化合物成分含量较高, 聚合度较好, 分布范围相对集中; 反之, 天然牛黄为胆囊分泌物, 成分较为复杂, 聚类效果较差, 分布范围较广。 研究结果表明, 太赫兹光谱技术结合主成分分析可以区分藏红花和草红花以及天然牛黄和人工牛黄, 结果可靠。 该研究结果为丰富中草药的质量标准提供检测手段和理论依据。
太赫兹时域光谱 主成分分析 红花 牛黄 Terahertz time-domain spectroscopy Principal component analysis Saffron Bezoar
1 首都师范大学物理系, 北京市成像技术高精尖创新中心, 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
2 中央民族大学理学院, 北京 100081
3 浙江理工大学材料与纺织学院, 浙江 杭州 310018
衰减全反射模式的傅里叶变换红外光谱仪(ATR-FTIR)可以用来确定固体粉末样品的远红外光谱性质, 并根据其指纹特征对未知物样品进行鉴定, 且具有快速、 简便、 灵敏、 样品用量少等优点, 已成为分析与表征染料的常用的手段。 运用ATR-FTIR在真空条件下测试了汽巴蓝2B、 去氧紫草素、 靛蓝、 靛红、 硫靛红等五种染料在50~610 cm-1范围内的吸收光谱。 实验结果表明这五种染料在此波段内均有明显的特征吸收峰并对其峰位进行了指认与描述。 使用Gaussian09软件对硫靛红分子进行模拟计算与指纹谱指认, 并根据可视化结果可以看出: 硫靛红分子在50~610 cm-1范围内的特征吸收峰主要源于分子的集体振动, 且其高频与低频的振动模式并不一致。 模拟结果与实验结果相对符合较好, 但仍然存在一定的差异: 比如峰值位置的差异、 吸收峰位的移动、 模拟得到的新峰位等, 主要是由于二者所基于的温度不同、 理论计算没有考虑分子间的相互作用、 ATR晶体与样品粉末的接触效果略差以及系统分辨率不够等因素导致的结果。
特征吸收峰 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 染料 Characteristic absorption peaks ATR-FTIR Dyes 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 3064
1 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
2 国家农业信息化工程技术研究中心, 北京 100097
3 农业部农业信息技术重点实验室, 北京 100097
4 首都师范大学, 北京 100048
5 农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室, 北京 100097
葡萄糖是生命活动中重要的有机分子, 研究葡萄糖在太赫兹波段的吸收特性并开展定性定量分析研究具有重要意义。 太赫兹光谱对大分子物质具有特异性, 当光谱穿透生物大分子时, 由于分子间作用力和分子转动振动等因素影响, 会产生太赫兹光谱下的特征指纹峰, 不同大分子物质的指纹峰具有特异性, 利用这一特征可以对不同大分子物质进行鉴别。 本研究选取D-无水葡萄糖为研究对象, 首先运用太赫兹时域光谱技术测量得到葡萄糖样品的时域光谱, 测得的时域光谱经过傅里叶变换得到频域光谱, 再采用Dorney和Duvillaret方法计算得到吸收系数, 研究样品的吸收特性, 然后开展了数学建模研究并建立了D-无水葡萄糖含量与太赫兹光谱的定量预测数学模型。 研究结果表明, D-无水葡萄糖在太赫兹波段呈现明显的吸收特性, 比较多元线性回归与偏最小二乘方法建立的回归模型, 通过多元线性回归对样品的特征指纹峰建立的回归模型, 得到的预测模型精度较高, 稳定性较好, 模型的校正集相关系数达0977 2, 均方根误差为0061 6, 预测集相关系数为0992 7, 预测均方根误差为0055 2, 从而太赫兹时域光谱技术可用于有效开展D-无水葡萄糖定性定量研究, 该研究为运用太赫兹光谱技术手段开展果蔬、 食品、 药品中葡萄糖含量快速检测提供方法参考。
太赫兹时域光谱 葡萄糖 多元线性回归 Terahertz time domain spectra Glucose Multiple linear regression 光谱学与光谱分析
2017, 37(7): 2165
在弱场图像下,利用Racah不可约张量算符方法得到了三角对称3d4/3d6电子组态的完整的哈密顿矩阵。研究了Fe2P2S6晶体中Fe2+的基态能级和晶体结构,考虑了自旋轨道耦合与自旋自旋耦合对基态能级的影响，对Fe2P2S6晶体基态能级和电子顺磁共振的零场分裂进行了计算。计算结果与实验值符合得较好。基于此计算结果,对基态能级和零场分裂中的自旋轨道耦合、自旋自旋耦合以及3L低自旋态进行了更深入的研究,并对Fe2P2S6晶体的Jahn-Teller效应进行了研究。
材料 基态能级 晶体结构 Jahn-Teller效应
应用晶体场理论和不可约张量算符方法构造了3d2/3d8态离子在C3v对称晶场中包含自旋-轨道相互作用、自旋-自旋相互作用、自旋-其它轨道相互作用和其它轨道-其它轨道相互作用四种微观磁效应的45阶可完全对角化的能量哈密顿矩阵.利用该矩阵，计算了V3+∶α-Al2O3和Ni2+∶α-Al2O3晶体的光谱精细结构、晶体局域结构和零场分裂参量，研究了掺入两种互补态离子Ni2+和V3+对同种晶体的光谱精细结构、晶体局域结构和零场分裂参量的影响，理论计算值和实验值相符.研究发现：掺杂没有改变晶体的光谱精细结构和能级分裂条数，但改变了能级间距；掺杂也没有改变晶体的对称性，但使晶体局域结构发生了一定程度的畸变； Ni2+∶α-Al2O3晶体局域结构的伸长畸变量大于V3+∶α-Al2O3晶体，键角的变化量小于V3+∶α-Al2O3晶体.
掺杂 零场分裂 晶体局域结构 Doping α-Al2O3 α-Al2O3 Zero-field splitting Local structure
