1 南京晓庄学院电子工程学院, 江苏 南京 211171
2 南京市产品质量监督检验院, 江苏 南京 210019
3 南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
自新冠肺炎(COVID-19)疫情爆发以来, 国内外多家研究机构和企业都在加快推进新冠病毒(SARS-CoV-2)抗体药物的研发。 药物多晶型限制了有效药物的研发进度。 药物生产、 存储和使用环境影响了药物的稳定性。 红外光谱作为一种快速无损检测手段, 可从振动光谱反映出药物结构、 晶型甚至生产工艺上的差异大大提高了研发效率。 首次以三种临床试验被认为治疗新冠肺炎有效药物: 磷酸氯喹, 利巴韦林和盐酸阿比多尔为例, 利用傅里叶红外光谱仪测试得到它们在远红外(1~10 THz)和中红外(400~4 000 cm-1)波段的振动光谱。 远红外光谱中, 利巴韦林的特征峰位于: 2.01, 2.68, 3.37, 4.05, 4.83, 5.45, 5.92, 6.42和7.14 THz附近; 磷酸氯喹的特征峰位于: 1.26, 1.87, 2.37, 3.06, 3.78, 5.09和6.06 THz附近; 盐酸阿比多尔的特征峰位于: 2.24, 3.14, 3.72, 4.25和5.38 THz附近。 结合密度函理论, 选择B3LYP杂化泛函和6-311++G(d,p)基组, 利用Crystal14和Gaussian16软件分析了光谱中所有特征峰对应的振动模式, 实现了对振动光谱的精确指认。 远红外波段, 振动模式源自分子的集体振动。 中红外波段, 2 800 cm-1以下, 振动模式主要源自基团的面内外弯曲和摇摆; 2 800 cm-1以上, 振动模式过渡为C—H, O—H和N—H键的面内伸缩。 以考虑了周期性边界条件的晶体结构作为理论计算的初始构型, 会让理论光谱与实验光谱更加吻合, 尤其是在远红外波段和中红外400~1 000 cm-1的低频段。 该研究对深入理解磷酸氯喹, 利巴韦林和盐酸阿比多尔等抗病毒药物的药学特性, 药物间相互作用, 控制药物生产过程, 指导药物存储和使用有重大意义。
抗病毒药物 振动模式 FTIR COVID-19 Antiviral drugs DFT Vibrational modes FTIR COVID-19 DFT 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2047
南京林业大学信息科学技术学院，江苏 南京 210037
针对油茶籽采收过程中缺乏判断其成熟度的依据，导致茶油的质量和产量不佳等问题，提出一种基于中红外和远红外光谱数据融合检测油茶籽成熟度的方法。采用傅里叶变换红外光谱仪测试了在不同成熟阶段，不同含油率油茶籽的中红外和远红外光谱数据，利用不同特征提取方法（主成分分析法、连续投影算法、无信息变量消除法）对原始光谱数据进行特征提取，再结合支持向量机算法（SVM）建立了油茶籽成熟度的鉴别模型。结果表明：在中红外波段范围内，采用连续投影算法结合遗传算法优化的SVM模型，获得最优的鉴别精度为93.33%；在远红外波段范围内，利用主成分分析法结合遗传算法优化的SVM模型，实现了96.67%的鉴别精度。将中红外波段数据与远红外波段进行数据融合，结合优化后的SVM算法能将鉴别精度提高到100%。该研究表明，红外光谱技术结合优化后的SVM模型可以实现对油茶籽含油率的精确鉴别，数据融合技术能够有效地增加光谱信息并且去除单一光谱的冗余信息。该结果可为油茶的最佳采摘时间提供参考，并可拓展应用到其他农林产品成熟度的鉴别中。
光谱学 中红外光谱 远红外光谱 油茶籽成熟度检测 数据融合 支持向量机 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1930001
南京林业大学信息科学技术学院，江苏 南京 210037
利用太赫兹时域光谱系统测量了苯甲酸、山梨酸、木糖醇3种常用食品添加剂及其混合物的太赫兹吸收光谱，并选取了偏最小二乘回归（PLS）、最小二乘支持向量机（LS-SVM）及反向传播神经网络（BPNN）3种机器学习算法，对食品添加剂二元及三元混合物进行了定量分析。研究发现，在多元混合物的定量分析中，非线性模型LS-SVM及BPNN较线性模型PLS更具优势，且随着混合物成分的增加，非线性模型的优势愈趋明显；两种非线性模型中，LS-SVM较BPNN建模步骤固定，无需进行复杂的参数讨论与优化，可高效地实现多元混合物的定量分析；此外，观察分析物光谱特征发现，除算法适用性讨论外，分析物的光谱特征也会在一定程度上影响定量检测的精度。
光谱学 太赫兹光谱 多元混合物 机器学习 定量分析 食品添加剂 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1930003
南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
近年来,光谱技术发展极为迅速,可利用物质对光的吸收、反射和透射等特性对物质进行定性和定量分析,是一种快速无损检测技术,被广泛应用于农产品的检测研究。核桃,作为我国栽培历史悠久的一种营养价值丰富的重要农产品,众多学者对其进行了长期而深入的研究。从品种鉴别、长势监测、品质鉴定、分选加工4个方面总结了高光谱和红外光谱技术在核桃检测领域的研究进展,并对比分析了各种光谱检测技术的优劣,提出了核桃相关检测中尚存的问题,并对核桃无损检测研究的发展前景进行了展望。
光谱学 光谱技术 无损检测 核桃 高光谱 红外光谱技术 激光与光电子学进展
2021, 58(22): 2200003
南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
食品添加剂违规使用或滥用会对身体健康产生严重危害, 相比于传统检测方法, 太赫兹光谱技术具有检测周期短、 准确率高等优势, 被广泛应用于食品添加剂检测领域, 但对其缺乏深入的理论分析。 主要致力于根据晶体结构特征改进传统计算方法, 提高食品添加剂模拟光谱预测精度并评估不同模型的计算性能。 选取了三种富含氢键的食品添加剂, 即苯甲酸、 山梨酸和木糖醇, 实验采用太赫兹时域光谱仪, 理论计算采用CRYSTAL14软件包计算周期性晶体结构。 鉴于富含氢键的体系中伦敦色散作用力不可忽略, 在传统的Becke-3-Lee-Yang-Par(B3LYP)泛函和Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函的基础上添加了伦敦色散校正系数, 构建了B3LYP-D和PBE-D模型。 计算得到吸收峰位平均绝对误差(AAE)分别为苯甲酸0.073(B3LYP-D)、 0.096 (PBE-D), 山梨酸0.039(B3LYP-D)、 0.047(PBE-D), 木糖醇0.023(B3LYP-D)、 0.087(PBE-D), 相比于色散校正前的模型, AAE降低了0.03~0.1。 对比了B3LYP-D和PBE-D模型的计算时长, B3LYP-D泛函耗时均为PBE-D泛函的二倍以上。 结果表明, 经色散校正后的模型适用于富含氢键的系统, 能够提高模拟光谱预测精度, 其中B3LYP-D模型预测精度更高但较为耗时, PBE-D泛函预测精度略低于B3LYP-D模型, 但计算速度更快。 振动来源分析表明, 三种食品添加剂的振动模式均以晶格整体的平移和旋转为主, 分子内的振动贡献较小。 研究提出的色散校正模型对于其他类似体系的理论研究具有重要的参考价值。
太赫兹光谱 食品添加剂 周期性晶体结构 氢键系统 色散校正 Terahertz spectra Food additive Periodic crystal structure Hydrogen-bonded system Dispersion-correction
南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
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,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。分别构建了随机森林(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了分类鉴别。针对样品数据集不平衡导致的随机森林模型识别率下降的问题,提出了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95.00%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,识别率从数据不平衡情况下的84.17%提高到94.17%,计算速度基本不变。研究结论为基于太赫兹光谱技术的稀有中药的鉴别提供了新方法。
光谱学 太赫兹时域光谱 天然牛黄 随机森林 不平衡数据 支持向量机 激光与光电子学进展
2020, 57(23): 233001
1 南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037
2 中国科学院紫金山天文台 毫米波亚毫米波实验室，江苏 南京 210034
近年来，随着射电望远镜外差式阵列接收机的发展，基于相位光栅技术的波束分离器在亚毫米波长范围内得到了重要的应用，它能够将单个本地振荡器信号经过分束同步传送到超导SIS/HEB混频器阵列接收机中。由于太赫兹频段相位光栅的特征尺寸在亚微米级，其加工精度直接影响器件性能，给微加工技术带来巨大挑战。基于此，笔者所在课题组结合相位编码超材料技术设计了一种新型的太赫兹四波束分离器，仅需利用单层超材料编码单元便可实现宽带电磁波束的分离，波束转换效率高，结构简单且易于加工，同时反射波束的方向可灵活调节。为了与实际测试系统相匹配，着重研究了不同入射角度下的波束分离，并得到了最佳的斜入射角度范围（小于30°），相对工作带宽可达52%，反射的四个波束功率相差不超过10%，这为太赫兹频段射电望远镜超导混频器阵列接收机的本振信号功率分配提供了新的解决方案，也有利于其他新型太赫兹功能器件的设计和发展。
相位编码 超材料 太赫兹波束分离器 阵列接收机 phase coding metamaterial terahertz beam splitter array receiver 红外与激光工程
2020, 49(5): 20190290
南京林业大学信息科学技术学院,江苏 南京 210037
近年来,太赫兹光谱技术在安全检查、生物医学、食品检测、资源探测等领域展现了巨大的应用潜力,其中对农产品中农药残留进行检测是当前的研究热点之一。为此,系统地阐述了太赫兹光谱技术在农药检测领域的最新研究进展,梳理了太赫兹光谱实验仪器和理论计算方法,从农药的鉴定与识别、农药指纹数据库的建立、农药的定量与定性分析、农药的理论计算四个方面出发,对近年来国内外学者在该领域取得的研究结果进行总结,同时分析了目前存在的问题和今后的研究方向,对太赫兹光谱技术在农药检测领域的应用前景做出展望。
激光与光电子学进展
2020, 57(13): 130006
1 南京林业大学 材料科学与工程学院, 南京 210037
2 南京林业大学 信息科学技术学院, 南京 210037
3 南京林业大学 现代分析测试中心, 南京 210037
太赫兹波对大多数非极性材料具有良好的穿透性, 可以对不透明物体进行透视成像, 同时其光子能量低, 不会产生有害的电离反应, 可以更加安全地进行材料内部的检测和诊断。太赫兹波空间分辨率高, 在成像的应用中具有更长的景深, 因此太赫兹光谱技术在纤维材料研究领域具有重要的应用价值。概括了太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术在天然纤维材料、合成纤维材料以及纤维复合材料应用中的研究进展, 并且分析了太赫兹光谱技术在纤维材料领域中应用方面需要解决的主要问题及今后的发展方向。
物理电子学 纤维 太赫兹技术 纤维复合材料 physical electronics fiber terahertz technology fiber composite
南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
太赫兹(THz)波是指频率从 0.1到 10 THz之间的电磁波。氨基酸分子间的振动模式(扭转, 集体振动和氢键)大都处于 THz波段, 相比红外, 氨基酸在 THz波段体现出很多独特的吸收特征。因此对氨基酸的太赫兹光谱进行研究, 有利于更全面地认识氨基酸的生物特性, 也为进一步研究生物大分子蛋白质提供了借鉴。本文系统分析了太赫兹时域光谱技术在氨基酸领域应用的研究进展, 总结了包括氨基酸的鉴定与识别、太赫兹指纹谱数据库的建立、振动模式指认及理论模型构建、太赫兹光谱与温度相关性以及基于 THz光谱的定量分析等 5个方面的研究内容。依据大量前人的研究成果, 总结了 20种基本氨基酸在 0～6 THz的指纹谱数据库, 针对当前的研究现状, 提出了氨基酸太赫兹光谱研究方面仍存在的问题, 为今后的研究工作提供了重要的指导价值。
太赫兹光谱 氨基酸 理论计算 温度相关性 定量分析 terahertz spectroscopy amino acid theoretical calculations temperature dependence quantitative analysis
