华太极光光电技术有限公司产品开发部, 上海 200030
利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了固态 α-乳糖的光谱特性, 首先实验以传统透射式光谱技术为基准, 获得了 0.53 THz,1.36 THz 2个较强的吸收峰; 其次, 取剂量分别为1.8 mg+2.56 mg与 1.8 mg的 α-乳糖, 利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线, 在 0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰, 增加样品剂量对 0.53 THz,1.36 THz处吸收强度未产生影响; 最后取相同剂量的 2份 α-乳糖, 一份过筛至 75 μm, 另一份未过筛, 利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线, 在 0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰; 减小样品颗粒度, 在 0.53 THz, 1.36 THz附近吸收强度增加。
太赫兹时域光谱系统 衰减全反射 α-乳糖 Terahertz Time-Domain Spectroscopy system attenuated total reflection α-lactose 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(3): 311
利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)结合偏最小二乘法(PLS)对牛预混料中违禁添加的盐酸土霉素含量进行了快速定量检测。 在空白牛预混料中中添加不同质量的98.00% (W/W)盐酸土霉素原药, 配制成盐酸土霉素浓度为0.00%～5.00%的113个混合样品, 纯水作为萃取剂, 萃取液经红外灯烤干后用于红外光谱测定。 为考察不同光谱预处理方法及变量选择方法对模型结果的影响, 选用了3种预处理方法: Savitzky-Golay卷积平滑法(S-G)、 标准正态变换法(SNV) 和多元散射校正法(MSC)和3种变量选择算法: 区间偏最小二乘法(iPLS)、 移动窗口偏最小二乘法(MWPLS)、 自主软收缩法(BOSS)。 其中, SNV预处理结合BOSS算法获得了最佳模型效果: RMSECV=0.337, R2CV=0.947, RMSEP=0.317 7, R2pre=0.935。 所得模型对含量在0.53%~4.67%的29个样品进行外部验证, 预测结果的平均相对误差为0.127, 预测效果较好。 同时, BOSS算法选取的变量主要集中在盐酸土霉素特征峰的吸收区域(1 674~1 593和1 175～1 017 cm-1), 可以为ATR-FTIR技术对饲料中土霉素盐酸盐的快速检测提供有价值的参考。
衰减全反射 偏最小二乘法 定量分析 变量选择 盐酸土霉素 Infrared spectrum Quantitative analysis Partial least squares Variable selection Oxytetracycline Hydrochloride
牛奶主要成分的测定是评价牛奶品质的重要标准。 国家相关部门已经制定了一系列较为详尽的规范以保证牛奶等乳制品的质量安全, 但传统的检测方法操作复杂、 费时耗力并导致环境污染, 难以满足当代乳制品生产和消费的快速检测需要。 将衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)技术与相对湿度(RH)调控系统相结合, 建立了一种在RH连续下降条件下测量不同种类牛奶红外光谱的方法; 为牛奶等乳制品的原位无损检测、 种类区分、 品质分析等提供了新的途径。 (1)选取伊利品牌纯牛奶、 臻浓牛奶、 脱脂纯牛奶、 高钙低脂奶、 舒化牛奶5类牛奶为研究对象, 在RH连续下降的条件下, 采集不同种类牛奶样品在蒸发浓缩过程中的红外光谱, 对其主要营养成分进行峰位归属和定性分析, 仅需要微升级样品, 就可在短时间内提取样品浓缩过程中水、 碳水化合物、 脂肪、 蛋白质等主要成分的光谱信息, 实现对不同类别市售牛奶化学成分的较全面表征; (2)采用NWUSA软件对所得红外光谱数据进行建模分析, 选取4 000~400 cm-1波段为变量对所得光谱数据进行主成分分析(PCA), 并评估模型对不同类别牛奶的鉴别能力。 所得PCA分析数据在同组内聚集度良好, 不同组内坐标轴上相距较远, 说明模型选取合理可靠, 具有代表性。 实验中共使用了75份牛奶样品, 其中生产日期、 产地为随机因素, 牛奶的种类和品牌为固定因素。 结果表明, 该方法具有操作简便、 反应灵敏、 光谱质量高、 无损测量等优点, 适用于牛奶等乳制品的原位、 快速、 无损鉴别分析。
衰减全反射-傅里叶变换红外光谱 牛奶 主成分分析 连续降湿 ATR-FTIR Milk PCA Continuous decline of RH
1 河南中医药大学药学院, 河南 郑州 450046
2 广州中医药大学药学院, 广东 广州 510006
3 江西中医药大学药学院, 江西 南昌 330004
4 中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所, 北京 100193
连作障碍是中药材地黄种植过程中最大的难点, 每茬收获后须隔8～10年后方可再种植, 但连作障碍产生的机理尚不明确。 提出一种基于傅里叶红外光谱技术（FTIR-ATR）和二维红外相关光谱（2D-IR）分析方法。 采集正茬1年（YA-one）、 重茬1年（YA-two）、 10年前种植过（YA-ten）、 空白（CK）4种地黄土壤样品的光谱, 进行Norris滤噪平滑+二阶导数、 二维相关光谱分析处理并提取特征光谱, 分析土壤中化合物的指纹图谱。 结果显示: 不同连作茬次地黄土壤的峰形基本相似, 红外光谱主要特征吸收峰在3 621, 3 439, 2 932, 2 860, 2 513, 1 798, 1 636, 1 433, 1 029, 887, 783, 695, 546和469 cm-1附近。 与CK相比, YA-two的吸收强度最大, 这些吸收峰表征酚酸中羟基-OH、 羰基CO、 C-O、 苯环的取代吸收等官能团, 说明在重茬的地黄中, 酚酸类物质积累。 在2 925和2 857 cm-1表征是糖苷类中饱和亚甲基-CH2的反对称伸缩振动和对称伸缩振动, YA-two的吸收强度最小, YA-ten的吸收强度最大。 说明重茬土壤中, 糖苷类成分含量下降。 不同连作茬次地黄土壤在920～1 750, 1 490～1 710和1 500～1 548 cm-1中二维红外相关光谱, 自动峰和交叉峰的位置、 个数、 以及强弱都不相同, 清晰地表征出官能团的差异。 结果表明采用傅里叶红外光谱和二维红外相关光谱能够实现土壤中有机化合物的快速检测, 为研究地黄连作障碍研究提供理论依据。
地黄土壤 连作障碍 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 二维红外相关光谱 酚酸类 糖苷类 Rehmannia glutinosa soil Continuous cropping obstacle FTIR-ATR 2D-IR Phenolic acids Glycoside
渭南师范学院化学与材料学院, 陕西 渭南 714099
红外(IR)光谱是液体物质定性分析的重要工具。 液体IR光谱常用液膜法制样、 透射(TR)法测试, 所需用的盐窗价格昂贵、 易受力或受潮开裂且表面清洁不彻底或划伤容易造成测试干扰, 而且可拆卸液体池安装麻烦, 进样时混入空气也会造成测试干扰。 研究液体物质红外光谱的简便测试方法, 比较改进的TR法(用在一次性压制的KBr片上涂覆液体的涂片法制样)与衰减全反射(ATR)法在液体IR光谱测试中的优劣。 选取6种挥发性、 吸水性、 腐蚀性不同的液体试剂, 采用改进的TR法和ATR法测试其IR光谱, 比较两种方法所测谱图, 并与SDBS谱库中谱图进行比较; 同时研究扫描次数和分辨率对ATR法测试谱图的影响。 结果发现, 两种方法用于液体IR的定性分析都很准确。 改进的TR法简化了制样过程且避免了清洁盐窗, 降低了成本, 但水的干扰仍难以避免; 相比之下, ATR法无需制样, 更简便、 快速, 水的干扰基本可以忽略, 虽然谱图的整体强度和精细程度不如TR法, 但通过提高分辨率、 增加扫描次数可得到高质量的谱图。 对于易挥发液体, 用改进的TR法和ATR法测试时需加大液体用量; 对于强酸性和/或腐蚀性液体, 建议采用改进的TR法测试; 对于吸湿性液体, 用ATR法测试的谱图更容易解析。 相比之下, 除强酸性和/或腐蚀性液体外, 其余液体物质皆可用ATR法快速完成IR光谱的准确检测。
红外光谱 液体物质 涂片法 透射法 衰减全反射法 Infrared spectroscopy Liquid matter Smearing method Transmission method Attenuated total reflection method 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2143
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院,激光与光电子研究所, 天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
3 陆军军医大学西南医院神经外科, 重庆 400038
冲击波造成的脑创伤是目前较常见的致死致残疾病之一,对冲击性脑损伤的检测与分类具有重要意义。基于连续太赫兹波成像系统,对不同程度冲击波致伤的大鼠脑组织进行了连续太赫兹波衰减全反射成像检测,并采用支持向量机(SVM)分类器对不同创伤程度的脑组织太赫兹波成像结果进行分类识别。结果表明,太赫兹波衰减全反射成像技术可以实现对轻度、中度冲击性脑创伤脑部组织的检测。通过SVM分类器对不同创伤程度的脑部组织成像结果进行分类识别,其分类识别准确率可以达到86.36%。太赫兹波成像技术有望实现对不同程度冲击性脑创伤的早期精确检测与诊断。
医用光学 太赫兹波 衰减全反射 冲击性脑创伤 支持向量机 光学学报
2022, 42(10): 1017001
山东科技大学电子信息工程学院, 青岛市太赫兹重点实验室, 山东 青岛 266590
随着人口的增长和社会的迅速发展, 水资源短缺和水污染问题日益严重。 水质分类作为水质污染评估工作中的一项重要环节, 其意义和作用也更加突出。 基于太赫兹衰减全反射(THz-ATR)光谱和模式识别技术, 提出了一种水质分析模型。 利用太赫兹时域光谱系统和衰减全反射模块测量了纯净水、 自来水、 河水、 海水A和海水B五种水样的太赫兹衰减全反射光谱, 通过光学参数提取模型获得0.2~1.0 THz频率范围内五种水样的折射率、 吸收系数、 介电常数实部和介电常数虚部。 利用主成分分析(PCA)对折射率进行降维和特征提取, 分别作出样品在第一、 二主成分上的二维得分图和前三个主成分上的三维得分图, 结果显示, 基于折射率的主成分得分图可以明显的区分不同的水样。 为了进一步对不同水样进行准确分类, 将降维之后的数据输入到支持向量机(SVM)中构建水样分类模型, 每种水样随机选取其中的五分之三作为训练集, 剩余的数据作为测试集, 同时引入网格搜索(GridSearch)、 遗传算法(GA)和粒子群(PSO)三种优化算法对支持向量机参数进行优化。 结果显示, 基于网格搜索算法的支持向量机最优参数c和g分别为1.414 2和2.0, 准确率为99.0%; 基于遗传算法的支持向量机最优参数c和g分别为1.675 4和5.966 5, 准确率为99.5%; 基于粒子群算法的支持向量机最优参数c和g分别为3.154 9和12.589, 准确率为100%。 可以看出, 使用不同的优化算法得到的最优参数不同, 所构建的支持向量机分类模型都可实现正确的分类, 且分类准确率均高达99.0%以上。 研究结果表明, 利用粒子群优化算法基于折射率构建的PCA-SVM分类模型效果最优, 可以准确识别不同水样, 为水质分类奠定了基础。
太赫兹 衰减全反射 主成分分析 支持向量机 Terahertz Attenuated total reflection Principal component analysis Support vector machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3444
1 福建农林大学材料工程学院, 福建 福州 350108
2 福建工程学院生态环境与城市建设学院, 福建 福州 350108
利用衰减全反射红外光谱(ATR-IR)分析NaOH对水及1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯离子液体水溶液(EmimAc/水)氢键网络的影响, 研究结果表明, NaOH的加入会影响水分子的氢键对称性和类型, 对称性氢键谱带Ⅰ(3 218 cm-1)和Ⅱ(3 375 cm-1)随着NaOH浓度的提高而降低。 NaOH使水溶液氢键发生极化, 产生连续吸收带, 连续吸收带随着NaOH浓度的提高而增强。 水对EmimAc的阳离子和阴离子均有影响。 水分子的OH和EmimAc的COO-产生强的相互作用, 在3 400~3 200 cm-1产生宽的吸收谱带; 而水分子的质子和COO-作用使得C＝O吸收谱带红移。 水的加入使得EmimAc指纹区的谱带蓝移或吸收强度下降, 表明水可以破坏EmimAc原有的氢键网络, 形成“阴离子···HOH···阴离子”团簇, 减弱了离子液体阴、 阳离子之间的相互作用。 NaOH替代水与EmimAc混合, ATR-IR谱图的变化并不显著, 主要表现在谱带的吸收强度上。 与EmimAc/水相比, EmimAc/NaOH水溶液的ATR-IR谱的吸收强度更高, 表明NaOH水溶液对EmimAc氢键网络的破坏不如水显著。 由此可见, 可利用EmimAc/NaOH体系降低离子液体体系黏度, 并且降低离子液体使用成本, 对木质纤维原料预处理有一定的指导意义。
1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯 氢氧化钠溶液 衰减全反射红外光谱 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate Sodium hydroxide solution Attenuated total reflection spectroscopy 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3106
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所/畜产品质量安全研究室, 北京 100193
熟度是指牛排烹煮到可食用的程度, 是影响牛排的适口性和消费者满意度的重要因素。 肌原纤维蛋白是肌肉中一类重要的盐溶性结构蛋白群, 其热凝胶特性与肉品品质密切相关。 加热是使生肉变熟的关键工艺, 近年来, 国内外在加热过程对肌原纤维蛋白凝胶特性及其结构变化影响方面开展了广泛的研究, 但在熟度对牛肉蛋白结构影响研究方面却鲜有报道。 为了探究熟度对肌原纤维蛋白结构影响及其变化机理, 在现代红外光谱分析的基础上, 将ATR-FTIR技术与二维相关光谱相结合, 利用红外光谱、 二阶导数光谱和二维相关光谱动态跟踪熟制过程蛋白结构变化规律, 说明蛋白在烹饪过程的主要变化, 为揭示熟度引起的蛋白构象变化机理和西餐牛排烹饪工艺优化提供理论依据。 结果表明, 在1 700~1 500 cm-1波数范围内, 熟度对肌原纤维蛋白特征吸收峰强度影响显著, 从特征峰强度变化趋势可见, 肌原纤维蛋白特征峰强度呈阶段性变化: 第一阶段, 从对照组到一分熟, 特征峰强度下降, 属于加热初期; 第二阶段, 从一分熟到五分熟, 特征峰强度无显著变化, 属于加热中期; 第三阶段, 从五分熟到过熟, 特征峰强度继续减弱, 属于加热后期; 同步谱分析结果表明, 在1 650, 1 640, 1 556和1 540 cm-1附近出现自相关峰, 且自相关峰两两之间的交叉峰均为正交叉峰, 说明这些自相关峰对于熟度变化较为敏感, 且峰强度与蛋白烹饪熟度之间呈正相关; 由自相关峰光谱强度顺序可以看出, 五分熟是蛋白温度敏感区变化的转折点, 在从对照组到五分熟的烹饪过程中, 肌原纤维蛋白的温度敏感重点区域位于酰胺Ⅱ带, 而在从五分熟到过熟的烹饪过程中, 蛋白的温度敏感重点区域位于酰胺Ⅰ带的α-螺旋结构。 得到的这些由熟度变化引起的肌原纤维蛋白分子结构动态变化的微观信息, 可为西餐牛排烹饪工艺过程控制和优化提供理论依据。
熟度 肌原纤维蛋白 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 二维红外相关光谱 Degree of doneness Myofibrillar proteins Attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy Two-dimensional infrared correlation spectroscopy 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2082
