1 福建江夏学院钙钛矿绿色应用福建省高校重点实验室, 福州 350108
2 福州大学物理与信息工程学院, 福州 350108
3 闽江学院福建省海洋传感功能材料重点实验室, 福州 350108
4 福建省计量科学研究院国家光伏产业计量测试中心, 福州 350003
本文采用简单的室温球磨法制备了一系列L-组氨酸(L-His)和5-氨基戊酸(5-Ava)修饰的Cs3Cu2I5钙钛矿荧光粉, 并对Cs3Cu2I5∶x%L-His和Cs3Cu2I5∶x%5-Ava(x=0、0.5、1、1.5、2)样品的物相、形貌、光学和稳定性进行了分析。氨基酸添加未对Cs3Cu2I5钙钛矿的晶体结构造成影响, Cs3Cu2I5仍属于Pnma空间群, 但氨基酸的加入对钙钛矿的晶粒尺寸有一定的限制作用, 并有效改善了其光电性能。当x=1时, 经L-His和5-Ava修饰的Cs3Cu2I5钙钛矿较纯Cs3Cu2I5钙钛矿的荧光强度分别提升约1.30倍和1.41倍, 光致发光量子产率(PLQY)提高约25.09个百分点和30.47个百分点, 荧光寿命有效延长。研究发现, 性能的改善与氨基酸中氨基以及羧基基团的作用有关, 氨基以及羧基基团钝化了钙钛矿的缺陷并抑制非辐射复合过程的能量损失。此外, 采用L-His和5-Ava修饰的Cs3Cu2I5钙钛矿荧光粉制备了蓝光发光二极管(LED), 在70 mA的偏流下, 该LED光效率较纯Cs3Cu2I5器件分别增强达1.85倍和2.10倍, 表明这类材料在LED领域有着极大的应用价值。
钙钛矿荧光粉 氨基酸修饰 光致发光量子产率 缺陷 非辐射复合 perovskite phosphor Cs3Cu2I5 Cs3Cu2I5 amino acids modification PLQY defect non-radiative recombination
古代食谱重建是目前国际考古学研究的热点之一。 随着研究的深入, 传统基于骨骼提取出骨胶原蛋白进行分析的方法逐渐凸显出一定的局限性。 尤其是在考察先民食物结构和营养等级等方面, 针对蛋白大分子获得的同位素信息, 无法排除一些内在或外在因素的影响, 因而常会引导我们做出错误的判断。 因此, 发展一种能进一步提高古代食谱研究准确率和分辨率的新方法, 是当前科技考古研究的迫切需求。 不同于大分子蛋白, 氨基酸能在更细微的层面提供有机体和生态环境中有机代谢过程中多方面的信息, 在生物考古领域内具有极大的应用潜力。 以北非突尼斯迦太基凡达里奇墓地出土的人和动物样品为例(遗址年代约在公元5世纪中期至6世纪早期), 进行基于骨胶原和单分子氨基酸的稳定同位素分析工作。 对10个人和4具动物考古样品提取骨胶原, 并进一步进行酸水解、 衍生化等操作, 通过气相色谱(GC)与同位素质谱(IRMS)串联技术, 开展特定化合物同位素分析。 研究结果揭示了该遗址先民的食谱特征, 以C3类食物为主。 重点考察了该遗址先民饮食中的蛋白摄入情况, 结果表明该遗址先民饮食摄入有大量的动物蛋白, 且不同个体存在较大差异。 最后, 通过对骨胶原和氨基酸分析结果所得结论的比较, 证实基于单分子氨基酸的氮同位素分析对个体营养级位置的准确判断具有较大的优势。 研究结果为深入研究我国古代先民食物结构差异和人群分化等问题提供了新的思路和依据。 研究证实基于单分子氨基酸的同位素分析, 将是显著提高古代食谱重建分辨率的有力手段, 呼吁未来在我国考古材料中开展大量相关研究。
古食谱 骨胶原 氨基酸 同位素 Plaeodeit Collagen Amino acids Stable isotopes
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 大连海事大学航海学院, 辽宁 大连 116026
2 大连海事大学环境信息研究所, 辽宁 大连 116026
3 大连海事大学环境科学与工程学院, 辽宁 大连 116026
仿刺参富含多种活性物质, 具有极高的药用价值和经济价值, 是水产行业不可或缺的养殖资源。 不同产地的地理环境与营养结构存在显著差异, 所以仿刺参的生长周期与养殖成本相差巨大。 消费者在购买仿刺参时, 会将产地信息作为选择的首要因素, 因为仿刺参的产地直接反映了食品具有的营养价值。 不同产地仿刺参的价格差距悬殊, 面对利益的诱惑, 产地欺诈事件屡禁不止。 因此, 研究一种准确率高、 稳定性好具有优秀泛化能力的仿刺参产地信息认证方法, 能够有效维护品牌产地从业者与消费者的切身利益。 氨基酸是仿刺参营养富集的主要物质, 通过氨基酸特征能够分析出摄食初级生产者的组成, 可以作为产地信息认证的有效工具。 气相色谱-质谱分析(GC-MS)技术能够产生独特的化学指纹图谱用于产地信息鉴别。 对9个产地的156个仿刺参样品, 进行酸水解、 衍生化和酯化等操作, 通过GC-MS测定出氨基酸含量与氨基酸碳稳定同位素数据。 进行置信水平为95%的图基检验, 并利用箱型图检查数据分布, 筛选出13种氨基酸含量和10种氨基酸碳稳定同位素数据。 主成分分析能够在降低数据维度的同时, 挖掘出有价值的信息, 聚集产地识别特性, 提高运算速度与认证精度。 通过交叉验证, 选取前5个主成分作为氨基酸含量和氨基酸碳稳定同位素模型的输入, 累计贡献率分别为98.727%与95.982%。 为了充分挖掘出隐藏在氨基酸数据背后的价值, 选取了8个家族的12个机器学习方法, 共构建出24个单体分类器, 根据数据自身特征找到最优的认证方法。 应用基于遗传交叉因子改进的粒子群优化算法进行模型参数的优化, 得到性能最佳的单体分类器。 结果表明, 氨基酸碳稳定同位素数据具有更优的产地认证特性, 高斯径向基为核的支持向量机与K邻近算法为最佳的两个分类方法。 最后利用集成学习汇集单体分类器的优势, 构建了一种融合多源数据处理方法的仿刺参产地信息认证方法, 模型的平均准确率为99.67%。 建立了仿刺参产地信息认证系统, 为主管机关监管与消费者维权提供了简单可行的手段, 能够有效监管与防止仿刺参产地欺诈事件的发生, 保障了水产养殖行业的稳健发展。
仿刺参 产地认证 氨基酸 主成分分析 机器学习 集成学习 Apostichopus japonicus Origin authentication Amino acids Principal component analysis Machine learning Ensemble learning 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2809
内蒙古科技大学信息工程学院, 内蒙古 包头 014010
对比于氨基酸的红外分析法, 太赫兹波的电子能量更低, 可实现无损检测。 氨基酸分子内原子振动、 分子间氢键的作用、 以及晶体中晶格的低频振动均处于太赫兹波段, 使其在太赫兹波段具有吸收峰, 且不同的氨基酸分子太赫兹吸收峰不同, 故可用氨基酸在太赫兹波段的这种“指纹特性”实现氨基酸类物质的定性分析。 量子化学分析方法可以应用量子力学的基本原理和方法, 研究稳定和不稳定分子的结构、 性能及其之间的关系, 还可以针对分子与分子间的相互作用、 相互碰撞及相互反应等问题进行研究。 通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱, 可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式, 对氨基酸定性分析有一定参考性与指向性, 并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑, 在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算, 还能为实验结果进行验证。 首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺、 苏氨酸、 组氨酸的太赫兹吸收谱, 分别构建这三种氨基酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子构型, 利用量子化学计算方法在完成结构优化后进行太赫兹吸收谱模拟计算。 计算结果表明三种氨基酸单分子的太赫兹吸收谱计算结果与实验获取的太赫兹吸收谱差异较大, 但在高频段吸收峰峰位基本吻合。 通过GaussView分别查看了这三种氨基酸分子在太赫兹段内的吸收峰对应频率处的振转情况, 发现在高频段内三种氨基酸分子官能团均只发生转动而未见振动, 并且转动模式基本一致。 通过对氨基酸官能团的太赫兹吸收谱进行量子化学计算, 将官能团在高频段内吸收峰对应频率处的振转模式与三种氨基酸分子在该段内吸收峰对应频率处的振转模式做了对比。 研究表明, 在氨基酸单分子构型下由量子化学方法计算所得的太赫兹吸收谱中, 高频段内计算得出的模拟吸收峰与实验获取的太赫兹吸收峰基本吻合； 振转模式分析发现, 谷氨酰胺、 苏氨酸、 组氨酸在太赫兹高频段内的氨基酸官能团振转模式相同, 三种氨基酸分子在高频段内的吸收峰主要来源于氨基酸官能团。 因此, 结合量子化学计算与太赫兹吸收谱可以实现氨基酸类物质的定性分析。
太赫兹吸收谱 氨基酸 量子化学 吸收峰 Terahertz absorption spectrum Amino acids Quantum chemistry GaussView GaussView Absorption peak
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz频段的电磁波。 太赫兹光谱技术不同于以往的检测手段, 可以用于检测氨基酸同分异构体, 反映物质的分子结构和构型, 对食品安全和药品药性控制有着重要的意义。 亮氨酸与异亮氨酸属于同系的同分异构体, 它们具有近似的分子结构, 但物理化学性质有很大的差别。 生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键和分子内氢键的振动和转动能级相关的偶极跃迁有关, 可以利用分子偶极跃迁进行生物分子的指纹识别。 采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶红外光谱(FTIR), 对亮氨酸和异亮氨酸进行了测量。 在中红外波段亮氨酸与异亮氨酸的吸收光谱几乎完全重叠, 而在太赫兹频波段可以观察到它们的光谱存在明显差异, 因此太赫兹光谱能够作为快速准确鉴别这两种物质的方法。 采用密度泛函理论(DFT)对亮氨酸和异亮氨酸的低频集体振动模式进行理论模拟, 并对其太赫兹光谱进行研究和讨论。 通过比较实验和理论结果, 计算得到的峰位与实验结果可以互相印证。
太赫兹吸收光谱 密度泛函理论 同分异构体 氨基酸 THz absorption spectrum Density functional theory Isomers Amino acids 光谱学与光谱分析
2017, 37(8): 2462
1 云南农业大学动物科学技术学院, 云南省动物营养与饲料重点实验室, 云南 昆明 650201
2 云南农业大学基础与信息工程学院, 云南 昆明 650201
旨在研究20种氨基酸的分子结构与其近红外光谱的相关性, 为氨基酸近红外光谱在动物科学、 食品和医药等方面的推广应用奠定一定的理论基础。 应用岛津傅里叶变换红外光谱仪IRPrestige-21及其近红外附件FlexIRTM Near-Infrared Fiber Optics module, 采集20种氨基酸标准物质在1 000～2 502 nm波长范围内的近红外光谱, 分辨率8 cm-1, 每个样品扫描3次, 每次扫描50遍, 取其平均值为氨基酸标准品的近红外光谱。 根据氨基酸侧链基团的不同, 分别比较脂肪族氨基酸、 芳香族氨基酸和杂环氨基酸中各氨基酸分子结构与其近红外光谱的相关性。 研究表明, 20种氨基酸在1 000～2 502 nm区域有非常明显的近红外光谱吸收且差异显著。 分子量较大的脂肪族氨基酸其近红外光谱受侧链基团的影响较大, 而甘氨酸近红外光谱受羧基和氨基的影响较大; 两种芳香族氨基酸近红外光谱的差异主要来自于苯环, 酪氨酸苯环上的—OH基团降低了苯分子的对称性, 导致更多振动吸收峰的出现; 杂环氨基酸因其侧链上杂环分子基团构成不同, 其近红外光谱在1 600～1 800 nm区域差异较大。 综上, 20种氨基酸主要存在4个特征光谱区: 第1特征光谱区为1 050～1 200 nm主要由C—H基团的二级倍频构成; 第2特征光谱区为1 300～1 500 nm主要由C—H基团的组合频构成; 因侧链基团分子构成不同, 在第3特征光谱区1 600～1 850 nm和第4特征光谱区2 000～2 502 nm表现出差异较大的特征吸收峰。 因此, 可以利用此4个近红外光谱特征区域对氨基酸进行定量和定性分析, 提高氨基酸近红外光谱模型预测的准确性。
近红外光谱 氨基酸 分子结构 标准物质 Near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) Amino acids Molecular structures Standard substance 光谱学与光谱分析
2016, 36(9): 2766
1 河南工业大学信息科学与工程学院, 河南 郑州 450001
2 河南工业大学粮食信息处理与控制教育部重点实验室, 河南 郑州 450001
基于太赫兹光谱的物质成分定量分析是太赫兹技术重要的应用方向之一。 但是当太赫兹波入射样品时, 会与样品颗粒在微观尺度下发生散射效应, 造成太赫兹波强度的衰减。 因此实验测得的样品的太赫兹吸收谱主要由两部分组成, 即样品本身对太赫兹波的吸收以及由散射效应造成的衰减。 尤其是当样品的颗粒尺寸与太赫兹波的波长接近或可相比拟时, 散射效应更为明显。 在以往的太赫兹定量分析领域, 往往仅考虑了Lambert-Beer定律, 即物质对光的吸收与其浓度成线性变化的关系, 而忽视了散射效应的作用, 导致定量分析的准确度受到了限制。 在对混合物样品的太赫兹波段散射效应进行分析的基础上, 采用类比的方法, 提出了混合物的太赫兹吸收谱模型, 并通过一系列定量分析实验验证了该模型的有效性。 在对多组混合物样品的定量分析实验中, 定量分析误差普遍小于3%, 较之仅考虑Lambert-Beer定律而言准确度得到了大幅提高, 表明研究散射效应对提高太赫兹定量分析的准确度具有重要作用。
太赫兹时域光谱 散射效应 定量分析 氨基酸 Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) Scattering Quantitative analysis Amino acids 光谱学与光谱分析
2016, 36(6): 1666
中国计量学院 光学与电子科技学院, 杭州 310018
采用荧光光谱和荧光寿命技术研究了温度对奶粉荧光特征的影响.通过比较奶粉与酪蛋白、乳糖及维生素的荧光光谱, 确定了奶粉的荧光主要来自酪蛋白的贡献.随着温度的升高, 奶粉和酪蛋白的荧光强度减小, 其中幼儿配方奶粉和成人普通奶粉的荧光强度随温度升高减小的趋势基本相同, 而婴儿配方奶粉的荧光强度随温度的升高出现了一个相对变化缓慢的平台区, 酪蛋白的荧光强度随温度升高呈缓慢下降的趋势, 下降的速度比奶粉的要缓.酪蛋白加热到90℃然后冷却至25℃, 荧光强度部分恢复, 说明一部分蛋白质的结构变化或者荧光基团的活性变化是可逆的.测量了不同温度下奶粉和酪蛋白的荧光寿命.奶粉和酪蛋白的荧光寿命曲线在双指数拟合之后, 都有两个寿命, 这两个寿命可能来自于色氨酸和苯丙氨酸.随着温度的升高, 奶粉和酪蛋白的两个荧光寿命都减小.
荧光光谱 荧光寿命 奶粉 酪蛋白 温度 氨基酸 Fluorescence spectroscopy Fluorescence lifetime Milk Casein Temperature Amino acids 光子学报
2016, 45(7): 070730004
昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650093
本文采用傅里叶变换红外光谱仪对有机宝石犀角、玳瑁、珊瑚、珍珠、琥珀有机宝石的近红外光谱进行归属和对比研究。结果表明：有机宝石近红外光谱以氨基酸的倍频、组合频为主，其中较强的两个吸收谱带为6800 cm－1± NH 伸缩振动第一倍频，5100 cm－1± NH 伸缩振动和酰胺II （CN伸缩振动，NH 弯曲振动偶合产生，主要属于CN 伸缩振动）的组合频。该研究结果可为有机宝石的鉴别提供新的方法，也为有机宝石的成分研究提供了一定的信息。
有机宝石 近红外光谱 氨基酸 酰胺 organic gems near infrared spectroscopy amino acids amide
