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
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
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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
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
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
