利用 Gaussian软件, 选取密度泛函理论 (DFT)、哈特里 —福克理论 (HF)对葡萄糖、果糖的单分子在 0~3 THz波段的吸收谱进行仿真计算, 并与参考文献中的实验结果进行比对。仿真计算结果验证了利用 Gaussian软件进行单分子吸收谱计算的可行性。最后基于密度泛函理论得到的结果分析了不同位置吸收峰对应的分子内振动模式。

以糖类的两种同分异构体[D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖]为研究对象,采用太赫兹时域光谱系统获取二者在0.4~1.9 THz频段的特征吸收谱,利用二者在1.43 THz与1.64 THz的两个不同吸收峰可对其进行定性鉴别。为了进一步探索吸收峰的形成机理,利用密度泛函理论对两者的晶胞结构进行几何优化和振动模式指认。通过约化密度梯度和独立梯度模型可视化分析了葡萄糖晶胞和果糖晶胞的分子间弱相互作用的类型、位置和强度。研究结果表明,两种物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间官能团的氢键相互作用导致的集体振动模式。该研究为糖类异构体的定性检测和精确定量分析,以及D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖太赫兹吸收峰的形成机理研究提供了有价值的实验和理论参考。

高光谱成像可将图像和光谱相结合, 同时获得目标对象的图像和光谱信息, 已在农产品定性和定量分析检测方面得到广泛利用。 利用可见-近红外高光谱成像结合化学计量学方法对贮藏期内灵武长枣果糖含量进行无损检测。 采用高效液相色谱测量长枣果糖含量的化学值, 可见-近红外高光谱系统采集长枣的高光谱图像, 提取每个样本感兴趣区域的平均光谱; 建立长枣贮藏期的径向基核函数支持向量机(radial basis kernel function support vector machine, RBF-SVM)模型; 分别选用正交信号校正法(orthogonal signal correction, OSC)、 多元散射校正(multiplicative scatter correction, MSC)、 中值滤波(median-filter, MF)、 卷积平滑(savitzky-golay, SG)、 归一化(normalization, Nor)、 高斯滤波(gaussian-filter, GF)和标准正态变换(standard normalized variate, SNV)等方法对原始光谱进行预处理; 为减少数据量, 降低维度, 提高运算速度, 采用反向区间偏最小二乘法(backward interval partial least squares, BiPLS)、 间隔随机蛙跳算法(interval random frog, IRF)和竞争性自适应加权算法(competitive adaptive reweighted sampling, CARS)对光谱数据提取特征变量; 建立全波段和特征波段的偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)和主成分回归(principle component regression, PCR)长枣果糖含量预测模型。 结果表明: RBF-SVM判别模型校正集准确率为98.04%, 预测集准确率为97.14%, 能很好地预测长枣的贮藏期; 利用BiPLS, IRF及CARS进行降维处理, 提取特征波长个数为100, 63和23, 占原光谱数据的80%, 50.4%和18.4%; 为简化模型运算过程并提高模型精度, 采用CARS算法对BiPLS及IRF算法所选取的特征波长进行二次筛选, 分别优选出18和15个特征波长, 占原光谱数据的14.4%和12%, 显著减少特征波长数; 将全波段光谱与提取出的特征波长分别建立长枣果糖含量的PLSR及PCR预测模型, 优选出CARS提取特征波长建立的PLSR模型效果最优, 其中校正集的相关系数Rc=0.854 4, 均方根误差RMSEC=0.005 3, 预测集的相关系数Rp=0.830 3, 均方根误差RMSEP=0.005 7, 说明CARS有效地对光谱进行降维, 简化了数据处理过程。 研究表明, 利用可见-近红外高光谱成像结合化学计量学方法及计算机编程, 可以有效的实现灵武长枣果糖含量的快速无损分析, 为灵武长枣内部品质的检测提供理论依据。

果糖是一种常见于蜂蜜和多种植物中的简单酮糖, 属于三种可食用单糖之一, 可与葡萄糖结合形成双糖蔗糖。 纯净的果糖常温呈白色晶体状, 具有甜度高、 升糖指数低等优点, 广泛应用于食品行业。 截止目前, 由于针对固相果糖的太赫兹和红外特征吸收谱研究大多局限于单纯的实验测试或者基于单分子理论计算, 缺乏较为系统完善的研究, 因此从理论和实验上系统研究了固相果糖的太赫兹特征吸收谱及红外特征吸收谱, 首次报道了固相果糖在频谱大于3.0 THz以外的特征吸收峰的实验值, 采用基于单分子的MP2和B3LYP泛函以及基于晶胞的PBE和PW91交换相关泛函计算获得了固相果糖太赫兹及红外特征吸收谱, 并与实验获得的固相果糖太赫兹及红外特征吸收谱进行了比对分析, 发现基于晶胞的PBE和PW91交换相关泛函计算结果与实验获得的果糖太赫兹特征吸收峰更相符, 表明固相果糖在0.1～4.0 THz的大多数太赫兹特征吸收峰源自分子间相互作用而非分子内相互作用, 揭示了果糖分子周围环境对果糖振动模式的显著影响。

为了提出测定果糖质量分数的新方案，采用光子晶体平面波展开法进行了理论分析和数值模拟。通过研究以硅半导体材料为背景介质周期性排列空气孔圆柱构成的光子晶体，分别取得了正方晶格和三角晶格的空气孔结构光子晶体的TE模、TM模禁带结构特性。结果表明，在高频率区域,2维正方晶格或三角晶格结构各向同性光子晶体的光子带隙随待测质量分数不同是单调变化的; 同时，晶格结构对光子带隙有一定的影响，不论是在正方结构还是三角结构光子晶体中，TE模带隙都比TM模大得多。这对质量分数测量和高血糖患者的临床应用有一定的指导作用。

对二维光子晶体的电磁波理论及周期性介质中的Bloch波解做了详细的推导，给出了光子晶体中的禁带存在的理论依据，同时以三角晶格的二维光子晶体为例，采用平面波展开方法对果糖水溶液的浓度进行测定。主要利用硅与果糖溶液介电常数较大的原理，通过数值模拟获得相应的光子禁带图并加以分析。结果表明, 以果糖的水溶液作为空气圆孔中的介质材料，当溶液浓度不同时TE模式的光子禁带（PBG）明显变宽，而TM模式不出现光子禁带现象。研究结果及方法对高血糖临床应用有一定的指导作用。

以153个单植物源和混合植物源蜂蜜样品为研究对象,使用3种近红外光谱仪(FT型、CCD型、PDA型)采集蜂蜜的透反射和透射光谱,并应用近红外定量分析技术进行蜂蜜中主要成分(水分含量、果糖含量、葡萄糖含量)的检测研究。用偏最小二乘回归(partial leasts quare repression, PLSR)方法分别建立了蜂蜜水分含量、果糖含量、葡萄糖含量的近红外定量分析模型。结果表明,水分含量、果糖含量、葡萄糖含量的相关系数(r)分别达到0.9785,0.9311和0.8907,预测误差均方根(RMSEP)分别为0.4108(%),1.9144(%)和2.5319(%)。研究表明基于近红外光谱的蜂蜜主要成分快速无损检测准确度高,具有很高的实用价值。