基于差分-主成分分析-支持向量机的有机化合物太赫兹吸收光谱识别方法

针对有机化合物的太赫兹时域光谱数据,提出了一种基于差分-主成分分析(PCA)-支持向量机(SVM)的有机化合物识别方法。基于物质样本的太赫兹时域信号计算得到太赫兹吸收光谱,对0.2～2.5 THz频率区间内的数据进行特征提取。在特征提取中,提出了基于差分数据的样本容量扩充方法,并结合PCA进行了特征的提取。利用SVM建立了提取的特征与物质类别对应关系的数学模型,并根据建立的模型对未知样本进行了识别研究。利用所提方法对15种有机化合物的太赫兹光谱数据进行了识别,正确识别率为93.33%。将所提方法与线性判别分析法及吸收峰频率-幅值法进行了对比,结果表明基于差分-PCA-SVM的有机化合物识别方法的正确识别率最高。     

不同频率的太赫兹时域光谱透射成像对比度研究

主要探讨自然界树叶样本的太赫兹透射成像中的对比度与透射频率的关系。运用透射模式的太赫兹时域光谱系统对样本进行了聚焦逐点式的主动扫描,得到样本各部分的太赫兹波透射率,然后进行数据处理和二维成像。通过对样本在8个不同频率下的太赫兹透射率成像的比对分析,表明样本的不同部分对各个频率的太赫兹波的吸收都有较明显的差别。为了得到更清晰的太赫兹成像,必须选取合适的成像频率使样本成像的对比度更佳,实验发现应该选择透射振幅适中的频段,且在此范围内样品的某些部分具有吸收峰的频率附近进行成像。     

正构烷烃随温度变化的太赫兹时域光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术研究了温度变化对正构烷烃（C11~C14）状态的影响。通过扫描不同温度下的样品得到了太赫兹时域谱。经数据处理后得到的频域谱、折射率谱、吸收系数谱均能反映正构烷烃状态的变化。温度下降至低于其凝点时,正构烷烃状态由液态变为固态晶体,导致频域谱中的有效频率区间变窄,频域面积减小。温度的降低会导致烷烃分子结晶,折射率增大,吸收系数与频率成线性关系。实验结果表明,太赫兹时域光谱技术可以应用于检测以正构烷烃为代表的非极性烃类物质。     

丁基羟基茴香醚的太赫兹时域光谱检测与分析

利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术对食品添加剂丁基羟基茴香醚（BHA）及其与聚乙烯不同配比的混合物进行了检测,获得了其在0.2-2.6THz波段的吸收谱和折射率谱。实验结果表明,在此波段内该物质有三个明显的吸收峰,分别位于0.64THz,1.14THz和1.81THz,该指纹谱可用于THz波段该物质的检测与识别。此外,利用最小二乘法对混合物太赫兹光谱峰位的吸收系数和质量分数进行线性拟合,结果表明聚乙烯中丁基羟基茴香醚的含量与太赫兹光谱的相关系数大于0.98。最后,用密度泛函理论对单分子丁基羟基茴香醚进行了数值计算,表明太赫兹指纹谱与分子构型和分子内部运动有关系。     

行业视点

新品推荐EMCOR E推出便携式太赫兹光谱仪PB7200EMCORE公司近日推出最新PB7200便携式频域太赫兹光谱仪。此光谱仪是为那些需要在太赫兹频段以高分辨率研究物质特性的太赫兹研究者和应用开发者设计的。这项技术的主要应用在于炸药的识别和勘测以及对物质的无损检验。     

EMCORE推出便携式太赫兹光谱仪PB7200

EMCORE公司近日推出最新PB7200便携式频域太赫兹光谱仪。此光谱仪是为那些需要在太赫兹频段以高分辨率研究物质特性的太赫兹研究者和应用开发者设计的。这项技术的主要应用在于炸药的识别和勘测以及对物质的无损检验。     

基于经验小波系数模态分解的太赫兹成像纵向分辨增强

为了提高太赫兹成像探测的纵向分辨率,提出了一种基于连续小波的经验模态分解的纵向分辨率增强新方法。首先先对样品的频域信号进行连续小波变换处理,获得其相对应的连续小波变换系数;然后对获得的连续小波系数进行经验模态分解,将其自适应地分解为一系列的本征模式函数和一个残差信号,并提取其中第一阶本征模式函数为成像参数进行三维重构,获得最终的三维本征模函数图像,以此来提高太赫兹检测图像的纵向分辨率。为验证方法的有效性,采用150 ～220 GHz高频太赫兹调频雷达成像系统分别对两种含内部脱胶缺陷的夹层结构复合材料进行成像检测并利用提出的方法进行处理,得到了纵向分辨率被有效增强,清晰度被有效提高的检测结果图像,这为未来的太赫兹计算机断层扫描成像和太赫兹无损检测应用研究提供了新的思路。     

高灵敏检测传感芯片应用于脑胶质瘤疾病检测

太赫兹波因其指纹谱识别和无损探测等特性可被应用于物质的快速定性与定量识别。现阶段太赫兹技术方法对物质含量检测的下限在毫克量级,然而实际生物医学样本中待测物的浓度通常在微克量级甚至以下,现有方法限制了其检测灵敏度和可行性。研究中以脑胶质瘤里的特异性物质肌醇(MI)和γ-氨基丁酸(GABA)为例,基于电容电感效应,设计了一款增强太赫兹检测灵敏度的超材料芯片。然后通过测试MI和GABA在不同浓度下的太赫兹光谱,证明其各自随着浓度的变化,芯片谐振峰频移呈现不同的规律,从而进行有效的定性识别,且对于MI和GABA的已知样品,可以根据频移规律实现定量分析。根据实验数据计算可得,所设计的芯片对这两种样品含量检测下限分别为3.457 μg和2.552 μg,与传统压片法的检测极限相比提高了三个数量级。这些结果对后期生物医学中定性和定量检测疾病的微量特异性物质具有重要参考价值。     

基于飞秒激光成丝的太赫兹成像

太赫兹成像作为太赫兹应用的关键技术之一,在安检、无损检测等方面有着广阔的前景。本文采用飞秒激光成丝产生太赫兹波,对掩膜板扫描成像,实现了约100 μm成像分辨率(峰值频率0.51 THz);研究了等离子体丝不同截断位置对太赫兹波产生的影响;通过特征提取,对比了不同时域、频域特征分析下的成像结果。结果显示:积分能量成像方法可以实现最优的成像效果。     

基于太赫兹时域光谱技术的磺胺甲噁唑多晶型现象

磺胺甲噁唑(SMX)作为典型的一类光谱抗生素,经常被用于敏感菌引起的各类感染。由于其晶体内部结构的不同,SMX 将以两种不同的多晶型形式存在。不同晶型常常具有不同的物理化学性质,这些差异可能会对药物的流动性、稳定性以及药效等有较大影响。新兴发展起来的太赫兹光谱技术对于分子间弱的相互作用及大分子的骨架振动、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收都非常敏感,在药物以及生物等领域获得了重要的应用。利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术在室温下对两种不同多晶型SMX 类药物在0.2~1.5 THz 范围内进行了光谱测量,得到对应的吸收谱,发现其在太赫兹波段都有明显的特征吸收峰,可作为其指纹谱用于该类药物多晶型的识别。不同温度下(95~296 K)获得太赫兹时域波形以及对应的频域吸收谱图,结果发现时域波形以及频域吸收谱均与温度呈现规律变化。该研究结果表明THz-TDS 技术药物与生物领域研究、区分药物分子多晶型现象等方面具有重要的应用。     

钝感RDX及HMX炸药的太赫兹光谱分析

采用太赫兹时域光谱技术（Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS）对钝感RDX（黑索金）和HMX（奥克托金）炸药在0～2.5THz频段的太赫兹吸收光谱进行了探测.得到了待测样品的太赫兹吸收光谱,确定了其特征吸收峰的位置并与其他研究机构所测吸收谱进行了对比分析.实验结果表明：利用THz-TDS技术可以对炸药进行检测和识别,同时可以对样品组成的细微变化进行分析和鉴别.为利用THz-TDS技术研究其他爆炸性物质,建立爆炸物的指纹谱库提供了科学依据.     

维甲酸和叶酸的太赫兹光谱

利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）在室温下对两种抗肿瘤维生素类药物维甲酸和叶酸在0.2～1.8 THz范围内进行了光谱测量,得到对应的吸收谱和折射率谱,发现叶酸和维甲酸在太赫兹波段都有明显的特征吸收峰,可作为其在太赫兹波段的指纹谱用于药物分子识别。同时,采用Gaussian03软件进行了单分子的密度泛函理论模拟,模拟中采用B3LYP结合高斯型基组6～31 G（d,p）,理论计算与实验结果基本吻合。另外,采用Gaussian-View3.0对叶酸和维甲酸在THz波段的特征吸收峰进行了指认。结果证明:利用太赫兹光谱技术结合密度泛函理论模拟对两种抗肿瘤维生素类药物分子识别及其新药研制具有一定的参考意义。     

太赫兹检测技术在炸药检测中的应用

介绍了太赫兹辐射光谱技术与成像技术在炸药相关检测领域的几个实际应用方向：太赫兹辐射对炸药所处的状态非常敏感,温度的不同和晶型的不同都会在太赫兹光谱中有所反映,不同晶向的炸药样品吸收特征也有所差别,可用于炸药精细结构的检测分析;利用太赫兹时域光谱装置测量各种单质化合物的光谱,再采用线性回归技术,对测量的混合化合物太赫兹谱进行分析,能得到混合材料的成分和相对含量,可用于研究混合炸药在不同状态下的表面组分变化情况;利用水分子对太赫兹辐射强烈的吸收特性,能够有效地对库存炸药表面水分布的变化情况进行无损检测与评价。这些研究方向可有效地应用于炸药的无损检测当中,为炸药状态的无损评价提供新的思路与方法。     

太赫兹无损检测在文物保护领域的研究进展

为更好地设计基于不同材料、不同制作工艺文物的最佳保护方案,文物保护科技人员首先需要选用最有效的无损检测方法对文物进行全面检测。太赫兹波具有光子能量低、对非金属和非极性物质有较强穿透性、可同时获得脉冲电场振幅和相位信息、较好的抗干扰能力等独特性质,使其在诸多无损检测方法中脱颖而出。本文系统综述了太赫兹技术在文物无损检测应用中的最新研究进展;阐述了不同类型文物材料的太赫兹光谱特征、太赫兹成像检测技术原理和特点;指出了太赫兹无损检测技术对不同类型文物进行无损检测的技术关键点,列举了太赫兹技术在文物科学领域最成功和最具代表性的应用实例。最后展望了太赫兹无损检测技术在文物保护领域的发展趋势。     

可调控太赫兹吸收器调制方法

设计了一种窗棂夕阳图案太赫兹超材料吸收器。利用这种图形,从超材料太赫兹吸收器结构出发,分别通过改变顶层图案几何尺寸、中间层电介质厚度、顶层图案开口处的硅电导变化率等,设计可调控太赫兹波双频、三频、四频吸收器。重点分析了顶层图案开口处的硅电导率变化的可调控太赫兹波双频吸收器机理,其低频吸收峰吸收率由68. 7%增至99. 9%,同时低频吸收峰频率1. 043 THz红移至1. 005 THz,产生38 GHz偏移,可以实现连续频率调谐。并提出进一步深入研究本课题的建议。     

利用误差逆传播神经网络法识别几种毒品的太赫兹光谱

在采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对9种常见毒品进行实验研究并得到它们在0.2～2.6THz频率范围的特征吸收谱的基础上,用误差逆传播(BP)神经网络法对9种常见毒品的太赫兹吸收光谱进行了训练及识别。首先,用9种毒品的太赫兹吸收谱训练已经建立的误差逆传播神经网络;然后,选用与训练光谱不同时间测得的9种毒品的太赫兹吸收光谱作为检测光谱,经过二阶导数预处理之后分别输入到训练好的误差逆传播神经网络中进行识别,识别率达到89%。该误差逆传播神经网络模型采用MATLAB语言编制程序。识别结果充分表明,用误差逆传播神经网络可以实现对不同种类毒品的识别和鉴定,为太赫兹光谱技术用于毒品的检测和识别提供了一种有效的方法。     

太赫兹光谱技术在气体检测中的应用

相关环境污染信息在太赫兹波段内具有较强的吸收特性,使得利用太赫兹光谱技术探测大气中的污染物成为可能.概述了国内外太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究历史和发展现状,介绍了不同的气体分子在太赫兹波段的吸收谱,以及对混合气体分子和同素异形体分子的识别.对太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究方向进行了展望.     

太赫兹技术对二氯苯胺两种同分异构体的检测

采用太赫兹时域光谱技术测量了3,4-二氯苯胺和2,5-二氯苯胺在0.2～2 THz波段的吸收谱,3,4-二氯苯胺在1.00 THz,1.48 THz,1.88 THz处有3个吸收峰,2,5-二氯苯胺在0.83 THz,1.04 THz,1.17 THz处有3个吸收峰,吸收峰峰位强度也有明显不同。采用密度泛函理论进行理论光谱计算,理论光谱与实测光谱一致性良好。结果表明通过太赫兹时域光谱技术可以实现3,4-二氯苯胺和2,5-二氯苯胺2种同分异构体的指纹检测,为太赫兹波段有明显特征吸收峰的毒性物质检测提供了一种快速、准确的方法。     

神经细胞中五种常见物质的太赫兹波谱的推定

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对神经细胞中常见的5种物质(L-谷氨酸、γ-氨基丁酸、肌酸、盐酸多巴胺和肌醇)的纯品进行特征谱检测。实验结果显示,5种物质在太赫兹波段有明显且独特的吸收谱线,并且同一种物质不同浓度的吸收系数符合朗伯比尔定律。此外,利用CASTEP软件包对5种物质的光谱进行仿真,结果显示太赫兹波段光谱特征吸收峰的成因主要由分子基团的振动而引起。之后,对肌醇、L-谷氨酸、γ-氨基丁酸和肌酸的1:1:1:1混合物的谱线进行检测,结合最小二乘法等算法倒推,可以准确推断每一种物质的含量及比例。结果表明,当4种物质混合时,物质含量推断的准确率为94%以上,这一研究结果对于癌组织的早期检测有重大意义。     

反射式THz‒TDS用于轨道交通典型液体安检的实验

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术用于轨道交通易燃易爆危险液体的安全检测,需要兼顾速度和准确率。一般在大流量人群中,因为检测速度限制,不适合直接采用实验室常用的测试指纹谱之后再与样品数据库的吸收峰位置比对的方法来精确确定样品成分信息。针对轨道交通中典型液体样品,在常温常压和正常大气湿度(25 ℃、60%空气湿度)条件下,测试反射式THz-TDS的脉冲回波数据。建立非易燃易爆危险品、易燃易爆类、强酸类等分类数据库,结合样品光谱数据库特征,归纳了4种典型的时域脉冲谱线,即含有显著次级反射峰、微小次级反射峰、无反射峰和向下反转的次反射峰。依据太赫兹时域谱线次级反射峰的特征,结合分类识别决策模型,快速实现了综合分类判别,准确率达80%以上。