中草藥的太赫茲光譜鑒別.pdf

1、太赫茲(THz,1THz=10~(12)Hz)波段指的是波長在0.1THz～10THz(波長在3mm30μm)區(qū)間的遠紅外電磁輻射,其波段位于微波和紅外光之間。近年來,由于超快激光技術(shù)的發(fā)展,為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的光源,使得太赫茲光譜成像技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展。它以THz輻射作為探測源,利用電光采樣或光電導采樣方法直接記錄THz輻射電場的振幅時間波形,通過傅立葉變換得到測量信號振幅和相位的光譜分布,進而獲得材料在THz波段的

2、吸收和色散等信息。 中藥材質(zhì)量評價與標準制定研究包括3個方面內(nèi)容：安全性、真實性與質(zhì)量優(yōu)劣評價。眾所周知,中藥之所以能發(fā)揮治病功效,是它所含的物質(zhì)基礎-化學成分對機體作用的結(jié)果。由于中藥的化學成分極為復雜(包括有機物和無機物),它的質(zhì)量優(yōu)劣評價方法和相應的質(zhì)控標準長期以來一直是個難題,這也是影響中藥現(xiàn)代化的一個主要因素。只有以客觀規(guī)范的質(zhì)量評價標準和實驗數(shù)據(jù)表明中藥及原料藥材的有效性、穩(wěn)定性和可控性,才能使中藥在國際市場上占據(jù)一

3、席之地。為此許多人對中藥材的質(zhì)量評價方法進行了廣泛深入的研究和探討。這其中,由于光譜技術(shù)是依據(jù)中草藥中有效成分或特征成分進行鑒別的,可以避免一般鑒別方法的主觀性和片面性,能夠較為客觀的反映藥材的內(nèi)在質(zhì)量而逐漸受到了人們的重視。其中紅外光譜的研究進展最為迅猛。將THz輻射用于中藥材研究是對其有效的補充,有益的嘗試。 將THz輻射用于中藥研究有一些特殊的優(yōu)點。這主要包括：1)中藥的大分子振動或轉(zhuǎn)動譜有一部分在THz波段；2)用THz

4、時域光譜技術(shù)可以測量中藥的色散,有可能作為中藥鑒別的輔助指標,而紅外光譜儀不能測試色散特性；3)THz輻射具有相干性,有可能得到與位相有關(guān)的信息；4)THz輻射脈沖寬度在皮秒到飛秒量級,可以測量中藥時域譜和中藥瞬態(tài)特性。 本論文的主要工作分為兩部分： 第一、應用太赫茲脈沖時域光譜系統(tǒng)對于易混淆的6組中草藥進行光譜實驗研究。獲得各種中草藥的太赫茲吸收光譜和數(shù)據(jù)。觀察并分析其光譜間的區(qū)別,進行初步鑒別,并為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的鑒別

5、和識別建立訓練數(shù)據(jù)集合和測試數(shù)據(jù)集合。 第二、應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)和基于分形理論對中草藥進行鑒別。其一是應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對6組易混淆的中藥進行鑒定和識別,通過改變網(wǎng)絡的設置,特別是改變其隱含層的數(shù)值,提高其識別效果。結(jié)果,6組易混淆的中藥大多數(shù)都得到了很好的鑒別。這為THz光譜技術(shù)用于中草藥識別和鑒定提供了一種有效的方法。其二是基于分形理論的太赫茲光譜識別,實驗中測得了兩種中藥的太赫茲光譜,算出了它們的盒維數(shù)并進行了比較。通過這

6、種方法使不同的藥品得到很好的鑒別。這一部分工作為最終使太赫茲光譜識別技術(shù)用于實際做出了一定的基礎性研究,同時對于太赫茲光譜技術(shù)在中藥領(lǐng)域的發(fā)展前景進行了一定程度的探討。本論文章節(jié)安排如下： 論文第一章概述了太赫茲光譜技術(shù)的基本內(nèi)容,包括太赫茲脈沖的產(chǎn)生、探測和太赫茲脈沖所具有的特性。綜述了中草藥常用的鑒別方法。說明了本選題的意義和本論文所包含的主要工作。 論文第二章詳細闡述了首都師范大學物理系太赫茲實驗室自行搭建的太赫茲

7、系統(tǒng)光路原理,以及實驗測量步驟和樣品制備等情況。著重講述了本論文所依據(jù)的理論基礎,樣品光學常數(shù)的提取算法。 論文第三章主要介紹了人工神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)展概況和誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(BP神經(jīng)網(wǎng)絡)的基本原理,BP神經(jīng)網(wǎng)絡的算法推導,BP神經(jīng)網(wǎng)絡的主要特性和局限性。 論文第四章是在采用THz時域光譜技術(shù)對易混淆的6組中草藥進行實驗研究并得到它們在0.2～2.6THz頻率范圍的特征吸收譜的基礎上,首次用BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法對這6組中草藥的T

8、Hz吸收光譜進行了訓練和識別,通過改變網(wǎng)絡設置,特別是改變中間層的數(shù)值,識別率多數(shù)達100/％,識別結(jié)果充分表明,用BP神經(jīng)網(wǎng)絡可以實現(xiàn)對易混淆的中草藥識別和鑒定,可以對不同炮制的中藥進行鑒別,為THz光譜技術(shù)用于中草藥識別和鑒定提供了一種有效的方法。 論文第五章是介紹了分形的基本概念和分形盒維算法。提出了一種新的太赫茲光譜識別方法。實驗中測得了兩種中藥的太赫茲光譜,算出了它們的盒維數(shù)并進行了比較。通過這種方法使不同的藥品得到了