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(zhǎng)在0.1THz～10THz(波長(zhǎng)在3mm30μm)區(qū)間的遠(yuǎn)紅外電磁輻射,其波段位于微波和紅外光之間。近年來(lái),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(cè)源,利用電光采樣或光電導(dǎo)采樣方法直接記錄THz輻射電場(chǎng)的振幅時(shí)間波形,通過(guò)傅立葉變換得到測(cè)量信號(hào)振幅和相位的光譜分布,進(jìn)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(píng)價(jià)與標(biāo)準(zhǔn)制定研究包括3個(gè)方面內(nèi)容：安全性、真實(shí)性與質(zhì)量?jī)?yōu)劣評(píng)價(jià)。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(chǔ)-化學(xué)成分對(duì)機(jī)體作用的結(jié)果。由于中藥的化學(xué)成分極為復(fù)雜(包括有機(jī)物和無(wú)機(jī)物),它的質(zhì)量?jī)?yōu)劣評(píng)價(jià)方法和相應(yīng)的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)期以來(lái)一直是個(gè)難題,這也是影響中藥現(xiàn)代化的一個(gè)主要因素。只有以客觀規(guī)范的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)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(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)一

3、席之地。為此許多人對(duì)中藥材的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)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(jìn)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(jìn)展最為迅猛。將THz輻射用于中藥材研究是對(duì)其有效的補(bǔ)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(diǎn)。這主要包括：1)中藥的大分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)譜有一部分在THz波段；2)用THz

4、時(shí)域光譜技術(shù)可以測(cè)量中藥的色散,有可能作為中藥鑒別的輔助指標(biāo),而紅外光譜儀不能測(cè)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(jí),可以測(cè)量中藥時(shí)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(yīng)用太赫茲脈沖時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)于易混淆的6組中草藥進(jìn)行光譜實(shí)驗(yàn)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(jìn)行初步鑒別,并為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鑒別

5、和識(shí)別建立訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合和測(cè)試數(shù)據(jù)集合。 第二、應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于分形理論對(duì)中草藥進(jìn)行鑒別。其一是應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)6組易混淆的中藥進(jìn)行鑒定和識(shí)別,通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置,特別是改變其隱含層的數(shù)值,提高其識(shí)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T(mén)Hz光譜技術(shù)用于中草藥識(shí)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(shí)別,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得了兩種中藥的太赫茲光譜,算出了它們的盒維數(shù)并進(jìn)行了比較。通過(guò)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(shí)別技術(shù)用于實(shí)際做出了一定的基礎(chǔ)性研究,同時(shí)對(duì)于太赫茲光譜技術(shù)在中藥領(lǐng)域的發(fā)展前景進(jìn)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(cè)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(shuō)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(xì)闡述了首都師范大學(xué)物理系太赫茲實(shí)驗(yàn)室自行搭建的太赫茲

7、系統(tǒng)光路原理,以及實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chǔ),樣品光學(xué)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(luò)的發(fā)展概況和誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))的基本原理,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法推導(dǎo),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特性和局限性。 論文第四章是在采用THz時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)易混淆的6組中草藥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究并得到它們?cè)?.2～2.6THz頻率范圍的特征吸收譜的基礎(chǔ)上,首次用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)這6組中草藥的T

8、Hz吸收光譜進(jìn)行了訓(xùn)練和識(shí)別,通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,特別是改變中間層的數(shù)值,識(shí)別率多數(shù)達(dá)100/％,識(shí)別結(jié)果充分表明,用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)易混淆的中草藥識(shí)別和鑒定,可以對(duì)不同炮制的中藥進(jìn)行鑒別,為T(mén)Hz光譜技術(shù)用于中草藥識(shí)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(shí)別方法。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得了兩種中藥的太赫茲光譜,算出了它們的盒維數(shù)并進(jìn)行了比較。通過(guò)這種方法使不同的藥品得到了