基于太赫兹时域光谱技术的生物分子鉴别及相互作用研究

基于LVQ和THz时域光谱的玉米品种分类鉴别研究李慧;吴静珠;刘翠玲;孙晓荣;余乐【摘要】农作物的产量和品质与其自身的品种密切相关,因此品种鉴别对于农业生产和安全具有极为重要的意义.研究提出将太赫兹时域光谱(THz-TDS)与神经网络学习矢量量化(LVQ)相结合的方法用于四类玉米品种鉴别.实验选取120粒玉米样本的衰减全反射(ATR)吸收系数0～70 cm-1谱区作为LVQ网络输入,4个品种作为网络输出,随机划分测试集与训练集的样本比例为1∶1、1∶2和1∶5时,测试集识别率分别为80％、82.5％、95％;实验选取ATR吸收系数0～275 cm-1全谱区作为LVQ网络输入时,测试集识别率分别为93.3％、97.5％、100％.实验结果表明采用太赫兹光谱结合LVQ方法能有效鉴别玉米品种,该方法对于农作物品种快速鉴别具有一定的借鉴性.【期刊名称】《中国粮油学报》【年(卷),期】2019(034)002【总页数】5页(P125-129)【关键词】玉米种子;太赫兹时域光谱;衰减全反射;学习矢量量化【作者】李慧;吴静珠;刘翠玲;孙晓荣;余乐【作者单位】北京工商大学;食品安全大数据技术北京市重点实验室,北京100048;北京工商大学;食品安全大数据技术北京市重点实验室,北京100048;北京工商大学;食品安全大数据技术北京市重点实验室,北京100048;北京工商大学;食品安全大数据技术北京市重点实验室,北京100048;北京工商大学;食品安全大数据技术北京市重点实验室,北京100048【正文语种】中文【中图分类】S24中国是全球第二大玉米生产国，同时也是全球第二大消费国。

玉米的产量与品质与其自身品种紧密相关，因此品种鉴别直接关系到农业生产和农民经济利益。

传统鉴定方法有籽粒形态鉴定法、幼苗形态鉴定法、田间小区种植鉴定法、生理生化鉴定法[1-2]等，其中生理生化鉴定法有电泳法[3-4]、高效液相色谱法[5]等，这些方法步骤繁琐，操作复杂，且检测过程中需要消耗化学试剂。

THZ时域光谱技术在生物DNA鉴定中的应用王芳;蔡蒙;刘云飞【摘要】利用太赫兹时域光谱技术研究了松材线虫、拟松材线虫、鲱鱼、鲑鱼和白杨等不同DNA分子的吸收光谱,分析发现:随着样品厚度的减少,吸收峰会发生简并现象;折射率也会随着样品厚的增加而增加.通过比较不同DNA分子的吸收谱还发现:相似物种DNA分子比不同物种具有更多重合的吸收峰,推测这跟DNA分子内碱基排序有关.在DNA检测方面,傅里叶红外光谱仪和太赫兹光谱仪配合使用,可以从光谱的宽度和精度上互补,发挥更大优势.最后得到几种不同DNA分子所有吸收峰位置,这为今后建立DNA太赫兹光谱数据库和鉴别DNA大分子奠定基础.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2016(038)004【总页数】6页(P342-347)【关键词】吸收频率;折射率;DNA;太赫兹时域光谱技术【作者】王芳;蔡蒙;刘云飞【作者单位】南京林业大学,江苏南京 210037;三江学院,江苏南京 210012;三江学院,江苏南京 210012;南京林业大学,江苏南京 210037【正文语种】中文【中图分类】O433太赫兹（THz）辐射是位于0.1～10THz频率范围的红外电磁光谱。

大量实验表明，太赫兹辐射不会对基因组造成伤害[1]。

太赫兹波段的吸收光谱反映了低频率的分子内部运动，这是依赖于双螺旋碱基对的弱氢键[2]。

近年来，研究DNA（脱氧核糖核酸）光谱的文章有很多，但大部分都位于近红外、中红外和部分远红外的范围[3]。

D. L. Woolard等人[4]研究了10～25cm－1（0.3～0.75THz）频率范围内鲱鱼和鲑鱼的DNA透射谱，发现了许多相同和不同的声子模式，然而，并没有详细研究吸收峰与内部结构之间的关系。

BM Fischer等人[5]通过密度泛函理论（density functional theory，DFT）对胸腺嘧啶的四聚体单元进行计算，获得的4个低频红外活性振动模式均来源于这两组氢键面内振动和面外振动的分子间运动。

Vol. 41,No. 1,pp94-99January , 2021第41卷，第1期01年1月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysis 基于深度学习的太赫兹时域光谱识别研究胡其枫！蔡健博微太赫兹信息科技有限公司,安徽合肥230088摘 要 太赫兹时域光谱技术，由于其具有物质4旨纹谱5寺性，是一种可以快速无损地鉴别物质的重要手段，在毒品和爆炸物的无损检测等方面有广阔的应用前景$其中，光谱识别是太赫兹时域光谱技术应用研究的重要方向之一$现有的光谱识别方法多是依靠手工选取特征后进行机器学习分类，或是通过设置吸收峰阈值门限进行判断$由于一些物质在太赫兹波段内并没有明显的吸收峰特征，同时样品浓度、空气湿度、各类噪声等会对太赫兹时域光谱造成干扰从而使信噪比下降，这些方法并不能很好地适应，并且物质类别和数量的增加也会导致计算量不断增加$近年来，随着深度学习技术兴起，以卷积神经网络(CNN)和循环神经 网络(RNN)为代表的方法在计算机视觉和自然语言处理等领域得到广泛应用，相比于传统的机器学习方法其效果有了很大的提升$由于深度学习技术强大的非线性分类能力，基于RNN 和CNN 设计了两个网络用 于光谱识别：基于RNN 的一维谱线分类网络和基于CNN 的二维谱图分类网络$模拟实际应用场景，在非真空环境下采集了 1?种物质的两万多个光谱数据作为训练集和测试集$在分析了样品浓度、空气湿度对光谱特征的影响后,使用S-G(Savitzky-Golay )滤波对光谱进行降噪$实验结果表明,对比未处理和经过S-G 预 处理的数据，处理后的光谱特征更加明显，识别准确率更高&与传统的机器学习算法k 最近邻(k-NN)方法相比，RNN 和CNN 方法在测试集上有更好的准确率，且算法速度更快&对于光谱识别，CNN 方法比RNN 方法能够更好地克服噪声的影响$因此，深度学习技术可以对太赫兹时域光谱进行快速有效的识别，能够为新型无损安全检查技术提供理论和实验基础$关键词 太赫兹时域光谱&光谱识别；卷积神经网络&循环神经网络&预处理中图分类号：TP391. 4 文献标识码：ADOI ： 10. 3964issn. 1000-0593(?0?1)01-0094-06引言太赫兹波介于远红外和微波之间，频率在0.1〜10THz $在太赫兹光学技术中，太赫兹时域光谱time-domain spectroscopy , THz-TDS )技术是目前使用最广泛的技术之一$ THz-TDS 技术是一种相干探测技术，不同的 物质分子被一定频宽的太赫兹波透射过后，会吸收不同频率的太赫兹光波能量，从而产生特征吸收峰，对应的光谱又被 称为“太赫兹指纹光谱5通过对物质4旨纹谱”的识别可以实现对毒品和爆炸物等生化危险品进行非接触式无损检测，因 此THz-TDS 技术受到了警方、海关、安保反恐等部门的高 度重视(1)$总结近年来国内外关于太赫兹时域光谱识别方法的研 究，主要集中在一些光谱分析法和机器学习方法相结合的技术$马帅等提出一种采用两层受限玻尔兹曼机(restrictedBoltzmann machine , REM)构建深层信念网络模型自动提取太赫兹光谱特征,使用k 最近邻(k-nearest neighbor, k-NN)分类器对不同物质进行识别$ Yin 等⑸提出一种利用遗传算法和偏最小二乘判别分析相结合的方法来鉴别食用油$Mumtaz 等虻通过主成分分析(principal component analysis ,PCA)区分了对太赫兹辐射是透明的聚合物$这些方法往往需要经验丰富的工程师手工设计特征提取器，对于变化的自然数据具有局限性$深度学习方法目前已 经成功运用在图像分类、语音识别等领域，不需要人工设计特征提取器，通过一些非线性的结构把原始数据转变成更加抽象的表达，自动提取特征，特别适合自然数据，并且算法性能会随着数据的丰富而提升$太赫兹时域光谱的识别，本质上是一个非线性分类问题，深度学习方法由激活函数引入非线性，更加适合非线性分类问题$作为深度学习的代表方 法,卷积神经网络(convolutional neural network , CNN)在太赫兹时域光谱识别上应用的相关文献资料很少，循环神经网络收稿日期：2019-11-15,修订日期：2020-03-1?基金项目：安徽省重点研究和开发计划项目(01904e010?0005)资助作者简介：胡其枫，1991年生，博微太赫兹信息科技有限公司算法工程师e-mail : **********************第1期光谱学与光谱分析95（recurrent neural network,RNN#的应用暂无相关文献报道。

基于太赫兹时域光谱技术的生物传感器研究黄志雄; 郭雪松; 陈焕众【期刊名称】《《电子测试》》【年(卷),期】2019(000)020【总页数】3页(P24-25,28)【关键词】实时监测; 生物传感器; 太赫兹时域光谱技术【作者】黄志雄; 郭雪松; 陈焕众【作者单位】海军士官学校安徽蚌埠 233012【正文语种】中文0 引言细胞作为生物体的基本结构单元[1]，同时它也是疾病形成的过程中致病的基本单元。

所以，利用特有的技术手段来研究某些细胞自身与疾病形成之间的因果关系，可以对疾病的早期诊断等具有特别重要的现实意义。

为了更好地了解和监测细胞的生长情况，开展了对生物传感器的研究与开发。

值得关注的是，这项工作已成为近年来国内外学界竞相研究的热点之一，成果显著。

从目前公开的文献资料看，目前应用较为广泛的细胞的探测技术与方法，主要有荧光标记技术[2]、化学发光分析法[3]等标记式探测，以及传统旋涂方法等。

标记性探测技术虽然操作简便，但是在标记的过程中容易对细胞分子的功能性和稳定性等造成损害，有可能会因为加入标记物而对待测的样品产生不利影响，削弱了测量结果的准确性。

传统的旋涂方法虽然技术比较成熟，但在检测方面却存在着种种先天的缺陷，比如对细胞的检测只能针对某一个特定的时间点来进行，就是说这种检测方法只适合对细胞进行的静态研究，若要检测和观察一个完整的动态作用过程，往往要进行大量的重复试验，这样必然使得实验过程耗时特别长，所需费用较多，而检测结果的准确度并不高[4]。

为解决这些问题，我们认为，目前最急需的，就是开发出一种能够对细胞进行动态、实时、无损监测的技术。

运用此项技术，能够及时而准确地观察了解细胞的作用状态与机理，从而为预防、控制疾病和提早介入治疗提供理论依据。

目前能够满足这一技术要求的开发应用成果，就是基于电磁超材料的太赫兹生物传感器。

最近几年，生物传感器，特别是利用电磁超材料结构实现的太赫兹传感器的研究得到了极速发展。

基于太赫兹时域光谱的物质定性鉴别和定量分析方法研究基于太赫兹时域光谱的物质定性鉴别和定量分析方法研究摘要：太赫兹时域光谱技术是一种新兴的非破坏性检测方法，它在物质定性鉴别和定量分析方面具有广阔的应用前景。

本文通过对太赫兹时域光谱技术的原理、方法和应用进行综述，探讨了太赫兹时域光谱在物质定性鉴别和定量分析中的研究进展，并对其未来的发展方向和挑战进行了展望。

关键词：太赫兹时域光谱、物质定性、定量分析、应用前景引言：太赫兹时域光谱技术是一种基于太赫兹波段的光学技术，其频率位于红外辐射和微波辐射之间，具有很高的穿透能力和物质辨识能力。

近年来，随着太赫兹时域光谱技术的快速发展，其在物质定性鉴别和定量分析方面得到了广泛的应用。

通过对物质分子和晶格的振动模式的特征光谱进行分析，太赫兹时域光谱技术可以实现对物质的定性鉴别和定量分析。

本文旨在系统概述太赫兹时域光谱技术的研究进展，以及其在物质定性鉴别和定量分析中的应用。

一、太赫兹时域光谱技术的原理太赫兹时域光谱技术是利用太赫兹脉冲激光产生的电磁波与物质相互作用的光学检测方法。

太赫兹波段的电磁波与物质之间的相互作用主要是通过物质的吸收谱和折射谱来体现的。

物质在太赫兹波段具有明显的光谱吸收特征，通过测量样品吸收和相位延迟随时间的变化，可以得到样品的太赫兹时域光谱。

太赫兹时域光谱可以提供物质的复折射率和复吸收系数，从而实现物质的定性鉴别和定量分析。

二、太赫兹时域光谱技术的方法太赫兹时域光谱技术主要包括脉冲激发源、探测系统和信号处理系统三个主要组成部分。

脉冲激发源是产生太赫兹脉冲激光的关键部件，目前常用的脉冲激发源有光电探测器、激光光纤等。

探测系统负责测量样品与太赫兹脉冲激光之间的相互作用，目前常用的探测方法有光学探测和电磁探测两种。

信号处理系统负责处理测量得到的太赫兹时域光谱信号，主要包括频率域处理和时间域处理两种方法。

三、太赫兹时域光谱技术在物质定性鉴别中的应用太赫兹时域光谱技术在物质定性鉴别方面具有很高的准确性和可靠性。

太赫兹光谱在水合物和固态分子识别反应中的应用研究太赫兹(THz)光谱对水合物的分子结构和分子间的弱相互作用力很敏感,解析水合物分子在THz波段的光谱信息,可以从新的角度去研究分子的结构特点,进而为理解分子结构与功能关系提供新的依据。

以茚三酮及其水合物、胞嘧啶及其水合物为研究对象,发现无水物和水合物在THz波段有特征吸收峰,用THz光谱可以快速有效的对无水物和水合物进行定性分析。

结合SEM的表征结果,证明了水分子可以诱导分子自组装形成超分子结构,使无水物和水合物具有完全不同的表面形貌。

以茚三酮水合物为研究对象,实现了用THz光谱对水合物的脱水过程进行实时监测。

实验中验证了 THz光谱与温度效应之间的关系,并以气态水分子为探针,首次提出了吹扫气(氮气、干燥空气)在THz光谱表征水合物脱水过程中的重要性。

结合量子化学计算,用密度泛函理论对晶胞进行结构优化和能量优化计算,从分子层面去解析THz光谱信息。

根据计算结果将THz光谱的特征吸收峰归属到了具体的振动模式,THz吸收峰起源于分子间的振动模式和分子间相互作用力。

其中,水分子在晶胞中形成的氢键网络,对晶格的稳定发挥着重要的作用。

为了研究生物分子中DNA结构与诱变剂之间的作用机理,以DNA结构中的碱基胞嘧啶和诱变剂草酸为研究对象,发现了在结晶水的参与下,胞嘧啶和草酸会通过分子识别作用生成共晶物,共晶物在THz波段具有特征吸收峰。

进一步用THz 光谱追踪分子识别反应过程,发现了胞嘧啶和草酸中的结晶水在分子识别过程中具有不同的作用。

利用密度泛函理论,对共晶物晶胞进行结构优化和能量优化计算。

根据计算结果,将共晶物的特征吸收峰归属到了具体的振动模式,并从晶体内能、晶胞内分子排列和分子间的相互作用力三个角度,阐释了结晶水在分子识别过程中的作用机理,得到了胞嘧啶和草酸发生分子识别反应的条件,该研究成果对草酸诱导DNA结构变性的机理有一定的指导意义。

太赫兹检测技术在生命科学领域的研究进展作者：饶斌徐晓霞来源：《健康护理》2019年第04期摘要：太赫兹波检测技术是位于现代科学前沿的新技术，因其电磁波频率位于红外和微波中段，该频段包含了很多生物大分子的振动和信息应答的波段，所以太赫兹拥有区别与其他电磁波的独特性质，例如低能性、瞬态性、相干性、宽带性等，这些特性使其被广泛应用到军事、通讯、生物医疗等领域。

在生物学领域，太赫兹波通过对分子构造重新排列其结晶结构，来促使生物体发生变性，所以又将太赫兹波称为“物质变性光线”或“生命光线”。

研究人体辐射太赫兹波是运用现代科学手段来探索生命状态的新途径。

关键词：太赫兹;气1 太赫兹波简介太赫兹（Terahertz，1THz=1012Hz）波一般指的是频率为0.1THz-10THz范围内的电磁波，在电磁波谱上，其位置在红外与微波之间，从物理学角度看，太赫兹波即是电子学向光子学过渡的交叉领域，也是由宏观理论过渡到微观量子理论体现。

在发现太赫兹波的初期，在各个科学领域对其有不同的称呼，例如光学领域中，常称之为远红外辐射，电子学中则称亚毫米波或超微波。

电磁波谱中，太赫兹波两侧的红外和微波技术在上世纪80年代中期之前相对发展较为成熟，但是对位于中间的太赫兹波段认识非常有限，其根本缘由是此频率波段的特性既不能完全适用光学理论，也不能完全运用微波理论来解释，而且尚未研究出能稳定产生和探测太赫兹波的方法，“THz空隙"（THz Gap）[1]的说法由此而来。

2 太赫兹波的特性太赫兹波的频率范围处在电学和光学之间的交叉位置。

在长波方向，它与毫米波有重叠;在短波方面，它与红外波段有重叠。

由于太赫兹波段在电磁波谱中其所处的区段比较特殊，从而使太赫兹具备许多其他种类电磁波没有的特殊性质。

其中最重要的特性有四种[1]：（1）瞬态性：太赫兹波频段的电磁脉冲脉宽为皮秒数量级，便于对多种材料例如固体、气体、液体、铁磁体、半导体及高温超导体等进行采样测量，从而大幅降低背景辐射的干扰，获取拥有较高信噪比的时域波谱。

太赫兹辐射和生物分子的相互作用
徐慧;李文新
【期刊名称】《核技术》
【年(卷),期】2004(027)007
【摘要】太赫兹(Terahertz,THz)辐射是波长介于30μm-1mm(10THz-300GHz)间的电磁波.随着THz辐射技术的不断改进,促进了THz辐射的机理研究和应用研究,由于THz时域光谱(THz-TDS)技术的明显的优点使得生物大分子的研究日益成为THz应用研究的热点.就THz辐射的产生技术、探测技术作了概要描述,重点介绍和分析了THz辐射与生物大分子蛋白质、DNA的相互作用.
【总页数】7页(P534-540)
【作者】徐慧;李文新
【作者单位】中国科学院上海应用物理研究所,上海,201800;中国科学院上海应用物理研究所,上海,201800
【正文语种】中文
【中图分类】Q503
【相关文献】
1.食品中生物分子的太赫兹特性探测方法 [J], 齐亮;宋莹莹
2.掺杂BaTiO3/SrTiO3多层膜与太赫兹波相互作用 [J], 王雪敏;沈昌乐;王瑜英;黎维华;彭丽萍;雷红文;吴卫东;唐永建
3.《太赫兹科学与电子信息学报》编委会、中国兵工学会太赫兹应用技术专委会工作会与“太赫兹中的微纳科学技术”专题研讨会成功召开 [J],
4.太赫兹与水的相互作用:机理、应用和新趋势 [J], 范姝婷;马莹玉;舒国响;钱正芳
5.基于Smith-Purcell辐射的太赫兹辐射源研究进展 [J], 武明静; 亓丽梅; 杨君; 陶翔; 刘紫玉
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