三江學(xué)院 王 婷 王 芳

抗生素類(lèi)藥物的太赫茲光譜自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)研究

三江學(xué)院 王 婷 王 芳

近年來(lái)，太赫茲技術(shù)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿??？股仡?lèi)藥物應(yīng)用廣泛，太赫茲技術(shù)對(duì)藥品的自動(dòng)識(shí)別具有重要意義。本文利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)來(lái)研究常見(jiàn)抗生素類(lèi)藥物的吸收譜，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗生素類(lèi)藥物的自動(dòng)識(shí)別。利用Matlab軟件，快速識(shí)別出了太赫茲光譜的峰值，這為我們分析光譜提供了可靠數(shù)據(jù)。程序可準(zhǔn)確判斷出抗生素的類(lèi)名。該系統(tǒng)對(duì)抗生素類(lèi)藥物的識(shí)別正確率可達(dá)100%。此項(xiàng)研究為建立抗生素類(lèi)藥物太赫茲數(shù)據(jù)庫(kù)以及對(duì)此類(lèi)藥物的鑒別奠定了基礎(chǔ)。

抗生素；太赫茲光譜；吸收譜；分類(lèi)識(shí)別

太赫茲波屬于一種遠(yuǎn)紅外電磁波，它的頻率范圍在0.1～10THz。太赫茲光譜具有實(shí)時(shí)性，無(wú)損性等檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)，都使得太赫茲光譜技術(shù)在藥物檢測(cè)中具有巨大優(yōu)勢(shì)?？股仡?lèi)藥物是應(yīng)用較為廣泛的一種藥物，但是濫用抗生素的情況越來(lái)越令人擔(dān)憂(yōu)，為了保證安全，抗生素類(lèi)藥物的鑒別與質(zhì)量檢查變得更加重要。

1.引言

本文利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)研究了十四種不同抗生素的吸收譜，通過(guò)Matlab軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光譜峰值及對(duì)藥品類(lèi)名的判斷，為建立抗生素類(lèi)藥物太赫茲數(shù)據(jù)庫(kù)以及對(duì)此類(lèi)藥物的鑒別奠定了基礎(chǔ)。

2.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)采用的是日本ADVANTEST公司tas7500系列太赫茲光譜儀和德國(guó)Bruker公司的V80系列傅里葉紅外光譜儀，兩者從光譜精度和寬度上互補(bǔ)。

本篇論文實(shí)驗(yàn)所需要的樣品購(gòu)于大連美侖生物科技有限公司。樣品為科學(xué)試劑，所有樣品的純度均超過(guò)98%，樣品為結(jié)晶型粉末，使用前沒(méi)有經(jīng)過(guò)再次提純處理。樣品直接與聚乙烯（PET）粉末均勻混合、壓片后進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中采用的樣品與聚乙烯的比例為1：10，混壓后薄片厚度1mm，直徑約13mm。

圖1 傅立葉紅外光譜儀測(cè)得的十四種抗生素吸收譜

圖2 太赫茲時(shí)域光譜儀測(cè)得的十四種抗生素吸收譜

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文測(cè)試了14種抗生素類(lèi)藥物，圖1是在傅里葉紅外光譜儀測(cè)得的樣品吸收光譜，從中可以較為清晰的觀察到各抗生素類(lèi)藥物的光譜特性。

從圖1的十四種抗生素類(lèi)藥物在1-9THz頻率范圍內(nèi)的吸收特性可以看出，其中一些藥品屬于同一類(lèi)抗生素，如青霉素類(lèi)抗生素、頭孢類(lèi)抗生素等。雖然他們的吸收譜很相似，但在其有效波段內(nèi)仍存在差別，這些特性包括特征峰的位置、特征峰的個(gè)數(shù)等等。而我們通過(guò)利用這些差異，鑒別出它們。

圖2是在太赫茲時(shí)域光譜儀測(cè)得的樣品吸收光譜，從圖2可以觀察到，抗生素類(lèi)藥物在0.5-2.5THz頻段范圍內(nèi)有更多的吸收峰。一般來(lái)說(shuō)，太赫茲時(shí)域光譜是對(duì)傅立葉紅外光譜的補(bǔ)充研究。太赫茲時(shí)域光譜的穩(wěn)定性更好，其精度更高。

4.自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

4.1 程序算法分析

本次研究運(yùn)用了Matlab軟件，通過(guò)此軟件，編寫(xiě)了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能的程序。原程序代碼見(jiàn)附錄。下面簡(jiǎn)單介紹一下程序的算法。程序主要思想是基于線性回歸的分類(lèi)器。說(shuō)到回歸，一般指的也就是線性回歸。在回歸方程里，求得特征對(duì)應(yīng)的最佳回歸系數(shù)的方法稱(chēng)為最小化誤差的平方和。誤差的簡(jiǎn)單累加將使得正差值和負(fù)差值得到相互抵消，所以我們采用平方誤差。具體分析如下：

（1）收集數(shù)據(jù)，獲得樣本在標(biāo)準(zhǔn)采樣點(diǎn)的采樣值序列。

（2）根據(jù)樣本值計(jì)算藥品的標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）樣任意樣本與每一種藥品的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行平方化誤差運(yùn)算，平方化誤差最小的藥品就是分類(lèi)器的輸出。

（4）平方化誤差的運(yùn)算：在每一個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算樣本采樣值與藥品標(biāo)準(zhǔn)值的差的平方，再將這些平方項(xiàng)累加。

4.2 程序流程

首先，根據(jù)表格文件獲得這些藥品的對(duì)應(yīng)的名稱(chēng)，將其保存在一個(gè)cell數(shù)組中，將這個(gè)數(shù)組命名為medicineName。通過(guò)xlsread()函數(shù)，可以讀取出測(cè)量結(jié)果。這里設(shè)置peakCount的值為5，表示提取出5個(gè)特征峰。接著，使用GetMaxN()函數(shù)，獲得每一種藥品的5個(gè)特征峰的峰值，并且通過(guò)一個(gè)for循環(huán)將其以“(frequencyPoint, amplitude)”的形式輸出。最后，調(diào)用Recognition()函數(shù)，為每一個(gè)測(cè)量的樣本值進(jìn)行分類(lèi)，并且將分類(lèi)結(jié)果輸出到命令行窗口。

4.3 程序運(yùn)行結(jié)果

圖3為光譜特征峰位置判斷結(jié)果圖，這里顯示出了各抗生素前5個(gè)特征峰的位置。而圖4則為系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果圖。

圖3 特征峰位置判斷結(jié)果圖

圖4 識(shí)別結(jié)果圖

5.結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)中，我們可以發(fā)現(xiàn)，抗生素的時(shí)域太赫茲光譜具有明顯的差異性。通過(guò)太赫茲光譜，可以很快找到他們的差異，這就能很好的檢測(cè)出樣品，提高辨識(shí)的可靠性，這一點(diǎn)充分證明了該技術(shù)在藥品質(zhì)量檢測(cè)與自動(dòng)識(shí)別上的優(yōu)越性。通過(guò)對(duì)程序的測(cè)試，識(shí)別系統(tǒng)可以很快確定各類(lèi)藥物太赫茲光譜中特征峰對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)的位置，能夠幫我我們更好的分析各抗生素的太赫茲光譜特性，這為以后建立抗生素藥物分子太赫茲數(shù)據(jù)庫(kù)和鑒別抗生素分子奠定了基礎(chǔ)。程序運(yùn)行良好，系統(tǒng)對(duì)于抗生素藥品類(lèi)名的識(shí)別率可達(dá)100%。

[1]For．P．1992．Advanced Dairy Chemistry ：Lactose,water,sales and vitamins．Springer U．S．

[2]Fischer B．M．,Walther M．,Uhd Jepsen P．, Far-infrared vibrational modes of DNA components studied by terahertz time-domain spectroscopy[J]． Phys． Med． Biol．, 2002,47,3807-3814．

[3]戴浩．位組胺光穩(wěn)定劑和抗生素的太赫茲光譜研究[D]．南京：南京大學(xué),2011．

[4]趙樹(shù)森．用支持向量機(jī)識(shí)別毒品和抗生素的太赫茲光譜[D]．北京：首都師范大學(xué),2009．

[5]田盛豐,黃厚寬．基于支持向量機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)習(xí)算法[J]．計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2000,37(1)：17-22．

[6]張學(xué)工．關(guān)于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論與支持向量機(jī)[J]．自動(dòng)化學(xué)報(bào),2000,26(1)：32-42．

[7]吉特,趙衛(wèi)紅,張?jiān)銎G．D-,L-和DL-青霉胺的太赫茲時(shí)域光譜[J]．物理化學(xué)學(xué)報(bào),2006,22(9)：1159-1162．

[8]陳艷紅,劉艷艷,趙國(guó)忠,王衛(wèi)寧,李福利．基于支持向量機(jī)的中藥太赫茲光譜鑒別[J]．光譜學(xué)與光譜分析,2009,29(9)：2346-2350．

[9]熊和玉,汪敬武．頭孢菌素類(lèi)抗生素分析方法研究進(jìn)展[J]．江西化工,2003(3)：16-21．

[10]齊娜,張卓勇,相玉紅．太赫茲技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測(cè)和診斷中的應(yīng)用研究[J]．光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(8)：2064-2070．

[11]徐海賢,付秀華,杜勇,劉建軍．基于太赫茲光譜技術(shù)的抗生素類(lèi)藥物檢測(cè)研究[J]．現(xiàn)科儀器,2012,12(6)：42-45．

12]曹丙花．基于太赫茲時(shí)域光譜的檢測(cè)技術(shù)研究[D]．浙江：浙江大學(xué),2009．

[13]李武．基于主成分分析和支持向量機(jī)的太赫茲光譜鑒別模型[D]．天津：南開(kāi)大學(xué),2015．

[14]馬曉菁,趙紅衛(wèi),劉桂鋒,吉特,張?jiān)銎G,代斌．多糖混合物的太赫茲時(shí)域光譜定性及定量分析研究[J]．光譜學(xué)與光譜分析,2009,29(11)：2885-2888．

[15]丁志龍．太赫茲時(shí)域光譜用于混合物定性和定量分析[D]．四川：電子科技大學(xué),2015．

江蘇省高校品牌專(zhuān)業(yè)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（TAPP,PPZY2015A033）。

王婷，三江學(xué)院本科生。

王芳，講師，現(xiàn)供職于三江學(xué)院，研究方向：無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。