CN115389450A - 一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法及中药检测 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法及中药检测，包括以下步骤：S1.用太赫兹时域检测仪检测样品获得太赫兹时域谱，并通过傅里叶转换输出太赫兹频域谱及相应的数据；S2.将太赫兹频域谱的连续曲线分割为连续排列的点，相邻两点的间隔相等且最小，两点间不可再分，点重新组合的图形与曲线匹配；S3.所述图形划分为多个连续的频段，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，各个频段的量子峰重新组合形成太赫兹量子指纹谱；S4.采用太赫兹量子指纹谱及相应的数据用于样品与对照品的一致性分析。通过分割、匹配、分段、合并、赋值和抹除消除了缺陷，突显了特征，使检测更加高效、准确和稳定。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹光谱检测领域，更具体地，涉及一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法及中药检测。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz，波长为3000～30μm范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，其波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱。太赫兹时域谱技术的基本原理是利用飞秒激光激发半导体表面产生太赫兹信号，发射频率范围为0.1～10THz的太赫兹波，产生与探测时间对应的太赫兹电场对样品进行扫描。然后通过收集样品透过或被反射后的太赫兹信号，分析得到连续的太赫兹光谱曲线和光学物理信息。由于大分子的振动和转动能级大多在太赫兹波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团，进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。
太赫兹时域检测仪输出的太赫兹光谱是连续曲线谱，虽然太赫兹光谱内包含着基于各个频点的各种光学物理数据，但数据量大，导致读取和运算不够直观。而且图形复杂混乱，难以进行差异性分析。导致谱曲线无法比对，而数据分析过于繁琐，各个数据点之间难以区分，严重阻碍了后续的分析。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法及中药检测，一方面解决了太赫兹频域谱峰点过多，曲线无规律，无法用于一致性分析的问题；另一方面通过将一致性检测方法用于中药检测之中，使中药在利用太赫兹时域谱及相关的数据进行一致性分析的过程中能更加清晰和直观。
本发明采取的技术方案是，一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，包括以下步骤：S1.用太赫兹时域检测仪检测样品获得太赫兹时域谱，并通过傅里叶转换输出太赫兹频域谱及相应的数据；S2.将太赫兹频域谱的连续曲线分割为连续排列的点，相邻两点的间隔相等且最小，两点间不可再分，点重新组合的图形与曲线匹配；S3.所述图形划分为多个连续的频段，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，各个频段的量子峰重新组合形成太赫兹量子指纹谱；S4.采用太赫兹量子指纹谱及相应的数据用于样品与对照品的一致性分析。
太赫兹时域检测仪，即TDS，通过透射或反射被检测样品后，获得样品的太赫兹时域谱。太赫兹时域谱通过傅里叶转换成频域信号，形成太赫兹频域谱。太赫兹频域谱又名太赫兹吸收系数谱。太赫兹吸收系数谱中的曲线由于其本身的波形紊乱，没有办法突显样品的特征，而且数据量大，难以分析，阻碍了样品后续分析所需的图像特征匹配和数据差异性分析。
通过将太赫兹频域曲线分割，以横坐标频域上的频点为依据，将太赫兹频域曲线分割为连续排序的点，点与点之间的距离相等，且点与点之间无法再被分割，分割的点的数量受设备的采集精度和频域可拆分的最小记录点限制。分割后，连续排序的点取代了原有曲线，形成以点组成的图形。而每个点由于拥有自己的坐标，所以能单独提取自身对应的特征。当所述图形上的点相连，所形成的点线图无限接近与原有曲线。而图形几乎具有了太赫兹频域曲线的全部特征。将所述图形按一定的频段进行划分，划分后将频段范围内的点进行特征合并，峰点赋值和抹除简化等步骤，将每一个频段内的点的整体信息转换为量子峰，从而将太赫兹频域谱转化为太赫兹量子指纹谱。通过太赫兹量子指纹谱能提取精简后的相应的数据，实现了太赫兹频域谱和相应的数据的整体优化，消除了太赫兹频域谱峰点过多、曲线密集、不直观等缺陷。一方面使曲线的特征更加直观，另一方面也使得数据更精简，特征更明显能方便应用在样品与对照品的一致性分析之中。
本技术方案是，每个频段具有数量相同的点，每个点只属于一个频段；每个频段的间隔相等，频段中的点从左往右按顺序排列且点对应的频率从小到大。所述曲线对应多个从左往右按顺序排列的点，每个点具有一个对应的太赫兹响应值；每个频段内点的数量一致。太赫兹频域谱被分割为连续排列的多个点。样品经过频率为0.1～10.0THz的太赫兹波探测后，每一个可识别的位于横坐标上的频率均对应一个点，该点同时获得到一个纵坐标对应的太赫兹响应值。由于太赫兹波探测的频率范围广，所以所形成的点很多，而且呈密集分布，这是引起太赫兹频域谱波形紊乱和相应的数据复杂的主要原因。受限于太赫兹时域检测仪的采集量，太赫兹频域谱中的点始终为有限点。
为了解决太赫兹频域谱的曲线峰值混乱，波形紊乱的问题，通过整合和提取频段内的点，从而实现点数量的缩减，消除点和数据过多的干扰。将频段内的曲线整合和提取实质是对频段内的点进行整合和提取，所述频段实质限制的是点的数量。
本技术方案中，所述步骤S3中，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，具体包括以下步骤：S311.以频段内从左往右的第一个点的太赫兹响应值为量子峰的峰高；S312.以频段内点的数量与峰高的乘积为量子峰的峰面积；S313.以频段内点的数量除以固定常数得出量子峰的半峰宽。
通过S311至S313的步骤进行峰高、峰面积和半峰宽信息提取的方式更适合频段数量多，而且频段内点少的频段划分状态。又或者是针对曲线的局部频段进行进一步精细化的划分和对比的应用。本提取方式强调的是频段内起始点的纵向特征对整个频段的影响，当间距越小，形成的方波就越接近太赫兹频域谱。
本技术方案是，通过S311至S313的步骤进行峰高、峰面积和半峰宽信息提取的方式，所述量子峰的波形为类矩形，类矩形对应纵轴的最大值为量子峰的峰高，类矩形在横轴上的距离为量子峰的半峰宽；形成以方波为表现的太赫兹量子指纹谱。相比太赫兹频域谱，以连续方波显示的太赫兹量子指纹谱视觉上更加清晰，每个频段内的曲线特征明显。
本技术方案是，步骤S3中，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，具体包括以下步骤：S321.以频段内排列最后的点的太赫兹响应值为量子峰的峰高；S322.以频段内所有点的太赫兹响应值之和为量子峰的峰面积；S323.以频段内点的数量除以固定常数得出量子峰的半峰宽。
通过S321至S323的步骤进行峰高、峰面积和半峰宽信息提取，这种提取方式强调的是频段内末尾点的纵向特征对整个频段的影响。同时将其余的各个点以峰面积的形式整体体现结合。无论是间距大还是间距小，形成的色谱峰都能将峰高、峰面积和半峰宽这些整合提取后的参数一一体现，形成太赫兹量子指纹谱，并有效提升了这种方式的通用性和推广性，容易与现有中药指纹谱技术结合，使本技术在现有检测领域中具有更多的共同性。
本技术方案是，步骤S3中，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，具体包括以下步骤：S331.以频段内点中最大的太赫兹响应值为量子峰的峰高；S332.以频段内所有点的太赫兹响应值之和为量子峰的峰面积；S333.以频段内点的数量除以固定常数得出量子峰的半峰宽。
通过S331至S333的步骤进行峰高、峰面积和半峰宽信息提取，这种提取方式强调的是频段中最突出的响应点，同样也是将其余的各个点以结合的形式反映峰面积。这种方式适应与各种不同的间距，所形成的色谱峰同样能将峰高、峰面积和半峰宽这些整合提取后的参数全部体现。
本技术方案是，通过S321至S323的步骤进行峰高、峰面积和半峰宽信息提取的方式或通过S331至S333的步骤进行峰高、峰面积和半峰宽信息提取的方式，所述量子峰显示为色谱峰，频段内的所述图形转变为峰高、峰面积和半峰宽相同的色谱峰，所述图形转变为以色谱流出曲线表现的太赫兹量子指纹谱。
将频段内的紊乱曲线转换为色谱峰是有选择地突出了每一个频段的特征，并且将特征以外的信息通过色谱峰的其他形状体现，这样一方面保留了核心的特征，另一方面消除了干扰，使得曲线更加直观，更方便比对，使后续一致性分析更清晰可靠。
本技术方案是，所述频段的数量在100个以内。频段的数量越多，与原曲线越相似，需要突出表达特征就会越多，使得对比的难度和复杂性难度增大；频段数量越少，特征越突出，但所忽略的特征也会增多，在精细对比时忽略重要信息的几率会增大，为了保持准确度和有效性，同时消除点过多的问题，频段的数量应在100个以内。
作为优选，频段应该在50至100个之间。
本技术方案是，所述固定常数为点总数量的0.9-0.11倍。
作为优选，所述固定常数为200，当固定常数为200时，图形的显示效果突出，即突出了峰高的特征，也不失峰面积的对比。
本技术方案是，一种中药检测方法，包括以下步骤：S41.将待测中药和对比中药分别制成样品和对照品；S42.使用太赫兹时域检测仪检测样品和对照品，获得样品和对照品的太赫兹时域谱；S43.采用权利要求1-9任一项所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，分别获取样品和对照品的太赫兹量子指纹谱及相应的数据；S44.通过所述相应的数据中各个频段的量子峰的峰高、峰面积和半峰宽信息，并计算获取样品和对照品的定性相似度、定量相似度以及差异系数，从而进行整体一致性分析；通过太赫兹量子指纹谱的比对获取样品和对照品的主要差异频段，通过样品和对照品的所述相应的数据中主要差异频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息的比对，进行局部一致性分析，将整体一致性分析和局部一致性分析结合形成中药检测的一致性评价。
中药成分组成复杂，由许多化合物组成，属于复杂性科学体系，药性是其整体化学成分的协同综合作用结果。通过太赫兹时域谱分析仪对中药进行整体测定，在原理上符合中药的***性和整体性原则，但中药经太赫兹时域谱分析仪获得的太赫兹频域谱同样存在点多且不能直观读取的问题，结合所述一致性检测方法，能使获取的曲线的特征更加清晰，并能将精简优化后的数据纳入中药的检测和比对分析中，从而使中药检测更加高效、准确和稳定。并方便后续一致性评价的实施。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过将太赫兹频域曲线分割和以点匹配，提取太赫兹频域曲线的核心特征；进而通过分段截取、范围合并、峰点赋值和抹除简化等步骤，将太赫兹频域谱转化为太赫兹量子指纹谱。实现了太赫兹频域谱的精简和优化，消除了太赫兹频域谱峰点过多、曲线密集、不便于直观等缺陷。使曲线的特征更加清晰，并能将精简优化后的数据纳入中药的检测和比对分析中，从而使中药检测更加高效、准确和稳定。
附图说明
图1为本发明实施例1中样品的太赫兹时域谱。
图2为本发明实施例1中对照品的太赫兹时域谱。
图3为本发明实施例1中样品和对照品的太赫兹时域谱叠加对比图。
图4为本发明实施例1中样品的太赫兹频域谱。
图5为本发明实施例1中对照品的太赫兹频域谱。
图6为本发明实施例1中样品和对照品的太赫兹频域谱叠加对比图。
图7为本发明实施例1中样品的太赫兹量子指纹谱。
图8为本发明实施例1中对照品的太赫兹量子指纹谱。
图9为本发明实施例1中样品和对照品的太赫兹量子指纹谱叠加对比图。
图10为本发明中图7的局部放大示图。
图11为本发明实施例2中藿香的太赫兹时域谱。
图12为本发明实施例2中橘红的太赫兹时域谱。
图13为本发明实施例2中藿香的太赫兹频域谱。
图14为本发明实施例2中橘红的太赫兹频域谱。
图15为本发明实施例2中藿香的太赫兹量子指纹谱。
图16为本发明实施例2中橘红的太赫兹量子指纹谱。
图17为本发明实施例2中藿香和橘红的太赫兹量子指纹谱叠加对比图。
图18为本发明实施例2中图15的局部放大示图。
图19为本发明一致性检测方法的流程图。
图20为本发明实施例1中将样品的太赫兹频域谱曲线分割后形成由点组成的图形。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
本实施例是一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，采用太赫兹时域检测仪，即TDS通过透射或反射的方式分别检测样品和对照品，获得样品的太赫兹时域谱如图1所示，以及对照品的太赫兹时域谱如图2所示。通过图形叠加对比的方式，如图3所示，太赫兹时域谱下两者的区别特征不明显，两条曲线视觉上重合，无法区分差异性。
进一步经过傅里叶转换，获得样品的太赫兹频域谱如图4所示，以及对照品的太赫兹频域谱如图5所示，从图4和图5可以看出，两者曲线的峰值紊乱，呈现无规律的乱波状，而且曲线变化大，特征混乱。通过图形叠加对比的方式，如图6所示可以看到，虽然能看到叠加后出现了差异的变化，但太赫兹频域谱根本无法通过肉眼分辨两者的区别。
如图20所示，以样品的太赫兹频域谱为例，对太赫兹频域谱曲线进行分割，分割为2000个对应频率不同的点，然后提取各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息，对照品进行同样的操作。然后进一步划分为连续的间隔相同的频段，每个间距内具有15个点，以每个频段内从左往右的第一个点的太赫兹响应值为峰高；如图10所示，以频段内点的数量与峰高的乘积为峰面积；固定常数取200，半峰宽为15/200。将频段内的曲线形状转换为类矩形，类矩形对应纵轴的最大值为峰高，即矩形平行于纵坐标的长为峰高，类矩形在横轴上的距离为半峰宽，即矩形平行于横坐标的宽为半峰宽；分别形成样品和对照品的太赫兹量子指纹谱，图4对应图7，图5对应图8。然后提取图7和图8对应的数据，即各个频段的量子峰的峰高、峰面积和半峰宽信息，并计算获取样品和对照品的定性相似度、定量相似度以及差异系数，从而进行整体一致性分析。
通过图形叠加对比，如图9所述，图上的数字对应每个频段的编号，在图形叠加后，根据每个频段内两个峰点之间的距离后可以明显看出，部分频段都存在明显差异，例如编号为17的频段。然后整理出样品和对照品的所有的主要差异频段，通过样品和对照品的所述相应的数据中主要差异频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息的比对，进行局部一致性分析，将整体一致性分析和局部一致性分析结合形成中药检测的一致性评价。
实施例2
将两种待测中药，藿香和橘红分别研磨成粉末，研磨后的粉末的粒径不超过100μm，各称取200-400mg样品，加入聚乙烯或PTFE制成待测中药质量百分比为5％至30％的混合粉末，通过1-10t的压力制成检测薄片。采用太赫兹时域检测仪，通过透射的方式分别检测两种薄片，获得藿香和橘红的太赫兹时域谱分别为图11和图12，然后通过傅里叶转换，获得对应的太赫兹频域谱分别为图13和图14。然后将图13和图14进行分割，以点组成的所述图形分别替代图13和图14。
接着将两个由点组成的所述图形分割为68个频段，每个间距内具有30个点，以频段内点中数值最大的太赫兹响应值为峰高；以频段内所有点的太赫兹响应值之和为峰面积。固定常数取200，半峰宽为30/200。如图18所示，将频段内对应的点转变为峰高、峰面积和半峰宽相同的色谱峰，实现将所述图13和图14的曲线转变为以色谱曲线表现的太赫兹量子指纹谱图15和图16。然后提取图15和图16对应的数据，即各个频段的量子峰的峰高、峰面积和半峰宽信息，并计算获取样品和对照品的定性相似度、定量相似度以及差异系数，从而进行整体一致性分析。
接着，通过图形叠加对比，如图17所示，图上的数字对应每个频段的编号，在图形叠加后可以明显通过两个峰点之间的间隔看出图15和图16之间存在的差异性，如编号为26的频段中，两峰点之间存在明显间隔。然后整理出橘红和藿香的所有的主要差异频段，通过样品和对照品的所述相应的数据中主要差异频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息的比对，进行局部一致性分析，将整体一致性分析和局部一致性分析结合形成中药检测的一致性评价。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.用太赫兹时域检测仪检测样品获得太赫兹时域谱，并通过傅里叶转换输出太赫兹频域谱及相应的数据；
S2.将太赫兹频域谱的连续曲线分割为连续排列的点，相邻两点的间隔相等且最小，两点间不可再分割，点重新组合的图形与曲线匹配；
S3.所述图形划分为多个连续的频段，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，各个频段的量子峰重新组合形成太赫兹量子指纹谱；
S4.采用太赫兹量子指纹谱及相应的数据用于样品与对照品的一致性分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，每个频段具有数量相同的点，每个点只属于一个频段；每个频段的间隔相等，频段中的点从左往右按顺序排列且点对应的频率从小到大。
3.根据权利要求2所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，具体包括以下步骤：
S311.以频段内从左往右的第一个点的太赫兹响应值为量子峰的峰高；
S312.以频段内点的数量与峰高的乘积为量子峰的峰面积；
S313.以频段内点的数量除以固定常数得出量子峰的半峰宽。
4.根据权利要求3所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，所述量子峰的波形为类矩形，类矩形对应纵轴的最大值为量子峰的峰高，类矩形在横轴上的距离为量子峰的半峰宽；形成为以方波表现的太赫兹量子指纹谱。
5.根据权利要求2所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，步骤S3中，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，具体包括以下步骤：
S321.以频段内排列最后的点的太赫兹响应值为量子峰的峰高；
S322.以频段内所有点的太赫兹响应值之和为量子峰的峰面积；
S323.以频段内点的数量除以固定常数得出量子峰的半峰宽。
6.根据权利要求2所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，步骤S3中，将频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息合并和赋值，形成对应的量子峰，具体包括以下步骤：
S331.以频段内点中最大的太赫兹响应值为量子峰的峰高；
S332.以频段内所有点的太赫兹响应值之和为量子峰的峰面积；
S333.以频段内点的数量除以固定常数得出量子峰的半峰宽。
7.根据权利要求5或6任一项所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，所述量子峰显示为色谱峰，频段内的所述图形转变为峰高、峰面积和半峰宽相同的色谱峰，所述图形转变为以色谱流出曲线表现的太赫兹量子指纹谱。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，所述频段的数量在100个以内。
9.根据权利要求3、5、6任一项所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，其特征在于，所述固定常数为所述图形中点的总数量的0.9-0.11倍。
10.一种中药检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S41.将待测中药和对比中药分别制成样品和对照品；
S42.使用太赫兹时域检测仪检测样品和对照品，获得样品和对照品的太赫兹时域谱；
S43.采用权利要求1-9任一项所述的一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法，分别获取样品和对照品的太赫兹量子指纹谱及相应的数据；
S44.通过所述相应的数据中各个频段的量子峰的峰高、峰面积和半峰宽信息，并计算获取样品和对照品的定性相似度、定量相似度以及差异系数，从而进行整体一致性分析；通过太赫兹量子指纹谱的比对获取样品和对照品的主要差异频段，通过样品和对照品的所述相应的数据中主要差异频段内各个点的峰位、峰高、峰面积和半峰宽信息的比对，进行局部一致性分析，将整体一致性分析和局部一致性分析结合形成中药检测的一致性评价。
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| CN202110567392.XA CN115389450A (zh) | 2021-05-24 | 2021-05-24 | 一种基于太赫兹量子指纹谱的一致性检测方法及中药检测 |
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