CN102175636A - 一种中草药检测鉴别的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中草药检测鉴定的系统和方法，利用飞秒激光激发砷化镓辐射出的太赫兹，来研究中草药，以达到鉴别中草药的真假和品质的目的。该系统和方法中飞秒激光被分束镜分为泵浦光和探测光；被斩波器和衰减片调制后，泵浦光被聚焦透镜聚焦到砷化镓上辐射出太赫兹，辐射出的太赫兹被两个抛物面镜聚焦到所测中药样品上，带有中草药信息的太赫兹信号又被另外两个抛物面镜收集聚焦到电光晶体上；探测光通过延迟器件被一同聚焦到电光晶体上来探测带有中草药信息的太赫兹信号。通过傅里叶变换后计算得到相应的太赫兹吸收谱，然后利用支持向量机的方法能够有效、快速地鉴别和删选中草药。

Description

一种中草药检测鉴别的系统和方法

技术领域

本发明属于中草药检测鉴别技术领域，特别是涉及一种对中草药的相似、真假以及相同类别但不同品质问题的判断的检测鉴别系统和方法。

背景技术

中草药是中华民族的一大宝藏，用中草药治疗疾病是我国的传统，特别是对于一些慢性病、消耗性的疾病，具有西药不能替代的重要作用。但是中草药的种类繁多，品质参差不齐，真假不一，其疗效直接与中草药的品质和种类有密切的关系。如何准确、快捷、有效的鉴别中草药已经成为新的热点。

传统中草药的鉴定方法由最原始的基源鉴定、性状鉴定、理化鉴定，到显微鉴定、红外光谱鉴定，都有其相应的缺点。基源鉴定、性状鉴定、理化鉴定、显微鉴定只能够知道药材形貌、气味、色泽等基本的信息，而对其品质无法准确的鉴别；红外光谱鉴定虽然能够对其品质、真假进行检测，但是其属于有损鉴定技术，且鉴定过程复杂，其检测鉴定效率较低。

众所周知，中草药的成分复杂，不像西药那样成分简单。成分及其含量的略微改变，或者相同外观、形貌的改变，都能起到混淆视听的作用，这就给中草药市场的不正当的竞争提供了依据，以假乱真、以次充好的现象层出不穷。如何快速、准确、有效地去辨别中草药的真假和优劣，这将对中草药鉴别起到推进作用。

太赫兹时域光谱技术的发展为中草药的鉴定带来了新的契机。分子间的集团振动以及生物大分子的骨架振动都落在太赫兹波段，这为太赫兹技术在中草药鉴别领域的应用提供了重要的依据。而且太赫兹时域光谱技术能够较快的分析中草药的太赫兹吸收谱，能够快速准确地鉴定中草药的品种。目前利用太赫兹时域光谱技术对中草药的研究还很少，相关的研究报告也缺乏。所以太赫兹以及本系统在中草药研究的应用前景还是较为可观的。

从以上分析可知，目前中草药的鉴定正朝着快速、准确的方向前进，传统的鉴定方法正逐步失去效用，必须去研发一种新型的中草药鉴定系统，来更快速、有效、准确的鉴定中草药。

发明内容

本发明的目的是克服现有鉴定技术的有损鉴定和低效率鉴定，通过检测中药分子之间的 集体振动和生物大分子骨架振动来鉴定中草药，提供一种利用太赫兹时域波谱测量鉴定系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种中草药检测鉴别的系统，包括：

飞秒激光器，用于产生飞秒激光；

光学光路对准器件，用于将飞秒激光对准于砷化镓上辐射出太赫兹信号；将太赫兹信号对准于样品中草药上，从而使得太赫兹电磁波和中草药进行相互作用，使得透射的太赫兹电磁波带有中草药的信息；将带有中草药信息的太赫兹信号对准于碲化锌进行电光取样；将电光取样后的飞秒激光对准于光电探测器上进行探测；

光强调节器件，用于调节照射到砷化镓上以及两个光电二极管接收的飞秒激光光强；

半导体太赫兹辐射器件，用于辐射出太赫兹；

空间电磁波收集器件，用于收集空间的太赫兹电磁波信号；

超快电光取样器件，用于探测空间电磁波收集器件收集的太赫兹电磁波，记录中草药调制过的太赫兹信号，把带有中草药信息的太赫兹电磁波用飞秒激光信号取样出来；

光路延迟器件，用于增加探测飞秒脉冲光的光程，使得探测光能在时间上被延迟，以达到利用飞秒脉冲探测光取样探测持续时间相对于飞秒脉冲探测光更长的完整的带有中草药信息的太赫兹信号；

光探测器件，用于把经过电光晶体后被太赫兹电磁波调制的飞秒脉冲激光的光强信号转换为电压信号，记录其时域由于太赫兹电磁波的调制而引起的电压幅值的变化，从而得到包含中草药信息的时域太赫兹信号；

干燥器件，用于为实验中提供干燥的环境；

样品盒，用于盛放中草药粉末。

进一步地，在所述飞秒激光器与所述半导体太赫兹辐射器件的光路上，还包括一用于将脉冲激光分成泵浦光光路和探测光光路的半反半透分束镜。

进一步地，所述光学光路对准器件包括：依次位于泵浦光光路上的第一聚焦透镜、第一反射镜，探测光光路上的第二准直透镜、第二反射镜、高阻硅反射镜，第三聚焦透镜，第三反射镜，第四聚焦透镜。

进一步地，所述光强调节器件包括半波片、光斩波器、第一衰减片、偏振片、沃尔斯通棱镜、第二衰减片、第三衰减片。

进一步地，所述半导体太赫兹辐射器件为砷化镓m-i-n二极管。

进一步地，所述空间电磁波收集器件包括位于泵浦光光路上的第一抛物面镜、第二抛物面镜、第三抛物面镜、第四抛物面镜。

进一步地，所述超快电光取样器件包括电光晶体、电光晶体后的四分之一波片。

进一步地，在所述半反半透分束镜与所述电光晶体之间的探测光光路上，还包括光路延迟器件。

进一步地，所述光探测器件分别为探测O光E光的两个光电探测器以及锁相放大器。

进一步地，所述电光晶体为碲化锌或者其它II-IV族电光晶体。

进一步地，所述的干燥器件为密封盒，利用N₂气体或者干燥的空气有效地降低密封盒内的空气湿度。

进一步地，所述样品盒其材料为对太赫兹电磁波吸收极弱的聚乙烯和聚四氟乙烯材料，样品盒的结构为三明治结构，通过聚四氟乙烯垫片能够准确地控制中草药样品的厚度。

本发明还提供一种中草药检测鉴别的方法，包括以下步骤：

首先，调整好系统后，通过将泵浦光所激发的太赫兹信号入射到样品盒的中草药槽中，通过电光取样，探测到带有中草药信息的时域太赫兹信号；

其次，经过傅里叶变换，利用所得到的频域太赫兹光谱，由公式(1)计算得到各中草药的太赫兹吸收谱，

$\mathrm{\α}=-\frac{1}{d}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}}\right)---\left(1\right)$

式中d是中草药四种郁金粉末的厚度，I_sample是携带有中草药信息的太赫兹脉冲光强，I_reference是太赫兹脉冲参考光强；

最后，借助支持向量机的方法，区分出不同中草药的太赫兹吸收谱，进而区别出不同的中草药。

由于采用了本发明检测鉴定系统和方法，使得中草药的检测和鉴定过程简单、高效迅速，而且鉴定检测结果准确，对中草药没有任何损害就可以进行检测，适用于各种中草药检测和鉴定的场合。

附图说明

图1为本发明的中草药检测系统示意图；

图2为本发明的样品盒结构示意图；

图3为参考信号和中草药黄郁金、绿郁金、桂郁金、温郁金的时域太赫兹信号图；

图4为参考信号以及黄郁金、绿郁金、桂郁金、温郁金的频谱图；

图5为中草药黄郁金、绿郁金、桂郁金、温郁金的太赫兹吸收谱。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。

如图1及图2所示，一种中草药检测鉴别的系统，包括以下部分：

钛宝石飞秒激光器1，用于产生飞秒激光，在钛宝石飞秒激光器1与半导体太赫兹辐射器件(本实施例中为砷化镓m-i-n二极管8的光路上，还包括一用于将脉冲激光分成泵浦光光路和探测光光路的半反半透分束镜3；

光学光路对准器件，包括：依次位于泵浦光光路上的第一聚焦透镜61、第一反射镜71，探测光光路上的第二准直透镜62、第二反射镜72、高阻硅反射镜11，第三聚焦透镜63，第三反射镜73，第四聚焦透镜64用于将飞秒激光对准于砷化镓上辐射出太赫兹信号；将太赫兹信号对准于样品中草药上，从而使得太赫兹电磁波和中草药进行相互作用，使得透射的太赫兹电磁波带有中草药的信息；将带有中草药信息的太赫兹信号对准于碲化锌进行电光取样；将电光取样后的飞秒激光对准于光电探测器上进行探测；

光强调节器件，包括半波片2、光斩波器4、第一衰减片51、偏振片13、沃尔斯通棱镜17、第二衰减片52、第三衰减片53，用于调节照射到砷化镓上以及两个光电二极管18接收的飞秒激光光强；

半导体太赫兹辐射器件，本实施例中为砷化镓m-i-n二极管8，用于辐射出太赫兹；

空间电磁波收集器件，包括位于泵浦光光路上的第一抛物面镜91、第二抛物面镜92、第三抛物面镜93、第四抛物面镜94，用于收集空间的太赫兹电磁波信号；

超快电光取样器件，包括电光晶体14(本实施例中为碲化锌晶体，还可以是其它II-IV族电光晶体)、电光晶体14后的四分之一波片15，用于探测空间电磁波收集器件收集的太赫兹电磁波，记录中草药调制过的太赫兹信号，把带有中草药信息的太赫兹电磁波用飞秒激光信号取样出来；

光路延迟器件12，位于半反半透分束镜3与电光晶体14之间的探测光光路上，用于增加探测飞秒脉冲光的光程，使得探测光能在时间上被延迟，以达到利用飞秒脉冲探测光取样探测持续时间相对于飞秒脉冲探测光更长的完整的带有中草药信息的太赫兹信号；

光探测器件，光探测器件为两个光电探测器18、锁相放大器19，用于把经过电光晶体后 被太赫兹电磁波调制的飞秒脉冲激光的光强信号转换为电压信号，记录其时域由于太赫兹电磁波的调制而引起的电压幅值的变化，从而得到包含中草药信息的时域太赫兹信号；

干燥器件，本实施例中为密封盒16用于为实验中提供干燥的环境，利用N₂气体或者干燥的空气有效地降低密封盒内的空气湿度，湿度要求在8％左右；

样品盒，其材料为对太赫兹电磁波吸收极弱的聚乙烯和聚四氟乙烯材料，结构为三明治结构，通过聚四氟乙烯垫片能够准确地控制中草药样品的厚度，样品盒10上设有一样品槽20，用于盛放中草药粉末。

以下为对四种中草药黄郁金、绿郁金、桂郁金、温郁金进行检测和鉴定的过程：

第一步：将所述系统搭建好，打开飞秒激光器，进一步微调系统使系统工作在最佳状态；

第二步：把如图2所示的空的样品盒放在如图1中样品盒10的位置，盖好密封盒的盖子并往里面充氮气或干燥空气，让密封盒里的湿度保持在8％左右，目的是避免空气中的水蒸气对实验数据的影响；

第三步：把中草药黄郁金、绿郁金、桂郁金、温郁金的粉末冲入样品盒中，放在图1中样品盒10的位置，湿度到8％左右的时候分别测量四种郁金的时域太赫兹信号，参考信号及四种中草药郁金的时域太赫兹信号如图3所示；

第四步：将所测得的时域太赫兹信号进行傅里叶变换得到参考信号和四种中草药的频域太赫兹光谱，如图4所示；

第五步：由公式 

计算得到黄郁金、绿郁金、桂郁金、温郁金的太赫兹波段的吸收光谱，式中d是中草药四种郁金粉末的厚度，I_sample是携带有中草药样品信息的太赫兹脉冲光强，I_reference是太赫兹脉冲参考光强。如图5所示为黄郁金、绿郁金、桂郁金、温郁金的太赫兹波段的吸收光谱；

第六步：把所计算得到的各中草药郁金的太赫兹波段的吸收系数代入建立的支持向量机的模型中进行计算，得到的分类准确率为100％，能够准确的把四种不同的郁金分辩出来。

以上所述的实施步骤简单快捷，而且对于中草药是无损地进行检测和鉴别，能够有效的来鉴别中草药的真假，而且也能够用于对药品的分类，更能够对中草药的品质进行检测。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种中草药检测鉴别的系统，其特征在于包括：

飞秒激光器，用于产生飞秒激光；

光学光路对准器件，用于将飞秒激光对准于砷化镓上辐射出太赫兹信号；将太赫兹信号对准于样品中草药上，从而使得太赫兹电磁波和中草药进行相互作用，使得透射的太赫兹电磁波带有中草药的信息；将带有中草药信息的太赫兹信号对准于碲化锌进行电光取样；将电光取样后的飞秒激光对准于光电探测器上进行探测；

光强调节器件，用于调节照射到砷化镓上以及两个光电二极管接收的飞秒激光光强；

半导体太赫兹辐射器件，用于辐射出太赫兹；

空间电磁波收集器件，用于收集空间的太赫兹电磁波信号；

超快电光取样器件，用于探测空间电磁波收集器件收集的太赫兹电磁波，记录中草药调制过的太赫兹信号，把带有中草药信息的太赫兹电磁波用飞秒激光信号取样出来；

光路延迟器件，用于增加探测飞秒脉冲光的光程，使得探测光能在时间上被延迟，以达到利用飞秒脉冲探测光取样探测持续时间相对于飞秒脉冲探测光更长的完整的带有中草药信息的太赫兹信号；

光探测器件，用于把经过电光晶体后被太赫兹电磁波调制的飞秒脉冲激光的光强信号转换为电压信号，记录其时域由于太赫兹电磁波的调制而引起的电压幅值的变化，从而得到包含中草药信息的时域太赫兹信号；

干燥器件，用于为实验中提供干燥的环境；

样品盒，用于盛放中草药粉末。

2.根据权利要求1所述的中草药检测鉴别的系统，其特征在于：

在所述飞秒激光器与所述半导体太赫兹辐射器件的光路上，还包括一用于将脉冲激光分成泵浦光光路和探测光光路的半反半透分束镜。

3.根据权利要求2所述的中草药检测鉴别的系统，其特征在于：

所述光学光路对准器件包括：依次位于泵浦光光路上的第一聚焦透镜、第一反射镜，探测光光路上的第二准直透镜、第二反射镜、高阻硅反射镜，第三聚焦透镜，第三反射镜，第四聚焦透镜。

4.根据权利要求1所述中草药检测鉴别的系统，其特征在于：

所述光强调节器件包括半波片、光斩波器、第一衰减片、偏振片、沃尔斯通棱镜、第二衰减片、第三衰减片。

5.根据权利要求1所述中草药检测鉴别的系统，其特征在于：

所述半导体太赫兹辐射器件为砷化镓m-i-n二极管。

6.根据权利要求2所述中草药检测鉴别的系统，其特征在于：

所述空间电磁波收集器件包括位于泵浦光光路上的第一抛物面镜、第二抛物面镜、第三抛物面镜、第四抛物面镜。

7.根据权利要求2所述中草药检测鉴别的系统，其特征在于：

所述超快电光取样器件包括电光晶体、电光晶体后的四分之一波片。

8.根据权利要求7所述中草药检测鉴别的系统，其特征在于：

在所述半反半透分束镜与所述电光晶体之间的探测光光路上，还包括光路延迟器件。

9.根据权利要求1所述中草药检测鉴别的系统，其特征在于：

所述样品盒其材料为对太赫兹电磁波吸收极弱的聚乙烯和聚四氟乙烯材料，样品盒的结构为三明治结构，通过聚四氟乙烯垫片能够准确地控制中草药样品的厚度。

10.一种中草药检测鉴别的方法，其特征在于包括以下步骤：

首先，调整好系统后，通过将泵浦光所激发的太赫兹信号入射到样品盒的中草药槽中，通过电光取样，探测到带有中草药信息的时域太赫兹信号；

其次，经过傅里叶变换，利用所得到的频域太赫兹光谱，由公式(1)计算得到各中草药的太赫兹吸收谱，

$\mathrm{\α}=-\frac{1}{d}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}}\right)---\left(1\right)$

式中d是中草药四种郁金粉末的厚度，I_sample是携带有中草药信息的太赫兹脉冲光强，I_reference是太赫兹脉冲参考光强；

最后，借助支持向量机的方法，区分出不同中草药的太赫兹吸收谱，进而区别出不同的中草药。

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