CN107192687A - 一种基于太赫兹光的诺氟沙星含量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于太赫兹光的诺氟沙星含量测量装置及方法，所述装置包括太赫兹仪、太赫兹光谱发射端、太赫兹光谱接收端和处理端；所述太赫兹光谱发射端用于将所述太赫兹仪产生的太赫兹光谱作用到样品上；所述太赫兹光谱接收端用于接收样品的太赫兹透射波信息；所述处理端用于根据所获取的太赫兹透射波信息中的太赫兹波段的诺氟沙星吸收特征频率特征，计算所述样品中诺氟沙星的含量。通过采集样品的太赫兹光谱，获取含诺氟沙星样品的光谱特征曲线，根据特征曲线，提取太赫兹波段的诺氟沙星吸收特征频率特征，并将这些特性组合，进行定量的分析建模，从而得出样品内诺氟沙星含量，测量准确，样品取量小，检测速度快，降低了经济损失。

Description

一种基于太赫兹光的诺氟沙星含量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，更具体地，涉及一种基于太赫兹光的诺氟沙星含量测量装置及方法。

背景技术

诺氟沙星属于第三代氟喹诺酮类抗生素，具有抗菌谱广，抗菌作用强，副作用小，组织分布较好等药动学特点。养殖户为了防止禽畜生病传染，往往会喂养大剂量的抗生素，而这些抗生素大部分都没有被吸收，大约有60％～90％以原药和代谢产物的形式随着禽畜粪便排出。而这些粪便往往会直接施用在田里或者以其他形式做成有机肥施用到田里，这种抗生素一部分很可能被植物吸收，最终又被人体吸收，而另外一部分在富集在土壤中，给地下水等造成威胁。据调查，现有市场上的禽肉类37％诺氟沙星含量超标。如果人类长期低量摄入含有喹诺酮类的水、肉食，其直接的结果就是产生耐药。耐药基因可通过环境、食用上述动物的肉制品等方式传播至人体，有的形成“超级细菌”，导致人们难以甚至不可能通过常规抗生素来治疗感染，而新药的研发根本来不及跟上。

为保障动物产品质量安全，维护公共卫生安全，我国农业部已经在2015年的《农业部关于决定禁止在食品动物中使用洛美沙星等4种原料药的各种盐、脂及其各种制剂的公告》中提出禁止在动物食品中使用洛美沙星、培氟沙星、氧氟沙星、诺氟沙星等4种原料药的各种盐、脂及其各种制剂。

国标(GB/T 23412-2009)中规定了蜂蜜中19种喹诺酮(含诺氟沙星)残留量的液相色谱-质谱/质谱的测定方法，农业部783号公告-2-2006水产品中诺氟沙星等残留量的液相色谱法测定，诺氟沙星的精确测定依靠传统的化学仪器分析方法，但仪器昂贵、前处理和测定时间较长，需要在实验室条件下进行，限制了其推广应用。目前市场上比较流行的基于酶联免疫ELISA检测试剂盒可用于快速筛查，但其检测精度呈现不足，有关其他新型检测手段仍停留在实验阶段。目前市场上尚缺乏各种禽肉类以及其饲料中诺氟沙星抗生素定量的快速、精准检测手段。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于太赫兹光的诺氟沙星含量测量装置及方法，解决了现有的诺氟沙星含量测量条件复杂、测量速度慢、精度不准确的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种诺氟沙星含量测量装置，包括太赫兹仪、太赫兹光谱发射端、太赫兹光谱接收端和处理端；

所述太赫兹光谱发射端用于将所述太赫兹仪产生的太赫兹光谱作用到样品上；

所述太赫兹光谱接收端用于接收样品的太赫兹透射波信息；

所述处理端用于根据所获取的太赫兹透射波信息中的太赫兹波段的诺氟沙星吸收特征频率特征，计算所述样品中诺氟沙星的含量。

作为优选的，还包括玻璃罩和样品固定架，所述样品固定架用于固定样品；所述太赫兹光谱发射端、太赫兹光谱接收端、样品固定架设于所述玻璃罩内。

作为优选的，还包括液氮罐，所述液氮罐通过一氮气软管连接所述玻璃罩，用于向玻璃罩内注入氮气，排出玻璃罩内水蒸气。

作为优选的，所述太赫兹仪连接所述太赫兹光谱发射端，所述太赫兹光谱接收端连接所述处理端和所述太赫兹仪；所述样品固定架和所述太赫兹光谱接收端依次设于所述太赫兹光谱发射端的发射光路上；所述样品固定架用于将样品固定于太赫兹光谱发射端的发射光路上，使太赫兹光谱完整垂直作用到所述样品上。

作为优选的，所述处理端用于根据接收到的太赫兹透射波信息，获取样品的光谱特征曲线，并提取太赫兹波段的诺氟沙星的多组吸收系数，将多组吸收系数线性组合，得出诺氟沙星指数，以获取样品内诺氟沙星含量。

作为优选的，所述太赫兹波段的诺氟沙星的多组吸收系数特征值包括太赫兹波段的任意两个吸收峰上的吸收系数特征值M₁、M₂以及折射系数突变处特征值M₃；诺氟沙星指数NFHL为：

NFHL＝(M₂-M₃)/[(M₁-M₃)(M₁-M₂)]。

一种根据上述装置进行诺氟沙星含量测量方法，包括：

S1、固定样品，向玻璃罩中充入氮气，排出空气；

S2、启动太赫兹光谱仪，太赫兹光谱透过样品，太赫兹光谱接收端接收太赫兹透射波信息并发送至处理端；

S3、根据太赫兹波段的诺氟沙星的多组吸收系数，将多组吸收系数线性组合，得出诺氟沙星指数，以获取样品内诺氟沙星含量。

作为优选的，所述步骤S1中，若玻璃罩内湿度低于4％，则启动太赫兹仪，若玻璃罩内适度高于4％，则继续充入氮气。

作为优选的，所述步骤S1中，对样品进行充分研磨，将粉末状样品进行压片处理制成标准样品压片，并将样品压片放入固定架。

作为优选的，所述步骤S3具体包括：

根据接收到的太赫兹透射波信息，获取样品的光谱特征曲线，并提取太赫兹波段的任意两个吸收峰上的吸收系数特征值M₁、M₂以及折射系数突变处特征值M₃；将这些特征线性性组合，进行定量的分析建模，得到诺氟沙星指数NFHL，计算公式为：

NFHL＝(M₂-M₃)/[(M₁-M₃)(M₁-M₂)]。

本发明提出一种基于太赫兹光的诺氟沙星含量测量装置及方法，通过诺氟沙星在太赫兹光谱范围内的特殊吸收性来测诺氟沙星浓度，通过采集样品的太赫兹光谱，获取含诺氟沙星样品的光谱特征曲线，根据特征曲线，提取太赫兹波段的诺氟沙星吸收特征频率特征，并将这些特性组合，进行定量的分析建模，从而得出样品内诺氟沙星含量，测量准确，样品取量小，检测速度快，降低了经济损失，太赫兹光谱比起紫外线、X光等光谱而言，携带能量小，对人体无辐射，可以放心安全使用；本发明的方案能实现全程半自动化作业，无需专业人员去辅助，傻瓜式操作，方便快速自检，降低运维成本，利于市场推广。

附图说明

图1为根据本发明实施例1的诺氟沙星含量测量装置结构框图；

图2为根据本发明实施例1的玻璃罩内部结构框图；

图3为根据本发明实施例2的诺氟沙星含量测量方法示意图；

图4为根据本发明实施例2的含诺氟沙星样品的太赫兹吸收系数谱图；

图5为根据本发明实施例2的含诺氟沙星样品的太赫兹折射系数频谱图；

图6为根据本发明实施例2的样品中诺氟沙星真实值和指数公式计算值拟合图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

太赫兹光谱是指频率介于0.1THz-10THz(1THz＝10¹²Hz)之间的电磁辐射，它的波长为30nm-3mm，属于远红外与微波波段之间，生物大分子的旋转和振动特性正好处于该波段。

诺氟沙星(Norfloxacin，又名Noroxin、Fulgram)，别名：力醇罗、氟哌酸、淋克星。其化学名为1-乙基-6-氟-1,4-二氢-4-氧代-7-(1-哌嗪基)-3-喹啉羧酸。本品为第三代喹诺酮类抗菌药，会阻碍消化道内致病细菌的DNA旋转酶(DNA Gyrase)的作用，阻碍细菌DNA复制，对细菌有抑制作用。是治疗肠炎痢疾的常用药。但此药对未成年人骨骼形成有延缓作用，会影响到发育。故禁止未成年人服用。诺氟沙星作为一种非离子可溶性的有机物分子，相关研究的表明，其分子键类振动和旋转正好处于太赫兹辐射范围，提取太赫兹波段的诺氟沙星吸收特征频率特征，并将这些特性组合，然后进行定量的分析建模，从而得出样品内诺氟沙星含量。

实施例1

如图1所示，图中示出了一种基于太赫兹光的诺氟沙星含量测量装置，包括光学检测台2，所述光学检测台上设有太赫兹仪1、太赫兹光谱发射端7、样品固定架8、太赫兹光谱接收端9和PC机5，在本实施例中所述太赫兹光谱发射端7、样品固定架8、太赫兹光谱接收端9依次设置，所述样品固定架8设于太赫兹光谱发射端7的发射光路上，所述太赫兹光谱发射端7、样品固定架8、太赫兹光谱接收端9通过一玻璃罩3密封，所述玻璃罩3上设有进气口和出气口。

所述太赫兹光谱发射端7、太赫兹光谱接收端9通过光纤连接所述太赫兹仪1，所述太赫兹仪1连接所述PC机5；

所述太赫兹仪1用于产生太赫兹光谱；

所述太赫兹光谱发射端7用于将太赫兹光谱作用到样品上；可通过光电导天线、光整流方法获得太赫兹光。光电导方法就是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐射太赫兹；光整流方法则是通过入射超短激光脉冲通过非线性极化耦合，从光频耦合到太赫兹频段，从而产生太赫兹光谱。

在本实施例中才用光整流方法获取太赫兹光谱，而常用的光电导材料有：高电阻率的砷化镓(GaAs)，磷化铟(InP)，以及用放射法制作的有缺陷的硅(Si)晶片。光电导天线的基本原理是：在这些光电导半导体材料表面淀积上金属电极制成偶极天线结构金属电极在这里的作用是对这些光电导半导体施加偏压。当超快激光(光子的能量要大于或等于该种材料的能隙，即)打在两电极之间的光电导材料上时，会在其表面瞬间(10-14s量级)产生大量的电子－空穴对。这些光生自由载流子会在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。

所述太赫兹光谱接收端9用于样品的太赫兹透射波信息；太赫兹的采集包括光电导采样和电光采样；在本实施例中才用光电导采样基于光电导发射机里的逆过程，激光采样脉冲激发光电导戒指中产生自由载流子，太赫兹电场作为偏转电场，促使载流子运动产生电流，对该电流可进行测量，利用太赫兹脉冲与采样脉冲之间的不同时间延迟就能确定整个太赫兹电场。

所述样品固定架8用于固定样品，使用压片机对粉末状样品进行压片处理，在压片前对样品进行充分研磨，将研磨好的粉末放入直径为压片磨具中，并进行压片固定于样品固定架中。在本实施例中，所述样品通过压片机对粉末状样品进行压片处理，在压片前对样品进行充分研磨，将研磨好的样品放入压片磨具中进行压片制得样品压片，使样品均匀分布在压片内，将样品压片安装于固定孔中，使使太赫兹光谱的光路正对样品压片的中心。

所述太赫兹仪连接所述太赫兹光谱发射端，所述太赫兹光谱接收端连接所述处理端和所述太赫兹仪；所述样品固定架和所述太赫兹光谱接收端依次设于所述太赫兹光谱发射端的发射光路上；所述样品固定架用于将样品固定于太赫兹光谱发射端的发射光路上，使太赫兹光谱完整垂直作用到所述样品上。

在本实施例中，通过将样品进行压片处理制得样品压片，使得待检测样品均匀分布于样品压片中，再将太赫兹光谱完整作用到样品压片上，使得太赫兹光谱在透射样品时能够携带样品的信息，且不造成其他损耗。

所述PC机5用于根据太赫兹光谱接收端9采集的太赫兹透射波信息，根据诺氟沙星大分子对太赫兹光谱的吸收特征，并计算样品诺氟沙星的含量。

在本实施例中，所述光学检测台2一侧还设有液氮罐4，所述液氮罐4通过一氮气软管6连接所述玻璃罩3的进气口，用于向玻璃罩3内输入氮气，进而排出玻璃罩3内原有的空气，降低玻璃罩3内湿度，达到降低玻璃罩3内水蒸气干扰的目的。

在本实施例中，所述玻璃罩3、样品固定架8、太赫兹光谱发射端7和太赫兹光谱接收端9组成的检测室着连接着一个检测室；如图2所示，检测室的内部的太赫兹光谱发射端7和太赫兹光谱接收端9通过光纤与太赫兹仪1连接；液氮罐4通过一氮气软管6连接着检测室。

所述样品固定架8中部设有一固定孔，用于在样品制成标准样品压片后，将样品压片固定。

在本实施例中，所述PC机通过获取太赫兹透射波信息，得到产生的太赫兹电场强度随时间的变化，通过傅里叶变换获得频域上幅度和相位的变化量，进而得到样品的信息。

当太赫兹波通过样品时便会携带样品的信息，扫描出的时域信号作为样品信号。数据处理采用Dorney和Duvillaret等提出的太赫兹时域光谱技术提取样品光谱信息的模型。将时域参考信号和时域样品信号经过快速傅里叶变换，得到频域信息，即获取含诺氟沙星样品的光谱特征曲线。

具体的包括，当太赫兹光谱信号(时域参考信号R(t))通过样品时得到的时域信号作为时域样品信号S(t)，将时域参考信号R(t)和时域样品信号S(t)经过快速傅里叶变换，得到频域信息，并根据频域信息计算吸收系数和折射率。将时域参考信号和时域样品信号相除可以得到传递函数：H(ω)＝S(t)/R(t)；

光学参数折射率和吸收系数可以表示为：

式中，d为样品厚度，ρ(ω)为振幅，为相位。

折射率是识别物质的重要参数，当某种物质的吸收曲线中没有特征吸收峰时，可以将特征吸收光谱和折射率曲线综合在一起来识别目标成分。这样做会使得识别结果更准确。

在本实施例中，研究中所有样品数据都进行了两次以上的重复探测，多次探测得到的吸收曲线和折射率曲线都能很好的吻合，证明了实验数据的可靠性和样品太赫兹光谱的唯一性。

由于诺氟沙星抗生素属于生物大分子物质，对太赫兹光谱的吸收很强，所以在本实施例中，通过光整流方法得到太赫兹信号，实验系统获得的太赫兹信号频谱范围在0.2-2.6THz。如图4所示，所述PC机通过采集样品的太赫兹光谱，获取含诺氟沙星样品的光谱特征曲线，根据特征曲线，在太赫兹波段中诺氟沙星呈现两个特征吸收峰设为f₁,f₂，对应的吸收特性值分别设为M₁、M₂，在折射系数谱下，在频率f₃呈现一次特征突变，特征值设为M₃，提出诺氟沙星指数(NFHL)，其数学公式：

NFHL＝(M₂-M₃)/[(M₁-M₃)(M₁-M₂)]。

该诺氟沙星指数直接就反应了样品中诺氟沙星含量；

实施例2

本实施例中提供了一种诺氟沙星含量检测方法，才有如实施例1中所述的装置，具体包括：

S1、固定样品，向玻璃罩中充入氮气，排出空气；

S2、启动太赫兹光谱仪，太赫兹波透过样品，太赫兹光谱接收端接收太赫兹透射波信息并发送至处理端；

S3、根据太赫兹波段的诺氟沙星的多组吸收系数，将多组吸收系数线性组合，得出诺氟沙星指数，以获取样品内诺氟沙星含量，具体可提取太赫兹波段的两个吸收峰上的吸收系数特征值M₁、M₂以及折射系数突变处特征值M₃，并计算得出诺氟沙星指数值。

在本实施例所述步骤S1中，将样品制成标准样品压片，并将样品压片放入固定架固定后，启动系统，初始化，并向玻璃罩3内注入氮气，检测玻璃罩3内的湿度，当湿度低于4％时，启动太赫兹仪1，太赫兹波透过样品压片，太赫兹光谱接收端9接收太赫兹透射波信息并返回PC机5。

在本实施例步骤S3中，通过获取太赫兹透射波信息，得到产生的太赫兹电场强度随时间的变化，通过傅里叶变换获得频域上幅度和相位的变化量，进而得到样品的信息，当太赫兹光谱信号(时域参考信号R(t))通过样品时得到的时域信号作为时域样品信号S(t)，将时域参考信号R(t)和时域样品信号S(t)经过快速傅里叶变换，得到频域信息，并根据频域信息计算吸收系数和折射率。将时域参考信号和时域样品信号相除可以得到传递函数：H(ω)＝S(t)/R(t)；

光学参数折射率和吸收系数可以表示为：

式中，d为样品厚度，ρ(ω)为振幅，为相位。

折射率是识别物质的重要参数，当某种物质的吸收曲线中没有特征吸收峰时，可以将特征吸收光谱和折射率曲线综合在一起来识别目标成分。这样做会使得识别结果更准确。

在本实施例中，研究中所有样品数据都进行了两次以上的重复探测，多次探测得到的吸收曲线和折射率曲线都能很好的吻合，证明了实验数据的可靠性和样品太赫兹光谱的唯一性。

由于诺氟沙星抗生素属于生物大分子物质，对太赫兹光谱的吸收很强，所以在本实施例中，通过光整流方法得到太赫兹信号，实验系统获得的太赫兹信号频谱范围在0.2-2.6THz。

如图4所示，样品在0.5-1.5THz之间存在两个明显的吸收峰，在1.5-2THz之间存在多个吸收峰，其中两个吸收峰强度较强；因此，提取太赫兹波段0.5-1.5THz之间的两个吸收峰上的吸收系数特征值M₁、M₂以及折射系数突变处特征值M₃，如图4中所示，为太赫兹波段的诺氟沙星的太赫兹吸收系数示意图，在本实施例中，采用两个特征吸收峰0.994THz和1.206THz处对应的吸收特性值，图5为含诺氟沙星样品的太赫兹折射系数频谱图，提取及折射系数突变处特征值M₃，结合折射率系数和吸收系数，将上述系数带入NFHL＝(M₂-M₃)/[(M₁-M₃)*(M₁-M₂)]中，得出诺氟沙星指数值。折射率是识别物质的重要参数，当某种物质的吸收曲线中没有特征吸收峰时，可以将特征吸收光谱和折射率曲线综合在一起来识别目标成分。这样做会使得识别结果更准确。

如图6所示，为样品中诺氟沙星真实值和本发明指数公式计算值拟合图，本发明实施例的测量值与真实值拟合程度高于98％。

需要说明的是，在本实施例中函数关系NFHL＝(M₂-M₃)/[(M₁-M₃)*(M₁-M₂)]仅代表诺氟沙星在太赫兹波段的2个吸收峰的吸收系数特征值及折射系数突变处特征值与诺氟沙星含量的其中一种对应函数关系，其他对应关系NFHL＝f(M₁，M₂，M₃)亦为本发明的保护项。

综上所述，本发明提出一种基于太赫兹光的诺氟沙星含量测量装置及方法，通过诺氟沙星在太赫兹光谱范围内的特殊吸收性来测诺氟沙星浓度，通过采集样品的太赫兹光谱，获取含诺氟沙星样品的光谱特征曲线，根据特征曲线，提取太赫兹波段的诺氟沙星吸收特征频率特征，并将这些特性组合，进行定量的分析建模，从而得出样品内诺氟沙星含量，测量准确，样品取量小，检测速度快，降低了经济损失，太赫兹光谱比起紫外线、X光等光谱而言，携带能量小，对人体无辐射，可以放心安全使用；本发明的方案能实现全程半自动化作业，无需专业人员去辅助，傻瓜式操作，方便快速自检，降低运维成本，利于市场推广。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种诺氟沙星含量测量装置，其特征在于，包括太赫兹仪、太赫兹光谱发射端、太赫兹光谱接收端和处理端；

所述太赫兹光谱发射端用于将所述太赫兹仪产生的太赫兹光谱作用到样品上；

所述太赫兹光谱接收端用于接收样品的太赫兹透射波信息；

所述处理端用于根据所获取的太赫兹透射波信息中的太赫兹波段的诺氟沙星吸收特征频率特征，计算所述样品中诺氟沙星的含量。

2.根据权利要求1所述的诺氟沙星含量测量装置，其特征在于，还包括玻璃罩和样品固定架，所述样品固定架用于固定样品；所述太赫兹光谱发射端、太赫兹光谱接收端、样品固定架设于所述玻璃罩内。

3.根据权利要求2所述的诺氟沙星含量测量装置，其特征在于，还包括液氮罐，所述液氮罐通过一氮气软管连接所述玻璃罩，用于向玻璃罩内注入氮气，排出玻璃罩内水蒸气。

4.根据权利要求2所述的诺氟沙星含量测量装置，其特征在于，所述太赫兹仪连接所述太赫兹光谱发射端，所述太赫兹光谱接收端连接所述处理端和所述太赫兹仪；所述样品固定架和所述太赫兹光谱接收端依次设于所述太赫兹光谱发射端的发射光路上；所述样品固定架用于将样品固定于太赫兹光谱发射端的发射光路上，使太赫兹光谱完整并垂直作用到所述样品上。

5.根据权利要求1所述的诺氟沙星含量检测装置，其特征在于，所述处理端用于根据接收到的太赫兹透射波信息，获取样品的光谱特征曲线，并提取太赫兹波段的诺氟沙星的多组吸收系数特征值，将多组吸收系数特征值线性组合，得出诺氟沙星指数，以获取样品内诺氟沙星含量。

6.根据权利要求5所述的诺氟沙星含量检测装置，其特征在于，所述太赫兹波段的诺氟沙星的多组吸收系数特征值包括太赫兹波段的任意两个吸收峰上的吸收系数特征值M₁、M₂，以及折射系数突变处特征值M₃；诺氟沙星指数NFHL为：

NFHL＝(M₂-M₃)/[(M₁-M₃)(M₁-M₂)]。

7.一种根据权利要求1至6任一所述装置进行诺氟沙星含量测量方法，其特征在于，包括：

S1、固定样品，向玻璃罩中充入氮气，排出空气；

S2、启动太赫兹光谱仪，太赫兹光谱透过样品，太赫兹光谱接收端接收太赫兹透射波信息并发送至处理端；

S3、根据太赫兹波段的诺氟沙星的多组吸收系数，将多组吸收系数线性组合，得出诺氟沙星指数，以获取样品内诺氟沙星含量。

8.根据权利要求7所述的诺氟沙星含量测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，若玻璃罩内湿度低于4％，则启动太赫兹仪，若玻璃罩内适度高于4％，则继续充入氮气。

9.根据权利要求7所述的诺氟沙星含量测量方法，其特征在于，所述步骤S1中包括：对样品进行充分研磨，将粉末状样品进行压片处理制成标准样品压片，并将样品压片放入固定架，使太赫兹光谱的光路正对样品压片的中心。

10.根据权利要求7所述的诺氟沙星含量测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

根据接收到的太赫兹透射波信息，获取样品的光谱特征曲线，并提取太赫兹波段的任意两个吸收峰上的吸收系数特征值M₁、M₂以及折射系数突变处特征值M₃；将这些特征线性性组合，进行定量的分析建模，得到诺氟沙星指数NFHL，计算公式为：

NFHL＝(M₂-M₃)/[(M₁-M₃)(M₁-M₂)]。