CN107328736A - 人参鉴别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人参鉴别方法及系统。该方法包括：获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱；根据所述太赫兹时域谱得到所述人参样品及参考样品的太赫兹频域谱；根据所述太赫兹频域谱得到所述人参样品的吸收系数及折射率；根据所述吸收系数及折射率作出所述人参样品的太赫兹吸收谱及折射率曲线，并根据所述太赫兹吸收谱及折射率曲线来确定人参样品的种类。上述人参鉴别方法及系统，操作简单快速、对人参无损且更加有效。
Description
技术领域
本发明涉及中药鉴别领域，特别是涉及一种人参鉴别方法及系统。
背景技术
人参是我国的名贵中药材，其依据不同产地、加工方法、颜色等可划分为：红参、白参和高丽参等。由于不同种类人参因化学活性成分不同而导致其营养价值与医疗功效存在差异，名贵中药材掺假欺骗消费者的行为亦经常发生，制定科学可靠的人参的鉴别方法一直是临床用药及保健人员关注的问题。
传统的人参鉴别方式是性状鉴别。随着科学技术的发展，近代出现了鉴别中药材等复杂多组分混合物体系的分子标记法、高效液相色谱法等。然而，这些技术由于存在着操作步骤繁琐、工作量大、实验结果重复性差等缺点，难以在实际中得到应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种人参鉴别方法及系统，能够有效的鉴别人参的种类。
一种人参鉴别方法包括：
获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱；
根据所述太赫兹时域谱得到所述人参样品及参考样品的太赫兹频域谱；
根据所述太赫兹频域谱得到所述人参样品的吸收系数及折射率；
根据所述吸收系数及折射率作出所述人参样品的太赫兹吸收谱及折射率曲线，并根据所述太赫兹吸收谱及折射率曲线来确定人参样品的种类。
在其中一个实施例中，所述太赫兹时域谱由太赫兹时域光谱THz-TDS装置测量得到；所述太赫兹时域光谱THz-TDS装置包括飞秒激光器；所述太赫兹时域谱的获取方法包括：
打开所述飞秒激光器直至输出功率稳定后，校准所述太赫兹时域光谱THz-TDS装置中的光线准直情况；
利用飞秒激光器所发射的激光对太赫兹时域光谱THz-TDS装置进行预热处理；
将氮气输入太赫兹时域光谱THz-TDS装置中的样品仓中，直至所述样品仓的湿度降低到2％以下为止；
利用太赫兹时域光谱THz-TDS装置获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱。
在其中一个实施例中，所述利用太赫兹时域光谱THz-TDS装置获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱的步骤包括：
将空样品架放入太赫兹时域光谱THz-TDS装置的样品仓中，采集空气样品的太赫兹时域光谱，作为参考样品的太赫兹时域谱；
将人参样品放入所述样品仓，重复多次采集人参样品的太赫兹时域光谱并取平均值，作为人参样品的太赫兹时域谱。
在其中一个实施例中，所述根据太赫兹时域谱得到所述人参样品及参考样品的太赫兹频域谱的步骤包括：
通过傅里叶变换，将所述人参样品及参考样品的太赫兹时域谱转换为相应的太赫兹频域谱。
在其中一个实施例中，所述根据太赫兹频域谱得到所述人参样品的吸收系数及折射率的步骤包括：
将所述人参样品与参考样品的频域谱作比值，并利用菲涅尔公式，计算出所述人参样品的吸收系数及折射率。
在其中一个实施例中，所述人参样品的吸收系数计算公式为：
其中，d为人参样品片的厚度，ω为太赫兹频率，α(ω)为所述的太赫兹吸收系数，n(ω)为所述的太赫兹折射率，ρ(ω)为参考样品与人参样品之间的振幅比。
在其中一个实施例中，所述人参样品的折射率的计算公式为：
其中，d为人参样品片的厚度，ω为太赫兹频率，c为真空中的光速，分别为参照样品与人参样品之间的相位差。
在其中一个实施例中，所述人参样品为红参或高丽参。
在其中一个实施例中，所述太赫兹时域光谱THz-TDS装置为透射式太赫兹时域光谱THz-TDS装置。
一种人参鉴别系统包括：
透射式太赫兹时域光谱THz-TDS装置，用于测量人参样品的太赫兹时域光谱数据；
电子设备，用于执行所述的人参鉴别方法。
上述人参鉴别方法及系统，利用太赫兹时域光谱THz-TDS装置测定人参的吸收谱及折射率曲线，通过吸收谱及折射率曲线鉴别人参的种类。该方法操作简单快速、对人参无损且更加有效。
附图说明
图1为一实施例的人参鉴别方法流程图；
图2为图1中步骤S100的一种实现方法的流程图；
图3为图2中步骤S140的一种实现方法的流程图；
图4为一实施例的太赫兹时域光谱THz-TDS装置结构示意图；
图5为一实施例的红参样品的太赫兹时域谱；
图6为一实施例的红参样品的太赫兹吸收谱；
图7为一实施例的高丽参样品的太赫兹时域谱；
图8为一实施例的高丽参样品的太赫兹吸收谱；
图9为一实施例的红参样品的太赫兹折射率曲线图；
图10为一实施例的高丽参样品的太赫兹折射率曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的内容公开更加透彻全面。
图1为一实施例的人参鉴别方法流程图，该方法包括以下内容。
步骤S100：获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱。人参等许多常见中药材在太赫兹光谱中存在明显的特征吸收，而不同人参样品的特征吸收谱(指纹谱)不同。因此，可利用人参样品在太赫兹波段的特征吸收谱，对人参样品的结构及其种类进行分析和鉴别。
步骤S200：根据所述太赫兹时域谱得到所述人参样品及参考样品的太赫兹频域谱。该太赫兹时域谱反映的是不同时间段样品对太赫兹波的吸收情况。该太赫兹频域谱反映的是单位时间内样品对不同波段太赫兹波的吸收情况。
步骤S300：根据所述太赫兹频域谱得到所述人参样品的吸收系数及折射率。
步骤S400：根据所述吸收系数及折射率作出所述人参样品的太赫兹吸收谱及折射率曲线，并根据所述太赫兹吸收谱及折射率曲线来确定人参样品的种类。
上述人参鉴别方法及系统，通过获取测定人参的太赫兹吸收谱及折射率曲线，并利用太赫兹吸收谱及折射率曲线鉴别人参的种类。该方法操作简单快速、对人参无损且更加有效。
在其中一个实施例中，太赫兹时域谱由太赫兹时域光谱THz-TDS装置测量得到。太赫兹时域光谱THz-TDS装置包括飞秒激光器。如图2所示，步骤S100包括以下内容。
步骤S110：打开飞秒激光器直至输出功率稳定后，校准太赫兹时域光谱THz-TDS装置中的光线准直情况。
步骤S120：利用飞秒激光器所发射的激光对太赫兹时域光谱THz-TDS装置进行预热处理。
步骤S130：将氮气输入太赫兹时域光谱THz-TDS装置中的样品仓中，直至样品仓的湿度降低到2％以下为止。
步骤S140：利用太赫兹时域光谱THz-TDS装置获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱。
在本实施例中，进行样品(人参样品与参考样品)检测之前需通过太赫兹光谱系统软件程序面板进行测量参数设置。测量参数包括太赫兹脉冲的扫描范围参数和折射范围参数。根据所设置的参数，以单点慢扫模式测量人参样品及参考样品的太赫兹光谱。
在其中一个实施例中，如图3所示，步骤S140包括以下内容。
步骤S141：将空样品架放入太赫兹时域光谱THz-TDS装置的样品仓中，采集空气样品的太赫兹时域光谱，作为参考样品的太赫兹时域谱。
步骤S142：将人参样品放入样品仓，重复多次采集人参样品的太赫兹时域光谱并取平均值，作为人参样品的太赫兹时域谱。
在本实施例中，将人参样品放入样品仓前需要对人参样品进行如下处理：取一小块人参样品放置于真空干燥箱中干燥4小时；然后用分析天平称取干燥后的人参样品约250mg，并用粉碎机粉碎，用玛瑙研钵研磨成细粉末状；最后使用油压式千斤顶压制，并保持20MPa压力压制2分钟。通过上述处理过程，最终得到干净平整的圆形薄片的人参样品，其厚度约为1mm左右。另外，还需保持太赫兹时域光谱THz-TDS装置的环境温度为23℃～25℃。样品仓充氮气环境，且湿度小于2％。
在其中一个实施例中，步骤S200的实现方式包括以下内容。
通过傅里叶变换，将所述人参样品及参考样品的太赫兹时域谱转换为相应的太赫兹频域谱。具体地，在太赫兹时域谱中可测得含有人参样品信息的太赫兹脉冲Esam(t)和参考样品信息的探测脉冲Eref(t)，然后分别对它们进行傅立叶变换，得到它们在太赫兹频域谱中的复值和
在其中一个实施例中，步骤S400的实现方式包括以下内容。
将人参样品与参考样品的频域谱作比值，并利用菲涅尔公式，计算出所述人参样品的吸收系数及折射率。具体地，人参样品的频域谱可以表示为太赫兹脉冲Esam(t)，参考样品的频域谱可以表示为探测脉冲Eref(t)，它们的比值表示为：
进一步地，将上述比值取对数，并利用菲涅尔公式，得到如下人参样品的吸收系数计算公式：
其中，d为人参样品片的厚度，ω为太赫兹频率，α(ω)为所述的太赫兹吸收系数，n(ω)为所述的太赫兹折射率，ρ(ω)为参考样品与人参样品之间的振幅比。
具体地，利用菲涅尔公式可得到人参样品的折射率的计算公式：
其中，d为人参样品片的厚度，ω为太赫兹频率，c为真空中的光速，分别为参照样品与人参样品之间的相位差。可以理解的，折射率是人参样品的固有属性，通过对比不同人参样品的太赫兹折射率差异，可以分析和确认人参样品的结构和种类。
在其中一个实施例中，如图4所示，太赫兹时域光谱THz-TDS装置为透射式太赫兹时域光谱THz-TDS装置。具体地，透射式太赫兹时域光谱THz-TDS装置包括：飞秒激光器100、时间延迟控制系统200、太赫兹波产生装置300、太赫兹波探测装置400及常用光学器件。常用光学器件包括：HWP(半波片)、CBS(分束镜)、短聚焦透镜(L1、L2和L3)、离轴抛物面镜(PM1、PM2、PM3和PM4)、偏振片P及一系列的反射镜。飞秒激光器100发出的飞秒激光脉冲经HWP(半波片)后被CBS(分束镜)分成偏振方向相互垂直的两束，其中透过CBS的较强的一束作为泵浦光，而反射的光强较弱的那束作为探测光。
一方面，泵浦光经过时间延迟系统200，被短聚焦透镜L1汇聚后以45°角入射到太赫兹波产生装置300中的发射晶体GaAs(低温生长的砷化镓光导天线)上，通过光整流效应激发产生太赫兹脉冲，发射出的太赫兹脉冲被一对离轴抛物面镜PM1和PM2准直、聚焦到人参样品上，太赫兹脉冲穿透样品后载有人参样品信息，并被另一对离轴抛物面镜PM3和PM4准直、聚焦到太赫兹波探测装置400中的探测晶体ZnTe(碲化锌电光晶体)上。
另一方面，探测光经过一系列反射镜并经短聚焦透镜L2汇聚后入射至太赫兹波探测装置400。在太赫兹波探测装置400中经偏振片P打在高阻硅Si上，由高阻硅Si反射后与载有人参样品信息的太赫兹脉冲共线地通过探测晶体ZnTe。探测晶体ZnTe在太赫兹脉冲电场的作用下产生线性电光效应，探测晶体ZnTe的折射率椭球发生改变，使通过探测晶体ZnTe的探测光的偏振态发生改变，从而反映出太赫兹电场的大小及其变化情况。
具体地，当没有太赫兹脉冲信号时，由于探测晶体ZnTe不具有双折射特性，探测光通过探测晶体ZnTe后偏振方向不变，调整QWP(四分之一波片)使得探测光通过后变成圆偏振光，再经过WP(渥拉斯顿棱镜)后探测光被分成方向垂直、强度相等的两个偏振分量，两个光电二极管D1和D2分别用于检测探测光的这两个偏振分量。当太赫兹脉冲与探测光同时通过探测晶体ZnTe时，太赫兹脉冲电场将使得探测晶体ZnTe具有双折射特性，探测光通过探测晶体ZnTe时其偏振方向将被改变，经过QWP后变成椭圆偏振光，再经WP后变成大小不等的两个偏振分量，经光电二极管D1和D2检测后输出差分电流。由于探测晶体ZnTe双折射特性效应的大小与太赫兹脉冲的强度有关，所以差分电流的大小与太赫兹脉冲的电场强度成正比。最后将测量得到的微弱差分电流信号经锁相放大器放大后输入计算机进一步处理，得到人参样品的太赫兹时域谱。上述整个系统由计算机通过Lab VIEW编程控制。
具体地，上述人参样品为红参或高丽参。其中，红参样品的尺寸例如为：13mm*1.40mm，即直径为13毫米，厚度为1.40毫米。高丽参样品的尺寸例如为：13mm*1.40mm，即直径为13毫米，厚度为1.39毫米。
利用上述透射式太赫兹时域光谱THz-TDS装置测得红参样品的太赫兹时域谱，其中一种示例的结果如图5所示，同理可得到参考样品(空气样品)的太赫兹时域谱。然后分别对红参样品和参考样品的太赫兹时域谱进行傅立叶变换，得到它们的太赫兹频域谱，接着将红参样品与参考样品的频域谱作比值并取对数，利用菲涅尔公式可得到红参样品的太赫兹吸收谱，其结果如图6所示。
进一步地，利用上述方法同样可以得到高丽参的太赫兹时域谱，如图7所示。以及高丽参的太赫兹吸收谱，如图8所示。
进一步地，对比红参样品的太赫兹吸收谱(图6)和高丽参的太赫兹吸收谱(图8)，它们的差异如下表1所示。
表1
| 人参样品 | 主要吸收峰的位置(频率THz) |
| 红参 | 1.64、1.76、1.84、1.94 |
| 高丽参 | 1.64、1.81、1.94 |
由上表1与图6、图8可以看出，在1.64THz与1.94THz红参样品与高丽参样品具有共同的吸收峰。而在1.76THz与1.84THz处红参样品有吸收峰，高丽参样品没有；在1.81THz高丽参样品有吸收峰，红参样品没有。因此二者的太赫兹吸收谱存在着明显的差别，可以通过二者的太赫兹吸收谱加以区分。
在其中一个实施例中，利用菲涅尔公式还可以得到红参样品与高丽参样品的太赫兹折射率曲线，其二者的折射率曲线亦有明显的不同，具体差异如图9和图10所示。图9为红参样品的太赫兹折射率曲线，图10为高丽参样品的太赫兹折射率曲线。可以看出，在1.5THz之前的太赫兹频率范围，红参样品的太赫兹折射率呈缓慢上升趋势，相对稳定；而高丽参样品的太赫兹折射率则呈下降趋势，且下降速率相对红参样品的上升速率大。在1.5THz之后的太赫兹频率范围，红参样品的太赫兹折射率开始呈波动下降的趋势，然后又继续波动上升；而高丽参样品的太赫兹折射率呈波动下降趋势，波动程度比红参样品大。因此，二者的太赫兹折射率曲线存在较大差异，可以通过比较太赫兹折射率曲线来鉴别这两种人参。
在其中一个实施例中，一种人参鉴别系统包括：透射式太赫兹时域光谱THz-TDS装置，用于测量人参样品的太赫兹时域光谱数据；电子设备，用于执行所述的人参鉴别方法。其中，电子设备包括计算机及太赫兹光谱(包括时域谱、频域谱、吸收谱及折射率)处理设备。
上述人参鉴别方法及系统，利用太赫兹时域光谱THz-TDS装置测定人参的吸收谱及折射率曲线，通过吸收谱及折射率曲线鉴别人参的种类。该方法操作简单快速、对人参无损且更加有效。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种人参鉴别方法，其特征在于，包括：
获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱；
根据所述太赫兹时域谱得到所述人参样品及参考样品的太赫兹频域谱；
根据所述太赫兹频域谱得到所述人参样品的吸收系数及折射率；
根据所述吸收系数及折射率作出所述人参样品的太赫兹吸收谱及折射率曲线，并根据所述太赫兹吸收谱及折射率曲线来确定人参样品的种类。
2.根据权利要求1所述的人参鉴别方法，其特征在于，所述太赫兹时域谱由太赫兹时域光谱THz-TDS装置测量得到；所述太赫兹时域光谱THz-TDS装置包括飞秒激光器；所述太赫兹时域谱的获取方法包括：
打开所述飞秒激光器直至输出功率稳定后，校准所述太赫兹时域光谱THz-TDS装置中的光线准直情况；
利用飞秒激光器所发射的激光对太赫兹时域光谱THz-TDS装置进行预热处理；
将氮气输入太赫兹时域光谱THz-TDS装置中的样品仓中，直至所述样品仓的湿度降低到2％以下为止；
利用太赫兹时域光谱THz-TDS装置获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱。
3.根据权利要求2所述的人参鉴别方法，其特征在于，所述利用太赫兹时域光谱THz-TDS装置获取待测人参样品及参考样品的太赫兹时域谱的步骤包括：
将空样品架放入太赫兹时域光谱THz-TDS装置的样品仓中，采集空气样品的太赫兹时域光谱，作为参考样品的太赫兹时域谱；
将人参样品放入所述样品仓，重复多次采集人参样品的太赫兹时域光谱并取平均值，作为人参样品的太赫兹时域谱。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的人参鉴别方法，其特征在于，所述根据太赫兹时域谱得到所述人参样品及参考样品的太赫兹频域谱的步骤包括：
通过傅里叶变换，将所述人参样品及参考样品的太赫兹时域谱转换为相应的太赫兹频域谱。
5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的人参鉴别方法，其特征在于，所述根据太赫兹频域谱得到所述人参样品的吸收系数及折射率的步骤包括：
将所述人参样品与参考样品的频域谱作比值，并利用菲涅尔公式，计算出所述人参样品的吸收系数及折射率。
6.根据权利要求5所述的人参鉴别方法，其特征在于，所述人参样品的吸收系数计算公式为：
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&omega;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
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<mo>(</mo>
<mi>&omega;</mi>
<mo>)</mo>
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<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>}</mo>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，d为人参样品片的厚度，ω为太赫兹频率，α(ω)为所述的太赫兹吸收系数，n(ω)为所述的太赫兹折射率，ρ(ω)为参考样品与人参样品之间的振幅比。
7.根据权利要求5所述的人参鉴别方法，其特征在于，所述人参样品的折射率的计算公式为：
其中，d为人参样品片的厚度，ω为太赫兹频率，c为真空中的光速，分别为参照样品与人参样品之间的相位差。
8.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的人参鉴别方法，其特征在于，所述人参样品为红参或高丽参。
9.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的人参鉴别方法，其特征在于，所述太赫兹时域光谱THz-TDS装置为透射式太赫兹时域光谱THz-TDS装置。
10.一种人参鉴别系统，其特征在于，包括：
透射式太赫兹时域光谱THz-TDS装置，用于测量人参样品的太赫兹时域光谱数据；
电子设备，用于执行权利要求1至9中任一权利要求所述的人参鉴别方法。
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