太赫茲光譜技術(shù)在精確區(qū)分艾絨純度和生長年限上的應(yīng)用

艾草具有祛濕、祛瘀、祛脹的作用，已廣泛應(yīng)用于中藥。其中，艾絨是一種重要的艾草制品，通過反復(fù)加工艾草去除粉末殘留，其純度（艾草與艾絨比）和生長年限決定了其品質(zhì)。一般地，艾絨中揮發(fā)性物質(zhì)隨著艾絨純度的增加而增加，生長年限增加而減少。其中松油醇屬于揮發(fā)性物質(zhì)，在艾絨中占比較高，且具有祛痰、抗哮喘和抑菌作用。針對(duì)目前市場(chǎng)上沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)艾絨的純度和生長年限。本文嘗試通過對(duì)松油醇含量進(jìn)行檢測(cè)以區(qū)分艾絨的純度和生長年限。目前檢測(cè)松油醇的方法包括氣相色譜質(zhì)譜儀聯(lián)用法（GC-MS）、高效液相色譜法（HPLC）等。其中GC-MS法檢測(cè)結(jié)果相對(duì)可靠，但預(yù)處理方法以及分析步驟較復(fù)雜。HPLC則需要較長的檢測(cè)時(shí)間以及樣品制備成本較高等。隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太赫茲光譜技術(shù)被越來越多的應(yīng)用在生物樣品的檢測(cè)中，其在檢測(cè)大分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)上具有優(yōu)勢(shì)。因此，本文提出了基于太赫茲光譜技術(shù)，通過檢測(cè)松油醇含量的變化，對(duì)艾絨的純度和生長年限進(jìn)行鑒別。
 

近日，Plant Phenomics在線發(fā)表了上海理工大學(xué)太赫茲創(chuàng)新研究院的題為Moxa Wool in Different Purities and Different Growing Years Measured by Terahertz Spectroscopy 的研究論文。
 

在本研究中，我們對(duì)基于太赫茲光譜學(xué)的艾絨的純度和生長年限的快速無損檢測(cè)的實(shí)用性進(jìn)行了估算、測(cè)試和驗(yàn)證。首先，利用上述三個(gè)不同純度的特征峰的峰高（面積）進(jìn)行線性擬合，模型中的r²＞0.95。此外，我們通過PLS模型得到了更準(zhǔn)確的不同純度艾絨預(yù)測(cè)模型，決定系數(shù)r²＞0.99。其次，PLS將艾絨的生長年限與建立的松油醇特征峰的強(qiáng)度結(jié)合起來，證明了一個(gè)具有（r²＞0.98）的精確模型。在得出艾絨的預(yù)測(cè)精度超過0.95的結(jié)論之前，我們嘗試了很多樣品制備方法，其中包括樣品的研磨程度和樣品的厚度，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過兩次研磨的艾絨樣品（兩次研磨后，樣品可以更充分地研磨），更有利于制片和光譜信息的檢測(cè)。將艾絨磨碎后，通過對(duì)艾絨質(zhì)量的控制，收集到艾絨的最佳光譜。通過改進(jìn)樣品制備方法，獲得了艾絨的高預(yù)測(cè)精度。在使用太赫茲光譜分析艾絨純度和生長年限后，我們利用拉曼技術(shù)光譜重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，試圖比較這兩種技術(shù)之間艾絨純度和生長年限的定量準(zhǔn)確性。拉曼技術(shù)光譜模型的r²＞0.80，與太赫茲技術(shù)相差甚遠(yuǎn) ( r²>0.95)。最后，我們對(duì)市場(chǎng)上的真實(shí)樣本進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并比較了太赫茲技術(shù)和拉曼技術(shù)的預(yù)測(cè)精度。得出的結(jié)論是，在本實(shí)驗(yàn)中，不同純度的太赫茲光譜預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為93.9%，不同生長年限的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為95.3%。因此，太赫茲光譜為檢測(cè)艾絨純度和生長年限提供了一種新方法，也為松油醇無損監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支持。為市場(chǎng)上劣質(zhì)艾絨的鑒別提供了新思路，為中藥艾絨質(zhì)量鑒別提供了新方法。
 

圖1 根據(jù)艾絨不同純度得出的 (a) THz吸收光譜。垂直箭頭表示艾絨的吸收峰。在每個(gè)數(shù)據(jù)上都標(biāo)注了誤差棒�；�于太赫茲吸收光譜的不同純度艾絨的 (b) PLS預(yù)測(cè)模型。艾絨在 (c) 4.22THz、(d) 4.57THz、(e) 5.09THz和 (f) 6.28THz時(shí)，不同純度艾絨的特征吸收峰強(qiáng)度

文章首次提出了采用太赫茲技術(shù)，通過檢測(cè)艾絨中松油醇含量的變化，對(duì)艾絨的生長年限和質(zhì)量比進(jìn)行檢測(cè)。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，太赫茲光譜檢測(cè)技術(shù)具有預(yù)處理時(shí)間短，樣本量少，檢測(cè)精度高等優(yōu)勢(shì)。本文提出的太赫茲光譜技術(shù)為松油醇的無損檢測(cè)提供了技術(shù)支持，同時(shí)也為艾絨的質(zhì)量鑒別提供了新方法，該方法也有望對(duì)其他中藥的檢測(cè)提供新思路。
 

上海理工大學(xué)太赫茲創(chuàng)新院彭滟教授、朱亦鳴教授和唐文超教授為論文通訊作者，邵詠妮副教授為第一作者，朱迪參與了全部試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及論文的撰寫，王雨田、朱志、田楨干也參與了該工作。該工作獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61988102、61922059、81961138014）、上海自然基金項(xiàng)目（21ZR1444700）、111項(xiàng)目（D18014）、國境口岸藥品太赫茲快速檢測(cè)技術(shù)（2019HK006）和上海國內(nèi)重點(diǎn)科技合作項(xiàng)目（21015800200）的支持。

研究團(tuán)隊(duì)介紹

上海理工大學(xué)太赫茲創(chuàng)新研究院近年來在科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家973計(jì)劃、國家863計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持下，以實(shí)用化的太赫茲成像系統(tǒng)和成譜系統(tǒng)為主線，以滿足生物醫(yī)學(xué)和國家公共安全領(lǐng)域的重大需求為目標(biāo)，先后研制了寬頻太赫茲輻射源、多種太赫茲功能器件、一體型時(shí)域太赫茲波譜系統(tǒng)和主動(dòng)式太赫茲掃描成像系統(tǒng)等關(guān)鍵器件、系統(tǒng)，以及基于這些系統(tǒng)的應(yīng)用研究。在新原理，新結(jié)構(gòu)，新系統(tǒng)、新應(yīng)用方面取得了多項(xiàng)成果，已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利70余項(xiàng)，授權(quán)40余項(xiàng)。
 

研究院現(xiàn)有中國工程院院士、國家千人計(jì)劃教授、長江獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃教授等一批國家級(jí)人才，以及教育部新世紀(jì)人才、上海市領(lǐng)軍人才、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人等一批中青年領(lǐng)軍人才。
 

論文鏈接：

https://doi.org/10.34133/2022/9815143

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About Plant Phenomics

《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫收錄�？祁Ｎò睯CR2021影響因子為6.961，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)，遙感一區(qū)。中科院農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)一區(qū)，遙感二區(qū)，生物大類一區(qū)（TOP期刊）。2020年入選中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。

中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。

特邀作者：彭滟、朱迪

編輯：張威（實(shí)習(xí)）

審核：孔敏、王平