抗生素类药物的太赫兹光谱自动识别系统研究

三江学院 王 婷 王 芳

抗生素类药物的太赫兹光谱自动识别系统研究

三江学院 王 婷 王 芳

近年来，太赫兹技术展现出巨大的发展潜力。抗生素类药物应用广泛，太赫兹技术对药品的自动识别具有重要意义。本文利用太赫兹时域光谱技术来研究常见抗生素类药物的吸收谱，在此基础上，实现了对抗生素类药物的自动识别。利用Matlab软件，快速识别出了太赫兹光谱的峰值，这为我们分析光谱提供了可靠数据。程序可准确判断出抗生素的类名。该系统对抗生素类药物的识别正确率可达100%。此项研究为建立抗生素类药物太赫兹数据库以及对此类药物的鉴别奠定了基础。

抗生素；太赫兹光谱；吸收谱；分类识别

太赫兹波属于一种远红外电磁波，它的频率范围在0.1～10THz。太赫兹光谱具有实时性，无损性等检测优点，都使得太赫兹光谱技术在药物检测中具有巨大优势。抗生素类药物是应用较为广泛的一种药物，但是滥用抗生素的情况越来越令人担忧，为了保证安全，抗生素类药物的鉴别与质量检查变得更加重要。

1.引言

本文利用太赫兹时域光谱技术研究了十四种不同抗生素的吸收谱，通过Matlab软件，实现了对光谱峰值及对药品类名的判断，为建立抗生素类药物太赫兹数据库以及对此类药物的鉴别奠定了基础。

2.实验准备

本次实验采用的是日本ADVANTEST公司tas7500系列太赫兹光谱仪和德国Bruker公司的V80系列傅里叶红外光谱仪，两者从光谱精度和宽度上互补。

本篇论文实验所需要的样品购于大连美仑生物科技有限公司。样品为科学试剂，所有样品的纯度均超过98%，样品为结晶型粉末，使用前没有经过再次提纯处理。样品直接与聚乙烯（PET）粉末均匀混合、压片后进行测试。实验中采用的样品与聚乙烯的比例为1：10，混压后薄片厚度1mm，直径约13mm。

图1 傅立叶红外光谱仪测得的十四种抗生素吸收谱

图2 太赫兹时域光谱仪测得的十四种抗生素吸收谱

3.实验结果

本文测试了14种抗生素类药物，图1是在傅里叶红外光谱仪测得的样品吸收光谱，从中可以较为清晰的观察到各抗生素类药物的光谱特性。

从图1的十四种抗生素类药物在1-9THz频率范围内的吸收特性可以看出，其中一些药品属于同一类抗生素，如青霉素类抗生素、头孢类抗生素等。虽然他们的吸收谱很相似，但在其有效波段内仍存在差别，这些特性包括特征峰的位置、特征峰的个数等等。而我们通过利用这些差异，鉴别出它们。

图2是在太赫兹时域光谱仪测得的样品吸收光谱，从图2可以观察到，抗生素类药物在0.5-2.5THz频段范围内有更多的吸收峰。一般来说，太赫兹时域光谱是对傅立叶红外光谱的补充研究。太赫兹时域光谱的稳定性更好，其精度更高。

4.自动识别系统

4.1 程序算法分析

本次研究运用了Matlab软件，通过此软件，编写了能够实现自动识别功能的程序。原程序代码见附录。下面简单介绍一下程序的算法。程序主要思想是基于线性回归的分类器。说到回归，一般指的也就是线性回归。在回归方程里，求得特征对应的最佳回归系数的方法称为最小化误差的平方和。误差的简单累加将使得正差值和负差值得到相互抵消，所以我们采用平方误差。具体分析如下：

（1）收集数据，获得样本在标准采样点的采样值序列。

（2）根据样本值计算药品的标准值。

（3）样任意样本与每一种药品的标准值进行平方化误差运算，平方化误差最小的药品就是分类器的输出。

（4）平方化误差的运算：在每一个采样点，计算样本采样值与药品标准值的差的平方，再将这些平方项累加。

4.2 程序流程

首先，根据表格文件获得这些药品的对应的名称，将其保存在一个cell数组中，将这个数组命名为medicineName。通过xlsread()函数，可以读取出测量结果。这里设置peakCount的值为5，表示提取出5个特征峰。接着，使用GetMaxN()函数，获得每一种药品的5个特征峰的峰值，并且通过一个for循环将其以“(frequencyPoint, amplitude)”的形式输出。最后，调用Recognition()函数，为每一个测量的样本值进行分类，并且将分类结果输出到命令行窗口。

4.3 程序运行结果

图3为光谱特征峰位置判断结果图，这里显示出了各抗生素前5个特征峰的位置。而图4则为系统识别结果图。

图3 特征峰位置判断结果图

图4 识别结果图

5.结论

从实验中，我们可以发现，抗生素的时域太赫兹光谱具有明显的差异性。通过太赫兹光谱，可以很快找到他们的差异，这就能很好的检测出样品，提高辨识的可靠性，这一点充分证明了该技术在药品质量检测与自动识别上的优越性。通过对程序的测试，识别系统可以很快确定各类药物太赫兹光谱中特征峰对应的频率点的位置，能够帮我我们更好的分析各抗生素的太赫兹光谱特性，这为以后建立抗生素药物分子太赫兹数据库和鉴别抗生素分子奠定了基础。程序运行良好，系统对于抗生素药品类名的识别率可达100%。

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王婷，三江学院本科生。

王芳，讲师，现供职于三江学院，研究方向：无损检测技术。