抗生素類藥物的太赫茲光譜自動識別系統(tǒng)研究

三江學(xué)院 王 婷 王 芳

抗生素類藥物的太赫茲光譜自動識別系統(tǒng)研究

三江學(xué)院 王 婷 王 芳

近年來，太赫茲技術(shù)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿??？股仡愃幬飸?yīng)用廣泛，太赫茲技術(shù)對藥品的自動識別具有重要意義。本文利用太赫茲時域光譜技術(shù)來研究常見抗生素類藥物的吸收譜，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對抗生素類藥物的自動識別。利用Matlab軟件，快速識別出了太赫茲光譜的峰值，這為我們分析光譜提供了可靠數(shù)據(jù)。程序可準確判斷出抗生素的類名。該系統(tǒng)對抗生素類藥物的識別正確率可達100%。此項研究為建立抗生素類藥物太赫茲數(shù)據(jù)庫以及對此類藥物的鑒別奠定了基礎(chǔ)。

抗生素；太赫茲光譜；吸收譜；分類識別

太赫茲波屬于一種遠紅外電磁波，它的頻率范圍在0.1～10THz。太赫茲光譜具有實時性，無損性等檢測優(yōu)點，都使得太赫茲光譜技術(shù)在藥物檢測中具有巨大優(yōu)勢?？股仡愃幬锸菓?yīng)用較為廣泛的一種藥物，但是濫用抗生素的情況越來越令人擔憂，為了保證安全，抗生素類藥物的鑒別與質(zhì)量檢查變得更加重要。

1.引言

本文利用太赫茲時域光譜技術(shù)研究了十四種不同抗生素的吸收譜，通過Matlab軟件，實現(xiàn)了對光譜峰值及對藥品類名的判斷，為建立抗生素類藥物太赫茲數(shù)據(jù)庫以及對此類藥物的鑒別奠定了基礎(chǔ)。

2.實驗準備

本次實驗采用的是日本ADVANTEST公司tas7500系列太赫茲光譜儀和德國Bruker公司的V80系列傅里葉紅外光譜儀，兩者從光譜精度和寬度上互補。

本篇論文實驗所需要的樣品購于大連美侖生物科技有限公司。樣品為科學(xué)試劑，所有樣品的純度均超過98%，樣品為結(jié)晶型粉末，使用前沒有經(jīng)過再次提純處理。樣品直接與聚乙烯（PET）粉末均勻混合、壓片后進行測試。實驗中采用的樣品與聚乙烯的比例為1：10，混壓后薄片厚度1mm，直徑約13mm。

圖1 傅立葉紅外光譜儀測得的十四種抗生素吸收譜

圖2 太赫茲時域光譜儀測得的十四種抗生素吸收譜

3.實驗結(jié)果

本文測試了14種抗生素類藥物，圖1是在傅里葉紅外光譜儀測得的樣品吸收光譜，從中可以較為清晰的觀察到各抗生素類藥物的光譜特性。

從圖1的十四種抗生素類藥物在1-9THz頻率范圍內(nèi)的吸收特性可以看出，其中一些藥品屬于同一類抗生素，如青霉素類抗生素、頭孢類抗生素等。雖然他們的吸收譜很相似，但在其有效波段內(nèi)仍存在差別，這些特性包括特征峰的位置、特征峰的個數(shù)等等。而我們通過利用這些差異，鑒別出它們。

圖2是在太赫茲時域光譜儀測得的樣品吸收光譜，從圖2可以觀察到，抗生素類藥物在0.5-2.5THz頻段范圍內(nèi)有更多的吸收峰。一般來說，太赫茲時域光譜是對傅立葉紅外光譜的補充研究。太赫茲時域光譜的穩(wěn)定性更好，其精度更高。

4.自動識別系統(tǒng)

4.1 程序算法分析

本次研究運用了Matlab軟件，通過此軟件，編寫了能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別功能的程序。原程序代碼見附錄。下面簡單介紹一下程序的算法。程序主要思想是基于線性回歸的分類器。說到回歸，一般指的也就是線性回歸。在回歸方程里，求得特征對應(yīng)的最佳回歸系數(shù)的方法稱為最小化誤差的平方和。誤差的簡單累加將使得正差值和負差值得到相互抵消，所以我們采用平方誤差。具體分析如下：

（1）收集數(shù)據(jù)，獲得樣本在標準采樣點的采樣值序列。

（2）根據(jù)樣本值計算藥品的標準值。

（3）樣任意樣本與每一種藥品的標準值進行平方化誤差運算，平方化誤差最小的藥品就是分類器的輸出。

（4）平方化誤差的運算：在每一個采樣點，計算樣本采樣值與藥品標準值的差的平方，再將這些平方項累加。

4.2 程序流程

首先，根據(jù)表格文件獲得這些藥品的對應(yīng)的名稱，將其保存在一個cell數(shù)組中，將這個數(shù)組命名為medicineName。通過xlsread()函數(shù)，可以讀取出測量結(jié)果。這里設(shè)置peakCount的值為5，表示提取出5個特征峰。接著，使用GetMaxN()函數(shù)，獲得每一種藥品的5個特征峰的峰值，并且通過一個for循環(huán)將其以“(frequencyPoint, amplitude)”的形式輸出。最后，調(diào)用Recognition()函數(shù)，為每一個測量的樣本值進行分類，并且將分類結(jié)果輸出到命令行窗口。

4.3 程序運行結(jié)果

圖3為光譜特征峰位置判斷結(jié)果圖，這里顯示出了各抗生素前5個特征峰的位置。而圖4則為系統(tǒng)識別結(jié)果圖。

圖3 特征峰位置判斷結(jié)果圖

圖4 識別結(jié)果圖

5.結(jié)論

從實驗中，我們可以發(fā)現(xiàn)，抗生素的時域太赫茲光譜具有明顯的差異性。通過太赫茲光譜，可以很快找到他們的差異，這就能很好的檢測出樣品，提高辨識的可靠性，這一點充分證明了該技術(shù)在藥品質(zhì)量檢測與自動識別上的優(yōu)越性。通過對程序的測試，識別系統(tǒng)可以很快確定各類藥物太赫茲光譜中特征峰對應(yīng)的頻率點的位置，能夠幫我我們更好的分析各抗生素的太赫茲光譜特性，這為以后建立抗生素藥物分子太赫茲數(shù)據(jù)庫和鑒別抗生素分子奠定了基礎(chǔ)。程序運行良好，系統(tǒng)對于抗生素藥品類名的識別率可達100%。

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王婷，三江學(xué)院本科生。

王芳，講師，現(xiàn)供職于三江學(xué)院，研究方向：無損檢測技術(shù)。