基于超材料增强的痕量苯甲酸添加剂太赫兹光谱检测研究

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苯甲酸被广泛应用于食品中起到防腐作用,一些企业为延长食品保质期,往往过量使用苯甲酸。苯甲酸的过量摄入会对人体造成严重危害,特别是容易导致肝、肾器官功能衰竭,甚至诱发癌症,因此及时快速开展苯甲酸等食品添加剂的检测研究具有重大现实意义。论文针对目前国内外常用的理化分析法(如高效液相色谱法、液相色谱-质谱/质谱法以及气液色谱法等)和生物测定法(如免疫分析法和生物传感器法等)均存在预处理过程繁琐、检测成本高、检测周期长等不足,无法满足现场快速检测的需求,论文利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)的低能透射和指纹图谱特性,开展食品中苯甲酸添加剂太赫兹技术无损检测研究,为食品添加剂快速、准确、无损检测提供理论支撑。论文的主要研究内容如下:1.开展苯甲酸太赫兹特征谱线分析研究。基于实验法,探究样品制备过程中的参数优化,提取太赫兹光学参数,测定苯甲酸食品添加剂样品在太赫兹波段的特征谱线。采用固态密度泛函理论(DFT)分析苯甲酸晶胞结构的振动频率,明确了苯甲酸添加剂1.95THz位置的太赫兹特征吸收峰的来源,理论计算与实验结果吻合。2.苯甲酸添加剂THz光谱检测研究。实验发现苯甲酸添加剂的太赫兹光谱在1.95THz的特征吸收峰随着苯甲酸含量的增加而增强。太赫兹光谱进行多元散射校正预处理后,采用竞争性自适应权重取样CARS以及PCA方法优选了建模波段,建立的LS-SVM模型预测效果最优,预测相关系数(Rp)为0.9956,预测均方根误差(RMSEP)为0.64%,检出限为1.94×10-2 g/m L,利用THz-TDS技术对苯甲酸添加剂进行检测具备可行性。3.基于太赫兹超材料增强的苯甲酸添加剂检测研究。设计了在谐振频率1.95 THz频率的“X”型太赫兹超材料微纳结构实现苯甲酸添加剂的太赫兹光谱信号增强。采用SG+1stDer方法对增强的太赫兹光谱进行预处理后,再采用CARS提取太赫兹特征光谱,建立了LS-SVM模型,预测相关系数(Rp)为0.9953,预测均方根误差(RMSEP)为7.3×10-6,检出限(LOD)为2.361×10-5 g/m L,与传统压片法比较,其检测灵敏度提高了近10~3倍,实现了苯甲酸添加剂的高灵敏度定量检测。4.开展苯甲酸添加剂太赫兹光谱检测温度补偿方法研究。利用DFT结合实验法,分析了不同温度下苯甲酸太赫兹特征吸收谱的变化规律。应用外部参数正交化(EPO)和广义最小二乘加权(GLSW)进行温度影响的校正,建立了PLS和LS-SVM模型,经比较:LS-SVM模型效果最优,预测相关系数(Rp)为0.998,预测均方根误差(RMSEP)为3.841×10-5,检出限为1.158×10-4g/m L,进行温度补偿校正后,检测模型的检出限有了显著提高,提高了THz-TDS对变温样品的适应性和检测能力。
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