衰減全反射太赫茲時域光譜法快速分析脯氨酸溶液

廖云生，李雪琴，劉鐘棟

(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州 450001)

太赫茲(Terahertz，THz)是波動頻率單位之一，通常是指頻率在0.1～10.0 THz(波長為3000～30 μm)范圍內(nèi)的電磁波[1]。由于THz波的高穿透性、無損性以及低能性，因此其被視為食品檢測的理想光源[2]。目前已有研究表明食品中糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、維生素等主要成分皆在THz頻段存在特征吸收峰[3-6]，這也從另外一個側(cè)面反映出THz技術(shù)在食品無損檢測方面具有一定的潛能。但是大多數(shù)食品樣品都為含水的液態(tài)樣品，而水分在太赫茲波段有極強的吸收，這就使得運用傳統(tǒng)的透射式THz時域光譜在對食品樣品進(jìn)行檢測時需要非常繁瑣的預(yù)處理步驟，很難實現(xiàn)連續(xù)的快速檢測[7]。此前便有報道提出了一種基于衰減全反射的太赫茲時域光譜儀，通過樣品與全反射倏逝波的相互作用，獲取樣品的THz光譜[8]，并且證明了衰減全反射式太赫茲光譜與透射式太赫茲光譜是等效的[9]。與傳統(tǒng)的透射式THz光譜技術(shù)相比，其操作更加簡便，且其對于液體樣品檢測的準(zhǔn)確性也能被驗證[10]。

脯氨酸是人體合成蛋白質(zhì)的18種氨基酸之一，常溫下為無色至白色的晶體或結(jié)晶性粉末。其常用于食品領(lǐng)域，可直接用作營養(yǎng)增補劑、食品用香料等，同時也是合成某些食品、飼料添加劑的原料成分[11,12]。不管是在食品添加劑的生產(chǎn)還是運用方面，都需要對其進(jìn)行實時快速的濃度檢測，因此開發(fā)一種準(zhǔn)確、高效、無損的檢測方法具有重要意義。結(jié)合現(xiàn)行檢測方法繁瑣復(fù)雜的特點[13-17]，為了便于樣品的連續(xù)快速檢測，本研究采用基于衰減全反射技術(shù)的太赫茲時域光譜系統(tǒng)(ATR-THz TDS)來對不同濃度的脯氨酸樣品進(jìn)行定量識別研究。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

研究所用的脯氨酸試劑購于美國Sigma-Aldrich公司，純度≥99%，儲存在常溫下。樣品在制備時分別將試劑溶于蒸餾水中配制成21組不同濃度的水溶液(0%～15%)，并選擇15組樣品用于建模，另外6組樣品用作隨機(jī)檢驗。

1.2 光譜測量

該實驗是在含硅棱鏡的TERA K15/SYNC太赫茲時域光譜儀(Menlo Systems GmbH，慕尼黑，德國)上進(jìn)行ATR-THz TDS光譜測量，光譜范圍為0.1～4.0 THz，光譜分辨率>1.2 GHz。該系統(tǒng)工作原理見圖1：在該系統(tǒng)中，飛秒光纖激光器可以發(fā)射小于50 fs的脈沖產(chǎn)生飛秒激光(中心波長為1550 nm，重復(fù)頻率為100 MHz，平均功率為20 mW)，經(jīng)過分光鏡分為探測光及泵浦光兩束光。探測光直接入射至THz探測器的光導(dǎo)天線上，泵浦光通過時間延遲系統(tǒng)后聚焦匯聚至THz發(fā)射器的光導(dǎo)天線上產(chǎn)生THz波，產(chǎn)生的THz波以57°進(jìn)入ATR棱鏡，并且在其與樣品相互作用的表面出現(xiàn)倏逝波，最后產(chǎn)生的攜帶有關(guān)樣品信息的全反射太赫茲脈沖到達(dá)探測光導(dǎo)天線，經(jīng)鎖相放大器后得到THz時域信號。

圖1 衰減全反射太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of terahertz time-domain spectroscopy measurement system based on attenuated total reflection technique

為了避免空氣中水蒸氣對THz波的影響，虛線框中顯示的設(shè)備位于不停充裝氮氣的密封盒中，以確保在測量過程中將樣品的濕度控制在2%左右，實驗在室溫(約294 K)下進(jìn)行。實驗時先使用移液槍將樣品溶液吹打均勻，然后將2 mL的液體樣品快速地加入ATR棱鏡的樣品池中，并立即采取樣品信號。以不含液體樣品的ATR棱鏡作為參考信號，在每次進(jìn)樣前采取。為了減小隨機(jī)誤差，將樣品掃描次數(shù)設(shè)置為2048次平均后作為該樣本的光譜值，且每個樣本信號及參考信號重復(fù)采取3次，將這3次重復(fù)的平均頻譜用于進(jìn)一步分析。在每次上樣前都使用蒸餾水將樣品池清洗干凈，并用氮氣將其吹至干燥。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 光譜提取

圖2 ATR棱鏡內(nèi)部光路示意圖Fig.2 ATR prism internal light path diagram

在ATR棱鏡中(見圖2)，入射的太赫茲脈沖完全反射到棱鏡底部，在靠近樣品-棱鏡界面的樣品內(nèi)部會產(chǎn)生倏逝波，由于倏逝波和樣品的相互作用，可以精確地測量時域信號中的時間延遲(Δφ)以及幅度差(ΔA)。時域信號的傅里葉變換得到頻域中電場的振幅和相位，然后根據(jù)實驗結(jié)果確定頻域內(nèi)的衰減全反射率R(ω)和相位譜φ(ω)[18]：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3.2 定量模型的建立

2 結(jié)果與分析

2.1 脯氨酸溶液的THz-ATR光譜

將實驗測量的結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件，對光譜檢測結(jié)果進(jìn)行簡單的分析整理后做出空白棱鏡(參考信號)、純水和脯氨酸溶液THz時域譜圖，見圖3。

圖3 純水與脯氨酸溶液的THz時域譜圖Fig.3 THz time domain spectra of pure water and proline solution

由圖3可知，利用ATR技術(shù)可以使得由于樣品的強吸收而引起的振幅衰減大大減弱，并且純水中由于脯氨酸的存在而導(dǎo)致了可見的變化，這也顯示了ATR技術(shù)在測量THz區(qū)域中液體樣品方面的優(yōu)勢。

不同濃度下的脯氨酸溶液樣品在0.3～1.0 THz頻段內(nèi)的吸收譜圖見圖4。這些吸收譜圖中的每個都是3個樣品的平均值。受所使用的光譜系統(tǒng)自身性能原因影響，因此光譜頻率從0.3 THz起始；在低于1.0 THz頻率下，復(fù)折射率與結(jié)合水的弛豫動力學(xué)為主，而在1.0 THz以上的高頻下，復(fù)折射率則受高頻振動模式的控制，故在1.0 THz以上的高頻下，樣品對THz波的吸收更為強烈，吸收信號區(qū)分度很小，受噪聲影響嚴(yán)重，因此不在光譜上顯示。

圖4 不同濃度的脯氨酸溶液在0.3～1.0 THz的吸收譜圖Fig.4 Absorption spectra of different concentration of proline solution at 0.3～1.0 THz

由圖4可知，所有濃度樣品的吸收譜圖在0.3～1.0 THz頻段內(nèi)均無明顯特征峰，且它們的形狀相似。在同一濃度下，吸收曲線隨著頻率增加而上升，這是由于樣品自身吸收的原因。在相同頻率下，吸收系數(shù)隨著樣品濃度的增加而降低，這是由于脯氨酸溶液中本體水的絕對量下降，這部分本體水與脯氨酸分子發(fā)生了水合，使得結(jié)合水的弛豫動力學(xué)發(fā)生變化所導(dǎo)致的。為了保證光譜系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，還對純水進(jìn)行了標(biāo)定，通過計算得出純水在1 THz處的吸收系數(shù)為230 cm-1，這符合先前報道中所描述的情況[19,20]。

2.2 脯氨酸溶液濃度的定量識別

綜上所述，在0.5 THz處的復(fù)折射率行為主要由結(jié)合水的弛豫動力學(xué)所決定，因此為了進(jìn)一步研究脯氨酸溶液的濃度與吸收系數(shù)之間的關(guān)系，將使用該頻率下的吸收系數(shù)來評價脯氨酸溶液的濃度，分析了15個濃度的45個樣品(每組濃度3次重復(fù))。0.5 THz處脯氨酸溶液濃度和吸收系數(shù)關(guān)系散點圖見圖5，每個點是同一濃度下3個樣品的平均值，誤差條是每個濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

由圖5可知0.5 THz處的吸收系數(shù)與濃度之間的線性趨勢，并采用SLR方法建立了它們之間的擬合關(guān)系。得到的擬合回歸模型為：y=-1.27x+160.01，R2=0.96，RMSE=4.23，線性關(guān)系良好。在所有情況下，吸收系數(shù)隨著脯氨酸溶液濃度的增加而線性下降，這是由于該頻率區(qū)域內(nèi)的水合動力學(xué)變化導(dǎo)致復(fù)折射率的減小而決定的。

為了進(jìn)一步評價模型性能的優(yōu)劣程度，使用上述建立的擬合回歸模型對6組濃度的18個預(yù)測樣品(每組濃度3次重復(fù))進(jìn)行分析計算得到相應(yīng)的濃度預(yù)測值。將真實值作為橫坐標(biāo)，計算得出的預(yù)測值作為縱坐標(biāo)繪制出散點圖，并進(jìn)行線性回歸分析，建立二者之間的擬合關(guān)系。得到的擬合回歸模型為：y=0.99x-0.13，R2=0.99，RMSE=0.51，線性關(guān)系極好。模型的真實值與預(yù)測值之間的關(guān)系見圖6。

圖6 真值與預(yù)測值關(guān)系圖Fig.6 Relationship graph between actual value and predicted value

由圖6可知，通過SLR方法建立吸收系數(shù)與濃度之間的擬合關(guān)系，得到的回歸模型的預(yù)測濃度與真實值極為接近，表明該模型對未知濃度的脯氨酸溶液的預(yù)測能力非常優(yōu)秀。

3 結(jié)論

采用基于衰減全反射的太赫茲時域光譜法快速地定量分析了不同濃度的脯氨酸溶液，且通過計算分析將這些濃度的脯氨酸溶液在0.3～1.0 THz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行了建模分析，利用SLR方法對在0.5 THz處的樣品濃度及吸收系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析，并且使用所得到的擬合回歸模型對幾組樣品進(jìn)行了濃度預(yù)測。實驗結(jié)果表明，采用SLR方法擬合的模型來評估脯氨酸溶液的濃度其性能非常好，其R2為0.96，RMSE值低，又對預(yù)測樣品的真值與預(yù)測值之間的關(guān)系進(jìn)行了建模，得出其真值與預(yù)測值之間的R2無限接近于1，RMSE值非常低，證明了該分析方法可以得到極好的預(yù)測結(jié)果。此外，該方法與其他方法相比無需進(jìn)行繁瑣的樣品前處理步驟，且上樣簡單方便，便于連續(xù)檢測，是非常理想的THz頻段液態(tài)樣品的檢測方法。總的來說，本研究結(jié)果不僅為脯氨酸水溶液的快速定量識別提供了可行的理論基礎(chǔ)，而且也展露出基于衰減全反射的太赫茲時域光譜技術(shù)對食品加工生產(chǎn)過程中其他液態(tài)成分進(jìn)行實時濃度分析的巨大潛能。