本文是一篇机械论文，本论文首先研究了两种典型喹诺酮类抗生素培氟沙星和氟罗沙星的太赫兹光谱特征，然后对鱼粉饲料中的这两种抗生素药物进行了定性定量分析，最后利用太赫兹图谱融合技术对不同种类样本进行了识别研究，取得了一定的进展。
第一章 绪论
1.1. 研究背景及意义
抗生素是指高等动物或者微生物如细菌、放线菌等产生的具有能够抵抗病原体的次级代谢产物，能抑制细菌的生长甚至杀死细菌，是20世纪医学领域最伟大的发明之一。自从英国科学家发现了第一种抗生素-青霉素后，抗生素得到了长足的发展和应用，目前，存在的抗生素种类达到了一万多种[1]。它不仅可以治疗人类疾病[2]，也可以治疗动物疾病，甚至被用作饲料添加剂[3]，预防动物疾病或促进动物生长，提高肉制品的产量[4]，因此，抗生素在畜牧业中也得到广泛的应用。
许多国家在畜牧行业中的抗生素使用量超过了医学行业。世界卫生组织统计，每年全世界有接近90%的抗生素被用于畜牧业中[5]。相关报道显示，2000年，美国共使用16100吨抗生素，用于动物的就占据71%，其中超过90%的猪饲料都添加了抗生素[6]；欧盟每年使用的所有抗生素中，有大约一半的是兽用四环素类[7]；澳大利亚每年都有超过60%的抗生素被用做兽药和饲料添加剂；丹麦1998年使用的170吨抗生素中，有67.8%是用于畜牧业；在肯尼亚，每年用于畜牧业养殖的抗生素有14吨左右[3]。根据市场销售情况，我国是全世界最大的抗生素生产国和销售国，且有很大一部分被用在畜牧业中。2005年化学工业学会统计显示，国内每年有超过一半的抗生素（约10万吨）被用在畜牧养殖[8]。据2015年一份文献记载，2013年我国总共使用的162000吨抗生素中，就有52%用于动物[7]。统计发现所有的药物处方中抗生素药物占比70%以上，与西方国家的33%相比，我国抗生素滥用情况严重[2]。
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1.2. 国内外研究现状及进展
1.2.1. 抗生素常规检测方法研究进展
目前抗生素类物质的常规检测方法包括微生物法、色谱法、毛细管电泳法、免疫分析法、电化学分析法等[13]。
（1）微生物法
微生物法(Microbiological assays，MIA)是传统的抗生素检测方法，通过抗生素抑制微生物的生长程度来检测抗生素浓度。该方法操作过程简单，可以快速筛选抗生素。但存在的缺点有：不同抑菌因子相互干扰导致稳定性差、特异性和灵敏度较低、不容易实现定量分析，且不同的药物需要用不同的微生物进行检测，所以该方法逐渐被淘汰[9]。
（2）高效液相色谱法
高效液相色谱法(High-performance liquid chromatography，HPLC)是20世纪70年代发展起来的一种新型的高效分离技术。该技术以液体为流动相，分析速度快、分离效率高[13]，对于复杂物质具有良好的分离效果，并且能准确的定性定量分析，因此被广泛应用于抗生素的检测。Wang等[20]利用HPLC法对猪肉、鸡肉、牛肉中的八种氟哇诺酮类药物残留进行检测，检出限在0.5~1.1μg/kg之间，Arroyo-Manzanares等[21]利用HPLC法对牛奶中几种磺胺类抗生素进行检测，该方法的检出限低于1.21μg/kg，回收率为90%以上[22]。
（3）高效液相色谱一串联质谱法
高效液相色谱一串联质谱法(High performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry，HPLC-MS)是将液相色谱法和定性能力较强的质谱仪结合在一起的技术，被广泛应用到检测领域中。Hassouan等人利用HPLC-MS技术对猪肾中的8种喹诺酮类抗生素药物残留进行检测，检测限为1-8μg/kg[23]。目前，农业部2349号公告规定饲料中喹诺酮类抗生素的标准检测方法为液相色谱串联质谱法。HPLC和HPLC-MS方法均需要复杂的处理过程。
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第二章 太赫兹光谱技术理论及主要数据分析方法
2.1. 太赫兹光谱技术检测原理
2.1.1. 太赫兹光谱及特性
太赫兹光谱是一种新兴起来的光谱，是指光谱频率在0.1-10THz，波长在0.03-3mm的波段。它处于微波与红外波段之间，是光子学向电子学过渡的电磁波段，同时拥有光子和电子的性质，在电磁波中的位置如图2.1所示[48]。在二十世纪八十年代之前，由于太赫兹波的产生和探测技术还比较欠缺，这一波段尚不被人知道，被称为“太赫兹空隙”。随着低尺度半导体等技术的发展，太赫兹的相关技术得到了有效的改善，该技术受到广泛的关注。2004年，美国将太赫兹技术列为改变未来世界的十大技术之一，排名第四。2014年，在香山会议中，中国称太赫兹技术和纳米技术同样重要，会给人类带来极大的影响[50]。
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2.2. 数据分析方法及模型评价
2.2.1. 光谱参数提取方法
太赫兹时域光谱技术是一种相干探测方法，不仅可以进行强度测量，也可以得到样品的强度和相位信息。
本研究所用仪器得到的原始数据为时域光谱数据，即太赫兹脉冲电场随时间的变化。随后对时域光谱数据进行傅里叶变换得到太赫兹脉冲电场随频域的变化。如下为傅里叶变换公式[57]。
2.2.2. 数据处理方法
（1）光谱预处理方法
利用太赫兹光谱仪采集到的光谱数据会受到仪器、环境中温度和光照等的影响，导致光谱数据存在噪声。为了消除这些噪声干扰，需要对原始数据进行预处理。常用的光谱预处理方法包括：基线校正、标准正态变量变换、导数处理、归一化、多元散射校正、平滑算法等[58]。平滑可以去除噪声的影响，通常，平滑点过大会导致信号失真[59]。本研究使用多项式平滑(Savitzky-Golay，SG)算法进行平滑，该算法利用多项式对固定窗口内的数据进行拟合平滑，多项式的次数和和窗口的宽度是非常重要的两个因素，选择的窗口越大，多项式次数越低，拟合出来的曲线越平滑[60]。该算法利用偏最小二乘找到最佳多项式，使得拟合值与实际偏差最小[61]。
（2）主成分分析法
主成分分析(Principal component analysis，PCA)可以将一系列的高维度光谱数据用几组线性无关的光谱数据表示，这些线性无关的维度就是主成分。因此PCA算法可以实现降维可视化且最大程度的保留有效信息[62]。
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第三章 基于THz-TDS技术的不同物料光谱特性研究 .......................... 18
3.1. 材料和方法 ............................. 18
3.1.1. 材料与设备 .........................18
3.1.2. 样品制备 ...............................19
第四章 基于THz-TDS技术的饲料掺杂抗生素定性判别研究 .............27
4.1. 材料和方法 ..................................27
4.1.1. 材料与设备 ...............................27
4.1.2. 样品制备 .........................27
第五章 基于THz-TDS技术的饲料掺杂抗生素定量预测研究 .................34
5.1. 材料和方法 ...................................34
5.1.1. 材料与设备 ..........................34
5.1.2. 样品制备 ..........................34
第六章 基于太赫兹图谱融合技术的样本可视化判别研究
6.1. 材料和方法
6.1.1. 材料与设备
本实验使用的培氟沙星(CAS:149676-40-4)和氟罗沙星(CAS:79660-72-3)从上海麦克林生化科技有限公司购买；鱼粉饲料从当地超市购买，经检测无抗生素残留；聚乙烯粉末(CAS 9002-88-4)从西格玛-奥尔德里奇公司购买。
该实验使用第二章所述的太赫兹成像系统。二维扫描平移台有X、Y两个方向的平移台，有单向扫描和双向扫描两种方式。单向扫描的时间较长，但能够获得更高的精度；双向扫描时间较短，但精度较低，本实验选择能获得较高精度的单向扫描。平移台的移动通过步进电机控制，在X方向完成一行扫描时，将该行的光谱数据储存到一个TXT文件中，此时，Y方向移动一个步长，依次类推，直到设置区域内所有的点都被扫描完成。扫描完成后，样本的光谱数据是由一系列TXT文档组成，每一个文件以line0、line1、line2、…的形式命名，并最终保存在一个文件夹中。
6.1.2. 样品制备
利用第3章压片样本制备方法分别制备不同种类的混合物，每个压片中的不同物质平均分配，压片种类如表6.1所示。由于每次太赫兹成像之前需要进行坐标的调整以及充入氮气降低测试环境湿度，这个过程是一个复杂耗时的过程，并且每次重新放置样本时，会造成氮气的浪费。所以，在本节中，将12种压片样本放置在一个聚乙烯板上进行一次扫描，成像后只分析对应的样本即可。成像样本如图6.1（a）所示，聚乙烯板上每个压片样本对应的种类如图6.1（b）所示。
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第七章 结论与展望
7.1. 研究结论
饲料中抗生素的过度添加对动物健康生长以及人类食品安全构成了严重威胁，现有的抗生素检测方法有各自的局限性，因此，寻找一种新型、高灵敏度、高效的抗生素检测方法是必要的。本论文以两种典型喹诺酮类抗生素培氟沙星和氟罗沙星为研究对象，利用太赫兹光谱技术对鱼粉饲料中的这两种抗生素种类和含量进行了初步研究。首先得到了这两种抗生素在太赫兹波段的吸收特性，然后对鱼粉饲料中这两种抗生素进行了定性定量分析，最后探索利用太赫兹图谱融合技术对不同样本进行识别的可行性。研究结论如下：
（1）对两种抗生素纯净物的太赫兹光谱特性进行了分析，并且研究了它们与鱼粉饲料按照不同浓度混合后的太赫兹光谱的变化规律。可知，培氟沙星和氟罗沙星对太赫兹波都有明显吸收峰，培氟沙星的吸收峰为0.775和0.988THz，氟罗沙星的吸收峰为0.919和1.088THz，且培氟沙星的吸收峰强度比氟罗沙星的强度强。将它们与鱼粉饲料混合时，吸收峰依然存在，且吸收峰处吸收系数强度会随着浓度的增加而增加，说明适合进一步进行定性定量分析。
（2）先后对两种二元混合物和三种混合物进行了分类判别研究。利用SPA降维算法提取出特征频率后，分别利用SVM、BPNN模型进行分类判别。结果显示，对两种二元混合物进行二分类时，判别效果较好，SVM模型的分类准确率达到97.06%。加入三元混合物进行三分类时，判别准确率降低，使用SPA结合BPNN算法取得了最佳的判别准确率，为80.25%。
（3）分别利用全谱-PLS、SPA-BPNN、SPA-MLR、SPA-LSSVM回归模型结合吸收系数、频域数据对培氟沙星-鱼粉饲料、培氟沙星-氟罗沙星-鱼粉饲料中的培氟沙星含量和氟罗沙星-鱼粉饲料、氟罗沙星-培氟沙星-鱼粉饲料中的氟罗沙星含量进行预测，从单一抗生素存在和两种抗生素共存两种角度对鱼粉饲料中的这两种抗生素添加含量进行分析，预测结果良好。说明利用太赫兹光谱技术不仅可以对鱼粉饲料中的这两种抗生素含量进行预测，在多种抗生素共存时也可以同时进行检测。为以后利用太赫兹技术对多种抗生素的同时检测提供了理论基础。
参考文献（略）