近日，華南理工大學(xué)現(xiàn)代食品工程研究中心孫大文院士團(tuán)隊(duì)以“An Advanced Deep Learning-Driven Terahertz Metamaterial Sensor for Distinguishing Different Red Wines”為題，在Chemical Engineering Journal（IF2023：13.4，JCR一區(qū)，中科院一區(qū)）期刊發(fā)表了研究性論文（DOI:10.1016/j.cej.2024.158177）。華南理工大學(xué)孫大文院士為本文唯一通信作者，華南理工大學(xué)蒲洪彬副教授為論文共同作者，華南理工大學(xué)2024級博士研究生余靜孝為論文第一作者。

成果介紹

太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）技術(shù)因其獨(dú)特的非接觸式檢測能力，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)檢測。然而，它在實(shí)際應(yīng)用中面臨兩個(gè)核心挑戰(zhàn)：水的強(qiáng)烈吸收和檢測靈敏度不足。幸運(yùn)的是，結(jié)合液體樣品承載功能與信號放大能力的太赫茲超材料（THz-MM）技術(shù)，為這些難題提供了理想的解決方案。

THz-MM的獨(dú)特之處在于，通過設(shè)計(jì)特定的結(jié)構(gòu)，其共振峰的位移能夠?qū)哿课镔|(zhì)進(jìn)行高靈敏檢測。然而，目前的研究多集中于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對數(shù)據(jù)本身的深度挖掘尚顯不足。為了更好地釋放THz-MM數(shù)據(jù)中的潛力，本研究將深度學(xué)習(xí)（DL）方法引入THz-MM的數(shù)據(jù)分析中，進(jìn)而從原始特征中提取更豐富的信息。

在本研究中，孫大文院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于聚酰亞胺襯底的柔性透射型THz-MM，其金屬層為金，結(jié)構(gòu)為圓形。研究流程如下：（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：對襯底厚度（ST）、金屬厚度（MT）和圓環(huán)寬度（RW）進(jìn)行了優(yōu)化，并評估了THz-MM的原理、穩(wěn)定性和靈敏度。（2）最佳結(jié)構(gòu)制備：成功制備了最佳結(jié)構(gòu)的THz-MM（ST：16 μm，MT：0.2 μm，RW：6 μm），并從形態(tài)、厚度和一致性等方面對其進(jìn)行了全面表征。（3）濃度預(yù)測：結(jié)合共振峰位移，實(shí)現(xiàn)了花青素（??²＝0.9982）和單寧酸（??²＝0.9736）不同濃度的精準(zhǔn)預(yù)測。（4）紅酒識別：構(gòu)建共振峰描述符，結(jié)合全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FCNN）模型，成功識別了不同品種的紅葡萄酒（精確度：91.11%、召回率：90.74%、F1分?jǐn)?shù)：90.83%、準(zhǔn)確度：90.74%）。

總之，本研究提出了一種基于DL驅(qū)動的THz-MM傳感器，不僅提升了THz-TDS技術(shù)在食品檢測領(lǐng)域的應(yīng)用能力，也為未來的研究提供了新的方向。這一成果無疑將助力THz-TDS技術(shù)邁向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1  DL驅(qū)動的THz-MM傳感器用于區(qū)分不同紅葡萄酒的示意圖

圖2  THz-MM結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

圖3  THz-MM的原理、穩(wěn)定性和靈敏度評估

圖4  THz-MM的制備和表征

圖5  THz-MM預(yù)測花青素和單寧酸的濃度

圖6 THz-MM分析不同紅葡萄酒描述符

圖7  THz-MM結(jié)合DL區(qū)分不同的紅葡萄酒

參考文獻(xiàn):

An Advanced Deep Learning-Driven Terahertz Metamaterial Sensor for Distinguishing Different Red Wines

Jingxiao Yu, Hongbin Pu, Da-Wen Sun*

Chemical Engineering Journal

DOI: 10.1016/j.cej.2024.158177

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158177

專家介紹

孫大文 院士  華南理工大學(xué)

孫大文（Da-Wen Sun），男，廣東省潮州人，歐洲歷史上唯一的華僑華人 “六院院士” ，中國致公黨第十四/十五屆中央委員，中國僑聯(lián)特聘專家，國務(wù)院僑務(wù)辦公室專家咨詢委員會委員，全國政協(xié)特邀海外列席代表和海外列席組召集人（2012）。歐洲科學(xué)院（歐洲人文和自然科學(xué)院）（Academia Europaea）院士，愛爾蘭皇家科學(xué)院（Royal Irish Academy）院士，波蘭科學(xué)院（Polska Akademia Nauk）外籍院士，國際食品科學(xué)院（IAFoST）院士，國際農(nóng)業(yè)與生物系統(tǒng)工程科學(xué)院（iAABE）院士，國際制冷科學(xué)院院士。施普林格國際著名期刊《食品與生物加工技術(shù)》（Food and Bioprocess Technology）創(chuàng)刊者和主編（2008年創(chuàng)刊時(shí)即被SCI收錄，第二年進(jìn)入SCI一區(qū)， 現(xiàn)影響因子=5.8）、泰勒弗朗西斯集團(tuán)《現(xiàn)代食品工程》 (Contemporary Food Engineering) 系列叢書創(chuàng)始主編、國際農(nóng)業(yè)工程委員會（CIGR）主席（2013-2014）和榮譽(yù)主席、國際農(nóng)業(yè)與生物系統(tǒng)工程科學(xué)院（iAABE）創(chuàng)院院長。現(xiàn)任華南理工大學(xué)教授，博導(dǎo)，現(xiàn)代食品工程研究中心主任；廣東省農(nóng)產(chǎn)品智能冷鏈物流裝備工程實(shí)驗(yàn)室主任、廣東省冷鏈?zhǔn)称分悄芨兄c過程控制工程技術(shù)研究中心主任、廣東省現(xiàn)代食品工程國際科技合作基地主任、廣東省食品智能質(zhì)控與過程技術(shù)裝備國際暨港澳臺合作創(chuàng)新平臺主任、廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（農(nóng)產(chǎn)品無損檢測及精深加工）產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心主任、廣東省農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)智能感知與精準(zhǔn)控制現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心主任、廣東省農(nóng)產(chǎn)品保鮮物流共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家、廣州市農(nóng)產(chǎn)品智能感知與品質(zhì)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任；愛爾蘭國立都柏林大學(xué)（UCD）食品和生物系統(tǒng)工程終身教授。

榮獲國際農(nóng)業(yè)與生物系統(tǒng)工程委員會（CIGR）杰出獎，英國皇家機(jī)械工程師學(xué)會“食品工程師年度人物”，鳳凰衛(wèi)視“影響世界華人大獎”，國際食品保護(hù)協(xié)會“冷凍食品基金會冷凍研究獎”，國際工程與食品協(xié)會終身成就獎，“CIGR榮譽(yù)主席”等多項(xiàng)國際大獎， 2015年至2023年連續(xù)九年榮獲科睿唯安全球“高被引科學(xué)家”稱號,并位居美國斯坦福大學(xué)“全球前2％科學(xué)家”排名中國食品科學(xué)與工程入選的三百多位學(xué)者名單的第一位。

在世界著名雜志和國際會議上共發(fā)表了1000多篇論文，其中，以通訊作者發(fā)表并被SCI收錄的期刊論文超過700篇，出版專著17部，Web of Science統(tǒng)計(jì)的學(xué)術(shù)h指數(shù)為119，SCOPUS統(tǒng)計(jì)的學(xué)術(shù)h指數(shù)為129，Google Scholar 統(tǒng)計(jì)的學(xué)術(shù)h指數(shù)為152。特別是在高光譜成像、計(jì)算機(jī)視覺、真空冷卻、超聲波輔助冷凍和CFD模擬等方面的論文已經(jīng)成為其他研究者的經(jīng)典參考文獻(xiàn)。71篇論文入選ESI農(nóng)學(xué)“高被引論文”，全球排名第一位（2020.01）。2015年至2023年連續(xù)九年榮獲科睿唯安全球“高被引科學(xué)家”稱號，并位居美國斯坦福大學(xué)“全球前2％科學(xué)家”排名中國食品科學(xué)與工程入選的三百多位學(xué)者名單的第一位。

2011年底起回到華南理工大學(xué)工作以來，迄今為止（2023年07月）在Web of Science網(wǎng)站上可以檢索到的文章中，共有342篇是以華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院作為第一作者單位的論文，其中高被引論文50篇，JCR一區(qū)論文285篇，影響因子大于6的131篇。高被引論文數(shù)占華南理工大學(xué)全校和食品科學(xué)與工程學(xué)院的比例分別為11%和70%。其中2篇入選中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文，為華南理工大學(xué)唯一入選的兩篇論文。

主持國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)，國家國際科技合作專項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金，東西部合作重大項(xiàng)目，廣東省科技廳，農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳，教育廳等科技計(jì)劃項(xiàng)目，廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目，企業(yè)合作項(xiàng)目等四十多項(xiàng)。授權(quán)中國發(fā)明專利77件，美英日等發(fā)明專利10件，申請國際PCT專利9項(xiàng)。2019年至2023年共為華南理工大學(xué)培養(yǎng)科睿唯安全球“高被引科學(xué)家”9人次。榮獲2014年度廣東省科學(xué)技術(shù)獎一等獎（排名第二），2016年度教育部科技進(jìn)步獎二等獎（排名第一），2016年度廣東省科學(xué)技術(shù)獎三等獎（排名第一）, 2018年度中國輕工業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎（排名第二），2018年度廣東省科技進(jìn)步獎一等獎（排名第一），2020年度安徽省科技進(jìn)步獎二等獎（排名第三）。