近日，华南理工大学现代食品工程研究中心孙大文院士团队以“An Advanced Deep Learning-Driven Terahertz Metamaterial Sensor for Distinguishing Different Red Wines”为题，在Chemical Engineering Journal（IF2023：13.4，JCR一区，中科院一区）期刊发表了研究性论文（DOI:10.1016/j.cej.2024.158177）。华南理工大学孙大文院士为本文唯一通信作者，华南理工大学蒲洪彬副教授为论文共同作者，华南理工大学2024级博士研究生余静孝为论文第一作者。

成果介绍

太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术因其独特的非接触式检测能力，广泛应用于科学研究和工业检测。然而，它在实际应用中面临两个核心挑战：水的强烈吸收和检测灵敏度不足。幸运的是，结合液体样品承载功能与信号放大能力的太赫兹超材料（THz-MM）技术，为这些难题提供了理想的解决方案。

THz-MM的独特之处在于，通过设计特定的结构，其共振峰的位移能够对痕量物质进行高灵敏检测。然而，目前的研究多集中于复杂结构的设计，对数据本身的深度挖掘尚显不足。为了更好地释放THz-MM数据中的潜力，本研究将深度学习（DL）方法引入THz-MM的数据分析中，进而从原始特征中提取更丰富的信息。

在本研究中，孙大文院士团队设计了一种基于聚酰亚胺衬底的柔性透射型THz-MM，其金属层为金，结构为圆形。研究流程如下：（1）结构优化：对衬底厚度（ST）、金属厚度（MT）和圆环宽度（RW）进行了优化，并评估了THz-MM的原理、稳定性和灵敏度。（2）最佳结构制备：成功制备了最佳结构的THz-MM（ST：16 µm，MT：0.2 µm，RW：6 µm），并从形态、厚度和一致性等方面对其进行了全面表征。（3）浓度预测：结合共振峰位移，实现了花青素（𝑅²＝0.9982）和单宁酸（𝑅²＝0.9736）不同浓度的精准预测。（4）红酒识别：构建共振峰描述符，结合全连接神经网络（FCNN）模型，成功识别了不同品种的红葡萄酒（精确度：91.11%、召回率：90.74%、F1分数：90.83%、准确度：90.74%）。

总之，本研究提出了一种基于DL驱动的THz-MM传感器，不仅提升了THz-TDS技术在食品检测领域的应用能力，也为未来的研究提供了新的方向。这一成果无疑将助力THz-TDS技术迈向更广阔的应用领域。

图1  DL驱动的THz-MM传感器用于区分不同红葡萄酒的示意图

图2  THz-MM结构的设计和优化

图3  THz-MM的原理、稳定性和灵敏度评估

图4  THz-MM的制备和表征

图5  THz-MM预测花青素和单宁酸的浓度

图6 THz-MM分析不同红葡萄酒描述符

图7  THz-MM结合DL区分不同的红葡萄酒

参考文献:

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

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158177

专家介绍

孙大文 院士  华南理工大学

孙大文（Da-Wen Sun），男，广东省潮州人，欧洲历史上唯一的华侨华人 “六院院士” ，中国致公党第十四/十五届中央委员，中国侨联特聘专家，国务院侨务办公室专家咨询委员会委员，全国政协特邀海外列席代表和海外列席组召集人（2012）。欧洲科学院（欧洲人文和自然科学院）（Academia Europaea）院士，爱尔兰皇家科学院（Royal Irish Academy）院士，波兰科学院（Polska Akademia Nauk）外籍院士，国际食品科学院（IAFoST）院士，国际农业与生物系统工程科学院（iAABE）院士，国际制冷科学院院士。施普林格国际著名期刊《食品与生物加工技术》（Food and Bioprocess Technology）创刊者和主编（2008年创刊时即被SCI收录，第二年进入SCI一区， 现影响因子=5.8）、泰勒弗朗西斯集团《现代食品工程》 (Contemporary Food Engineering) 系列丛书创始主编、国际农业工程委员会（CIGR）主席（2013-2014）和荣誉主席、国际农业与生物系统工程科学院（iAABE）创院院长。现任华南理工大学教授，博导，现代食品工程研究中心主任；广东省农产品智能冷链物流装备工程实验室主任、广东省冷链食品智能感知与过程控制工程技术研究中心主任、广东省现代食品工程国际科技合作基地主任、广东省食品智能质控与过程技术装备国际暨港澳台合作创新平台主任、广东省现代农业（农产品无损检测及精深加工）产业技术研发中心主任、广东省农产品品质智能感知与精准控制现代农业科技创新中心主任、广东省农产品保鲜物流共性关键技术研发创新团队首席科学家、广州市农产品智能感知与品质控制重点实验室主任；爱尔兰国立都柏林大学（UCD）食品和生物系统工程终身教授。

荣获国际农业与生物系统工程委员会（CIGR）杰出奖，英国皇家机械工程师学会“食品工程师年度人物”，凤凰卫视“影响世界华人大奖”，国际食品保护协会“冷冻食品基金会冷冻研究奖”，国际工程与食品协会终身成就奖，“CIGR荣誉主席”等多项国际大奖， 2015年至2023年连续九年荣获科睿唯安全球“高被引科学家”称号,并位居美国斯坦福大学“全球前2％科学家”排名中国食品科学与工程入选的三百多位学者名单的第一位。

在世界著名杂志和国际会议上共发表了1000多篇论文，其中，以通讯作者发表并被SCI收录的期刊论文超过700篇，出版专著17部，Web of Science统计的学术h指数为119，SCOPUS统计的学术h指数为129，Google Scholar 统计的学术h指数为152。特别是在高光谱成像、计算机视觉、真空冷却、超声波辅助冷冻和CFD模拟等方面的论文已经成为其他研究者的经典参考文献。71篇论文入选ESI农学“高被引论文”，全球排名第一位（2020.01）。2015年至2023年连续九年荣获科睿唯安全球“高被引科学家”称号，并位居美国斯坦福大学“全球前2％科学家”排名中国食品科学与工程入选的三百多位学者名单的第一位。

2011年底起回到华南理工大学工作以来，迄今为止（2023年07月）在Web of Science网站上可以检索到的文章中，共有342篇是以华南理工大学食品科学与工程学院作为第一作者单位的论文，其中高被引论文50篇，JCR一区论文285篇，影响因子大于6的131篇。高被引论文数占华南理工大学全校和食品科学与工程学院的比例分别为11%和70%。其中2篇入选中国百篇最具影响国际学术论文，为华南理工大学唯一入选的两篇论文。

主持国家“十二五”科技支撑计划项目，国家“十三五”重点研发专项，国家国际科技合作专项，国家自然科学基金，东西部合作重大项目，广东省科技厅，农业农村厅，教育厅等科技计划项目，广州市科技计划项目，企业合作项目等四十多项。授权中国发明专利77件，美英日等发明专利10件，申请国际PCT专利9项。2019年至2023年共为华南理工大学培养科睿唯安全球“高被引科学家”9人次。荣获2014年度广东省科学技术奖一等奖（排名第二），2016年度教育部科技进步奖二等奖（排名第一），2016年度广东省科学技术奖三等奖（排名第一）, 2018年度中国轻工业联合会科学技术进步奖一等奖（排名第二），2018年度广东省科技进步奖一等奖（排名第一），2020年度安徽省科技进步奖二等奖（排名第三）。