水体细菌微生物多波长散射光谱快速定量检测

通过分析细菌细胞的结构特征,将细菌菌体的多波长散射分为外部结构散射和内部结构散射两个部分,建立了细菌菌体前向散射光谱解释模型。利用该模型对大肠杆菌400～900 nm波段的前向散射光进行了快速解析,得到了大肠杆菌外部结构、内部结构的平均粒径大小及两结构占细菌体前向散射的比例;基于单细胞的散射光密度与整体细菌悬浮液光密度之间的关系可以快速检测出细菌的浓度。多次细菌浓度测量结果之间的最大差异为1.83%,且与平板法相比较,测量结果在同一量级,相对误差为3.44%。对不同生长时期的大肠杆菌和肺炎克雷伯菌进行了光谱解析,得到了两种细菌浓度及菌体大小随时间的变化曲线。研究结果不仅为细菌微生物生长过程的科学研究提供了一种快捷方法,而且为水体细菌微生物的快速检测与预警提供了技术手段。     

农药荧光全光谱检测与分析系统研究

基于有机物农药的荧光机理,利用光纤传感技术、光栅分光技术和多通道图像传感器(Multi-Channel ImageSensor)技术提出了一种用于有机农药的荧光全光谱检测与分析系统。系统以脉冲氙灯为激发光源,采用光纤进行传输和探测荧光,以自制的小型平场光谱仪对荧光进行色散分光,并设计了相应的高速数据采集电路,实验结果由微机进行分析。利用该系统实现了对西维因农药的荧光光谱的检测和荧光强度与农药浓度的分析。结果表明,以319nm波长紫外光为激发光,一次曝光可获得西维因农药的荧光光谱,光谱带宽为160nm;系统的最小检测浓度为4.0×10-3mg/L,农药浓度在4.0×10-3~100.0×10-3mg/L之间时系统具有较好线性关系,线性相关系数r为0.9986。用该仪器对河水和地下水中痕量西维因进行了测量,回收率接近100%。     

基于荧光成像技术的土壤芳香烃总量快速检测方法

针对土壤芳香烃总量快速检测难题，研究了基于荧光成像技术的土壤芳香烃荧光信号获取、特征提取方法和质量分数总量反演的方法。基于发光二极管(LED)紫外激发光源、面阵CCD相机、透镜等器件搭建了实验系统，获得了最佳光源激发能量、激发角度等参数，并对实验系统检测能力进行了分析。利用这一实验系统获取了质量分数范围为0～25000×10^-6的标准土壤中机油的系列荧光图像，基于高斯降噪处理和最大类间方差法研究了图像噪声抑制与荧光信号提取方法，建立了标准土壤中机油芳香烃总量的反演模型，并利用反演模型对待测样本的机油芳香烃总量进行了预测。结果表明：总量反演模型的决定系数(R2)达到了0.9889，检测限为82.18，对20个样品测试的误差基本在12%以内。     

基于荧光分析的氨基甲酸酯类农药残留检测系统

通过对氨基甲酸酯类农药在紫外光照射下能够产生荧光的机理研究,设计了一种用于检测氨基甲酸酯类农药残留的荧光系统。该系统采用单光源、双光路结构,能够对测量信号和参考信号同时进行处理。采用所设计的筒式光纤探头激发并探测荧光,设计了相应的信号处理电路,实现了计算机管理。利用该系统和稳态光谱仪对西维因进行了对比实验。结果表明:在激发波长为319nm、荧光波长为654nm时,最小检测浓度为5×10-7μg/L。当西维因浓度范围在0.0～120.0μg/L之间时,系统具有较好的线性关系,线性相关系数r=0.9996(信噪比S/N=5)。该系统达到了荧光检测的指标。     

特征荧光光谱法定量检测水质的研究

讨论了一种可同时检测自然水体中有机物和叶绿素a含量的快速分析方法。以武汉东湖水为样品,采用激光诱导荧光(LIF)的方法测量了水体的总荧光光谱(TLS);并用特征光谱荧光标记(SFS)技术对水体中溶解的有机物(DOM)及叶绿素a (Chl-a)的荧光光谱特征进行了分析和指认。并利用水的拉曼散射信号强度进行归一化的方法,分别得到较低浓度腐殖酸和叶绿素a的特征光谱归一化荧光强度以及它们在水体中浓度的标定曲线和线性关系式。另外, 对于较高浓度的腐殖酸溶液,确定了其特征光谱的荧光强度与浓度之间满足的函数关系。结果表明,在一定的浓度范围内,特征光谱的荧光强度与浓度之间仍然有很好的线性关系。该方法在自然水体质量的检测方面有广泛的应用前景,它能快速识别水体中的污染物,定量测量它们在水体中的含量,实现对自然水体的质量状况进行大范围的实时动态监测。     

基于多波长透射光谱法的水体细菌微生物检测能力初步研究

搭建的水体细菌微生物多波长透射光谱快速测量实验系统,实验获取了肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在不同浓度下220～900 nm范围内的多波长透射光谱,研究建立了三种细菌基于不同波长点及全光谱波段的浓度校准曲线,计算了肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的检测限,并与紫外-可见分光光度计测量分析结果进行了对比。结果表明,实验系统与紫外-可见分光光度计测量光谱线性相关系数在0.999 8以上,具有非常好的一致性,且30次光谱信号采集时间仅需15 s;基于实验系统分析得到三种细菌在220,258,300,350,400,450,500和550 nm不同波长点以及全光谱波段的检测限结果均优于紫外-可见分光光度计,且利用多波长透射光谱全光谱波段计算得到的细菌检测限均最低,其中：肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的检测限分别为1.60×104,1.06×104和1.16×104 cells·mL-1。研究结果为进一步发展水体细菌微生物的多波长透射光谱快速定量检测技术提供了基础数据。     

水体细菌微生物多波长透射光谱解析模型EI北大核心CSCD

细菌多波长透射光谱包含有细菌结构、组分、浓度等信息,这些特征信息的有效提取是实现细菌微生物快速识别与检测的基础。以水体常见的大肠埃希氏菌(大肠杆菌)为研究对象,采用紫外-可见分光光度法获得了其多波长透射光谱;基于Mie散射理论,在充分考虑水体大肠杆菌散射和吸收特性的基础上,构建了240~900nm波段范围内细菌微生物多波长透射光谱的解析模型;基于该模型对250~750nm特征波段范围内的光谱进行解析,获得了大肠杆菌的体积、粒径、结构及浓度等相关参数,并将这些参数与文献及实验得到的结果进行了对比验证。结果表明,建立的多波长透射光谱解析模型能够准确表征水体细菌微生物的光谱特征,该模型可为水体细菌微生物的快速识别分析和检测提供关键数据。     

常见食用油和煎炸食用油的激光诱导荧光光谱特性

为了实现地沟油的快速检测,利用激光诱导荧光探测技术搭建了食用油类快速检测系统。对多种食用油和煎炸食用油(地沟油的一种)进行了光谱采集,建立了多种食用油和煎炸食用油的荧光光谱数据库,发现煎炸食用油的特征荧光光谱与常见食用油之间存在较大差异,在此基础上利用主成分分析法和BP神经网络实现了油类识别、地沟油的快速检测,总体识别率高达97.5%。实验证明激光诱导荧光光谱技术具有快速非接触和灵敏度高等优点,与BP神经网络相结合能够实现油类的快速识别,成为地沟油快速检测的一种新方法。     

人血清血卟啉荧光光谱的双正交样条小波识别

人血清中血卟啉含量很低,其荧光光谱强度很弱,往往呈肩峰形态,难以识别其位置和荧光强度。双正交样条小波可实现对其弱信号的分辨。在血清背景荧光光谱上叠加血卟啉荧光信号,并改变其荧光强度,得到一系列强度改变的 血清血卟啉荧光光谱。用双正交样条小波bior5.5对获取的荧光光谱通过7次小波分解,将背景与卟啉荧光信号分离,得到了离散逼近信号(a₁～a₇)和离散细节信号(d₁～d₇)。结果 表明,信号频率随着分解次数的增加逐步降低。当分解到第7次时,出现了血卟啉荧光特征峰。信号峰的位置随着信号强度的下降蓝移约2.5 nm,而通过小波滤波器提取的信号峰的位置不变。随着信号的强度降低,信号峰的位置逐渐消失 ,因而其荧光强度与荧光峰的位置无法确定,而通过小波滤波器提取的信号则不受影响,且灵敏度高,从而实现了用双正交样条小波对人血清血卟啉荧光光谱的识别。由于小波变换是线性变换,离散细节信号保持信号原有的线性关系,可 以用来对血清中所含血卟啉的准确成份和定量信息,从而进行定性和定量分析,为血清荧光光谱用于肿瘤的早期诊断提供了一种方法。     

基于碳量子点和罗丹明B的新型比率荧光试纸片检测水中Hg(Ⅱ)

水环境中Hg(Ⅱ)的污染对生态环境和人类健康危害极大,目前Hg(Ⅱ)的检测主要有原子光谱/质谱和电化学等方法,但存在检测仪器昂贵、操作繁琐及前处理复杂等缺点,难以在日常水环境中微量Hg(Ⅱ)现场检测的应用。因此,建立一种灵敏、准确、快捷和经济的水中Hg(Ⅱ)检测方法具有重要意义。试纸法是将普通的化学反应从玻璃仪器转移到试纸上进行的一种快速检测方法,利用试剂与目标物之间产生的化学反应,通过颜色的变化可对目标物进行定性或半定量检测,具有操作简便、快速等优点。碳量子点是一类粒径小于10 nm的碳基纳米材料,具有优异的荧光性能、较低的毒性和较高的化学稳定性。利用Hg(Ⅱ)对碳量子点的荧光具有灵敏和高效的猝灭作用,构建了一种双色比率荧光试纸片用于快速检测水中微量Hg(Ⅱ)的含量。其中,采用氮掺杂水溶性碳量子点（NCDs）作为荧光响应信号、罗丹明B（RhB）作为荧光内标信号,在单一波长（355 nm）激发下产生位于440和580 nm的双色荧光发射峰。当体系加入不同浓度Hg(Ⅱ)后,NCDs表面官能团与Hg(Ⅱ)之间的静电作用和金属配位协同作用使荧光发生猝灭,而RhB的荧光信号保持不变,利用440和580 nm双色荧光信号或其强度的比值（F₄₄₀/F₅₈₀）,可实现对微量Hg(Ⅱ)的快速检测。实验对检测条件进行了优化,结果表明在HAc-NaAc缓冲液浓度为1 mmol·L-1、pH为7的条件下,F₄₄₀/F₅₈₀值与Hg(Ⅱ)浓度（0～3 μmol·L-1）呈现良好的线性关系,线性方程为F₄₄₀/F₅₈₀=-0.785 2ｃ_Hg(Ⅱ)+3.103 8,相关系数r＞0.99,以3倍标准偏差计算的检出限为2.7 nmol·L-1(n=9)。对湖水与自来水中Hg(Ⅱ)进行加标回收实验,其加标回收率在91.9%～117.9%之间,说明该方法灵敏、准确,能用于水中Hg(Ⅱ)的检测。同时,将NCDs和RhB浸渍于尼龙片上构建了双色比率荧光检测试纸片,在紫外灯（365nm）照射下可观测到试纸发射淡蓝紫色荧光。而随着Hg(Ⅱ)浓度的增加,荧光颜色从淡蓝紫色到橙色发生变化,每次检测时间只需3分钟,裸眼可检出Hg(Ⅱ)浓度低至10 nmol·L-1,实现了对水中微量Hg(Ⅱ)的灵敏、快速检测。此外,该方法对Hg(Ⅱ)的检测表现出良好的特异性。因此,基于碳量子点和罗丹明B构建的双色比率荧光试纸片具有携带方便、操作简单,以及灵敏和快速等优点,为水中微量Hg(Ⅱ)的快速检测提供了新的方法和思路。     

基于ICCD的快速荧光显微成像技术及在活细胞研究中的初步应用

利用像增强型CCD、氩离子激光器和氙灯等建立了一套快速荧光显微成像系统,并初步应用于活细胞研究。实时观测和拍摄了大鼠脑微血管内皮细胞增殖分裂过程中细胞内钙敏感荧光探针Fluo-3标记的钙离子浓度分布快速变化的图像,并选取动态图像中四个典型的点给出荧光强度灰度值的变化曲线。该系统可用于高灵敏实时记录活细胞内基于荧光显微成像的快速变化过程,为活细胞的研究提供了一种很好的观察和分析手段。     

水体细菌微生物种类快速鉴别方法研究

紫外可见多波长透射光谱包含了细菌微生物对光的吸收和前向散射等信息,能反映细菌细胞的组分、大小以及形态等特征,具有细菌种属的特异性,可应用于细菌微生物的快速种类鉴别。以水体中常见细菌微生物为研究对象,实验测量了大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌以及肺炎克雷伯菌的紫外可见多波长透射光谱,简要分析了不同种类细菌微生物的多波长透射光谱特征;研究了透射光谱与支持向量机多向量分析方法相结合的水体细菌微生物快速识别方法,利用基于网格搜索法的训练集内部交叉验证获取建模所需最佳惩罚因子C和核函数参数g,根据最优参数和LibSVM一对一多分类法建立细菌快速分类鉴别模型。利用不同株实验细菌的透射光谱作为测试集对所建模型进行识别正确率的验证,结果表明,所建立的快速分类鉴别模型可以对选取的大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌以及肺炎克雷伯菌进行快速种类识别,识别正确率为100%;分类鉴别模型对不同大肠杆菌亚种的测试集识别正确率为100%,证明该模型对细菌属间鉴别具有较好的稳定性。不仅可为饮用水源细菌微生物的快速识别预警提供方法,而且可在生物医学方面作为细菌微生物鉴别的一种简便、快速、准确的手段。     

基于量子点和倏逝波的汞离子检测光纤传感器

为了满足对环境中重金属污染物汞离子的快速、现场及高灵敏度检测需求,利用汞离子对量子点产生荧光猝灭效应,结合光纤倏逝波传感原理,自主研发了一套可用于汞离子检测的全光纤传感器。其主要由光纤探针、光学系统和信号处理系统构成,实现了荧光信号的激发、探测以及光电信息的处理和获取。实验表明该传感器对汞离子的检出限可达到1nmol/L,且在1nmol/L至500nmol/L的浓度范围内,量子点的荧光猝灭率随汞离子的浓度对数呈线性变化规律,线性相关度为0.9867。同时,离子抗干扰实验证实了该传感器对汞离子具有良好的选择性识别检测能力,将其应用于实际水样检测的加标回收率为90.1%~97.3%。该传感系统灵敏度高、响应速度快,可以实现远程探测和实时监测,且有利于仪器的集成和小型化,在重金属离子污染检测等领域具有广阔的应用前景。     

多波长透射光谱特征提取结合支持向量机的水体细菌识别方法研究

实现水体致病菌的快速识别检测对防控由水体微生物污染引起的大规模疾病爆发有重要的现实意义。生化鉴定、核酸检测等常规细菌检测方法存在耗费时间长、需要精密的实验仪器等特点,不足以满足水体细菌微生物的快速实时在线监测。由于细菌的多波长透射光谱包含较丰富的特征信息,并且这项光谱检测技术具有快速简便、无接触、无污染等优点,近年来成为细菌检测研究的热点。以肺炎克雷伯氏菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌、铜绿假单胞菌和大肠埃希氏菌为研究对象,通过对细菌光谱作归一化处理和方差分析得到光谱变动最显著的特征波长区间,在该区间提取200 nm处的吸光度值及短波段的斜率值作为光谱特征值,结合支持向量机对不同种类细菌进行预测。结果表明,多波长透射光谱的归一化预处理能够有效消除浓度影响,并保留完整的原始光谱信息;通过方差分析法得到特征波长区间为200～300 nm波段,在此区间内提取的五种细菌的归一化光谱趋势图的特征值分别为：200 nm处吸光度值为0.006 5,0.005 1,0.007 5,0.007 5和0.008 5,200～245 nm波段的斜率值为-62.45,-35.94,-81.30,-82.67和-103.49,250～275 nm波段处的斜率值为-15.48,-14.82,-20.91,-13.92和-26.21,280～300 nm波段处的斜率值为-29.96,-24.62,-33.71,-36.09和-30.88。对样本提取特征值并随机划分训练集和测试集,支持向量机选择惩罚因子模型以及线性核函数,通过寻优算法确定最佳的惩罚因子参数c和核函数参数g,对测试集样本进行测试,得到细菌种类的识别结果,五种细菌的预测准确率均达到100.0%。综上所述,水体致病菌的多波长透射光谱通过合适的数据预处理能够提取出具有明显差异性的光谱特征值,该光谱特征值结合支持向量机能够有效用于不同细菌种类的识别,该方法为水体细菌快速识别和实时在线监测提供了重要的技术支持。     

基于氧化石墨烯荧光适体传感器的多巴胺检测

以修饰有荧光基团(FAM)的多巴胺核酸适体作为识别元件,氧化石墨烯为猝灭剂,构建了光学适体传感器用于检测多巴胺。通过π-π堆积作用力,氧化石墨烯以共振方式把核酸适体上FAM能量转移到其表面,荧光信号消失;加入多巴胺后荧光恢复,荧光强度恢复的大小与多巴胺浓度呈正相关关系。实验优化结果表明,在反应时间5 min和10μg/mL氧化石墨烯条件下,氧化石墨烯可以达到对FAM的最高猝灭效率;25min孵育后,多巴胺恢复荧光强度达到稳定;传感器线性检测范围为1~500μmol/L,检测限达到1μmol/L。所制备传感器具有检测范围宽、检测速度快、特异性强以及检测成本低等优点。     

阿维菌素原药及制剂溶液的荧光光谱特征研究

针对农业生产中阿维菌素过度使用造成的农作物农药残留超标问题，利用JASCO FP8300荧光分光光度计对阿维菌素农药溶液进行荧光光谱检测，分析阿维菌素原药溶液及制剂溶液的荧光光谱特征，为实现阿维菌素的快速检测提供数据参考。实验首先通过分析原药溶液和两种来自不同生产厂家的制剂溶液的三维荧光光谱，对比荧光特征峰的位置异同，判断阿维菌素荧光特征峰的区域为Ex=250~290 nm，Em=280~320 nm，最佳激发波长为270 nm。接着，选定Ex=270 nm作为最佳激发波长对原药溶液及制剂溶液进行二维荧光光谱检测，得到相应的二维荧光光谱数据。根据光谱数据，分析阿维菌素荧光特征峰处荧光强度值随着溶液浓度变化的规律，将相关数据拟合，得出关于阿维菌素荧光特征峰值与对应溶液浓度值的预测模型。由数据分析结果得知，阿维菌素原药溶液在10～35 mg·L-1浓度范围内预测模型的R2为0.999，预测结果的均方根误差RMSE为0.359 mg·L-1；两种不同厂家生产的阿维菌素制剂溶液在10～35 mg·L-1浓度范围内预测模型的R2分别为0.935，0.985，预测结果的均方根误差RMSE分别为1.945和0.858 mg·L-1。实验表明，制剂中其他填充剂及助剂等成分不会造成制剂中阿维菌素有效成分的荧光效应失效，并且能够通过荧光强度值来反映阿维菌素的浓度，进一步验证了利用荧光光谱对阿维菌素含量进行检测的可行性。     

水体细菌微生物多波长透射光谱特征分析研究

多波长透射光谱能够反映出样品细胞大小、形状、内部结构和化学组分等丰富而独特的信息,是微生物快速、实时、在线检测与识别的有利工具。将多波长透射光谱技术应用于水体致病性细菌微生物的快速有效检测对控制水体细菌微生物污染及保护饮用水源水质安全具有重要的现实意义。为了建立及发展基于多波长透射光谱技术的水体致病性细菌微生物快速有效的检测方法,采用紫外-可见分光光度计获取了多种水体致病性细菌微生物(如： 肺炎克雷伯氏菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)在200～900 nm波段的多波长透射光谱,对比分析了不同细菌及同种细菌在不同浓度时的多波长透射光谱特征。结果表明： 对于同种细菌,当细菌浓度发生变化时,400～900 nm波段透射光谱形状较为一致,并且在400,450,500和550 nm波长处的光密度值与浓度具有很好的线性关系,该波段由细菌体的散射起主要作用;但在200～400 nm波段范围内,细菌透射光谱的形状随细菌浓度的变化而变化,在200,258,300和350 nm波长处的光密度值与细菌浓度分别具有很好的二次多项式关系。根据微粒的Mie散射理论,采用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘方法对测得的四种细菌透射光谱进行了散射光谱和吸收光谱拟合,并对比分析了不同细菌散射光谱特征和吸收光谱特征,结果表明： 四种细菌散射光谱的特征峰均在245 nm波长处,但该波长处的光密度值具有明显差异性,这与不同细菌外部结构及内部结构细胞器的大小、形状等不同有关;而四种细菌吸收光谱特征峰均在260 nm波长处,且不同细菌在240～400 nm波段内吸收光谱也具有明显差异性,这与不同细菌细胞内的核酸、蛋白质等化学组分含量不同有关。该研究表明对于不同种细菌及具有不同浓度的同种细菌,测得的多波长透射光谱及计算出的散射光谱和吸收光谱特征都具有明显的不同,通过多波长透射光谱解析可以获得细菌多种特征参数,多波长透射光谱可以被用于快速有效检测水体中的致病性细菌微生物。该研究为发展水体细菌微生物快速在线监测仪提供了重要依据。     

基于EMD和数学形态学的多环芳烃光谱去噪EI北大核心CSCD

基于多环芳烃中苯并[k]荧蒽(BkF)的强荧光特性,构建了荧光检测实验系统,并制备了10个不同浓度的BkF甲醇溶液样品,分析了样品荧光特性。为了更好地进行定性和定量分析,采用经验模态分解(EMD)改进阈值法结合数学形态学对荧光光谱信号进行去噪处理,并与EMD阈值去噪法进行对比。结果表明,提出的方法使去噪后的荧光光谱更加平滑,荧光强度与样品浓度的线性相关系数更高,达到0.99746;信噪比有所提高;原始信号与去噪后信号的均方误差由0.0053降低至0.0012。提出的方法去噪效果显著,有效地提高了光谱的分析精度,为荧光光谱预处理提供了一种新方法。     

基于顺序形态变换的生物芯片图像网格化

生物芯片图像网格化是对由生物芯片扫描得到的荧光成像中的信号(Foreground)和背景(Background)进行划分,以便提取各点的吸光度值、面积和吸光度比等荧光点的数据。网格化的准确与否决定了数据提取的正确性。提出了一种运用顺序形态变换理论实现生物芯片荧光图像网格化的方法,通过对百分位值在0~1之间的顺序形态进行变换,可实现像素灰度的极小值、中间值等多刻度值的灰度取值运算。理论分析表明,该算法能够识别信号与背景的边界,可去除噪声等非边界信息,能判断信号区域,可确定荧光点的边界和范围,可实现荧光点阵图像的网格化。试验结果表明,该算法对不同信噪比的荧光图像来说有很强的适应性,可用于高密度生物芯片图像的处理。     

基于深度卷积神经网络的红外船只目标检测方法

针对红外船只图像较模糊导致的识别率低、识别速度慢等问题,提出了一种基于深度卷积神经网络(CNN)的检测算法。首先采用标记分水岭分割算法提取红外船只图像中的连通区域,并对原图相应的目标位置进行标记和归一化处理,提取候选区域。采用改进的AlexNet(一种深度CNN模型)进行船只目标识别,将提取的候选区域送入改进的AlexNet进行特征提取和预测,得到最终检测结果。分水岭方法可大大减少候选区域检测时间,以及减少深度CNN识别时间。利用实验室自制的红外成像系统获取近千张红外船只图像数据,并对其平移缩放形成的数据集进行仿真实验。结果表明,标记分水岭与深度CNN的结合,可有效识别船只目标,所提方法具有良好的性能,能够更加快速准确地识别红外船只目标。