基于基底细胞癌的太赫兹波光谱分析

获得了基底细胞癌变组织的太赫兹(THz)光谱和图像,并进行了组织病理学的分析,采用太赫兹时域光谱技术,对石蜡包埋的基底细胞癌组织进行透射式实验研究,获得了透过率和吸收系数的光谱,并利用癌变组织和健康组织区分度明显的1.3THz的吸收系数进行成像得到了与宏观组织较符合的THz图像.从组织病理学的角度阐述了太赫兹谱线及图像的成因,结合生物大分子的THz光谱,分别讨论了细胞密度、DNA的含量、水化作用对太赫兹光谱和成像的影响.实验结果表明:癌变组织与健康组织相比对THz吸收较多.太赫兹光谱和成像技术有望用于术前基底细胞癌的轮廓诊断.     

癌变组织显微光谱测量分析

将光纤共聚焦显微技术和光谱分析技术相结合,研究了显微尺寸下癌变组织与正常组织光谱的特性,建立了光纤共聚焦显微光谱分析系统;获取了正常胃和癌变胃组织的显微光谱.实验结果发现癌变组织和正常组织的轴向显微光谱在可见光波段范围内有明显的差别.而且,利用光纤共聚焦技术能够实现组织不同层面的光谱特性测量,正常和癌变的胃组织不同层面的显微光谱也有明显的区别.同时表明,显微光谱测量可以有效分辨来自组织体内不同层的信息,提高了癌症检测的准确度.     

基于太赫兹光谱技术的山核桃内部虫害检测初步研究

美洲山核桃是美国最重要的坚果之一,内部虫害是影响山核桃质量的重要因素。 为了实现美洲山核桃内部虫害的有效快速、 无损检测,初步探索应用太赫兹光谱技术检测山核桃虫害研究。 收集山核桃样本并制作核桃仁1,2,3 mm均匀厚度的切片,切片大小为2 cm×1 cm,按照同样的尺寸制作核桃壳和核桃仁中间夹层的切片;利用太赫兹时域光谱设备采集不同切片0～2THz波段的太赫兹吸收光谱,并对比分析了所测切片的光谱特性;采集了活体烟草天蛾切片和干燥的山核桃虫害切片的太赫兹时域光谱,由于活体害虫的较高含水量以及太赫兹光谱对水分等极性分子的强吸收特性,与山核桃切片对比发现,活体虫害呈现非常明显的光谱吸收特性;最后,对整个山核桃样本进行了无损透射试验。 研究表明,太赫兹光谱技术在检测山核桃内部虫害方面具有较好的应用潜力,为进一步认识太赫兹光谱性质,掌握样品制备方法、 实验测试方法和数据获取及光学参数计算方法,应用太赫兹光谱技术开展山核桃内部虫害快速无损检测提供参考。     

太赫兹光谱和成像技术在生物医学领域研究与应用

太赫兹波是指位于微波和红外线之间频段的电磁波。太赫兹波是电磁波段中由电子学向光子学过渡的特殊区域,也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域,具有重要的科学研究价值和应用价值。人体组织细胞是由蛋白质、核酸、酯类等生物分子组成,每一种物质所特有的分子结构决定了其特征的光谱信息。太赫兹光谱与成像技术能够反映这些分子结构状态和它们之间相互作用。我们研究组近年来在太赫兹光谱技术应用方面做了一些工作,包括对氨基酸和糖类同分异构混合物的定量分析和采用太赫兹光谱技术结合模糊分类器等对宫颈癌组织接片样本进行了分类诊断研究。在该项研究中,我们建立了太赫兹光谱技术测量癌瘤组织的方法;建立多种癌瘤组织太赫兹光谱的特征提取方法;建立了多种适合太赫兹光谱技术进行癌瘤鉴定的分类模型,并对其进行统计学验证。取得了满意的效果。但是从目前的研究工作来看,太赫兹光谱与成像技术进入实际临床应用还有相当长的路要走。     

Zernike矩在橡胶添加剂太赫兹光谱定量分析中的应用研究

近年来,“绿色轮胎”发展备受关注。在绿色轮胎制造过程中需要多种橡胶添加剂,而橡胶添加剂的含量与绿色轮胎能否达标密切相关,因此,对轮胎橡胶中相关橡胶添加剂的定量检测具有重要意义。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术已经成功应用于物质定量分析领域,但当定量分析对象为多组分混合物时,由于混合物光谱出现重叠和失真等原因,会导致定量分析结果不理想。针对此问题,将Zernike矩作为一种光谱预处理技术引入到橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量分析中,提出了基于Zernike矩结合支持向量回归（Zernike moment-support vector regression, ZM-SVR）的太赫兹光谱定量分析方法。首先,以影响绿色轮胎质量能否达标的三种橡胶添加剂氧化锌、白炭黑和2-巯基苯并噻唑（MBT）为定量检测对象,将3种橡胶添加剂与丁腈橡胶构成多组分混合物实验样本,并通过太赫兹时域光谱系统测得样本的太赫兹光谱;然后,对太赫兹光谱进行分析与处理,得到其吸收系数、消光系数和折射率3种光学参数后,将3种光学参数构建为样本的太赫兹三维光谱,并利用Zernike矩提取太赫兹三维光谱灰度图的特征信息;最后,利用支持向量回归建立样本太赫兹三维光谱灰度图特征信息和目标成分含量之间的定量模型,从而对混合物样本中目标成分含量进行分析。利用该方法得到的定量模型预测集相关系数均大于等于0.952 2,均方根误差均小于等于2.267 2%。为进一步验证该方法的有效性,将定量分析结果与常规方法PLS和SVR的结果进行了对比。对比发现,相比常规方法得到的定量分析结果,Zernike矩结合支持向量回归方法所得结果的准确性和稳定性均得到了明显提升。因此,Zernike矩结合支持向量回归方法为橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量检测提供了新思路,在绿色轮胎及橡胶的质量检测领域具有广阔应用前景。     

基于混合Powell法的太赫兹/可见光双波段图像配准

提出一种改进Powell法结合遗传算法的混合算法,配准人体安检仪的太赫兹与可见光双波段图像。针对被动式太赫兹图像特征点难以提取的问题,以互信息为相似性测度,通过遗传算法寻优获取7个仿射变换参数的近似解并将其设置为改进Powell算法的初始点,然后利用改进Powell法的局部搜索能力,得到7个变换参数的精确解。利用单一遗传算法、单一Powell算法和本文混合算法分别对两组太赫兹和可见光图像进行配准。以均方根误差为评价标准对配准结果进行评价。实验结果证明,相比于单一遗传算法和Powell算法,该方法达到了更高的配准精度。能进一步用于太赫兹与可见光双波段图像融合,以提高对衣物内藏匿物品的识别精度,增强太赫兹人体安检仪的实用性。     

太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测中的应用研究进展

太赫兹辐射以其独特的技术优势,如瞬时性、宽带性、相干性、低能量性、穿透性和吸收性,受到了全世界各国政府、高等院校、科研机构等的高度重视并日趋成为生物医学、材料科学和物理学等领域的新兴研究热点。农作物成分如水分、蛋白、脂肪、淀粉等理论上在太赫兹谱区有较为丰富的吸收;太赫兹波的低辐射特性对农业生物样本检测更为安全;太赫兹波的穿透特性对带包装样本、包衣样本的检测又独具优势;太赫兹时域光谱与成像技术结合还可以进一步对农作物样本的组织形态进行辨别评价,因此太赫兹波技术逐渐成为农作物品质检测领域一项极具应用潜力和应用前景的前沿分析技术。简述了太赫兹时域光谱及成像技术的基本原理,聚焦于太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测领域的应用研究现状,对该技术在农作物种子质量鉴别（如品种、转基因和活力）、农作物成分分析（如糖类、水分和淀粉）,农作物贮藏品质判别（如新陈度、劣变和虫蚀）以及在农产品安全检测（如农药残留、非法添加物和异物）方面的新近研究工作和进展进行归纳总结,并展望了该技术在农作物品质检测领域的应用前景和发展趋势。     

太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用

太赫兹科学技术的良好发展势头已经在医药领域逐渐得到了重视与应用。与红外辐射、核磁共振、X射线、超声波等传统医疗诊断技术相比较,太赫兹电磁波技术具有低能量、高空间分辨率和宽带光谱分析能力等独特优势,从而为人体成像以及太赫兹波与人体组织相互作用研究提供了一种可靠的技术方法;由于太赫兹波的穿透性强,且指纹峰的专属性较高,能够在药物的检测与鉴别等方面发挥重要作用。基于太赫兹波段的以上优异特点,文章在介绍太赫兹光谱与成像技术在生物医学领域中的应用时,重点分析了太赫兹电磁波技术对人体皮肤组织的研究,人体的基因表述,对生物体细胞影响的研究,对癌症和骨头等组织的研究,以及对药物的研究等方面的现状和发展。基于上述的研究进展,文章介绍了太赫兹科学技术在未来的医学领域中面临的挑战,并展望了发展前景。     

癌变组织可见光反射光谱测量

实现在体、实时、无损的早期癌变检查是人们一直努力的方向。通过对几组样本的显微切片观察得出癌症的确切诊断,然后通过癌变组织和同体正常组织的光谱比较,得到癌变组织的可见光反射光谱特性。发现癌变组织的血红蛋白和去氧血红蛋白的增加是导致反射光谱谱线改变的主要因素。组织癌变后在可见光谱范围反射较正常组织的低,在630 nm处发生了较强烈的吸收变化。光谱中吸收峰值表明了癌变组织中含有丰富的血红蛋白和去氧血红蛋白,这与癌变组织的组织特性一致,实验上表明了可见光反射光谱能区分正常组织和癌变组织。     

太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用研究

综述了近年来将太赫兹光谱技术应用于毒品检测与识别方面的研究成果：利用自主研发的可移动式小型太赫兹时域光谱仪作为实验平台,建立了含有38种纯度在90%以上的毒品太赫兹光谱数据库;用密度泛函理论进行了光谱解析;讨论了干涉以及包装物对光谱的影响;结合人工神经网络、支持向量机等方法对毒品光谱进行定性识别;同时,研究确定毒品纯度和有效成份含量的理论和实验方法。     

和田玉的太赫兹光谱研究

用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术研究材料的光学性质是太赫兹应用领域的一个研究热点,国内已经在毒品,爆炸物的无损检测,有机物大分子的识别方面取得了大量成果。文章结合THz-TDS技术的特点及其在物质成分识别方面的应用,测得三种和田玉(羊脂白玉,青花玉,青玉)在0.2~2.6 THz的吸收系数和折射率曲线,不同种类的和田玉吸收系数差别很大,折射率在0.2~2.6 THz波段为2.4~2.7。实验结果初步说明,通过太赫兹波段的吸收谱和折射率的特征差异与种类之间的关系判断和田玉的种类是可行的,为无损和田玉种类鉴别提供一种新型的方法。     

傅里叶变换红外光谱用于胃镜样品的检测

应用傅里叶变换红外光谱(FTIR) 法对184例不同病理状态的胃镜下活检组织样品进行检测和分析,结果表明,慢性浅表性胃炎的基本谱图特征包括：较强的酰胺Ⅱ带;1 460 cm-1处的峰强高于1 400 cm-1处的峰强。典型的胃癌组织的谱图特征包括：较低的酰胺Ⅱ带;1 460 cm-1处的峰强低于1 400 cm-1处的峰强;1 300 cm-1的峰强明显增加。慢性萎缩性胃炎呈现出部分胃癌的光谱特征。这一结果表明,应用FTIR可以对胃镜下活检的小块组织进行鉴别诊断。     

黄曲霉毒素的太赫兹检测研究

为了探索能够快速简便、特异敏感的黄曲霉毒素检测方法,应用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术获得了黄曲霉毒素B1和M1在0．3～2．1THz范围内的吸收光谱,实验结果显示它们在测量波段范围表现出不同的吸收位置和吸收强度,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。黄曲霉毒素在THz波段的指纹谱的测定显示出太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于黄曲霉毒素结构和功能研究的潜力,并为此技术应用于食品中黄曲霉毒素的检测奠定了基础。     

小麦品质的太赫兹波段光学与光谱特性研究

采用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS),以储藏小麦为研究对象,研究了霉变、虫蛀、发芽等小麦与正常小麦样品在0.2～1.6 THz波段的光学与光谱特性,采用傅里叶变换得到被测样品的频域光谱,并计算获得THz吸收系数和折射率等光学参数。结果表明,不同品质小麦具有不同的折射率和吸收系数,其中正常小麦比霉变、虫蚀和发芽小麦的吸收系数和折射率都高,且吸收系数在有效波段随频率的增加而增加,进而可以根据其在THz波段的特征谱进行判别。THz-TDS在小麦品质检测中的应用,为该技术在储粮品质检测和分析中提供新的实验方法,具有重要的应用前景。     

太赫兹成像技术对玉米种子的鉴定和识别

利用太赫兹时域光谱(THz_TDS)测试技术及透射式太赫兹逐点扫描成像技术分别对几种玉米种子DNA和胚的样品进行了光谱和成像测量;利用空间图样成份分析(component spatial pattern analysis)方法对得到的THz像进行识别运算。实验结果表明,几种样品在THz波段都有不同的吸收特性,但都没有明显的吸收峰,不能利用“特征指纹谱”进行识别。用基于THz扫描成像的空间图样成份分析方法能很好地实现不同玉米种子DNA样品的鉴定和识别。与现有的THz图像识别方法相比,这个方法只需要THz像的实验数据和样品的吸收谱信息,不需要样品的其它特征。这项研究为进一步利用THz成像技术实现无损检测、安全检查、质量监测等提供了依据,具有实际应用价值。     

Terahertz time-domain spectroscopy combined with PCA-CFSFDP applied for pesticide detection

The purpose of this paper was to apply terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) combined with clustering by fast search and find of density peaks (CFSFDP) for pesticide detection. To solve similar distance problem in THz spectra data, we proposed a method PCA-CFSFDP. Principal component analysis (PCA) was used to reduce dimensions of THz spectrum data, and then used the result of PCA as the input of CFSFDP. The performance of PCA-CFSFDP was investigated, and the experimental results showed that PCA-CFSFDP approach can get a satisfactory detection result. In addition, the proposed method was compared with K-means. The comparison results demonstrated that PCA-CFSFD outperforms K-means. Therefore, THz-TDS combined with PCA-CFSFDP is a potential identification tool for pesticide detection.     

基于太赫兹时域光谱的食用油过氧化值定量分析研究

针对目前太赫兹光谱技术在食用油品质检测方面存在定性多、定量难的问题,提出一种基于衰减全反射（ATR）式太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术的食用油过氧化值定量分析方法。首先采集不同种类、不同氧化程度食用油样本的太赫兹时域光谱图,筛选有效信号波段并提取得到光学常数,经预处理算法校正后的光学常数,结合多种化学计量学方法建立定量分析模型,实现快速、无损预测食用油的过氧化值。70个实验样本包括大豆油、菜籽油和玉米,过氧化值覆盖范围0.41~10.23 mmol·kg-1,且样本的过氧化值均匀分布。采用TeraView公司生产配有ATR检测模块的TeraPulse 4000太赫兹脉冲光谱系统采集样本THz-TDS信号,根据THz-TDS谱图信号特征筛选有效波段10~86.78 cm-1用于建模分析。通过快速傅里叶变换得到频域信号并从中提取光学常数：折射率和吸收系数,采用Savitzky-Golay7点卷积平滑分别对折射率和吸收系数进行预处理,去除干扰信号。运用SPXY算法按照3∶1比例划分校正集和预测集样本,结合主成分回归法、偏最小二乘法两种化学计量学分析方法,分别建立基于折射率和基于吸收系数的过氧化值分析模型。对模型评价指标均方根误差和相关系数进行分析,基于折射率的过氧化值分析模型采用偏最小二乘算法建模预测精度最理想,选取最优主成分数为6时,其校正集均方根误差RMSEC为0.168%、决定系数R2为0.981,预测集均方根误差RMSEP为0.231%、决定系数r2为0.977;基于吸收系数的过氧化值分析模型则采用主成分回归算法建模预测模型稳健度最好,选取最优主成分数为10时,其校正均方根误差RMSEC为0.192%、校正集决定系数R2为0.979,预测均方根误差RMSEP为0.262%、预测集决定系数r2为0.97。该研究结果的得出,验证了THz-TDS技术用于食用油过氧化值定量分析的可行性,为食用油的品质评价找到一种高精度、性能稳定、快速无损的检测方法。     

基于太赫兹时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展

光学参数是宏观上表征材料光学性质的物理量,间接反映了材料的微观特性,对光学参数准确的提取可以研究材料的微观性质和机理。近年来,太赫兹时域光谱技术作为一种新兴的光谱分析手段已经成为研究的热点。由于太赫兹辐射能量低并且脉冲宽度窄(皮秒量级),太赫兹时域光谱技术在提取光学参数方面具有无损伤和高时间分辨率的特点。本文总结了基于太赫兹透射和反射时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展,着重阐述了几种经典方法,分析了每种方法的优缺点,并讨论了太赫兹时域光谱技术用于提取材料光学参数的挑战。研究结果表明,透射法适用于对太赫兹波吸收较弱的物质,而反射法则适用于对太赫兹波有强烈吸收的材料。     

聚合物载体中水杨酸晶体的太赫兹极化率测定

极化率作为材料的重要微观属性,与其呈现出的多种宏观属性等紧密相关,在新型药物及功能材料的设计中扮演着关键角色。对于微观结构存在复杂分子间作用的物质体系,获取其太赫兹波段的动态极化率具有重要意义。极化率的实验测定建立在其本征介电常数的准确测定之上,太赫兹时域光谱系统凭借其相干探测属性,可直接提供太赫兹波在穿透样品后的相位变化信息,用于精确测定样品的介电常数。当样品由待测物纯物质组成时,实验测得的介电常数可直接用于计算极化率。但对于大多数的有机晶体,其自身对太赫兹波的特征吸收以及与颗粒尺寸与波长相当造成的散射,使其纯样品的太赫兹时域光谱表征受到系统信噪比的限制,通常需要将待测物均匀分布于对太赫兹波透明且可塑性极强的聚合物载体中。聚合物载体的使用导致实验直接测定的混合物介电常数中也包含了聚合物的介电影响,无法直接用于计算待测物质的极化率。针对这一问题,将嵌于聚合物载体中的有机晶体整体等效为聚合物、空气气隙和待测样品三组份混合介质模型,结合各组份体积占比以Landau, Lifshitz and Looyenga有效介质模型从实验测得的混合物介电常数中移除聚合物和空气气隙的影响,获取待测物的太赫兹本征介电常数,从而进一步结合Clausius-Mossotti关系式计算其太赫兹极化率。选取水杨酸晶体为研究对象,利用所提出的理论方案,从聚乙烯和聚四氟乙烯两种聚合物载体三种浓度混合物的原始介电常数中,提取出了具有高度一致性的本征介电常数和太赫兹极化率,验证了方法的有效性,并利用实验结果首次报道了水杨酸晶体的太赫兹极化率,在聚乙烯和聚四氟乙烯载体中的测定值分别为(17.2±0.2)和(17.6±1.0)Å3。