基于拉曼光谱技术的海水微塑料快速识别技术研究

近年来由于塑料的大量使用和排放,这些塑料经环境作用破碎变成微塑料大量汇聚到海洋中,导致海洋中聚集大量微塑料。微塑料形状较小,难以识别其来源与种类。激光拉曼探测技术具有快速、无损、且各物质指纹峰明显易被精确识别等优点,近年来被广泛应用。本文基于拉曼光谱探测技术,提出了一种结合小波处理、随机森林算法实现海水中微塑料快速识别的智能分类方法。针对六种典型的海水微塑料标准样品（丙烯腈(A)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)的三元共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC））,采用激光拉曼探测技术进行光谱数据收集,对获取的拉曼光谱采用小波基为DB7、分解次数为3的小波,标准差归一化进行了拉曼光谱预处理。为了提高识别速度,同时还需要对光谱数据进行数据压缩预处理,分别进行了数据压缩点为64,128,256,512和1 024点的数据压缩比较,它们的决策树算法识别精度分别为91.51%,91.67%,92.35%,93.17%和93.21%,随机森林算法识别精度分别为93.12%,93.92%,94.83%,96.81%和96.81%,实验结果表明,微塑料的拉曼光谱压缩为512点时为效率和精度的最佳压缩点,可以为实际工程应用中微塑料拉曼数据压缩提供参考。分别采用决策树、随机森林两种算法进行微塑料拉曼光谱识别研究。研究结果表明,基于拉曼光谱数据,随机森林算法的识别微塑料交叉验证精度高于决策树算法。为进一步提高识别精度,进行了模型参数（折次k）优化研究,采用经过优化后的模型参数（k=20）,随机森林算法识别微塑料的交叉验证精度可以达到97.24%。可以为实际海水中微塑料的快速识别提供技术参考。     

仿宝石塑料材料的拉曼光谱分析

应用便携式拉曼光谱仪对赛璐珞、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯这4种较为常见的仿宝石塑料材料进行了分析测试研究,获得它们的标准拉曼光谱.然后将它们与其对应的被仿宝石(象牙、琥珀、珍珠、水晶)的拉曼光谱分别进行了比对分析.研究结果表明,因其分子结构存在较大差异,其拉曼光谱的差异也比较显著,从拉曼光谱上就能准确地将它们辨别出来.从而找到了一种便捷、准确、快速、无损的鉴定宝石与其塑料仿品的方法.     

溶液法制备氧化锌晶体的微结构及发光特性研究

以醋酸锌和六次甲基四胺为原料在不同的溶液环境中,采用水热法或热溶液法合成了不同形貌的微纳氧化锌.氧化锌形貌和尺寸的控制对合成环境有强烈的依赖.通过化学吸附将乙二胺四乙酸二钠和柠檬酸吸附在氧化锌的极性面上,可以抑制极性面的晶体生长,调控氧化锌的晶体形貌.这种选择吸附性导致了样品形貌的不同.拉曼光谱测试结果表明,在柠檬酸溶液中合成的氧化锌的晶粒更小.光致发光光谱测试结果表明,所得到的氧化锌的发光是激子和缺陷发光.     

聚乙烯微塑料对青稞幼苗生长影响的FTIR光谱研究

利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)结合二阶导数红外光谱(SD-IR)对在富含聚乙烯微塑料环境下生长的青稞幼苗进行研究。结果显示,青稞幼苗的一维原始光谱整体相似,主要由蛋白质、糖类和脂质的吸收峰组成。在二阶导数红外光谱中,不同条件下生长的青稞幼苗在1 800～800 cm^-1范围内的吸收峰强度和形状展现出差异。结果显示,与对照组相比,在富含聚乙烯微塑料环境下生长的青稞幼苗的多糖、蛋白质和脂质含量发生了变化。结果表明,傅里叶变换红外光谱结合二阶导数光谱能够有效监测微塑料对青稞幼苗生长的影响。     

塑料光纤拉曼散射的研究

给出了聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)塑料光纤(POF)的一级受激拉曼散射光谱,研究了一级斯托克斯光谱特点,测试了它的阈值,带宽,分析了拉曼光谱的形成机制,并将塑料光纤的拉曼光谱和石英光纤的拉曼光谱进行了比较。     

拉曼光谱技术在文物有机物鉴定中的应用

拉曼光谱作为一种"指纹光谱"可提供物质分子结构的有用信息,已广泛应用于考古及文物保护领域。拉曼光谱技术在文物有机物鉴定中具有测量简便、无损和微区检测等优势,成为文物鉴定的重要手段。本文系统阐述了拉曼光谱技术在文物有机染料、彩绘胶料、有机物残留物等分析方面的应用,指出了该技术应用于文物有机物鉴定研究的广阔前景,并展望了今后的发展方向。     

基于显微红外光谱法鉴定室内空气沉降物中的微塑料

塑料制品在为我们提供了极大的便利的同时,也给我们生活的环境造成了极大的污染,其中微塑料已经在海洋、土壤、江河、大气等等不同的环境场景中被检出。利用显微红外光谱技术,检测了室内空气沉降物中的微塑料,鉴定出了微塑料的成份种类有纤维素,聚酰胺等,同时,利用显微镜的可视化功能,获取了同微塑料外形及大概尺寸的信息,观察了不同类型微塑料的形貌特点,为快速检测、鉴定空气沉降物中微塑料的类别提供可靠的方法参考,也为室内空气环境质量的评价提供参考数据。     

显微拉曼光谱术在微纳电子学研究中的应用

拉曼光谱对被测样品的晶格与分子振动、转动能量非常敏感,而且拉曼光谱的测量具有非破坏性在微纳电子学研究中,需要原位的、高空间分辨率的、非接触的测量方法研究各种材料、器件的晶态、应力热学性质等参数.由此,显微拉曼光谱术就成为一种能够满足上诉要求的、实现多种参数测量的重要的手段.本文通过调研和实验研究了显微拉曼光谱术在硅、低...     

微晶硅薄膜的结构及光学性质的研究

借助RF-PECVD辅助RTP技术，采用高沉积气压的技术路线制备了优质的微晶硅薄膜，并利用拉曼光谱、反射谱和透射谱分别研究了微晶硅的晶化率和光学性质.实验中发现微晶硅的吸收边出现了相对红移，此相对红移可归结于薄膜晶化率的提高和带尾态密度的降低. 关键词： 微晶硅 拉曼光谱 快速热处理 红移     

拉曼光谱技术在农作物生理信息检测中的研究进展

拉曼光谱(Raman spectroscopy,RS)是一种散射光谱,具有样品前处理简单、响应速度快、灵敏性高以及原位无损检测等特点。由于拉曼信号具有指纹图谱特性和不受水分信息干扰的优势,其在生物体信息检测方面发挥着重要作用。拉曼光谱成像技术是拉曼光谱技术发展的新方向,其可以同时获取研究对象的空间及光谱信息;显微拉曼光谱技术不仅可以进行分子结构的检测,还能够实现生物组织微区化学成分的空间分布分析。目前,应用拉曼光谱进行农作物生理信息的检测成为学者们的研究热点。本文概述了拉曼光谱的基本原理和分类,并重点介绍了拉曼光谱技术在农作物的生殖与营养器官(种子,花朵,果实和根,茎,叶)中生理信息检测方面的国内外最新研究进展。最后结合国内外研究现状,分析了拉曼光谱在农作物生理信息检测中的局限,并对其的应用前景进行了展望。     

宽带相干反斯托克斯光谱显微成像技术的实验研究

由于该成像系统采用的超连续谱光源,可以满足所观测样品本源分子在0～4 000 cm-1内的所有拉曼振动活性模式同时共振增强,在探测光的作用下,同时产生宽带相干反斯托克斯拉曼散射信号。然后,根据不同的化学键进行光谱图像重构,可以获得反映不同化学键在样品中的分布的图像。对110 nm的纯的聚苯乙烯珠所形成的具有一定厚度的薄膜,通过改变探测激光与超连续谱脉冲之间的时间重合度,测量形成的相干反斯托克斯拉曼散射信号的时间分布迹线图,通过其中的1 000 cm-1的化学键强度信号进行指数衰减曲线拟合,得出具体的退相时间,与文献中已报道的三色CARS的退相时间相比,判断是否属于三色CARS。为了检验系统在实际生物学成像中存在的问题,我们开展了活体小鼠组织生物学应用成像实验,对记录的数据在2 940 cm-1的CARS信号进行图像重构,获得CH化学键在组织中的分布,然后,对重构图像直接使用小波变换的去噪方式进行图像去噪,去噪后的图像具有比较清晰的轮廓,结果表明,对于对比度比较强的CARS共振信号,直接使用小波变换的去噪方式就可以获得比较好的图像效果。但是,对于信噪比比较差的共振信号,使用这种处理方法是不合适的,需要使用别的方法,先获取好的信号对比度,再根据感兴趣的化学键进行图像重构,然后,再经过小波变换对图像去噪,图像不仅会变得清晰平滑,而且,具有较好的视觉感官效果。     

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射同属于三阶非线性效应,二者之间的差异与联系是一个值得研究的问题.本文基于自行搭建的超连续谱近红外宽带相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统进行光谱成像,同时通过理论与实验对比分析了双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射图像存在差异的原因.结果表明,具有亚微米以上横向分辨率的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,可以使用较大尺寸的荧光珠进行双光子荧光成像,通过解卷积得到双光子荧光成像的系统分辨率,并将它近似等效于相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的当下分辨率.如果需要得到相干反斯托克斯拉曼散射成像系准确的分辨率结果,就必须使用尺寸比相干反斯托克斯拉曼散射成像系统实际分辨率小的球形样品进行实验测量.     

High‐resolution narrowband CARS spectroscopy in the spectral fingerprint region

Coherent anti‐Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy is an important technique for spectroscopy and chemically selective microscopy, but wider implementation requires dedicated versatile tunable sources. We describe an optical parametric oscillator (OPO) based on a magnesium oxide‐doped periodically poled lithium niobate crystal, with a novel variable output coupler, used as a tunable coherent light source. The OPO's signal wavelength ranges from 880 to 1040 nm and its idler wavelength from 1090 to 1350 nm. We use this OPO to demonstrate high‐resolution narrowband CARS spectroscopy on bulk polystyrene from 900 to 3600 cm⁻¹, covering a large part of the molecular fingerprint region. Recording vibrational spectra using narrowband CARS spectroscopy has several advantages over spontaneous Raman spectroscopy, which we discuss. We isolate the resonant part of the CARS spectrum and compare it to the spontaneous Raman spectrum of polystyrene using the maximum entropy method of phase retrieval; we find them to be in extremely good agreement. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究

基于全量子理论对相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程进行了分析, 在此基础上搭建了单频CARS显微成像系统, 获得了不同尺寸聚苯乙烯微球高对比度的CARS显微图像. 为了标定成像系统的空间分辨率, 采用逐点扫描方式对直径为110 nm聚苯乙烯微球成像, 从而重构出系统的点扩展函数. 结果表明: 该CARS显微成像系统的横向空间分辨率约为600 nm, 而由阿贝衍射极限决定的理论空间分辨率约为300 nm. 分析了导致分辨率降低的原因, 并提出了解决方案. 为实现纳米分辨的CARS显微成像打下了坚实的基础.     

基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微能够对样品的特殊化学组分进行选择性成像,无需荧光标记,在生物医学领域被广泛应用.然而,传统的CARS图像往往存在非共振背景信号.本文将基于光强传输方程的单光束相位成像技术用于CARS显微成像,来抑制CARS的非共振背景信号.该方法通过记录样品在三个相邻平面上的CARS图像,然后利用光强传输方程获取CARS光场的相位分布,最后利用共振CARS信号和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制.该方法无需参考光,通过三次测量可完成CARS的背景噪声抑制,具有良好的应用前景.     

Raman Microscopy and Associated Techniques for Label-Free Imaging of Cancer Tissue

Abstract

Raman spectroscopy can identify cancerous from healthy tissue, with a chemical analysis from the measurement of vibrational bond frequencies. However, to detect small tumors a form of Raman imaging is required. Such imaging—by acquiring a Raman spectrum at each imaging pixel—can detect tumors but is rather slow. Multiphoton versions of Raman—anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy and stimulated Raman scattering (SRS) microscopy—offer similar accuracies in identifying cancerous tissue and tumor margins but with a far higher speed, which is beneficial for diagnosis of small tumors in tissue. SRS microscopy can also be used to image extrinsic molecules in living cells, such as anti-cancer drugs at typical concentrations.     

Differential two-signal picosecond-pulse coherent anti-Stokes Raman scattering imaging microscopy by using a dual-mode optical parametric oscillator

We propose and demonstrate a novel differential two-signal technique of coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) imaging microscopy using a picosecond (ps) optical parametric oscillator (OPO). By adjusting a Lyot filter inside the cavity, we operated the OPO oscillating in two stable modes separated by a few nanometers. The CARS images generated by the two modes are separated by a spectrograph behind the microscope setup, and their differential image is directly obtained by balanced lock-in detection. The feasibility of the technique is experimentally verified by imaging micrometer-sized polystyrene beads immersed in water.     

Interferometric polarization coherent anti-Stokes Raman scattering (IP-CARS) microscopy

We report a novel interferometry-based polarization coherent anti-Stokes Raman scattering (IP-CARS) implementation for effectively suppressing the nonresonant background while significantly amplifying the resonant signal for vibrational imaging. By modulating the phase difference between the two interference CARS signals generated from the same sample and measuring the peak-to-peak intensity of the periodically modulated interference CARS signal, the IP-CARS technique yields a sixfold improvement in the signal-to-background ratio compared with conventional CARS while providing an approximately 20-fold amplification of the resonant CARS signal compared with conventional polarization CARS. We demonstrate this method by imaging 4.69 microm polystyrene beads and unstained human epithelial cells immersed in water.     

多波长消荧光拉曼光谱仪的研制及应用研究

拉曼光谱技术作为探究分子、晶体及其结构特征的有力手段,具有快速、无损、样品用量小、无需前处理且适应性强等优点,已被广泛应用于食品安全、石油化工等领域。但在拉曼光谱应用中,常常受到荧光背景干扰,导致拉曼信号降低,严重的情况下拉曼信号甚至会淹没在荧光背景中。为解决拉曼技术在实际应用中荧光背景干扰的问题,从仪器角度出发,采用二色镜对多波长拉曼光谱进行光路耦合设计,研制了近红外拉曼光谱与移频差分拉曼复合一体的多波长消荧光拉曼光谱检测系统,其中近红外拉曼光谱采用1 064 nm激光光源设计,移频差分拉曼光谱选取784.5和785.5 nm两组激光光源进行时分复用,在移频差分拉曼光谱检测的同时,亦可获得两组单波长拉曼光谱数据。通过对比同步测试和分时逐次测试的强度及峰位稳定性,验证了多波长消荧光拉曼光谱仪的同步测试性能;选取了多种荧光背景强弱不同的样品,进行了单波长拉曼、近红外拉曼及移频差分拉曼光谱的对比分析。针对丙酮、乙腈等荧光背景较弱的样品,可采用单波长拉曼光谱对样品进行定量及定性分析;针对食用油、红色塑胶微粒等荧光背景与拉曼信号强度相当的样品,可采用近红外拉曼光谱对样品进行定量及定性分析;针对红酒、棕色塑胶微粒等荧光背景较强的样品,需结合近红外拉曼光谱和差分拉曼光谱对样品进行定性分析。研究表明：通过多波长消荧光拉曼光谱检测系统的研制,在常规单波长拉曼光谱技术的基础上,将两种抑制荧光干扰技术有机结合,有效扩充了应用领域及样品检测范围。