鼻咽癌离体组织拉曼光谱的测量

拉曼光谱分析技术在探测与组织病理学相关的分子变化方面具有特别的潜力和优势,并且使无损、实时、快速的光学诊断成为可能.采用785 nm半导体激光器,透射式的全息光栅,背向感光、深度耗尽的CCD探测器及特殊设计的光纤拉曼探头构建了一台快速拉曼光谱测试装置.所设计的光纤拉曼探头可在减少荧光信号和瑞利散射影响的同时,最大限度地收集生物组织的拉曼信号,同时解决了平面光栅衍射光束的谱线弯曲问题,提高了仪器的信噪比,使装置具有较高的灵敏度并可快速测量获得人体组织的近红外拉曼信号.通过新鲜猪肉的脂肪和肌肉组织的拉曼光谱信号的检测,验证了测试装置的良好性能; 在此基础上,研究了鼻咽癌组织样品存放时间对拉曼光谱的影响,并在1～5 s时间内快速测量获得了人离体鼻咽癌组织的近红外拉曼光谱.     

金刚石荧光机制的研究及其对高压拉曼光谱测试的意义

基于金刚石压腔技术的高压拉曼散射光谱在高压科学的前沿研究中发挥重要作用,金刚石压砧的荧光效应影响测试样品的拉曼散射光谱信噪比。采用激光拉曼光谱仪,对202粒宝石级金刚石进行光致发光研究,确定了N3、H3和NV~0中心等光学缺陷中心的存在,发现其浓度控制零声子线及荧光发射谱的强度,与金刚石荧光强度呈正相关。金刚石的二阶拉曼位移峰(约2664 cm~(–1))两侧基线强度比值与荧光强度呈负相关,利用该比值可准确判断金刚石荧光的强弱。此外,金刚石中光学缺陷中心浓度的不均匀性普遍存在,多点测试综合分析能提供更全面的荧光信息。研究结果可为高压拉曼测试时金刚石压砧的选择提供有效的理论和实践依据。     

碳酸盐岩储层流体包裹体差分拉曼光谱的研究

拉曼微探针分析法对单个气液包裹体的化学成分和相态的无破坏性测量来说,目前几乎是唯一最好的方法.但是由于众多因素的影响,特别是主矿物具有较强荧光时,提高信噪比的问题急待解决.本工作对碳酸盐岩储层包裹体样品制成的薄片进行了显微观察、荧光测试及拉曼分析,并进行了空间上横向XY扫描、纵向上深度剖析(Z扫描)和冷热台上变温的流体包裹体筹分拉曼光谱测量方法的研究.结果表明,所得到的差谱揭示了包裹体更真实的光谱曲线,消除了主矿物对包裹体的干扰,以较高的信噪比显现出包裹体中流体(-170℃温度下的冰)位于位移波数3 098 cm-1附近的宽拉曼散射峰,明显的改善了信噪比.     

基于PowderX软件的拉曼光谱数据处理

将处理 X射线衍射谱的 Powder X软件用于处理拉曼光谱数据 ,可方便地获得谱线中各个拉曼峰的位置、强度和半高宽等信息。经过平滑、去背景后 ,拉曼谱图的变化趋势与原始谱图吻合 ,谱线的信噪比及分辨率也有所提高 ,表明 Powder X软件完全可用于拉曼光谱的数据处理     

基于自适应免疫算法重叠拉曼谱峰的解析

拉曼光谱测量速度快,可以实现原位实时测量,现已成为过程控制中物料检测的一种重要手段。但由于环境的复杂性以及拉曼光谱信号特点,目前在线检测时难免会出现一些重叠谱峰。基于免疫算法特点,将该方法用于芳烃重叠拉曼谱峰信号的解析中,提取混合物质中单个组分拉曼谱峰信息进行分析,结果表明该方法解析快速、定量准确,相对误差低于1%,是解析重叠拉曼光谱信号的有效方法。针对现场样品检测中出现的重叠谱峰伴随荧光背景信号,提出了结合独立成分分析的自适应免疫算法,有效地解析出荧光背景信号,为复杂样品的拉曼光谱检测分析提供了新的手段。     

紫外拉曼光谱及其在催化研究中的应用

本文介绍了紫外拉曼光谱及其在催化研究中的应用。研究内容包括积炭 ,担载型过渡金属氧化物 ,分子筛 ,杂原子分子筛中骨架杂原子的识别和有机物的单层分散等。由于避开荧光干扰和使用较短波长的激发线提高了拉曼光谱的灵敏度和信噪比 ,特别是利用拉曼共振效应 ,不但灵敏度大幅度提高 ,而且与紫外吸收相关的局部结构被选择地鉴别。紫外拉曼光谱拓宽了拉曼光谱在催化 ,生物化学和材料科学等领域的应用。     

城市灰尘中Pb的X射线荧光光谱半定量分析

粉末压片法制备样品,采用X射线荧光光谱半定量IQ 分析方法分析灰尘中Pb,在IQ 增加Pb的测角仪道,延长对Pb的扫描时间,研究谱线选择、背景扣除.结果表明:采用Pb的Lβ线作为分析线,选择两个背景扣除能提高其分析的准确度和灵敏度,分析结果可与定量法相媲美,同时快速、简便、不需要制作校准曲线.     

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。     

样品厚度对薄膜法X射线荧光光谱测量的影响研究

分别以富集有Cr,Pb和Cd三种元素的尼龙薄膜样品及玻璃纤维滤膜为研究对象,采用滤膜叠加的方式,通过XRF光谱仪测量不同样品厚度下薄膜样品的XRF光谱,根据测得的尼龙薄膜样品中Cr,Pb,Cd元素及玻璃纤维滤膜中Ca,As和Sr元素特征XRF性质的变化,研究样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响。结果表明：薄膜样品厚度对不同能量区间上元素特征谱线荧光性质的影响并不相同。元素特征谱线能量越大,元素特征X射线荧光穿透滤膜到达探测器的过程中损失越少;但由薄膜样品厚度增加引起的基体效应却越强,相应特征谱线位置处的背景荧光强度就越大,因此样品厚度增加所引起的基体效应对薄膜法XRF光谱测量的灵敏度影响就越大。对于特征谱线能量较低(能量小于7 keV)的元素,以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度,并不能有效地提高薄膜法XRF光谱测量的灵敏度;对于特征谱线能量较高的元素(能量＞7 keV),可以通过适当增加样品厚度以增加被测组分的质量厚度浓度的方式来提高XRF光谱测量的灵敏度,薄膜样品厚度在0.96～2.24 mm内,更有利于XRF光谱的测量与分析。该研究为大气及水体重金属薄膜法XRF光谱分析中薄样制备及富集技术提供了重要的理论依据。     

显微拉曼技术对毒品检测分析的研究

利用曙微拉曼技术对八种常见毒品做了测试和分析,得到拉曼散射谱。对毒品拉曼谱和分子结构的分析表明：取代支链上甲基的数目和位置对拉曼谱线均有明显的影响。在激发光５１４．５ｎｍ下,几种常见的毒品都具有不同程度的荧光,采取适合的测试条件,对减小拉曼谱的荧光有明显的作用。此外实验中发现那可汀和蒂巴因对强光照射比较敏感,因此控制样品表面的激光功率约１ｍＷ左右。最后分析比较毒品的拉曼谱,给出它们的拉曼谱线,以区     

基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和发展

高灵敏度的单粒子检测技术是纳米粒子在生物医学、化学、光电子等领域应用的前提条件。常见的单粒子检测技术主要包括基于粒子的荧光、拉曼、散射和吸收等信号而发展起来的光学显微成像及光谱技术。其中,拉曼光谱和荧光光谱技术主要适用于一些具有拉曼活性的分子/粒子或可发光的荧光分子或粒子,然而即使对于荧光效率高的有机染料分子和半导体纳米粒子,固有的光漂白和blinking现象也对单粒子探测形成了挑战。散射光谱测量是应用于单粒子检测的另外一种方法,从理论上讲,由于瑞利散射随着尺寸的减小而呈六次方减弱的趋势,在细胞或生物组织内,小尺寸粒子的散射信号很难从背景散射噪声中分离出来。众所周知,介质吸收激发光后会引起介质内的折射率变化,进而在光加热区附近出现折射率的梯度分布,称为光热效应(photothermal effect)。基于粒子光热效应的光学显微成像和光谱测量技术具有信号灵敏度高、无背景散射、原位和免标记等优点,在单粒子检测领域展现了良好的应用潜力。综述了近年来基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和研究发展,首先介绍了光热效应的测量原理;接着分别讨论了光热透镜测量技术、微分干涉相差测量技术和光热外差测量技术的实验装置,比较了各种测量技术的信噪比、灵敏度、分辨率等特点,并且介绍这些测量技术在单粒子检测中的应用研究进展;接着,论述了近年来研究人员在提高光热显微测量的信噪比、改善动态测量性能以及在红外波段拓展等方面的最新研究成果;最后,简单总结了光热测量技术在单粒子检测领域所面临的挑战。     

A robust method for automated background subtraction of tissue fluorescence

This paper introduces a new robust method for the removal of background tissue fluorescence from Raman spectra. Raman spectra consist of noise, fluorescence and Raman scattering. In order to extract the Raman scattering, both noise and background fluorescence must be removed, ideally without human intervention and preserving the original data. We describe the rationale behind our robust background subtraction method, determine the parameters of the method and validate it using a Raman phantom against other methods currently used. We also statistically compare the methods using the residual mean square (RMS) with a fluorescence‐to‐signal (F/S) ratio ranging from 0.1 to 1000. The method, ‘adaptive minmax’, chooses the subtraction method based on the F/S ratio. It uses multiple fits of different orders to maximize each polynomial fit. The results show that the adaptive minmax method was significantly better than any single polynomial fit across all F/S ratios. This method can be implemented as part of a modular automated real‐time diagnostic in vivo Raman system. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Monitoring of spectroscopic changes of a single trapped fission yeast cell by using a Raman tweezers set-up

We demonstrate an improvement of the sensitivity of a Raman tweezers set-up, which combines optical tweezers with Raman spectroscopy. The system was tested by taking the Raman spectrum of a 4.6 μm diameter polystyrene sphere trapped in an aqueous solution. The improvement of sensitivity of the set-up was achieved by adjusting the trap depth for maximum signal to noise ratio (SNR). The maximum SNR was obtained by investigating the Raman peak of a trapped polystyrene sphere at 1001 cm⁻¹ according to trap depth. With this system, a single trapped living Schizosaccharomyces Pombe yeast cell was sensitively monitored by taking the kinetic Raman spectra for more than 2 h. The relative intensity decrease in amide I and amide III bands, frequency increase in amide I band together with alterations in tyrosine marker band around 850 cm⁻¹ was observed, which indicates alterations in the hydration state of protein by time progressing.     

基于反向传播神经网络的拉曼光谱去噪方法

拉曼光谱技术作为一种典型的光学检测方法,因其独特的非侵入性、快速、原位和极高的特异性,在生物分析、疾病诊断及分子识别等众多领域得到广泛应用。拉曼光谱的指纹特性使其成为生物医学分析领域的重要工具,但拉曼散射信号微弱,数据处理分析大量依赖分析人员、自动化处理能力低等因素都会极大影响该技术在实际中的应用。实验设备、环境产生的噪声、待测生物样本的自发荧光等各种干扰因素使得高质量拉曼光谱数据的获得变得较为困难,各种随机噪声会干扰拉曼光谱图中指纹谱峰信息的识别,增大拉曼特征提取的难度,因此,噪声抑制在拉曼光谱预处理中显得十分重要。采用反向传播算法,从数据本身的特征出发,基于理想光谱片段和含噪光谱片段的线性差异,分别构建噪声判定神经网络和光谱去噪神经网络模型。以随机生成的一系列洛伦兹峰数学模型叠加生成拉曼光谱,对生成的拉曼光谱分别加入不同强度的噪声,以此为实验数据,对比新方法和经典滑动窗口均值法、Savitzky-Golay滤波法、傅里叶变换法、小波阈值变换方法去噪的结果。对均方根误差和信号噪声比两个指标进行分析,结果显示,在低噪声干扰下所有去噪方法都能较好地完成任务,但滑动窗口均值方法在光谱的边缘去噪效果会出现下降。随着噪声信号的增大,滑动窗口均值方法、S-G滤波方法、傅里叶变换方法去噪性能都出现明显下降。而基于反向传播神经网络的去噪方法要优于傅里叶变换法、滑动窗口均值法、S-G滤波器法,同时该方法在避免复杂参数寻优设置的同时,获得了和最优阈值小波变换方法近乎一致的去噪效果,大大简化了参数设置,更适合拉曼光谱去噪的自动化实现。     

Implementation of a novel low‐noise InGaAs detector enabling rapid near‐infrared multichannel Raman spectroscopy of pigmented biological samples

Pigmented tissues are inaccessible to Raman spectroscopy using visible laser light because of the high level of laser‐induced tissue fluorescence. The fluorescence contribution to the acquired Raman signal can be reduced by using an excitation wavelength in the near infrared range around 1000 nm. This will shift the Raman spectrum above 1100 nm, which is the principal upper detection limit for silicon‐based CCD detectors. For wavelengths above 1100 nm indium gallium arsenide detectors can be used. However, InGaAs detectors have not yet demonstrated satisfactory noise level characteristics for demanding Raman applications. We have tested and implemented for the first time a novel sensitive InGaAs imaging camera with extremely low readout noise for multichannel Raman spectroscopy in the short‐wave infrared (SWIR) region. The effective readout noise of two electrons is comparable to that of high quality CCDs and two orders of magnitude lower than that of other commercially available InGaAs detector arrays. With an in‐house built Raman system we demonstrate detection of shot‐noise limited high quality Raman spectra of pigmented samples in the high wavenumber region, whereas a more traditional excitation laser wavelength (671 nm) could not generate a useful Raman signal because of high fluorescence. Our Raman instrument makes it possible to substantially decrease fluorescence background and to obtain high quality Raman spectra from pigmented biological samples in integration times well below 20 s. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

痕迹走私海洛因显微拉曼测试分析

利用显微拉曼技术对手指沾有微量毒品--走私海洛因做了测试分析，在可见光514.5nm激发下，低浓度的走私海洛因具有很强的荧光，通过对样品表面的分析，得到了高质量的海洛因拉曼散射谱。研究表明选取样品表面合适测试点和控制激光功率对减小走私海洛因拉曼散射谱的荧光有明显的作用。     

高荧光及强背景噪声情况下表面增强拉曼散射光谱提取方法研究

试提出一种高荧光及强背景噪声情况下表面增强拉曼散射光谱的提取方法。该方法从分析荧光谱及背景噪声信号的组成入手,构建相应模型对荧光谱及噪声信号进行估计,通过比较估计结果与实际数据的差别识别谱峰信号,并定位谱峰的基底位置。通过在若丹明6G、前列腺特异抗原测量及pH值传感实验中的实际应用检验可知,该方法可提高表面增强拉曼散射光谱信号的分辩率和测量准确度,在微量物质鉴别及物质含量定量测量方面有较好的应用前景。     

荧光褪色效应与拉曼光谱基线干扰消除

荧光是直接测定的拉曼光谱中背景的最主要来源,需要采用真实、准确的方法消除,以得到纯净的拉曼响应。基线拟合消除和查找荧光贡献扣除是解决背景问题的两条思路,目前多采用基线拟合方法,其优点是满足用户“视觉”要求,无需额外硬件,但并非机理或实质上的解释,因而难以保证数据的真实性与合理性;查找荧光的方法,更为真实,但是目前提出的方法,需要增加光源等额外设计和成本。另外,在实验方法上,也有采用消荧光剂和长时间照射漂白的,存在操作繁琐、效率低等不足。利用稳定体系中拉曼和荧光的时间差异解决体系中荧光问题。在微小的时间段内,例如几个毫秒,激发光不会导致体系性质发生显著变化,荧光具有寿命周期,会随激发时间延长强度下降的“褪色”,“褪色”的强度差异可以被认为是整体荧光的一个微元;与此同时,由于体系组成未发生显著变化,拉曼光对于短时间照射可以保持稳定。利用此差异可以区分出混合信号中的荧光和拉曼光。根据该原理,提出了荧光褪色差分法(FBDA),实现拉曼光谱的背景校正。方法的主要步骤：测量微小时刻内的多张直接拉曼光谱,求取系列光谱的差分,对差分值作高频滤波降噪,可获得荧光强度微元;然后,多个荧光微元平均归一化后,得到荧光强度单元。以拉曼光谱2 000～2 500 cm-1的静默区,即通常不会出现拉曼信号的频段为基准,对荧光单元作逆差分,逆差分累计值与原始光谱在此频段一致时,得到整体荧光响应;最终,从原始光谱中扣除荧光成分,完成背景扣除和基线校正。以盐酸二甲双胍片的拉曼测量为例,说明和讲解了所提出的原理和方法,验证方法的有效性。与目前效果较好的基线校正方法(不对称最小二乘和自适应迭代再加权惩罚偏最小二乘)进行了对比,表明FBDA方法更为客观真实,FBDA的另一个优势是不需要额外的设计和成本,所有数据都是在现有设备直接采集和完成。需要说明的是,微小时刻光谱差异的要求,可以确保FBDA光谱实时性,长时间的光谱差异,将会影响结果的准确性;另外,对于光化学反应体系和其他非荧光引起的复杂背景,FBDA的适用性有待改善。