基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法

共焦拉曼光谱技术可实现定量、无损、无需标记的样品微区“分子结构特征和物质组成信息”成像,被广泛应用于生物医学、物理化学以及材料科学等领域。由于共焦拉曼系统采用“点”激发和“点”探测的探测机制,且拉曼散射光谱信号微弱,导致成像所需时间可长达数小时甚至数十小时;测量过程中系统极易受环境变化、空气扰动等因素影响产生漂移,造成被测样品离焦,从而导致成像质量不稳定。针对现有共焦拉曼系统对样品定焦能力不足、样品易产生离焦误差、系统漂移大等问题,本文提出了一种基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法。该方法首先对共焦拉曼光谱强度轴向响应曲线两侧对样品离焦敏感的数据区间分别进行线性拟合,得到两条拟合直线方程;然后,将所得的两条直线方程相减得到新的差分直线;最后,通过差分直线的过零点位置确定系统焦平面位置,实现了被测样品的高精度定焦,消除了离焦对系统测量结果的影响。以单晶硅表面同一位置,轴向扫描步距100 nm,进行60次重复定焦实验,实验获得的重复定焦极差为80.2 nm,说明系统具有良好的抗漂移能力。对周期5 μm的竖条栅格标准原子力台阶样品进行拉曼mapping成像测试,结果表明在长时间的成像过程中,和无定焦功能的图像相比,该方法获得的竖条栅格图像更清晰、边缘更锐利、信噪比较好。仿真分析和实验结果表明：提出的基于双边拟合共焦拉曼光谱探测方法可以提高系统的定焦准确度,抑制干扰因素导致的系统离焦对成像质量的影响,进而确保了系统探测的稳定性和成像分辨力,是一种自动定焦、抗漂移的拉曼光谱成像方法。     

基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法

拉曼光谱技术因其光谱信息丰富、非接触、无破坏、样品用量少、高灵敏度等特点,为现代前沿基础科研领域提供一种有力的分析手段,成为分析科学的研究热点。激光共焦拉曼技术结合共焦显微探测和拉曼光谱探测技术,具有空间分辨力高、可层析探测的优势,在物理化学、材料科学、生物医学、考古及文物鉴定、刑侦科学等众多领域应用广泛。现有共焦拉曼系统由于在扫描过程中无法对探测点进行定焦,因而在长时间的探测过程中会因环境变化、系统漂移等问题导致系统离焦,从而造成测量结果存在误差甚至错误的问题。本文针对这一问题,在现有共焦拉曼系统的基础上,提出一种基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法。该方法利用二次曲线对光谱共焦曲线进行拟合,通过寻找曲线最大值,得到系统焦点,进而在扫描过程中对每个探测点进行焦点定位后,采集该点光谱信息,从而保证扫描过程中系统始终位于焦点位置,消除系统离焦对实验结果的影响,实现共焦拉曼光谱系统的精确测量。通过仿真分析和实验结果表明：本文提出的基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法可以有效消除系统离焦对实验结果造成的影响,提高系统轴向定焦的准确度,为共焦拉曼光谱技术的进一步应用提供了保证,是一种行之有效的定焦准确、抗漂移强的拉曼光谱测量方法。     

D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统

共焦布里渊光谱技术因其具有非接触、无损伤、高空间分辨等优点,在生物医学、物理化学以及材料科学中被广泛应用。由于布里渊散射频移较低、强度较弱,在弹性散射光没有被充分抑制的情况下,布里渊散射光容易受到弹性散射光的影响,导致光谱测量结果精度的下降,而且传统共焦布里渊光谱系统仍存在光谱轴向分辨力与层析能力不足等缺点,严重限制了共焦布里渊光谱探测系统在高散射样品以及长工作距离光谱探测领域中的应用。为改善共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力、光谱轴向分辨力以及层析能力,构建了一种D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统。该系统通过侧向照明与侧向收集的方式消除背向散射,降低弹性散射强度,有效抑制弹性散射对布里渊散射的干扰,进而提高共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力。通过D形光瞳对照明点扩散函数与收集点扩散函数进行调制,利用斜入射的方式使照明点扩散函数与收集点扩散函数仅在焦平面上发生重叠,在轴向上实现三维点扩散函数的压缩,有效去除离焦光谱信息对焦面光谱信息的干扰,降低轴向光谱强度响应曲线的半高全宽与全高全宽,进而达到提高共焦布里渊光谱探测系统的光谱轴向分辨力以及层析能力的效果。实验表明:相比于共焦布里渊光谱探测系统, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力与层析能力得到大幅提升,通过优化光瞳参数,其光谱轴向分辨力可以提高30%以上,进而可以有效解决多层样品中的光谱串扰问题。D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统作为一种具有高层析能力、抗弹性散射能力强的布里渊光谱探测系统,为布里渊光谱技术在现代前沿基础学科领域中的进一步应用提供了有力保证。     

大范围分光瞳激光差动共焦显微快速定焦方法

针对传统共焦显微技术中轴向扫描范围和扫描速度无法兼顾的问题,提出一种基于虚拟针孔探测的大范围分光瞳激光差动共焦显微快速定焦方法。通过分光瞳原理,将偏心光束法定焦和分光瞳虚拟针孔探测技术相结合,先利用激光光斑在CCD上的位置和样品位置的对应关系实现大范围的粗略定焦,再通过虚拟针孔差动传感实现高精度定焦,从而实现轴向大范围快速定焦。实验表明该方法轴向分辨力可以达到10nm,最大传感范围可达到70um,定焦速度是传统定焦方法的3.6倍。     

具有高成像精度的高速传感共焦显微成像方法

提出一种高速传感共焦显微成像方法(HSSCM)对样品表面形貌进行高效率、高精度的成像测量。HSSCM将共焦轴向响应曲线沿轴向平移S,然后将平移前后两条曲线相减并除以两曲线的和,继而构成具有不受样品反射率影响的、高信噪比的传感成像特性曲线。在实际扫描成像过程中,轴向扫描间隔同样设定为S对样品进行逐层逐点扫描,扫描完成后将每个测量点轴向多层扫描数据中光强最大值和光强次大值相减除以两者相加,然后利用传感成像特性曲线反算得到样品高度,通过获得每个测量点的样品高度便可实现对样品形貌的高精度测量和3D形貌重构。理论分析和实验表明,通过优选平移量S,和传统共焦显微成像方法相比,HSSCM在具有高成像精度的前提下将扫描成像效率提高了至少3倍。     

激光差动共焦显微成像中的轴向快速定焦方法

提出了一种基于光强信号实时判断的快速定焦方法,在对样品进行横向扫描的同时,驱动测量物镜轴向移动,对前焦探测器和后焦探测器采集到的光强信号进行实时处理,通过实时判断测量面与样品的位置关系迅速找到焦面位置,可实现快速、准确的轴向定焦,极大地提升了定焦速度。理论分析和初步的实验表明,该方法在一副图像的采集周期内能够实现轴向定焦,在同等定焦精度条件下,与清晰度定焦方法相比,可节省90℅以上的定焦时间。     

共焦元件测量系统数据处理中的高斯滤波算法

为进一步提高共焦元件参数测量系统的定焦精度,提出了运用高斯滤波算法对由共焦系统采集的光斑图像和共焦轴向强度响应信号进行滤波处理,以降低系统光学噪声对测量光斑图像的影响,削弱外界环境扰动等因素对共焦轴向强度响应信号的干扰。经理论分析和实验验证,在对测量光斑图像和共焦轴向强度响应信号进行高斯滤波算法处理后,可有效地抑制图像噪声,降低高次谐波干扰,进而提高系统的定焦精度。     

差动共焦显微成像高稳定三维扫描技术与系统

激光差动共焦显微镜具备高空间分辨率特点,但因其逐点扫描成像方式,扫描时间长,易受三维扫描系统不稳定和环境干扰等影响,产生系统漂移,影响仪器的空间分辨率。利用楔块机构高稳定特点,结合刹车机构的自由抱闸特性,设计了一种新型的轴向升降机构,由此构建了结构更具稳定特性的电动三维扫描系统。稳定性实验验证在搭建的激光差动共焦显微镜上进行,经过监测系统在90min内的轴向位置,轴向漂移小于50nm,与原三维扫描系统漂移140nm对比,漂移速度明显减慢,稳定性有显著提升,进而明显改善了差动共焦显微成像效果。     

基于单步驱动的激光共焦显微镜快速定焦方法

针对现有共焦显微镜中定焦速度慢和定焦精度差的问题,提出了基于单步驱动的激光共焦显微镜快速定焦方法。充分利用轴向扫描器件的响应时间通过单步驱动获取数据,大幅提高采集速度,提高系统信噪比;通过拟合区间优化和分开拟合的数据处理方法来快速、准确获取定焦目标位置,进而实现激光共焦显微镜轴向定焦效率的提升。理论分析与实验结果表明:与现有定焦方法相比,方法在粗定焦阶段使定焦速度提升5.64倍,在准确定焦阶段使定焦速度提升3.08倍,其有效提升了现有共焦显微镜的轴向定焦速度和精度。     

基于虚拟双差动共焦的快速表面轮廓测量方法

针对传统共焦显微技术定焦过程中扫描速度和扫描精度无法兼顾的问题,提出了一种基于虚拟双差动共焦的快速表面轮廓测量方法。其将传统共焦响应曲线向前平移和向后平移指定量得到虚拟前焦和虚拟后焦信号;然后将虚拟前、后焦信号与原始共焦信号分别相减,并将相减结果做相加处理得到虚拟双差动曲线。虚拟双差动曲线具有大线性范围、高定焦灵敏度的特点,在大扫描间距情况下获取表面轮廓时,可实现样品表面轮廓的快速、高精度的定焦。仿真分析及实验结果表明,与传统差动共焦显微成像方法相比,虚拟双差动共焦表面轮廓测量方法可在保持高定焦精度的前提下,将几何形貌成像速度提高2倍以上。     

基于最大似然法的共焦拉曼光谱成像方法

随着现代科技对纳米微观区域兴趣的增加,如DNA测序、分子纳米器件微结构检测等,其对拉曼光谱技术的空间分辨力提出了更高的要求,而现有共焦拉曼光谱技术受自身原理限制,空间分辨力已无法满足科学需求。针对这一问题,在现有共焦拉曼光谱技术的基础上,提出一种基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法。该方法将超分辨图像复原技术与共焦拉曼光谱技术相结合,利用基于Poisson-Markov约束的最大似然超分辨复原算法对共焦拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,恢复图像高频成分,进而改善共焦拉曼光谱系统的空间分辨能力,实现超分辨成像。仿真分析和实验结果表明,提出的基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法在不改变现有共焦拉曼光谱系统光学结构的前提下,仅对单幅拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,即可将系统空间分辨力提高到200 nm,实现超分辨成像,同时该方法具有较强的噪声抑制能力。该方法有效地提高了共焦拉曼光谱系统的空间分辨力,为物理化学、材料科学等前沿领域中的高空间分辨微区光谱探测提供了一种新的途径,是一种行之有效的高空间分辨的共焦拉曼光谱成像方法。     

基于逆向空间偏移拉曼光谱技术的多层混浊样品深层分析研究

空间偏移拉曼光谱（SORS）能够准确、快速、无损检测多层混浊介质样品深层生化构成信息。该研究通过搭建集成化逆向SORS光谱分析装置,在实现逆向SORS和背散射式拉曼光谱两种不同的光谱检测模式的基础上,检测与分析了不同空间偏移量（Δs）条件下双/三层组织模型内的深层拉曼光谱信息,并根据几何光学理论和投影测量原理,量化标定了Δs与锥透镜空间位置之间的关系,这为精确控制光谱检测条件提供了保障。为了验证该装置的检测能力,采用由羊肩胛骨/对乙酰氨基酚组成的双层模型和猪皮/硅橡胶/对乙酰氨基酚组成的三层模型,获得不同Δs条件下包含样品表层和深层信息的混合光谱。并进一步对该混合光谱进行面积归一化处理,观察到随着Δs的增大样品表层的拉曼贡献逐渐减小,而第二层以及第三层的拉曼贡献逐渐增大的现象。在此基础上,通过选择模型中每层物质的拉曼特征峰计算其相对拉曼强度,分析研究了相对拉曼强度、空间偏移量与样品厚度三者之间关系,即当Δs增大时相对拉曼强度比值随之增加,这清晰地表明深层物质的拉曼强度增加。然而,在同一Δs条件下,相对拉曼强度随着表层物质厚度的增大而减小。以上实验结果表明,我们搭建的集成化逆向SORS光谱分析装置可从深度达8 mm的生物模型下获取光谱信息,并证明了该装置在经皮无损探测方面的应用价值。     

微型差动式共焦自聚焦光聚焦探测系统

为解决微小内轮廓尺寸为代表的微小尺寸的非接触式超精密测量问题，提出了将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的高分辨率和绝对位置跟踪特性相结合的差动式自聚焦共焦微型显微技术的光探测技术，建立了相应的传感系统，介绍了系统的工作原理和构成，自聚焦透镜测头直径为1mm，两个探测器差动设置，不但消除了光源的光强漂移和探测器的电子漂移产生的共模噪声，提高了测量信噪比，而且有效地提高了系统的轴向分辨率，初步实验表明，系统轴向分辨率在倾斜率小于20度的范围内可达5nm。     

暗场共焦布里渊光谱探测系统

共焦布里渊光谱技术因其具有无创、无标记、高空间分辨等优点,被广泛应用在物理化学、材料科学、矿物学等领域。但自发布里渊散射强度弱,在探测系统消光比不足的情况下,布里渊信号光谱容易与弹性背景光发生交叠甚至是被湮没,因而无法实现对布里渊频移的精确测量。尤其在生物医学等前沿领域,浑浊介质粘弹性探测需求的日益增加对布里渊光谱探测系统的抗弹性背景光性能提出了更高的要求,解决共焦布里渊光谱探测系统消光比不足这一问题刻不容缓。为了提高共焦布里渊光谱探测系统的消光比,本文构建了一种暗场共焦布里渊光谱探测系统,将暗场照明应用于共焦布里渊探测中,利用光阑实现了中心遮挡的环形照明、中心通光的圆形收集的光路配置。照明光路与收集光路非交叉的特殊配置,保证了激发光强的同时避免了系统对镜面反射光的收集,因而使得弹性背景光被削弱,布里渊信号光谱显露,提高了系统的消光比。实验表明：相较于传统明场照明配置,暗场共焦布里渊探测系统的抗弹性背景光性能提升,消光比提高了20 dB;0.001%浓度的脂肪乳溶液在暗场配置下背景光得到明显压制,布里渊信号光谱显露,实现了对浑浊介质的布里渊频移数据的精确测量;选取蒸馏水、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅玻璃三个标准样品验证暗场配置下的非严格背向散射角,理论分析与实验相吻合,保证了后续轴向声速、纵向弹性模量等参数的计算结果的准确有效。暗场共焦布里渊光谱探测系统综合暗场照明与共焦探测的优点,既拥有共焦探测的高空间分辨率,又借助暗场光路配置提升了系统的抗弹性背景光性能,实现了高消光比、高空间分辨的布里渊光谱探测,为生物医学、材料科学等前沿领域实现对物质机械性能的实时无损探测提供了新的思路。     

人全血的毛细管显微拉曼光谱分析

血液中含有众多生物信息,如激素、酶、抗体等丰富的蛋白质成分。通过对血液中众多生物信息进行检测鉴定可以起到对该血液种属判定、溯源的目的。因此,血液检测技术的发展在诸如刑事案件侦破、物种鉴定、疾症预防等领域具有重要意义。目前,传统血液检测手段多为显微观测、免疫法、DNA/基因检测法等,这些技术会对血液样本造成不可逆转的破坏性,且存在分析周期长、结构装置复杂、试验价格昂贵等问题。随着激光技术的发展,拉曼光谱技术作为一种非线性散射光谱技术,在血液检测技术中得到了应用。在血液检测技术中,拉曼光谱技术通常与共聚焦显微系统结合,对涂在载玻片上或盛放在透明容器中的血液样品进行光谱信号采集。该技术具有快速、无损等优势,但复杂的光路系统及昂贵的实验装置限制了该技术的广泛推广。为提出一种装置简单、操作简便的血液拉曼检测新技术,研究采用基于毛细管的显微拉曼技术方案采集并分析人全血的拉曼信号。血液样品通过毛细管的虹吸效应取样,与载玻片的涂样方式相比毛细管的方案具有模拟人血管、维持血液活性、减小空气对实验过程中血液成分的影响、降低激光对血液样品的灼伤效果等优势。为避开可见光部分荧光较强区域的荧光干扰,研究采用360 nm紫外激光器作为激发光源,防止可见荧光信号的干扰。积分时间设为800 ms,有效避免因激光长时间照射对血液样品的灼伤效果,影响实验数据的稳定性与真实性,光谱平均次数为2次,避免单次测量所带来的数据的不准确性影响。光谱扫描范围为500～1 800 cm-1, 结果表明此范围内可较好的避开可见光部分荧光较强区域的干扰。测得的拉曼光谱信号通过滤波去噪及基线校正进行处理。首先采用5阶离散小波变换滤波,进行1层信号分解,滤除高频噪声信号,保留低频有效信号,从而去除杂散信号,对光谱有效信号进行提取。其次,采用4阶多项式拟合扣除基底的基线校正,实现人全血的毛细管显微拉曼光谱峰值信号的提取。最终,通过查询SDBS数据库以及人血样本通过reishaw共聚焦显微拉曼光谱仪测量所得光谱图进行验证发现测得信号中部分为人体内数种氨基酸成分的拉曼信号。实验研究发现,基于毛细管的显微拉曼实验系统与常规拉曼探头实验系统相比,拉曼信号更稳定、重复性高,可有效提取人全血中的拉曼光谱信号, 而其与高精度的共聚焦显微拉曼系统相比价格便宜、结构简单、易于推广等优点,但信号信噪比、有效信号的峰值强度上仍有进一步的提升,是一种测量人全血拉曼信号的可行方案。     

激光诱导击穿光谱结合标准加入法定量分析土壤中铅、镉、铬和铜

利用课题组自主研制的便携式激光诱导击穿光谱测量系统定量分析土壤及固体废弃物中四种重金属元素Pb,Cd,Cr和Cu.实验采用中心波长为1064 nm的Nd:YAG脉冲激光器作为激发光源,工作频率为3 Hz,单脉冲能量为100 mJ,脉冲宽度为6 ns;以高分辨率、宽光谱段的中阶梯光栅光谱仪和增强型电荷耦合器件为谱线分离与探测器件,探测范围为200~500 nm,分辨率为0.08~0.12 nm.为了提高光谱强度及检测灵敏度,通过半球空间约束装置对等离子进行约束,并采用多芯光纤实现多通道不同角度光谱信号收集,接收角度为45°.实验时激光重复频率为2 Hz,延时为1.5μs,门宽为1.05 ms.文章创新性地将曲线拟合代替直线拟合用于标准加入法定量分析基质未知样品中重金属元素,有效提高了测量结果的准确性,尤其是低浓度的土壤样品,直线拟合无法定量分析重金属含量,相比而言,曲线拟合相关系数更高,测量结果更接近国标方法,可以满足一级土壤污染的检测.七个土壤及固体废弃物样品检测的相对误差如下,直线拟合相对误差分别为:Pb 1.26%~79.38%,Cr-22.44%~82.06%,Cu 15.09%~190.50%,Cd 32.76%~167.96%,曲线拟合相对误差为分别Pb-4.19%~11.92%,Cr-38.31%~9.26%,Cu-7.24%~26.86%,Cd-10.52%~12.94%,相对误差平均值为10.47%.