基于浮动基准法的无创血糖检测实验应用研究

近红外无创血糖浓度测量面临着信号微弱、仪器信噪比低、血液中其他成分干扰以及人体生理环境不断变化等因素影响,致使血糖信号难以辨识这一难题。浮动基准法针对葡萄糖浓度变化对吸收和散射效应的影响,选择吸收效应和散射效应相互抵消的位置获得基准光谱,在吸收和散射效应引起最大综合影响的位置获得测量光谱,并采用基准光谱对测量光谱进行修正,从而消减样品背景状态变化以及仪器噪声、漂移等干扰。通过应用实验评估浮动基准法对提高模型预测精度和稳定性的有效性。通过对处理前后的预测结果进行比较分析得出:应用浮动基准法数据处理之后,交互验证均方根误差(RMSEP)最大改进比率34.7%,实验结果表明浮动基准法能够有效消减样品自身状态变化以及仪器噪声、漂移等干扰因素的影响,较大幅度地提高了模型的预测性能和稳定性,以期突破无创血糖浓度测量的障碍。     

血红蛋白对胆红素光学检测的影响分析

针对实验得到的光谱数据,应用偏最小二乘回归方法进行多变量建模,结果发现:血红蛋白的加入使建立模型的主成分数从一个变为三个,而对模型贡献最大的波长从459 nm变为432 nm和433 nm,说明偏最小二乘模型的原始光谱数据变量引进了血红蛋白的吸收噪音.结合偏最小二乘建模的原理与评价指标分析表明:较纯胆红素溶液而言,混合溶液模型预测均方根误差增大了24.90%,相关系数减小了0.29%,加入血红蛋白后的模型对胆红素浓度预测能力降低.进一步分析血红蛋白和胆红素及其混合溶液吸收光谱发现:在检测的紫外可见光波段两者吸收光谱发生重叠,两者混合溶液在408 nm处产生一个新的吸收峰,且相比同浓度血红蛋白吸收峰而言408 nm处吸收峰发生了减色效应,这是由于血红蛋白与胆红素混合会发生某些弱的键位结合引起的,新的吸收峰改变了建模所用的主成分数,降低了模型的预测能力.结果说明在胆红素经皮测量中必须采取措施减少血红蛋白的影响,才能提高胆红素经皮检测的准确度.     

血红蛋白对胆红素光学检测的影响分析

针对实验得到的光谱数据,应用偏最小二乘回归方法进行多变量建模,结果发现:血红蛋白的加入使建立模型的主成分数从一个变为三个,而对模型贡献最大的波长从459nm变为432nm和433nm,说明偏最小二乘模型的原始光谱数据变量引进了血红蛋白的吸收噪音.结合偏最小二乘建模的原理与评价指标分析表明:较纯胆红素溶液而言,混合溶液模型预测均方根误差增大了24.90%,相关系数减小了0.29%,加入血红蛋白后的模型对胆红素浓度预测能力降低.进一步分析血红蛋白和胆红素及其混合溶液吸收光谱发现:在检测的紫外可见光波段两者吸收光谱发生重叠,两者混合溶液在408nm处产生一个新的吸收峰,且相比同浓度血红蛋白吸收峰而言408nm处吸收峰发生了减色效应,这是由于血红蛋白与胆红素混合会发生某些弱的键位结合引起的,新的吸收峰改变了建模所用的主成分数,降低了模型的预测能力.结果说明在胆红素经皮测量中必须采取措施减少血红蛋白的影响,才能提高胆红素经皮检测的准确度.     

基准波长法测定溶液温度的研究

近红外光谱分析已广泛应用于工业、农业等领域,然而其测量精度极易收到外界干扰因素的影响,其中温度变化最不易控制,且是一个不可忽视的影响因素。文章基于溶液中溶质与溶剂的置换效应,提出了一种对样品进行温度测量的基准波长法,并以葡萄糖水溶液作为研究对象,对该方法进行了理论推导和实验研究。溶液中溶质浓度和温度均发生变化时,基准波长1 525 nm处的吸光度变化量完全受温度变化的影响,而与溶质浓度无关,因此根据基准波长点处的吸光度变化可以获得样品温度信息。计算不同温度下纯水光谱与30 ℃下纯水光谱之间的吸光度变化量,获得基准波长点处吸光度变化值与温度的一元线性回归模型,以此为基础对溶液进行了温度计算。实验结果表明,该方法能对样品的温度进行准确测量,获得的温度误差为0.03 ℃。     

气溶胶光学特性对宽谱差分吸收激光雷达NO2质量浓度反演结果的影响

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO₂)质量浓度反演误差。研究结果表明：当大气气溶胶均匀分布时,NO₂质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO₂-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO₂质量浓度反演误差的可行性。     

基于高光谱散射特征的牛肉品质参数的预测研究

研究利用光谱散射特性预测牛肉的pH值、嫩度和颜色。使用高光谱成像系统,获取400～1 100 nm波长范围内新鲜牛肉表面的高光谱散射图像,预测牛肉的品质参数。提取高光谱图像在400～1 100 nm波长范围内的散射特征,利用洛伦兹分布函数,拟合各个波长处的散射曲线,获取不同波长散射曲线的洛伦兹函数参数。使用逐步回归方法,选择优化波长及其相应的拟合参数,建立多元线性回归模型预测牛肉的品质参数,使用全交叉验证方法评价模型性能。对嫩度的预测相关系数达到0.86,预测标准差为11.7 N,分级准确率达到91%;pH值的预测相关系数为0.86,预测标准差为0.07;对颜色参数L*, a*, b*的预测相关系数分别达到0.92, 0.90和0.88,预测标准差分别为0.90,1.34和0.41。研究结果表明,利用光谱散射特征可以较好的预测牛肉的品质参数。     

复杂液体光谱法分析的浓度分辨率及浓度分布影响

为保证基于光谱技术的复杂溶液检测的可行性,分析多波长建模对浓度分析的精度增益,以及确定合适的组分浓度分布以得到质量高、普适性佳的定量分析模型,从光谱检测仪器噪声、光谱数据多波长建模和被测溶液成分浓度分布影响因素入手,对复杂溶液成分浓度检测精度的影响进行分析。通过对浓度分辨率分析,对已知光谱仪噪声条件下能够实现的溶液成分浓度分辨率进行评估,也为在已知定量分析所需浓度分辨率条件下选择满足测量要求的光谱仪器提供理论依据。基于过采样提高测量精度技术分析,表明多波长建模带来了精度增益,从而提高浓度检测灵敏度。考虑被测成分含量以及非测量成分的含量在所测范围内疏密比和加权欧氏距离,为选择满足浓度分布的有利于提高模型质量、减小预测误差的样本集进行建模提供理论指导。     

散射在太赫兹吸收谱定量分析中的应用研究

基于太赫兹光谱的物质成分定量分析是太赫兹技术重要的应用方向之一。但是当太赫兹波入射样品时,会与样品颗粒在微观尺度下发生散射效应,造成太赫兹波强度的衰减。因此实验测得的样品的太赫兹吸收谱主要由两部分组成,即样品本身对太赫兹波的吸收以及由散射效应造成的衰减。尤其是当样品的颗粒尺寸与太赫兹波的波长接近或可相比拟时,散射效应更为明显。在以往的太赫兹定量分析领域,往往仅考虑了Lambert-Beer定律,即物质对光的吸收与其浓度成线性变化的关系,而忽视了散射效应的作用,导致定量分析的准确度受到了限制。在对混合物样品的太赫兹波段散射效应进行分析的基础上,采用类比的方法,提出了混合物的太赫兹吸收谱模型,并通过一系列定量分析实验验证了该模型的有效性。在对多组混合物样品的定量分析实验中,定量分析误差普遍小于3%,较之仅考虑Lambert-Beer定律而言准确度得到了大幅提高,表明研究散射效应对提高太赫兹定量分析的准确度具有重要作用。     

波长优选对土壤有机质含量可见光/近红外光谱模型的优化

可见光/近红外光谱模型是土壤属性预测的有效工具。波长优选在光谱建模过程中起着重要作用。文中首先利用从安徽省涡阳县采集的130个砂姜黑土土壤样本获得可见光/近红外光谱,然后利用平滑与多重散射校正联合的光谱预处理方式消除光谱中的无关变量和冗余信息以提高模型预测结果的相关性,再利用SPXY方法挑选建模集样本,分别利用连续投影算法和遗传算法进行波长优选,最后利用留一法进行交互验证建立有机质含量的主成分回归模型。研究结果显示：连续投影算法和遗传算法都可以有效地减少参与建模的波长数并提高模型的准确度,尤其是遗传算法能够更好地提高土壤有机质含量预测精度,其相关系数、预测均方根误差和相对分析误差分别达到0.9316,0.2142和2.3195。通过合适的特征波长选取,不仅计算量可以大大减少,预测精度也会有效提高。     

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。     

Study of dispersion and absorption of an ensemble of spherical particles inside an optical cavity and new possibilities of predicting the optical characteristics of biological media by intracavity laser spectroscopy

Optical characteristics, namely, dispersion and absorption spectra of an ensemble of spherical particles randomly oriented inside an optical cavity are investigated. The study is based on the self-consistent matching of new data from the inhomogeneous optical cavity with data from the scattering of an ensemble of spherical particles of different size, randomly oriented in free space. As a result, a new model, which self-consistently accounts for multiple scattering in the optical cavity, has been developed to predict absorption and dispersion of ensembles of spherical particles. This model is supposed to enhance potentiality of the intracavity method for plotting wavelength dependences of optical characteristics of media. A specific calculation of dispersion and absorption dependences on the wavelength shows that this method can be used for investigation of biological media consisting of spherical particles, in particular, erythrocyte suspension.     

基于振动拉曼散射的差分水Ring效应系数卷积计算模型

利用被动差分吸收光谱算法反演水体上方尤其是海洋上方的大气痕量气体浓度时, 水体的振动拉曼散射导致对太阳光谱中夫琅禾费线的填充.若不考虑这种类似大气Ring效应的水Ring效应, 会直接影响反演精度. 参考OMI传感器对大气Ring效应校正的卷积算法, 针对痕量气体OClO的反演, 利用经过大气消光计算后的太阳 360–400 nm入射光谱和对应波段的水体后向振动拉曼散射系数,通过卷积差分计算,得到了差分水 Ring效应系数. 与Vasilkov模型计算得到的结果比较,二者的相关系数R 达到0.9665. 关键词： 水Ring效应 振动拉曼散射 卷积 被动差分吸收光谱算法     

三波长-光谱法测定沙棘果汁中黄酮的含量

以沙棘果汁为对象,对其主要有效化学成分黄酮类化合物总含量进行了测定分析。一般常用的分光光度法存在一定的缺陷,加入铝盐使黄酮类化合物与铝离子形成稳定的配合物,则吸收带Ⅰ会明显产生红移,同时吸光度也大大增加,但由于干扰成分使吸收峰不对称给定量分析造成一定的影响。文章采用三波长-光谱法测定沙棘果汁中黄酮的含量,有效地消除了随浓度不同产生的本底漂移及吸收峰不对称给定量分析造成的影响,并校正了基于干扰组分的吸收光谱具有线性吸收产生的基线倾斜,实验结果,回归方程为: ΔA=-0.007 03＋0.000 48ｃ,相关系数r=0.999 1,黄酮的浓度在0～800 (μg·mL-1)范围内,分别在波长为λ₁=495 nm, λ₂=415 nm, λ₃=368 nm处测吸光度时,则ΔA与浓度ｃ之间呈良好的线性关系,可按标准曲线法进行定量分析。本法的回收率为97.0%～101.0%, 变异系数小于0.058%(n=9)。方法的准确度与精密度均令人满意,而且操作简便易行。     

Measurement of the absorption coefficient of scattering liquid media by the calorimetric method

Using the example of a number of hydrosols (gold nanorods and nanoshells, silver nanoshells, zinc phthalocyanine nanoparticles), we show that the absorption coefficient of a scattering liquid medium can be measured from its heating by a short-time laser irradiation. The degree of heating was determined from expansion of the liquid in an ampoule with a capillary (the principle of liquid thermometer). Irradiation was performed at a wavelength of 671 or 1069 nm. From the transmission of samples of hydrosols at these wave-lengths, the sum of the absorption and scattering coefficients has been determined. To measure the absorption spectra of scattering liquids by this method, a laser with a tunable radiation wavelength is required. In the case of monodisperse colloidal solutions, the method ensures the measurement of the absorption and scattering cross-section ratio of particles.     

基于近红外光谱分析技术测定库尔勒香梨硬度

采用近红外(NIR)漫反射光谱法对新疆特色梨果库尔勒香梨的五种不同果（包括青头、粗皮、脱萼、宿萼、突顶果）的硬度进行测定。由于近红外光谱数据量大且原始光谱噪声明显、测定水果时散射严重等导致光谱建模时关键波长变量提取困难。以新疆库尔勒香梨为研究对象,为了有效地消除固体表面散射以及光程变化对NIR漫反射光谱的影响,首先采用标准正态变量变换（SNV）和多元散射校正（MSC）对库尔勒香梨的原始光谱进行预处理。为寻找适合近红外光谱检测库尔勒香梨硬度的最佳特征波长筛选方法,进行香梨近红外光谱的特征波长变量选择方法的比较与研究。研究比较了两种特征波长筛选方法对库尔勒香梨硬度偏最小二乘法（PLS）建模精度的影响。同时使用反向偏最小二乘（BiPLS）和遗传算法结合反向偏最小二乘（BiPLS-GA）在全光谱范围内筛选香梨硬度的特征波长变量,将校正均方根误差（RESMC）、预测均方根误差（RESMP）以及决定系数（R2）作为模型的评价标准,并最终确定最优波段选择方法及最佳预测模型。基于选择的特征波长变量建立的PLS模型（BiPLS-GA）与全光谱变量建立的PLS模型进行比较发现BiPLS-GA模型仅仅使用原始变量中6.6%的信息就获得了比全变量PLS模型更好的库尔勒香梨硬度的预测结果,其中R2,RMSEC和RMSEP分别为0.91,1.03和1.01。进一步与基于反向偏最小二乘算法（BiPLS）获得的特征变量建立的PLS模型比较发现,BiPLS-GA不仅可以去除原始光谱数据中的无信息变量,同时也能够对共线性的变量进行压缩去除,使得建模变量从301个减少到20个。极大地简化模型的同时有效地提高了模型的预测精准度和稳定性。因此该方法能够有效地用于近红外光谱数据变量的选择。证明了近红外光谱分析技术结合BiPLS-GA模型能够高效地选择出建模变量,去除与库尔勒香梨硬度无关的近红外光谱信息,显著地提高库尔勒香梨硬度定量模型的预测精度。这不仅为新疆地区特色梨果库尔勒香梨的快速、精确、无损优选分级提供一定的技术支持,同时也为基于近红外光谱分析技术预测水果内部品质的研究提供了参考。     

基于光学相干层析术的组织光学性质测量

通过在光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)模型中考虑多重散射的影响,提出了一种提取出不同深度处的组织光学性质,包括散射系数和各向异性因子的算法.当把吸收系数作为算法中的第三个拟合参量时,能减少算法拟合过程中由于吸收作用的影响而带来的误差.基于包含吸收因子的OCT扩展模型,改进的算法也能够提取出吸收系数.这些算法的有效性通过对聚苯乙烯微球溶液样品的测量实验得到验证.     

基于双积分球的宽光谱组织光学参数测量系统与方法研究

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一,人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。近年来,利用组织光学特性,特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点,为肿瘤早期诊断、代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、散射系数等,具有测量准确、快速,适用范围大等优点,作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统,分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件,建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。在此基础上,测量了1 100～1 400 nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数,实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确,多次测量标准偏差在3%以内,不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比,偏差小于3.4%。     

HSA-磷钼杂多酸缔合纳米微粒体系荧光猝灭机理研究

在pH 7.40的Tris-HCl缓冲溶液中, 磷钼杂多酸(PMA)呈浅黄色,在可见光区没有明显的吸收峰;人血清白蛋白(HSA) 呈无色,在可见光区也没有明显的吸收峰,但在350 nm处有一荧光峰。当有PMA存在时,HSA与PMA形成缔合纳米微粒, HSA-PMA缔合纳米微粒的粒径约为80 nm。经研究发现HSA对PMA有增色和减色效应,PMA对HSA有荧光猝灭作用;PMA对色氨酸(Trp)和酪氨酸(Tyr)也有一定的荧光猝灭作用,但这两种荧光猝灭机理不同,且没有形成缔合纳米微粒。PMA对色氨酸(Trp)和酪氨酸的荧光猝灭作用主要是由于PMA 在发射波长范围内存在一定的分子吸收,即通常所报道过的能量转移所至。研究结果表明,HSA-PMA缔合纳米微粒和界面的形成是导致该体系的荧光猝灭、共振散射增强及增色和减色效应的根本原因。     

Improving the Born approximation for the scattering of ultrasound in elastic solids

It has recently been demonstrated that the Born approximation for predicting the scattering response of flaws can be improved through the use of simple modifications called the "doubly distorted Born approximation". In this paper the doubly distorted Born approximation itself is modified with phase and amplitude corrections that further improve the Born scattering results for isotropic elastic media. The reliability of this new modification of the Born approximation has been evaluated by comparison with the exact solution for spherical inclusions obtained with the method of separation of variables. Unlike the ordinary Born approximation which works well only for very weak scattering inclusions, our modification of the doubly distorted Born approximation gives improved scattering results for both weak and strong scattering inclusions.