基于共聚焦显微拉曼光谱的毛竹细胞结构和成分研究

采用共聚焦显微拉曼光谱对毛竹薄壁细胞、薄壁纤维过渡细胞和纤维细胞进行研究。通过构建偏最小二乘(PLS)定量区分模型来对这三种细胞中的差异进行分析,结果表明,该区分模型的建模和交互验证决定系数(R2)分别为0.810和0.800,均方根误差(RMSE)分别为0.323和0.332。根据这一模型的回归系数,发现三种细胞的区别主要体现在1 095,1 319和1 636 cm-1三个波数,这三个波数分别为纤维素、半纤维素和木质素的指纹特征峰。以这三个波数为自变量建立多元线性回归(MLR)模型,该回归模型的建模和交互验证决定系数(R2)分别为0.644和0.643,均方根误差(RMSE)分别为0.442和0.443,表明三种细胞在这三个波数处存在明显的差异。对小波变换基线消除后的拉曼光谱信号进行化学成像分析,结果显示,纤维素微纤维与纤维轴成一个很大的角度,这一结构有利于提高细胞的弹性模量和硬度。半纤维素和纤维素微纤维通过氢键相连,并在范德华力的作用下紧密地结合在一起,因此在拉曼化学成像中可以看到半纤维素和纤维素有相似的分布规律。三种细胞的细胞角和胞间层都高度的木质化,从细胞壁外层到内层木质化程度逐渐降低,表明细胞壁的木质化从细胞角和胞间层开始,且木质化程度并不完全。     

激光共聚焦显微拉曼光谱仪校准程序

作为一种常规光谱测量技术,拉曼光谱仪应用广泛并具有特定的校准方法。主要面向激光共聚焦显微拉曼光谱仪,概括介绍了激光共聚焦显微拉曼光谱仪的测量原理、结构及主要组成部分,重点介绍了激光共聚焦显微拉曼光谱仪的校准项目和校准过程,重点是分光计(摄谱仪)校准和激光器激发波长校准。在传统校准方法的基础上提出了一种更准确、新的获得实际激发波长的方法,即在Δν=0处校准的方法。根据此新的激发波长校准方法测量单质硫的拉曼频移,并将硫的拉曼频移值与美国材料与试验协会(ASTM)值比较。结果表明此校准步骤正确,从而进一步提出了一种更为合理的激光共聚焦显微拉曼光谱仪的校准程序。     

基于共聚焦显微拉曼光谱揭示炭疽病侵染下茶叶细胞壁变化的研究

采用共聚焦显微拉曼技术研究了炭疽病感染所致茶叶细胞壁结构和化学成分的变化。对茶叶健康和染病组织细胞进行微米级空间分辨率的显微拉曼光谱扫描,并结合透射电镜观察炭疽病侵染所致的细胞超微结构变化,结果显示染病前后细胞壁的拉曼光谱位移和强度都有明显的差异,表明炭疽病侵染导致细胞壁中化学成分发生了较大的变化。其中由纤维素,果胶,酯类化合物产生的拉曼峰强度都有明显下降,说明细胞壁中这些物质的含量在染病后减少了;而木质素拉曼散射引起的拉曼峰强度有所上升,说明木质素的含量在染病后有所增加。随后基于纤维素的拉曼指纹波数和显微空间结构信息实现了茶叶健康组织和染病组织细胞壁中纤维素的化学成像分析,结果显示炭疽病侵染不仅导致细胞壁中纤维素的含量大大减少,而且纤维素的有序结构被破坏。由此得出结论：在无需对样本进行染色或复杂的化学处理的情况下,共聚焦显微拉曼可以揭示由炭疽病侵染引起的茶叶细胞壁化学成分和结构的变化,本研究是共聚焦显微拉曼技术首次用于植物病理学中寄主-病原物互作机制的研究,将为深入研究寄主-病原物在细胞层面上的互作机制开辟蹊径。     

枸杞子的共焦显微拉曼光谱鉴别

利用共焦显微拉曼光谱无损快速鉴别了宁夏枸杞和北方枸杞样品。宁夏枸杞和北方枸杞的拉曼谱图有明显的差别 ,易于区别。该方法快速、准确、操作简单、不需对样品进行提取分离、可直接进行测定     

基于共聚焦显微拉曼的真菌菌丝中几丁质的原位检测研究

几丁质是真菌细胞壁中一种重要的结构多糖,本文首次采用共聚焦显微拉曼技术对山茶刺盘孢菌的气生菌丝进行原位检测研究,首先确定了采集菌丝拉曼光谱的最优实验参数,并获得了菌丝,几丁质标准品和背景三种物质的典型拉曼光谱,对其中的特征峰进行归属分析,发现菌丝光谱中有明显的几丁质特征峰。然后对置于载玻片上菌丝的感兴趣区域进行拉曼光谱面扫描,通过主成分分析法发现面扫描区域中,菌丝和背景两种信号可以明显区分开来,结合主成分的载荷因子图得到了菌丝的两个主要的特征差异峰1 622和1 368 cm-1,1 622 cm-1属于菌丝中几丁质的特征峰,而1 368 cm-1是来源于菌丝中的果胶多糖。最后通过对几丁质在1 622 cm-1特征峰波段附近范围积分,绘制了几丁质在菌丝中二维和三维的化学成像图,直观且无损的再现了几丁质在菌丝中的空间分布。     

共聚焦显微拉曼光谱研究碱处理对稻秸发酵制沼气的影响

碱水解法以其方便高效成为稻秸发酵制沼气中广泛采用的化学预处理方法,但是碱水解对于稻秸细胞壁中高聚物成分及其空间致密交联结构的作用机理有待深入研究。采用共聚焦显微拉曼光谱和透射电镜研究了NaOH碱处理对稻秸厌氧发酵产沼气的影响。首先对未处理稻秸和碱处理稻秸进行微米级空间分辨率的拉曼光谱面扫描,然后对这两类样本进行主成分分析,发现累计贡献率达99%的前两个主成分空间中两类样本分别呈射线状分布,两类样本分界线清楚表明碱处理导致稻叶组织的拉曼光谱响应特性发生了明显变化;进一步分析前两个主成分的载荷图,发现拉曼峰1 739,1 508和1 094 cm-1是影响主成分的重要谱带,而这三个拉曼峰分别归属于半纤维素、木质素和纤维素的拉曼散射效应;结合半纤维素、木质素和纤维素的拉曼特征峰和显微图像信息实现了组织细胞中三种成分的化学成像分析,发现碱处理破坏了稻叶组织中上述三种成分的致密空间结构,并使它们的含量明显减少,尤其是木质素。由此得出结论：共聚焦显微拉曼光谱可实现稻叶组织细胞中半纤维素、木质素和纤维素的无损检测,结合显微空间信息可实现稻秸中三种成分的化学成像分析,该研究有助揭示碱处理促进秸秆厌氧发酵产沼气的作用机理。     

巴勒斯坦古陶瓷的显微拉曼光谱分析

本文采用显微拉曼光谱技术对巴勒斯坦古陶瓷胎体及釉面中的微米级晶粒进行测试与分析 ,结合矿物标准拉曼谱 ,实现了对多种矿物晶粒的检测与识别。研究结果表明 :显微拉曼光谱技术能够快速、准确、非破坏地测试研究古陶瓷的矿物组成 ,对古陶瓷的鉴定与分析有重要应用意义。     

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。     

红细胞显微激光共焦拉曼散射光谱扫描技术研究

采用显微激光共焦拉曼散射光谱扫描系统对活态红细胞进行拉曼光谱(点测定、线扫描、二维扫描)测定及成像的技术与方法进行了研究,并对514 nm激光对红细胞在拉曼扫描中的影响进行了评价。通过扫描前后细胞的拉曼光谱变化和亮场图像变化确定了在不同扫描模式下既可获得较好的拉曼散射信号,又不会影响细胞生命活动与功能的合适扫描参数的设置。对于点扫描模式,样品激光功率是重点调节的参数,一般应小于1.5 mW。对于线扫描模式,照射激光功率和扫描间隔(步进)是要重点关注的参数。小扫描间隔意味着激光能量相对聚集,易对细胞造成损伤;大扫描间隔可以较好地降低激光对细胞的损伤,但是空间分辨率会因此而下降。对于线扫描,建议扫描间隔大于0.5 μm、照射激光功率小于0.7 mW。对于二维扫描,除照射激光功率、扫描间隔需要调节外,其他扫描参数也要作相应调节以降低激光对红细胞的影响,可适当降低样品温度和增加共焦孔径尺寸降低二维扫描过程中激光对红细胞的影响。1.0 μm扫描间隔、0.7 mW的照射激光功率和500 μm共焦孔径,以及样品温度适当调低可得到较好的二维红细胞拉曼图像。对于所有扫描模式,如果得到的红细胞的拉曼信号足够强,也可适当降低曝光积分时间以降低激光对红细胞的影响。实验前进行实验过程的优化对活态细胞的拉曼测试也非常重要。     

不同品种牛乳脂质的共聚焦拉曼光谱指纹图谱

不同品种的乳脂肪球的组成成分不同,从而导致脂肪在乳中的存在形式和最终的乳品品质存在差异。利用拉曼光谱测定黑白花牛乳、水牛乳及牦牛乳中脂质球的脂质和脂肪酸成分,比较不同品种牛乳的脂质组成差异。结果显示,牦牛乳的2 885/2 850 cm-1比值较高,表明牦牛乳脂质球趋于形成结晶态脂肪球膜包裹流动态内核的结构。与黑白花牛乳相比,牦牛和水牛乳的1 655/1 443 cm-1比值较高,表明黑白花牛乳的脂肪酸不饱和程度低于其他两种牛乳;水牛乳小脂肪球的脂肪酸不饱和度高于牦牛乳,大脂肪球的则低于牦牛乳。综上可知,用牦牛乳分离而得的稀奶油较其他牛乳难熔化,搅拌耗时更长,但形成的黄油更柔软;而水牛乳由于脂肪球较大,适用于奶油的加工和脂肪球膜的分离。     

共焦显微拉曼光谱深度剖析法在笔迹鉴定中的应用

利用共焦显微拉曼光谱纵向扫描采样手段,发展了一种深度剖析光谱方法在法庭科学领域的新应用,并将此方法具体运用到了书写笔迹与印章印泥的鉴定,在纵向上区分笔迹和印泥的空间位置上取得了很好效果。该方法具有快速、简便、灵敏度高、对样品无损伤等优点。     

单个血小板的拉曼光谱分析

利用波长为785 nm的激光束构建光镊拉曼光谱系统,俘获悬浮在生理盐水中的人和三种动物(家猪、大鼠、家兔)的单个血小板,激发并收集其拉曼光谱。单个血小板的平均拉曼光谱信号清楚地反映了血小板的生化组成特点,人血小板的拉曼光谱与三种动物的明显不同,1 524 cm-1是人类血小板所特有的拉曼信号峰,而1 157 cm-1在人类中显著高于三种动物的,人类血小板的平均I_{1 157}/ I_{1 003}为0.795,而家猪、大鼠、家兔的分别为0.532,0.502,0.485。多元统计分析结果显示,不同物种血小板的拉曼信号落入不同的空间,可以判别区分。上述结果表明,单个血小板的拉曼光谱基本反映了血小板的主要组成成分,结合多元统计分析可以用于辨别不同的物种的血小板,光镊拉曼光谱系统是实时研究细胞生理、生化变化的快速简便而有效的工具。     

共焦显微拉曼光谱在界面研究中的应用

本研究的重点是拓宽共焦显微拉曼光谱技术在液／气、液／固界面研究中的应用。通过合理地设计实验,利用共焦显微拉曼光谱技术高的纵向分辨率研究了液／气界面水溶性的卟啉（ＴＳＰＰ）的聚集行为,发现ＴＳＰＰ在本体中和在界面上的行为有着显著的区别。同时,对甲醇电化学氧化过程中电极表面附近的溶液成分进行了剖层分析。利用其高的横向分辨率,借助表面增强效应对沉积在玻碳上的金薄层进行拉曼成像研究,发现光学成像和拉曼成像     

拉曼光谱法测定天然脂肪球脂质成分

天然脂肪球主要由甘油三酯构成,以不同大小的球状形式分泌而得。不同大小的脂肪球的球体和膜组成成分不同,从而影响了脂肪在乳中的存在形式和最终的乳品功能特性。然而,不同大小的脂肪球成分的差异尚未完全阐明。利用拉曼光谱测定特定大小脂肪球及膜的脂质和脂肪酸组成。拉曼光谱能够从单个脂肪球获得特定拉曼信号,并且在不破坏天然脂肪球构型的情况下进行测定。结果显示,小脂肪球在2 885/2 850 cm-1处条带信号较高,表明小脂肪球趋于形成结晶态的脂肪球膜包裹流动态的甘油三酯内核的结构。此外,小脂肪球与大脂肪球相比,1 655/1 443 cm-1的条带信号较低,表明小脂肪球的脂肪酸不饱和程度较高。总之,从本实验结果可以推断,用特定的小脂肪球分离而得的稀奶油在熔化时较大脂肪球难熔化,搅拌耗时更多,但能形成更柔软的黄油。     

苯在铂电极上溴代反应的共焦显微拉曼光谱研究

本文主要利用共焦显微拉曼技术检测KBr溶液中苯在光滑铂电极上的取代反应。结果表明 ,苯在 1 2V时将和溴离子在氧化产生的溴自由基发生溴代反应 ,与氯代反应相比 ,溴代反应更剧烈、产物更复杂、更容易受光照影响     

苯在光滑铂电极上的电化学还原行为的共焦显微拉曼研究

本文利用共焦显微拉曼仪系统研究了苯在光滑铂电极上的电化学还原。研究结果表明:苯在电化学体系中可直接还原为不溶于水的环己烷液滴,附在电极表面构成第三相,随着电位的正移,表面液滴中苯和环己烷的相对含量会发生变化。     

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。     

具有抗漂移特性的激光共焦拉曼光谱成像技术与系统

共焦拉曼技术结合了共焦显微技术和拉曼光谱技术,具有高分辨率、高灵敏度、可层析成像的优势,广泛应用于物理、材料科学、生物医学、文物鉴定以及刑侦等领域。由于拉曼光谱成像需要较长时间,测量中系统易受环境等因素影响产生漂移,造成离焦,而现有商用共焦拉曼光谱仪并无定焦能力,容易影响测量结果。针对此问题,研制了一种具有抗漂移能力的激光共焦拉曼光谱探测系统。在不改变共焦拉曼探测基本原理的基础上,利用拉曼轴向响应曲线最大值对应显微物镜焦面这一特性,对每个探测点进行轴向扫描,采集一定数量的轴向信号,通过曲线拟合寻找光谱强度极值位置,保证扫描过程中样品始终处于系统的焦点位置处,抑制离焦影响,改善拉曼光谱成像效果。以单层石墨烯样品进行单点测试,证明仪器在5 μm离焦范围内可以实现实时定焦,定焦后采集到的拉曼光谱强度几乎不变,具有良好的抗漂移能力;对硅台阶样品进行成像测试,结果表明成像过程中,信号强度未发生明显变化,且横向分辨率有一定改善,效果明显优于普通共焦拉曼光谱探测系统。     

基于共聚焦拉曼光谱技术检测茶叶中非法添加美术绿的研究

利用共聚焦拉曼光谱技术对茶叶中非法添加的重金属染料——美术绿进行检测研究。首先通过特定的浓缩方法,获取了五个浓度水平美术绿茶汤样本的拉曼光谱。通过比对标准品拉曼光谱,对混有美术绿的样本光谱进行了定性分析。并找到了能够用于定性鉴别茶叶中美术绿的4个主要拉曼特征波数,分别为1 341,1 451,1 527和1 593 cm-1。对原始拉曼光谱进行预处理后,融合反向间隔偏最小二乘(biPLS)、竞争性自适应重加权算法(CARS)和连续投影算法(SPA)对拉曼光谱中美术绿的特征波段进行深入挖掘,最终优选出了14个特征波数。基于这14个特征波数分别建立了偏最小二乘(PLS)回归模型和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型,结果表明,两类模型均具有好的稳健性和很高的预测能力,模型的建模集、验证集和预测集的决定系数(R2)均超过了0.9,证明了所提取出来的特征波数的有效性。与偏最小二乘回归模型相比,基于LS-SVM的非线性定量检测模型的效果更佳,预测集决定系数(R2)达到0.964,均方根误差(RMSE)为0.535。以上研究结果表明,共聚焦拉曼技术结合特定的样品处理方法及化学计量学方法,可以实现茶叶中非法添加美术绿的定量检测。该研究为茶叶中非法添加美术绿这一食品安全问题的有效监管提供了帮助。