拉曼高光谱系统中线激光对不同筋度面粉的穿透深度研究

激光对面粉的穿透深度是利用拉曼高光谱技术有效检测面粉中添加剂的基础。在偶氮甲酰胺(ADA)顶部放置不同筋度且不同厚度的面粉制备双层样品,采集不同筋度面粉、 ADA、双层样品的拉曼高光谱图像。ADA拉曼特征峰对应的单波段图像结合阈值分割创建检测图像以识别ADA像素,根据识别结果计算线激光对不同厚度面粉层的穿透率。结果显示,ADA拉曼特征峰位于1 335 cm^-1处,以此波段灰度图像创建的双层样品检测图像中,线激光对2 mm不同筋度面粉层的穿透率均在99%以上,因此选择该厚度作为线激光对面粉的有效穿透深度。     

激光光源条件对谷氨酸钠拉曼光谱的影响

采用多种激光和不同功率等,对谷氨酸钠晶体进行了激光拉曼光谱的影响研究。结果表明不同波长和功率的光源,对测定存在一定的影响,谱峰位移在6 cm-1以内。紫外激光由于光能量较大对样品有一定的破坏作用,造成拉曼光谱的减弱和泯灭,需采用光路衰减。拉曼谱峰的响应与光源的功率有着很好的线性关系,其相关系数r　0.999。首次提出单位光功率所产生的拉曼光强与所用的波长有关,与所用的光功率无关。     

皮肤组织容积脉搏波400~1000 nm光谱特性仿真研究

根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型,并给出了皮肤组织各层的特性参数;考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性,依据皮肤组织各层的水、血、脂肪、血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数;对不同波长散射系数做了适当简化,给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400~1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程,并通过统计大量光子的分布特性,获得了皮肤组织光谱反射系数,并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。仿真结果表明,当入射光强一定时,绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度,获得了皮肤组织光谱穿透深度。结果显示,血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小,蓝光大部分只能达到表皮层,绿光能到达微循环层,红光可直达真皮层。考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程,基于此,根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度,利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。结果表明,不同波长光产生深度大于其穿透深度,蓝光产生深度较浅,且其受到的血液吸收调制较小,因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰;红光的容积脉搏波产生深度较大,但是相比于绿光其受血液吸收调制较小,且绿光产生深度足够达到真皮血管层,因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性,为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。     

逆向空间偏移拉曼光谱技术应用于聚合物材料结构剖析

空间偏移拉曼光谱技术^[1](spatially offset Raman spectroscopy,SORS)的原理是基于激光照射位置与拉曼信号的收集位置偏移一定的距离。逆向空间偏移拉曼光谱技术^[2](inverse spatially offset Raman spectroscopy,Inverse-SORS)是SORS技术的一种衍生变体。如Scheme 1所示是一套自搭建的Inverse-SORS系统,激光通过锥透镜形成环形光束照射到样品表面上,并在该环形光束的中心位置收集产生的拉曼信号,可通过移动锥透镜调节样品上环形光束的大小,从而改变空间偏移量(Δs)的大小。在本实验中,测试对象有样品Ⅰ:上层是厚度为0.50 mm的PMMA,下层是厚度为0.30 mm的PTFE,以及样品Ⅱ:上层是厚度为0.30 mm的PTFE,下层是厚度为1.50 mm的PMMA;采用波长为532 nm的激光为激发光,其功率为50 mW,信号收集时间60 s。对于样品Ⅰ的实验结果,从图1(a)中可看出,在偏移距离Δs为1.37 mm时可获得几乎纯净的PTFE的拉曼...     

准分子激光辐照PVDF的拉曼和红外光谱研究

通过测量KrF准分子激光辐照前后PVDF的拉曼光谱和红外光谱,分析了PVDF经激光辐照后表面电导率大幅度提高的机理;采用逐点扫描拉曼成像技术,确定出激光辐照后PVDF的导电层厚度约为7.5μm。在拉曼光谱、扫描电镜和X射线能谱综合表征基础上,发现激光辐照后PVDF表面呈现出复合型微结构。     

人血红细胞傅里叶变换红外和近红外拉曼光谱

通过人血红细胞傅里叶变换近红外拉曼光谱和红外光谱研究,基本上确定了人血红细胞中特征官能团的归属, 发现不同拉曼频移的拉曼信号强度随激发光功率呈非线性变化规律。近红外激光拉曼光谱结合红外光谱信息,可作为研究人血红细胞结构的有效测试手段。     

基于激光拉曼光谱的水面油膜厚度测量方法研究

为了实现水体表面油膜厚度的快速非接触检测,基于激光拉曼光谱检测技术,搭建了水体表面油膜厚度拉曼光谱检测系统。以532 nm激光作为激发光源,以常见的柴油和汽油为例研究了不同油品的拉曼光谱特性,研究结果表明,油膜拉曼光谱响应特性与油品密切相关,相同油膜厚度情况下不同油品的拉曼光谱曲线有明显的差异,97#汽油在1 651 cm-1光谱强度要高于90#汽油。随着油膜厚度的增加,柴油316和1 451 cm-1光谱强度和汽油1 651 cm-1拉曼位移光谱强度增加,油拉曼光谱信号变强;根据油水界面拉曼光谱特征,设计了油膜厚度计算因子,实验证明随着油膜厚度增加,油膜厚度计算因子r_film呈下降趋势。可以将油膜厚度计算因子作为水体表面油膜厚度测量的一种依据。     

入射激光功率对硅纳米线拉曼光谱及荧光光谱的影响

一维纳米材料硅纳米线是目前重要的光电材料之一,采用化学气相沉积法制备了硅纳米线,实验研究了不同功率532 nm激光激发下的拉曼光谱和荧光光谱,随着入射激光功率的增加,一阶拉曼光谱出现红移和非对称加宽,而且红移同入射激光功率成正比,光致荧光光谱出现蓝移和双峰结构。使用声子限域效应、应变效应和激光非均匀加热效应对实验结果进行了分析,并采用matlab模拟了入射激光功率同拉曼频移的理论关系曲线,结果表明激光非均匀加热效应是引起拉曼光谱和光致荧光光谱变化的主要原因。     

空间偏移拉曼光谱技术的发展及应用

传统拉曼光谱只能探测样品的表层信息,或者只能穿透透明的表层探测样品内部,对多层不透明或不透明包装的样品检测则不适用了,比如搜索隐蔽的爆炸物、识别有包装的假药、无损检测骨骼疾病等。空间偏移拉曼光谱（SORS）技术是一种新型光谱检测技术,能够非侵入不透明包装或表层直接获得样品内部深层特征信息,这一技术的出现解决了上述的难题。首先详细介绍了SORS技术的工作原理：其根本原理在于光子迁移理论,其系统激光光源的入射焦点与光谱系统中收集透镜的焦点在待测样品表层空间上偏移一定的距离ΔS。当激光入射到待测样品表层时,表层样品被激发或散射出宽带荧光,其中有一部分散射光将到达样品内部,样品内部深层处产生的拉曼散射光子相比于样品表层的光子在散射过程中更易于横向迁移,经多次散射后返回样品表层被光谱仪器接收系统收集。到达样品内部不同深度ΔH的散射光返回表层后的位置距离激光光源入射点在样品表层上有不同的偏移距离ΔS。当空间偏移距离ΔS＝0时,激光光源入射点与拉曼光谱收集点重合,此处激发的光子密度最大,系统收集到的拉曼光谱信号大部分来自样品表层,样品深层拉曼信号被淹没;当空间偏移距离ΔS≠0时,光谱仪器收集到的拉曼光谱信号中来自表层的信号衰减很快,来自样品深层的信号衰减较慢,使得更深层的拉曼散射光子比重变大,从而实现光谱分离,再结合多元数据分析方法可以获得样品内部不同深层次的拉曼光谱,即空间偏移拉曼光谱。该技术具有很好抑制表层物质拉曼光谱和荧光光谱干扰的能力,特别适用于隐蔽在不透明包装材料下的物质拉曼光谱的提取,从而快速、非侵入地对目标物成分进行鉴定。其次介绍了SORS技术的特点。SORS技术是拉曼光谱的衍生技术,具备拉曼光谱技术的制样简单、水分干扰小、样品消耗量小、灵敏度高等全部优点,除此之外,有效抑制荧光、深层检测、非侵入无损检测、远距离检测等特点,这些特点有效提高了拉曼光谱强度,降低用户的检测和生产成本以及提高检测人员的人身安全。同时概述并对比了SORS技术现有的三种工作方式：标准SORS、逆SORS和倾斜SORS。标准SORS技术可进行远距离非接触测量,逆SORS较之标准SORS具有更高的灵敏度和抗光谱扭曲的潜力,而且入射的有效光照面和空间偏移距离ΔS是可控的,避免了样品过热;倾斜SORS具有较高的检测灵敏度,而且实验装置容易实现。然后在大量调研文献的基础上综述了近些年来SORS技术结合其他技术在化工生产、安检、生物医学、考古艺术、食品安全、稽查打假以及国防安全等多个领域的国内外发展和应用。最后指出了SORS技术目前存在的问题并展望了该技术未来的发展前景。     

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。     

Passive signal enhancement in spatially offset Raman spectroscopy

We demonstrate experimentally, for the first time, the feasibility of enhancing signals in Spatially Offset Raman Spectroscopy (SORS) using a dielectric bandpass filter, building on our earlier experimental work on the enhancement of transmission Raman signals. The method is shown to lead to the enhancement of both the surface and subsurface Raman layer signal improving the signal‐to‐noise ratio of Raman spectra from the deep areas of samples, thus enhancing the technique's sensitivity and penetration depth. The filter is placed over the laser illumination zone, on the sample surface acting as a ‘unidirectional’ mirror transmitting the collimated laser beam on one side and reflecting photons escaping from the sample back into it. This enhances the degree of coupling of laser radiation into the medium and associated generated Raman signal. The feasibility study was performed on a two‐layer sample with the second layer located at the limit of the penetration depth of the method for this sample. The sample consisted of a 2.2‐mm over‐layer of a thinned paracetamol tablet followed by a 2‐mm layer of trans‐stilbene powder. The Raman signal was collected from a spatially offset region through a hole fabricated within the filter. The experiments demonstrate the presence of an enhancement of the Raman signal from both the layers by a factor of 4.4–4.5 and the improved signal‐to‐noise ratio of sublayer signal by a factor of 2.2, in agreement with photon shot noise dominated signal. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

三种品牌牛奶的荧光光谱特性研究

应用FLS920P型稳态和时间分辨荧光光谱仪,对三种品牌不同脂肪含量的纯牛奶和鲜奶(共9种)进行了荧光光谱的测量.9种牛奶样品的三维荧光光谱显示,牛奶的荧光峰值波长为349 nm左右,半高宽为66 nm左右,最佳激发波长为291 nm左右,平均寿命为4.6 ns左右,实验表明9种牛奶的荧光光谱除荧光强度外基本一致.实验...     

A line‐scan hyperspectral Raman system for spatially offset Raman spectroscopy

Spatially offset Raman spectroscopy (SORS) is a technique that can obtain subsurface layered information by collecting Raman spectra from a series of surface positions laterally offset from the excitation laser. Currently optical fiber probes are used as major tools in SORS measurement, which are either slow (single fiber probe with mechanical movement) or restricted in selecting offset range and interval (fiber probe array). This study proposes a new method to conduct SORS measurement based on a newly developed line‐scan hyperspectral Raman imaging system. A 785‐nm point laser was used as an excitation source. A detection module consisting of an imaging spectrograph and a charge‐coupled device camera was used to acquire line‐shape SORS data in a spectral region of −592 to 3015 cm⁻¹. Using a single scan, the system allowed simultaneous collection of a series of Raman spectra in a broad offset range (e.g. 0–36 mm in two sides of the incident laser) with a narrow interval (e.g. 0.07 mm). Four layered samples were created by placing butter slices with thicknesses of 1, 4, 7, and 10 mm on top of melamine powder, providing different individual Raman characteristics to test the line‐scan SORS technique. Self‐modeling mixture analysis (SMA) was used to analyze the SORS data. Raman spectra from butter and melamine were successfully retrieved for all four butter‐on‐melamine samples using the SMA method. The line‐scan SORS measurement technique provides a flexible and efficient method for subsurface evaluation, which has potential to be used for food safety and quality inspection. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

亚单分子层三聚氰胺的便携式拉曼检测

通过改进Lee和Meisel法,制备了两种银胶。以三聚氰胺分子为探针分子,银胶为SERS基底,使用便携式拉曼光谱仪进行拉曼测试。拉曼光谱表明银纳米粒子和三聚氰胺发生的吸附作用明显,三聚氰胺的四个较强振动峰有4～9cm-1的频移和强度比变化较大。由于SERS基底的表面增强作用,三聚氰胺的便携式拉曼光谱仪最小检测量达到了6×10-12g,实现了三聚氰胺的亚单分子层检测水平。该检测方法快捷、简便,如果结合奶粉或食品中三聚氰胺的固相萃取技术,将可以应用于三聚氰胺的现场、快速、半定量检测。     

利用Turbiscan多重光散射技术评价pH值与钙离子对脱脂乳的热稳定性的影响

热稳定性直接影响牛乳的加工与感官特性，准确判断牛乳的热稳定性对优化液态乳制品的加工条件具有重要意义。然而，当前液态奶的稳定性评价主要是通过加速实验后肉眼观察分层、沉淀等情况，以及动态光散射等手段，尚无快速可靠以及量化的评价标准，严重制约了热处理工艺的选择效率。Turbiscan多重光技术在测试流体的稳定性时，无需对样品进行前处理，可实时检测样品的背向散射光和透射光的强度，计算出体系内部颗粒的迁移速率、沉淀层的厚度、体系的不稳定指数等参数，因此是评价流体物理特性的有效手段。研究以动态光散射测试结果为对照，利用Turbiscan多重光技术测定了脱脂乳经过80 ℃条件下加热30 min后，分别在pH值6.3，6.5，6.7和6.9，CaCl₂的浓度在0，20，40，60和80 mmol·L-1条件下的热稳定性。结果表明，当CaCl₂添加量为20，40，60和80 mmol·L-1时，脱脂乳的z-平均直径从152.7增加到1 284.4 nm，20 h后的不稳定指数值从0.98增加到17.04，样品顶端的背散射光强变化值从-4.3降低到-37.4，底端的背散射光强变化值从2.2增加到14.7；当样品的pH值分别为6.3，6.5，6.7和6.9时，脱脂乳的z-平均直径分别为148.1，152.7，132.4和122.4 nm，20 h后的不稳定指数值分别为1.32，1.02，0.98和1.41，样品顶端的背散射光强变化值分别为-3.1，-4.7，-4.2和-5.6，底端的背散射光强变化值分别为5.7，3.4，4.1和6.8。结果表明，随着CaCl₂添加量的增加，脱脂乳的热稳定性显著降低，pH值对脱脂乳热稳定性的影响较小。同时发现，与动态光散射技术相比，Turbiscan多重光散射技术可更精确、方便、快捷地获得热处理后的牛乳背散射光强值和体系不稳定指数等牛乳稳定性指标，从而明确热处理导致的乳蛋白分散体系的不稳定性发生的机理。Turbiscan多重光散射技术比动态光散射技术测定更方便快捷，该研究对优化乳制品加工工艺具有重要指导意义。     

Detection of melamine in liquid milk using surface‐enhanced Raman scattering spectroscopy

Melamine, a nitrogen‐rich chemical, has recently caused enormous economic losses to the food industry due to the cases of milk products adulterated by melamine. This has led to an urgent need of rapid and reliable methods for detection of melamine in food. In this study, surface‐enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy was used to detect melamine in liquid milk. The sample preparation with liquid milk is very easy; it has to be only diluted with double‐distilled water followed by centrifugation. By using a silver colloid, at least a 10⁵‐fold enhancement of the Raman signal was achieved for the measurement of melamine. The limit of detection by this method was 0.01 µg ml⁻¹ for melamine standard samples. Based on the intensity of the Raman vibrational bands normalised to that of the band at 928 cm⁻¹ (CH₂), an external standard method was employed for quantitative analysis. The linear regression square (R²) of the curve was 0.9998; the limit of quantitation using this approach was 0.5 µg ml⁻¹ of melamine in liquid milk; the relative standard deviation was ≤10%; and recoveries were from 93 to 109%. The test results for SERS were very precise and as good as those obtained by liquid chromatography/tandem mass spectrometry. The method was simple, fast(only needs about 3 min), cost effective, and sensitive for the detection of melamine in liquid milk samples. Therefore, it is more suitable for the field detection of melamine in liquid milk. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Fourier‐transform Raman analysis of milk powder: a potential method for rapid quality screening

In this work, FT‐Raman spectroscopy was explored as a fast and reliable screening method for the assessment of milk powder quality and the identification of samples adulterated with whey (1–40% w/w). Raman measurements can easily differentiate milk powders without the need of sample preparation, whereas the traditional methods of quality control, including high‐performance liquid chromatography, are laborious and slow. The FT‐Raman spectra of whole, low‐fat, and skimmed milk powder samples were obtained and distinguished from commercial milk powder samples. In addition, the exploratory analysis employing data from Raman spectroscopy and principal component analysis (PCA)allowed the separation of milk powder samples according to type,identifying differences between samples in the same group. Multivariate analysis was also developed to classify the adulterated milk powder samples using PCA and partial least squares discriminate analysis (PLS‐DA). The resulting PLS‐DA model correctly classified 100% of the adulterated samples. These results clearly demonstrate the utility of FT‐Raman spectroscopy combined with chemometrics as a rapid method for screening milk powder. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

黄藤细胞壁微纤丝取向偏振光拉曼光谱研究

采用532 nm共聚焦显微拉曼光谱技术原位状态下研究了黄藤藤茎纤维及导管细胞壁中纤维素微纤丝空间取向差异。在高数值孔径（NA=1.25）物镜测试条件下,C-H伸缩振动（2 771~3 000 cm-1）特征峰峰面积拉曼成像成功的区分出细胞角隅、复合胞间层以及次生壁。进一步发现纤维细胞次生壁呈宽窄交替的同心层状结构,而导管次生壁无明显的分层结构。采用平行于细胞径向壁的拉曼偏振激光进行光谱成像发现纤维细胞次生壁窄层纤维素C-O-C（1 097 cm-1）拉曼信号强度明显高于宽层,即窄层中微纤丝取向更加平行于入射激光偏振方向,与细胞轴夹角更大,而导管次生壁中微纤丝取向较为均一。细胞壁不同形态区域拉曼光谱分析发现纤维素C-O-C特征峰以及CH和CH₂特征峰的拉曼信号强度与入射激光的偏振方向存在明显的相关性。当入射偏振激光的电矢量方向从平行变化到垂直于微纤丝方向时,其糖苷键C-O-C非对称伸缩振动信号减弱,而CH和CH₂的取向在与入射偏振激光的电矢量方向垂直时,其拉曼信号强度相较于平行状态略微降低,表明纤维素特征峰中的糖苷键C-O-C的非对称伸缩振动比CH和CH₂伸缩振动对拉曼偏振光的方向改变更为敏感。比较纤维细胞宽层与窄层的拉曼光谱发现径向次生壁窄层1 097 cm-1处拉曼信号强度明显高于弦向次生壁窄层,而径向次生壁宽层的2 897 cm-1处拉曼信号强度低于弦向次生壁宽层。拉曼特征峰比值（I_{1 095}/I_{2 897}）可用来定性研究细胞壁微纤丝角,结果发现这一比值在导管次生壁、纤维细胞窄层和纤维细胞宽层中分别为1.32~1.10,0.92~0.55和0.42~0.33,表明导管次生壁具有最大的微纤丝角,纤维细胞窄层次之,宽层最小。该研究为解析藤材细胞壁骨架空间结构、化学成分分布以及微力学特性提供了新型的分析手段和重要的理论指导。     

基于便携式拉曼高光谱成像技术的散装奶粉中硫脲可视化现场快速检测方法研究

硫脲是一种含氮量高、毒性较大的潜在蛋白掺假化合物,常规的实验室检测方法过程复杂、效率低,无法满足口岸对大批次散装奶粉样本质量快速筛查的需求。为解决口岸抽样监管缺乏快速实时评价方法的难题,利用自主搭建的便携式点扫描拉曼高光谱成像系统,开发了一种简单高效的奶粉中硫脲现场可视化快速检测方法,确保散装奶粉在进出口环节的精准监管。研究以不同添加浓度（0.005%~2.000%）的硫脲奶粉混合物为样本,分别用Whittaker平滑方法和自适应迭代重加权惩罚最小二乘算法（airPLS）消除光谱数据的背景随机噪音信号和荧光背景干扰,峰值识别后对硫脲特征位移处的单波段数据进行二值化处理,得到混合样本感兴趣区域的二值热图,通过二值图中硫脲像素点的有无和坐标,对奶粉中的硫脲进行定性判别和定位分析。进一步分析得感兴趣区域内硫脲像素点数目与添加浓度的关系,结果表明随着添加浓度的增加,硫脲像素点数目呈线性增长趋势,其中线性拟合的决定系数(R2)为0.991 3,硫脲的最低检出浓度为0.05%。在0.25%,0.60%,1.20%和1.50%的添加水平下,利用像素点数目和线性拟合关系预测奶粉中硫脲的浓度,结果显示预测浓度的相对误差范围为-9.41%~4.01%,相对标准偏差小于7%。该点扫描拉曼高光谱成像系统能在10 min内完成单个样本的检测,结合软件控制系统,实时对奶粉中的硫脲颗粒进行定性、定量和污染分布分析,方法简单高效、准确性好、灵敏度高、稳定性强,为口岸现场对散装奶粉中硫脲掺假物的实时快速检测提供了技术监管手段,能显著提升口岸现场散装样本的监管环节质量评价的精准性,为进口奶粉快速通关提供技术保障。