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。     

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。     

界面折射率不一致对显微成像穿透深度的限制

在运用共焦显微术及低相干显微成像术等进行光学断层成像时,要将光束聚焦到样品内部以便实现光学断层成像,然而由于生物组织等的折射率与盖玻璃以及浸液不同,因而会引入很大的球差,从而使入射电磁波发生畸变.分析了由于多层折射率不一致而引入的球差的大小,并运用所得的公式计算了折射率不一致对光在样品中穿透深度及焦面附近光场分布的影响.     

利用显微拉曼光谱和光谱成像技术分析指纹残留物的研究

利用共聚焦显微拉曼光谱技术,对玻璃片上的油脂指纹进行分析研究。根据其特征峰位置和数目将样品进行分类,并对特征峰所对应的分子振动基团进行指认。在此基础上,对玻璃片上的油脂指纹进行拉曼光谱成像,从而获得油脂指纹纹线物质在空间上的分布情况。实验结果表明,共聚焦显微拉曼光谱技术可以区分不同成分的指纹残留物,拉曼成像技术可以同时获得指纹的图像和物质成分,对于油脂指纹的提取和分析有广阔的应用前景。     

岩心显微拉曼光谱成像方法的研究

虽然用激光拉曼光谱显微探针研究岩心中碳质物的工作已有很大进展,但是通常对诸如岩心等样品物性的光谱学(红外、拉曼和荧光等)微探针实验研究多是局限于对经过复杂处理分离出的微小样品或样品中个别点得到的结果,缺乏对复杂样品各组分(或基团)的空间分布及其相互关系的研究。近年来新发展起来的光谱成像分析系统将光谱技术与成像技术有机地结合起来融为一体,可在光谱和空间两个方面对目标样品进行分析和识别,但是用拉曼显微成像光谱研究岩心的工作则少有报道。文章报道了应用“串行-成像”(series-or indirect-imaging,Mapping)和“并行-成像”(parallel-or direct-imaging, Imaging)两种方式对含油岩心进行了显微拉曼光谱成像的研究。从光谱分辨率和空间分辨率以及工作效率等方面对两种方式所得试验结果进行了比较和评估。     

高光谱探测绿色涂料伪装的光谱成像研究

基于现有伪装涂料与植被反射光谱的本质差异,提出一种可有效识别当前所有绿色伪装涂料的高光谱成像方法.通过分析绿色伪装涂料与被子植物叶片的反射光谱及其一阶微分谱的差异,确定了星载和机载高光谱遥感探测中,可见光波段的绿色反射峰和780～1 300 nm的“近红外高原”波段反射率的波动性是识别绿色伪装涂料的有效光谱特征.对“近红外高原”波段的反射光谱进行成像是高光谱探测实现伪装目标可视识别的可行方法,尤其是对反射光谱一阶微分处理后进行成像可更加有效地识别植被环境中的绿色伪装涂料.     

高光谱成像用于定量判断茶树叶片受冻程度

低温冻害是茶园中最常见的自然灾害之一。茶树叶片低温胁迫的定量监测对于评估茶园冻害程度和及时采取措施具有重要意义。茶树低温胁迫的传统检测方法,主要是通过人工观察和理化指标的测定,存在精度低、效率低和主观性强等问题,严重影响了灾害后期的茶树管理。该研究提出了一种基于高光谱成像的茶树冻害程度定量判断方法。首先,利用高光谱成像设备采集自然环境中茶树叶片在无冻害发生、冻害初期和冻害后期三个阶段的光谱数据,提取叶片的平均反射率;测定相应叶片中的相对电导率(REC)、叶绿素(SPAD)和丙二醛(MDA)等生理生化指标。其次,利用多元散射校正(MSC)、一阶导数(1-D)和平滑滤波(S-G)算法对采集的原始高光谱数据进行预处理,并利用无信息变量消除(UVE)和竞争性自适应重加权(SPA)算法筛选预处理后高光谱数据的特征波段。最后,利用卷积神经网络(CNN)、支持向量机(SVM)和偏最小二乘法(PLS)建立REC、 SPAD和MDA含量的定量预测模型。结果表明：(1)经MSC+1-D+S-G算法预处理的光谱曲线比原始光谱曲线的波峰和波谷更加突出,提高了光谱的分辨率和灵敏度,有利于提高后期回归模型的精度;...     

自适应多光谱光声成像技术研究

光声成像技术是利用激光照射组织产生超声波成像的新型医学影像技术.在传统光声成像中,由于组织体内复杂的成分与环境会对入射光波产生较大的扰动而导致波前畸变、图像分辨率下降,从而降低诊断的准确性.为了克服这一影响,本文提出了一种自适应多光谱光声成像技术.该技术利用自适应光学技术可有效地降低组织对光波扰动的影响,提高系统成像分辨率与图像对比度.此外,该系统还融合了多光谱成像技术,可在多种波长下对目标成像,从而更好地进行组织结构识别、组分分析等.实验结果表明,该系统十分适用于复杂的生物组织光声成像,可极大地增强光声成像性能,在生物医学领域具有广阔的应用前景.     

透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究

针对马铃薯损伤部位随机放置会影响检测精度的问题,提出从正对相机、背对相机及侧对相机三个方向,应用透射和反射高光谱成像技术采集马铃薯图像,进行透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究。对透射和反射高光谱图像进行独立成分(IC)分析和特征提取,利用所得特征对反射图像进行二次IC分析,对透射和反射光谱进行变量选择,最终分别建立基于反射图像、反射光谱、透射光谱的马铃薯损伤定性识别模型;对识别准确率高的模型做进一步优化,采用子窗口排列分析(SPA)算法对透射光谱的特征做二次选择得到3个光谱变量,并建立任意放置的马铃薯损伤识别最优模型。试验结果表明,基于反射图像、反射光谱建立的模型识别准确率较低,其中基于反射图像的马铃薯碰伤,侧对相机识别准确率最低为43.10%;基于透射光谱信息建立的模型识别准确率较高,损伤部位正对、背对相机的识别准确率均为100%,侧对相机为99.53%;马铃薯损伤识别最优模型对任意放置的损伤识别准确率为97.39%。应用透射高光谱成像技术可以检测任意放置方向下的马铃薯损伤,该研究可为马铃薯综合品质的在线检测提供技术支持。     

有孔探针近场拉曼光谱和成像技术进展

基于有孔探针SNOM的近场拉曼光谱和成像技术的出现使得拉曼光谱的分辨率突破了光学衍射极限,从而提供了一个有力的工具对样品亚波长尺度之下的化学信息进行表征。文章讨论了探针性质对实现近场拉曼光谱的影响,并全面地介绍了有孔探针近场拉曼光谱发展十余年来在纳米尺度化学分辨成像、液-液界面性质研究、微观层面解释SERS增强机理、图像化反映SERS热点分布等诸多领域的研究进展。     

基于近红外自相关谱检测奶粉中的三聚氰胺

发展了一种基于近红外自相关谱定性定量分析掺三聚氰胺奶粉的检测方法。分别配置40个纯奶粉样品和40个不同质量百分比浓度的掺三聚氰胺奶粉(10-4%～40%, w/w)样品,采集了所有样品的一维近红外漫反射光谱,以奶粉中掺入的三聚氰胺浓度为外扰进行相关计算,选择随浓度变化敏感的7 000～4 200 cm-1为建模区间。在提取自相关谱信息的基础上,建立了定性定量分析掺三聚氰胺奶粉的偏最小二乘模型,并与常规一维近红外谱模型的预测结果进行了比较。所建立的方法对未知样品的识别正确率为100%,预测均方根误差(RMSEP)为0.63%;而一维近红外谱的识别正确率为96.2%,RMSEP为0.84%。研究结果表明：相对于常规一维近红外谱,所建立的方法能提供更好的预测结果,其原因可能是自相关谱能提取更多的特征信息。     

基于拉曼光谱-模式识别方法对奶粉进行真伪鉴别和掺伪分析

奶粉的真伪和掺伪近年来受到广泛的关注,研究一种操作便捷,能准确、快速、全面鉴定奶粉品牌并实现奶粉掺假鉴别的新方法对于奶粉的质量控制具有重要的意义。为实现奶粉的真伪鉴别,采集三种品牌奶粉贝因美、飞鹤和雀巢的拉曼光谱,并利用拉曼谱图特征峰结合最近邻算法(nearest neighbor,NN)的模型对三种品牌奶粉进行识别,在10次交叉验证的基础上,平均识别率为99.56%。为实现奶粉的掺伪分析,将飞鹤奶粉与雀巢奶粉按不同质量比(0∶1,1∶3,1∶1,3∶1,1∶0)混合成五种掺伪奶粉,提取掺伪奶粉中的脂肪,采集脂肪样本的拉曼光谱,分别使用拉曼谱图特征峰结最近邻算法的模型和核主成分分析(kernel principal components analysis,KPCA)结合最近邻算法的模型对五种脂肪样本进行识别,10次交叉验证下的平均识别率分别为93.33%和98.89%,平均运算时间分别为0.085和0.104 s。实验证明：特征峰结合NN的算法可以快速实现对奶粉真伪的判别,但此算法不能很好的区分掺伪奶粉;拉曼光谱-KPCA-NN模型可以为奶粉的掺伪检测提供一种简便、准确、快速的方法。     

液态乳三聚氰胺液相色谱和拉曼光谱检测快速前处理方法

三聚氰胺毒牛奶事件对中国乳制品行业造成了巨大冲击。为保证食品安全,贯彻国家相关管理规定,在乳制品收购环节开展液态乳中三聚氰胺快速检测具有重要的现实意义。研究通过絮凝过滤进行液态乳中三聚氰胺快速分离的前处理方法,样品使用碱式氯化铝(PAC)絮凝后经水性滤膜过滤,即可有效去除液态乳中的脂肪等非水溶性干扰物,得到澄清滤液用于后续检测。通过实验确定碱式氯化铝的添加质量比例为2%~3%时有较高的过滤效率;当混合液为弱碱性条件下具有较好的絮凝效果。采用高效液相色谱方法实验测得样品回收率在90%以上,并估算了回收率的置信区间。采用本方法前处理所得样品与离心前处理方法相比更澄清,采用增敏拉曼方法获得的光谱曲线基线更平整,除杂质效果更好。该前处理方法通用性好,分离效果好,比现有三聚氰胺检测标准方法前处理过程更简单、快速,如用于现有快速液相法和拉曼光谱法中前处理步骤将使检测效率大大提高。     

利用近红外光谱快速检测牛奶中三聚氰胺的可行性研究

采集了22个合格液态牛奶样品,并制备了50个掺入不同含量三聚氰胺(0.1～1 500 mg·kg-1)的牛奶样品,应用近红外光谱仪扫描其透射光谱,研究利用近红外光谱快速检测牛奶中三聚氰胺的可行性。采用偏最小二乘法建立近红外光谱与牛奶中三聚氰胺含量之间的定量模型,结果表明近红外光谱受检测限的限制,难以准确预测牛奶中掺入的三聚氰胺的含量。而应用近红外光谱,结合判别偏最小二乘法建立定性模型,则可以实现对合格牛奶及掺入三聚氰胺的牛奶的定性鉴别,正确识别率达100%。因此,基于近红外光谱的检测方法可以初步判断牛奶中是否含有三聚氰胺,作为高效液相色谱法的补充,为定量检测做初步的筛查,可大大提高检测效率。     

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。     

基于高光谱的牛奶中真蛋白质含量反演

牛奶蛋白质的分析和监测是奶制品行业中不可或缺的环节利用可见光/近红外反射光谱(350～2 500 nm)进行纯牛奶中真蛋白质含量的快速定量反演。分别通过ASD地物光谱仪和CEM真蛋白质测定仪采集牛奶样本的反射光谱数据以及蛋白质含量数据,对比分析不同的光谱预处理方法和波段筛选方法,得到特征波段,最后利用主成分回归(PCR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型建立牛奶反射光谱和蛋白质含量之间的定量校正模型,并对其预测能力进行比较,从而确定最优的牛奶中真蛋白质含量反演模型。实验结果证明：(1)比较不同光谱预处理方法,发现多元散射校正与二阶微分联合使用效果较好;(2)相对于全光谱建模,适当的特征变量优选有助于提高建模精度,缩短建模时间;(3)PCR的验证集决定系数R2_P为0.952 2,验证集均方根误差RMSEP为0.048 7,而LS-SVM的R2_P为0.958 0,RMSEP为0.048 2,其预测精度要优于PCR。研究表明,可见光/近红外高光谱反射率数据可以为牛奶真蛋白质含量的检测提供一种快速、无损的新方法。     

基于支持向量机算法的红外光谱技术在奶粉蛋白质含量快速检测中的应用

蛋白质是奶粉中重要的营养成分,实现对奶粉中蛋白质含量的快速、无损检测十分重要。文章采用近红外及中红外光谱技术检测了不同品种奶粉的蛋白质含量。采用最小二乘支持向量机对光谱透射率值和蛋白质值建模。模型在全波段对样本蛋白质含量预测得到了较好的结果,绝对系数(R2_p)达到0.9517,预测误差均方根(RMSEP)为0.520 201。预测结果要优于传统的偏最小二乘回归(PLS)的预测结果,说明红外光谱技术能够实现奶粉蛋白质含量的无损检测,且检测过程比传统化学检测方法简单,操作性强。文章同时还研究了分别基于中红外光谱范围和近红外光谱范围的建模。模型预测结果显示中红外光谱区域的建模效果要优于近红外光谱区域。该研究为今后奶粉蛋白质含量快速无损检测提供了新的方法。     

碱性银胶的表面增强拉曼效应及对牛奶中三聚氰胺的检测

在合成银胶时加入适量的氢氧化钠,得到稳定性和均一性更好的碱性银胶,研究了它对不同浓度拉曼探针分子亚甲基蓝的增强效果。相比普通银胶,浓度的变化不对其和银胶的吸附方式产生影响,根本原因是碱性银胶对亚甲基蓝分子中硫原子的优向吸附而使451 cm-1处信号始终最强。研究了银胶对同浓度不同量的亚甲基蓝分子产生的拉曼增强效应,以及该拉曼增强光谱随时间的变化关系。另外,将该碱性银胶制备成银斑点应用于掺杂三聚氰胺的牛奶样品检测,获得了三聚氰胺掺入量和拉曼信号的线性关系,该方法需要样品量仅5 μL,拉曼光谱检测时间仅需5 s,非常适合快速测定分析,利用碱性银胶对三聚氰胺在691 cm-1处的特征拉曼峰,可在3～60 mg·L-1的范围内测定三聚氰胺的掺杂量,检出限达0.28 mg·L-1。