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便携式拉曼光谱仪用于合成大麻素类物质快速定性分析探究

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光谱学与光谱分析 2023年第1期43卷 145-150页

作者：胡爽刘翠梅贾薇花镇东北京警察学院北京102202 公安部禁毒情报技术中心毒品监测管控与禁毒关键技术公安部重点实验室北京100193

我国于2021年7月将合成大麻素类物质整类列入管制,在一线查缉现场对疑似合成大麻素样品进行快速定性分析是办案民警的迫切需求。研究系统考察了拉曼光谱对合成大麻素的整体区分能力,比较了四款手持式拉曼光谱仪分析实际缴获样品时的结... 详细信息

我国于2021年7月将合成大麻素类物质整类列入管制,在一线查缉现场对疑似合成大麻素样品进行快速定性分析是办案民警的迫切需求。研究系统考察了拉曼光谱对合成大麻素的整体区分能力,比较了四款手持式拉曼光谱仪分析实际缴获样品时的结果差异,探讨了制约拉曼光谱在一线查缉现场广泛应用的原因。ProTT-EZRaman-A7便携式拉曼光谱仪的整体性能介于台式拉曼和手持式拉曼之间,选用该仪器采集了90种合成大麻素对照品的拉曼光谱,并利用兼容性强的KnowItAll软件建立了90种合成大麻素通用拉曼光谱库。分析90种合成大麻素的拉曼光谱,结果表明,当不存在荧光干扰时,拉曼光谱可以区分所有合成大麻素物质,但对部分结构相差一个甲基、卤素原子等的结构类似物区分度欠佳。不同款拉曼光谱仪的性能差异大,为考察其原因,本研究选用了四款手持式拉曼光谱仪分别对120份实际缴获合成大麻素样品进行了测定,随后使用KnowItAll软件并选用包含90种合成大麻素的通用拉曼光谱库对每张光谱图进行谱库检索。四款手持式拉曼光谱仪的正确匹配率分别为71.7%,68.3%,46.7%和24.2%。抗荧光干扰能力和分辨率的不同是造成不同拉曼光谱仪匹配结果差异的主要原因。便携式拉曼光谱仪具有操作简单、测样速度快,可用于一线查缉站点快速检测的优点,但考虑到实际缴获样品的纯度未知且可能存在荧光干扰,不同拉曼光谱仪的抗荧光干扰能力、分辨率及谱库完备程度均不同,因此现阶段拉曼光谱的测试结果只能作为定性初筛使用。该研究内容为法庭科学实验室和一线办案民警正确理解和应用拉曼光谱测试结果提供了指导。

关键词：便携式拉曼光谱仪手持式拉曼光谱仪新精神活性物质合成大麻素结构类似物定性分析

手持式拉曼系统设计与种子品种快速识别技术研究

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手持式拉曼系统设计与种子品种快速识别技术研究

作者：李晨铭兰州大学

学位级别：硕士

拉曼光谱是一种利用光与物质之间相互作用,通过分析光子能量和频率的变化来分析物质结构和物质成分的技术。由于其非入侵检测的特点,拉曼光谱技术的应用场景不断增加,已被广泛应用到各领域的检测当中。但一些传统拉曼光谱仪无法完成在... 详细信息

拉曼光谱是一种利用光与物质之间相互作用,通过分析光子能量和频率的变化来分析物质结构和物质成分的技术。由于其非入侵检测的特点,拉曼光谱技术的应用场景不断增加,已被广泛应用到各领域的检测当中。但一些传统拉曼光谱仪无法完成在室外、高温和高压等特殊环境的测量,因此手持式拉曼光谱仪受到了广泛关注。在农业领域,种子分类识别是农业生产和育种的重要环节,通过种子特征进行分类筛选,可以有效提高农作物的产量和质量,手持式拉曼光谱仪因其便携高效等优点在种子筛选上发挥着重要作用。然而,应用于农业的手持式拉曼光谱仪市场主要由国外公司占据,国内厂商处于劣势,虽然国内的一些公司也推出了手持式拉曼设备,但性能和稳定性仍有待提高。因此,设计一款低成本、稳定并配备识别算法的手持式拉曼光谱仪有着十分重要的意义。本文首先对手持式拉曼设备在国内外的发展进行了详细介绍,并深入研究了拉曼散射原理。在此基础上根据使用场景,选取合适的激光器、微型光谱仪、探头、网卡和控制电路模块,搭建软件开发环境。随后,根据应用需求设计人机交互界面,完成手持式拉曼光谱仪硬件和软件设计。并以紫花苜蓿种子为测量样本将经过标定后的拉曼系统进行整体测试。然后,通过对比四种紫花苜蓿和两种草木樨种子的拉曼光谱,我们注意到紫花苜蓿和草木樨种子在524 cm、1140-1300 cm、1500-1700 cm的强度存在明显差异。这些差异可以归因于它们营养成分的不同,如糖类和蛋白质含量的差异。随后,我们将收集到的493条有效拉曼光谱结合降维方法与机器学分类算法对6种种子进行识别,比较28种分类模型识别能力。结果表明,使用结合主成分分析和线性判别分析的分类模型对牧草种子分类效果更佳。其中结合线性判别分析的模型准确率均超过94%,使用线性判别分析结合k邻近算法的模型在实验中表现最优,其平均准确率为98.88%,表明拉曼光谱结合机器学习方法在种子的成分分析、快速识别方面有很大潜力。本研究不但有助于促进国内手持式拉曼设备的发展,更能为种业的进一步发展提供更为准确和可靠的技术支持。

关键词：手持式拉曼光谱仪 Qt 嵌入式Linux系统拉曼光谱机器学习

手持式拉曼光谱检测装置光学系统的设计与实现

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手持式拉曼光谱检测装置光学系统的设计与实现

作者：张一超浙江工业大学

学位级别：硕士

拉曼光谱是物质的散射光谱,其谱线的频移、强度和分布与分子的能级直接相关,可以提供物质结构的特征信息。相比传统检测技术,拉曼光谱法具有检测速度快,无损非接触,无需样品制备等优点,已经广泛应用于高校科研、安检安防、食品安全、制... 详细信息

拉曼光谱是物质的散射光谱,其谱线的频移、强度和分布与分子的能级直接相关,可以提供物质结构的特征信息。相比传统检测技术,拉曼光谱法具有检测速度快,无损非接触,无需样品制备等优点,已经广泛应用于高校科研、安检安防、食品安全、制药鉴别等领域。拉曼光谱法也是目前光谱学研究领域中发展最快的研究前沿之一。传统拉曼光谱仪一般体积较大、价格昂贵,仅适合于科研院所或高等院校的实验室使用,而手持/便携式拉曼光谱仪作为拉曼检测技术的便携式实现,非常适合于物质的现场检测,且操作简单价格相对便宜,其在各行各业的应用需求也越来越大。小型一体化的拉曼探头是手持式拉曼光谱仪能得以实现的核心部件之一,它的性能对整个检测装置的性能好坏起到了关键的作用。本文介绍了手持/便携式拉曼光谱仪的研究和市场现状,并且分别从经典物理学角度和半经典量子理论角度解释了拉曼光谱原理。阐述了拉曼光谱仪的各个组成部分,设计并制造了一款适用于785 nm激发波长的拉曼探头,其通光孔径为5 mm,工作距离为13.5 mm。使用Zemax软件进行拉曼探头的光路设计,使用SolidWorks软件进行拉曼探头外壳的机械设计,以及使用TracePro软件对整体光路仿真模拟。分别通过3d打印技术和CNC机加工技术实现拉曼探头壳体的制造,并且测试了酒精的拉曼光谱,达到了预期的效果。与现有的市场某一产品相比,该拉曼探头具有更高的性价比。基于拉曼探头的设计和实现,进行了手持/便携式拉曼光谱检测装置初步的光学系统设计,并完成了样机光学系统的组装,利用该装置分别测试了部分毒品（K粉、麻古和冰毒）的拉曼特征谱,经与理论计算结果比对基本吻合。该研究结果表明本文所设计,并实现的拉曼探头以及在此基础上搭建的手持/便携式拉曼光谱检测装置是成功的。该研究工作为今后商业化生产具有自主知识产权的手持/便携式拉曼光谱仪打下了良好的基础。

关键词：拉曼光谱拉曼探头手持式拉曼光谱仪光学设计

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手持式拉曼光谱检测装置系统的设计与实现

手持式拉曼光谱检测装置系统的设计与实现

作者：屠潜浙江工业大学

学位级别：硕士

拉曼光谱是一种散射光谱,其对于分子的结构非常敏感,每种分子或样品通过拉曼检测都会得到其特有的“指纹”光谱,通过与数据库中的“指纹”匹配即可快速鉴别物质。近年来,人工合成毒品的日益泛滥和快速更新给相关部门就毒品的现场识别和... 详细信息

拉曼光谱是一种散射光谱,其对于分子的结构非常敏感,每种分子或样品通过拉曼检测都会得到其特有的“指纹”光谱,通过与数据库中的“指纹”匹配即可快速鉴别物质。近年来,人工合成毒品的日益泛滥和快速更新给相关部门就毒品的现场识别和快速检测带来了巨大挑战。相比于传统检测技术,拉曼光谱法具有实时、快速、无损、非接触、样品量小、样品无需预处理等一系列优点,在毒品检测领域已得到广泛应用。传统拉曼光谱仪一般体积较大且价格昂贵,仅适用于做科学研究,手持式拉曼光谱仪则因体积小、便于携带、操作简单等优势,非常适合对毒品进行现场快速的检测。但是就目前而言,国内厂商生产的手持式拉曼光谱仪由于性能,精度较差,并且没有完备的毒品拉曼数据库,手持式拉曼光谱仪市场主要被国外公司垄断。因此研制一种性能优越,拥有自主知识产权并且配套有毒品拉曼数据库的手持式拉曼光谱仪具有重要的实际意义。本文首先出于要建立一个基于毒品拉曼特征数据库的研究目的,对甲基苯丙胺、氯胺酮、麻古和咖啡因四种毒品进行了拉曼光谱检测,并根据密度泛函方法通过Gaussian软件对上述毒品的拉曼光谱做了理论计算,通过对比发现:理论计算与实验检测得到的结果基本吻合,从而证明了实验测得结果的正确性,然后对各毒品实验拉曼特征峰进行了详细归属,为下一步通过特征峰来进行样品的匹配识别做准备。同时,本文还对手持式拉曼光谱检测装置原理机进行了搭建。通过设计激光器模块控制电路使激光器稳定输出,并设计光谱仪与上位机之间的USB电路来实现二者的数据通讯,之后通过Qt开发框架设计了手持式拉曼光谱检测装置的人机交互界面,实现了光谱显示、光谱匹配等一系列功能。最终采用咖啡因和酒精对整套系统做了测试,结果表明:通过本装置检测到的咖啡因和酒精拉曼与采用市场上已商品化的便携式拉曼光谱仪得到的测量结果基本一致,同时液晶屏上的光谱显示与PC机上的无异;光谱匹配时,对于高纯度咖啡因和酒精通过相似系数算法计算的结果都达到0.95以上,说明通过该算法可以实现高纯度样品的快速匹配。上述的这些研究工作为今后研制商业化,具有自主知识产权的手持式拉曼光谱仪打下了良好的基础。

关键词：手持式拉曼光谱仪毒品数据库控制电路人机交互

基于ARM的手持式拉曼系统设计及识别算法研究

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基于ARM的手持式拉曼系统设计及识别算法研究

作者：张文波兰州大学

学位级别：硕士

拉曼光谱是一种非弹性散射谱,散射光携带了物质的“指纹”信息,能够表征物质的分子结构。拉曼光谱技术是一种非入侵式的光检测技术,因其快速、无损、非接触、样品用量少、制备简单等一系列优点被广泛应用于各大研究领域。近些年来,由于... 详细信息

拉曼光谱是一种非弹性散射谱,散射光携带了物质的“指纹”信息,能够表征物质的分子结构。拉曼光谱技术是一种非入侵式的光检测技术,因其快速、无损、非接触、样品用量少、制备简单等一系列优点被广泛应用于各大研究领域。近些年来,由于众多研究领域开始相互交叉、融合和促进,对拉曼检测技术提出了快速、便捷、无损、适合现场操作等一系列新的要求,手持式拉曼光谱仪也因此受到广泛的关注。然而目前手持式拉曼光谱仪市场主要被国外各大光学公司垄断,国内推出手持式拉曼光谱仪的厂商寥寥无几。因此,本文设计了一款低成本、体积小、易于操作和携带方便的手持式拉曼光谱仪,并配套研发智能采集系统、识别算法和拉曼光谱数据库,对于推动国内手持式拉曼系统的研制具有重要意义。本文首先研究了手持式拉曼系统的硬件组成原理,并分析了各大模块的工作原理。然后根据设计目的和应用场景,选取了合适的激光器、拉曼探头、微型光谱仪和嵌入式硬件开发平台完成了手持拉曼系统的硬件设计。然后,对手持式拉曼系统的软件功能进行了开发。首先移植了嵌入式Linux系统作为手持式拉曼系统的操作系统,然后基于字符设备驱动程序的设计原则,完成了微型光谱仪的USB程序设计。最后分析了系统的整体人机交互框架,通过Qt/Embedded开发框架设计了主要界面,并利用低压汞氩灯和塑料样品完成了波长定标和系统整体功能测试。此外,本文还以塑料样品为研究对象,对手持拉曼系统的识别算法进行了研究。在本研究中,我们将拉曼光谱与机器学习相结合,对11种塑料样本进行识别。首先利用本文设计的785 nm手持式拉曼系统采集了塑料样品的拉曼光谱,并利用主成分分析进行特征提取;然后比较了基于三种机器学习算法的塑料识别模型。实验结果表明,三种机器学习算法都能很好地对11种塑料识别,平均准确率高达96.59%,证明拉曼光谱结合机器学习在塑料的快速、无损识别方面具有很大的潜力。本研究不仅为废弃塑料的回收提供了一种独特的方法,还为手持式拉曼系统的光谱数据库的建立和识别算法的开发提供了新思路。

关键词：手持式拉曼光谱仪嵌入式Linux 人机交互塑料拉曼光谱识别模型