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基于光谱信息的拉曼成像技术助力生物质材料结构设计研究进展

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纺织高校基础科学学报 2024年第3期37卷 1-10页

作者：林泽婉叶冬冬安徽农业大学材料与化学学院安徽合肥230036

近年来研究人员对生物质材料进行了诸多结构设计,以提升其性能并获得高性能生物质材料。其中,拉曼光谱技术因其高分辨率、无损检测等特点,被广泛应用于生物质材料的多尺度结构表征。介绍了拉曼成像技术,并详细总结了课题组基于拉曼峰位... 详细信息

近年来研究人员对生物质材料进行了诸多结构设计,以提升其性能并获得高性能生物质材料。其中,拉曼光谱技术因其高分辨率、无损检测等特点,被广泛应用于生物质材料的多尺度结构表征。介绍了拉曼成像技术,并详细总结了课题组基于拉曼峰位、拉曼峰偏移、拉曼峰强度及偏振拉曼等光谱信息对生物质材料进行拉曼成像,以辅助验证材料结构的研究进展。此研究进展为拉曼成像技术在其他材料上的扩展应用提供了参考。

关键词：拉曼成像生物质材料结构表征拉曼峰位拉曼位移拉曼峰强偏振拉曼

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基于Voigt函数的拉曼成像插值方法

光谱学与光谱分析 2022年第5期42卷 1478-1483页

作者：范贤光黄彦睿刘龙许英杰王昕厦门大学航空航天学院仪器与电气系福建厦门361005 传感技术福建省高等学校重点实验室福建厦门361005

拉曼成像是拉曼光谱技术非常重要的一个环节,通过生成光谱数据的伪彩图像,可以得到采集区域中某物质组分的浓度和位置分布信息,当前,拉曼成像技术已经逐渐成为监测生物活性以及物质组分的最优解之一。为了得到清晰的成像效果,采集过程... 详细信息

拉曼成像是拉曼光谱技术非常重要的一个环节,通过生成光谱数据的伪彩图像,可以得到采集区域中某物质组分的浓度和位置分布信息,当前,拉曼成像技术已经逐渐成为监测生物活性以及物质组分的最优解之一。为了得到清晰的成像效果,采集过程中的数据量不宜过小,否则成像效果差、锯齿感较重,从而导致视觉效果不好。但是,数据量的增加虽然可以得到更好的成像效果,但会增加时间成本、降低仪器寿命。因此,在不增加时间和硬件成本的情况下,对采集点数据进行插值提高成像的空间分辨率、降低时间分辨率是很有意义的。提出了一种基于研究拉曼光谱波形结构物理特性的图像插值算法。区别于传统的图像插值算法仅对图像像素值进行处理,通过结合拉曼信号的物理特性,选取最小二乘法和物理特性上最适合解析拉曼谱峰的数学模型Voigt函数对现有光谱数据进行数学拟合提取特征值,并对提取出的特征值通过线性插值方法计算出未知插值点的Voigt函数的特征值,从而计算出插值点的Voigt函数,可以直接提高现有拉曼图像的空间分辨率,同时通过该方法也可以缩短扫描时间,提高拉曼成像的时间分辨率。同时,为了验证算法的有效性和可行性,对一种药物和一种生物细胞的原始拉曼成像进行图像插值,并采用直方图的欧几里得距离求解相似度和结构相似度算法(SSIM,一种权威的图像相似度评价算法)对插值效果进行评价。实验结果表明,在图像像素点增量分别为50%和75%的情况下,该算法能够很好地保留样本组分的分布和浓度等重要信息。该算法可以在不升级硬件的情况下提高拉曼成像的性能,推荐作为拉曼成像数据处理和软件的有效补充。

关键词：拉曼成像图像处理,空间分辨率,Voigt函数

基于奇异值分解和中位数绝对偏差的拉曼成像数据去噪方法

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光谱学与光谱分析 2020年第2期40卷 436-440页

作者：范贤光吴腾达支瑜亮王昕厦门大学航空航天学院仪器与电气系福建厦门361005 传感技术福建省高等学校重点实验室福建厦门361005 厦门市光电传感技术重点实验室福建厦门361005

拉曼成像是一种无损伤、无需标记的光谱成像技术,它可以提供样品的不同组分的分子指纹信息以及空间分布特征,相比其他成像技术有着更重要的应用。但是拉曼散射的截面积小,灵敏度低,加上在很多实验中为了观察某些组分的动态分布而缩短扫... 详细信息

拉曼成像是一种无损伤、无需标记的光谱成像技术,它可以提供样品的不同组分的分子指纹信息以及空间分布特征,相比其他成像技术有着更重要的应用。但是拉曼散射的截面积小,灵敏度低,加上在很多实验中为了观察某些组分的动态分布而缩短扫描时间,导致最终得到的成像数据被噪声干扰,因此往往需要对信号进行去噪处理。常规的算法一般都是基于一个给定的数学模型对光谱进行处理,容易造成过滤波,使得信号失真;另外,在处理拉曼成像数据时,常规算法往往是对数据进行逐条光谱去噪,从而忽略了多条光谱之间的相互关系,导致最终的拉曼图像仍然受许多噪点干扰。因此,提出了一种基于奇异值分解和中位数绝对偏差的拉曼成像的信号处理方法,用于拉曼成像数据的去噪处理。该方法首先对拉曼成像数据进行奇异值分解,获得一个奇异值矩阵与两个正交矩阵;然后通过中位数绝对偏差法对奇异值矩阵中的各奇异值进行离群值检测,选取前k个被连续标记的离群值作为要保留的奇异值,并将其余的奇异值赋值为零,得到新的奇异值矩阵;最后用新的奇异值矩阵与两个正交矩阵重新求解得到去噪后的拉曼成像数据。实验中,首先验证了中位数绝对偏差法确定前k个奇异值的正确性,其次分别从处理后的图像质量和信号波形两方面对比了该算法与常规算法的去噪效果。结果证明,中位数绝对偏差法可以快速地确定出合理的k值大小,而且,依据该k值处理后的成像数据不仅在成像质量上消除了大量的噪点,使得组分的空间分布特征清晰可见,也在信号波形上较完美地保留了微小谱峰,并恢复光谱信号。该算法不同于常规算法,能同时对整个拉曼成像数据进行处理,并保留光谱之间的统计特征,是一种更加有效的拉曼成像数据的去噪方法。

关键词：去噪拉曼成像奇异值分解中位数绝对偏差

快速线扫描拉曼成像技术在研究CaSki细胞凋亡过程中的应用

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高等学校化学学报 2016年第7期37卷 1257-1261页

作者：张金亮马鑫徐梦溪宗铖任斌厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室厦门361005

应用快速线扫描拉曼成像技术研究了在抗肿瘤药物顺铂诱导下宫颈癌Ca Ski细胞凋亡过程中细胞色素c、蛋白质和脂质等的时空变化规律.结果表明,细胞色素c与蛋白质的相对拉曼峰强可以反映细胞凋亡程度.与常用的表征细胞活性的噻唑蓝(MTT)实... 详细信息

应用快速线扫描拉曼成像技术研究了在抗肿瘤药物顺铂诱导下宫颈癌Ca Ski细胞凋亡过程中细胞色素c、蛋白质和脂质等的时空变化规律.结果表明,细胞色素c与蛋白质的相对拉曼峰强可以反映细胞凋亡程度.与常用的表征细胞活性的噻唑蓝(MTT)实验的统计方法相比,利用拉曼成像技术可以更灵敏地观察到细胞凋亡早期生物活性分子的变化,从而在单细胞水平检测细胞凋亡过程,为解析药物与细胞的作用机制提供分子水平信息.

关键词：宫颈癌细胞色素c 凋亡拉曼光谱拉曼成像噻唑蓝法

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一种新的适用于拉曼成像的插值方法

光谱学与光谱分析 2020年第2期40卷 410-414页

作者：席杨李月娥兰州大学信息科学与工程学院

拥有诸多优势的拉曼检测技术已经逐渐成为了生化检测领域优先选择的方法之一,而拉曼成像是拉曼检测过程中一个重要的环节,它对检测区域内某种物质成分的浓度、分布以及变化情况都有着较为完整的统计与描述。实验得到的拉曼成像通常含有... 详细信息

拥有诸多优势的拉曼检测技术已经逐渐成为了生化检测领域优先选择的方法之一,而拉曼成像是拉曼检测过程中一个重要的环节,它对检测区域内某种物质成分的浓度、分布以及变化情况都有着较为完整的统计与描述。实验得到的拉曼成像通常含有较少的像素点,成像效果较差,因此迫切需要对其进行插值放大处理。目前适用于常规图像插值处理的大多数图像插值方法都是基于已知像素点处的值及其分布状况再结合适当的插值函数进行的插值,由于常规图像每个像素点处的值指的都是单点处的值,而对于拉曼成像,则不应该局限于这些常规图像的插值方法,而要考虑到每个像素点(即采集点)处信息的真实分布情况,因为每个像素点处采集的拉曼信号是来自于一个物镜汇聚后的焦点,而焦点处光强呈高斯分布,每一个像素点采集到的拉曼散射信号和空间分布之间的关系也满足高斯分布,即焦点中心处(也即采集中心点)信号占比最高,采集点周围的信号则呈高斯依赖性。这个规律告诉我们,采集点收集到的拉曼散射信号实际上也包含了周围点的信号。基于高斯光束在拉曼成像中的特殊意义,从理论上分析并提出了一种新的适用于拉曼成像的插值方法,这种新的插值方法通过对采集间隔进行设置使得相邻采集点处采集区域相切,然后基于采集点处所含信息进行插值,是符合插值要求的。不同于常规的插值方法在插值函数上进行优化,在高斯光束与采集的拉曼信号之间建立起适当的联系,使得插值也能间接的反映所采集区域的生物信息。通过使用MATLAB软件对粗采集得到的拉曼信号进行成像及插值,并比较插值前后的成像效果,可以发现新的插值方法具有良好的放大效果,而通过该插值方法进行放大亦可大大节省采集具有相同信息量的拉曼图像所耗的时间,进而大大节省了实验资源。最后,以插值放大两倍为例,对该插值方法进行了详细说明,现实中可根据实际要求进行相应的插值放大。

关键词：拉曼检测拉曼成像高斯光束插值

适配体功能化Au@pNTP@SiO2表面增强拉曼探针的制备及用于胶带转移潜指纹的拉曼成像研究

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分析化学 2019年第7期47卷 998-1005页

作者：周洋洋杜玉梅卞晓军颜娟上海海洋大学食品学院上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海)

合成了核壳结构的表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)探针,用于大型客体及曲面客体表面的潜指纹成像。以对硝基苯硫酚(4-Nitrothiophenol,pNTP)为拉曼小分子,修饰在纳米金表面,然后在其表面覆盖一层SiO壳层,制... 详细信息

合成了核壳结构的表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)探针,用于大型客体及曲面客体表面的潜指纹成像。以对硝基苯硫酚(4-Nitrothiophenol,pNTP)为拉曼小分子,修饰在纳米金表面,然后在其表面覆盖一层SiO壳层,制备Au@pNTP@SiO核壳纳米结构,经溶菌酶适配体功能化修饰制得SERS探针。对探针结构进行透射电镜(TEM)、能量色散光谱(EDS)和SERS增强效应的测试,然后将探针与不同客体表面的老化潜指纹进行孵育,使SERS探针与指纹嵴线中的溶菌酶结合,用透明胶带转移指纹,采用共聚焦拉曼显微镜进行SERS信号的检测、成像。结果表明,核壳SERS探针粒径分布均一,多集中于～60 nm,具有优良的稳定性和分散性; SERS增强效应显著,其信号强度高、重现性好,并且在723、855、1081、1343和1572 cm处具有显著的特征峰。将SERS探针用于胶带潜指纹成像时,不仅可呈现指纹的一级结构(图案),而且指纹的二级结构(细节)如嵴中断、叉等结构也清晰可见。本研究发展的适配体功能化的SERS探针结合胶带转移潜指纹的指纹识别策略,为法医学领域提供了一种有效的潜指纹识别方法,并在食品安全等公共安全检测领域具有潜在应用价值。

关键词：表面增强拉曼光谱探针核壳纳米结构潜指纹拉曼成像

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超高分子量聚乙烯摩擦磨损行为及拉曼成像

高分子材料科学与工程 2020年第2期36卷 82-89页

作者：李飞郭奕友成惠斌曹长林钱庆荣肖荔人陈庆华福建师范大学聚合物资源绿色循环利用教育部工程研究中心福建省污染控制与资源循环利用重点实验室福建福州350007 福建师范大学福清分校福建福清350300

以未交联超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和交联UHMWPE为研究对象,探讨2种材料在滑动和滚动摩擦条件下的摩擦磨损行为,重点采用拉曼成像的方法分析了磨损表面的结晶度分布和取向分布。结果表明,交联降低了UHMWPE的摩擦系数和磨损率;在滑动摩擦... 详细信息

以未交联超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和交联UHMWPE为研究对象,探讨2种材料在滑动和滚动摩擦条件下的摩擦磨损行为,重点采用拉曼成像的方法分析了磨损表面的结晶度分布和取向分布。结果表明,交联降低了UHMWPE的摩擦系数和磨损率;在滑动摩擦下,交联使UHMWPE的耐磨性提高了96%,在滚动摩擦方式下,交联使UHMWPE的耐磨性提高了41%;拉曼光谱成像表明,UHMWPE和交联UHMWPE磨损区域的表面结晶度都比未摩擦区域高;在滑动摩擦下,纯UHMWPE和交联UHMWPE均发生了取向,而在滚动摩擦下两者都没有发生明显的取向。

关键词：超高分子量聚乙烯摩擦磨损拉曼成像交联结晶度取向

流判别神经网路驱动的奶粉真实性拉曼成像非定向检测方法

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食品科学 2023年第12期44卷 315-321页

作者：夏启何天伦黄志轩陈达天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 中国民航大学天津市民航能源环境与绿色发展工程研究中心天津300300

提出一种奶粉真实性拉曼成像非定向检测方法,该方法创新性地利用流判别神经网络提取奶粉拉曼成像数据的深层特征,并基于概率分布转移策略和密度保持原理构建可信奶粉特征分布区间。该方法可准确识别多种未知掺杂奶粉,其识别准确率达97.3... 详细信息

提出一种奶粉真实性拉曼成像非定向检测方法,该方法创新性地利用流判别神经网络提取奶粉拉曼成像数据的深层特征,并基于概率分布转移策略和密度保持原理构建可信奶粉特征分布区间。该方法可准确识别多种未知掺杂奶粉,其识别准确率达97.3%以上,检出限可达0.3%。结果证明,该方法具有检测范围广、精度高、便捷快速等特点,可高效满足当前奶粉真实性检测的实际需求,并为其他非均匀食品体系的真实性检测提供一种新型手段。

关键词：奶粉真实性非定向检测流判别神经网络拉曼成像

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硒化镉量子点膜的拉曼光谱及拉曼成像分析

分析化学 2008年第12期36卷 1699-1701页

作者：梁建功韩鹤友华中农业大学理学院农业微生物国家重点实验室

研究了CdSe量子点膜的Raman光谱,发现CdSe量子点的横模(TO)振动活性较强,表面模(SO)、纵模(LO)振动不明显。比较了量子点、氧化三辛基膦及十六胺的Raman光谱,证明量子点表面大部分区域被十六胺及二辛胺修饰。在此基础上,对量子点膜的TO... 详细信息

研究了CdSe量子点膜的Raman光谱,发现CdSe量子点的横模(TO)振动活性较强,表面模(SO)、纵模(LO)振动不明显。比较了量子点、氧化三辛基膦及十六胺的Raman光谱,证明量子点表面大部分区域被十六胺及二辛胺修饰。在此基础上,对量子点膜的TO模振动及C-H弯曲振动峰进行了Raman成像分析,并与明场图像进行了对比,表明拉曼成像信号对量子点膜的表面变化非常敏感。

关键词：硒化镉量子点拉曼光谱拉曼成像