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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 392-397页

作者：康睿程雅雯周玲莉任妮江苏省农业科学院江苏南京210031 农业农村部长三角智慧农业技术重点实验室江苏南京210031

如何实现对食源性致病微生物的早期快速检测是全球食品安全领域面临的挑战之一。传统的致病菌生化检测方法虽然准确性高,但是过程复杂、耗时漫长,易错过控制疫情爆发的窗口期。该研究提出一种基于暗场显微高光谱成像技术的检测方法,能... 详细信息

如何实现对食源性致病微生物的早期快速检测是全球食品安全领域面临的挑战之一。传统的致病菌生化检测方法虽然准确性高,但是过程复杂、耗时漫长,易错过控制疫情爆发的窗口期。该研究提出一种基于暗场显微高光谱成像技术的检测方法,能够借助显微镜技术突破传统光谱成像的灵敏度和分辨率极限,并利用可见/近红外光谱为单个致病菌细胞添加高分辨率的图像和光谱信息。以空肠弯曲杆菌、大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌为检测对象,采用显微高光谱成像技术进行数字化表征和数据采集,结合双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)算法对各致病菌细胞的图像和光谱数据进行建模分类。结果显示,显微尺度的致病菌光谱数据呈现可判别的分布规律,新采用的Bi-LSTM网络在光谱数据集中表现优异,在三种致病菌的分类任务中取得了91.0%的平均准确率,而传统的线性判别分类器(LDA)和支持向量机分类器(PCA-SVM)的平均准确率分别为80.1%和88.5%。但是,仅依赖光谱数据进行致病菌种类判别仍然存在较为严重的假阳性问题,尤其是在大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌的分类中存在错误分类。图像信息的加入则能够显著改善各分类的识别准确率,其中Bi-LSTM分类器取得了高达98.1%的准确率,LDA和PCA-SVM均取得了95.3%的准确率。研究结果表明,显微高光谱成像技术在食源性致病菌的特异性光谱和图像表征中具有优势,提出的Bi-LSTM网络能够直接处理高维的图谱特征,两种技术的融合在食源性致病菌细胞级别的早期检测应用中展现潜力。

关键词：食源性致病菌细菌细胞检测显微高光谱成像技术光谱识别

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基于显微高光谱成像技术的能源材料微结构特性研究

基于显微高光谱成像技术的能源材料微结构特性研究

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作者：赵波北京交通大学

学位级别：硕士

近几年,钙钛矿作为材料科学领域研究最多的能源材料之一,凭借其良好的光电性能在太阳能电池等器件上得到了广泛应用。然而材料制备后的晶体厚度不均和组分比例不一致是降低器件性能的重要因素,因此,如何有效检测钙钛矿的晶体质量缺陷是... 详细信息

近几年,钙钛矿作为材料科学领域研究最多的能源材料之一,凭借其良好的光电性能在太阳能电池等器件上得到了广泛应用。然而材料制备后的晶体厚度不均和组分比例不一致是降低器件性能的重要因素,因此,如何有效检测钙钛矿的晶体质量缺陷是提高钙钛矿器件性能的一个关键问题。显微高光谱技术结合了先进的显微镜技术和光谱学技术,可以捕获和分析一片空间区域中逐像素点的光谱信息,由于可以获取到单个对象不同空间位置上的独特光谱特征,故适合于微纳尺度的材料研究。在本文中,使用自主搭建集成的显微高光谱成像系统,在室温条件下通过透射明场模式获得了钙钛矿单晶(MAPbBr)的三维数据,结合光谱维研究其理化性质,并基于机器学习算法建立了钙钛矿单晶厚度预测的反演模型,达到无损检测钙钛矿结晶质量的目的,显示了显微高光谱成像技术在微纳材料领域的应用前景。具体工作如下:首先,为了研究钙钛矿晶体质量,以一步溶液自组装法制备的MAPbBr为对象,构建了反射和透射两种显微高光谱图像采集单元,并搭载多种成像方法,经过反复实验,确定了相关系统检测参数,以获得高质量的图像数据。通过对比分析不同拍摄模式下的空间信息和光谱信息,最终选择采用透射明场对钙钛矿进行成像并深入研究。其次,经实验分析后,提出MAPbBr的厚度不均和组分比例不一致会影响其光吸收性质。MAPbBr的吸收波长与其厚度成正比,当厚度增加时,晶体对光的吸收增强,其吸收峰会发生红移。此外,在吸收峰之前的光谱范围内,MAPbBr晶的组分比例与其吸光度存在一定的依赖关系,晶体中Br原子所占百分比越小,对光的吸收程度越大。最后,利用多种预处理算法对原始光谱进行光谱变换,运用常规降维方法以及提出的基于钙钛矿单晶厚度光谱特征(Perovskite Thickness Spectral Characteristics,PTSC)的波段选择方法进行特征波段提取,进而借助多种回归建模方法确立钙钛矿单晶厚度预测模型。结果表明,多元散射校正在经岭回归模型验证分理效析后,预处理效果最好。在不同机器学习建模方法对比中,K近邻回归模型表现最佳,其中,提出的PTSC方法相比其他降维算法能够更有效地提取最优建模变量,其结合K最邻近回归模型的估算精度最高,相较于原始光谱的K最邻近回归模型整体提升幅度约为13%。

关键词：显微高光谱成像技术钙钛矿材料无损检测理化性质回归预测

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基于不同空间分辨率高光谱快速检测羊肉中抗氧化物的比较研究

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作者：乔芦宁夏大学

学位级别：硕士

抗氧化物是衡量羊肉质量的重要检测指标,由于传统检测方法费时费力,不能快速准确的检测羊肉中的抗氧化物。本试验采用高光谱和显微高光谱成像技术获取羊肉样本不同空间识别度的图谱信息,结合化学计量学方法对羊肉中的可溶性蛋白含量、... 详细信息

抗氧化物是衡量羊肉质量的重要检测指标,由于传统检测方法费时费力,不能快速准确的检测羊肉中的抗氧化物。本试验采用高光谱和显微高光谱成像技术获取羊肉样本不同空间识别度的图谱信息,结合化学计量学方法对羊肉中的可溶性蛋白含量、谷胱甘肽含量、过氧化物酶活力和过氧化氢酶活力进行建模分析。为其在羊肉品质无损检测领域中的应用提供参考。主要研究内容和结论如下:(1)应用高光谱成像技术的光谱信息对羊肉可溶性蛋白含量、谷胱甘肽(GSH)含量、过氧化物酶(POD)活力和过氧化氢酶(CAT)活力进行快速无损检测研究并建立模型。利用五种特征波长提取的光谱数据,建立多元线性回归(MLR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型。结果表明:经过iVISSA-IRIV法提取特征波长数据所建立的模型效果最优,其中可溶性蛋白含量在LS-SVM模型中效果最优,Rc和RP分别为0.9146和0.8818;GSH含量在MLR模型中效果最优,Rc和RP分别为0.8446和0.8705;POD活力在MLR模型中效果最优,其Rc和RP分别为0.8935和0.8373;说明iVISSA-IRIV特征波长提取方法更容易提取与羊肉抗氧化物相关的特征信息。而使用CARS法提取特征波长建立的MLR模型为CAT活力最优模型,其Rc和RP分别为0.9173和 0.9047。(2)应用显微高光谱成像技术的光谱信息对羊肉可溶性蛋白含量、GSH含量、POD活力和CAT活力进行快速无损检测研究并建立MLR和LS-SVM模型。结果表明:经过MLR模型在六种数据集中显示为最优的预测模型;其中经过SPA法提取特征波长数据在可溶性蛋白含量和GSH含量中效果最好,其Rc和Rp分别为0.8406和0.7544,0.8252和0.6486;基于CARS法提取特征波长数据在POD活力和CAT活力中效果最好,其Rc和RP分别为0.8620和0.8830,0.8969和0.9105。说明在显微高光谱成像技术中利用MLR模型预测羊肉抗氧化物是一种有效的方法,所提取的特征波长数据可以替代全波段数据进行分析。(3)基于高光谱成像和显微高光谱成像,采用灰度共生矩阵(GLCM)提取光谱的图像纹理信息和特征光谱信息进行融合,建立线性和非线性模型并对比研究。结果表明:可溶性蛋白含量在高光谱特征光谱信息中所建立的LS-SVM模型效果优于融合信息建立的模型;GSH含量和CAT活力在高光谱融合信息中建立MLR模型效果最优,比特征光谱信息高2.2%和3.9%;POD活力在显微高光谱融合信息中建立的MLR为最优模型,比特征光谱信息高1.1%。综上结果:在光谱级上,高光谱成像技术在羊肉抗氧化物中更具优势,能够快速准确的预测其抗氧化物指标;在融合级上,通过图像纹理与特征光谱信息融合,所建立的模型效果均展示出较好的结果;因此高光谱成像和显微高光谱成像是一种有效预测羊肉抗氧化物的方法。

关键词：高光谱成像技术显微高光谱成像技术抗氧化物纹理信息特征波长

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GaN基LED在短期电流应力老化过程中的光电性能研究

GaN基LED在短期电流应力老化过程中的光电性能研究

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作者：涂艺厦门大学

学位级别：硕士

大电流驱动下的蓝绿光LED光效衰减以及器件老化是业内关注的热点问题。本文围绕GaN基蓝绿光LED的光效衰减问题,通过不同的检测方法,结合短期老化,从多个角度对影响GaN基蓝绿光LED的光电性能的机理进行研究,具体如下:1.结合短期老化对低... 详细信息

大电流驱动下的蓝绿光LED光效衰减以及器件老化是业内关注的热点问题。本文围绕GaN基蓝绿光LED的光效衰减问题,通过不同的检测方法,结合短期老化,从多个角度对影响GaN基蓝绿光LED的光电性能的机理进行研究,具体如下:1.结合短期老化对低温小电流下蓝绿光LED的光效下降(Droop)问题进行研究。LED的Droop效应严重限制了 LED的商用前景,特别是工作在光效衰减电流区的大功率LED。常温大电流下的光效下降现象已经有过很多研究报道,而导致大电流下光效下降的原因也一直备受争议。我们利用真空-低温系统对LED进行测试后发现蓝绿光LED在低温小电流下也存在光效下降的现象,但是常温下这种现象在同样的小电流区并不存在。有研究表明,这是低温小电流下空穴注入的不均匀导致的。我们对比了不同In组分的样品的实验数据,以及相同样品在短期老化的不同阶段的数据差异,认为点缺陷会使量子阱中产生能量势阱并且成为非辐射复合中心,对低温小电流下蓝绿光LED的光效产生一定的影响。本文建立了一个模型,详细的阐述了点缺陷在各种温度各种电流激发密度下对蓝绿光LED外量子效率的影响机理。2.利用显微高光谱成像技术对短期老化过程中绿光LED光学性能的变化进行研究。本研究课题将高光谱成像技术与LED的检测技术相结合,分析研究绿光LED发光面在短期老化过程中空间分辨光学性能的演化规律。实验数据表明,老化前芯片表面会存在许多小亮斑,经过短期老化后,大部分亮斑消失,同时伴随着芯片整体发光强度的降低,而峰值波长在老化1小时内发生蓝移,之后随着老化发生红移。产生这些现象的原因与老化过程中缺陷以及In组分的变化有关。此外,在小电流下,阴极附近区域的峰值光子能量和发光强度明显高于远离阴极的区域,而在大电流下分布则相对均匀。通过实验数据的对比分析,我们认为这与小电流激发密度下载流子的不均匀分布有关。本研究实现了显微高光谱成像技术在LED检测上的应用,同时,观测和分析了绿光LED芯片在短期老化过程中空间分辨光学性能的变化,并且发现了值得进一步探索的实验现象,为将来Micro-LED芯片的光学特性研究工作奠定了基础。

关键词： GaN基LED Droop效应短期老化显微高光谱成像技术

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