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光谱学与光谱分析 2021年第11期41卷 3456-3461页

作者：余凡李贺平赵天煜梁卓文赵航王爽西北大学光子学与光子技术研究所陕西西安710069 中国人民解放军空军军医大学西京医院骨科陕西西安710032

空间偏移拉曼光谱(SORS)能够准确、快速、无损检测多层混浊介质样品深层生化构成信息。该研究通过搭建集成化逆向SORS光谱分析装置,在实现逆向SORS和背散射式拉曼光谱两种不同的光谱检测模式的基础上,检测与分析了不同空间偏移量(Δs)... 详细信息

空间偏移拉曼光谱(SORS)能够准确、快速、无损检测多层混浊介质样品深层生化构成信息。该研究通过搭建集成化逆向SORS光谱分析装置,在实现逆向SORS和背散射式拉曼光谱两种不同的光谱检测模式的基础上,检测与分析了不同空间偏移量(Δs)条件下双/三层组织模型内的深层拉曼光谱信息,并根据几何光学理论和投影测量原理,量化标定了Δs与锥透镜空间位置之间的关系,这为精确控制光谱检测条件提供了保障。为了验证该装置的检测能力,采用由羊肩胛骨/对乙酰氨基酚组成的双层模型和猪皮/硅橡胶/对乙酰氨基酚组成的三层模型,获得不同Δs条件下包含样品表层和深层信息的混合光谱。并进一步对该混合光谱进行面积归一化处理,观察到随着Δs的增大样品表层的拉曼贡献逐渐减小,而第二层以及第三层的拉曼贡献逐渐增大的现象。在此基础上,通过选择模型中每层物质的拉曼特征峰计算其相对拉曼强度,分析研究了相对拉曼强度、空间偏移量与样品厚度三者之间关系,即当Δs增大时相对拉曼强度比值随之增加,这清晰地表明深层物质的拉曼强度增加。然而,在同一Δs条件下,相对拉曼强度随着表层物质厚度的增大而减小。以上实验结果表明,我们搭建的集成化逆向SORS光谱分析装置可从深度达8 mm的生物模型下获取光谱信息,并证明了该装置在经皮无损探测方面的应用价值。

关键词：空间偏移拉曼光谱逆向空间偏移拉曼光谱多层组织模型深层光谱分析

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逆向空间偏移拉曼光谱技术及其在无损深层物质检测中的应用

逆向空间偏移拉曼光谱技术及其在无损深层物质检测中的应用

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作者：余凡西北大学

学位级别：硕士

空间偏移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy,SORS)作为一种新型深层拉曼光谱技术,能够非侵入地获得漫散射样品内部的深层光谱信息。与传统背散射式拉曼光谱不同的是,SORS技术的原理是激光照射区与拉曼光谱采集区在样品表面... 详细信息

空间偏移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy,SORS)作为一种新型深层拉曼光谱技术,能够非侵入地获得漫散射样品内部的深层光谱信息。与传统背散射式拉曼光谱不同的是,SORS技术的原理是激光照射区与拉曼光谱采集区在样品表面空间上偏移了一定的距离。SORS技术有两种常见形式:常规SORS和逆向SORS。常规SORS是以激光照射点为中心的同心圆环收集拉曼光谱,而逆向SORS的激光是以不同半径的圆环形式照射到样品表面上,并在圆环中心的位置处收集拉曼信号。由于逆向SORS使用环形光束照射在样品表面使得照明面积变大,因此可在人体照明强度许可的范围内使用更高的激光功率,并且该技术可以避免样品表面产生的荧光信号的强烈干扰,能够对多层混浊介质样品进行准确、快速、无损、无标记检测获得样品内部深层特征信息。本文基于空间偏移拉曼光谱技术原理,自主搭建了逆向空间偏移拉曼光谱系统实现深层光谱检测。具体工作如下:首先,搭建了逆向空间偏移拉曼光谱系统,并利用该系统在不同空间偏移量下分别对透明玻璃内的乙醇和石蜡包埋猪皮组织进行快速、无损光谱检测。通过选取样品表层(玻璃和石蜡)的拉曼特征峰进行强度归一化,可以得到样品深层(乙醇和猪皮)的拉曼特征光谱,以识别其化学成分。实验发现,深层物质的拉曼特征峰强度随着空间偏移量的增加而增加,结果初步表明了该光路系统的正确性以及逆向SORS技术对深层物质进行快速、非侵入性检测的可行性。其次,通过利用二向色镜和笼式结构等光学元件,对原有的光路系统进行优化和集成,搭建了集成化逆向SORS光谱检测系统。优化后的光路系统可以通过控制锥透镜来切换光谱检测模式,既可实现背散射式拉曼光谱以获取样品各层的拉曼光谱作为参考,又可实现逆向SORS深层光谱检测。通过简单的平移锥透镜实现了环形激发光束照射到样品表面并使得空间偏移量(?s)的大小连续变化。利用该系统分别对羊肩胛骨/对乙酰氨基酚组成的双层模型、猪皮/硅橡胶/对乙酰氨基酚组成的三层模型以及人体的手掌、手指进行光谱检测。结果表明,逆向SORS技术可以有效避免表层荧光信号的干扰,并可广泛应用于多层混浊介质中的深层光谱检测。总之,本论文对逆向SORS的光路设计和应用进行了初步探讨,表明了逆向SORS打破了传统拉曼光谱技术的应用局限,可获得活体经皮骨骼的深层拉曼光谱,为逆向SORS结合临床检测技术在疾病早期诊断中的应用提供了技术支持。

关键词：空间偏移拉曼光谱逆向空间偏移拉曼光谱多层组织模型深层光谱分析

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基于空间偏移拉曼光纤探针研究

基于空间偏移拉曼光纤探针研究

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作者：谢桂鑫桂林电子科技大学

学位级别：硕士

空间偏移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy,SORS)技术是一种新型光谱技术,它解决了常规拉曼检测技术因物体表层荧光干扰而无法分析表层内物质成份的瓶颈问题,能够提供更加精确的检测结果。其与常规拉曼检测技术不同的是,... 详细信息

空间偏移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy,SORS)技术是一种新型光谱技术,它解决了常规拉曼检测技术因物体表层荧光干扰而无法分析表层内物质成份的瓶颈问题,能够提供更加精确的检测结果。其与常规拉曼检测技术不同的是,它的激光出射点与拉曼收集点并不重合,而是存在一定的空间偏移距离△s。这样的结构设计使得SORS技术能够有效抑制物体表层荧光,同时可以测试来自表层内部不同深度层的拉曼信号。常规的SORS测试方法使用自由空间光学设计,测试需要精准调试,只适合于实验室使用,并且成本高。本论文理论分析了SORS检测原理,并搭建了自由空间光学的SORS光谱检测系统,证明其可以有效透过深色皮层进行巴旦木肉的拉曼分析。由于自由空间光学SORS结构复杂,只能在实验室应用,因而本论文重点进行了光纤SORS探针的研究,并将其与自由空间光学SORS检测系统的性能进行了比较,具体工作如下:首先调查了便携式拉曼光谱检测仪及其探头的结构,阐述了便携式拉曼系统的框架组成以及空间偏移拉曼探测的理论基础、收集模式、表层厚度及最佳空间偏移距离等研究,为本文所研究的不同结构的空间偏移拉曼检测系统打下了基础。其次作为本项目工作的起点和后续研究的参考,基于拉曼光谱信号收集原理设计并搭建了自由光路SORS光谱检测系统,并利用这个系统对巴旦木进行无损、快速的拉曼光谱检测。实验证明对自由光路SORS来说,和垂直物体方向收集拉曼信号相比,以45度方向收集信号,其表层的荧光信号抑制效果更好,从而获得更强的深层物质的拉曼信号。接着,设计了双光纤SORS检测探针,并利用该探针对棕色玻璃瓶乙醇和胶囊内抗生素进行无损、快速光谱检测。实验发现,样品深层的拉曼特征峰信号强度随着空间偏移量的变化而变化,初步说明了该光纤SORS检测探针的正确性。最后研究了多光纤SORS检测探针,其和双光纤SORS检测探针相比,增加了收集光纤束的数量,获得了更强的拉曼信号收集效率。同时发现对于不同表层厚度的物体来说,为了测试到物体深层拉曼信号所需要的空间偏移距离不一样。总的来说,本论文对基于光纤的SORS探针设计和应用进行了较深入探索和研究,揭示了光纤SORS探针可以打破了常规拉曼光谱探针技术的应用局限,有潜能走出实验室实现原位的物体深层次物质的成份分析,为SORS系统的现场应用提供一定价值的参考。

关键词：拉曼检测空间偏移拉曼光纤探针荧光抑制深层光谱分析

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