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空间偏移拉曼光谱技术的发展及应用

光谱学与光谱分析 2019年第4期39卷 997-1004页

作者：朱婷刘洋吴军王恩亮薛峰安徽新华学院安徽合肥230088 中国科学院合肥物质科学研究院安徽合肥230031 中国科学院合肥智能机械研究所安徽合肥230031 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 安徽三联学院安徽合肥230601

传统拉曼光谱只能探测样品的表层信息,或者只能穿透透明的表层探测样品内部,对多层不透明或不透明包装的样品检测则不适用了,比如搜索隐蔽的爆炸物、识别有包装的假药、无损检测骨骼疾病等。空间偏移拉曼光谱(SORS)技术是一种新型光谱... 详细信息

传统拉曼光谱只能探测样品的表层信息,或者只能穿透透明的表层探测样品内部,对多层不透明或不透明包装的样品检测则不适用了,比如搜索隐蔽的爆炸物、识别有包装的假药、无损检测骨骼疾病等。空间偏移拉曼光谱(SORS)技术是一种新型光谱检测技术,能够非侵入不透明包装或表层直接获得样品内部深层特征信息,这一技术的出现解决了上述的难题。首先详细介绍了SORS技术的工作原理:其根本原理在于光子迁移理论,其系统激光光源的入射焦点与光谱系统中收集透镜的焦点在待测样品表层空间上偏移一定的距离ΔS。当激光入射到待测样品表层时,表层样品被激发或散射出宽带荧光,其中有一部分散射光将到达样品内部,样品内部深层处产生的拉曼散射光子相比于样品表层的光子在散射过程中更易于横向迁移,经多次散射后返回样品表层被光谱仪器接收系统收集。到达样品内部不同深度ΔH的散射光返回表层后的位置距离激光光源入射点在样品表层上有不同的偏移距离ΔS。当空间偏移距离ΔS=0时,激光光源入射点与拉曼光谱收集点重合,此处激发的光子密度最大,系统收集到的拉曼光谱信号大部分来自样品表层,样品深层拉曼信号被淹没;当空间偏移距离ΔS≠0时,光谱仪器收集到的拉曼光谱信号中来自表层的信号衰减很快,来自样品深层的信号衰减较慢,使得更深层的拉曼散射光子比重变大,从而实现光谱分离,再结合多元数据分析方法可以获得样品内部不同深层次的拉曼光谱,即空间偏移拉曼光谱。该技术具有很好抑制表层物质拉曼光谱和荧光光谱干扰的能力,特别适用于隐蔽在不透明包装材料下的物质拉曼光谱的提取,从而快速、非侵入地对目标物成分进行鉴定。其次介绍了SORS技术的特点。SORS技术是拉曼光谱的衍生技术,具备拉曼光谱技术的制样简单、水分干扰小、样品消耗量小、灵敏度高等全部优点,除此之外,有效抑制荧光、深层检测、非侵入无损检测、远距离检测等特点,这些特点有效提高了拉曼光谱强度,降低用户的检测和生产成本以及提高检测人员的人身安全。同时概述并对比了SORS技术现有的三种工作方式:标准SORS、逆SORS和倾斜SORS。标准SORS技术可进行远距离非接触测量,逆SORS较之标准SORS具有更高的灵敏度和抗光谱扭曲的潜力,而且入射的有效光照面和空间偏移距离ΔS是可控的,避免了样品过热;倾斜SORS具有较高的检测灵敏度,而且实验装置容易实现。然后在大量调研文献的基础上综述了近些年来SORS技术结合其他技术在化工生产、安检、生物医学、考古艺术、食品安全、稽查打假以及国防安全等多个领域的国内外发展和应用。最后指出了SORS技术目前存在的问题并展望了该技术未来的发展前景。

关键词：空间偏移拉曼光谱深层检测非侵入检测化工医疗

基于逆向空间偏移拉曼光谱技术的多层混浊样品深层分析研究

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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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空间偏移拉曼光谱技术及其应用研究进展

光散射学报 2024年第3期36卷 271-289页

作者：胡仪钟航刘樱陈骏陈钧表面物理与化学重点实验四川江油621908 中国工程物理研究院材料研究所四川绵阳621907

拉曼光谱技术,作为一种强大的表征分析工具,在各学科领域中均有广泛的应用。然而,一般的拉曼光谱技术缺乏分辨固态材料内部成分的能力,难以有效揭示材料的纵向结构。空间偏移拉曼光谱技术(spatially offset Raman spectroscopy, SORS)... 详细信息

拉曼光谱技术,作为一种强大的表征分析工具,在各学科领域中均有广泛的应用。然而,一般的拉曼光谱技术缺乏分辨固态材料内部成分的能力,难以有效揭示材料的纵向结构。空间偏移拉曼光谱技术(spatially offset Raman spectroscopy, SORS)作为拉曼光谱技术的创新分支,凭借其无损剖析样品内部结构与成分的独特能力,近年来逐渐受到广泛的关注。本综述系统梳理了近些年SORS技术的研究进展,阐述了SORS技术的原理,介绍了蒙特卡洛方法用于揭示SORS原理的相关研究,并总结了常见的SORS光学几何构型。在应用层面,本综述重点介绍了SORS技术在生物组织、药品和食品以及文物艺术作品等领域的应用研究。通过具体案例,展示了SORS技术在无损检测、成分分析以及结构剖析等方面的实际应用效果,凸显了其在相关领域中的重要价值。最后,结合SORS技术的独特优势以及当前面临的挑战,本综述对其未来应用前景进行了展望。随着技术的不断进步和完善,SORS技术有望在更多领域发挥重要作用,为科学研究和实际应用提供有力支撑。

关键词：空间偏移拉曼光谱无损检测结构解析数据重构成分分析

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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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

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

探测非透明介质下深层成分的拉曼光谱技术研究

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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原子能科学技术 2014年第3期48卷 518-522页

作者：张晓华张骥张海峰路建新孙书营王雷剑徐永生王晓洁汤秀章中国原子能科学研究院核技术应用研究所北京102413

本文分别采用传统拉曼光谱装置及空间偏移拉曼光谱装置,对不/半透明塑料瓶装的NaNO3粉末进行了测量和对比,并对空间偏移拉曼光谱技术对非透明塑料瓶装介质进行有效探测的作用机理进行了分析。空间偏移拉曼光谱技术突破了传统拉曼光谱测... 详细信息

本文分别采用传统拉曼光谱装置及空间偏移拉曼光谱装置,对不/半透明塑料瓶装的NaNO3粉末进行了测量和对比,并对空间偏移拉曼光谱技术对非透明塑料瓶装介质进行有效探测的作用机理进行了分析。空间偏移拉曼光谱技术突破了传统拉曼光谱测量技术的瓶颈(探测深度小,不能对非透明介质覆盖下的深层成分进行探测),实现了对非透明介质(不/半透明塑料瓶)中物质成分(NaNO3)的测量和识别。

关键词：空间偏移拉曼光谱不半透明塑料瓶深层成分漫散射

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拉曼光谱技术在爆炸物检测中的应用

光散射学报 2013年第4期25卷 367-374页

作者：姜杰李明张静高静哈尔滨工业大学(威海) 威海264209 中国计量科学研究院北京100013 威海威高电子工程有限公司威海264209

随着恐怖活动的蔓延,对爆炸物的检测和溯源变得越来越重要。拉曼光谱能够提供化合物的指纹图谱,是对物质定性分析的有力工具,具有无损、快速、准确度高等优点,近年来在爆炸物检测领域被广泛应用。本文介绍了共聚焦显微拉曼光谱、空间偏... 详细信息

随着恐怖活动的蔓延,对爆炸物的检测和溯源变得越来越重要。拉曼光谱能够提供化合物的指纹图谱,是对物质定性分析的有力工具,具有无损、快速、准确度高等优点,近年来在爆炸物检测领域被广泛应用。本文介绍了共聚焦显微拉曼光谱、空间偏移拉曼光谱、表面增强拉曼光谱等拉曼光谱技术在爆炸物检测方面的应用及最新研究进展。

关键词：拉曼光谱爆炸物共聚焦显微拉曼光谱空间偏移拉曼光谱表面增强拉曼光谱

基于拉曼散射成像技术的重组牛肉检测方法研究

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基于拉曼散射成像技术的重组牛肉检测方法研究

作者：李学成江南大学

学位级别：硕士

重组牛肉技术可以有效地将牛肉胴体拆分等过程产生的碎牛肉粘接成完整牛肉,从而提高碎牛肉经济价值。但是近些年来,不法商贩为了谋取非法利益,利用重组牛肉与原切牛肉不易区分的特点,将重组牛肉标签替换为原切牛肉标签,严重损害了消费... 详细信息

重组牛肉技术可以有效地将牛肉胴体拆分等过程产生的碎牛肉粘接成完整牛肉,从而提高碎牛肉经济价值。但是近些年来,不法商贩为了谋取非法利益,利用重组牛肉与原切牛肉不易区分的特点,将重组牛肉标签替换为原切牛肉标签,严重损害了消费者的利益。拉曼散射图像不仅具有传统拉曼光谱高特异性、高灵敏度等特点,还具有获取重组牛肉样本组织特性以及底层物质光谱信号的能力。然而基于拉曼散射图像数据的重组牛肉检测方法仍然存在一些问题。拉曼散射图像存在严重的数据冗余问题,并且特征提取依赖于人工经验,存在信息丢失的风险;还需要解决带有包装袋干扰下的牛肉光谱信号检测问题。这些问题严重影响了模型的精度以及鲁棒性,本文着重研究以上问题,具体研究内容如下:(1)针对重组牛肉拉曼散射图像数据存在的严重数据冗余问题,研究了一种基于波段降维和特征提取的重组牛肉拉曼散射图像检测方法。首先根据散射图像均值特征选择最优波段,然后利用散射图像特征提取方法提取关键特征,最后建立最小二乘支持向量机分类模型(LS-SVM)。实验结果表明:连续投影(SPA)波段降维方法能够有效降低波段冗余,选择了22个最优波段;相较于平均反射法(Mean)、广义高斯分布特征法(GGD)以及GGD-Mean法,改进洛伦兹(MLD)特征提取方法最有效,建立了最优的分类模型,取得了95.8%的召回率,95.4%的精确率以及94.1%的整体精度,这为重组牛肉的快速无损检测提供了一个有效的方法。(2)针对传统建模方法中存在的特征提取步骤依赖人工经验,存在有效信息丢失风险的问题,研究了一种基于Transformer神经网络的重组牛肉拉曼散射图像检测模型-(Raman scattering image Transformer,RSITr)。RSITr引入了自注意力机制(Self-attention mechanism),使得模型能够关注拉曼散射图像数据中的重要波段或者偏移,从而进一步提高模型性能。实验结果表明:相比于传统的LS-SVM以及经典的LSTM网络,引入了自注意力机制的RSITr模型取得了最优的模型性能,其中召回率为98.3%,精确率为94.4%,整体精度为97.6%,这为建立端到端的重组牛肉拉曼散射图像深度学习检测方法提供了一个有效地途径。(3)针对普遍存在的添加包装袋行为对于牛肉光谱信号产生严重干扰的问题,研究了一种基于自建模混合物分析(SMA)和空间偏移拉曼光谱(SORS)技术的带包装袋牛肉光谱信号检测方法。该方法受到拉曼散射图像技术原理启发,即不同偏移处的拉曼光谱可以理解为包装和牛肉光谱信号不同比例混合的结果。首先采用SMA算法对SORS数据进行分解从而获取内外部物质的纯组分光谱,最后根据分解曲线和光谱角(SA)参数验证分解效果。实验结果表明:与主成分分析(PCA)、非负矩阵分解(NMF)算法相比,SMA取得了最优的分解效果,并且在不同包装厚度的牛肉样本中均得到了较好的分解性能。因此所提出的方法能够有效去除包装对于牛肉光谱信号的干扰。

关键词：拉曼散射图像空间偏移拉曼光谱牛肉特征提取包装