小型化拉曼光谱仪器的研制进展

拉曼光谱仪是工业研究和实验室环境中广泛使用的光学仪器,用于物质的指纹识别和分析。随着实际使用过程中对测量环境的要求变化,越来越多的小型化拉曼光谱仪被设计出来,研制更便携的拉曼光谱仪已成为研发人员的目标。小型化拉曼光谱仪可以更好的满足仪器便携式的需求,使拉曼光谱检测技术应用到更广泛的领域。本文介绍了小型化拉曼光谱仪器的研制范式和仪器的几种类型,综述了小型化仪器研究中涉及的关键技术问题,针对其应用尤其是现场毒品、毒物、环境污染物检测方面进行了介绍。最后,本文展望了未来小型化拉曼光谱仪器的研究方向和可能的应用趋势,为小型化拉曼光谱仪的进一步研制提供参考。

基于高斯混合模型扣除毛发SERS信号中增强基底的背景峰

在利用表面增强拉曼光谱(SERS)对毛发中痕量物质进行分析时,该SERS信号中毛发特征峰与增强基底背景峰会相互耦合。在耦合情况下,背景峰会被误识别为毛发特征峰,导致待测物的识别错误,此外具有高峰强特性的背景峰对毛发中微弱特征峰产生掩盖干扰。因此,背景峰的扣除是解决上述问题的重要途径,但常规的扣峰方法会导致周围邻峰的严重失真。针对上述问题提出了高斯混合模型,该模型在表征SERS信号的同时又使得各特征峰相互独立,在扣峰过程中对周围邻峰不产生干扰,既实现干扰峰的扣除又保证了邻峰的微失真。高斯混合模型的核心问题在于模型参数的求解,文中提出了小波变换与共轭梯度法,分别解决模型的初始参数问题及最优解问题。小波变换通过映射放大SERS信号的细节信息,充分提取该信号的细微特征信息,将该特征信息作为模型的初始参数。其中共轭梯度法是迭代优化方法,将模型参数进行循环迭代优化,最终收敛结果即为模型参数的最优解。综上两种方法可准确建立高斯混合模型,模型中单高斯函数为SERS信号的特征峰,且两者的峰形保持一致。在扣除SERS信号的背景峰时应遵循以下过程,包括有效数据的提取、模型建立和峰的扣除。其中有效数据的提取是对空白与滴样的增强基底进行同位置检测,由此得到一组SERS信号。模型建立是通过高斯混合模型对滴样SERS信号进行表征,该信号可由多个高斯函数表现。最后利用空白增强基底的特征峰对滴样的SERS信号进行指认,其中峰形相似且峰位相同的特征峰可扣除。实验结果表明,方差值比最小时,高斯混合模型的峰位、峰宽、峰强等特征与毛发SERS信号基本相同,此时高斯混合模型可准确表征毛发SERS信号的特征信息。在对7组毛发进行扣峰实验时,毛发SERS信号中背景峰扣除率达到50%~100%,同时毛发的特征峰也得到有效提取。在对真实毛发样本进行快速分析时,该模型识别出了毒品曲马多。

表面增强拉曼光谱方法在细菌检测中的研究进展

表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)是一种高灵敏度和高选择性的分析方法,能够在复杂样品环境中对目标物进行定性甚至定量分析,近年来在细菌检测领域得到了广泛的应用。SERS方法通过表面增强效应和拉曼散射效应的协同作用,能够实现对微量细菌的检测,并且具有快速、高灵敏、无损伤等优点。本文介绍了SERS方法的基本原理和在细菌检测领域的应用。综述了SERS方法在细菌检测中的两种策略,包括标记法(label-based)和无标记法(label-free)的最新研究进展。最后,本文评估了SERS方法在细菌检测领域存在的挑战和应用的前景,为进一步推动SERS方法在细菌检测领域的应用提供参考。

基于Voigt线型的尿液中芬太尼类表面增强拉曼光谱解析

在全球范围内频繁发生芬太尼类物质滥用与致死案件,人体中芬太尼类物质的检测与识别愈发重要。芬太尼类物质在经过人体一段时间后,仍有一部分原体随着尿液排出,因此可通过检测尿液中芬太尼类物质反映其毒品滥用史。表面增强拉曼光谱(SERS)具有快速、高灵敏、易操作等特点,适合尿液中芬太尼类物质的现场检测与分析。但尿液中尿素等物质的背景峰与芬太尼类物质SERS特征峰高度重合,芬太尼类物质特征峰被尿液背景峰所掩盖,这对尿液中芬太尼类的光谱识别造成了很大的干扰。结合Voigt线型建立谱峰解析模型,对尿液与芬太尼类物质重叠部分进行谱峰分析。针对SERS光谱噪声与荧光等因素对谱峰解析模型的干扰,采用无约束Nelder-Mead算法对模型进行优化与计算,利用该算法对迭代参数初始值不敏感的特点,提高谱峰解析模型的准确度。根据SERS光谱半峰宽的特征对解析峰集合进行筛选,对SERS光谱的尿液背景峰进行扣除,以还原芬太尼类SERS光谱1000与1030 cm^(-1)处谱峰特征。实验结果与现象表明,利用Voigt线型建立的谱峰解析模型对尿液中芬太尼类SERS光谱拟合度均达到99%以上,能够通过解峰集合的筛选还原尿液中芬太尼类SERS光谱特征,还原光谱与芬太尼类特征峰的半峰宽与峰比例等特点均高度一致。在空白尿液SERS光谱进行解析时,其解析峰集合中不含有芬太尼类物质的特征谱峰,可以有效区分空白尿液与含芬太尼类物质尿液。利用相似系数(HQI)对还原光谱片段(935~1100 cm^(-1))进行识别,能有效区分尿液中奥芬太尼、呋喃芬太尼、乙酰芬太尼三种芬太尼,并提升光谱之间的区分度。该解析模型有望为尿液中芬太尼类的识别与判断提供解决实际问题的途径。

谈化学教学中的布白艺术

本文在阐述化学教学布白艺术及其心理机制的基础上 ,就化学教学布白艺术的功能和实施策略 ,并以化学课堂教学为例 ,作了初步探讨。

新型添加剂——曲酸

本文介绍了曲酸的发现过程、合成机理 ,并重点阐述了它在食品防腐、酶促褐变、肉类食品和美容方面的用途。

研究性学习呼唤教育教学新理念

研究性学习需要社会各界的支持,其中转变观念是关键.本文试从教师改变教学理念,学生转变学习理念,教育行政部门和家长积极响应,高校热情呼应等四个方面进行了阐述.

浅谈化学实验的教育功能

从观察实验的本质和化学实验的认知功能,非语言传播功能、评价功能等诸方面,阐述了化学实验在教学过程中的作用和地位,以期提高认识,加强实验教学的自觉性.

浅谈反思性教学及其在教学实践中的运用

反思性教学是一种新的教学实践,是一种全新的教学理念。本文就其特征、模型作了探讨,并结合实际教学中授课、学生学习、教师间交流讨论、教学改革、教材教法等方面作了反思。另外,还对反思性教学作了反思。

电信号食品安全快速检测仪的控制系统

食品安全问题对老百姓来说是件头等大事。由微生物引起的疾病是影响我国食品安全的最主要因素之一。检测食品致病菌的传统方法操作步骤比较繁琐、检测时间从数天到数小时,具有一定的局限性。因此,研发廉价的、便携的、快速测定的、具有自主知识产权的食品安全检测技术、方法和仪器意义重大。利用已经成熟的特异性的免疫电极,本文着重介绍基于电信号的无标记的生物免疫检测仪的控制系统的研究。电信号检测由于自身的优势,提供了一条快速、简便、准确诊断食品安全的途径。通过多次实验,基于电信号的电导式检测仪在痕量抗原目标条件下也能产生很好的响应信号,实现了纳安级电流信号的分辨,测试者可以通过制备好的免疫电极简单的通过电导的变化就可以迅速做出判断。

纳米金-碳管敏感膜对溶血素的快速电信号检测

在O2等离子体处理和空气气氛中500℃高温热处理方法的辅助下,简便制备了单壁碳管-纳米金(SWNT-Au)复合网络敏感膜。等离子体处理的SWNTs高密度且均一地组装了正电荷Au纳米颗粒。热处理过程不仅去除了SWNTs表面吸附的所有杂质,使其与叉指金电极形成良好的接触;而且导致Au颗粒表面熔化并聚集,残余的SWNTs管束变细。这些变化极大地改变了敏感膜作为换能器的电流-电压行为,放大了其对抗体-抗原相互作用事件的敏感性。利用敏感膜作为换能元件,构建了基于SWNT-Au网络的电信号生物免疫传感器,实现了对李斯特氏菌溶血素的高敏感、快速检测,检测限能达到约2ng.mL-1左右。

尿液中常见毒品微量检测的表面增强拉曼光谱识别

通过将自适应平滑滤波器和结合小波变换的支持向量机(Support vector machine,SVM)分类器有机组合,建立了低信噪比拉曼光谱的模式识别方法。首先,通过自适应平滑滤波器进行光谱去噪,滤波窗口宽度根据信噪比估计值进行调整,从而在保证特征峰信号强度的同时达到更好的噪声滤波效果;其次,由小波变换实现光谱数据降维,通过小波分解层数优化可以获得训练集的最佳分类准确率;最后,由SVM进行分类,通过交叉验证(Cross validation,CV)实现SVM参数寻优,并根据交叉验证与分类器之间的准确率关系,得出分类器可用参数需满足的条件。基于表面增强拉曼光谱技术,本方法实现了人体尿液中甲基苯丙胺(Methamphetamine,MAMP)和亚甲基二氧基甲基苯丙胺(3,4-Methylenedio-xymethamphetamine,MDMA)的定性微量分析。实验使用中国科学院合肥智能机械研究所研发的金纳米棒拉曼光谱增强基底,由Delta Nu公司的Inspector型便携拉曼光谱仪采集光谱,激发光波长785 nm,曝光时间为5 s,整体检测准确率高于95.0%。

基于SERS技术快速实现现场毒品检测

本文通过对尿液进行前处理，实现了人体尿液中毒品快速分离和纯化。并且，我们以自组装的金纳米棒为SERS基底对纯化的尿样进行检测，结合便携式拉曼光谱仪成功实现了对尿液中冰毒、摇头丸、甲卡西酮的分析检测，具有很高的灵敏性。整个纯化和检测过程只需要～3．5min，该方法方便、快捷，有望能实现现场对吸毒人员尿样中毒品的灵敏性检测。

毒品形势分析及检测方法研究

毒品问题一直是困扰全球的社会顽疾,虽然全球都在竭力打击毒品犯罪,但是毒品制造、贩卖及滥用依然盛行。毒品包括天然毒品、合成毒品及潜在毒品。对于传统毒品,一旦成瘾,很难戒除。目前,毒品检测方法有多种,但高效的快检方法很少。表面增强拉曼光谱(SERS)技术,由于其检测速度快、能指纹识别毒品分子、样品用量少等优势而受到青睐,对推动现场毒品快检和毒驾筛查将起到重要的作用。

对KOA模型大鼠血清、膝关节肌肉和滑膜组织的SERS分析

通过比较分析正常大鼠与膝骨关节炎模型(KOA)大鼠血清、膝关节肌肉和滑膜组织的表面增强拉曼光谱(SERS),为KOA生物学改变提供实验基础。同条件下饲养普通级健康雄性SD大鼠20只,随机分为正常对照组(简称"正常组")和KOA模型组(简称"模型组"),每组10只。采用左膝关节腔内注射0.03 mol·L^-1的L-半胱氨酸与4%木瓜蛋白酶混合物方法制备KOA模型,并于复制成功4周后取材。采用银纳米基底液检测大鼠血清和膝关节肌肉、滑膜组织中的表面增强拉曼谱峰,应用NGLabSpec软件比较两组拉曼频移和特征峰的差异,应用OriginPro 8.5软件分析拉曼光谱图。结果:在血清中,拉曼频移400~2 000 cm^-1区间内,正常组特征峰有12个,模型组有14个,且模型组大部分特征峰强度低于正常组,两组在495, 883和1 447 cm^-1等处出现较为显著的差异性特征峰;在膝关节肌肉组织中,正常组特征峰有12个,模型组有13个,二者的同质性特征峰的拉曼强度存在显著差异,模型组以950和1 237 cm^-1为代表的多处同质性特征峰的峰强显著升高;在滑膜组织中,正常组特征峰有10个,模型组有15个,两组共性特征峰的峰强变化多不明显,但在655, 950, 1 335和1 447 cm^-1处的同质性特征峰表现出峰强的明显差异,在655和950 cm^-1峰为模型组显著升高,而1 335和1 447 cm^-1两峰相对强度为模型组显著降低。结果表明:KOA模型导致血清、膝关节肌肉和滑膜组织的同质性特征峰数量显著减少,差异性物质增多,物质代谢平衡被严重打破, SERS是一种快速准确的检测方法,可以用于KOA模型的检测。

基于便携式拉曼光谱仪的疑似吸毒人员尿液中毒品的SERS快速检测

本文利用SERS技术对疑似吸毒人员尿液中的毒品进行快速检测。通过对尿液中的毒品进行快速分离和提纯,结合便携式拉曼光谱仪,并利用自组装的金纳米颗粒作为SERS基底对其进行检测分析,可以实现现场检测。该方法灵敏性高、检测速度快,有望应用于公安及司法部门的缉毒、查毒工作现场中。

光化学烟雾

光化学烟雾是一种污染现象。本文从其形成机理、危害加以分析 。

表面增强拉曼散射方法检测公共安全类毒物的研究进展

公共安全类毒物直接威胁人们的生命健康安全。表面增强拉曼散射(SERS)技术的超灵敏特点为复杂基质中痕量毒物的快速检测提供了分析策略,极大地拓展了其应用范围,有着广阔的应用前景。该文综述了SERS技术在公共安全类物质检测方面的研究进展,包括对节球藻毒素、芥子气、琥珀胆碱、甲基对硫磷、氰化物、汞离子、亚硝酸盐等毒物的检测。从基底种类的选择和评估、检测限、重复性和实际应用的角度介绍了检测体系的建立过程。分析了这些方法及其在应用中面临的技术挑战与机遇,展望了SERS技术解决现场实际检测难题的发展方向。