1 江苏大学农业工程学院， 食品与生物工程学院， 江苏 镇江 212013
2 江苏大学农业工程学院， 食品与生物工程学院， 江苏 镇江 212013 江苏高校智能农业与农产品加工国际合作联合实验室， 江苏省教育厅， 江苏 镇江 212013
多菌灵（Carbendazim， 甲基-1H-2-苯并咪唑氨基甲酸酯）是一种内吸性广谱杀菌剂， 广泛应用于苹果种植过程中的轮纹病和褐斑防治， 若不合理使用会在苹果中残留危害消费者身体健康。 采用表面增强拉曼光谱免疫分析技术（surface-enhance Raman spectroscopy combined immunoassay, SERSIA）， 以SERS高灵敏度和分子“指纹”图谱特性为基础， 结合免疫特异选择性， 实现苹果中多菌灵的微/痕量检测。 制备核-分子-壳“三明治式”结构的Au@M@Ag 纳米SERS材料和结合抗原的SERS免疫探针， 在包被抗体的Fe3O4磁性纳米材料可分离功能下， 实现多菌灵的特异性检测。 采用透射电镜（transmission electron microscope， TEM）、 紫外-可见光谱和拉曼光谱等方法对制备的材料进行表征并优化了实验参数。 研究表明多菌灵浓度与标记分子4-巯基苯甲腈的2 227 cm-1处特征峰强度值在0.5～300 nmol·L-1范围内具有良好的线性关系， 同时该免疫探针信号具有良好的稳定性和重现性。 对不同加标浓度的苹果实际样本进行检测， 得到的平均回收率为95.6%～98.3%， 相对标准偏差（relative standard deviation， RSD）为0.15%～0.99%。 该方法操作简单， 检测灵敏度高、 选择性强、 稳定性好， 为苹果中痕量多菌灵的检测提供了新的方法。
表面增强拉曼光谱 免疫分析技术 多菌灵 苹果 快速检测 Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) Immunoassay Carbendazim Apple Rapid detection 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1478
1 大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024
2 中国科学院理化技术研究所，北京 100190
3 中国科学院微电子研究所，北京 100029
对基于行波电极的硅-有机复合集成电光调制器进行研究，构建调制器的波导电极结构模型，分析特征阻抗和微波有效折射率对调制器频率响应的影响。通过对电极结构的仿真优化，完成调制器芯片的设计与制备，研究电光聚合物材料的片上极化工艺，得到高性能硅-有机复合集成电光调制器。对研制调制器电极的电学S（Scatter）参数进行测试，分析得到的电极特征阻抗和有效折射率与仿真设计结果基本相符。测试得到电光调制器的3 dB带宽大于50 GHz。
集成光学 电光调制器 硅-有机复合集成 行波电极 3 dB带宽 光学学报
2023, 43(23): 2313002
江苏大学食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013
人造植物肉在其原料运输、 制糜和包装等加工环节时有发生异物污染事件, 误食异物会严重损害人的身体健康。 常规食品异物检测方法容易检测出如金属、 石头等坚硬、 深色异物, 而软质、 浅色、 透明异物却是食品异物污染事件中的主要来源且是检测的难点。 根据异物和人造肉各自化学组成成分的差异, 提出了一种人造肉中低色度差异物的高光谱成像检测方法, 根据异物与人造肉光谱信息的差异, 建立模式识别模型, 来进行人造肉中低色度差异物的判别, 最后结合数字图像处理技术对异物进行空间分布可视化。 选取了聚碳酸酯(PC)、 涤纶树脂(PET)、 聚氯乙烯(PVC)、 硅胶、 玻璃五种食品生产加工过程中常见的低色度差异物为研究对象, 模拟人造肉压片的工业制作流程, 将异物混入人造肉肉糜中, 制备混有异物的人造肉样品, 分别采集异物和人造肉感兴趣区域(ROI)的反射高光谱数据, 采用SG, SNVT, MSC, VN, 1ST及2ND六种不同的光谱预处理方法对原始光谱数据进行预处理, 然后采用主成分分析法(PCA)对预处理后的光谱数据降维, 采用连续投影算法(SPA)提取人造肉的特征波长。 分别以全波段光谱、 特征波长和主成分变量作为模式识别模型输入变量, 对比LDA, KNN, BP-ANN, LS-SVM四种模式识别模型的准确率, 优选出最佳的定性识别模型, 设置优选模型异物类别输出变量为1、 人造肉类别为0, 生成二值图像, 再结合数字图像处理技术实现人造肉中异物分布可视化, 进而实现人造肉中低色度差异物的识别。 结果表明, 采用SG预处理后的光谱在降噪方面优于其他预处理方式。 SPA法优选了人造肉10个特征波长。 全波段主成分变量结合BP-ANN模型的检测效果最佳, 准确率达98.33%。 验证了高光谱技术应用于人造肉中低色度差异物检测的可行性。
人造肉 低色度差异物 高光谱成像技术 模式识别 分布可视化 Soy protein meat Low chromaticity difference foreign matter Hyperspectral imaging technology Pattern recognition Distribution visualization 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1299
江苏大学食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013
近红外光谱（NIR）具有快速、 无损、 操作方便的特点, 故广泛用于食品分析。 作为一种间接的分析技术, NIR需要建立光谱与待测浓度之间的统计模型来实现检测。 故模型的维护有助于保证NIR的预测准确性。 在外界条件发生变化的情况下, 诸如样品性状的改变、 仪器对理化指标函数关系的变化、 湿度和温度等环境因素的改变, 会导致相同样品的光谱信号发生偏移, 进而使得原有模型的预测精度下降。 此时, 如果重新建模, 虽然可以解决光谱偏移对建模的影响, 但是重新建模将耗费大量的人力物力。 对此, 模型转移可以在避免重新建模的情况下, 校正光谱的偏移, 进而提高模型预测精度。 通常模型转移算法多用全光谱进行模型转移, 这种方法计算量较大, 且不能找到合适的有化学意义的波段。 故提出一种基于模型转移中的变量选择方法: 向后迭代区间选择法（IIBS）, 通过计算主光谱（用于建模的那组光谱）和从光谱（发生偏移, 需要通过模型转移算法将其校正的光谱）中, 变量区间的重要性信息（回归系数（β）、 残差向量（Res）以及变量重要性投影（VIP））。 进而通过计算该区间变量重要性信息的几何平均数, 并以此作为该区间的区间重要性指标。 接着根据区间的重要性, 删除重要性信息较小的变量区间。 然后对主光谱和从光谱重复迭代上述过程: 计算变量的重要性信息, 计算区间的重要性信息, 删除重要性信息较小的区间。 最后, 比较不同的主光谱和从光谱区间组合的验证均方根误差（RMSEV）, 选择RMSEV最小的主光谱和从光谱区间作为最优区间。 玉米、 小麦两套NIR数据测试了该算法。 结果显示, 与全波段相比, β, Res以及VIP均可以从主光谱和从光谱中选择较少的, 有化学意义的区间, 提高模型转移的精度。 在比较不同变量重要性向量方面, 基于β的变量选择算法, 模型转移的计算误差较小。
近红外光谱 模型转移 变量选择 回归系数 残差向量 VIP值 Near infrared spectra Calibration transfer Variable selection Regression coefficient Residual error VIP 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1789
1 山东师范大学, 分子与纳米探针教育部重点实验室, 山东省高校化学成像功能探针协同创新中心,化学化工与材料科学学院, 济南 250014
2 世纪天鸿教育科技股份有限公司, 淄博 255039
3 中国科学院理化技术研究所, 人工晶体研究发展中心, 北京 100190
Zn2(OH)PO4(ZPOH)属于正交晶系, 其空间群为P21212, 该结构没有对称中心。基于赝势平面波方法, 计算了ZPOH的电子结构, 线性折射率和倍频(SHG)系数, 并拟合了色散方程。为了验证计算值, 使用水热法合成了ZPOH微晶, 实验测得其SHG效应与理论计算相符, 同时测试了ZPOH的紫外(UV)吸收边及其热稳定性。
水热法 倍频效应 赝势平面波 紫外吸收边 线性折射率 热稳定性 Zn2(OH)PO4 Zn2(OH)PO4 hydrothermal method SHG effect plane-wave pseudopotential ultraviolet (UV) cut-off edge linear refractive index thermal stability
1 江苏大学食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013
2 Department of Molecular Cell Physiology, Graduate School of Medical Science, Kyoto Prefectural University of Medicine, Kyoto 602-8566, Japan
样本选择是模型转移的重要组成部分, 其目的是在主光谱和从光谱中选择合适的样本, 建立二者的转移模型, 使得从光谱的预测样本能通过转移模型校正成类似于主光谱的样本, 进而用主光谱的模型直接预测其浓度。 目前, 常用的样本选择算法有: Kennard-Stone 法 (KS法), SPXY法和SPXYE法。 根据上述算法的特点, 提出了一种新的样本选择方法: 加权SPXYE法(WSPXYE法), 进而将其用于选择合适的转移集样本。 WSPXYE同样先计算样本间的距离, 其距离有三个部分组成: 光谱(X)之间的归一化距离dxs, 浓度(y)之间的归一化距离dys, 以及校正误差(e)之间的归一化距离des。 其加权代数和dwspxye=αdxs+βdys+(1-α-β)des即为WSPXYE距离。 计算了WSPXYE距离之后, 可以根据其距离选择距离较大的样本作为转移集样本。 WSPXYE是Kennard-Stone法(KS法), SPXY法和SPXYE法的推广, 而KS法(α=1, β=0)、 SPXY法(α=0.5, β=0.5)以及SPXYE法(α=0.333, β=0.333)则是WSPXYE法的特例。 直接校正法(DS)、 有信息成分提取-典型相关分析法(CCA-ICE)作为模型转移算法验证了WSPXYE方法的效果。 结果显示, 与KS法、 SPXY法以及SPXYE法相比, WSPXYE法可以通过调节参数, 选择合适的样本, 获得较低的误差。
样本选择 模型转移 WSPXYE WSPXYE Kennard-Stone Kennard-Stone SPXY SPXY SPXYE SPXYE Sample selection Calibration transfer
江苏大学食品与生物工程学院, 农业装备工程学院, 江苏 镇江 212013
豆腐作为我国传统食品, 其生产已有两千多年的生产历史, 但目前市场上的豆腐还是以经验式小作坊生产为主, 难以保证豆腐质量和品质的均一性。 水分和蛋白质含量是影响豆腐品质的重要因素, 然而, 水分与蛋白质的传统检测方法过程繁琐, 耗时、 费力, 无法及时指导生产。 因此, 探索豆腐制备过程中水分和蛋白质分布的快速、 无损、 定量描述方法, 可为精确调控豆腐制备工艺提供科学依据。 应用高光谱成像技术结合化学计量学方法检测豆腐形成过程中豆浆、 热浆、 凝胶、 豆腐四种不同状态下水分与蛋白质含量变化并实现其含量分布可视化。 采集每种状态下120个样品在432~963 nm波段范围内的高光谱图像, 利用ENVI软件选取感兴趣区域并计算样品的平均光谱数据。 采用卷积平滑(savitzky-golay, SG)结合多元散射校正(multiplicative scatter correction, MSC)对原始光谱进行预处理, 消除光谱噪声影响。 用预处理后的光谱数据建立偏最小二乘回归(PLSR)和主成分回归(PCR)定量模型, 比较发现豆浆、 热浆、 凝胶、 豆腐样品的PCR模型对与水分和蛋白质的预测结果均低于PLSR模型。 选用PLSR模型作为最优模型, 采用连续投影算法(SPA)筛选豆浆、 热浆、 凝胶、 豆腐样品的特征波长, 分别选取13, 9, 8和9个特征波长建立基于特征波长下的PLSR模型。 结果表明: 与全波段下的PLSR 模型相比基于特征波长建立的SPA+PLSR模型的预测效果更好, 对水分的预测模型RP达到0.84~0.96, 蛋白质的预测模型达到0.92~0.97。 基于预测效果更好的SPA+PLSR模型计算豆浆、 热浆、 凝胶、 豆腐图像中每个像素点的水分与蛋白质含量, 将样品中的水分与蛋白质分布用不同的颜色直观显示, 实现水分与蛋白质在不同状态下的分布。 验证了高光谱技术对豆腐形成中水分与蛋白质含量检测的可行性, 解决传统检测方法的缺陷, 为豆腐生产的工业化和智能化提供理论依据。
豆腐 高光谱成像技术 分布可视化 水分 蛋白质 Tofu Hyperspectral imaging technique Distribution visualization Water Protein 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3549
1 大连理工大学 光电工程与仪器科学学院, 辽宁 大连 116024
2 中国科学院 理化技术研究所, 北京 100190
3 中央民族大学 理学院, 北京 100081
4 中国科学院 微电子研究所, 北京 100029
5 西安空间无线电技术研究所, 陕西 西安 710100
硅-有机复合光子集成技术充分发挥了硅光的大规模集成优势和有机聚合物材料的高电光系数优势, 在高性能集成微波光子系统中极具应用潜力。本文对硅-有机复合集成电光调制器结构进行了较为全面地优化设计和初步制备研究。电光有机聚合物填充在硅Slot波导的狭缝中, 优化Slot波导结构得到光场限制因子为0.32, 使得光波场与射频电场高度重合, 提高了电光调制效率。采用锥型波导模式转换结构实现Strip-to-Slot的低损耗耦合, 耦合效率为99.55%。重点分析了电极长度、宽度等参数对调制器频率响应的影响, 优化得到3 dB带宽为77 GHz, 半波电压-长度积为0.045 V·cm。根据仿真结果设计了用于制备调制器的MASK。实验制备了Slot波导并进行了聚合物的填充实验研究, 获得了良好的结果。
电光调制器 硅-有机复合集成 Slot波导 Strip-to-Slot模式转换器 半波电压-长度积 electro-optic modulator silicon-organic hybrid integration slot waveguide strip-to-slot mode converter half-wave voltage-length product 光学 精密工程
2020, 28(10): 2138
