在针尖增强拉曼光谱(TERS)形貌成像过程中, 由于针尖与扫描台无法绝对平行、 样品电子密度骤变处针尖快速升降以及扫描控制系统响应时间特性差等综合原因的影响, 往往使形貌图中带有倾斜或边界面卷曲的成像背景。 成像背景对样品形貌的识别和分析带来十分不利的影响, 而背景扣除就是解决该问题的重要手段, 也是形貌成像预处理的重要组成部分。 背景扣除的原理一般是通过拟合背景的方法来扣除成像中的背景。 传统的背景扣除方法是利用多项式拟合的方法对成像进行逐行的基线校正, 但是该方法在处理形貌成像时常常会由于过拟合而造成样品形貌的失真, 同时容易在图片上留下明显的线条纹理。 针对传统方法的缺点, 本文提出采用B样条曲面拟合方法, 直接对样品形貌图进行曲面背景拟合, 发挥B样条低阶光滑的优点, 能够有效克服传统方法的缺陷。 在实验中, 同时利用传统方法和该方法对金单晶和合成金片的形貌图进行背景扣除, 实验结果表明, 两种方法都能够扣除样品形貌图中的成像背景, 但与传统方法相比, 所提出的方法不会造成样品形貌的失真, 且不会留下线条纹理, 获得了更加良好的背景扣除效果, 为进一步分析样品形貌特征提供了更准确可靠的信息, 是一种更加有效的TERS形貌成像背景扣除算法。

拉曼光谱技术是一种高灵敏度、 无损伤、 振动分子光谱技术, 在医药、 生物、 分析化学等诸多领域有着重要的作用。 然而, 由于拉曼散射强度低, 实际测得的拉曼信号容易被噪声所污染。 特别是在较短的曝光时间, 收集到的拉曼光谱的信噪比很低。 因此, 提出了一种基于匹配追踪算法的信号重构方法, 用于提取低信噪比的拉曼信号。 该方法首先通过阈值循环迭代的方法在平均谱上找出特征峰的位置、 估计峰的区间。 根据峰的位置区间等信息, 用高斯密度函数生成字典。 在噪声谱上, 根据特征峰位置和区间, 将其区分为有信号区间和无信号区间, 在有信号区间上利用匹配追踪算法重构被噪声所掩盖的拉曼信号。 该算法不仅能够很好的逼近掩盖在噪声中的拉曼信号, 且在重构信号的过程中也会对基线进行扣除, 无须作基线校正处理。 在仿真和实验中对该算法与常规算法进行了比较, 结果证明, 该算法在低信噪比条件下能够较好的恢复拉曼信号。 该算法不同于传统光谱去噪算法, 能同时对拉曼光谱进行了基线扣除以及噪声的处理, 且能取得较为理想的结果, 不需要使用不同的算法对基线和噪声分别处理。 其次, 在算法上我们创造性地将匹配追踪算法用于拉曼光谱信号的稀疏逼近求解。

基于表面增强拉曼光谱技术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS), 研制出对食品中乌洛托品进行现场快速分析检测的系统。 检测系统由多功能前处理模块、 拉曼光学模块、 嵌入式主控模块三部分组成, 实现了待测样品的前处理, 拉曼光谱数据的产生、 收集、 传输与处理。 其中, 多功能前处理模块将化学实验中经常用到的离心、 超声、 挥发三种功能集于一体, 精简了前处理实验中需要用到的设备; 拉曼光学模块采用探头光路与分光系统合为一体的整体式设计, 并在探头光路中使用数值孔径为06的非球面透镜, 同时利用交叉非对称Czerny-Turner结构对分光系统进行了设计; 嵌入式主控模块采用自主研发的FPGA+ARM双核心主控电路, 配合CCD的制冷电路与驱动电路, 搭载μC/OS-Ⅲ操作系统, 实现了对CCD上拉曼光谱数据的采集、 传输与处理。 利用柠檬酸钠制备纳米金(liquid colloidal gold nanoparticle, LCP-1)作为增强试剂对乌洛托品进行检测, 将乌洛托品的拉曼特征峰选取在1 047 cm-1处, 对乌洛托品标准品和含有乌洛托品的腐竹与米粉样品进行检测实验, 实验结果表明所设计的检测系统可以实现对乌洛托品的准确识别, 对乌洛托品标准品的检测限可达001 mg·L-1, 对腐竹和米粉样品中乌洛托品的检出限可达05 mg·L-1, 检测时间小于20 min, 实现了食品中乌洛托品的现场快速检测。

为克服分立式便携拉曼光谱仪光通量低的缺点，设计了一种集拉曼探头光路与分光系统于一体的光学系统。探头光路采用大数值孔径的非球面透镜实现样品的有效激发和信号的高效收集，通过胶合透镜组缩小会聚光路尺寸、消除轴向色差。分光系统基于交叉非对称Czerny-Turner结构，为获得期望的光谱分辨率和光谱范围，建立了分光系统光谱分辨率及光谱范围与交叉非对称Czerny-Turner结构参数的关系。由测得的汞灯谱图可知，分光系统的光谱分辨率优于6 cm-1 (0.37 nm)，光谱范围为790~950 nm (200~2000 cm-1)。将设计的光学系统对CCL4 进行测试，实验结果表明在相同积分时间内由这种整体式的光学系统检测到的CCL4光谱谱峰强度是用商业探头通过光纤连接分光系统检测到的近3倍，验证了光学系统设计的合理性。