1 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
3 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
生物体内元素的微小变化可以直接影响生物的代谢和生理过程。快速、精准的生物体内元素定性定量分析，是新陈代谢检测以及临床疾病诊断中不可或缺的部分。随着医学检测技术的不断发展和临床需求的不断增加，寻找一种更新、更快、适应性更强的临床分析和诊断技术成为当前的研究热点。在生物医学研究中，激光诱导击穿光谱（LIBS）技术凭借着快速、实时、多元素同步检测的优势，在血液、病理组织检测和元素分布成像等方面展现出了极大的应用价值。本综述回顾了近年来LIBS技术在生物医学应用中的研究状况和最新进展，基于目前的研究状况，评估了LIBS技术在血液检测、生物组织分析、元素成像应用领域的挑战和机遇，还为进一步促进LIBS技术在生物医学领域的应用提供了建议。
光谱学 激光诱导击穿光谱 生物医学 血液检测 组织分析 元素成像 激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2400004
1 湖北中医药大学药学院, 湖北 武汉 430065
2 湖北省中药保健食品工程技术研究中心, 湖北 武汉 430065
3 北京理工大学光电学院, 北京 100081
4 咸宁市中心医院、 湖北科技学院附属第一医院药学部, 湖北 咸宁 437100
5 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
6 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
7 武汉邮电科学研究院, 湖北 武汉 430074
山药为薯蓣科植物薯蓣的根茎, 其中的多糖、 多酚、 皂苷、 黏蛋白和维生素C等成分使山药具有抗肿瘤、 抗氧化、 抗炎症、 降血糖和降血脂等作用。 不同产地的山药由于生长条件存在差异, 致使药用成分含量显著不同, 结合独特的炮制工艺, 进而导致市场价格差别大, 所以山药饮片的产地识别至关重要。 为对山药饮片进行产地溯源, 本文基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术提出多元散射矫正-改进遗传算法-支持向量机(MSC-IGA-SVM)模型对山药产地进行精确识别。 使用八个不同产地的山药饮片进行LIBS实验, 八种产地的山药饮片磨粉过筛后制成粉末压片, 通过采集山药饮片的LIBS光谱, 分别使用单一分类器与使用光谱预处理、 特征提取及模式识别算法的模型对光谱的识别结果进行对比。 将光谱信号按2∶1的比例划分为训练集和测试集, 使用5次交叉验证K-邻近算法(KNN)模型的测试集准确率作为预处理参数优化的评价指标。 各类药材的平均光谱整体趋势一致, 所含谱峰基本相同, 但因产地不同导致峰值强度各不相同, 道地山药对一些金属元素(K, Na, Ca, Mg, Al)的富集能力大于非道地产区山药, 其中, K元素特征谱线(769.90 nm)的峰值最高, 即山药饮片中K元素含量最多, 相关研究表明山药根茎对K元素的富集能力最强。 选取35条关键谱线进行分析, 在识别种类多、 识别难度大的情况下, 改进遗传算法(IGA)比主成分分析(PCA)更能清楚辨别光谱中的非线性关系, 同时受噪声的影响更小。 MSC-IGA-SVM模型的产地溯源效果最好。 MSC-IGA-SVM模型的交叉验证集准确率为96.9%, 测试集的准确率为97.32%, 与直接使用原信号建立的最好模型支持向量机(SVM)(96.43%)相比, 测试集准确率提高了0.87%。 同时, MSC-IGA-SVM模型将输入变量的维度减少了99.93%。 结果表明, LIBS技术结合MSC-IGA-SVM模型能够快速、 准确对山药饮片进行产地溯源。
激光诱导击穿光谱 光谱预处理 特征提取 模式识别 山药 Laser-induced breakdown spectroscopy Spectral preprocessing Feature extraction Pattern recognition Rhizoma Dioscoreae
1 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学武汉光电国家研究中心激光与太赫兹功能实验室, 湖北 武汉 430074
4 湖南科技大学物理与电子科学学院, 湖南 湘潭 411201
激光诱导击穿光谱作为一种新型的物质成分检测技术, 具有快速、 实时、 微损、 原位、 多元素同时分析等优势, 目前在环境监测, 食品安全, 选矿冶金, 生物医疗, 太空探测等多个领域都具有广泛应用。 然而, 由于元素谱线的自吸收效应, 使得激光诱导击穿光谱谱线强度降低, 严重时甚至会使特征谱线峰型产生凹陷(即“自蚀”现象), 定标曲线变弯曲, 导致该技术的元素检测精准度变差, 从而无法实现大规模商业应用。 因此, 对激光诱导击穿光谱自吸收效应及其校正方法的探索, 一直以来是学者们研究的热点。 综述了自吸收效应校正方法的研究进展, 分析了自吸收效应产生的物理机制, 分别从实验参数优化、 物理辅助装置、 自吸收模型和校正算法等多个角度对自吸收效应的几种主要校正方法进行了归纳和总结, 并对其优势和缺点进行了对比分析, 其中实验参数优化具有原理简单、 易操作的优势; 能态选择性共振激发自吸收效应抑制效果稳定; 微波辅助激发成本较低, 可同时对多元素实现自吸收抑制; 自吸收系数法可直接量化自吸收效应强弱, 计算步骤简便且所需等离子体参数较少; 基于内参考线的自吸收校正算法计算效率高, 校正效果明显; 光学薄法可直接获取光学薄等离子体谱线, 避免理论误差。 最后, 对自吸收效应未来的研究方向和发展趋势进行了展望。
激光诱导击穿光谱 自吸收效应 校正方法 研究进展 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Self-absorption Correction methods Research progress 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 2989
1 湖北工程学院物理与电子信息工程学院, 湖北 孝感 432000
2 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
为了实现工业现场对特种钢材的快速检测与种类识别, 采用基于光纤传能的移动式激光诱导击穿光谱(LIBS)样机对14种特种钢材进行光谱数据的采集与分析, 采用预选谱线并遍历组合的降维方法与支持向量机(SVM)相结合的算法对特钢材料的光谱进行快速分类。 分别将原始光谱数据、 归一化处理后的光谱数据、 归一化处理+遍历组合优选谱线数据作为SVM分类模型的输入向量, 并对比了不同输入向量下模型对特钢识别的准确度。 结果表明: 在事先选出的51条特征谱线作为输入变量的基础上, 归一化光谱数据作为SVM分类模型的输入特征时, 识别准确度达到95.71%, 明显高于使用原始光谱数据作为输入向量时SVM分类模型的准确度11.43%。 进一步地, 使用MATLAB程序遍历谱线组合, 通过遍历各种谱线组合选出最优的输入谱线组合, 当优选6条特定的谱线时, 对特钢种类识别的准确度达到100%, 且建模速度也有相应提升。 可以看出, 当预选出大量常见特征数据时, 机器自动选取特征与人工挑选谱线相比, 具有明显优势, 基于此降维方法的SVM算法模型在LIBS快速分类技术中具有很好的工业应用前景。
激光诱导击穿光谱 谱线遍历组合 降维 钢铁分类 Laser induced Breakdown spectroscopy SVM Spectral line traversal combination Dimension reduction Classification of steel SVM 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2638
1 湖北工程学院 物理与电子信息工程学院，湖北 孝感 432000
2 华中科技大学 武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
3 湖北大学 物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062
4 湖北省计量测试技术研究院，湖北 武汉 430223
作为一种新型快速的物质成分分析技术，激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）已经在越来越多的工业领域中被证明具有巨大的应用潜力。然而，由于野外作业或工业现场检测环境嘈杂恶劣，对仪器设备的尺寸和抗恶劣环境的能力提出了更高的要求。近年来，新型激光器的发展进一步促进了LIBS仪器化的进程，使得其逐渐从实验室迈向工业应用，同时也使得LIBS系统逐渐趋于仪器化、专业化、便携化。本文综述了便携式LIBS的发展历程，对各种激光光源（小型Nd:YAG固体激光器、二极管泵浦固体激光器、微片激光器、光纤激光器以及光纤传能的方案）应用于便携式LIBS系统的最新研究进展进行了综述和分类讨论，探讨了当前便携式LIBS存在的基本问题，并对其未来发展趋势进行了展望。
激光诱导击穿光谱 便携式 激光器 元素检测 laser-induced breakdown spectroscopy portable laser element detection
1 智能无线通信湖北省重点实验室, 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
2 南洋理工大学电气电子工程学院, 新加坡 新加坡 639798
3 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。
光谱学 光声光谱 痕量气体检测 有限元方法 光声池 声学模态值
1 湖北工程学院 物理与电子信息工程学院, 湖北 孝感 432000
2 华中科技大学 光电国家研究中心, 武汉 430074
针对工业现场和野外恶劣环境下快速检测的需求, 设计并搭建了基于光纤激光器的便携式激光诱导击穿光谱实验系统.采用迭代小波变换去背景算法对光纤激光器的高重复频率造成的高的连续背景干扰进行消除.对比了去背景前后攀钢生铁样品中的Mn元素的谱线, 发现Mn元素的4条特征谱线的定标曲线决定系数分别由0.988、0.985、0.982和0.992提高到了0.994、0.994、0.994和0.995; 采用留一交叉验证得到的均方根误差分别从0.123、0.146、0.101和0.083, 降低到了0.072、0.085、0.062和0.073.结果表明, 采用该迭代的小波变换去背景算法, 能够有效地去除连续背景干扰, 提高回归模型的准确性, 进而提高激光诱导击穿光谱定量分析的准确度.
激光诱导击穿光谱 去背景 小波变换 光纤激光器 定量分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Background removal Wavelet transform Fiber laser Quantitative analysis
1 北京科技大学 冶金与生态工程学院, 北京 100083
2 华中科技大学 武汉光电国家实验室 激光与太赫兹技术功能实验室, 湖北 武汉 430074
到目前为止, 尚没有适用于大型金属材料试样元素偏析定量检测的有效方法。该研究将新兴的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的同步检测, 选取Si (288.16 nm)、 Mn (293.31 nm) 和Ti (334.94 nm)作为三种元素的定量分析谱线, 同时选取Fe (263.58 nm, 441.51 nm, 370.79 nm)分别作为三种元素的内标谱线, 使用内标法降低基体效应的影响。定标拟合系数R2分别为0.991 7、0.990 3和0.991 2, 因此证明LIBS适用于对生铁中Si、Mn、Ti元素的准确同步定量检测。随后将取自高炉的铁样切割为两个圆形的铁块, 用空间分辨的LIBS装置对样品表面进行面扫描分析并得出元素分布图, 基于元素分布图识别出Si、Mn、Ti元素的偏析区域并计算最大正偏析度和负偏析度。该研究证明了LIBS用于同步检测生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的可行性, 同时也揭示了生铁中合金元素的偏析规律, 有利于加深对凝固过程元素迁移和分布的理解和认识。
激光诱导击穿光谱 面扫描 生铁 偏析 laser-induced breakdown spectroscopy surface analysis pig iron segregation 红外与激光工程
2018, 47(8): 0806003
