中国医学科学院生物医学工程研究所激光医学实验室，天津 300192
细菌是人类最常见的致病源之一，不仅严重危害人类健康和公共卫生安全，还带来了巨额的医疗支出。快速而准确的细菌检测对细菌感染的治疗具有重要的意义。光谱检测方法不但可以快速实时地获得细菌的分类、含量以及功能状态等信息，而且具有操作简单、非侵入性的优势，在细菌检测领域具有巨大的潜力。本文介绍了拉曼光谱、太赫兹光谱、可见光和近红外光光谱、荧光光谱在细菌检测方面的研究与应用，并对可见光和近红外光光谱的分子机制——光靶点，包括含有视网膜发色团的细菌视紫红质（ CBCRs）、带有四吡咯发色团的拟菌植物色素、带有对香豆酸发色团的光活性黄蛋白（ PYP）、带有黄素单核苷酸（ FMN）的光氧压力（ LOV）结构域、带有黄素腺嘌呤二核苷酸（ FAD）发色团的隐色剂和含有 FAD的蓝光感应域等进行了阐述。最后，针对现有细菌光谱检测技术的优缺点提出了细菌检测技术的优化策略，希望对细菌的光谱检测研究提供帮助。
细菌感染 光谱检测 拉曼光谱 可见光和近红外光谱 光靶点 bacterial infection spectral detection Raman spectroscopy visible light and near-infrared spectroscopy optical target
1 福州大学机械工程及自动化学院， 福建 福州 350108
2 福州大学机械工程及自动化学院， 福建 福州 350108 莆田学院新工科产业学院， 福建 莆田 351100
3 莆田学院新工科产业学院， 福建 莆田 351100
4 西人马联合测控(泉州)科技有限公司， 福建 泉州 362011
工程塑料优异的介电性能和金属可替代性， 使其成为5G建设的热门材料。 对外观相近但性能不同的几种工程塑料的检测与定性分析， 有助于工程塑料更好地应用于5G线路板和天线模块的制造。 应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）对几种常见的工程塑料PEEK、 PPS、 ABS进行光谱检测， 分别得到三种工程塑料在太赫兹波段的光谱数据。 通过快速傅里叶变换， 将三种工程塑料的THz时域光谱进行转换， 获取工程塑料在0.1~1.2 THz下的THz频域光谱， 并经过计算提取出相应的吸收光谱。 分析THz时域光谱可知， 不同种类工程塑料的THz时域谱存在时间延迟线和振幅的差异， 可以直观地显示出各种塑料间的差异， 这表明工程塑料的THz-TDS分类识别具有一定的可行性。 但由于同属工程塑料， 在太赫兹波段上表现为峰位、 峰值相近， 且各个材料无明显的THz特征吸收峰， 因此无法直接以指纹谱进行判定。 鉴于此， 研究将非线性工具卷积神经网络（CNN）应用于无明显特征吸收峰的工程塑料识别研究的可行性， 通过对CNN的网络结构和重要权值参数的优化， 提出了一种改进的CNN分类模型。 该模型使用LeakyRelu激活函数， 添加BN层， 利用Adams梯度下降算法， 保证分类器的鲁棒性， 加快网络分类速度， 提高太赫兹吸收光谱识别精度， 同时可以有效地解决由于THz光谱数据量不足而容易陷入局部最优问题。 并将该方法同传统的线性工具主成分分析-支持向量机法（PCA-SVM）进行对比。 对比实验结果显示: 改进的CNN分类模型平均运行耗时为0.15 ms， 训练集准确率为99.6%， 测试集准确率达到98.8%; 相较传统的PCA-SVM分类模型， 其分类效率大幅提升， 同时测试集分类准确率提高了27.3%， 训练集分类准确率提高了30.9%。 研究结果表明: 将THz-TDS与改进的CNN分类模型相结合， 能够实现对上述三种工程塑料的精确鉴别与分类识别， 为工程塑料的非接触快速无损检测和识别提供了新方法， 也为其他无THz特征峰物质的识别与检测方法研究提供参考。
太赫兹时域光谱检测技术 工程塑料 卷积神经网络 分类识别 Terahertz time-domain spectroscopy Engineering plastics Convolutional neural network Classification recognition 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1387
北京交通大学电子信息工程学院光波技术研究所，全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
随着光谱检测的重要性与日俱增，对高性能光谱仪的研究显得尤为重要和紧迫。提出一种基于平面光波导的二维光谱色散系统，它集合了平面波导微型化和光栅高色散的优点，能够将光谱在二维平面上展开。通过仿真发现，所提系统能够实现光谱在二维方向上展宽，带宽远远大于基于虚像相位阵列（VIPA）的二维色散系统。此外，所提系统的体积较小，更易于集成。
衍射 二维光谱检测 平面光波导 体光栅 光谱检测 光学学报
2023, 43(19): 1905002
红外与激光工程
2023, 52(2): 20220821
1 北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京 100083
2 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京 100083
3 北京航空航天大学国际交叉科学研究院，北京 100083
4 北京航空航天大学宁波创新研究院，浙江 宁波 315800
随着社会发展和医疗健康事业的进步，医用金属植入物等医疗器械在临床应用中出现的细菌感染、生物相容性不佳等瓶颈亟待解决。近年来，飞秒激光以其加工精度高、适用材料广、热效应低、灵活可靠等优势，成为医用材料表面改性备受关注的新技术。本文针对体液光谱检测、植入物表面细胞行为调控、口腔抗菌这三个具体临床应用场景，简述了制备表面微纳复合结构实现生物功能的基本原理，以及多功能微纳复合结构的制备原理，梳理了飞秒激光诱导微纳结构的应用进展及研究现状，以期为相关研究人员提供线索和依据。
中国激光
2022, 49(10): 1002601
1 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027
2 浙江大学 光电科学与工程学院教育部光子学国际合作联合实验室，浙江 杭州 310027
中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区，在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂；在检测方面，受分子吸收截面小的限制，检测灵敏度低，对微量化学物质检测具有较大挑战。超表面是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列，具有体积小、易集成、调控自由度高等特点，能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号，提高检测灵敏度。文章介绍了中红外超表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理。着重整理了超表面结构在中红外波段的成像与检测领域的研究进展，包括偏振成像、可调及可重构超表面、其他特殊功能以及用于检测的基于等离子体激元或连续体束缚态原理的使用金、银、铝、石墨烯、硅、锗等材料的超表面结构。
中红外 超表面 成像 光谱检测 mid-infrared metasurface imaging spectrum detection 红外与激光工程
2022, 51(3): 20220082
1 江西农业大学 工学院 江西省现代农业装备重点实验室，江西南昌330045
2 江西农业大学 工学院 江西省果蔬采后处理关键技术及 质量安全协同创新中心，江西南昌330045
采用同步荧光技术结合化学计量学实现了鸡肉中磺胺二甲基嘧啶（Sulfamethazine，SM2）和氧氟沙星（Ofloxacin，OFL）残留的快速检测。分析了SM2标准溶液、OFL标准溶液、空白鸡肉提取液和含SM2和OFL的鸡肉提取液的三维同步荧光光谱，确定了鸡肉中SM2和OFL残留检测的波长差（Δλ）分别为150 nm和210 nm，荧光激发峰分别为292.5 nm和295 nm。采用单因素实验考察了β-巯基乙醇和邻苯二甲醛溶液加入量及时间对荧光强度的影响，确定了最佳检测条件为：β-巯基乙醇溶液300 μL、邻苯二甲醛溶液25 μL和采集时间44 min。最后，利用峰高法和峰面积法分别建立了预测模型。实验结果表明，与基于峰面积法的预测模型相比，基于峰高法的预测模型的综合评价更好。基于峰高法的SM2和OFL残留预测模型的预测集决定系数（R2P）分别为0.897 3和0.997 3，预测集均方根误差（RMSEP）分别为6.060 5 mg/kg和0.539 2 mg/kg，回收率分别处于76.1%~115.2%和96.7%~110.1%之间，相对标准偏差（RSD）分别处于2.7%~7.0%和2.8%~10.0%之间。本方法快速、简便，可用于鸡肉中SM2和OFL残留的快速检测。
光谱检测 同步荧光光谱法 鸡肉 磺胺二甲基嘧啶 氧氟沙星 回归分析 spectral detection synchronous fluorescence spectrometry chicken sulfamethazine ofloxacin regression analysis
1 西北农林科技大学机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100
2 农业农村部农业物联网重点实验室, 陕西 杨凌 712100
3 陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室, 陕西 杨凌 712100
4 西北农林科技大学生命科学学院, 陕西 杨凌 712100
近年来食品掺假事件频繁发生, 对食品安全领域产生巨大挑战, 食品掺假问题已成为人们关注的焦点和讨论的热点, 因此实现食品掺假的快速、 准确以及无损检测对保障食品质量和安全具有重要意义。 随着新食品原料、 新添加剂以及新型食品加工技术不断涌现, 使得食品掺假问题呈现技术化、 隐形化、 多样化等特征, 食品中掺假对象的鉴别技术面临更严峻的挑战。 目前一些现代检测技术可针对食品掺假问题进行有效检测, 如高效液相色谱法、 稳定碳同位素比值法等, 然而由于需对样品进行复杂预处理、 检测仪器操作技术要求较高等原因, 使其针对现有的食品掺假检测存在一定的局限性, 因此寻求一种新型的、 灵敏度高的以及具有指纹特性的无损检测技术进行现有食品掺假检测成为关键。 太赫兹（Terahertz, THz）波谱是指频率在0.1~10 THz之间的电磁波, 具有微波和红外双重特性, 其中包括指纹特性、 相干性、 安全性等。 由于物质中大部分有机大分子之间弱相互作用、 骨架振动、 偶极子的旋转和振动跃迁频率与太赫兹波谱相对应, 使得太赫兹技术在食品掺假检测应用领域蕴含着巨大的潜力。 首先阐述了太赫兹波谱技术用于物质检测的原理; 重点综述了太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面的最新研究进展, 具体以转基因食品鉴别、 食品原产地鉴别、 乳制品掺假检测、 蜂蜜掺假检测及其他食品掺假检测进行综述; 其次分析了目前太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面所存在的问题, 如水分吸收、 散射效应等影响; 最后展望了太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面的应用前景, 如开发低成本的太赫兹源和探测器以促进太赫兹技术普及应用、 将机器学习算法用于太赫兹波谱建模分析以提高模型精度和分析速度、 与其他现代检测技术结合使用以实现检测技术间优势互补等; 以期为开展太赫兹波谱技术在食品掺假检测方面研究提供参考和指导。
太赫兹时域光谱 光谱检测 食品掺假 食品安全 化学计量学 Terahertz time-domain spectroscopy Spectral detection Food safety Food adulteration Chemometrics 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1379
西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
易燃液体在食品、化工、能源等领域均有广泛应用,并创造了巨大的经济价值。然而,该类液体易燃易爆,且在使用过程中可能会产生有毒蒸汽,因而它的无损检测对于促进工业生产和保障人民的人身财产安全具有深远意义。光谱检测技术具有快速、在线检测、无损、样品无需预处理、检测精度高等优点,在易燃液体检测中发挥了重要作用。本文综述了易燃液体光谱检测方法的技术原理,重点介绍了近红外光谱法、拉曼光谱法、紫外光谱法、荧光光谱法和太赫兹时域光谱法等5种典型易燃液体光谱检测技术的发展历程和应用现状,同时结合光谱技术的优缺点,对其未来发展前景进行了展望。
光谱学 无损检测 易燃液体 光谱检测技术 检测灵敏度 光谱检测应用 激光与光电子学进展
2021, 58(2): 0200002
