基于太赫兹波的非电离、非侵入性、高穿透性、高分辨率和光谱指纹特征,太赫兹光谱技术在生物医学领域具有巨大潜力。基于太赫兹光谱技术和不同的分析算法,不同研究小组实现了对混合物样品的定性、定量识别。然而,实际的生物混合物样品中通常包含水在内的不同成分,进而导致光谱的信噪比较差,导致最终的光谱分析结果误差较大。对于此类问题,降噪算法和重构算法是比较有效的解决办法。这些算法通过去除光谱数据中的无效信息或提取其中的有效信息来达到提高光谱信噪比的目的,最终结合分析算法实现对生物样本的高精度定性和定量识别。本文对近五年来应用于太赫兹光谱技术中的主要算法进行了归纳介绍,并总结了它们的优势和缺点。

随着医疗诊断需求的增加, 生物分子检测技术越来越受到人们的重视, 液相生物芯片技术作为一种高通量, 多通道的分子检测手段在近几年得到了飞速发展。 通过层层自组装方法制备以微片为载体的拉曼光谱编码液相生物芯片, 并利用自行搭建的一套高灵敏度、 高分辨率的光学系统, 实现对液相生物芯片的定性与定量分析。 光学系统由拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统耦合而成。 在拉曼光谱检测系统中激光器发射出785 nm波长的激光, 通过二向色镜, 带反反射镜与物镜汇聚到样品上, 样品产生的拉曼散射光, 经物镜, 带反反射镜, 二向色镜与拉曼滤波片, 最后通过凹透镜聚焦到光谱仪的狭缝上, 光谱仪色散实现在线阵CCD上拉曼光谱的获取。 荧光显微成像系统应用光学成像原理, 通过调节凹透镜与405 nm的激发光之间的距离, 使激发光通过物镜均匀的照射到样品之上, 样品激发出的荧光, 通过物镜, 带反反射镜, 二向色镜, 滤波片与相应的凹透镜, 最后成像到面阵CCD上。 改进传统便携式拉曼光谱检测系统光路并选用相应波段的带反反射镜与焦距20倍的物镜完成拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统的耦合。 为了减少两路系统之间的相互影响选用合适的二向色镜以及滤波片, 在提高耦合系统获取数据的准确性中有着重要的作用。 该系统通过对反应之后的液相生物芯片进行拉曼光谱检测, 以完成对每个编码玻片的定性识别, 即解码; 同时激发反应后液相生物芯片的荧光并采集荧光强度图, 根据每个解码玻片上的荧光强度值完成对目标检测物的定量分析。 区别于传统荧光编码液相生物芯片, 拉曼光谱编码具有稳定性更强, 光谱分辨率更高等优点。 该光学系统集拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统于一体, 解决了目前未有基于拉曼编码的液相生物芯片的检测系统的问题, 并且可同时对多种目标物进行识别和定量分析, 提升了实验结果的准确性。

近红外光谱(NIR)检测技术能够提供样品丰富的结构和组成信息, 且具有分析速度快、 样品无需处理等突出特点, 在聚合物领域有了越来越广泛的应用。 综述了该技术在聚合物合成到成型加工再到回收利用整个生命周期过程中各个环节的应用研究进展。 在聚合物的合成和加工过程中, 近红外光谱检测技术可用于材料参量的定量测量, 且由于光纤良好的化学和热稳定性, 使其能够在强腐蚀、 高温、 高压等危险环境下进行在线实时监测。 对于聚合物合成, 选择聚合反应转化率、 聚合产物粒径和聚合物组成三个关键参量, 概述了近红外光谱在线测量上述参量的相关研究进展; 对于聚合物加工, 主要讨论了反应性挤出加工过程中近红外光谱在线测量聚合物分子量、 残余单体含量、 接枝率等反映材料加工状态参量的应用研究。 在聚合物的回收利用过程中, 近红外光谱可用于废旧塑料制品的定性分类识别, 围绕该应用分析了其国内外的研究现状。 指出了近红外光谱检测技术在应用中存在的问题, 并提出几点建议, 最后对该技术在聚合物领域的发展方向进行了展望, 并认为随着研究工作的深入和在线测量仪器的发展, 近红外光谱检测技术将在聚合物领域有着更加广阔的应用前景。

提出了两种有效混合物成分的定性与定量分析算法。针对混合物中每种成分太赫兹光谱已知的情况,提出了已知混合物成分光谱分析法,该方法具有步骤简单、样本需求量少的优点。而针对成分过多或部分成分光谱无法有效获得的情况,提出了未知混合物成分光谱分析法,该方法适用于多成分混合物,具有精度较高的优点,样本需求量多于已知混合物成分光谱分析法,但计算量相比传统算法大幅缩减。相关工作为生物医学领域中关键物质的识别和测量提供了新的思路和方法。

青蒿素是从中药青蒿中提取的含有过氧基团的倍半萜内酯药物, 具有良好的抗疟特性, 是治疗疟疾的特效药。 运用激光拉曼光谱分析了100～3 500 cm-1光谱范围内青蒿素的声子振动特性。 指出位于724 cm-1的拉曼峰为与青蒿素中过氧基团直接相关的一个特性声子振动模式, 可用于检测过氧桥键的存在。 位于1 734 cm-1的拉曼峰为与青蒿素中内酯基团直接相关的一个特性声子振动模式, 可用于进一步检测分析青蒿素。 由于这两个特征拉曼峰对应于青蒿素分子中特征化学键的振动, 而且在实验上较容易观察分析, 因而它们可以很好的用于拉曼光谱法快速初步定性检测青蒿素。 同时, 通过分析比较不同纯度青蒿素样品中724和1 734 cm-1处特征拉曼峰的平均散射信号强度比, 拉曼光谱法可以用于定量检测青蒿素样品的纯度。 与常用的高效液相色谱法相比, 拉曼光谱法更快速方便, 检测精度更高, 而且可以检测青蒿素样品纯度的均匀性。 拉曼光谱法定性和定量检测青蒿素纯度的功能对分析检测中药青蒿的品质也有重要意义。

交通意外、 高空跌落、 机械撞击等事故, 可能导致人体脊髓损伤, 从而中断了人体神经信号的传输信道, 致使部分肢体功能的丧失。 由于目前没有脊髓受损部位神经细胞活性检测的方法, 而常规的检测仪器如X射线、 CT等传统仪器不能提供神经细胞活性的任何信息, 医生无法对患者病情有更清晰的了解, 这就可能延误最佳的治疗时机, 致使患者终生瘫痪。 光谱学方法可以检测细胞组织的改变, 且近红外光谱技术是一种测量速度快, 操作简便的无损测量技术。 所以, 针对现有医学检测设备的不足, 在动物实验的基础上, 根据物质在近红外光波段的吸光特性, 并结合近红外光谱分析技术的定性判别和定量分析的特性, 通过对脊髓损伤后神经细胞活性的检测, 采用聚类算法对脊髓损伤部位的神经特异性核蛋白和神经递质进行分类和仿真, 并采用偏最小二乘算法计算其含量, 实现了脊髓损伤部位神经细胞活性的精确检测。 该方法为脊髓损伤后神经细胞活性的检测提供理论依据, 给患者带来肢体功能重建和康复的希望, 为临床医学提供了一种无创检测神经细胞活性的方法。