2024年, 第36卷, 第1期　刊出日期：2024-03-15

  

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  表面增强拉曼光谱技术结合机器学习方法在生物医学领域应用的最新进展

  王佳琪, 徐蔚青, 徐抒平, ,

  光散射学报. 2024, 36(1): 1-15. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401001

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  近年来，运用表面增强拉曼光谱（SERS）技术对生物样本检测的研究发展十分火热，尤其是结合机器学习方法的SERS技术在临床样本诊断方面的运用日趋成熟。机器学习方法是基于无监督和有监督的算法，可以解决复杂的样本和大量、高维的数据信息，在生物分析领域受到高度关注。本文介绍了SERS技术结合机器学习方法的相关应用，尤其是在生物医学领域。SERS既可以使用免标记的策略检测生物样本的指纹信息，又可以使用标记方法跟踪蛋白质等生物标志物实现间接检测。本文总结了SERS技术结合机器学习方法用于血液、尿液、组织等临床样本进行疾病诊断的最新进展。此外，本文还汇总了细胞样本及其他复杂样本SERS分析中机器学习方法运用的实例。该文综述了这一领域的最新进展，为从事SERS生物分析领域的研究人员提供可借鉴的方案。
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  金属有机框架/纳米酶复合SERS基底在生物医学分析领域的应用与展望

  胡森 蒋雨宁 曹佳颖 郑强廷 吴一萍 郭小玉 应叶 刘新玲 文颖 杨海峰

  光散射学报. 2024, 36(1): 16-22.

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  表面增强拉曼散射 (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) 技术是基于分子振动指纹信息的分析方法，灵敏度高，选择好，可无损现场检测，加之水体系干扰小，在生物样本分析和医学早期诊断等领域有潜在的应用前景。纳米酶是人工模拟酶，与天然酶相比，易于批量制备、种类多样和环境稳定的优点。金属有机框架化合物 (Metal-organic framework, MOF) 便于设计和合成，具有介孔晶体结构，比表面积大，可固载其它纳米材料，提高稳定性。本综述关注纳米酶、MOF与SERS基底复合提高分析性能和稳定性，重点介绍了基于MOF/纳米酶/SERS技术平台在生物医药分析领域的应用现状与展望。
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  构筑AuNRs/MoS2/Silica gel薄层色谱板结合SERS技术对复杂水体中苯并芘的点阵列式检测

  丁妍#, 蔡凌晨#, 覃海越, 方俊杰, 朱哲, 刘庆雨, 陈峰, 曹玥

  光散射学报. 2024, 36(1): 23-27. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401003

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  苯并芘(Bap)是环境中典型的有机污染物，通过生物循环途径在人体内富集，会对机体造成慢性损伤。为了快速痕量分析复杂环境中的苯并芘，本工作将薄层色谱板(TLC)与表面增强拉曼散射(SERS)技术相结合，构建了一种新型AuNRs/MoS2/Silica gel薄层色谱板，并将其应用于Bap的痕量检测。该方法具有灵敏度高、操作简便等优点，可以完成对毒物的现场快速分析检测，有效克服了目前苯并芘检测方法中检出限高、仪器设备昂贵等问题，具有一定的实际意义。
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  微球透镜阵列并行制造表面增强拉曼衬底及其光谱增强研究

  王梦圆, 赵晨, 闫胤洲, 赵艳, 蒋毅坚

  光散射学报. 2024, 36(1): 28-37. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401004

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  SERS作为一种高灵敏物质指纹谱分析技术，在生物传感、化学分析等领域具有广泛的应用。具有规整纳米结构的SERS衬底是保证拉曼光谱痕量检测可靠性和稳定性的前提，实现高精度、大尺度和高效率的微纳结构制造是SERS衬底目前亟需突破的技术瓶颈。本工作提出了介质微球透镜—金纳米孔（ML/AuNHs）阵列复合SERS衬底新结构与制造新方法。首先，利用介质微球透镜光子纳米射流，在沉积于微球底部的金膜上制备纳米孔结构，形成ML/AuNHs复合结构。系统研究了532 nm纳秒脉冲激光能量、微球透镜直径、金膜厚度等工艺参数对金纳米孔的成形规律，通过优化加工工艺，实现了微球透镜阵列底部直径215 nm金纳米孔的超分辨并行加工。之后，理论分析了微球透镜的SERS“热点”自对准聚焦、光学回音壁共振模式以及定向天线等光场调控过程，揭示了ML/AuNHs复合衬底的拉曼增强机制。最后，展示了ML/AuNHs复合衬底检出灵敏度10-10 M（硝基苯硫酚，4-NBT）的SERS检测能力，较单独使用金属纳米孔降低2个数量级。本工作提供了一种简易高效且具有高灵敏度的SERS衬底结构及其制备方法，拓宽了SERS的实际应用潜力。
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  金纳米向日葵用于免标记SERS检测电刺激细胞凋亡过程中DNA损伤

  齐国华, 金永东

  光散射学报. 2024, 36(1): 38-43. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401005

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  精准的诊断以及分析癌细胞死亡过程中复杂基因组DNA损伤，对肿瘤的治疗至关重要, 但是仍然面临着重要的挑战。本研究设计了尺寸均一的等离子体金纳米向日葵，该纳米结构主要是通过修饰多肽的金纳米粒子静电组装的方法制备，形成热点结构丰富的SERS基底，用于捕获基因组DNA，实现高灵敏度基因组中DNA的SERS检测。我们的研究发现在恒压1.2 V刺激5 min的条件下，癌细胞比正常细胞更容易死亡。通过SERS光谱分析，我们可以看出，在电刺激癌细胞凋亡过程中， 基因组中DNA的双链断裂，且腺嘌呤的缺失，这些加速了癌细胞的死亡过程，进而影响DNA的复制和转录。我们开发的传感平台对研究基因相关的疾病提供了重要的应用价值。
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  基于可见\近红外光谱对葡萄可溶性固形物无损检测研究

  吴虹璋, 蔡红星, 任玉, 王婷婷, 周建伟, 李栋梁, 曲冠男

  光散射学报. 2024, 36(1): 44-51. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401006

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  葡萄中可溶性固形物是评价葡萄成熟度的重要指标，本文探究了基于可见/近红外光谱技术对多个品种葡萄（红提、巨峰、辽峰）可溶性固形物（Soluble Solid Content，SSC）含量进行定量分析。分别采集了三个葡萄品种在550-960nm波长范围内的透射光谱数据，采用Savitzky-Golay卷积平滑（S-G）、标准正态变换（Standard Normal Variate, SNV）、小波变换（WT）、一阶求导+S-G卷积平滑组合（1stDer+S-G）预处理方法，对比分析出最适合各个品种的预处理方法；然后在最佳的预处理方法下采用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权（CARS）对光谱进行特征波长选择；结合化学计量学方法分别建立多品种与单一品种的偏最小二乘回归（PLSR）、BP神经网络SSC含量无损预测模型。结果表明，基于BP-SPA建立的SSC含量模型最优，多个品种通用SSC含量预测模型的预测集相关系数（Rp2）为0.85，表明基于可见/近红外光谱技术对多个葡萄品种SSC含量无损检测是可行的。
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  量子材料中基于空间自相位调制的激光诱导电子相干性

  黄逸轩, 赵继民,

  光散射学报. 2024, 36(1): 52-62. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401007

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  空间自相位调制是一种三阶非线性光学效应，又称光学克尔效应。空间自相位调制的物理机制为激光诱导的非局域电子相干性，是一种集体激发行为，非线性光学响应，演生现象。物质中电子在光场的驱动下以光学频率运动，获得由外场决定的相位，分离区域之间保持固定的由光场决定的相位差，从而演生出非局域电子相干性，其衍射光的平行光分量在远场形成一系列同心嵌套的圆锥形发射，在远场屏上形成干涉环，此即空间自相位调制。基于激光诱导在量子材料中产生电子相干性，可以实现全光开关，具有“以弱光控制强光”的特性，功能类似于光子学中的“三极管”。本文简要综述空间自相位调制的物理机理研究及其在全光开关领域的应用前景，重点梳理空间自相位调制在新阶段的发展以及微观物理机制。
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  雪花状Fe2O3-AgNPs SERS基底在大豆基天然酯绝缘油-糠醛检测中的应用

  张盈, 邓保家, 雷宇, 王明亮, 李淑藩, 朱磊, 陈伟根, 万福

  光散射学报. 2024, 36(1): 63-71. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401008

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  本文通过一步水热合成了雪花状三氧化二铁(α-Fe2O3)纳米材料，并通过化学还原法在其表面原位生长银纳米颗粒(AgNPs)，并将其作为表面增强拉曼散射基底用于检测大豆基天然酯油中的糠醛浓度。根据扫面电子显微镜 (SEM)，透射电子显微镜 (TEM)，X射线衍射仪(XRD)，电化学工作站以及拉曼光谱仪(Raman)分别进行表征。结果表明，以RhB作为探针分子，最低检测限为10-11 mol/L (M)，而且相较于单一AgNPs基底，α-Fe2O3-AgNPs的SERS性能更优异。将α-Fe2O3-AgNPs基底进行功能化处理，使其表面修饰4-ATP分子，并用于检测大豆基天然酯绝缘油中的糠醛，最低检测限能达到0.05 mg/L。检测结果完全满足电力行业绝缘油的老化标准 (重度老化，4 mg/L；中度老化，0.5 mg/L；轻度老化，0.1 mg/L)。
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  基于有限元分析制备的金膜-银纳米线基底在变压器油中糠醛检测中的应用

  朱启龙, 李福, 郭涛, 杨露, 张睿, 余炜, 杨涛, 李时珍

  光散射学报. 2024, 36(1): 72-76. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401009

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  为提高表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering,SERS）基底的性能，本文采用银纳米线基底，基于有限元分析软件优选了银纳米线的衬底以及直径，结果表明当衬底采用金膜时，基底热点电场模值最大，说明具有最佳的增强效果；同时设计研究了不同直径的银纳米线在金衬底上的增强效果，结果表明当半径从10 nm到75 nm时，增强效果呈现先增强后减弱的效果，在银纳米线直径为45 nm时，增强效果最佳。基于上述研究结果制备了金膜-银纳米线基底，将所制备的基底应用于变压器油中糠醛浓度检测，制备的基底对变压器矿物油中糠醛的最小检测下限能达到1.5 mg/L，为实现变压器运行状态监测具有重要的意义。
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  基于表面增强拉曼光谱和机器学习的油中溶解糠醛定量检测研究

  李福, 朱启龙, 李时珍, 郭涛, 余云光, 青言, 杨露, 王允光

  光散射学报. 2024, 36(1): 77-85. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401010

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  我们开发了一个结合了表面增强拉曼散射（SERS）和机器学习算法（MLA）的检测平台，用于快速、灵敏地检测变压器油中的糠醛。这对于判断变压器油纸绝缘老化程度至关重要。首先，我们合成了具有尺寸依赖性的银纳米颗粒（AgNPs），并将其应用在镀金膜的多晶硅片Si@Au上，形成Si@Au-Ag SERS基底。通过这个基底，我们成功地对不同浓度的糠醛变压器油溶液进行了检测，并获得了相应的拉曼光谱数据集。接着，我们采用了两种不同的MLA，分别是PCA+ANN和ANN，建立了定量校准曲线，将检测到的拉曼光谱数据转化为对应的糠醛浓度。通过我们建立的模型，相关系数R达到了0.958，表明了模型的高准确性。
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  绿色颜料光谱相似度分析与识别区分研究

  樊鑫宇, 潘国祥, 何贵平, 徐博, 裘城聪, 周梦榆, 徐敏虹, 李金花

  光散射学报. 2024, 36(1): 86-94. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202401011

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  绿色颜料常被用于丛林伪装中，本文通过2种光谱相似度评价方法比较了铬绿、碱性品绿、茜素绿、铁绿、蓝色（钴蓝、群青、磺化酞菁钴、酞菁蓝、铁蓝）与黄色颜料（铋黄、铁黄）混合物等10种常用的绿色系颜料与植物叶片的相似度。其中铬绿颜料与植物叶片的相似度最高，分波段相似度均较好。通过光谱一阶微分法对颜料种类进行区分，与植物相似度高的铬绿颜料可通过光谱识别指数方法加以识别。光谱识别指数方法可以快速地提取目标信息，大大提高识别的速度。