高光谱技术——生态学领域研究的新方法

高光谱技术是一种新的地物探测技术,该技术以其敏锐的地物光谱特征探测能力为精准识别地物属性提供了强有力的手段,在生态系统过程与属性研究中具有广阔的应用前景。该文以可见光-近红外光谱分析技术为例概述了高光谱技术的原理、特点与优势,以及高光谱技术分析的流程;总结并归纳了其在土壤、植物生理、农产品品质检测、凋落物分解方面的研究应用,指出高光谱技术与遥感成像技术结合在生态监测研究中的优势;归纳了高光谱技术应用中面临的问题,并希望高光谱技术在生态学领域研究中得到更广泛的应用。     

水果也能做“体检”

不用切开也知道苹果是否病变、糖度如何,这是一项将可见／近红外光谱和X射线成像技术用于水果检测的技术,就像过安检系统一样简单。水果果实具有一定的光学特性,可见／近红外光谱则是根据光能损耗反馈来判定果实内部信息。从正常苹果与水心病苹果的透射光谱图可以比较出,苹果的光密度随水心病的严重程度逐渐减少。     

黄土高原不同种植密度下春小麦冠层和叶片高光谱反射特征

2006年4-8月,通过大田试验,测定了7个密度梯度下3个品种的春小麦冠层、叶片在不同生育期的高光谱反射率.结果表明:孕穗期,不同密度的春小麦冠层和叶片光谱差异明显,波形相似,其冠层光谱反射率在可见光区随密度增大降低,在近红外区反射率随密度增加升高;乳熟期,不同种植密度春小麦冠层光谱在可见光区的差异比近红外区小;不同密度的叶片光谱在可见光区和近红外区的变化在不同生育期表现出一致性,但随密度变化的规律性不明显;不同生育期的冠层光谱表现为乳熟期的反射率高于孕穗期;叶片光谱表现为乳熟期较孕穗期在近红外光区反射率大大降低;不同品种春小麦的冠层和叶片光谱存在一定差异;孕穗期,不同品种的冠层光谱在可见光区差异较小,差别主要表现在短波红外和近红外区;成熟期,不同品种冠层光谱的差异小;不同品种叶片光谱在近红外区的差异显著;春小麦红边存在双峰现象,从孕穗期到乳熟期,红边位置蓝移,红边幅值降低,红边面积减小;红边幅值的变化可用于估产,红边位置的变动可指示生育阶段.     

多光谱成像技术在生物医学中的应用进展

多光谱成像(multispectral imaging,MSI)技术在生物医学可视化方面是一种新技术,它结合了两个已建立的光学模块:成像学和光谱学。它的原理是基于液晶可调谐滤光片,从可见光到近红外波长(400-970nm)区域获取多光谱图像。自从MSI系统加上显微镜商品化以来,MSI已经成为一种快速发展的领域,可应用于细胞生物学、临床前药物开发和临床病理学等。国外已有大量关于MSI在生物医学中应用的研究报道,但国内报道少见。本文主要对多光谱成像的基本原理,近三年内该技术在生物医学领域的应用进展作一简要综述。     

不同水氮条件下水稻冠层反射光谱与植株含水率的定量关系

研究了不同土壤水氮条件下水稻 (Oryzasativa) 冠层光谱反射特征和植株水分状况的量化关系。结果表明, 水稻冠层近红外光谱反射率随土壤含水量的降低而降低, 短波红外光谱反射率随土壤含水量的降低而升高。相同土壤水分条件下, 高氮水稻的冠层含水率高于低氮水稻的冠层含水率 ;同一水分条件下, 高氮处理的可见光区和短波红外波段光谱反射率低于低氮处理, 近红外波段光谱反射率高于低氮处理。发现拔节后比值植被指数 (R810 /R460 ) 与水稻叶片含水率和植株含水率呈极显著的线性相关, 模型的检验误差 (RootmeansquareError, RMSE) 分别为 0.93和 1.5 0。表明比值植被指数R810 /R460 可以较好地监测不同生育期水稻叶片和植株含水率。     

棉花冠层高光谱参数与叶片氮含量的定量关系

建立棉花(Gossypium hirsutum)氮素状况的光谱监测技术对于棉花营养诊断和长势估测具有重要意义。该研究利用冠层高光谱反射率及演变的多种高光谱参数,分析了不同施氮水平下不同棉花品种叶片氮含量与冠层反射光谱的定量关系,建立了棉花叶片氮含量的敏感光谱参数及预测方程。结果显示,棉花叶片氮含量和冠层高光谱反射率随不同施氮水平呈显著变化。棉花叶片氮含量的敏感光谱波段为600~700 nm的可见光波段和750~900 nm的近红外波段,且叶片氮含量与比值植被指数RVI [average (760~850), 700]有密切的定量关系,4个品种的平均决定系数在0.70左右。进一步分析表明,可以用统一的回归方程来描述不同品种、不同生育时期和不同氮素水平下棉花叶片氮含量随反射光谱参数的变化模式,从而为棉花氮素营养的监测诊断与精确施肥提供技术依据。     

应用近红外光谱预测水稻叶片氮含量

以水稻(Oryza sativa)新鲜叶片和干叶粉末两种状态的样品为研究对象, 基于近红外光谱(NIRS)技术, 应用偏最小二乘法(PLS)、主成分回归(PCR)和逐步多元回归(SMLR), 建立并评价了水稻叶片氮含量(NC)近红外光谱模型。结果表明, 基于PLS建立的模型表现最好, 鲜叶氮含量近红外光谱校正模型校正决定系数R_C²为0.940, 校正标准误差RMSEC为0.226; 干叶粉末氮含量的近红外光谱校正模型R_C²为0.977, RMSEC为0.136。模型的内部交叉验证分析表明, 预测鲜叶氮含量内部验证决定系数R_CV²为0.866, 内部验证标准误差RMSECV为0.243; 预测干叶粉末氮含量R_CV²为0.900, RMSECV为0.202。模型的外部验证分析表明, 预测水稻鲜叶氮含量的外部验证决定系数R_V²大于0.800, 外部验证标准误差RMSEP小于0.500, 预测干叶粉末氮含量的R_V²为0.944, RMSEP为0.142。说明, 近红外光谱分析技术与化学分析方法一致性较好, 且基于干叶粉末建立的近红外光谱预测模型的准确性和精确度较新鲜叶片高。     

高光谱成像技术在生物医学中的应用

高光谱成像技术是传统成像与光谱技术相结合的一门新技术,其可同时获得被测物体的空间特征与光谱信息,以实现对物质特性的研究。本文介绍了高光谱成像技术的基本原理、系统的基本构成及特点,总结和阐述了近年来高光谱成像技术在生物医学领域的发展,以及其在疾病诊断中的应用。     

近红外光谱技术（NIRS）在人体的应用与展望

近红外光谱技术(NIRS)在人体的应用与研究是近年来在国内外新兴的研究领域,因为其方便无创,成本低等优点,近20年来在不断发展和完善,引起大家的广泛关注。近红外光谱在700-900 mm范围内可以穿透一定深度的组织,组织内含氧血红蛋白、去氧血红蛋白对近红外光的吸收系数存在差异,经过传感器和计算机技术分析,得到组织的血氧参数。其测量参数为微动脉、微静脉和毛细血管中血液的血氧参数之加权平均,反应组织中的血氧参数,其中静脉血占主要地位,不同于普通脉搏式血氧监测仪的指端动脉血的血氧饱和度。基于近红外光谱技术的近红外组织血氧无创监测仪、功能性近红外光谱技术(f NIRS)、近红外光谱荧光技术等在临床医学,运动医学,神经生物学,认知科学,脑力疲劳,人机交互等新兴领域正发挥越来越重要作用。     

多孔β—TCP生物陶瓷植入兔股骨后的拉曼光谱

以５１４．５ｎｍ和６３２．８ｎｍ激光激发,采用显微拉曼光谱和近红外傅里叶变换拉曼光谱分别研究了磷酸三钙（β－ＴＣＰ）生物陶瓷植入兔股骨后陶瓷、界面和兔股骨的拉曼光谱。对其拉曼光谱特征频率进行了初步的归属,叙述了可见光和近红外光谱的优缺点。在植入区和界面的拉曼光谱中,磷酸钙、胶原、蛋白质和脂类的拉曼特征频率同时出现,说明除磷酸钙外,还含有胶原、蛋白质和脂类,他们是有机骨基质主要组成。实验结果表明,生     

近红外光谱技术在水果成熟期预测中的应用(综述)

近红外光谱技术以快速、准确和多组分同步分析等优势,近年来在水果果实发育、成熟期预测和品质检测等方面应用广泛,并在果实品质无损检测分析技术研究方面取得重要进展。本文综述近红外光谱技术的基本原理和特点,分析近红外光谱技术在果实成熟期预测中的研究现状和存在问题,并提出今后研究方向。     

基于高光谱成像和主成分分析的水稻茎叶分割

在单株水稻表型测量研究中,为了实现绿叶面积和茎叶相关表型参数的准确计算提供技术保障,茎叶的分割是非常重要的一步。传统的人工测量方法费时费力,且主观性较强,而基于普通相机拍摄的彩色图像进行分割效果很差。本研究介绍了一种使用可见光-近红外高光谱成像系统自动区分单株盆栽水稻茎叶的方法。首先将各波长下的图像从原始二进制数据中提取出来,接着使用主成分分析所有波长下的图像,并提取出主要的主成分图像,再基于数字图像处理技术将茎叶区分开。实验结果表明,本系统以及文中所用方法对分蘖盛期的水稻茎叶有很好的分割效果,这为后续水稻茎叶表型性状高通量、数字化、无损准确提取提供了重要的技术保障,并进一步促进植物表型组学的发展。     

近红外光谱技术在食品产地溯源中的应用进展

食品产地溯源是食品安全追溯制度的重要工作。近红外光谱技术(near infrared spectroscopy,NIRS)作为一种兼具快速、简便、不破坏试样、分析过程无试剂消耗等优点的新兴绿色检测技术,近年来被逐步应用于食品产地溯源的研究中。简要介绍了应用于食品产地溯源研究中近红外光谱技术常用的化学计量学技术及软件平台,同时概述了近年来该技术在国内外食品产地溯源中的研究进展,分析了在目前产地溯源研究中的优势和存在的问题,以期为近红外光谱溯源技术的进一步发展提供参考。     

近红外光谱技术在烟草行业中的应用进展

介绍了近红外光谱分析技术在烟草常规化学成分分析、烟气分析、卷烟配方设计、不同产地模式识别和真假烟鉴别等方面的应用,认为近红外光谱分析技术在烟草行业中正扮演着越来越重要的角色,而且具有十分广阔的应用前景.     

窄等离子体吸收谱线宽度的纳米金锥用于光声成像

无损光声成像技术结合了纯光学成像高选择特性和纯超声成像中深穿透特性的优点,克服了光散射限制,实现了对活体深层组织的高分辨、高对比度成像。该成像技术对内源物质例如脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白、黑色素、脂质等进行成像,提供了活体生物组织结构和功能信息,已经在生物医学领域表现出巨大的应用前景。然而,很多与病理过程相关的特征分子的光吸收能力较弱,在活体环境中难以被光声成像系统所识别,从而限制了光声成像技术的应用范围。基于功能纳米探针的光声成像-光声分子成像极大拓展光声成像的应用范围,可以在活体层面对病理过程进行分子水平的定性和定量研究,将为实现目标疾病的早期诊断提供强大的技术支持。本文发展在近红外具有窄吸收线宽(半高宽仅为60 nm)的纳米金锥作为新型的光声探针。通过选择不同径长比的纳米金锥,可以任意调节纳米金锥的吸收峰。通过调谐激光器的波长,可实现对不同吸收峰纳米金锥的选择性激发。纳米金锥将有可能用于多光谱光声成像,实现对不同靶标的目标分子探测。     

细菌光谱检测方法与分子机制的研究进展

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。     

植物表型组学研究平台建设及技术应用

随着许多重要作物及植物全基因组测序的完成,科研人员对高通量、精准、无损伤获取植物表型信息的需求日益增加,功能完善的研究设施将成为推动表型组学发展的加速器。在此背景下,中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室于2017年初建设了植物表型组学研究平台(Plant Phenomics Analysis Platform, PPAP)。目前,该平台已建设成为国内采集分析植物表型信息相对较全面的研究设施之一,集成可见光成像、红外成像、近红外成像、根系近红外成像、荧光成像、叶绿素荧光成像、高光谱成像及激光雷达成像8个数据采集单元。在此基础上,该平台同时建立了根系表型采集分析技术、穗部性状采集分析及抗逆性状采集分析技术体系等。植物表型组学研究平台是公共服务平台,致力于为国内外从事植物研究的科研人员提供各类表型采集分析服务,包括但不限于地上部表型分析、根系表型可视化及分析等。     

近红外光谱技术在运动脑功能研究中的应用

近红外光谱是一种评估生物组织氧合水平的无创性光学技术,这一技术以血液动力学原理为基础,能实时监测局部脑区的动态变化。近红外光谱作为一种客观的测量工具,在人体运动科学领域广泛运用。近红外光谱技术可用于区别体能水平、监控耐力训练和抗阻训练过程特征以及考察运动中的认知活动变化。本文综述了近红外光谱技术原理及其在抗阻运动、运动中枢疲劳和运动认知领域的运用,并对近红外光谱在运动科学领域的未来研究趋向作了分析。     

基于近红外漫反射光谱快速测定淫羊藿蛋白质含量

采用近红外漫反射光谱技术对淫羊藿(Epimedium)的蛋白质含量进行快速且无损检测。近红外漫反射光谱经二阶导数处理、标准多元离散校正及主成分分析聚类处理后, 采用改进最小二乘法回归得到的定标模型预测效果最佳, 定标决定系数、交互验证标准差及交互验证相关系数分别为0.923、0.554和0.717。近红外光谱分析法的测定结果与用凯氏定氮法所得结果无显著差异, 两种方法测定值的相关性较高(R²=0.933 9)。重复性实验表明, 近红外光谱分析法的相对标准偏差为0.937%。该研究首次采用近红外光谱分析法测定了8种淫羊藿的蛋白质含量。该方法简便、精确, 在淫羊藿资源开发利用和药材质量控制方面具有参考意义。     

基于功能性近红外光谱技术的双人同步交互测量研究

多人同步交互式记录是认知神经科学的一种新的研究范式,它可以揭示两个或多个个体的大脑间在社交情境下神经活动的耦合。这一目标仅靠单个大脑活动的记录与测量是无法实现的。功能性近红外光谱成像在进行多人同步交互记录研究中有独特的优势。该方面的研究已经涵盖了社会认知神经科学的多个领域。本研究使用近红外光谱成像对社交情境下自我表露的双人大脑前额皮层的活动进行交互式测量,并使用小波相关来分析双人大脑互动时的神经同步性。研究结果表明在进行社交对话时,被试对的大脑间左侧额中回、右侧眶额皮层和右侧额下回下部的活动同步性显著增强。共情能力与社交情境下脑间同步性的强度呈正相关,这种关系主要体现在右侧额下回。本研究支持了采用近红外光谱成像技术研究多人同步交互记录大脑间神经耦合的可行性和有效性。