Все элементы под контролем: как технология LA-LIBS революционизирует анализ биологических тканей
В мире аналитической химии стремительно растёт интерес к точным, пространственно-разрешённым методам, способным одновременно обеспечивать высокую чувствительность и широкий элементный охват. Одним из таких методов стала лазерная абляция с индуктивно связанной плазмой и масс-спектрометрией (LA-ICP-MS). Этот метод по праву считается одним из самых мощных инструментов для микроэлементного и изотопного анализа биологических образцов. Однако, несмотря на высокую точность и чувствительность, LA-ICP-MS сталкивается с рядом серьёзных ограничений при попытке анализа основных (базовых) элементов, таких как углерод (C), водород (H), кислород (O) и азот (N).
Главная проблема — изобарические помехи и высокий фон, мешающие корректному определению неметаллов. Именно эти элементы, впрочем, составляют основу органических тканей, что делает их надёжный анализ критически важным для биологических и медицинских исследований.
Здесь на сцену выходит другой метод — лазерно-индуцированная пробойная спектроскопия (LIBS). LIBS позволяет легко регистрировать сигналы от водорода, кислорода, углерода и азота, благодаря регистрации оптического спектра эмиссии, но при этом менее эффективен при анализе следовых концентраций редких элементов.
Так стоит ли выбирать между точностью и охватом?
Компания Applied Spectra решила этот вопрос радикально, предложив уникальную гибридную платформу J200 Tandem LA-LIBS, которая сочетает в себе два метода — LA-ICP-MS и LIBS — в одном приборе. Благодаря синхронному получению оптического и масс-спектра от одного и того же лазерного импульса, пользователи получают полноценную картину состава образца: от основных неметаллов до редкоземельных элементов, от распределения микроэлементов до изотопных соотношений.
Преимущества подхода Tandem LA-LIBS:
Максимальный элементный охват: от H, C, N, O до U и других тяжёлых металлов.
Снижение аналитических ограничений: устранение недостатков каждого метода по отдельности.
Пространственно-разрешённый анализ: возможность картирования тканей и микроструктур.
Высокая скорость анализа: синхронная регистрация двух типов данных с одного импульса.
Интеграция LA-ICP-MS и LIBS открывает новые горизонты для исследователей, работающих с биоматериалами, фармацевтическими образцами, археологическими находками и даже продуктами питания. Это технологическое решение позволяет проводить глубокий и многомерный анализ без компромиссов.
Если вы ищете технологию, способную раскрыть максимум информации об исследуемом объекте — J200 Tandem LA-LIBS станет вашим незаменимым помощником.
Следите за нашими публикациями, чтобы быть в курсе последних достижений в области аналитической спектроскопии!
Представление лазерной абляции как процесса прямого отбора твердой пробы с последующим анализом фотонов из индуцированной плазмы с использованием лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS) и путем транспортировки аблированной массы в индуктивно-связанную плазму (ICP) с масс-спектрометрией (MS).
Лазерный луч может быть плотно сфокусирован в пятно диаметром в несколько микрометров. Соответственно, измерения Tandem LA‒LIBS обеспечивают высокую четкость изображения с очень высокой чувствительностью для следовых элементов в каждом пространственном месте, куда направлены импульсы лазерной абляции. Tandem LA‒LIBS может выполнять 2D (или 3D, слой за слоем по глубине) химические карты, которые представляют количественно определенные распределения элементов в биологических образцах.
Элементарная визуализация в клеточном диапазоне становится возможной при корреляции или нормализации по плотности и составу органической матрицы. Это особенно важно для патологических опухолей, подвергаемых исследованию эффективности противораковых препаратов. Высокое пространственное разрешение химической визуализации необходимо, поскольку раковые клетки распределены неравномерно, образуя гетерогенные кластеры различной формы и размера.
Другие методы, которые в настоящее время используются для тонкой элементной биовизуализации, основаны на рентгеновских лучах (μXRF, μPIXE, SEM-EDX, XFM) или высокотехнологичной масс-спектрометрии (nano-SIMS, FT-TIMS). Первые требуют либо синхротронного излучения, либо радиоактивных или протонных источников. Последние требуют помещения образца в вакуумную камеру. Хотя эти подходы могут обеспечить субмикронное разрешение, Tandem LA‒LIBS имеет более широкий элементный и изотопный охват, более широкий пространственный диапазон, работает проще и быстрее и хорошо подходит для количественной визуализации тканей, целых органов и структур органов, процессов метаболизма, моделей роста, поглощения наночастиц, транспорта, анализа белков и отдельных клеток. Tandem LA‒LIBS может включать только минимальную подготовку образца или не включать ее вовсе.
Инструмент J200 LA-LIBS от Applied Spectra
Ниже приведено несколько примеров использования прибора J200 Tandem LA‒LIBS для биовизуализации.
Визуализация плевральной мезотелиомы человека
Инструмент J200 Tandem LA‒LIBS, оснащенный наносекундным импульсным лазером Nd:YAG, работающим на четвертой гармонике (266 нм), использовался для картирования среза опухоли человека от человека, ранее лечившегося цисплатином в качестве противоракового препарата. Инструмент J200 Tandem включал широкополосный 6-канальный оптический спектрометр (охватывающий 190‒1040 нм), оснащенный многоканальными детекторами CCD. Анализ ICP-MS выполнялся с помощью прибора Thermo iCAP Q. Срез опухоли сканировался сфокусированным лазерным лучом в линейном режиме сканирования с использованием расстояний между линиями, равных размеру кратера абляции (Ø40 мкм). Латеральное разрешение 40 мкм было достаточным для медицинской интерпретации результатов, но дальнейшее увеличение разрешения неоправданно увеличило бы общее время измерения. 1 Полученные изображения распределения для выбранных элементов показаны на рисунке 1.
Измерения Tandem LA‒LIBS привели к получению изображений микроэлементов (Pt, P, Fe, Zn, Cu), полученных с помощью LA-ICP-MS, а также обильных элементов (C, H, O, Na, K, Ca, Mg), полученных с помощью LIBS в то же время. Углерод и водород были распределены довольно однородно по объему ткани. Некоторые изменения в спектральной интенсивности C и H, вероятно, указывают на различную плотность ткани в соответствующих местах. Коэффициент корреляции для сигналов C и H составил 0,96, что указывает на постоянное соотношение C/H по всей ткани. Фосфор и кислород были распределены неравномерно, но хорошо коррелировали с областями опухоли и друг с другом. Это можно объяснить повышенным содержанием фосфатов, фосфолипидов, ДНК и активированных белков (фосфорилированных аминокислот) в областях опухоли.
Zn и Cu продемонстрировали схожие распределения, выступая в качестве известных кофакторов белков. Концентрация железа была переменной и не была связана с другими распределениями.
Платина, доставляемая цисплатином, накапливается в основном в здоровой ткани. Может возникнуть механизм резистентности, затрудняющий усвоение препарата и требующий больше времени для проникновения в область опухоли.
Na и K были довольно однородно распределены (не показано на рис. 1) с хорошей корреляцией друг с другом. Эти два элемента имеют схожие биологические функции по поддержанию мембранного давления в клетках. Mg и Ca также играют схожие физиологические роли, и поэтому они продемонстрировали схожие распределения (не показано на рис. 1).
Дальнейшее исследование подтвердило идеальную корреляцию между изображениями натрия, полученными с помощью LA-ICP-MS на массе 23 Na и LIBS на оптической эмиссионной линии Na 589 нм. Эти два распределения натрия были численно сравнены, что дало коэффициент корреляции Пирсона R = 0,918, что продемонстрировало превосходную надежность результатов. 2
Визуализация цельной кожи свиньи in vitro
Наночастицы серебра широко используются в косметике и средствах по уходу за кожей. Возможность проникновения Ag через поврежденную или ссадину кожи (воспаления, раны, чрезмерный солнечный свет и регулярное бритье) поднимает обоснованные вопросы о безопасности потребителя. Прибор J200 Tandem LA-LIBS с наносекундным твердотельным лазером Nd:YAG, работающим на длине волны 266 нм, использовался для картирования верхних слоев эпидермиса изолированных образцов кожи свиньи. 3 В этом исследовании анализ ICP-MS проводился с помощью прибора Bruker Aurora Elite.
После воздействия наночастиц серебра образцы кожи были помещены в парафин и просканированы лазерным лучом (Ø35 мкм) в шаблоне линейного сканирования с расстоянием между линиями 70 мкм. Образцы кожи были подвергнуты воздействию наночастиц Ag, стабилизированных цитратом (45 нм), в концентрациях 47, 470 и 750 мкг/мл, а также смешивались с другими популярными косметическими ингредиентами. Частота повторения лазерных импульсов составляла 10 Гц. Количественные элементарные изображения для Ag, C, P и S представлены на рисунке 2. Сигнал углерода от парафина был вычтен.
Сильные сигналы Ag были обнаружены в роговом слое эпидермиса и в волосяных фолликулах. Не было обнаружено четких тенденций поглощения серебра в коже между концентрациями и размерами нанесенных наночастиц Ag.
Однако более крупные наночастицы серебра, смешанные с химическими веществами, используемыми в косметических формулах, демонстрируют более низкую проникающую способность.
Максимальное количество Ag, проникшего в кожу, составило 0,45 нг/см2 , что было измерено методом LA-ICP-MS с использованием прибора J200 Tandem LA-LIBS.
Визуализация мозга крысы in vitro
Неврологические функции включают биохимию металлов в мозге, и их распределение отражает детали архитектуры мозга. Пример использования модели инструмента J200 Tandem LA-LIBS для элементного картирования полушарий мозга крысы показан на рисунке 3. Показатели обрабатывались с помощью Mn, вводимого либо в виде наночастиц, либо в виде раствора MnCl2 , который часто используется в качестве контрастного вещества и маркера для магнитно-резонансной томографии.
Медь и цинк — два металла, связанных с заболеваниями в мозге. Mn, Cu и Zn измерялись с использованием протокола, похожего на анализ всей свиной кожи (см. выше). Результаты показали, что наночастицы Mn имели тенденцию накапливаться и дольше оставались в мозге крыс, чем раствор MnCl 2 .
Цинк является необходимым микроэлементом для работы мозга. Цинк может подавлять инфекцию благодаря содержащим Zn цитокинам, выделяемым клетками мозга.
Высокие дозы меди могут быть токсичны из-за ее способности изменять степень окисления в окислительно-восстановительных реакциях.
Картографирование загрязненных листьев
Детальное элементное картирование вегетативных органов может быть использовано для определения путей поглощения доступных питательных веществ, токсичных элементов из загрязнения окружающей среды, последствий изменения климата и жизненных функций растений. Инструмент J200 Tandem LA‒LIBS с наносекундным твердотельным Nd:YAG
Для картирования листьев растений, подвергшихся воздействию раствора загрязняющего вещества, использовался лазер с длиной волны 266 нм. Анализ ICP-MS проводился с помощью прибора Analytik Jena PlasmaQuant Elite. Листья сканировались с использованием лазерного пятна размером 150 мкм. Полученные элементарные изображения показаны на рисунке 4.
Загрязнители (Zn, Cu, Ni) были обнаружены в основном в средней жилке, жилке и капиллярах. Основные питательные вещества (Mg, H, K, Ca) были распределены относительно равномерно по структуре листа. Чувствительность LIBS для Ca велика, но может быть низкой в ICP-MS, поскольку основной изотоп 40 Ca маскируется 40 Ar в работе ICP.
Фемтосекундная LA-ICP-MS и LIBS визуализация
Прибор J200 Femto iX Tandem LA‒LIBS с фемтосекундным лазерным источником на основе технологии накачки на основе иттербиевого диода, работающий на длине волны 343 нм, использовался для картирования образца опухоли легкого человека от пациента, получавшего цисплатин.
Фемтосекундные лазеры идеально подходят для химической визуализации высокой четкости, поскольку они могут создавать на порядок меньшие и более правильно сформированные абляционные ячейки, чем наносекундные лазеры. Таким образом, пространственное разрешение в визуализации значительно улучшается.
Кроме того, фемтосекундные лазеры оказывают меньшую тепловую нагрузку на образец и подавляют нелинейные матричные эффекты. Это приводит к смягчению требований к калибровке стандарта, соответствующего матрице. Фемтосекундная лазерная абляция генерирует более мелкие частицы, которые более эффективно транспортируются в ICP-MS и более полно ионизируются ICP. Все эти преимущества приводят к более высокой чувствительности, повышенной точности и достоверности химического анализа по сравнению с наносекундной лазерной абляцией.
На рисунке 5 показаны результаты картирования образца опухоли с использованием прибора J200 Femto iX Tandem. Платина ( 194 Pt) была измерена методом ICP-MS на уровне следов <20 мкг/г, а углерод был измерен методом LIBS при концентрации >25 мас.%. Диаметр лазерного луча составил 10 мкм. Элементарное разрешение изображения было значительно улучшено по сравнению с изображениями, показанными на рисунке 1.
Прибор J200 Femto iX Tandem LA‒LIBS компактен и в то же время очень эффективен.
Быстрая классификация стальных сплавов с помощью лазерно-индуцированной спектроскопии искрового разряда
В этой заметке по применению подчеркивается, как LIBS (спектроскопия лазерного пробоя) может принести пользу быстрой классификации низколегированных сталей — материалов, которые ценятся за свою прочность, ударную вязкость и экономическую эффективность. Точный анализ их химического состава имеет важное значение для контроля качества, безопасности, производительности и соответствия нормативным требованиям. LIBS обеспечивает быстрое обнаружение на месте как основных, так и следовых элементов, что позволяет эффективно характеризовать сталь с минимальной подготовкой образца.
Анализ твердотельных электролитных материалов LLZO
В этой заметке по применению освещается использование инструмента J200 LIBS для характеристики пространственных и глубинных элементных распределений в твердотельных электролитах LLZO–PEO–LiTFSI с рулонным (R2R) покрытием. Используя химическое картирование высокого разрешения в 2D и 3D, J200 LIBS выявляет изменения в ключевых элементах — Li, La, Zr, O, C, F и H — что позволяет обнаруживать неоднородности и дефекты покрытия, которые могут влиять на электрохимические характеристики.
Быстрый анализ остатков огнестрельного оружия на месте с помощью прибора J200 CX LIBS
Прибор Mobile J200 LIBS (J200 CX) от Applied Spectra производит революцию в анализе остатков огнестрельного оружия (GSR), обеспечивая быстрое, портативное и точное обнаружение GSR на месте преступления и в лабораториях. Когда огнестрельное оружие разряжается, микроскопические частицы, содержащие свинец (Pb), барий (Ba) и сурьму (Sb) из капсюля боеприпаса, оседают на окружающих поверхностях, включая руки и одежду. Эти элементы являются важнейшими маркерами для криминалистов при подтверждении наличия GSR, а также могут помочь в определении расстояний и траекторий стрельбы.
Анализ химически упрочненного стекла методом LIBS (лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии)
В этой новой заметке по применению от Applied Spectra подчеркивается, как инструмент J200 LIBS обеспечивает контроль качества процесса обмена K/Na, производственного этапа, который повышает прочность стекла для улучшения характеристик царапания и разрушения. Запросите эту заметку по применению и узнайте, как инструмент J200 LIBS используется для отслеживания профиля концентрации K и Na и понимания дисперсии критических элементов вблизи поверхности для химически упрочненных стекол.
Анализ углерода и легирующих элементов в чугуне с использованием лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS)
В этой заметке по применению прибор J200 LIBS от Applied Spectra был успешно использован для демонстрации эффективного измерения углерода и других легирующих элементов в образцах чугуна. Прочтите эту заметку по применению и откройте для себя превосходные преимущества технологии J200 LIBS для анализа металлов и металлических сплавов, которые включают в себя возможность более легких элементов (C, H, O, N, S и т. д.) и устранение времени предварительного сжигания по сравнению с другими наиболее часто используемыми методами, такими как искровой/дуговой OES и XRF.
Элементное картирование образцов керна сланца Марцеллус с использованием прибора J200 LIBS
В этой недавно выпущенной заметке по применению подчеркивается, как инструмент J200 LIBS позволяет сланцевой промышленности быстро получать предварительные указания на богатые природным газом области на основе его способности выполнять пространственный анализ содержания C и H, а также минералогии этих областей. В этой заметке по применению показаны захватывающие и полезные аналитические возможности LIBS для сланцевой промышленности.
Количественная оценка спекающей добавки в оптической керамике с использованием прибора J200 LIBS
В этой заметке по применению подчеркивается преимущество LIBS для эффективного анализа различных форм оптических керамических материалов, которые требуют опасных и трудоемких процедур кислотного разложения для анализа методами на основе ICP. Инструмент J200 LIBS с чувствительным детектором ICCD был успешно использован для анализа содержания добавки кремния в оптической керамике YAG.
Химическая визуализация рубина в драгоценном камне цоизит с использованием прибора J200 LIBS
Элементное картирование рубина в драгоценной породе цоизит с использованием прибора J200 LIBS компании Applied Spectra демонстрирует, что LIBS, позволяющий измерять более легкие и органические элементы, является в высшей степени дополнительным методом элементной визуализации для XRF/XRD, электронного микрозонда и LA-ICP-MS.
Геохимическая дактилоскопия минералов колтана с использованием LIBS
Спектры LIBS содержат богатую информацию о составе, которая может помочь аналитикам определить происхождение или источник геологических образцов. Прочтите эту заметку по применению, чтобы узнать, как прибор J200 LIBS компании Applied Spectra определяет руды колтана, важные для электронного производства в зонах конфликтов.
Быстрый анализ свинца (Pb) тонкого припоя на выводных рамках полупроводников с использованием LIBS
Прочитайте эту инструкцию по применению, чтобы понять, насколько мощным является прибор J200 LIBS для чувствительного микроанализа электронных компонентов и как LIBS соотносится с традиционными методами элементного анализа, такими как XRF и ICP-OES.
Воспроизводимые измерения для надежного контроля качества с помощью прибора J200 LIBS
В этой технической заметке мы демонстрируем, как прибор J200 LIBS компании Applied Spectra идеально подходит для выполнения множества промышленных измерений, включая контроль качества (КК) в ходе производственных процессов.
Распознавание образцов краски методом лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (ЛИЭС)
Прибор J200 LIBS демонстрирует способность различать криминалистические образцы краски, используя уникальные данные, подобные отпечаткам пальцев, и возможности глубинного профилирования при сравнении следовых улик с места преступления и подозреваемого.
Анализ загрязненных листьев растений с использованием инструмента J200 Tandem LA – LIBS
В данной заметке по применению описывается, как прибор J200 Tandem LA – LIBS от Applied Spectra обеспечивает эффективную элементную визуализацию токсичных элементов, таких как Pb и As, в листьях растений.
Анализ глубины профиля твердотельного литий-ионного аккумулятора методом лазерно-индуцированной пробойной спектроскопии (LIBS)
В данной технической заметке подчеркивается способность лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (ЛИЭС) выполнять глубинный анализ ключевых элементов, представляющих химический состав важных компонентов литий-ионных аккумуляторов.
Анализ фтора с помощью лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS)
В данной технической заметке демонстрируется использование лазерно-индуцированной пробойной спектроскопии (LIBS) в качестве альтернативного метода анализа F, который остается сложным для методов на основе ICP.
Анализ растений методом лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS)
Метод лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS) позволяет анализировать образцы растений практически без подготовки образцов, обеспечивает обнаружение всех элементов периодической таблицы и имеет большой динамический диапазон (от частей на миллион до массовых %).
LIBS для анализа макро- и микроэлементов в почве
Метод лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS) позволяет анализировать образцы почвы с минимальной подготовкой образцов, обеспечивает обнаружение всех элементов периодической таблицы и имеет большой динамический диапазон (от частей на миллион до массовых %).
Быстрый анализ образцов горной породы с использованием лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS)
Лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия (LIBS) предлагает множество привлекательных аналитических преимуществ по сравнению с другими методами для горнодобывающей промышленности. LIBS может обнаруживать элементы от H до Pu, включая неметаллы, такие как H, N, F и O, наряду с высокой чувствительностью к более легким элементам (B, Li, C, K, Ca, Mg, Al, Si и т. д.)
Быстрый мониторинг состава исходных материалов электродов литий-ионных аккумуляторов с использованием прибора J200 LIBS
Метод лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS) позволяет проводить анализ сырья для электрода литий-ионного аккумулятора как в виде порошка, так и в виде прессованных таблеток в режиме реального времени.
Количественный анализ стали с использованием лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS)
Для анализа стали LIBS идеально подходит для быстрого контроля качества (количественный анализ и обнаружение загрязняющих веществ) для сырья в производстве, а также для проверки элементного состава готовой продукции. LIBS также предлагает возможность анализа образцов шлака, что может привести к извлечению драгоценных металлов, потерянных в процессе производства стали.
Достижение сверхчувствительного анализа с помощью индуктивно связанной плазмы и масс-спектрометрии (LA-ICP-MS) с помощью прибора J200 LA: исследование образца стекла
Инструмент J200 LA компании Applied Spectra Inc. был сопряжен с ICP-MS для установления показателей качества. Стеклянные SRM NIST (следовые элементы в стекле) были проанализированы для определения абсолютной массы, которая может быть обнаружена, и для определения пределов обнаружения (LOD).
Повышение уверенности в судебно-медицинском анализе стекла с помощью J200 LIBS от Applied Spectra
В данной прикладной заметке будет показано, как можно использовать прибор J200 LIBS компании Applied Spectra для эффективного анализа образцов стекла.
Инновационное элементное картирование геологических минералов с помощью J200 Tandem LA-LIBS от Applied Spectra
Для понимания возможностей прибора J200 Tandem LA – LIBS в сочетании с ICP-MS был проведен анализ минерала, богатого редкоземельными элементами (РЗЭ), и элементный состав на площади 16 мм2 был нанесен на карту с помощью контурных диаграмм.
Элементное картирование печатной краски с использованием прибора J200 Tandem LA – LIBS в сочетании с ICP-MS
В данной заметке демонстрируется возможность выполнения быстрого элементного картирования с использованием прибора J200 Tandem.
Переносная гиперспектральная камера объединяет технологию спектрального изображения и функции обработки гиперспектральных изображений, которые позволяют получить спектральную и пространственную информацию о цели. Она отличается малыми размерами, легким весом и удобством переноски, что обеспечивает удобство в исследованиях и приложениях в различных областях. В данной статье основное внимание уделено принципам и преимуществам применения переносной гиперспектральной камеры.
Принципы работы переносной гиперспектральной камеры
1. Введение в принцип работы
Портативные гиперспектральные камеры используют абсорбционные, отражательные и излучательные спектральные свойства вещества, чтобы предоставлять более детальные данные и изображения, захватывая и записывая спектральную информацию объекта. Камера способна разрешать видимые длины волн спектра, а также инфракрасные и ультрафиолетовые длины волн, незаметные для человеческого глаза. Системы гиперспектральной генерации изображения могут получать спектральную информацию объекта в различных диапазонах, непрерывно измеряя спектр подготовленных диапазонов. Анализируя эти спектральные данные, мы можем получить спектральные характеристики объекта, а затем классифицировать, идентифицировать и количественно анализировать объект.
2. Режим работы
Гиперспектральные камеры могут работать в режиме мгновенного захвата, отображая реальное время изображений, которые могут визуализировать различные спектры объекта. Камера также может работать в режиме сканирования, сканируя разные позиции объекта, чтобы получить соответствующую спектральную информацию, которая может использоваться для изучения состава объекта и материала в определенной области.
3. Демонстрация эффекта
Снимки, полученные гиперспектральной камерой, могут быть отображены в переливающихся цветах, каждый цвет представляет определенную спектральную информацию. Просматривая различные распределения цветовых шаблонов и изменения света / тени на изображении, мы можем получить более подробную и точную информацию о свойствах объекта, характеристиках материала и т.д.
Преимущества портативной гиперспектральной камеры
1. Портативность
Портативная гиперспектральная камера маленькая и легкая, легко переносима, может использоваться в помещении и на открытом воздухе в любое время, легко использовать камеру в различных ситуациях для получения гиперспектральных изображений, подходит для множества полевых измерений и сценариев реального времени.
2. Высокая точность и разрешение
Портативная гиперспектральная камера может получить высокоточную и высокоразрешающую спектральную информацию, и точно определить состав, структуру и распределение целевого объекта и другой информации.
3. Универсальность
Портативная гиперспектральная камера может захватывать богатую спектральную информацию, подходящую для исследований и применения во многих областях, не ограниченных размером оборудования, и обеспечивать высокоточные измерения в различных средах.
4. Мгновенный опыт
Портативная гиперспектральная камера может отображать спектральное изображение в реальном времени, что удобно для пользователей для понимания поля среды, обеспечивает более интуитивный и удобный обратный сбор данных и снижает время затрат на последующую обработку и анализ данных.
Гиперспектральные камеры имеют несколько очень важных параметров, а именно:
1. Спектральный диапазон:
- Важность: Это один из самых основных и критических параметров гиперспектральных камер. Различные вещества будут демонстрировать уникальные спектральные характеристики в различных спектральных диапазонах, поэтому спектральный диапазон определяет типы веществ, которые гиперспектральные камеры могут обнаруживать и анализировать. Например, в сельскохозяйственной области для обнаружения влажности, содержания питательных веществ, а также вредителей и болезней сельскохозяйственных культур необходимо охватить спектральный диапазон от видимого света до ближнего инфракрасного; в геологоразведке для идентификации минералов может потребоваться более широкий спектральный диапазон, включая видимый свет, ближний инфракрасный и коротковолновый инфракрасный диапазоны.
-Например: некоторые гиперспектральные камеры имеют спектральный диапазон 400–1000 нм, что вполне может удовлетворить большинство потребностей обнаружения в видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне; в то время как некоторые гиперспектральные камеры, специально используемые в определенных областях, могут иметь более узкую конструкцию спектрального диапазона, например, гиперспектральные камеры ближнего инфракрасного диапазона 900–1700 нм, которые имеют преимущества при обнаружении спектральных характеристик ближнего инфракрасного диапазона определенных веществ.
2. Спектральное разрешение:
-Важность: Спектральное разрешение отражает способность гиперспектральной камеры различать свет с разными длинами волн. Более высокое спектральное разрешение позволяет более точно различать различия в спектральных характеристиках вещества, что имеет решающее значение для точной идентификации и анализа такой информации, как состав и структура вещества. Если спектральное разрешение низкое, некоторые схожие спектральные характеристики могут быть неразличимы, что влияет на точность результатов анализа.
-Например: Гиперспектральная камера со спектральным разрешением 2,5 нм может предоставить более подробную спектральную информацию при спектральном анализе вещества, например, иметь возможность более точно различать спектральные различия различной растительности в определенном диапазоне, что имеет большое значение для классификации растительности и оценки состояния ее здоровья.
3. Пространственное разрешение:
-Важность: Пространственное разрешение определяет минимальную пространственную деталь, которую гиперспектральная камера может четко отобразить, то есть способность различать пространственную морфологию и структуру объекта. В практических приложениях необходимо не только получать спектральную информацию об объекте, но и четко понимать пространственное распределение и морфологические характеристики объекта. Гиперспектральная камера с высоким пространственным разрешением может улавливать тонкую структуру и изменения объекта, что играет важную роль в обнаружении мельчайших дефектов и поражений.
-Пример: При промышленном контроле, например, в процессе производства электронных микросхем, необходимы гиперспектральные камеры с высоким пространственным разрешением для обнаружения мельчайших дефектов и изъянов на поверхности микросхемы; в медицинской сфере для обнаружения пораженных тканей также требуются гиперспектральные камеры с высоким пространственным разрешением для точного определения местоположения и анализа морфологии и структуры пораженных частей.
4. Отношение сигнал/шум:
- Важность: отношение сигнал/шум — это отношение сигнала к шуму, которое отражает качество сигнала, собранного гиперспектральной камерой. Более высокое отношение сигнал/шум означает более высокую силу сигнала и меньшую шумовую помеху, что позволяет получать более точные и надежные спектральные данные. Важность отношения сигнал/шум особенно заметна в условиях низкой освещенности или при обнаружении слабых сигналов.
- Пример: Гиперспектральная камера с отношением сигнал/шум 600:1 может лучше гарантировать качество собираемых спектральных данных в практических приложениях, снизить влияние шума на результаты анализа и, таким образом, повысить точность обнаружения и анализа.
5.Частота кадров (скорость съемки):
- Важность: Частота кадров указывает на количество изображений, которые гиперспектральная камера может получить за единицу времени, то есть скорость формирования изображений. Для некоторых сценариев применения, требующих мониторинга в реальном времени или быстрого обнаружения, гиперспектральные камеры с высокой частотой кадров могут быстрее получать спектральную информацию об объектах и своевременно отражать динамические изменения объектов. Например, в таких приложениях, как дистанционное зондирование с помощью дронов и обнаружение в реальном времени на промышленных производственных линиях, высокая частота кадров является очень важным параметром.
-Например: Гиперспектральная камера с полным спектральным захватом до 128 Гц имеет очевидные преимущества в мониторинге и быстром обнаружении динамических объектов. Она может быстро получать спектральную информацию об объектах и обеспечивать поддержку для анализа и принятия решений в реальном времени.
6. Тип детектора:
-Важность: Детектор является одним из основных компонентов гиперспектральной камеры. Различные типы детекторов имеют различные характеристики отклика на свет в разных диапазонах, и их рабочие характеристики также будут влиять на общую производительность гиперспектральной камеры. Распространенные типы детекторов включают КМОП и InGaAs. КМОП-детекторы обладают преимуществами высокой интеграции, низкого энергопотребления и относительно низкой стоимости и подходят для обнаружения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах; InGaAs-детекторы имеют высокую чувствительность и хорошую стабильность в ближнем инфракрасном диапазоне и подходят для сценариев применения с высокими требованиями к спектральной информации в ближнем инфракрасном диапазоне.
- Например: В области обнаружения видимого света и ближнего инфракрасного спектра в областях сельского хозяйства и продовольствия широко используются гиперспектральные камеры с КМОП-детекторами; в областях геологоразведки и анализа минералов более популярны гиперспектральные камеры с InGaAs-детекторами.
Технология гиперспектрального изображения - это новая технология обработки изображений, которая появилась в течение последнего десятилетия. Изначально она использовалась преимущественно в военных и удаленных областях обнаружения и других областях. Теперь она постоянно расширяется во многих гражданских областях, охватывая материаловедение, геофизику, сокращение негативного воздействия на окружающую среду, виды растительности, культуры и продукты питания, а также биомедицину. В медицинской области эта технология занимается диагностированием заболеваний, биомедицинским и фундаментальным исследованиям, а также имеются первичные исследования в области исследования традиционной китайской медицины, такие как дифференциация синдромов традиционной китайской медицины и диагностика языка. Однако, поскольку применение гиперспектральной технологии изображения в медицинской области все еще находится в зачаточном состоянии, исследования нормальных значений человеческого тела все еще являются неизвестными. Целью этой статьи является демонстрация и анализ важных частей человеческого тела, применение этой технологии и предоставление нормальных физиологических данных для исследования гиперспектральной технологии обработки изображений человеческого тела, диагностики заболеваний и диагностики лица и рук традиционной китайской медицины. Изображение гиперспектрального изображения и спектральный анализ частей лица и рук.Выполняются процессы в организме человека, и результаты следующие.
Материалы и методы
Субъекты и экспериментальные группы: в данном исследовании участвовало 10 субъектов, включая 5 женщин и 5 мужчин в возрасте от 25 до 55 лет со средним возрастом 33,1 года. Были собраны гиперспектральные изображения их лиц и ладоней.
В данном исследовании использовалась гиперспектральная камера с диапазоном волн 400-1000 нм, и продукт FS13 компании CHNSpec Technology Co., Ltd. может быть использован для связанного исследования. Спектральный диапазон составляет 400-1000 нм, разрешение по длине волны лучше чем 2.5 нм, и до 1200 спектральных каналов. Скорость сбора данных может достигать 128 кадров в секунду в полном спектре, а самая высокая после выбора полос - 3300 Гц (поддерживаются многообластные выборы полос).
Спектральный анализ
1. Интуитивный анализ гиперспектральных изображений
(1) Лицо
① Характеристики гиперспектральных изображений лица: Гиперспектральные изображения лица могут показывать всю форму лица, и органы, такие как рот, нос, глаза и брови, четко идентифицируются, однако уши и волосы трудно отличить. Лицо в основном симметрично с двух сторон, а формы и размеры органов с обеих сторон примерно одинаковы. Высокоотражающие области лица находятся преимущественно на скулах, щеках, лбу и мостике носа, в то время как низкоотражающие области - это глаза, брови и губы. В отличие от изображений видимого света, гиперспектральные изображения не могут показать внешний вид человека. ② Характеристики изображений лица в различных спектральных диапазонах: В изображениях, записанных в спектральных диапазонах от 450 до 900 нм, контуры лица видны, а изображения в диапазоне от 580 до 830 нм более четкие. Ниже 530 нм интенсивность отражения изображения ослабевает, каждая часть склонна к единому, изображение размывается и шум увеличивается, а ниже 500 нм фоновый шум постепенно увеличивается; выше 830 нм изображение ослабевает в исходных высокоотражающих частях, и каждая часть также склонна к единому, и в отличие от менее 530 нм, шум на изображении не увеличивается.
(2) Ладонь
① Характеристики общего распределения интенсивности света ладони: Гиперспектральное изображение ладони охватывает всю контур ладони и может различать различные части и пальцы. Отпечатки пальцев, гипотенар и пальмарные отпечатки четко видны. Ладонь в основном симметрична с обеих сторон, но есть различия между разными частями и индивидами. Высокорефлекторными частями ладони являются горбы пальцев и гипотенарные части четырех пальцев, а отражение в концах пяти пальцев слабое. Форма ладони может быть видна через гиперспектральное изображение.
② Характеристики изображений лица в различных спектральных диапазонах: Как и в гиперспектральных изображениях лица, в изображениях, записанных в спектральных диапазонах 450-900 нм, контур ладони полностью виден, а изображения в диапазоне 580-830 нм более четкие. Ниже 530 нм интенсивность отражения изображения ослаблена, каждая часть имеет тенденцию к равномерности, изображение становится размытым, увеличивается мусор, а фоновый шум ниже 500 нм постепенно увеличивается; выше 830 нм изображение ослаблено в частях с сильным высоким отражением, каждая часть также имеет тенденцию к равномерности, и мусор не увеличивается.
2. Анализ интенсивности отраженного света в различных диапазонах длин волн обнаружения на лице и ладони
(1) Лицо: Статистический анализ средней интенсивности света каждой части лица показывает, что независимо от того, какая часть лица, значение интенсивности света выше в областях 450нм и 730-880нм, а ниже в областях 530 и 580нм. Из анализа частей видно, что значение интенсивности света нижней части лба немного выше, а остальные части относительно близки. Обычное лицо имеет хорошую билатеральную симметрию, и разница в интенсивности света между большинством частей и органов не является большой; левая и правая скулы имеют небольшую разницу в 450-630нм, а левый и правый уголки рта имеют небольшую разницу в 450нм.
(2) Ладонь: статистический анализ средней интенсивности света каждой части ладони при разных длинах волн показывает, что результаты аналогичны гиперспектральному изображению лица, с более высокими значениями интенсивности света в областях 450 нм и 730-880 нм и более низкими значениями интенсивности света в областях 530 и 580 нм. Интенсивность света каждой части ладони подсчитывается путем вычитания правой руки из левой руки. Можно увидеть, что значения интенсивности света близки в каждой части ладони. Разница между двумя сторонами основания пальца чуть больше в разных диапазонах длин волн света.
3. Характеристики спектрального распределения различных длин волн детекции лица и ладони
(1) Характеристики спектрального распределения лица: С помощью программного обеспечения PhySpec1.9.2 для гиперспектрального контроля и анализа наблюдается, что спектральные кривые отдельных частей лица схожи, интенсивность света в диапазоне 500-580нм низкая, а отражение в разных частях различается. Особенности внезапного изменения интенсивности света на одной или нескольких длинах волн могут быть увидены на спектральных кривых каждой части. Средняя спектральная кривая образца отражает групповые характеристики, в то время как спектральные кривые разных индивидуумов существенно отличаются от группы и типичных индивидуальных кривых в некоторых спектральных диапазонах.
(2) Характеристики спектрального распределения ладони: программа управления и анализа гиперспектральных данных Physpec1.9.2 используется для наблюдения того, что спектральные кривые слева и справа от ладони похожи. Как и в случае с лицом, интенсивность света в диапазоне 500-580 нм низкая, и интенсивность отраженного света меняется от части к части. На каждой спектральной кривой можно увидеть подробности внезапных изменений интенсивности света при определенных длинах волн. Средняя спектральная кривая среднего значения образца отражает групповые характеристики, и спектральные кривые разных лиц значительно отличаются от групповых и типичных кривых в некоторых спектральных диапазонах.
III. Заключение
1. Гиперспектральные изображения могут ясно показать различные части органов лица и ладоней, среди которых отчетливее все же сегмент 580-830 нм. Интенсивность отражения разных частей лица и ладоней неодинакова, и спектр в основном симметричен с обеих сторон, и характеристики частей можно показать на кривой спектра.
2. Технология гиперспектрального изображения может четко показать спектральные характеристики поверхности тела человека. Закон спектрального распределения у здоровых людей будет служить опорой для диагностики заболеваний и дифференциации синдромов традиционной китайской медицины.
