Adaptive spectral-fluorescence image fusion for Ca 2+ detection based on modification-free fiber-optic probe sensors

光学 图像处理 图像融合 计算机科学 计算机视觉 人工智能 融合 图像质量 图像传感器 传感器融合 图像分辨率 信号处理 噪音(视频) 材料科学 物理 空间频率 点扩散函数 信噪比(成像) 降噪
作者
Xiaoling Peng,yayu yin,Gui Xin,BinQiang Ye,Bing Tang,Bingsheng Du
出处
期刊:Optics Express [Optica Publishing Group]
卷期号:34 (8): 15031-15031
标识
DOI:10.1364/oe.595679
摘要

The precise determination of calcium ion (Ca 2+ ) concentration is essential for water quality assessment. Nevertheless, current detection methods commonly face challenges related to operational complexity and have limitations in the effective integration of dual-mode heterogeneous data. In this paper, a dual-mode detection method based on spectral-fluorescence image fusion is proposed, which utilizes a modification-free multimode fiber-optic probe sensor. A range-aware adaptive fusion stacking ensemble (RAAFSE) framework is designed, which addresses spectral-fluorescence image dual-mode heterogeneous data, and achieves concentration prediction through deep feature fusion. Additionally, a modular portable detection system has been developed, which uses calcein as the fluorescent indicator. The specific chelation reaction between calcein and Ca 2+ generates fluorescence signals, enabling the simultaneous acquisition of spectral curves and fluorescence spatial distribution images. Experimental results demonstrate that the proposed sensor exhibits excellent detection performance over a wide Ca 2+ concentration range of 0.14–3000 µM. The maximum detection sensitivities in the low-, medium-, and high-concentration regions are 0.0032 µM −1 , 0.0015 µM −1 , and 0.0006 µM −1 , respectively. The prediction performance of the proposed model is evaluated using root mean square error (RMSE) and mean absolute error (MAE), yielding values of 27.12 µM and 22.17 µM, respectively. This study, taking Ca 2+ detection as an example, achieved a wide-range, specific and rapid detection. This approach is characterized by high accuracy, simple structure, low cost, and user-friendly operation, indicating broad application prospects in the environmental detection field.
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