显微高光谱成像的生物组织定量检测机理及方法研究

将显微镜技术与高光谱成像技术相结合, 研制出了推帚式显微高光谱成像系统. 介绍了系统原理和实现的关键技术, 并对系统的性能进行了分析. 对显微高光谱数据的预处理方法进行了研究, 提出了一种利用空白显微高光谱图像进行光谱响应校正的算法. 对校正后的数据进行了归一化处理, 反演出了生物组织的透射率光谱曲线. 使用该系统采集了大鼠视网膜组织切片的显微高光谱数据, 获得了视网膜切片的单波段图像和3波段伪彩色合成图像, 并提取出了透射率光谱曲线. 初步试验表明, 显微高光谱成像系统在生物样本的检测和分析中具有良好的应用前景.     

关节软骨和骨关节炎的傅里叶变换红外光谱学显微成像研究进展

傅里叶变换红外光谱学显微成像(FTIRI)将傅里叶变换红外光谱测量和微区成像技术有机结合起来,同时采集样品的分子光谱和表面形貌信息,可以获得样品空间各微区位置的组成和分子结构信息.本文简述了该成像系统的构成、特点和工作原理,介绍了FTIRI在生物医学/光学领域新开辟的关节软骨光谱成像.重点介绍了该技术用于研究正常关节软骨和骨关节炎软骨所取得的代表性成果和进展,分析了部分局限性及其在该领域的未来发展前景.     

HJ-1A星干涉成像光谱仪数据业务化光谱重建

2008年9月6日, 环境减灾小卫星星座A/B星(HJ-1A/B)成功发射. HJ-1A星上搭载的干涉成像光谱仪是我国第一个对地成像的星载高光谱相机(HSI), 同时也是世界上第一个基于干涉成像原理设计的民用高光谱成像仪, 具有极为重要的研究与应用价值, 是我国星载高光谱相机发展的一个重要里程碑. 针对HSI原始干涉数据的特点, 研究并建立了HSI数据业务化处理流程与光谱重建的算法, 尤其针对干涉数据的预处理, 设计了CCD相对辐射校正、全系统校正、滤波、相位修正、切趾等数据预处理算法. 目前, 该光谱重建流程与算法已在中国资源卫星应用中心多星多任务地面数据处理系统中得到实施和应用, 具有极高的运行效率与较理想的处理质量.     

晶体硅电池的价电子结构与光谱响应的相关性分析

晶体硅太阳能电池是第一种实现商业化的太阳能电池,也是我国唯一实现商业化生产的太阳能电池.目前的研究多关注于硅电池的制备工艺,本文用固体与分子经验电子理论(EET)研究了单晶硅太阳能电池的价电子结构,从价电子结构的角度分析了单晶硅太阳能电池的光谱响应值,多晶硅电池的光谱响应问题.理论计算结果与实验数据基本一致,计算结果表明:单晶硅光谱响应的起始波长为4603,其光谱响应的最大值在波长7482处,光谱响应截止波长为10062,相当于1.23eV的禁带宽度.多晶硅电池的光谱响应范围虽然跟单晶硅一致,但是影响光谱响应值变小,其原因在于晶粒排列杂乱导致电子状态转变的难度增加,降低了对光子的吸收.最后用同样的方法对Ge的光谱响应进行了分析.分析表明,Ge的光谱响应的起始值在波长5596处,截止值在12940处,最大值在波长9224处,从价电子结构的角度解释了Ge不适合做太阳能电池的原因.     

SGDBR可调谐半导体激光器波长切换理论研究

取样光栅分布布拉格反射(SGDBR)可调谐半导体激光器是一种典型而重要的单片集成光子器件, 在宽带光通信系统和智能光网络中有着良好的应用前景. 为了分析SGDBR可调谐半导体激光器的动态特性, 本文有效地结合了行波法和传输矩阵法的优点, 建立了一个适应性广泛、运算高效的分析模型: 激光器有源区采用时域行波法, 而对结构复杂的无源光栅区则采用频域传输矩阵法, 再通过数字滤波器将其变换到时域. 利用该模型对SGDBR可调谐半导体激光器波长切换的瞬态光谱和模式竞争进行了细致研究, 并提出在不改变载流子密度的条件下, 通过增加光栅区耦合因子来提高其波长切换的性能.     

CsCl 添加剂对激光诱导土壤等离子体辐射强度的影响

为了提高激光诱导击穿光谱技术对低含量物质成分的检测能力, 实验研究了CsCl添加剂对土壤样品发射光谱的增强效应. 利用高能量钕玻璃脉冲激光烧蚀样品, 由组合式多功能光栅光谱仪和CCD光谱采集处理系统记录等离子体光谱, 并通过测量光谱线的强度和Stark 展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度. 实验结果证明, 随着CsCl加入量的增加, 激光诱导等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的变化规律. 当CsCl 加入量为15%时, 等离子体辐射最强, 元素Mn, K,Fe 和Ti 的谱线强度分别比无添加剂时提高了383%, 348%, 303%和267%, 信背比分别提高了204%, 149%, 150%和142%; 而等离子体的温度和电子密度比无添加剂时分别提高了10%和13%.     

微波致热超声成像原型系统

相对微波和超声成像系统, 微波致热超声扫描成像(MITAT, microwave-induced thermo-acoustic tomography)技术在对比度和分辨率方面具有明显优势, 因此该技术在生物组织成像领域受到了越来越多的关注. 介绍了一个完整的MITAT原型系统, 并利用该系统对埋入脂肪中的高含水量生物组织目标进行了一些基础性的实验. 在这些实验中, 通过由截面为毫米尺度的猪肌肉组织样条所产生的热超声波信号, 获得了同时具有高对比度和高分辨率的MITAT图像. 为了验证MITAT的优势, 一个商用的超声线阵成像系统也对同一实验目标进行了超声成像对比实验研究; 两种系统的成像结果表明所搭建的MITAT原型系统在对类肿瘤的高含水目标探测方面具有良好的性能.     

CsCl添加剂对激光诱导土壤等离子体辐射强度的影响

为了提高激光诱导击穿光谱技术对低含量物质成分的检测能力,实验研究了CsCl添加剂对土壤样品发射光谱的增强效应.利用高能量钕玻璃脉冲激光烧蚀样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD光谱采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度.实验结果证明,随着CsCl加入量的增加,激光诱导等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的变化规律.当CsCl加入量为15%时,等离子体辐射最强,元素Mn,K,Fe和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了383%,348%,303%和267%,信背比分别提高了204%,149%,150%和142%;而等离子体的温度和电子密度比无添加剂时分别提高了10%和13%.     

荧光相关光谱技术的研究进展

荧光相关光谱技术(fluorescence correlation spectroscopy, FCS)将单分子荧光探测技术与统计光谱方法相结合,通过共聚焦荧光测量光学设计与单光子计数方法,测量微小探测体积内由于荧光分子运动所产生的荧光信号涨落,进而对此涨落信号进行关联函数分析,获得分析扩散运动速率、探测空间内平均分子数等重要参数,是研究生物学和生物化学的重要手段.与其他荧光成像和生物物理方法相比, FCS具有高分辨率和高灵敏度等优势,已成为用于量化分子动力学的强大技术,广泛应用于生物医学、生物物理学和化学等领域.本文首先介绍了单点FCS和荧光交叉相关光谱(fluorescence cross-correlation spectroscopy, FCCS)的基本原理,并对FCS和FCCS的实施提供了建议;然后介绍了扫描FCS和图像相关光谱(image correlation spectroscopy, ICS)的基本原理与方法,并对其不同的衍生技术进行了讨论;最后介绍了FCS在膜蛋白、DNA染色体、蛋白质和核酸、酶和多细胞生物及组织中的应用.我们相信,随着技术的发展, FCS有望为生物...     

基于DNA折纸的荧光阵列构建及应用

以DNA折纸为模板的荧光阵列具有精准的结构可编程性以及可定量编程的光谱特征.利用DNA折纸灵活的设计性,多种维度不同模式的荧光阵列构建方案相继被提出,并在生物传感、超分辨成像、新型荧光探针设计等领域得到了应用.本文简要介绍了DNA折纸技术,对不同维度DNA折纸上的荧光阵列的构建和应用做了综述,并展望了基于DNA折纸的荧光阵列的发展趋势和应用前景.     

氯化钠水溶液中多泡声致发光光谱的实验研究

实验研究了不同浓度、不同氪气含量氯化钠水溶液中的多泡声致发光光谱, 对其连续谱背景上出现的310 nm处的氢氧根离子光谱和589 nm处的钠原子光谱进行重点观察与比较. 发现在相同实验条件下, 钠原子光谱强度明显高于氢氧根离子光谱强度, 并且其对实验条件的改变更加敏感. 而氪气含量、氯化钠水溶液浓度及驱动声压也在一定范围内对光谱强度有较明显的影响.     

取代10H-吡啶并[1,2-a]吲(口朶)盐光谱特性与结构的关系

取代10 H-吡啶并[1,2-a]吲哚盐可用作光敏染料和荧光增白剂。其性能与光谱性质密切相关,因此,研究光谱特性与结构之间的关系,对于此类化合物的合成设计有着重要意义。作者对已合成的九种(1—9)系列型化合物的紫外吸收光谱和荧光发射光谱进行了研究,发现在题示化合物的8-位引入共轭基团,能使最大吸收波长λ_(max)和最大发射波长λ_(em)发生     

超材料异质结构楔形光波导引起的光谱空间分离现象

采用化学电沉积方法制备了银树枝状结构光波段超材料,测试了其光学性能.结果表明,超材料在光波段出现了明显的多通带透射峰,在透射峰值波长位置测试出明显的平板聚焦效应.采用银树枝结构光波段超材料制作了一种异质结构透明楔形光波导,通过光纤探头在光波导外表面的移动,研究了光波导对光波谱的响应.实验结果表明,不同频率的光波包被停留在楔形波导不同厚度处,从而形成了光谱的空间分离现象.这种超材料楔形光波导可以通过改变楔角大小来实现对光谱空间分离的有效调节,在慢光研究和光存储等领域有广阔应用前景.     

针孔SPECT成像完全三维图像重建的研究

依托自行研制的一台高分辨率小动物单光子发射型计算机体层成像系统(Micro- SPECT), 开发针孔SPECT成像的完全三维图像重建技术. 该研究包括: 针孔SPECT成像的投影算子推导及其在Radon空间的采样特性分析; 有效的系统几何参数校正方法; 适用于圆轨道和螺旋轨道扫描的三维图像重建算法及定量补偿方法的实现. 为验证开发的完全三维图像重建技术, 进行了相应的计算机模拟成像、模具成像及小鼠成像实验, 并对结果进行了讨论. 计算机模拟和模具及小鼠成像实验显示: 跟基于解析求逆理论的近似图像重建算法FDK相比, 基于统计理论的三维迭代图像重建算法结合有效的系统响应补偿方法, 能够显著地改善重建图像质量和提高系统成像分辨率; 螺旋轨道扫描的针孔SPECT成像技术可以有效地克服常规圆轨道扫描成像的局限性, 扩大成像系统的轴向视野, 提供相对完备的锥形束投影采样空间, 实现高分辨率的全身小动物SPECT成像. 实验结果表明我们开发的完全三维图像重建方法与技术是切实有效的, 达到了预期的目的, 可以较容易地推广应用于多针孔SPECT成像的三维图像重建.     

时间分辨光谱电化学进展

电极／电解质的界面动力学是当代电化学基础研究的核心领域及主要的发展方向之一,该方面研究希望能够从分子水平上对电极反应的基元步骤进行直接观察与分析。对时间分辨光谱电化学中的红外、Ｒａｍａｎ,紫外可见等光谱技术的循呼发展现状进行了系统介绍。     

三次谐波碘分子稳频Nd:YVO4激光器

采用饱和吸收三次谐波检测方法, 在微型NdYVO4倍频激光器调谐范围内, 观测到碘分子超精细结构光谱, 用该光谱信号实现了激光频率的锁定. 锁定误差信号分析表明 微型NdYVO4倍频激光器在532 nm处频率稳定度有可能达到3.0×10-13(1 s积分时间).     

海面油膜光谱响应实验研究

以辽东湾海水与辽河油田原油为材料, 利用ASD全谱段地物光谱仪, 针对海洋石油污染中的海面较薄油膜为研究对象, 设计海面油膜光谱响应室内实验, 模拟海面油膜厚度连续变化过程, 测量并分析油膜光谱的变化特征及其与油膜厚度的相关关系. 研究表明: 在1150~2500 nm短波红外谱段范围内, 油膜的反射率随油膜厚度变化很小, 但高于本底水体光谱反射率, 此范围中有效遥感谱段具有探测较薄油膜有无的能力; 在400~1150 nm可见光-近红外谱段范围内, 油膜光谱反射率明显低于本底水体, 并随着表面油膜厚度的增加而逐步降低, 油膜光谱反射率与油膜的厚度呈很强的幂函数负相关关系, 以550和645 nm为中心的绿光、红光波段的油膜光谱响应表现最优, 可作为海面油膜多/高光谱遥感探测与评估的最佳选择波段.     

超快太赫兹表面等离子波与非谐振传输场的耦合

亚波长周期孔阵列的太赫兹脉冲透射光谱与孔宽度有关. 在最佳孔宽条件下, 绝对能量透过率达到最大值. 随着孔宽度的增加, 光谱的线宽增加, 峰值频率发生蓝移. 该现象是电磁场通过孔阵列时, 表面等离子波谐振激发与非谐振传输场之间互相耦合的结果. 采用Fano模型对其进行了理论拟合, 并实验测量了随入射角度变化的等离子波传输谱带结构.     

氮碳薄膜沉积过程的光谱诊断分析

等离子体发射光谱(OES)常用于等离子体薄膜沉积过程中气相物种及化学反应过程的诊断,它有助于对薄膜生长机理、沉积条件、薄膜结构及物性之间关系的了解.到目前为止,仍未见到有关氮碳薄膜反应溅射沉积过程的光谱诊断工作的报道,虽然已对薄膜生长的前驱物,如CN自由基、氮原子等气相物种进行了推测,但仍然缺乏有关的实验结果.从已报道的文献看,氮碳薄膜在物性上存在差异,如纳米显微力学硬度有的高达60GaP,有的只有几个GaP,类似于类金刚石薄膜其物性与碳的sp~3/sp~2键比例密切相关,氮碳薄膜的物性同样也与其多种价键结构类型相关,只是其类型相对要复杂的多,并且可以肯定地说,受沉积参数的影响.因此,光谱诊断实验和薄膜物性测量相结合有助于了解沉积参数与氮碳薄膜中各种价     

三次谐波碘分子稳频Nd:YVO4激光器

采用饱和吸收三次谐波检测方法,在微型Nd:YVO4倍频激光器调谐范围内,观测到碘分子超精细结构光谱,用该光谱信号实现了激光频率的锁定.锁定误差信号分析表明:微型Nd:YV04倍频激光器在532 nm处频率稳定度有可能达到3.0×10-13(1 S积分时间).