双调制多波长旋光法检测人工前房内葡萄糖的浓度

光学旋光法是一种无创血糖检测技术,通过测量眼前房水内葡萄糖浓度来确定体内血糖浓度水平。人眼运动引起的实时变化的双折射是实现旋光法无创血糖测量的主要限制因素之一。设计了实时、闭环、双调制多波长偏振系统来测量人工前房内的葡萄糖浓度,人工前房由离体角膜固定在人工眼房上构成。采用眼耦合装置使光直线穿过眼前房从而避免了空气与角膜之间折射率不匹配引起的光线弯曲。存在运动引起的双折射时,采用双波长旋光系统测量眼模型内的葡萄糖浓度,两次预测葡萄糖浓度的标准差分别为18.9mg/dL和15.2mg/dL,表明该系统具有降低活体角膜实变双折射的潜力,有利于实现与血糖浓度相关的眼前房水内葡萄糖浓度的精确测量。     

手性介质中后向散射米勒矩阵特性及其在血糖无创检测中的应用初探

利用斯托克斯-米勒矩阵表述分析偏振光在手性介质中的传输规律,利用瑞利近似下的单次散射模型和基于米氏散射理论的多次散射的蒙特卡罗方法,探讨葡萄糖对后向散射偏振光传输特性的影响,计算了不同葡萄糖浓度下的后向散射米勒矩阵. 结果表明在含有葡萄糖的手性介质中后向散射米勒矩阵的若干矩阵元表现出微弱的旋光效应,旋光度随葡萄糖浓度增大而增大. 为了检测低浓度下微小的旋光变化,定义了函数对含-不含葡萄糖的米勒矩阵元图像进行处理,提取由葡萄糖引入的图像差异. 结合无创血糖检测应用要求,分析了葡萄糖生理浓度下的矩阵元图像,获 关键词： 医用光学与生物技术 偏振光 斯托克斯-米勒表述 蒙特卡罗模拟     

温度干扰下的葡萄糖水溶液近红外光谱修正方法与比较

水的近红外吸收光谱受温度影响较大,采用近红外光谱法对水溶液样本进行成分测量时,温度的影响不能忽视。特别对于葡萄糖这种弱吸收成分,温度的微小变化会对其测量精度造成较大影响。实验发现葡萄糖水溶液在30 ℃附近时,温度每变化1摄氏度,在1 160 nm处溶液的吸光度变异系数约0.344 7%,这个变化约相当于500～600 mg·dL-1葡萄糖浓度引起的溶液吸光度变化量。将近年来发展的几种化学计量学方法用于温度扰动下葡萄糖水溶液的光谱修正,以提高葡萄糖测量精度,具体包括广义最小二乘加权法(GLSW)和外部参数正交化方法(EPO)。对不同温度的葡萄糖水溶液样品在900～1 350 nm的光谱进行采集,测试了两种方法对温度变化后光谱的修正效果,考察了修正后光谱的葡萄糖预测误差,并与传统的考虑温度变量的多变量回归方法-偏最小二乘(PLS)回归法进行了比较。结果表明,GLSW和EPO方法对不同温度下的溶液光谱有好的校正效果,不同温度下溶液光谱的变异系数得到显著改善,同时两种方法在模型复杂性、温度修正效果等方面都优于传统方法。研究可推广到其他水份含量较大的样品测试场合,也对人体组织中的葡萄糖测量有借鉴价值。     

基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法的模拟研究

温度变化是影响近红外无创血糖测量精度的主要因素之一。为降低温度变化对近红外漫反射光谱的影响,提出了一种基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法,即在漫反射光强对人体组织温度变化不敏感的源-探测器距离处进行光谱测量。利用Monte Carlo方法模拟了温度为30～40 ℃、葡萄糖浓度为0～300 mmol·L-1的皮肤组织在多个源-探测器距离处的漫反射光强。根据模拟结果,分析了人体皮肤组织模型中温度不敏感源-探测器距离的存在性及其受葡萄糖浓度变化的影响;比较了1 000 nm处温度恒定和温度变动时,不同源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性;进一步地,利用六个波长(1 000,1 050,1 100,1 150,1 350和1 410 nm)下的温度不敏感源-探测器距离及其他距离处的漫反射光强,建立了葡萄糖的偏最小二乘(PLS)模型,并比较了这些模型在温度恒定和温度变动时的预测精度。结果表明,在1 000～1 440 nm范围内,人体存在温度不敏感源-探测器距离,且葡萄糖浓度变化对该距离的影响可以忽略不计;当组织温度变化时,温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性及建模效果均明显优于其他源-探测器距离,基本接近样品温度恒定时的情况。研究表明,基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法能有效降低温度变化对漫反射光强的影响,有望提高近红外漫反射无创血糖测量的精度。     

测量葡萄糖浓度的光学低相干干涉法

根据溶液中溶质的浓度变化将引起溶液折射率变化的特性,提出一种利用光学低相干干涉技术通过测量葡萄糖溶液的折射率来确定其浓度的方法。基于迈克尔逊干涉仪,建立了低相干光葡萄糖浓度检测系统,通过调节可移动角镜以产生干涉信号,根据角镜的位移量计算出光程,并进而求出折射率。实验结果表明:在LED光源光谱半高宽度为25nm,可移动角镜的移动步长为微米量级时,利用该方法对折射率的测量精度可以达到10-4数量级以上,对应的可以检测出低于100mg/d L的葡萄糖的浓度变化。过程方便快捷,受外界限制因素小,是一种有效的测量各种液体折射率及浓度的方法。     

基于OPO脉冲激发的血糖光声检测影响因素研究

构建了一套基于侧向模式的光学参数振荡(optical parameter oscillator,OPO)脉冲激光激发-超声传感的血糖光声检测系统,并且将激发波长、激光能量、探测频率和温度等对血糖光声检测的影响,在系统结构上进行了有效融合。然后,以不同浓度的葡萄糖溶液作为测试样品,实验研究了几个因素(激发波长、激光能量、探测频率和温度等)对葡萄糖光声检测和浓度预测的影响。实验得到了不同浓度葡萄糖溶液在不同影响因素条件下的葡萄糖实时光声信号和光声峰峰值,同时,为了得到不同因素对葡萄糖光声值和浓度预测的影响规律,通过线性回归算法建立了葡萄糖光声峰峰值与各因素变化,以及不同因素下光声峰峰值与浓度梯度的映射关系模型。实验和模型预测结果表明：相比1 200和1 300 nm波长而言,1 064 nm波长下的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度模型预测效果最好,模型相关系数达到0.986;葡萄糖光声峰峰值随着脉冲激光输出能量的增大呈线性增大趋势,且葡萄糖浓度预测准确度随着激光输出能量增大有所提高;根据不同探测频率的超声探测器捕获的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度建模效果来看,响应频率为1 MHz的超声探测器相比2.5和10 MHz的超声探测器,在葡萄糖光声信号探测上具有更好的探测效果;最后,实验发现,葡萄糖光声峰峰值随着温度和浓度的增大均呈线性增大趋势,且浓度预测误差随着温度的升高逐渐增大。     

利用散射系数变化测量血糖浓度的研究

论述了血糖浓度变化与溶液的散射系数的关系。在浑浊介质中散射特性取决于散射粒子和溶剂的折射率的相对大小,在血液中葡萄糖浓度的改变会引起血液折射率的变化,从而使血液的散射系数发生改变,从理论上给出了血糖浓度变化时计算散射系数变化的公式,得出了散射系数和血糖浓度成正比的结论。进一步讨论了满足临床应用目标下,散射系数的相对变化的测量精度要达到4.8×10-4,而对于中国人的血液绝对测量精度要达到6.82×10-3mm-1。用双积分球实验验证了理论计算的正确性,使用牛奶作为浑浊介质测量其散射系数与糖浓度的关系,在不同波长下散射系数都随葡萄糖浓度改变而改变,且线性度可以达到0.95以上。由此可以得出结论,血糖浓度可以通过测量散射系数来得到。     

基于硫醇耦合蛋白绑定方法的表面等离子共振谱葡萄糖检测技术研究

使用表面等离子共振谱(surface plasmon resonance,SPR)检测葡萄糖浓度,引入D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白(D-galactose/D-glucose binding protein,GGBP),该蛋白能够选择性吸附葡萄糖分子,实现特异性、高分辨率地检测葡萄糖分子的浓度。研究了在SPR传感器表面利用硫醇耦合绑定蛋白的方法,成功在SPR传感器表面绑定了GGBP蛋白并对不同浓度的葡萄糖进行了测量实验。实验结果显示,当葡萄糖浓度为0.1~10mg·dL-1时,采用硫醇耦合方法修饰蛋白的传感器具有良好的线性,同时也具有很好的重复性和稳定性,在SPR传感器表面绑定GGBP蛋白满足了组织液中低浓度葡萄糖检测的需求。     

利用超声光栅测量液体声速的影响研究

根据声光效应原理,利用分光计和超声光栅对生活中几种常见液体(蒸馏水、75%乙醇、食用油、5%Na Cl溶液、30%葡萄糖溶液)中的声速进行了测量,同时测量了不同浓度葡萄糖溶液中的超声波声速,并利用Origin软件对其进行数据拟合分析,结果显示:不同液体介质和同种液体不同浓度对超声波声速的测量均有一定程度的影响。在几种常见的液体中,葡萄糖溶液中测量的声速误差最小;超声波在葡萄糖溶液中传播的速度在一定浓度范围内线性增大,而在浓度为32%葡萄糖溶液中的声速的拟合残差最小,该浓度下测量的超声波声速精确度最高,可作为测量超声波在葡萄糖溶液中传播速度的有效浓度。     

近红外光谱无创血糖测量中背景扣除方法的研究

在近红外光谱人体血糖无创检测中,由于葡萄糖在体内含量非常低,而光谱中的噪声组成复杂且变化幅度大,从而导致测量的信噪比较低。背景扣除是提高测量信噪比的有效预处理手段之一。文章首先对常用的背景扣除方法进行了理论推导,并进一步考虑不同样品在测量过程中存在的样品本身特性变化,提出了相近背景扣除的方法,即选择与样品的光学特性变化相似的样品作为背景,能更有效地消除样品特性变化和仪器漂移的影响。并在纯吸收和散射介质中分别加入葡萄糖进行实验验证。结果表明,在血浆溶液和Intralipid-2%溶液的葡萄糖实验中,选用与样品特性更接近的样品作为背景时,葡萄糖浓度的预测精度分别提高了25.9%和40.1%。     

Concentration quenching of fluorescence of colloid quantum dots of cadmium sulfide

The influence of the concentration of cadmium sulfide nanoparticles in a colloid aqueous solution on its optical properties has been investigated. The band gap of cadmium sulfide nanoparticles is calculated based on the optical absorption spectra of solutions with different concentrations. The band gap coincides for all the samples irrespective of their concentration and is equal to 2.63 eV. It is found that the intensity of fluorescence substantially depends on the solution concentration. The fluorescence intensity considerably decreases in a wavelength range from 665 to 720 nm as the concentration increases above 3.25 mM. This concentration is the threshold of the concentration quenching for CdS nanoparticles.     

光后向散射法测烟尘浓度的实验研究

设计了一套具有高灵敏度的利用光后向散射法测烟尘浓度的装置，不仅具有实时、在线、连续测量等优点，而且价格低廉、便于安装.通过理论分析获得散射光强与烟尘浓度的关系，并通过自行设计的测量装置测量了不同烟尘浓度下的散射光强，验证了理论的正确性并获得了描述后向散射光强的电信号强度与烟尘质量浓度关系的曲线.实验结果证明在烟尘浓度较低时，后向散射光强与烟尘浓度有很好的线性关系.     

含油岩屑固体粉末荧光的研究

通过对含油岩屑固体粉末荧光的研究,指出了在固体粉末中含油浓度在一定范围内时,其粉末荧光强度与含油的浓度成线性关系,对二者关系进行线性拟合,其相关系数R=0．9936。当样品中的含油的浓度达到一定程度时,其荧光强度保持一个恒定的值。同时,研究了固体粉末荧光猝灭现象以及猝灭机制。指出含油岩屑粉末的荧光猝灭,主要是生荧团分子之间形成络合物以及由于激发光谱和发射光谱重叠所引起的交叉弛豫所致。最后比较了固体粉末中荧光浓度猝灭与溶液中浓度猝灭。这些对于研究和开发对含油岩屑直接进行荧光检测的录井技术具有重要的指导意义。     

Numerical Study of the Magnetic Phase Diagram of Perovskite Mn Oxides at Low Temperatures

We obtain the magnetic phase diagram of perovskite Mn oxides at low tempera tures. Our results show that when temperature T→0 a spiral state is stable in a lower doping concentration, a canted state is stable in a higher doping concentration and a ferromagnetic (FM) state becomes stable in the intermediate doping concentration. With temperature increasing, a paramagnetic (PM) state appears at the higher doping concentration and then the canted state disappears.     

超薄GaMnAs外延膜空穴浓度和应变弛豫研究

稀磁GaMnAs外延膜中的Mn含量会影响外延膜的空穴浓度和应变弛豫.Raman散射研究表明,Mn含量为3%的超薄GaMnAs样品的空穴浓度大于2%样品,4%样品的空穴浓度小于3%样品.应变弛豫理论和高分辨X射线衍射研究表明,Mn含量为2%和3%的超薄GaMnAs外延层分别处于准共格或低弛豫状态,Mn含量为4%的GaMnAs外延层的弛豫度明显大于3%样品的弛豫度.我们认为,准共格或低弛豫度状态对空穴浓度随Mn含量的变化趋势几乎没有影响,较大弛豫度的应变状态将导致样品外延层产生较多缺陷,影响能带结构和能级,引起空穴浓度异常减小. 关键词： 空穴浓度 应变弛豫 倒易空间图 准共格     

Spatiotemporal Dynamics of the Concentration Response of Spherical Particles in the Field of Interfering Laser Waves

A theory of the spatiotemporal dynamics of the concentration response of transparent spherical particles in a liquid in a confined region under the action of a gradient force in the field of interfering laser waves is developed in the Rayleigh-Gans approximation. For the case of a relatively small variation in the concentration of particles, an analytical solution of the Smoluchowski equation is obtained, on the basis of which the kinetics of the formation of spatial concentration structures induced by the gradient force is investigated. The process of the concentration response relaxation is studied.     

两片掺铒玻璃样品级联荧光光谱的实验研究

介绍一种掺铒玻璃样品的制作方法，实验测量了单片及两片掺铒玻璃样品的荧光特性.结果表明：两片掺铒玻璃样品级联的荧光强度比单片掺铒玻璃样品的荧光强度高，半值宽度与高浓度单片样品的半值宽度近似相等；在两片掺铒玻璃样品级联的形式中，浓度高的样品靠近抽运光源时的荧光强度比浓度低的样品靠近抽运光源时的荧光强度高；两种低浓度样品组合的荧光强度相对于其单片样品荧光强度的增幅比两种高浓度样品组合的荧光强度相对于其单片样品荧光强度的增幅要高. 关键词： 掺铒玻璃样品 级联 荧光光谱强度 半值宽度     

水体红波段反射光谱对叶绿素浓度变化的响应

在不考虑叶绿素荧光效应的前提下,基于水体光学活性因子藻类叶绿素、有色可溶性有机物及非藻类颗粒物的吸收和后向散射系数,根据前向辐射传输模型模拟水面以上遥感反射率,分析了藻类叶绿素红光峰强度和波长位置随浓度的变化规律。结果发现：叶绿素浓度为1～50 μg·L-1时,红光峰强度和叶绿素浓度呈较好的线性关系,随叶绿素浓度的增加,线性关系越来越不明显。当叶绿素浓度为1～1 000 μg·L-1时,则呈现较好的对数关系;随叶绿素浓度的增加,红波段反射峰波长位置按对数规律逐渐向长波方向移动,不同水色组分的水体,其叶绿素在红波段的光谱反射特性随浓度的变化规律是一致的;此外,对比研究显示红波段反射峰特征不同于荧光光谱。     

Non-equilibrium melting of colloidal crystals in confinement

A novel and flexible experiment is reported for investigation of the non-equilibrium melting behaviour of model crystals made from charged colloidal spheres. In a slit geometry, polycrystalline material formed in a low salt region is driven by hydrostatic pressure up an evolving gradient in salt concentration and melts at large salt concentration. Depending on particle and initial salt concentration, driving velocity and the local salt concentration, complex morphologic evolution is observed. Crystal–melt interface positions and the melting velocity are obtained quantitatively from time-resolved Bragg and polarisation microscopic measurements. A simple theoretical model predicts the interface to first advance, then for balanced drift and melting velocities to become stationary at a salt concentration larger than the equilibrium melting concentration. It also describes the relaxation of the interface to its equilibrium position in a stationary gradient after stopping the drive in different manners. The influence of the gradient strength on the resulting interface morphology and a shear-induced morphologic transition from polycrystalline to oriented single crystalline material before melting are discussed.     

温度及围护通风对独头巷道氡浓度分布的影响

根据计算流体力学以及氡的物理性质，建立具有硐室的独头巷道内氡的三维稳态传输模型，采用Fluent软件求解控制方程，使用UDF实现巷道内壁氡的析出和氡的衰变，得到独头巷道内的风场结构及氡的浓度分布。研究发现：通风量一定时，温度对氡的浓度影响显著，巷道内温度越高，巷道各处氡浓度越高。整个巷道硐室氡浓度最大，相比于修建防氡围护，对硐室采用局部通风，降氡效果更好。采用压入式通风时，巷道内氡浓度由内向外递增，提高巷道的通风率能够有效地降低巷道入口的氡浓度，但对硐室内氡浓度影响不大。