生物组织的可见光与近红外光散射模型

对生物组织光学模型尤其是光散射特性进行了研究, 发现可以利用等效粒子数密度的粒度分布更精确地了解生物组织的光散射性质。在夫琅和费衍射近似下, 散射系数和散射相函数可以由等效粒子数密度的粒度分布得到。基于粒子粒度光散射测量技术, 所得结果可给出一种新的可行的测量生物组织光学性质参数的方法。     

软 X射线共振非弹性光散射及其应用

软 X射线共振非弹性光散射是近年来随着高亮度第三代同步辐射出现而发展起来的光散射光谱技术 ,可以用于对多原子构成的分子、凝聚态物质进行位置选择的价电子态结构的研究。与 X射线光电子能谱 ( XPS)或紫外光电子能谱 ( UPS)相比 ,这一光谱方法由于测量样品激发后产生的散射 X射线 ,因而不仅可以获得表面的原子分子信息 ,而且可以用于研究样品体内或掩埋薄层的原子分子。同时这一方法的共振特性使得其可以进行灵敏的元素选择测量。本文将介绍这一光散射光谱技术及其在原子分子物理、表面物理及凝聚态物理中的应用     

视细胞浓度分布对散射光偏振性的影响

人眼视网膜是一种具有高散射特性的生物组织。基于米氏散射理论研究光在视网膜组织中的传输过程对生物组织散射成像具有重要意义。根据解剖学上视网膜结构与细胞分布的特点,引入分子动力学领域的静态结构因子修正辐射传递理论,并采用离散坐标法求解视细胞对散射光偏振性的影响。结果表明散射光偏振性取决于视细胞尺寸与浓度分布等因素。在不同的极角和光程位置,散射光束的偏振性呈现波动性变化,视锥细胞核比视杆细胞核具有更强的散射特性,散射光束的偏振特性变化随散射角的增大而增大。     

小球藻细胞群散射相函数的实验研究

能源微藻的辐射特性参数是进行光生物反应器内局部光环境分析、微藻生长及产量预测所依赖的基础物性参数。本文使用自制光散射测量实验台对3种小球藻细胞的散射相函数进行了实验研究,并使用Henyey-Greenstein散射相函数对其进行了参数拟合以方便实际使用。研究表明:所研究的3种小球藻细胞的散射相函数随角度的变化趋势相同,具均有很强的前向散射特性,不对称因子约为0.99,Henyey-Greenstein散射相函数模型可以作为小球藻细胞真实散射相函数的一个很好的近似。     

基于基底细胞癌的太赫兹波光谱分析

获得了基底细胞癌变组织的太赫兹(THz)光谱和图像,并进行了组织病理学的分析,采用太赫兹时域光谱技术,对石蜡包埋的基底细胞癌组织进行透射式实验研究,获得了透过率和吸收系数的光谱,并利用癌变组织和健康组织区分度明显的1.3THz的吸收系数进行成像得到了与宏观组织较符合的THz图像.从组织病理学的角度阐述了太赫兹谱线及图像的成因,结合生物大分子的THz光谱,分别讨论了细胞密度、DNA的含量、水化作用对太赫兹光谱和成像的影响.实验结果表明:癌变组织与健康组织相比对THz吸收较多.太赫兹光谱和成像技术有望用于术前基底细胞癌的轮廓诊断.     

拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展

拉曼光谱是基于拉曼散射效应而发展起来的一种光谱分析技术,体现的是分子的振动或转动信息。由于拉曼光谱技术与常规化学分析技术相比,具有对样品无损、样品制备简单和所需样品量少等特点,广泛用于生物大分子结构变化的研究。拉曼光谱不仅可以用于蛋白质、核酸和脂类等生物大分子损伤的快速检测,而且可以用于癌症的诊断与手术治疗。通过对比正常组织与癌变组织的拉曼光谱,可以找到两种组织特征吸收峰的差异,从而为癌症的最终确诊和确定肿瘤切除范围提供重要信息。文章综述了拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展,介绍了利用表面增强拉曼光谱、傅里叶变换拉曼光谱和紫外共振拉曼光谱等技术在检测蛋白质二级结构、膜脂及DNA损伤中的应用,并展望了未来拉曼光谱技术的发展前景。     

颗粒溶液颗粒尺寸及浓度的差分偏振弹性散射光谱在线分析方法

偏振弹性散射光谱技术的基本原理为在偏振光入射条件下,根据出射光的偏振特性不同可以筛选出浅表层组织的单次散射光信息和深层组织的漫散射光信息。该研究的创新点在于将这种方法应用于颗粒溶液检测,目的是在颗粒溶液原始状态下实现对颗粒尺寸及浓度的同时检测。设计了一个共轴笼式光学系统,测量了聚苯乙烯微球颗粒溶液某一角度的背向散射信号,通过控制入射端和收集端偏振片的偏振方向获得了颗粒溶液的偏振平行光谱与偏振垂直光谱,两者之差即偏振差分光谱对应颗粒的单次散射信息,将该单次散射信息与Mie散射数据库进行比对获得颗粒的尺寸,然后在颗粒尺寸作为已知的条件下进一步分析偏振垂直光谱,将该垂直光谱对应的颗粒溶液的漫散射信息代入光漫散射下的近似表达式拟合得到颗粒的浓度信息。将实验结果与样品提供值进行了比对,并进一步分析了在获取颗粒数浓度时,颗粒直径的方差分布对结果的影响,最终验证了该实验方法的可行性。该方法的潜在应用包括对标准颗粒制造厂商的产品在线检测以及对牛奶制品中脂肪和蛋白质的浓度检测研究。     

红外光曝露对于大鼠组织影响的傅里叶变换红外光谱研究

生物组织受到外界电磁场曝露以后,生物分子的结构可能会发生变化,所发生的变化可以从组织的红外光谱的变化得到确认。为了研究红外光曝露对血液、睾丸以及脑组织的影响,对曝露于红外光条件下30天的大鼠的血液、睾丸和脑组织进行了红外光谱测量,将测试结果在1 700～1 000 cm-1范围内与对照组进行了对比,并利用红外光谱的二阶导数谱进一步分析红外光曝露对生物各组织微观结构特性的影响,探讨了红外光曝露的作用位点及其机制。研究结果表明红外光曝露可致大鼠组织的红外光谱特征发生一定的变化,傅里叶变换红外光谱技术可以用于分析红外光曝露对于生物组织微观结构的影响及其发生机制。     

近红外光谱组织血氧检测结果的定量化方法

近红外光谱组织血氧检测技术可实现生物组织氧代谢的无创、连续、实时监测 ,具有广泛的应用前景。由于光在生物组织中的散射行为 ,近红外光谱组织血氧检测结果的定量问题一直是这一技术能否得到广泛应用的一个关键。文章从近红外光谱组织血氧定量检测技术的理论基础和具体演算方法两方面总结至今所提出的各种算法 ,分析各种算法的特点和相应的局限性 ,并展望今后的研究方向     

基于扩散理论的生物组织固有荧光光谱复原方法研究

组织固有荧光光谱定义为未受生物组织吸收、散射作用影响的荧光光谱,能够直接反映组织微观结构和生物化学性质信息。为了减少吸收和散射特性对组织荧光光谱的干扰,从实测的组织荧光光谱中复原更能反映组织荧光特性的组织固有荧光光谱,搭建了基于光纤探头的组织光谱测量系统,实现生物组织相同位置处的荧光光谱和漫反射光谱测量。提出运用扩散理论从实测的漫反射光谱中提取组织生理参数,包括组织中血液体积分数、血氧饱和度、黑色素含量以及波长500 nm处约化散射系数和瑞利散射在总散射中的比例,进而计算可见波段范围内的组织光学参数;然后,根据组织光学参数和实测的漫反射光谱,从实测的荧光光谱中复原得到组织固有荧光光谱。进行临床试验验证,采集受试者皮肤组织荧光光谱与组织漫反射光谱,并复原皮肤固有荧光光谱。通过复原得到的固有荧光光谱反映人体皮肤糖基化终产物积聚量,并最终用于糖尿病无创筛查。结果显示,分别使用实测的荧光光谱和复原得到的固有荧光光谱用于糖尿病筛查时,在特异性水平同为75%时,敏感性分别为69%和90%。     

生物组织光学特性参数的无创检测理论与技术

无创定量确定生物组织的光学特性在医学诊断和治疗领域中有着很重要的意义和广泛的应用前景。作为生物组织光学特性参数无创检测技术的理论基础 ,首先简要介绍了描述散射介质中光传播及分布的漫散射理论及蒙特卡罗模拟算法 ;然后分别介绍了用漫散射理论和蒙特卡罗模拟算法无创定量确定生物组织光学特性参数的具体方法 ;最后总结了到目前为止无创定量确定生物组织光学特性参数的研究成果 ,并对今后的工作作了展望     

基于拉曼光谱技术的甲状腺疾病检测的研究

基于光学成像与光谱技术的无损检测是生物医学光学交叉领域研究的重要发展方向。其中拉曼光谱技术可获得检测对象的生化成分的“指纹信息”,被广泛应用于面向生物分子,细胞以及生物组织的检测诊断研究。甲状腺疾病尤其肿瘤的临床检测往往涉及多方法和技术手段的结合,且存在一定的诊断难度,因此发展新的检测技术方法具有重要的意义。首先综述了拉曼光谱技术在甲状腺细胞系的单细胞拉曼光谱检测与分析,然后介绍甲状腺病理组织和甲状腺正常组织的拉曼光谱鉴别诊断(特别介绍了本研究小组开展以银纳米粒子为增强基底的甲状腺离体组织SERS光谱研究情况),以及拉曼光谱技术在甲状腺激素等方面的研究概况。最后简要探讨了拉曼光谱技术在该领域的研究应用前景和发展方向。     

激光生物光谱

激光光谱技术有很高的光谱分辨率和分析灵敏度，利用它可以深入地研究生物分子反应动力学及某些生物分子的光化学反应机理，把激光生物学的研究提高到分子水平，有助于阐明生物分子的结构和功能，揭示生命现象的奥秘．本文介绍了激光皮秒光谱、荧光光谱、反射光谱、透射光谱等技术，在研究生物分子、生物细胞、各种生物过程以及诊断癌症等方面的进展及应用前景；同时也介绍了几种生物光谱仪器．     

基于金纳米粒子的光谱分析法进行单细胞探测

在过去的几十年中,等离子纳米粒子,尤其是金纳米粒子(AuNPs),由于其独特的局部表面等离子体共振(LSPR)特性,金纳米颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号,已被广泛应用于生物检测与成像。包括单细胞光谱分析与成像。基于光吸收和弹性光学方法散射,阐述了利用光谱方法进行的单细胞光学探测的进展应用和纳米系统表现出新的特性。论述了基于AuNPs的细胞内环境光谱分析与探测,对在单细胞水平上进行的细胞动态实时测量的基本原则和与光互动独特的相关方法进行了描述。重点放在单细胞光谱检测的原则、方法及这些方法的优点和挑战,并阐述了最近在这一领域的研究进展,内容包括细胞和亚细胞环境的探测、细胞应答诱导细胞凋亡过程探测、生物分子识别和量化、药物传递及释放、癌症诊断及治疗等。给出了未来的挑战和努力方向。     

离心球对高斯波束的光散射及应用

基于广义米氏理论研究了在轴离心球对高斯波束光散射特性.入射高斯波束的波束因子用积分区域近似法计算,散射场的展开系数由矢量球面波函数的加法定理并求解边界条件得到.以离心球为模型研究了单核生物细胞对高斯波束的散射特性并给出了相关数值模拟,讨论了离心距、波束的束腰半径和核的大小对散射强度角分布和散射、消光系数的影响.     

基于HOF-ATR-FTIR光谱学的乳腺癌的蛋白质二级结构变化及识别研究

衰减全反射傅里叶变换红外(ATR-FTIR)光谱技术可以用来直接测量生物组织的红外光谱.本研究首次采用自制的空心光纤(HOF)-ATR探针耦合FTIR光谱仪实现了健康和癌变乳腺组织原位光谱探测.利用去卷积、二阶导数和曲线拟合方法对所测光谱的酰胺Ⅰ带(1700-1600 cm-1)进行了分析,获得了乳腺组织中蛋白质各二级...     

生物组织多光谱偏振特性研究

生物组织内部结构复杂且具有较强的散射特性,而光作为生物组织检测的重要信息载体,其自身特性包括颜色、幅值、偏振等都对信息获取有较大的影响.结合偏振成像,对生物组织多光谱偏振特性展开了研究,依据不同微粒尺寸的分布建立了均匀单层生物组织模型,结合瑞利和米氏散射理论模拟了基于单个微粒的两种散射事件.瑞利散射具有较好的前向后向散...     

我国光散射研究的回顾与进展

本文简述了我国光散射研究发展历史，并对我国近几年物理研究中的喇曼光谱，化学、生物等学科中的喇曼光谱、布里渊散射、受激光散射，以及对光散射研究用的仪器设备的发展和现状等方面作了概略的介绍．     

皮肤鳞状细胞癌声光滤波显微光谱成像研究

TeO_2非共线声光可调滤波器(AOTF)是一种优良的电调谐分光器件,具有体积小巧、稳定性高、调谐快速、可实现便携等优点,在超光谱成像领域具有很高的应用价值。通过非共线AOTF与光学倒置显微镜有机结合,建立了声光滤波超光谱显微成像系统;在可见光范围内,开展了人体皮肤鳞状细胞癌组织的超光谱显微成像实验研究,获得了一系列不同衍射光中心波长下的皮肤鳞状细胞癌组织的光谱和对应的显微图像。系统性能检测实验结果显示,在超声频率为110～180 MHz范围内的衍射光带宽仅为1.28～2.84 nm,表明本研究中的AOTF具有很高的光谱分辨率,达到10~2个光谱通道量级,完全可以满足超光谱显微成像对生物组织结构进行精确识别的需要。本系统采用高质量的TeO_2晶体、双胶合透镜以及优化的射频驱动源,有效地抑制了衍射光光谱的旁瓣。分析了超声频率与衍射光中心波长的调谐关系,以及超声频率与对应衍射光谱带宽的关系曲线,实验结果与理论计算结果有着较好的一致性。系统实验获得的皮肤鳞状细胞癌组织显微图像随光波长漂移不显著,表明超光谱成像系统的图像稳定性高。通过对比,分析了不同中心衍射光下的皮肤鳞状细胞癌组织显微图像的清晰度随光波长的变化规律,在522.52 nm时,皮肤鳞状细胞癌组织内部各精细结构区分明显,图像最为清晰。通过定义透射差异系数,分析了图像整体亮度曲线和透射差异系数随光波长变化曲线,其变化规律与直观观察结果相符合;对皮肤鳞状细胞癌组织图像进行了边缘提取分析,得出在497.87～551.29 nm内,可在整体视野较为明亮的情况下对皮肤鳞状细胞癌组织进行观察和研究,在509.69～527.59 nm范围内,组织边缘明亮清晰且完整,是进行皮肤鳞状细胞癌组织结构精确识别与分析的最佳窗口。该研究为人体皮肤鳞状细胞癌组织结构简便、灵活、快速地检测与识别提供了一种新方法。     

混合腔光力系统的双光子散射

混合腔光力系统同时包含一次和二次光力相互作用。本文研究了混合腔光力系统中的双光子散射问题。在Wigner-Weisskopf框架下,通过求解散射过程,获得了混合腔光力系统散射态的解析表达式,揭示了双光子散射的4个物理过程：1)双光子均被直接反射,不进入腔中;2)一个光子被直接反射,另一个光子入射进腔中;3)两个光子按次序先后入射进腔中,但腔中最多只有一个光子;4)两个光子均入射进腔中。通过分析双光子散射谱,发现在该散射过程中可以产生双光子频率反关联,并且发现了混合腔光力系统中的参数与双光子散射谱特性之间的联系。该研究不仅提供了一种产生关联光子对的散射方法,而且提出了一种表征光力系统参数的光谱方法。