获取生物分子完整拉曼谱的时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射方法的理论研究

利用半经典理论分析了三束中心频率不同的窄线宽激光光场在样品中的相互耦合过程,得到一组描述相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程的耦合波方程。结合时间分辨方法的原理,得到了描述使用窄线宽激光脉冲的时间分辨CARS(T-CARS)方法的耦合波方程。采用数值模拟方法研究了T-CARS方法中CARS信号和非共振背景噪声与入射光场之间的关系以及分子振动的弛豫过程。说明分子振动的退相时间可以作为区分成份和结构相近的分子以及监测样品所处微环境变化的依据。基于使用窄线宽激光光源的T-CARS方法的理论分析说明了使用宽谱激光具有同时获取生物分子完整拉曼光谱的能力。     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析

理论上提出一种突破衍射极限限制的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法, 并对其探测极限进行分析.通过引入环形附加探测光与艾里斑周边的声子作用, 实现点扩展函数的改造, 提高相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的横向空间分辨率. 随着分辨率的提高, 信号强度也随之降低, 尤其当应用于生物学、医学研究时, 样品分子数密度通常很低, 这将导致信号探测更加困难. 因此分析系统的探测极限, 确定超分辨体积元内的最小可探测分子数是展开超衍射极限相干反斯 托克斯拉曼散射显微成像实验研究的重要前提. 当泵浦光、斯托克斯光、探测光光强均达到极大值, 分辨率约40 nm三维空间内, 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的散粒噪声信噪比由曝 光时间与样品分子数密度决定. 曝光时间若取20 ms, 探测极限约为10³, 样品分子数目只有大于探测极限, 才能保证信号可以从噪声背景中提取出来. 关键词： 突破衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 非线性光学 探测极限     

混合溶液中CARS过程的非共振信号实验研究

相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性四波混频效应,但是通过探测共振信号不易进行物质成分的定量光谱分析。本文利用单频相干反斯托克斯拉曼散射光谱分析法,对不同体积比混合的乙醇溶液在远离双光子共振跃迁及其远离溶质与溶剂的特征拉曼共振态位置进行了光谱探测。通过对实验结果进行分析发现,在共振位置2 876 cm-1的信号强度随混合溶液中的乙醇的体积比增加而增加,呈二次方关系。而在远离共振态位置的非共振信号强度随混合溶液中乙醇的体积比增加而增加,且呈线性关系,进而说明了非共振信号强度随着分子数浓度N呈线性变化关系。因此,通过探测非共振信号强度与分子数浓度关系可以为混合物中特定成分的定量光谱分析提供一种研究途径。     

基于偏振探测的CARS非共振背景抑制与分离

为消除非共振背景干扰,提高相干反斯托克斯拉曼散射测量精度,研究了基于偏振探测的相干反斯托克斯拉曼散射非共振背景抑制与分离.首先,从理论上证明了相干反斯托克斯拉曼散射信号强度只取决于三阶非线性极化率共振部分,而与非共振部分无关,并且三阶极化率共振部分与非共振部分偏振方向不一致,为偏振相干反斯托克斯拉曼散射提供了理论支撑;然后,以平面火焰炉温度场为研究对象,设计了偏振相干反斯托克斯拉曼散射探测系统实施方案,并与热电偶、常规相干反斯托克斯拉曼散射两种方法在相同条件下开展了温度测量对比实验.实验结果表明:常规相干反斯托克斯拉曼散射方法的测量相对误差优于7%,测量相对不确定度优于7%;偏振相干反斯托克斯拉曼散射方法的测量相对误差优于4%,测量相对不确定度优于5%;相同工况条件下与常规相干反斯托克斯拉曼散射相比,偏振相干反斯托克斯拉曼散射最接近均值的拟合光谱更加平滑.偏振相干反斯托克斯拉曼散射具有更小的拟合误差,是一种更为有效的相干反斯托克斯拉曼散射诊断方法.     

分子多振动模式的振动退相时间同时测量方法

利用作者自制的超连续谱激发时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Ranman scat-tering,CARS)谱仪同时测得反映分子组成的各种振动谱以及这些振动模式各自的退相时间.实验对苯甲腈样品分子振动谱中5个典型分子振动模式的振动弛豫过程进行了测量,一次获得了这种分子各振动模式对...     

基于超连续光谱激发的时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射方法与实验研究

采用钛宝石飞秒激光器输出的一部分光抽运光子晶体光纤以产生超连续光谱,作为抽运光和斯托克斯光,另一部分飞秒激光作为探测光,并结合时间延迟方法,建立超连续光谱激发时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)实验系统,测试了具有较宽拉曼光谱的二甲基亚砜样品.实验结果表明,所建立的实验系统能有效抑制非共振背景噪声,并且通过一次测量,即可获得二甲基亚砜在690—3200cm-1范围内的CARS光谱信息,获得的二甲基亚砜CARS光谱范围达到2500cm-1.同时给出了所采用的光子晶体光纤光谱展宽的实验结果.     

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射同属于三阶非线性效应,二者之间的差异与联系是一个值得研究的问题.本文基于自行搭建的超连续谱近红外宽带相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统进行光谱成像,同时通过理论与实验对比分析了双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射图像存在差异的原因.结果表明,具有亚微米以上横向分辨率的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,可以使用较大尺寸的荧光珠进行双光子荧光成像,通过解卷积得到双光子荧光成像的系统分辨率,并将它近似等效于相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的当下分辨率.如果需要得到相干反斯托克斯拉曼散射成像系准确的分辨率结果,就必须使用尺寸比相干反斯托克斯拉曼散射成像系统实际分辨率小的球形样品进行实验测量.     

多色宽带相干反斯托克斯拉曼散射过程的理论与实验研究

宽带相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)光谱技术能够同时获取完整的分子CARS光谱信息,以准确识别和定量分析混合物中的不同成分或未知成分.在宽带CARS光谱技术中,由于超连续谱激光有效光谱范围内各光谱成分的作用不同,分别会产生双色和三色CARS过程.这里我们在理论上分析了宽带激发条件下两种CARS过程的产生条件,以及不同CARS光谱信号强度与各激发光功率之间的关系.在此基础上,搭建了基于SC激光的宽带CARS光谱系统,分别实现了双色和三色CARS过程.通过对获得的苯甲腈样品的CARS光谱信号进行函数拟合分析,实验验证了上述两个过程中CARS信号的强度与各激发光强度之间的函数关系.理论和实验研究结果为进一步优化宽带时间分辨CARS光谱探测和显微系统,实现同时获取物质分子完整的CARS光谱信号提供了指导.     

基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像理论与实验可行性研究

将超连续谱光纤激光器引入到相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,以解决当前相干反斯托克斯拉曼散射成像系统造价昂贵、体积庞大的问题。首先分析了基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像理论及其影响因素;接着搭建了一套基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,并进行了成像性能测试。在物镜、功率、浓度等不同影响因素的情况下,系统测试的实验结果与数值仿真结果具有高度一致性,验证了基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像理论与实验的可行性。     

采用圆偏振啁啾飞秒激光脉冲操控CS2分子的相干拉曼散射过程

采用两束圆偏振啁啾飞秒激光脉冲,非共线相干激发三原子分子CS₂液体. 在相位匹配的方向上,探测到由CS₂频率为397 cm^-1的振动模式产生的强度对称分布的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)信号和相干斯托克斯拉曼散射(CSRS)信号. 当调整两束激发光的圆偏振状态时,CARS,CSRS信号的强度、偏振、波长均发生规律性的改变:CARS,CSRS信号的强度分布反映了CS₂ 在不同极化状态下的受激拉曼散射截面大小;信号光的 关键词： 啁啾脉冲 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS) 相干斯托克斯拉曼散射(CSRS) 2')" href="#">CS₂     

紧聚焦条件下相干反斯托克斯拉曼散射信号场的矢量分析

在相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)显微镜中,共线传输的紧聚焦高斯光束激发具有不同形状和尺寸的待测样品所产生的CARS信号场的空间分布决定了整体系统的结构特点.建立了紧聚焦条件下球形样品产生CARS信号场的理论模型.利用矢量波动方程分析了紧聚焦条件下线偏振的高斯光束的光场强度和相位分布.利用格林函数求解该模型中CARS信号场的矢量波动方程,模拟计算得到了不同直径球形样品的远场CARS信号场的空间分布.理论分析和模拟计算结果表明,对于小体积的球形样品,前向和背向传输的CARS信号场强度接近,因此采用大数值孔径物镜背向探测方式即可获得高对比度图像.对于大体积球形样品,CARS信号场的强度大幅增强,且发射方向主要集中在前向的一定立体角内.因此,采用小数值孔径物镜即可有效收集前向传输的CARS信号.     

宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场

 报道了采用单次脉冲非稳腔空间增强探测 相干反斯托克斯喇曼散射（USED CARS）技术诊断常压下固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度。采用宽带USED CARS技术，在固体燃剂瞬态燃烧场获得了较高信噪比的单次激光脉冲氮气Q支CARS实验谱，用CARS理论计算软件拟合CARS实验谱，给出了固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度在不同高度的分布，固体燃剂燃烧场温度约2 250K、氮气相对浓度16%～20%。     

Comparison of different CARS variants for concentration measurements in combustion research

Summary Different strategies are discussed to use CARS spectroscopy for measuring mole fractions of combustion species. The influence of various physical parameters on both shape and total intensity of spectral bands is studied. Two variants for concentration measurements are compared based either on spectralshape analysis or frequency-integrated intensity ratios. The analysis leads to the conclusion that concentrations from a spectral-shape fit are more sensitive to inaccuracies of input parameters than band intensities. Paper presented at the ?XI European CARS Workshop?, Florence, Italy, 23–25 March, 1992.     

宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场

报道了采用单次脉冲非稳腔空间增强探测 相干反斯托克斯喇曼散射（USED CARS）技术诊断常压下固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度。采用宽带USED CARS技术,在固体燃剂瞬态燃烧场获得了较高信噪比的单次激光脉冲氮气Q支CARS实验谱,用CARS理论计算软件拟合CARS实验谱,给出了固体燃剂瞬态燃烧场温度和氮气浓度在不同高度的分布,固体燃剂燃烧场温度约2 250K、氮气相对浓度16%～20%。     

Oxygen concentration and temperature measurements in N2–O2 mixtures using rotational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy

The accuracy and precision of oxygen concentration and temperature measured by dual-broadband rotational Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) were investigated in nitrogen-oxygen mixtures at atmospheric pressure and temperatures between 290 and 1410 K. The relative standard deviation of temperatures evaluated from pure oxygen rotational CARS spectra was found to be around 5%, and the mean temperature was the same as for nitrogen CARS spectra, except for temperatures above 1000 K, where the temperature was 120 K below the correct value. The in situ calibrated oxygen concentrations were within 10% of the correct value, with a standard deviation of around 1.2% for the mixtures of 12 and 20% oxygen in nitrogen. For the lowest oxygen concentrations considered in this study (2 and 4%), the systematic errors in the evaluated concentrations were very large, and the standard deviation of repeated single-shot measurements was above 2%. However, employing weighting in the spectral fitting routine reduced the errors in the concentration and the single-shot standard deviation was lowered to 0.5%. Finally, it was shown that spectral interference (from oxygen) in a rotational CARS spectrum of nitrogen generally had little impact on the temperature evaluated from fitting the spectra to theoretical nitrogen spectra.     

分时窄带CARS光谱技术在测量烯烃浓度方面的应用

基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱技术机理,针对甲醇制烯烃(MTO)产物中多种组分烃类的探测需求,搭建了一套扫描式窄带CARS光谱实验装置。采用该装置对甲烷,乙烷,乙烯,丙烯分别进行CARS光谱扫描,获得了各分子的特征拉曼谱;并在相同实验条件下进行比对试验,得到不同分子特征峰处的CARS信号强度与目标气体浓度及其他背景气体之间的关系。通过建立简化模型对不同分子的CARS信号特征峰强度信息进行解析,提出了一种分时窄带CARS光谱探测多种拉曼活性气体浓度的方法,用于快速在线分析催化化工等领域中各类流体的组分。利用这种方法探测了甲烷,乙烯,丙烯的浓度,将实验误差控制在9%以内。     

次黄嘌呤及其核苷的THz光谱

利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy,简称THz-TDS)技术研究了次黄嘌呤及其核苷在03—16THz波段的光谱特性.结果显示THz波对该碱基及核苷的结构变化有灵敏响应,其中次黄嘌呤在该波段无特征吸收,而其核苷在14THz处有强的指纹特征吸收峰,根据Hartree-Fock模拟计算提示该低频振动来源于嘌呤环与戊糖环的扭摆振动.定量研究的结果表明,在一定浓度范围内所测化合物THz吸收强度与浓度呈线性关系,符合朗伯-比尔定律.利用THz谱成分分析法对次黄嘌呤及其核苷的混合物进行了定量解析,获得了混合物中各成分的含量,相对误差不超过7%,并就误差产生的原因做了简要分析. 关键词： 太赫兹时域光谱 次黄嘌呤 次黄嘌呤核苷 定量分析     

含萘荧光单体和聚合物的紫外和荧光分析

分别用紫外分光光度法和荧光光谱法对含萘荧光单体2-(甲基丙烯酰氧)-N,N-二甲基-N-(1-萘甲基)乙基氯化铵和相应的聚合物进行检测。在λmax=222nm下测定不同浓度的含萘荧光单体和聚合物的吸光度,线性相关系数均为0.9995。同时在λex=222nm和λem=332nm条件下研究两者的荧光光谱,样品浓度与荧光强度成良好线性关系,相关系数可达0.9998。对比两种分析方法表明,两者的荧光测定检出限相对较低,操作简单快捷,准确性和可行性高,可很好地监测水处理剂中聚合物的含量,从而实现水处理系统在线检测和自动控制。     

基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微能够对样品的特殊化学组分进行选择性成像,无需荧光标记,在生物医学领域被广泛应用.然而,传统的CARS图像往往存在非共振背景信号.本文将基于光强传输方程的单光束相位成像技术用于CARS显微成像,来抑制CARS的非共振背景信号.该方法通过记录样品在三个相邻平面上的CARS图像,然后利用光强传输方程获取CARS光场的相位分布,最后利用共振CARS信号和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制.该方法无需参考光,通过三次测量可完成CARS的背景噪声抑制,具有良好的应用前景.