荧光光谱法检测角膜晚期糖基化终末产物研究

晚期糖基化终末产物（AGEs）是一种结构多样的化合物,在人体血糖高于正常范围时,会大量产生且不能通过自身代谢降解,具有血糖长期异常的记忆作用。研究表明AGEs是引起糖尿病及其并发症的重要因素之一,通过检测体内AGEs的积累情况可以预测糖尿病及其并发症的发生和发展进程。现有的离体AGEs检测方法存在操作复杂、时间较长、成本较高和不易推广等问题;在体AGEs检测方法存在皮肤色素、年龄和血红蛋白干扰等问题。为此,基于角膜良好的光学特性和AGEs的自体荧光特性,提出一种角膜晚期糖基化终末产物荧光光谱检测方法。构建了一套角膜AGEs荧光光谱检测系统,系统由微型光纤光谱仪、集成LED激发光源、Y型12+1光纤和PC端光谱处理显示软件组成。荧光光谱检测系统采用激发光源波长分别为370和395 nm在暗室条件下对17名志愿者（男性9人,女性8人,糖尿病患者4人,年龄最小15周岁,最大81周岁）进行数据采集,得到激发光波长分别为370和395 nm的荧光光谱数据。为了准确识别荧光光谱中的有用信息,先截取需要的荧光光谱数据段（450~700 nm）,然后对其进行去除背景噪声、归一化、小波变化等方法处理,可以将荧光光谱中不明显的荧光峰值进行放大和识别。实验结果发现,采用波长为370和395 nm的LED作为激发光源,检测到角膜发射的荧光光谱范围在420~600 nm内,并且都分别在450~500,500~550和550~600 nm三个范围内存在光谱峰值。根据荧光性物质的荧光峰值与激发光波长无关的原理,表明两种不同波长的激发光所得到的荧光光谱都是由同一种物质AGEs产生。对糖尿病患者和正常人的荧光峰值强度进行分析,显示糖尿病患者的荧光强度明显高于正常人,表明本研究通过荧光光谱法检测角膜晚期糖基化终末产物具有可行性。     

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%。     

宽带腔增强吸收光谱技术应用于大气NO3自由基的测量

NO3自由基是夜间大气化学中最重要的氧化剂,控制着多种痕量气体成分的氧化及去除,了解NO3自由基的化学过程对研究灰霾等大气污染过程意义重大.NO3自由基浓度低、活性强,实现大气NO3自由基的高灵敏度准确测量相对困难.本文介绍了大气NO3自由基的宽带腔增强吸收光谱定量方法,采用红光LED作为宽带腔增强吸收光谱系统光源,设计低损耗且适合国内高颗粒物环境的采样气路,并通过LED光源测试确定最佳工作电流和温度;通过采用白天的大气谱作为背景光谱参与NO3自由基的光谱拟合过程,减少水汽对NO3自由基光谱反演的干扰;通过对镜片反射率和有效腔长进行标定,对系统性能进行Allan方差分析,该宽带腔增强吸收光谱系统在光谱采集时间为10 s的情况下,NO3自由基极限探测灵敏度为0.75 pptv,总测量误差约为16%.在合肥开展了实际大气NO3自由基观测,观测期间NO3自由基的浓度范围从低于探测限到23.4 pptv,NO3自由基浓度呈现夜间高、白天低的特征,符合NO3变化规律,表明该宽带腔增强吸收光谱系统能够用于实际大气NO3自由基的高灵敏度测量.     

漫反射光谱技术快速无创检测皮肤胆固醇

针对皮肤胆固醇无创检测的迫切需求,设计了一种基于微型光谱仪的便携式和智能化的皮肤漫反射光谱实时测量系统。配制毛地黄皂苷—辣根过氧化物酶共聚物溶液,利用毛地黄皂苷可与皮肤胆固醇分子中的羟基特异性结合和辣根过氧化物酶能与TMB试剂(主要成分为3,3’,5,5’-四甲基联苯胺)反应显色的特性,实现皮肤胆固醇的高灵敏和高特异的识别与指示,并通过测量反应后颜色的变化程度来定量皮肤胆固醇的浓度。以与人体皮肤结构相近的猪皮肤为实验对象,采用萃取法获得梯度浓度的胆固醇样本,利用上述光谱测量系统检测样本内的胆固醇浓度来验证该方法的可行性。实验结果显示,相对漫反射率能够区分不同浓度的胆固醇样本,在特征单波长(442,450和463 nm)处和特征波段442~500 nm内,漫反射率强度因子均可以定量反映样本内的胆固醇浓度,经线性拟合,判定系数R2分别为0.960,0.959,0.958和0.958。研究结果表明,使用漫反射光谱技术可以实现皮肤胆固醇的快速无创检测,将其应用于动脉粥样硬化性疾病风险评估,对于该类疾病的防控具有重要意义。     

阵列LED油品检测系统的设计

为了实现对输油管道上油品的测量,本文根据近红外光谱分析的基本原理,以及汽油和柴油的实际光谱图像的差异,设计了基于LED阵列的油品测量实验系统。该检测系统采用模块化设计,以多个不同中心波长的近红外LED组成阵列作为光源,并选用TI公司推出的带24位ADC的系统级高精度微控制器——MSC1211为系统的数据采集及控制核心,使系统具有体积小、结构简单、分立器件少、集成度高的优点。这些特性为系统在输油管道上的应用奠定了基础。     

LED光学参数测试方法研究

通过分析LED（发光二极管）发光机理和封装特点，选择了LED需要测试的光学参数：光通量、亮度、发光强度、空间光强分布、相对光谱功率分布及色度，进而研究了每个光学参数的特点。根据其特点，制定了每个光学参数的测试原理以及相应的计算公式，最终确定了各参数的测试方法。设计了LED光通量测量系统、亮度和发光强度测量系统、发散角及空间光强分布测量系统、相对光谱功率分布及色度测量系统。实际应用表明：这些系统均能满足目前工作需要。     

皮肤晚期糖基化终末产物的自体荧光光谱特性

在分析晚期糖基化终末产物(Advanced glycation end products,AGEs)标准品三维荧光光谱和皮肤中AGEs自体荧光光谱的基础上,确定了皮肤中AGEs的最佳激发波长为370 nm.使用自行设计的皮肤荧光光谱检测装置对正常人和糖尿病患者皮肤AGEs的荧光光谱进行了检测,结果表明:在418,450...     

一种新的白光光纤传感系统波长解调方法

提出了一种新的白光非本征法布里-珀罗干涉（EFPI）光纤传感系统的干涉谱处理方法,在白光法布里-珀罗干涉光纤传感系统中,一个中心波长为850nm的发光二极管（LED）作为宽谱光源,HR2000高分辨力微型光谱仪用来测量返回的干涉光谱。通过跟踪干涉光谱中的特定谱峰点,法布里-珀罗干涉传感器的腔长值可以被解调出来。应用反向传播神经网络,解决了单峰测量方式的级次模糊问题。反向传播神经网络能够分辨出干涉谱中不同谱峰的干涉级次,因而可以进行多个谱峰的连续跟踪。从而实现了高精密度、大动态范围的测量。进行了基于这种干涉谱处理方法的白光法布里-珀罗干涉传感系统的应变测量实验。利用该传感系统实现了精密度达0．1με,500με范围的应变测量。     

LED光源DOAS方法的夜间NO2气体浓度遥测研究

针对现有利用自然光源的被动DOAS测量方法无法实现夜间对NO₂等痕量气体进行垂直分布探测的问题,提出构建一种基于窄带光源蓝光LED技术的DOAS测量NO₂的方法,搭建了仪器系统,成功地实现了夜间对NO₂气体浓度的测量。该系统主要分为灯源发射系统和望远镜接收系统两部分,采用主波长为450nm的LED作为光源,通过望远镜采集发光束的散射光,利用光纤耦合将望远镜接收到的散射光导入光谱仪中,结合DOAS原理运用计算机进行处理。DOAS的理论基础是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律,据此原理可将数据处理过程概述如下：首先采集相对干净光谱作为背景参考谱,用实际测量大气谱除以参考谱,利用数字高通滤波去除慢变化部分,然后取对数,即可获得光学厚度;其次将仪器函数与NO₂的高分辨率截面卷积,得到与所用仪器相匹配的低分辨率吸收截面;最后将差分吸收截面与处理后的差分光学厚度相结合,运用最小二乘法拟合并结合光程L即可获得NO₂浓度值。同时可通过调节灯源光速发射角度及望远镜接收角度,测出不同位置处NO₂浓度值,进而给出NO₂气体浓度的立体分布信息。在算法确定的情况下,LED灯谱质量对仪器系统的可靠性显得尤为重要。由于LED光谱受温度及驱动电流影响较大,为了保证LED处于最佳工作状态,开展了LED光谱温度及驱动电流敏感性实验。测试结果表明,要确保采集到的光谱稳定且具有较高质量,LED工作温度应低于20 ℃,驱动电流需控制在1.5 A以内,且两者波动范围较小。实验中,LED实际工作温度为10~15 ℃,驱动电流为1.4 A,控制精度±1 mA,能够满足实验要求。为了提高LED阵列密度、获得更加集中的发光束,LED底座基板采用正六边形结构,每块正六边形基板上7只LED串联,各个基板之间并联。经计算较采用矩形结构,其空间利用率提高了8%。各基板工作电流1.4 A,最大电压23.8 V,易于扩展,维护方便。为了验证方案可行性及系统的可靠性,进行了实验室测试及外场实验。实验室采用NO₂样气浓度为1 642.86 mg·m-3, 不确定度5%。系统测量结果为1 607.54 mg·m-3, 与标定值误差为2.15%,在标定的不确定度范围以内,经计算系统检测线为0.014 3 mg·m-3(6.942 ppb),因此可认为测量结果准确。将外场实验测量结果与同时段国控站点给出的NO₂数据进行了对比,对应时间段结果偏差均在10%以内,两组数据线性拟合一致性较好,相关系数达0.967,表明该系统所测NO₂结果较准确。研究结果表明,在确保LED光源稳定的基础上,采用基于窄带光源蓝光LED的DOAS方法能够实现夜间对NO₂气体垂直分布情况测量。为大气痕量气体垂直分布测量、特别是在夜间条件下对痕量气体立体分布测量提供了一种新的思路。     

基于神经网络模式识别的糖尿病无创风险评估方法研究

晚期糖基化终末产物在人体皮肤组织中的浓度与高血糖水平密切相关,且具有自发荧光特性。使用自行研制的光学无创检测装置对人体皮肤组织的自体荧光光谱进行测量,建立神经网络模式识别模型对检测对象患有糖尿病的可能性进行风险评估。利用检测装置获取荧光光谱后对光谱数据进行主成分分析,选取前4个主成分作为光谱的特征,建立一个具有4个输入层节点、6个隐层节点、1个输出节点的神经网络模式识别模型。选取在安徽省立医院测量的487例对象数据训练该模型,以70%数据作为训练集,15%数据作为验证集,15%数据作为测试集。模型可给出测试对象罹患糖尿病的风险,或直接给出是否糖尿病的判断。结果显示该模型的受试者工作特性曲线的线下面积为0.81,标准误差为0.02;以模型输出0.5为分类界限时的敏感性为72.4%,特异性为77.6%,整体准确率为74.9%。本研究首次提出使用皮肤组织自体荧光结合神经网络模式识别模型对糖尿病进行无创风险评估,实验结果表明该方法的筛查效果优于目前常用的空腹静脉血浆血糖值法和糖化血红蛋白法。     

Calculation of Transfer Functions of Multilayer Biotissues in the Problems of Correction of Their Fluorescence Spectra

A method for rapid calculation of a flux of stimulated fluorescence of a multilayer optically dense medium with inhomogeneous distribution of the fluorophore has been developed. The light field in the medium at the excitation wavelength of fluorescence is represented by a superposition of incident collimated, incident diffuse, and reflected diffuse fluxes. A two-stream approximation is used to describe the light field in the medium at the wavelength of emission of the fluorescence. Fluxes in adjacent elementary layers of the medium and on its surface are connected by simple matrix operators that are obtained using a combination of engineering approaches of radiation-transfer theory and single-scattering approximation. The calculations of fluorescence fluxes of a four-layer biotissue that are excited and recorded at 400–800 nm are compared with their Monte Carlo simulation with a discrepancy of 1%. The effect of the propagation medium on the fluorescence spectra of 5-ALA-induced protoporphyrin IX that are recorded from human skin was studied, and a technique for their correction that is based on measurements and quantitative analysis of the diffuse reflectance spectrum of skin was proposed.     

靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量技术

为了精密检测靶丸壳层厚度及其分布数据,开展了靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量技术研究。介绍了靶丸壳层的白光反射光谱及其光谱数据处理方法（极值法、峰值拟合法、干涉级次校正法等）的基本原理,搭建了基于白光反射光谱的精密回转轴系测量装置;开展了GDP靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量、数据处理和可靠性验证实验,获得了靶丸壳层厚度圆周分布曲线。结果表明,基于峰值拟合法和干涉级次校正的白光反射光谱技术可实现靶丸壳层厚度及其分布的准确测量,其测量误差小于0.1 μm。     

Fluorescence polarization imaging for delineating nonmelanoma skin cancers

We present a method for detecting nonmelanoma skin cancers using exogenous fluorescence polarization. We built an automated system that permits exogenous fluorescence polarization imaging. It includes a tunable linearly polarized monochromatic light source and a CCD camera equipped with a rotating linear polarizer and a filter to reject excitation light. Two fluorophores that are retained in tumors, toluidine blue and methylene blue, are employed. We demonstrate that fluorescence polarization imaging can be used for accurate delineation of nonmelanoma cancers. The results suggest that this optical technique may be suitable for real-time noninvasive demarcation of epithelial cancers.     

球面镜真空紫外光谱反射率的高精度测量

为了实现对球面镜真空紫外光谱反射率的直接测量,构建了一套真空紫外光谱反射率测试系统。该系统以氟化镁窗口氘灯与Seya-Namioka凹面光栅单色仪产生单色光源,反射式调制器与参考探测器做光学补偿,内径80mm的荧光积分球与精密转台作为接收系统。光学补偿消除单色光源不稳定性,荧光积分球消除了两次测量光斑不同对探测器响应的影响,且减少了系统的能量损失。利用该系统测量了115～180nm球面镜的反射率,测试结果表明测量重复性优于±0.3%;按国际通用不确定度评估规范,对系统进行不确定度分析,相关不确定度小于1.3%。实现了球面镜反射率的高精度测量。     

星上定标漫射板远紫外BRDF测量方法

针对星载漫射板远紫外波段(140~240nm)的双向反射分布函数测量过程中,探测器响应线性问题和紫外光源稳定性差的问题,提出一种采用光源监测比例补偿的相对测量方法.根据测量方法设计了一种基于六自由度转台结构形式的测量系统,该系统采用漫射板两维平移+两维转动、探测器两维转动的组合运动形式,可实现漫射板半球空间内任意点、任意方位的双向反射分布函数测量.用所提方法进行测量实验,并对影响系统测量结果的主要因素进了不确定度分析,结果表明总测量不确定度约为5.5%.     

多波长LED阵列诱导荧光光谱在多组分分析中的应用研究

荧光光谱技术是对水中的溶解有机物、油类污染物,以及各种浮游植物生物量识别与测量的有效手段之一。构建了多波长LED阵列(450～610 nm)诱导荧光光谱测量系统,讨论了系统的原理和利用此系统进行多组分分析的方法。在实验室应用该系统获取了多组分混合荧光物质溶液的三维荧光光谱,并采用平行因子算法分析了多组分三维荧光光谱数据,结果显示得出的多组分浓度值与实际浓度的相关性大于98％。表明基于多波长LED阵列诱导荧光光谱测量系统在多组分分析中具有很好的应用前景。     

A simple way for improving the identification of the central fringe in a fibre-optic white-light interferometer

A white-light fibre-optic interferometer working in the spatial domain, using a special three-peak-wavelength LED as the light source, is presented. Based on the Gaussian spectrum distribution function, a simple spectrum decomposing method has been used to describe the special three-peak-wavelength LED source. Experimental and theoretical analyses show that the special three-peak-wavelength LED source can be used in white light interferometry to simplify the problem of central fringe identification.     

基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法

提出了基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法,对大鼠脑水肿的程度进行无创监测.阐述了监测设备的测量原理和系统组成,并对大鼠实验数据结果进行了分析.监测系统光源选用760 nm和程序850 nm的双波长发光二极管,通过恒流源电路驱动进行驱动.选用OPT101作为检测器,用锁相放大电路和滤波电路对所测信号进行处理.在LabVIEW环境下通过数据采集卡进行数据采集,并进行后期处理,该系统能够实时测量大鼠脑组织的血氧变化.利用该系统测量脑水肿模型的大鼠,分析了光强、血氧参量的变化与脑水肿变化的关系.研究结果表明近红外光电技术可应用于对大鼠脑水肿程度进行无损监测.     

光谱校正技术在皮肤晚期糖基化终末产物检测中的应用

利用近紫外荧光光谱测量了人体皮肤组织晚期糖基化终末产物,并针对由被测皮肤组织吸收和散射引起的光谱畸变问题,重点研究了自体荧光光谱校正技术在荧光无创检测中的应用。采用波长为370nm的单色光照射人体手臂内侧皮肤,用光纤探头收集自体荧光光谱。在同一测试位置对荧光波段进行光谱扫描,得到皮肤组织反射率曲线。通过利用皮肤反射率曲线校正相应自体荧光光谱来获得固有荧光光谱。分别对糖尿病患者和健康对照组进行光谱检测和光谱校正,分析比较不同测试对象的校正结果。实验结果表明,光谱校正技术剔除了不同测试对象的皮肤差异对自体荧光光谱的影响,获得的固有荧光光谱能够作为区分糖尿病患者和健康对照组的依据。     

基于叶绿素荧光光谱和反射光谱的甜瓜种子品种鉴别

甜瓜的品种多样,富含多种营养成分,甜瓜种子品种不纯将对甜瓜生产造成一定危害,研究采用种子的叶绿素荧光光谱结合反射光谱的分析方法鉴别甜瓜种子品种,以甜瓜品种“一特白”、“一特金”、“京蜜7号”、“京蜜11号”、“伊丽莎白”为研究对象。构建了甜瓜种子品种鉴别光谱系统,包括激发光源单元、光谱数据采集单元和数据处理单元,使用该系统获取不同品种甜瓜种子的光谱数据。对光谱数据分别进行一阶导数(first derivative, FD),Savitzky-Golay(SG) 平滑,FD结合SG平滑预处理。采用主成分分析(principal component analysis, PCA)方法降低光谱数据的维数,提取主成分。使用两种不同分组方法将样品按照3∶1的比例分为训练集和验证集,并分别采用Fisher判别和Bayes判别分析方法建立甜瓜种子品种的判别模型。本文比较了仅使用叶绿素荧光光谱与使用叶绿素荧光光谱结合反射光谱建立判别模型的判别结果,结果显示,使用叶绿素荧光光谱结合反射光谱建模的判别结果优于仅使用叶绿素荧光光谱建模的判别结果,Fisher判别分析和Bayes判别分析的验证集样品品种的判别正确率均达到98.0%。研究结果表明,采用叶绿素荧光光谱结合反射光谱鉴别甜瓜种子品种具有可行性。