Sensing cell metabolism by time-resolved autofluorescence

We built a time-resolved confocal fluorescence spectroscopy system equipped with the multichannel time-correlated single-photon-counting technique. The instrument provides a unique approach to study the fluorescence sensing of cell metabolism via analysis of the wavelength- and time-resolved intracellular autofluorescence. The experiments on monolayered cell cultures show that with UV excitation at 365 nm the time-resolved autofluorescence decays, dominated by free-bound reduced nicotinamide adenine dinucleotide signals, are sensitive indicators for cell metabolism. However, the sensitivity decreases with the increase of excitation wavelength possibly due to the interference from free-bound flavin adenine dinucleotide fluorescence. The results demonstrate that time-resolved autofluorescence can be potentially used as an important contrast mechanism to detect epithelial precancer.     

Four-wavelength time-resolved optical mammography in the 680-980-nm range

What is to our knowledge the first instrument for time-resolved optical mammography operating at wave-lengths longer than 900 nm has been developed. It is a scanning system that relies on the acquisition of time-resolved transmittance curves at 683, 785, 912, and 975 nm, with a total measurement time of approximately 5 min for an entire image. Breast structures and lesions can be discriminated based on the different absorption and scattering properties at the four wavelengths, which reflect different contributions of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, water, and lipids, as well as distinct structures. The system is currently used in a European clinical trial.     

长寿命吸收过程对超快动力学过程测量的影响

使用飞秒时间分辨抽运-探测透射光谱技术,实验研究了GaAs体材料中光激发载流子的超快弛豫动力学的波长依赖.在相同的光激发载流子浓度和抽运/探测比时,发现760 nm和780 nm两中心波长处的瞬态透射变化延迟扫描信号出现负的和振荡的信号.与模拟计算结果对比,判定该实验瞬态信号是错误的.分析探测器输出波形,发现是由于反相波形导致的,而引起反相波形的原因在于样品中存在长寿命的吸收过程.指出通过提高探测器上的抽运/探测比能够矫正反相波形,从而获得正确的瞬态透射变化动力学.提高探测器上的抽运/探测比与目前的应尽量减小抽运光对探测器的散射贡献的观点是对立的.文章的研究结果对应用抽运-探测时间分辨光谱技术正确地测量超快瞬态动力学过程具有重要的参考价值. 关键词： 时间分辨抽运-探测透射光谱 饱和吸收 吸收增强 GaAs体材料     

Imaging of 1-nm-thick films with 193-nm microscopy

We have implemented a reflected-light microscope operating in the deep ultraviolet at 193 nm. Many materials absorb strongly at this wavelength, providing greatly enhanced contrast compared with visible and near-ultraviolet microscopes. Polymer films as thin as 1 nm and SiO(2) films as thin as 3 nm have been imaged with this nonoptimized instrument. We have also calculated image contrast for several thin-film materials that are important in semiconductor processing, and we show that 193-nm light provides 60-485x better contrast than visible light (500 nm) and 4-95x better contrast than near-ultraviolet light (315 nm) for these materials.     

激光等离子体受激Raman散射光谱的时间分辨测量

采用光学多道谱仪和光学条纹相机耦合,组成时间分辨的Raman散射光谱测量系统,可实现0.5nm的光谱分辨和好于10ps的时间分辨。采用该测量系统,在神光Ⅱ装置上开展了脉宽1ns、波长351nm的激光与两种不同尺寸柱腔靶相互作用的物理实验,获得了时间分辨的SRS光谱实验结果。研究表明,SRS光谱在时间上相对于入射激光有一定的延迟,腔靶尺寸减小时,延迟时间随之减小。通过长、短波截止波长分析电子密度方法,计算得出了Ⅰ型和Ⅱ型腔靶SRS散射光最短波长光谱发生的密度区分别为0.069nc和0.027nc。     

温室作物长势的光谱学诊断方法研究与仪器开发

利用便携式光谱辐射仪测量了温室栽培黄瓜叶片的光谱反射率,相关分析结果表明：527 和762 nm是可用来预测叶片氮素含量的敏感波长。利用敏感波长处的反射率,生成了归一化颜色指数(NDCI),并建立了基于NDCI的黄瓜叶片氮素含量预测模型,模型的相关系数达到了0.881。在上述研究的基础上,开发了一种基于光导纤维的便携式作物长势诊断仪。仪器主要包括四个部分：反射光采集系统、测光单元、信号调理电路和数据采集系统。从作物表面反射的自然光经过光纤传输至光电转换单元,经滤光后得到所需要的敏感波长,光电器件将光信号转变为电信号,然后根据预测模型判别作物的生长状态。标定试验结果表明,仪器所测的光谱数据与作物叶绿素含量之间存在显著的线性关系。     

基于CCD器件的农药荧光检测系统的研究

根据一些有机农药受到紫外光激发能够发出荧光的光谱特性,设计了基于荧光分析的农药浓度检测装置。系统以脉冲氙灯为激发光源,采用光纤进行传输和探测荧光,利用CCD线阵实现了光电信号的转换,设计了相应的弱信号处理电路,并由微机进行存储和显示。利用该系统实现了对西维因农药的荧光光谱特性的检测。实验结果表明,在激发波长319nm、荧光波长647nm时,最小检测浓度为5×10-7μg/L,西维因浓度范围在0~120.0μg/L之间时系统具有较好线性关系,线性相关系数r为0.9996(S/N=5)。该系统能满足荧光测量的需要。     

基于光谱技术的土壤有机质快速测定仪的开发

在理论分析的基础上设计开发了一套基于光谱技术的土壤有机质测定仪。测定仪由光学部分和电路部分组成。光学部分包括光源、传导光纤、检测室、样品盒、滤光片以及光电传感器等元器件,主要作用是：把光源的光导入土样表面、收集土壤表面的反射光、滤光、将光信号转换为电信号;电路部分包括放大电路,AD转换电路,液晶显示电路和U盘存储电路。选取三种滤光片对仪器进行了标定实验,三种滤光片的中心波长分别是530 , 765和850 nm,被测土样有烘干土样和风干土样。试验结果表明：当滤光片中心波长为850 nm时烘干土样获得最高测量精度(r2=0.930),在此条件下风干土样预测模型的决定系数为r2=0.711,虽然受水分的影响精度有所降低,但仍可满足田间快速测试的要求。     

宽波段太阳辐照度仪光谱定标方法研究

宽波段太阳辐照度仪采用fèry棱镜分光,利用线阵CCD反馈控制光谱扫描,波长覆盖范围为400~2 500nm.为实现该仪器的高准确度光谱定标,在实验室内利用单波长激光器和OPO激光器分别作为光源.通过光谱扫描,得出定标波长与CCD像元的对应关系.根据棱镜参量和光路设计参量推导出全波段内光谱定标方程,实现全波段光谱定标.通过与其他特征波长比较,分析得出光谱定标合成不确定度优于0.5nm.用定标好的仪器进行室外测量,将测量结果与大气辐射传输软件modtran4模拟结果相比对,可得实际测量的大气吸收峰与模拟结果一致.将该方法在红外波长区域定标结果与传统的多项式拟合光谱定标方法对比,显示该定标结果优于传统多项式拟合方法.证明该定标方法的正确性和仪器设计的合理性.     

利用多光纤耦合及光学多道分析器实现多对象光谱同时实时采集

报道了一种使用多光纤耦合及光学多道分析器实现多对象光谱同时实时采集的方法和装置。利用该装置成功地采集了单对象、3对象和 5对象光谱。空间分辨率达到 0 5mm ,光谱探测范围 2 0 0～ 110 0nm ,使用OMA 4系统 ,在 1cm2 的象面上最多可采集对象达 2 0。为了保证该装置充分利用光能 ,又尽量减小对光谱仪分辨率的影响 ,对所使用的耦合透镜的光路设计进行了探讨。该装置在光束传输中的质量监控以及在光谱时间、空间分辨测量中可得到广泛的应用。     

常用合成食品色素荧光光谱研究

分析合成食品色素的分子结构特点,根据荧光与分子结构的关系,理论上推断合成食品色素是荧光物质。应用SP-2558多功能光谱测量系统,测得胭脂红、苋菜红、柠檬黄、日落黄、亮蓝等五种最常用的合成食品色素标准溶液的三维荧光光谱。结果表明,胭脂红在波长330～430 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为621 nm,最佳激发波长为376 nm;苋菜红在波长300～440 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为643 nm,最佳激发波长为370 nm;柠檬黄在波长280～380 nm的光激发下,产生很强荧光,荧光峰值波长为565 nm,最佳激发波长为315 nm;日落黄在波长310～410 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为592 nm,最佳激发波长为348 nm;亮蓝在波长320～390 nm的光激发下,产生较强荧光,荧光峰值波长为456 nm,最佳激发波长为350 nm。进而对这五种合成食品色素的荧光光谱进行了分析讨论。结果可为食品色素检测和食品安全提供帮助。     

高速紫外-可见分光光度计的研制

研制了一种采用线阵CCD的高速紫外-可见分光光度计。报道了该分光光度计的硬件结构、软件系统设计和初步的性能测试结果。初步测试结果：波长范围 200～820 nm,全谱扫描时间<0.1 s,光谱带宽 0.7 nm,波长精度 ±1 nm,光度精度±0.005 AU,杂散光<0.1％,基线平直度<0.001 AU(rms)。该仪器使用操作简便,测量速度快,性能优良,具有强大的光谱数据分析与处理功能,而且还独具远程操作和访问功能。预期该仪器除了可用于常规分析测试外,还适用于化学和生物等领域的动力学反应研究。     

甲醇在TiO2(110)表面光催化氧化的波长相关性

用程序升温脱附谱的方法研究了甲醇在TiO₂(110)表面光催化氧化的波长相关性．对于不同波长的激发光,甲醇光催化解离的产物相似,都是在光照的过程中通过O-H键和C-H键的断裂形成甲醛,解离出的氢原子转移到相邻的两配位的桥氧原子(O_b)上形成O_bH．但是反应速率与激发光波长强烈相关．在360 nm光照下,甲醇的反应速率是400 nm光照时的4.8倍．这与以前使用时间分辨的飞秒激光吸收光谱测量的结果是一致的,他们认为近带隙激发和过带隙激发产生的电荷相比,前者的复合速率要远快于后者．     

单色仪波长定标中狭缝设置的影响分析

单色仪作为一种分光仪器，在传感器的辐射定标等方面具有重要应用。在实际应用过程中，其波长和带宽的设置对传感器的精确定标具有重要影响。使用低压汞灯作为波长标准光源，通过对其特征谱线扫描的方法，研究了传感器定标过程中，设置单色仪不同的狭缝宽度，对传感器精确定标具有重要影响。结果显示，当出射入射狭缝相同，同时改变其宽度的情况下，与典型校准状态(出射入射狭缝宽度设置为0.5 mm)相比，波长偏差量达到0.17 nm；当入射狭缝与出射狭缝不一致时，与典型校准状态相比，波长偏差量达到0.18 nm；当光源未充满入射狭缝与充满入射狭缝相比，最大误差达到0.02 nm，该影响几乎可以忽略。在相关的传感器光谱辐射定标实验研究中，单色仪的定标精度和准确性评估等方面具有重要应用。     

开放光路非相干宽带腔增强吸收光谱技术测量大气NO2

采用蓝色发光二极管(LED)作为非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统光源,测量了436～470nm波段内NO2样气的吸收,验证IBBCEAS的高探测灵敏度。通过氮气和氦气两者瑞利散射截面的差异标定了镜片在430～490nm波段内的反射率,并利用纯氧中氧气二聚体(O2-O2)在477nm处的吸收验证了镜片反射率标定的准确性。镜片反射率在461nm处最大且为0.99937,光学腔长度为73.5cm时的最大有效光程为1.17km。当光谱采集时间为20s时,NO2的探测灵敏度(1σ)达到了0.25×10-9。进行了开放光路下环境大气中NO2和O2-O2在454～486nm波段内的吸收测量,结果表明大气中气溶胶等颗粒物的Mie散射消光降低了IBBCEAS仪器的探测灵敏度(1.04×10-9)。大气中O2-O2的测量为IBBCEAS吸收光程的在线标定提供了一种可行的途径。     

神光Ⅱ激光装置的全口径背向散射测量系统

报道了基于神光Ⅱ激光装置的全口径背向散射测量系统。系统通过激光聚焦透镜收集激光等离子体相互作用产生的散射光;两个热能量卡计分别测量波长348~354 nm范围的受激布里渊散射和波长400~700 nm范围的受激拉曼散射产生的散射光。该系统可以测量散射光的能量、功率和光谱图像,提供优于0.5 nm光谱分辨和10 ps时间分辨的光谱物理信息。同时采用PIN二极管阵列对聚焦透镜外侧附近的近背向散射光信息进行测量。     

Dependence of silicon position-detector bandwidth on wavelength, power, and bias

We have developed a two-LED wobbler system to generate the spatial displacement of total light intensity on a detector surface, facilitating the acquisition of frequency responses up to 600 kHz with high accuracy. We have used this setup to characterize the low-pass filtering behavior of silicon-based position detectors for wavelengths above 850 nm by acquiring the frequency responses of several quadrant detectors and position-sensitive detectors as functions of wavelength, applied bias voltage, and total light power. We observed an increase in bandwidth for an increase in applied bias voltage and incident-light intensity. The combined effect of these parameters is strongly dependent on the detector used and has significant implications for the use of these detectors in scanning probe and optical tweezers applications.     

Laboratory measurements of light scattering by tropical fresh water diatoms

Laser light scattering characteristics of tropical fresh water diatoms and their siliceous frustules have been measured as a function of scattering angle at 543, 594 and 632 nm wavelengths by using an indigenously designed and fabricated laboratory light scattering instrument in an attempt to carryout morphological characterization of the unique regular structures specific to these type of tropical fresh water diatoms. The instrument incorporates an array of 16 highly sensitive static Si detectors that measured scattered light signals from 10° to 170° in steps of 1°. A comparative analysis between the results obtained by using the three different incident wavelengths has shown that highest resolution is obtained at 543 nm incident wavelength.     

Picosecond time-resolved photoluminescence at detection wavelengths greater than 1500 nm

We report what is to our knowledge the first application of high-efficiency InGaAs/InP photon-counting diode detectors in time-resolved photoluminescence measurements at wavelength greater than 1500 nm. When they were cooled to 77 K and used in conjunction with the time-correlated single-photon counting technique, the detectors were capable of an instrumental response of 230 ps and a noise equivalent power of 2x10(-17)W Hz(-1/2) . Preliminary measurement of a semiconductor heterostructure indicates sensitivity at photogenerated carrier densities as low as 10(14)cm (-3) . This development facilitates the detailed characterization of dominant recombination mechanisms in semiconductor optoelectronic materials and devices designed to operate in the third telecommunications spectral window.     

应用于FAGE技术测量OH自由基的激光器波长修正方法研究

研究了一种应用于气体扩张激光诱导荧光(FAGE)技术测量OH自由基的染料激光器波长修正方法。该方法采用镍铝丝热解水汽产生稳定的高浓度OH自由基,利用重复频率为8500 Hz的染料激光器输出波长约282 nm激光作为光源.激发低压腔内热解产生的高浓度高稳定性OH自由基产生荧光,由普通光电倍增管和光电二极管分别探测激发荧光和出腔激光强度。通过延时信号发生器统一触发激光器和高速数据采集卡并结合LabVIEW软件处理得到单位激光强度的荧光积分强度数据。连续两次扫描激光波长,当第二次扫描的荧光积分强度达到第一次最大值的0.95倍时,停止波长扫描,此时的激光器波长位置即为激发线位置。本文首先扫描激光波长,研究了282 nm激发机制下的OH自由基激发谱;然后在Q_1 2激发线位置探究了气体湿度、氧气含量、进气量以及抽速对荧光积分强度和寿命的影响;并分析了镍铝丝热解水的反应机理,初步认为热解中OH自由基主要来源于氧原子与水的反应。在以上荧光积分强度和寿命影响因素的研究基础上,优化了系统参数,使荧光积分强度波动小于±1.9%。连续多次进行波长修正,修正偏差为0.1pm。该方法能够满足气体扩张激光诱导荧光(FAGE)技术定量精确测量大气OH自由基对波长的要求。