华南师范大学华南先进光电子研究院，广东 广州 510006
拉曼技术具有非侵入、分子指纹、不受水干扰、制样简单、光谱分辨率高等优点，在很多领域都是一种广受欢迎的研究工具。尤其在生物医学领域，拉曼技术不仅可以本征地捕捉正常生理或病理所携带的不同化学信息，而且该技术适用于检测各种常见的生物和临床样品（包括细胞、组织、体液和微生物等），目前很多课题组的研究结果都表明拉曼技术在生物医学领域具有巨大的应用前景。本文首先介绍自发拉曼散射和表面增强拉曼散射的基本工作机理，接着介绍分析处理拉曼数据（光谱和图像）的步骤和算法，然后简单总结了近年来非相干拉曼显微技术在生物医学上的研究成果，最后指出拉曼技术目前面临的挑战并展望了其未来可能的发展方向。
自发拉曼 表面增强拉曼 数据分析 生物医学应用 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618009
1 华南师范大学华南先进光电子研究院光及电磁波研究中心，广东 广州 510006
2 皇家理工学院应用物理系，瑞典 斯德哥尔摩 SE-10691
微球可实现光场的调制，能够将入射光束聚焦于微球背面一个极窄区域，使得出射光束半峰全宽小于光学衍射极限，且聚焦强度远远高于入射光场强度。此外，微球具有高数值孔径特性，能够提高探测信号的收集效率。基于所述优势，微球为实现光学超分辨成像以及荧光增强提供了新思路和实现途径。相比传统技术，基于光学微球的超分辨成像及荧光增强技术更简便、更直接且易于实现，其成像及增强效果均可媲美传统超分辨技术与荧光增强技术，在生物成像及医学检测方面，具有重要的研究价值和应用前景。近年来，关于微球调制光场实现荧光增强的研究取得了较大发展，但与之相关的综述论文仍较少。系统总结阐述微球增强荧光发光以及微球调制光场技术，对于该领域的未来研究发展极为重要。首先介绍基于微球的光学超分辨成像，包括明场超分辨成像和荧光超分辨成像；然后阐述基于微球的荧光增强研究，包括现象研究、机制探索以及影响因素讨论等；最后，总结微球超分辨成像及荧光增强进展和技术应用，分析并展望该技术领域的未来发展挑战和趋势。
光场调控 微球超分辨 明场超分辨 超分辨荧光成像 荧光增强 激光与光电子学进展
2023, 60(10): 1000001
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
2 Centre for Optical and Electromagnetic Research, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China
3 e-mail: zhouzhk@mail.sysu.edu.cn
4 e-mail: wangxueh@mail.sysu.edu.cn
Photonic nanostructures with resonant modes that can generate large electric field (EF) enhancements are applied to enhance light-matter interactions in nanoscale, bringing about great advances in both fundamental and applied science. However, a small hot spot (i.e., the regions with strong EF enhancements) and highly inhomogeneous EF distribution of the resonant modes usually hinder the enhancements of light-matter interactions in a large spatial scale. Additionally, it is a severe challenge to simultaneously generate multiple resonant modes with strong EF enhancements in a broadband spectral range, which greatly limits the capacity of a photonic nanostructure in boosting optical responses including nonlinear conversion, photoluminescence, etc. In order to overcome these challenges, we presented an arrayed hyperbolic metamaterial (AHMM). This AHMM structure is applied to simultaneously enhance the three-photon and four-photon luminescence of upconversion nanoparticles. Excitingly, the enhancement of the three-photon process is 1 order of magnitude larger than previous records, and for the enhancing four-photon process, we achieve an enhancement of 3350 times, greatly beneficial for overcoming the crucial problem of low efficiency in near infrared light upconversion. Our results demonstrated a promising platform for realizing giant enhancements of light-matter interactions, holding potential in constructing various photonics applications such as the nonlinear light sources.
Photonics Research
2021, 9(3): 03000395
华南师范大学, 华南先进光电子研究院光及电磁波研究中心, 广东 广州 510006
本文利用拉曼光谱和化学计量学方法, 建立快速分类模型对大米进行区分。在使用最小二乘法对离散拉曼光谱进行多项式拟合去除荧光背景的前提下, 利用在第一次迭代过程去除大型拉曼峰和计算噪声电平的方法, 并且保留数据维数在原来的50%以下。获取精确的拉曼信号。再用主成分分析法(Principal component Analysis, PCA)对3种大米全波段的拉曼光谱进行降维分析, 线性判别方法(Linear discrimination analysis, LDA)对样品进行分类, 结果显示采用前两个主成分能达到93.8%的正确分类, 采用前三个主成分能达到97.9%的正确分类。优化之后的模型对于大米的判别分析具有很好的效果。
拉曼光谱 去除荧光背景 主成分分析 线性判别分析 Raman spectra Fluorescence background remove PCA LDA
1 华南师范大学, 光及电磁波研究中心, 广东 广州 510006
2 浙江中控太阳能技术有限公司, 浙江 杭州 310053
先进的光学纳米探针对于生物组织的光学成像、疾病的诊断和治疗具有巨大的促进作用, 尤其是对于生物体分子水平活动的动态信息的深入了解。新型的光学探针如纳米金棒、上转换纳米颗粒和氧化石墨烯等, 能克服传统探针的一些不足, 具有较高的对比度、稳定性和生物兼容性, 而且还拥有深层组织成像和实时动态成像的能力。本文对这些纳米光学探针的光学性质和优点进行了简要的介绍, 并通过综述作者及其他研究者在过去几年的研究成果, 总结这些先进的纳米探针在生物成像和医学诊断、治疗方面的应用, 并展望其应用前景。
光学探针 纳米颗粒 生物光学成像 optical probes nanoparticles bioimaging
华南师范大学华南先进光电子研究院光及电磁波研究中心, 广东 广州 510006
生物医学光子学的发展, 总是伴随并促进着光子学新技术的发展。光学生物成像技术在癌症肿瘤诊断上有着巨大应用, 尤其是具有优良发光特性的稀土离子掺杂的上转换发光纳米颗粒与光学生物成像技术的结合进一步发展了生物光子学在这一领域的应用。鉴于近几年很多人对上转换发光纳米粒子的大量研究, 本文对其进行了系统的阐述, 综述了稀土上转换发光纳米粒子的光学特异性、发光原理及其在光学成像中不可替代的优势; 描述了上转换纳米粒子的化学组成, 介绍了几种基本的合成方法, 重点说明了水热合成法和热分解法, 并从材料和光学两方面分析了生物应用的效率优化; 总结了目前上转换材料在生物光子学中的几大应用, 着重介绍了生物传感、细胞成像、动物成像、漫射光层析成像、光动力治疗、多模式成像六个方面的应用。本文在最后也对今后的研究进行了展望。
上转换发光纳米颗粒 非线性 表面修饰 生物成像 光动力治疗 upconverting nanoparticals nonlinear surface modification bioimaging photodynamic therapy
Centre for Optical and Electromagnetic Research, Joint Research Center of Photonics of the Royal Institute of Technology (Sweden) and Zhejiang University, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Frontiers of Optoelectronics
2009, 2(2): 141
