针对石墨烯基的折射率传感系统中存在的大量程和高测量灵敏度无法兼得且仅能实现相对折射率测量的问题,提出了一种基于全内反射式的大量程绝对折射率测量方法。该方法仅通过一维线性运动,实现了大范围角度的精确调控。利用光学4f系统,保证了采样点位置不随入射角的变化而变化。不同入射角下的扫描测量方法的折射率测量范围理论上可以达到1~1.5168,通过对不同质量分数的氯化钙溶液的折射率进行测量,从实验上获得7.203×10 ^-4 RIU的测量灵敏度。

对于传统的显微镜来说,其相衬成像模式需要通过配备专用光阑、聚光镜或者在物镜上添加嵌件来实现,这就增加了相衬显微成像的难度和成本。鉴于此,本文提出了一种基于深度学习算法的虚拟相衬成像方法,只需要采用一台普通的光学明场显微镜获取细胞明场图像,然后使用深度学习方法,就可以将明场图像转换成相衬图像。将虚拟相衬图像与显微镜获取的标准相衬图像进行对比,对比结果证明了这种虚拟相衬成像方法的有效性,为低成本相衬显微成像提供了范例。

为了改善细胞折射率显微成像的质量,提高特征的辨识度,本文提出了一种基于卷积神经网络算法的细胞折射率显微图像和明场显微图像的融合方法,该方法克服了传统融合方法人工制定融合规则的困难,通过训练数据学习自适应强鲁棒融合函数,获得了更佳的融合效果。主观和客观评价结果表明,该方法有效地改善了细胞折射率显微图像的分辨率,提升了特征辨识度。

为了提高成像系统的空间分辨率,分析聚焦型折射率显微成像系统中聚焦光斑尺寸与包络形状对空间分辨率的影响机制,提出一种通过数值去卷积算法改善成像空间分辨率的方法。首先分析聚焦广义柱矢量光束的空间场分布,接着对比该光束与理想细光束在折射率显微成像过程中对空间分辨率的影响差异。通过测量折射率与形状已知的PS(Polystyrene)小球,获得该实验条件下系统的点扩展函数。采用去卷积算法对其他样品图像进行重构,获得更加接近真实情况的实验结果。结果表明,该方法对提高该系统的成像质量与空间分辨率有着显著的效果。

提出了一种利用石墨烯基光学生物传感器对特异性生物小分子实现高灵敏检测的方法,采用易于修饰的磁性纳米颗粒作为生物探针载体,通过磁场控制实现磁性颗粒在石墨烯表面的吸附,优化了石墨烯表面复杂的改性过程。利用搭建的基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器,实现了0.01 ng·mL -1的赭曲毒素A的检测,在0.01~5 ng·mL -1微小浓度范围内具有良好的响应,且表现出较好的特异性。该方法扩展了石墨烯基的光学生物传感器的应用范围,简化了生物分子的传感过程,提高了光学生物传感器的灵敏度。

化学疗法治疗癌症的主要机制是通过药物调控使无限增殖的癌细胞恢复到正常凋亡，因而实时检测用药过程中癌细胞的凋亡情况对于临床治疗具有重要意义。以卵巢癌SKOV3细胞作为研究对象，针对治疗药物（顺铂）不同浓度培养液的条件下，利用搭建的动态光镊系统在微流控芯片上通过测量捕获效率参数对四组细胞的凋亡情况分别进行检测。实验结果表明，该系统对不同药物浓度培养下SKOV3细胞凋亡情况的检测具有良好效果。与传统的检测手段相比，该系统细胞用量小、耗时短、无需标记、并可实现活体细胞检测，因此为细胞凋亡的临床检测提供了重要指导意义。

研究了一种基于马赫-曾德尔结构的相差表面等离子体共振(SPR)传感器系统。和传统的相位型SPR传感系统相比，该系统采用了p偏振光与s偏振光各自干涉后再相位相减来提取样品折射率信息的方法，从而显著降低了环境噪声的影响，提高了分辨率。系统最小可区分0.01°的相差，对应的分辨率为10-5RIU(折射率单位)。应用此系统进行了生物大分子结合反应的测量，分辨率可达每平方微米160个IgG分子。研究结果为表面等离子体共振传感器在生物医学的应用提供了一定的参考。

表面等离子体共振(SPR)生物传感器应用于生物大分子结合反应的实时测量时，为满足高通量检测的要求，SPR 传感器应具有宽场成像检测的能力。建立了适用于以马赫曾德尔结构为基础的差分干涉SPR成像系统，该结构能够有效降低环境噪声，并对其提取相差的算法进行研究。在信号光与参考光合束之后，通过沃拉斯顿棱镜将p光与s光分开，经透镜聚焦后进入CCD，通过互相关运算使两光斑对准，相位从p光与s光干涉光强的若干变化周期中提取，同时通过取平均减小噪声影响，进行点对点相减得到相变值，并以此方法进行扫描得到相变图。系统通过时间轴提取相位信息，不损失空间分辨率，每10秒探测1次数据，空间分辨率为31.25 μm×20.83 μm，折射率分辨率为10-5RIU。

分析了影响相位调制的表面等离子体共振(SPR)传感器灵敏度及动态范围的各种因素。搭建了差分干涉SPR相位检测系统, 使用matlab软件模拟了若干因素对该类传感器的灵敏度和动态范围的影响, 并使用3种厚度的金膜进行了实验验证, 同时实时测量了牛血清白蛋白与其抗体之间的反应过程。结果显示, 入射角度对于灵敏度和动态范围没有影响, 而入射光波长、所选金属的介电常数和金膜厚度这3个因素是起作用的。这3个因素中, 金膜厚度是比较重要且最易调节的一个。选定金膜后, 通过调节入射角和反应物浓度, 将抗原抗体反应导致的相位变化限制在系统的线性范围内进行了实时检测。结果表明, 对于波长为633 nm的光源, 在测量牛血清白蛋白与其抗体之间的反应过程中, 兼顾灵敏度和动态范围的最优金膜厚度为48 nm, 此时动态范围为0.013 6RIU, 灵敏度为6.67×10-7RIU/0.01°。

研究了谱域光学相干层析(SDOCT)成像系统的量化技术，通过量化OCT图像来获得生物组织内部的信息特征对组织光学散射特性进行定量分析。给出并讨论了单次散射模型，具有轴向点散射函数(PSF)的单次散射模型和多次散射模型，利用平均A-scan算法和非线性最小二乘法曲线拟合，研究不同浓度IntralipidTM溶液的散射特性。实验显示,IntralipidTM溶液的散射系数与浓度在1%~10%间基本呈线性关系，验证了具有PSF的单次散射模型比较适用于本文的谱域光学相干层析成像系统。利用该模型对小鼠的新鲜肝脏进行量化研究，得到小鼠新鲜肝脏在波长λ0为1550 nm时的散射系数为8.9 mm-1。本文的研究为该项技术今后在临床医学上对各种疾病的诊断和治疗奠定了基础。