自2001年被发明以来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）迅速成长为近红外波段的明星光子探测器，其在近红外波段如1550 nm处系统探测效率超过95%，暗计数率低于1 cps（counts per second），时间抖动优于10 ps，探测速率高于1 GHz，并广泛应用在量子信息领域。近年来，研究人员开始将SNSPD引入到生物领域，以替代在近红外波段具有低信噪比、多后脉冲的半导体单光子探测器。本文将介绍SNSPD的探测原理和性能指标，并系统地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。

在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。

应用紫外-可见(UV-Vis)漫反射、 拉曼(Raman)与光致发光(PL)光谱就当前市售的大小各异、 金色饱和度深浅不一的珍珠其致色属性予以对比分析。 结果表明: 基于珍珠UV-Vis漫反射光谱特征的差异将金黄色珍珠初分为两种类型: Ⅰ型珍珠其谱图在(360±5) nm处存在吸收带、 在(420±10) nm处存在较弱的吸收峰或肩, 该类珍珠为当前珍珠销售市场较为常见的自身致色珍珠; 除Ⅰ型珍珠外, 将其他金黄色系珍珠归属为Ⅱ型, 其对应的UV-Vis反射光谱主吸收峰可位于340～430 nm区间, 部分Ⅱ型样品在280～600 nm无明显吸收或仅存在较弱的吸收肩。 进一步就Ⅱ型珍珠予以Raman光谱检测, 在激发强度较低时经处理的Ⅱ型黄色珍珠在150～1 000 cm-1区间可产生较强的荧光峰, 且荧光峰的强度明显高于文石约1 086 cm-1处的特征峰。 同时, 上述经处理的Ⅱ型珍珠对应的PL光谱同样表明在500～600 nm区间的荧光强度显著增大。 此外, 部分经处理的珍珠其Raman 或PL光谱中可见与珍珠组成成分无关的特征峰位。 上述珍珠的Raman与PL光谱中出现的异常荧光与外来特征峰可作为珍珠经处理的佐证依据。 课题工作为当前金黄色珍珠颜色的形成属性及仿珍珠的鉴定提供理论与技术支撑, 同时对于Raman光谱在其他类宝玉石、 特别是有机宝石的检测鉴定中具有重要的借鉴意义。

为了降低贡梨自身尺寸差异造成其可溶性固形物含量预测模型的精度不高问题,采用近红外漫反射光谱技术和偏最小二乘回归算法,建立近红外光谱模型和尺寸通用模型,进行了理论分析和实验验证,取得了小果、中果、大果3个尺寸等级的局部尺寸模型和尺寸通用模型,预测了不同尺寸等级贡梨可溶性固形物含量的数据。结果表明,局部尺寸模型预测自身等级的贡梨可溶性固形物含量的效果好,预测其它等级的效果差; 通用模型预测小果、中果、大果的预测相关系数分别为0.892、0.937、0.889,预测均方根误差分别为0.524 、0.417、0.551,通用模型无论预测哪一个尺寸等级的贡梨都有较好的结果。尺寸通用模型能够减小尺寸差异带来的不良影响,适用于检测不同尺寸等级的贡梨可溶性固形物含量。

基于紫外可见（UV-Vis）漫反射光谱就当前市售流通领域常见的灰色珍珠品类进行表征并依据样品的反射谱图的类同特征予以分类, 并初步探究了灰色珍珠的颜色成因。 研究表明: (1)基于灰色珍珠的UV-Vis 漫反射光谱中约280 nm 处吸收峰的有无, 首次将灰色珍珠分为Ⅰ型（存在明显的吸收）与Ⅱ型（无吸收或仅存在较弱的吸收）。 并据Ⅰ型珍珠在其紫外可见光区的反射峰形与其反射主波长位置的差异进一步分为Ⅰn, Ⅰp与Ⅰf三个亚型, 上述Ⅰ型珍珠均为有核珍珠。 其中Ⅰp型珍珠的内核为白色、 内核与珍珠层之间较多存在褐色、 黑褐色的过渡层, 该过渡层可能是导致珍珠呈灰色的直接原因。 与此同时, 上述Ⅰp型珍珠在宝玉石鉴定领域一般认为是未经处理的。 （2）结合前人就珍珠辐照的相关工作及本工作中贝壳珍珠层辐照前后颜色的改变及UV-Vis反射光谱的变化特征, 推断辐照仍是人工处理导致珍珠呈现灰色主要原因之一。 基于样品对应的UV-Vis反射光谱中约280 nm吸收峰的消失或仅呈现一吸收肩可初步定性该类珍珠经优化处理。 同时, 从Ⅱ类灰色珍珠的断面结构看, 当前灰色珍珠并不仅局限于有核珍珠, 无核灰色珍珠同样存在于流通领域。 课题研究工作可为灰色珍珠及其优化处理品的鉴定提供理论与技术支撑。

主要基于紫外可见（UV-Vis）漫反射光谱首次对比研究了经过热处理、 有机或无机染料改色或钴-60产生的γ射线辐照三种不同处理工艺对同为珍珠质的淡水与海水珍珠及贝壳珍珠层的漫反射光谱的影响机制。 结果表明: （1）在不同颜色、 淡海水属性的珍珠与贝壳珍珠层的UV-Vis反射光谱的紫外区皆存在约280 nm 处的吸收峰, 上述吸收峰位归属于珍珠层中自身存在的有机质所致, 而非珍珠的致色色素。 （2）以上三种不同的处理工艺对上述280 nm处的吸收峰位存在一致的影响行为, 即随着不同的处理工艺强度的增大, 处理样品对应的反射谱图中约280 nm处吸收峰的强度逐渐降低直至消失。 与此同时, 珍珠的反射谱图中紫外区的反射主波长的反射强度也随之减弱, 且反射主波长的峰位向可见光区发生显著红移。 研究工作可为珍珠及珍珠的优化处理的鉴定筛选及其珍珠颜色的形成属性判定提供检测依据与理论支撑。

黏膜组织病变的早期诊断和治疗是遏制黏膜组织癌变的有效手段。利用光谱检测技术，以实时、在体、无创的方式检测黏膜组织细胞的形态变化引起的光学特性改变，通过合理算法进行客观分析，可实现低成本大规模黏膜组织病变的筛查。为了提高面向黏膜组织病变诊断的光谱检测系统的灵敏度和特异性，开发了一套亚扩散域漫反射与荧光联合光谱测量系统，实现对不同深度黏膜组织的漫反射光谱和自体荧光光谱的高效采集，进而通过对光谱信息进行特征抽取，实现黏膜组织病变的快速筛查和恶性肿瘤等级的实时诊断。为了评估所开发系统的性能，开展了仿体实验、离体组织实验和在体实验：仿体实验证明了系统具有良好的测量稳定性；离体组织实验证明了该系统对离体组织具有优异的分类能力(不同类型组织的分类精度>98%，同类组织不同部位的分类精度>74%)；在体实验初步验证了该系统在黏膜组织诊断和分类领域中的应用潜力。

应用紫外-可见光（UV-Vis）漫反射光谱与拉曼光谱对海水大珠母贝养殖的具有不同金色深浅的珍珠（以下简称“金珠”）的光谱特征进行研究。结果表明，金珠对应的UV-Vis 漫反射光谱中在约360 nm、280 nm 处存在特征吸收峰，且360 nm处吸收强度与金珠的金色饱和度呈正相关性，360 nm与280 nm 两处的吸收强度存在负相关性，即：珍珠表面呈现的金色越深，360 nm 处吸收越强，280 nm处吸收越弱；反之，金色越弱，360 nm 处吸收越弱，而280 nm处吸收越强。其次，分别以405、532、785 nm波长的激发光源进行珍珠拉曼光谱检测。在同一激光波长下，随着激光能量的增加（0.05%~100%），谱图中约1086、705 cm^-1处，特别是100~300 cm^-1区间归属珍珠中生物文石的特征峰位渐显且峰强渐增。同时，在405 nm与532 nm 激光光源下，珍珠的拉曼光谱中约1300~1600 cm^-1区间可见两处较宽的拉曼峰。上述两处特征峰随着激光能量的增大，拉曼峰的强度也随之增大且发生定向的频率位移。此外，在激光能量较低时，拉曼谱图中约1086 cm^-1处文石的特征拉曼峰强度明显高于珍珠中自身有机质导致的荧光峰强。随着激光能量的提升，激光束对珍珠样品表面的辐照破坏愈加明显。该研究工作可为当前金珠颜色的形成属性及仿金珠的鉴定提供理论与技术支撑，同时对于拉曼光谱在其他类宝玉石的检测鉴定中具有一定的借鉴意义。

皮肤的漫反射光谱中包含丰富的组织信息,已被广泛应用于生理参数的检测,但由于人体生理参数变化复杂、多种情况下光学数据采集困难等因素,其在无创外周血液生理参数检测技术的发展及应用中受到了限制。鉴于此,使用蒙特卡罗模拟方法仿真了不同总血红蛋白、含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、高铁血红蛋白等多种外周血液成分浓度对皮肤的漫反射光谱及肤色的影响,提出了基于色谱融合的发绀成因分析方法。结果表明,皮肤的颜色特征可区分健康、黄疸病以及发绀,而分析方法解决了仅使用肤色很难对发绀现象的成因进行准确区分的难题。