在生物医学领域, 溶氧的检测具有十分重要的意义。近年来氧气传感器的研究取得了重要的进展, 尤其是纳米尺寸的光学氧气传感器倍受重视。光学氧气纳米传感器具有检测灵敏度高、稳定性好、易于生物功能化等优点, 特别适用于在(亚)细胞层次或者生物组织内溶氧的实时检测。本文主要从氧气荧光探针的种类、传感器的基质构成、纳米传感器的构建方法、检测模式和生物医学应用等几个方面出发, 结合本研究组在光学氧气纳米传感器的研究进展进行综述, 并对其在生物医学领域中的主要应用进行了阐述。

为了解退火对硅基锗薄膜的质量、红外吸收、透射率和电学性质的影响, 采用分子束外延方法用两步法在硅基上生长锗薄膜。将生长后的样品分成两部分, 其中一部分进行了退火处理。对退火前后的样品用高分辨X射线双晶衍射仪测量了(400)晶面的X射线双晶衍射摇摆曲线, 用傅里叶红外光谱仪测量了红外透射率和吸收谱, 并用霍尔效应仪测量了退火前后样品的载流子浓度、迁移率、电阻率、电导率和霍尔系数。结果表明, 退火后的薄膜质量明显提高。退火后大部分区域吸收增大, 透射率明显减小,615～3 730 cm-1区间的透射率均比退火前降低了20%以上。退火后的体载流子浓度增大到退火前的23.26倍, 迁移率增大到退火前的27.82倍。

采用溶剂热法合成了核壳结构纳米荧光粉GdF3∶Ce3+,Dy3+@GdF3∶Eu3+。XRD衍射图样显示所制备纳米晶为正交相; 在Ce3+的8S7/2→6IJ激发峰激发下, 该核壳结构具有明显的多色发光性能, 而在相应的非核壳结构中却由于Ce3+共掺导致Eu3+出现荧光猝灭现象。基于CIE坐标, 可以看出该体系的核壳结构具有比非核壳结构优越的发光性能, 这主要是因为Gd3+起到媒介离子的作用。最后, 讨论了壳厚度对发光的影响, 结果发现当核壳的量比为1∶3时, 荧光粉具有最大的发光强度。

采用坩埚下降法成功地生长了Er3+离子掺杂的Na5Lu9F32(NLF)单晶体。测定了单晶体在400～2 500 nm波段的吸收光谱与2.5～25 μm红外波段的透过光谱。Na5Lu9F32单晶体在400～7 150 nm宽波段范围具有好的光学透过性, 在该波段的透过率达到90%。在透过光谱中几乎观察不到2.7 μm中红外波段的吸收, 说明单晶体中OH-离子的含量极低。根据测定的吸收光谱, 通过Judd-Ofelt理论计算了Er3+在单晶体中的光学强度参数Ωt(Ω2=2.08,Ω4=2.07,Ω6=0.75), 以及相应的辐射跃迁速率、荧光分支比和荧光寿命。根据Futchbauer-Ladenburg公式估算了样品的发射截面大约分别为1.42×10-20 cm2(4I13/2→4I15/2)和1.66×10-20 cm2(4I11/2→4I13/2)。在980 nm半导体激光器(LD)激发下, 研究了单晶体的近红外1.5 μm与中红外2.7 μm的发射光谱特性。

通过简便水热合成方法, 以戊二醛(GA)与3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)的Schiff碱反应制备了新型碳量子点。该碳量子点为直径2~7 nm的球体, 激发波长为350 nm时, 最大发射峰位于400 nm, 量子产率为13.6%。实验表明, 碳量子点的最佳制备条件是APTMS与 GA的量比为1∶2, 在180 ℃下加热8 h。碳量子点在pH=6.0磷酸缓冲液中的荧光强度最大, 且荧光强度随测定温度(273~303 K)的升高而降低。

采用高温固相法制备了LiGd(WyMo1-y)2O8-x/2Fx∶0.4Eu3+ (x=0~1,y=0~1)系列白光LED用红色荧光粉。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、红外光谱仪、荧光光谱仪对荧光粉的形貌、结构、光学性能进行了表征。结果表明, Eu3+、F-和WO2-4的掺杂没有改变LiGd(MoO4)2的四方晶系白钨矿结构; F-和WO2-4最佳掺杂量分别为x=0.6, y=0.4。在396 nm激发下, LiGd(W0.4Mo0.6)2O7.7F0.6∶0.4Eu3+的发光强度比未掺杂样品提高了60%, 量子效率可达66.23 %。当温度升高至100 ℃时, 样品的发射强度降为25 ℃时的76.6%。在460 nm激发下, 样品的最强窄带发射峰位于617 nm处, 归属于5D0→7F2跃迁, 色坐标为(0.649 9, 0.346 3)。5D0能级的荧光寿命曲线遵循单指数规律衰减, 随着F-掺杂浓度的增加, 5D0能级的荧光寿命不断增加, 归因于低声子能量的F-掺入有效减小了能量的无辐射跃迁概率。所制备的LiGd(W0.4Mo0.6)2O7.7F0.6∶0.4Eu3+荧光粉有望应用于白光LED。

以高纯Al2O3、Y2O3、Cr2O3和 CeO2 为原料, 采用固相法制备了Ce, Cr∶YAG透明陶瓷。通过XRD测试和荧光测试, 研究了0.5%Ce3+, 0.1%Cr3+掺杂的YAG透明陶瓷片的晶相结构和光学性能。结果表明：1 750 ℃烧结获得的该陶瓷片为YAG纯相, 在可见光区的透过率达到了70%以上。在430 nm的光激励下, 透明陶瓷同时表现出了Ce3+、Cr3+的特征发射峰, 在补充白光LED的红光部分方面具有一定的实际应用价值。

采用等离子体增强化学气相沉积和后退火的方法制备了纳米锗/氮化硅(nc-Ge/SiNx)多层薄膜。借助Raman光谱仪对其微结构进行表征, 测得样品的晶化率大于46%。由样品的光吸收谱可知, nc-Ge的尺寸越小, 其光学带隙越大。利用Z扫描技术对样品的非线性光学特性进行研究, 以波长为1 064 nm、脉宽为25 ps的锁模激光作为激发光, 测得样品的非线性折射率系数在10-10 cm2/W数量级。实验结果表明, 通过改变nc-Ge的尺寸可以使材料的非线性光学折射率由自散焦转变为自聚焦特性, 而负的非线性折射率系数可归因于两步吸收产生的自由载流子散射效应。当激发光强增大时, 在锗层厚度为6 nm的多层膜中同时存在两步吸收过程和饱和吸收过程。两种非线性光学吸收过程之间的竞争是样品呈现不同非线性光学特性的主要原因。

为了弥补现有氧化物TFT的行驱动电路输出模块在功率消耗、响应速度、输出摆幅等方面的不足, 提出了基于二次耦合的直流输出模块, 并由此研究设计新的行驱动电路拓扑。仿真结果表明, 该输出模块具有驱动能力强、响应速度快等优点。最后, 基于刻蚀阻挡层(ESL)结构的氧化物TFT工艺, 在玻璃衬底上成功制备了该行驱动电路, 实测单级功耗为325 μW。

针对中功率蓝光及相应的白光LED器件进行加速老化实验,并具体分析了器件中硅胶和绿红混合荧光粉等封装材料对老化行为的影响和失效机理。在测试器件的光电老化行为之后, 利用反射光谱和飞行时间二次离子质谱对失效器件进行了结构分析。结果表明, 温度和湿度对蓝光和白光器件老化行为具有不同的影响。对于中功率蓝光LED而言, 其光衰的主要原因是由于S、Cl等元素的引入及氧化等因素引起的黄化导致了透明硅胶反射率的下降。而对于绿红混合荧光粉组成的中功率白光LED来说, 其光衰和色漂问题主要归结于在高温特别是高湿环境下工作, 器件中荧光粉和硅胶等封装材料发生了一些化学反应, 使荧光粉发生分解, 并引起了荧光转换效率的下降。

在多视点自由立体显示中, 针对柱透镜光栅参数与显示器像素不匹配造成的串扰问题, 提出利用图像插值的合成方法对图像进行缩放处理。以9视点为例, 提出缩放比例系数k, 实现双线性插值算法的改进。嵌入式样机测试结果表明, 该方法能够满足显示器像素宽度与柱透镜参数的完全匹配, 串扰度从13.55%降低到1.40%, 降低了12.15%, 图像分辨率明显提高, 立体显示效果更好。

采用有限元方法, 借助多物理场软件COMSOL模拟了底栅顶接触结构有机场效应晶体管电位和载流子浓度随源漏电压Vds的变化。模拟结果表明, 当固定栅压Vg=-10 V时, 改变Vds从0~-10 V, 对于电位分布, 从栅极到源漏电极竖直方向有渐进的变化, 而从源极到漏极的水平方向呈现由大到小明显的梯度变化。对于载流子浓度, 观察到沟道处从源极向漏极逐渐减少, 在靠近漏极的区域减少得尤为明显, 而当源漏电压等于栅极电压时, 产生夹断现象。进一步将模拟结果与实际制备的器件性能进行了对比, 模拟结果与实验数据所显示的分布趋势大体相同, 印证了模拟的合理性。由此表明, 采用模拟方法分析有机场效应晶体管的器件特性, 对于实际制备器件具有重要的指导意义。

采用中红外光谱法对甲醇柴油的甲醇含量进行检测分析。首先, 对采集到的原始光谱进行预处理(标准正则变换、多元散射校正、一阶微分、二阶微分、Savitzky-Goly平滑), 采用偏最小二乘法和最小二乘支持向量机建立了甲醇柴油的甲醇含量预测模型, 并比较了不同预处理方法对模型预测能力的影响。实验结果表明, LSSVM的建模效果最佳, 其预测集相关系数R2为0.981 8, 预测均方误差RMSEP为1.3917%(体积比)。因此, 中红外光谱技术可用于甲醇柴油中甲醇含量的快速检测,且可以达到很好的效果。

在模拟生理条件下, 应用荧光光谱和表面增强拉曼光谱法对对-香豆酸(p-CA)与人血清白蛋白 (HSA) 的结合机理进行研究。结果表明, p-CA对HSA的荧光猝灭机制为静态猝灭, 并伴有非辐射能量转移。荧光光谱显示, 在298, 304, 310 K下, p-CA与HSA的结合常数(KA)分别为3.41×104, 2.09×104, 1.38×104 L/mol, 结合位点数(n)近似为1。表面增强拉曼光谱研究揭示, p-CA的酚基与HSA有效结合。标记竞争实验指出, p-CA在HSA上的结合位点主要在SiteⅠ。反应过程热力学参数表明, 二者间的作用主要为静电引力, 且根据Frster能量转移理论求得p-CA与HSA间的距离为 5.11 nm。同步荧光光谱显示, p-CA的结合没有导致HSA构象发生明显变化。

采用FS920稳态荧光光谱仪对绿茶和铁观音这两种不同品种茶叶的氯菊酯溶液的荧光光谱特性进行了分析,发现这两种茶叶的荧光峰均位于λex/λem=(390～410)/675 nm, 氯菊酯的荧光峰λex/λem=300/330 nm。为了准确测定这两种茶叶中氯菊酯农药残留的含量, 采用遗传算法优化的径向基函数神经网络对其进行了分析, 当训练到74次时, 均方差精度达到10-3, 绿茶、铁观音的氯菊酯溶液预测样本的平均回收率分别为99.35%和98.89%, 平均相对标准偏差分别为1.25%和1.21%。与建立的径向基函数神经网络模型进行了对比, 结果表明三维荧光分析技术与遗传算法优化的径向基函数神经网络相结合能够较好地检测出茶叶中氯菊酯农药残留的含量, 检测灵敏度大大提高, 检出限范围广, 可达0.004 8～24 mg/kg, 远低于欧盟规定的茶叶中氯菊酯最高残留限量0.1 mg/kg, 为检测农药残留提供了一种快速简便的新方法。

采用近红外表面增强拉曼散射(NIR-SERS)光谱技术, 基于高效、稳定、低廉的纳米银膜基底检测了25例肝癌患者、25例肝癌术后患者和25例健康人的氧合血红蛋白(OxyHb)。对比发现, 健康人、肝癌术后患者和肝癌患者的OxyHb 的NIR-SERS光谱谱峰强度呈现依次下降的趋势, 表明从谱峰强度可以初步判断肝癌术后患者恢复情况。利用主成分分析(PCA)结合线性判别分析(LDA)统计方法进行分析, 25个肝癌术后患者中8人判别为健康人, 其余17人判别为肝癌患者。判别分组与实际情况相符, 表明PCA-LDA统计方法可以更准确地判断肝癌术后患者恢复状况。因此, NIR-SERS技术结合PCA-LDA统计方法有望为肝癌术后患者恢复状况的诊断提供一种新的思路和方法。

利用分步傅里叶法, 数值研究了艾里光束在自聚焦克尔非线性介质中的传输。结果表明, 当较强的非线性作用于艾里光束时, 主瓣能量在传输过程中会发生脱落形成具有周期振荡的空间孤子。随着非线性的增强, 该孤子的振荡周期与半高宽都减小。调节艾里光束的入射角度时, 脱落孤子的传输轨迹随之发生变化, 不同于艾里光束的是, 艾里孤子的传输始终保持直线传输。

提出一种新型的由T形与圆形谐振腔组成的光学滤波器, 并利用二维有限元法研究了它的特性。仿真结果显示, 当这两个腔在共振峰附近处于失谐状态时, 会产生电磁诱导透明现象; 同时, 由于两个腔的透射谱形是不同的, 所以当改变圆形腔的半径或T形结构的宽度时, 总体结构的透射谱形会呈现为一种Fano线, 这种变化尖锐非对称的Fano线使得结构对于折射率的敏感性高达1 400 nm/RIU。本文还研究了滤波器特性随结构尺寸的变化, 发现在滤波器几何结构一定的情况下, 透射只发生在特定的波长处。该滤波器可以用于光子回路和灵敏探测。

为研究发光等离子体对高功率微波的防护性能, 建立了一维条件下等离子体与高功率微波相互作用的物理模型, 并采用数值仿真得到了不同条件下的微波透射效果, 分析了发光等离子体对高功率微波的防护性能。随后, 实验研究了双层柱状等离子体阵列对6 GHz高功率微波脉冲的透射效果, 实验结果与仿真结果相符, 说明高功率微波的入射使等离子体产生了非线性效应。实验结果还表明, TE极化时的防护效果要优于TM极化时的防护效果; 等离子体击穿场强阈值随电场作用空间的增大而减小; TE极化时等离子体对高功率微波脉冲的屏蔽效能最高可达13 dB, 且随入射功率的增大而进一步增大。

利用同轴空心阴极放电装置, 产生氦低温等离子体。通过对等离子体的发射光谱进行测量和计算, 研究放电功率以及氦气压强对等离子体的电子激发温度的影响。结果表明：氦低温等离子体的发射光谱主要由连续谱和原子谱线构成, 放电功率和压强对谱线的强度具有明显影响。压强的变化不仅影响电子从电场中获得的能量, 还会影响电子与原子的碰撞频率, 从而导致电子激发温度随着氦气压强的增大, 出现先上升后下降的变化趋势。