生物医学光子学与非线性光纤光学在早期是两门不相干的领域,但是自从基于光纤的连续光谱被发现以来,由于其具有的宽光谱可以实现多种荧光团的同时最优激发,可获取现有钛蓝宝石激光器不可产生的波长,生物医学光子学就开始尝试利用光纤连续光谱技术.但是由于超连续光谱的低相干性、高噪声、不稳定性等原因,生物医学光子学难以广泛的利用这一技术.如何基于现有的100-fs钛蓝宝石激光器产生宽带且可线性压缩的连续光谱仍旧是非线性光纤光学的重要挑战.为了产生可线性压缩的连续光谱,就必须研究光纤和激光脉冲参数对光纤连续光谱产生的影响,研究如何增强可压缩的非线性效应并抑制导致连续光谱不可压缩的非线性效应,以在光纤中产生宽带且可压缩的连续光谱.超连续谱的特性将使其在生物医学光子学,尤其是在成像方面发挥巨大的作用,因此具有重要的学术意义和实际应用价值.

本文采用Monte Carlo模拟人体肠道组织的非接触式漫反射光谱,并分别研究了聚焦光束的聚焦深度、组织表面入射光斑与出射光斑(Source-Detector,S-D)之间的距离、探测面积和探测深度对光谱测量的影响,为设计非接触式光谱检测系统提供理论依据.结果表明在利用光谱技术对肠道疾病如早期肠癌进行诊断时,非接触式光谱检测系统的聚焦深度应小于0.1 cm;在漫反射光谱检测时,应根据探测信号的强弱以及探测器的灵敏度选择S-D距离;0.06 cm的探测面积半径能有效地反映组织中氧合血红蛋白和脱氧合血红蛋白含量的变化情况;为反映不同深度组织光学特性,在改变探测深度时,应保持探测光锥顶角不变.

本文以鼻咽癌细胞株CNE2为放射敏感性的研究对象,经不同剂量X射线照射及不同时间培养后分别提取总蛋白,用共聚焦显微拉曼光谱仪检测其拉曼光谱.统计分析表明:被测样品的拉曼光谱中观察到一些可以归属于蛋白质物质的较为明显的基团频率振动峰;不同剂量的X射线照射后,总蛋白质的平均拉曼光谱与对照组谱形基本一致,但与对照组间的光谱存在着对应峰信号强度的不同.实验提示:照射后谱峰强度的增大或减小,提示着相关物质含量有所改变.分析照射后癌细胞总蛋白拉曼光谱的变化情况,结合数学统计方法,以探寻放射敏感性的特征拉曼标志,可以作为研究肿瘤放射敏感性的手段之一.

表面增强拉曼散射(SERS)标记方法结合现代生物标记方法与SERS光谱技术,使吸附到金或银等贵金属表面的标记分子的拉曼信号显著增强,并将其作为标记示踪信号,具有生物兼容性好、灵敏度高、分子特征性强和快速简便等优点,已成为新颖的标记示踪技术的研究热点之一.本文综述近年来SERS标记技术应用于基因分析、蛋白质检测、微生物检测、肿瘤靶向和小分子物质的最新进展,着重介绍蛋白质和小分子物质的检测,并展望了今后的发展方向.

中药可治疗不同病症,充分体现中医辩证论治.为实现安全、可靠且有效的中药质量标准及评价体系,中药分析尤为重要.作为一准确、灵敏和高效的分析工具,光谱分析技术可在中药检测分析中发挥重要作用.本文介绍中药的光谱分析概况,主要阐述红外光谱、拉曼光谱法对中药的分析研究;并进一步提出了开展方剂光谱学研究,立足中医药理,以光谱分析技术为工具,分析方剂成分,揭示单味中药汤剂与其方剂配伍之间的关系,以及方剂配伍规律与药效间的相关性.论文介绍了作者所在的项目组近期在中药光谱分析的相关工作,并对中药光谱分析的发展作了展望.

在单株水稻表型测量研究中,为了实现绿叶面积和茎叶相关表型参数的准确计算提供技术保障,茎叶的分割是非常重要的一步.传统的人工测量方法费时费力,且主观性较强,而基于普通相机拍摄的彩色图像进行分割效果很差.本研究介绍了一种使用可见光-近红外高光谱成像系统自动区分单株盆栽水稻茎叶的方法.首先将各波长下的图像从原始二进制数据中提取出来,接着使用主成分分析所有波长下的图像,并提取出主要的主成分图像,再基于数字图像处理技术将茎叶区分开.实验结果表明,本系统以及文中所用方法对分蘖盛期的水稻茎叶有很好的分割效果,这为后续水稻茎叶表型性状高通量、数字化、无损准确提取提供了重要的技术保障,并进一步促进植物表型组学的发展.

相对于传统生化测定方法,基于近红外光谱(Near infrared spectroscopy,NIRS)玉米籽粒蛋白质含量检测是一种快速、非破坏、且适用于多组分同时检测的新方法.但在建模过程中,由于奇异数据(异常值)的存在会影响近红外光谱模型的预测精度和稳定性,我们采用奇异数据筛选法剔除了玉米籽粒近红外光谱中的奇异数据并建立了玉米籽粒蛋白质含量的偏最小二乘支持向量机(Least squares support vector machine,LS-SVM)模型.本文分别采用杠杆值法(Leverage)、半数重采样法(Resampling by Half-Mean,RHM)和蒙特卡洛采样法(Monte-Carlo Sampling,MCS)剔除了玉米籽粒蛋白质光谱数据中的奇异数据并对模型结果进行比较.在剔除奇异数据的基础上,采用偏最小二乘回归法(Partial least squares regression,PLSR)提取主成分,并基于小生境蚁群算法(Niche ant colony algorithm,NACA)优化偏最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型参数(γ和σ2),建立基于LS-SVM的玉米籽粒蛋白质定量分析模型.结果表明,采用3种奇异数据筛选法剔除奇异数据后所建LS-SVM模型的预测结果都优于采用原光谱数据所建模型,相比较而言,蒙特卡洛采样法为基于近红外光谱检测玉米籽粒蛋白质的最佳奇异数据筛选法.

在快速发展的中国,有机食品、绿色食品和无公害食品在产地环境、生产规程、加工、包装,尤其是生产资料的使用等方面都有严格区分,导致检验和认证需要花费大量的人力、物力、财力和时间.因此我们需要一种方便、精确的检测技术.基于化学计量学,本研究首次利用可见-近红外反射光谱快速检测有机胡萝卜、绿色胡萝卜和无公害胡萝卜.选择最佳区间(650-700 nm),三种分类模型包括主成分分析结合k均值聚类、主成分分析结合线性判别分析、反向传播神经网络鉴别126个胡萝卜样本的准确率分别为93.65%、100%,和98.41%.结果表明,可见-近红外光谱结合化学计量学技术可以有效地验证有机胡萝卜、绿色胡萝卜和无污染胡萝卜.为质量检验机构提供了一个可行的检测方法,从而促进包括有机食品、绿色食品、无公害食品等安全食品的发展.

利用傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared,FTIR)光谱研究了葡萄褐斑病病叶和正常叶片.测试分析了大褐斑病叶病斑处和非病斑处、小褐斑病叶病斑处和非病斑处、未染病正常叶片的红外光谱,结果显示:葡萄叶片光谱主要由碳水化合物、蛋白质、脂类的吸收带组成.褐斑病叶片光谱与正常叶片红外光谱变化主要在1 800-1 500 cm-1范围脂类、蛋白质酰胺的吸收区和1 200-900 cm-1范围多糖的吸收区.用1 800-1 500 cm-1范围拟合峰的峰面积比A1657/A1517考察蛋白质相对含量变化,A1738/A11517考察脂类相对含量变化,用吸光度比I1066/I1441考察多糖相对含量变化,结果显示患褐斑病的葡萄叶中脂类、蛋白质、糖类等营养物质含量降低.褐斑病和正常葡萄叶红外光谱的二阶导数光谱结合聚类分析方法,利用1 800-1 500 cm-1与1 200-900 cm-1范围数据进行聚类分析,结果将正常叶片与患褐斑病叶片准确区分开.证明褐斑病叶片红外光谱在1 800-1 500 cm-1与1 200-900 cm-1范围为敏感谱带.

850nm微激光已被发现能够减少黑色素细胞内酪氨酸酶的表达,进而抑制黑色素的合成.在此基础上本文选用C57BL/6J小鼠为模型,采用拉曼光谱法和荧光光谱法初步研究了850 nm微激光的在体美白效应.黑色素含量丰富时,小鼠皮肤拉曼谱线中代表黑色素的信号(1 405 cm-1和1 609 cm-1)变得异常明显;而经过微激光的照射后这些拉曼信号明显减弱.在NIR光的激发下黑色素也能发出强烈的荧光,这种荧光信号也会因微激光的照射而减弱.通过计算相对的拉曼信号强度及荧光信号强度对850 nm微激光的美白效应进行了定量分析.最后,采用常规的组织学检测(H&E染色和Fontana-Masson染色)验证了光谱学检测手段的有效性.因此,光谱学技术可以作为一种简单有效的方法用于黑色素相关生理事件的实时检测.

表面增强拉曼光谱技术在癌症诊断领域已经有了广泛的研究和应用,本文利用金纳米溶胶为增强基底,采用便携式近红外拉曼光谱系统,对89例胃癌患者及正常人血清样本进行了SERS光谱探测.结果表明,血清的特征峰主要归属于氨基酸,其次是核酸、糖类及脂类.相比于正常人血清SERS光谱,胃癌血清中归属于核酸的特征峰强度都较高,大部分归属于蛋白质的特征峰强度较低,与医学研究结论相符.说明SERS技术可以有效地反映胃癌患者和正常人血清的差异,为后期SERS技术快速诊断胃癌提供了实验基础.

本文利用拉曼光谱技术检测由直肠癌的发生导致的血清成分的变化.比较了直肠癌患者和对照组之间血清拉曼光谱的差异,并对术后直肠癌患者血清拉曼光谱的变化也进行了比较,以监测术后治疗效果.结果表明在某些波数位置不同组的拉曼峰有统计学意义的变化,这些变化反应了血清中相应的生物物质的改变.之后,主成分分析(PCA)及峰强比参数这两种方法被用于原始拉曼光谱的特征变量的提取.将线性判别分析(LDA)和分类回归树(CART)两种判别分析法用于特征变量的判别分析.PCA-LDA和参数-CART方法的诊断准确率分别为87%和90%.

食道癌细胞(EC9706)通过不同剂量x射线和60 Coγ电子束曝光并继续培养24 h后,我们使用激光拉曼光谱分析EC9706细胞内蛋白质、核酸、脂肪和某些生物大分子的构象和内容的变化.结果表明,每个曝光组和对照组中的拉曼光谱的强度和频移存在巨大差异.由X射线辐照后,对照组中某些剂量组的一些波带消失了,骨架链蛋白质造成的1 114 cm-1峰在所有剂量组中消失.经60Co γ-ray照射后,在大剂量组中,在Amide Ⅱ波带中的β折叠构象变成中等剂量的无规则卷曲构象及磷酸二酯组中的非氢键的提升.从物理能级的角度,为进一步研究EC9706细胞由X射线和60Co γ-ray造成的辐射损伤机理提供了实验依据.

DNA逻辑门是一种重要的新型计算单元,为下一代计算机的研发提供了新的思路.光学检测器拥有快速简便的优势,因此在DNA逻辑门的研究中显得十分重要.本文综述了近些年来DNA光学逻辑门的研究进展,对荧光、比色和表面增强拉曼光谱为基础的逻辑门的研究进行了阐述和评价,并对DNA光学逻辑门的发展前景进行了展望.

采用拉曼和UV光谱研究了抗癌药物4-硫代胸腺嘧和4-硫胸腺嘧啶脱氧核苷的特征结构,确定了药物在酸性、中性和碱性环境下的结构变化.研究结果表明,在酸性和中性溶液中,4-硫代胸腺嘧和4-硫胸腺嘧啶脱氧核苷被强烈质子化,而在碱性环境中则是去质子化,同时,4-硫胸腺嘧啶脱氧核苷的质子化和去质子化比4-硫代胸腺嘧弱,说明氢键的结合对4-硫代胸腺嘧的NH质子和溶液分子之间的相互作用具有重要影响.

本文提出了基于光谱扫描技术的非机械扫描的表面等离子体共振(SPR)传感技术,采用白光为SPR激发光源,通过单色仪控制入射光的波长实现光谱寻址,在保证灵敏度和动态范围的同时,使系统在整个动态范围内具有较好的线性,简化了传感器结构.理论分析了光谱扫描SPR传感技术的灵敏度和动态范围,搭建了实验系统,并测量了不同浓度的酒精水混合溶液的SPR信号变化.结果表明:系统折射率测量范围为1.30-1.38,灵敏度可达3.1×105RIU.

目的:研究唇腺炎性病变组织的拉曼光谱指纹特征,为拉曼光谱技术临床鉴别诊断唇腺炎性病变提供理论基础.方法:收集舍格伦综合征病变唇腺30例、唇腺急性炎症组织18例及正常唇腺组织30例,应用激光共聚焦显微拉曼光谱仪对唇腺组织进行拉曼光谱检测.应用主成分分析法(Principal component analysis,PCA)及判别函数(Discrimination function analysis,DFA)对光谱数据进行分析,研究唇腺组织光谱指纹诊断价值.结果:唇腺炎症组织与正常组织光谱间存在光谱指纹差异,这些差异代表了某些蛋白、核酸及脂类物质等生物大分子发生改变.PCA-DFA分析发现这些差异性拉曼光谱具有鉴别诊断价值,可以区分不同唇腺组织,总体诊断准确率达91.8%,经交互验证后准确率为89.4%.结论:不同唇腺炎症组织及正常组织间拉曼光谱存在差异,不仅揭示生物大分子改变,还具有临床鉴别诊断价值.拉曼光谱技术在唇腺炎性病变组织鉴别诊断具有巨大应用潜力.