光散射光谱(Light Scattering Spectroscopy, LSS)是一种可以实时、无创地对细胞核以及细胞器结构进行探测的光谱技术, 并且能够在细胞和亚细胞尺度上获得生物组织的结构特征。LSS将微小粒子的光散射特性与它们的大小、折射率和形状联系了起来。生物组织具有结构特异性, 当被光照射时会产生不同角度和偏振特性的散射光, 因此可以获得有关组织宏观和微观的结构信息。这项技术在相关领域得到了深入的研究, 并被扩展到癌细胞的检测。本文首先对LSS技术的基本原理进行了介绍, 然后详细阐述了该技术在早期癌症诊断中的研究和应用, 最后, 我们总结了LSS技术的优势并对其未来的发展进行了展望。

基于传输矩阵法(TMM)研究了可见光波与棱镜耦合的多层光学薄膜间的相互作用, 实现了一种由于共振隧穿导致的带通滤波器。计算得到了复合结构的透射谱线, 重点分析了棱镜间空气层厚度对滤波特性的影响。在横电(TE)波入射下, 通过优化计算得到目标颜色对应的几何参数。同反射模式下的颜色滤波器不同的是, 结构会透过一种特定的颜色并反射光谱的其余部分。优化后得到了红绿蓝(RGB)三色滤波器优化的结构参数,获得了100%高透射率的光谱输出。红色、绿色、蓝色对应的滤波器谐振波长分别为683 nm、517 nm 和 444 nm。

根据激光与电子相互作用方程与电子辐射功率方程建立单电子对撞模型, 借助MATLAB软件模拟, 详细研究不同强度圆偏振激光脉冲作用下, 电子振荡辐射的三维空间分布特点。研究结果表明, 对撞电子的空间辐射最大值随激光强度的增大而增大。从三维空间图像特点来看, 随着激光强度的增大, 辐射圆锥面所围立体角不断扩大, 当振幅峰值由线性向非线性过渡时, 极角方向上的辐射值由平滑向出现波折转变, 方位角方向上由均匀向非均匀变化, 当归一化激光强度达到10时, 辐射方向近似垂直于运动方向呈平面。

本文以二水合钨酸钠为主要原料, 通过水热方法将单斜相氧化钨原位生长在六方相氧化钨表面, 从而构建了单斜相/六方相“异相结”氧化钨光催化剂(m/h-WO3)。XRD、Raman和SEM的结果表明, 通过控制反应溶液的浓度, 可以实现m/h-WO3“异相结”中单斜相/六方相的组成调控。可见光下降解罗丹明B的实验结果表明, 相较于单斜相和六方相WO3, m/h-WO3具有更高的光催化活性, 而且m/h-WO3中六方相和单斜相的组成是影响光催化性能的主要因素之一, 5% m/h-WO3展现了显著的光催化降解能力, 降解速率分别为六方相和单斜相WO3的7.6倍和5.0倍。SPV表征结果表明, m/h-WO3“异相结”, 特别是具有合适晶相组成的m/h-WO3可以显著提高光生电子和光生空穴的分离效率, 从而提高光催化性能。

以KAlF4为基本组成的熔盐除作为新型低温铝电解工业的电解质外, 还可作为钎剂大量用于各类铝散热器的钎焊中。因其熔体具有低粘度、低表面张力、超流动性和高腐蚀性等特性, 该体系熔盐微结构的定量分析一直有较高的技术瓶颈。本文为研究KAlF4熔体的微观构型, 采用原位拉曼光谱技术辅以量子化学从头计算方法研究了KAlF4熔体中［Al2F7］-离子团簇的拉曼峰位和相对散射截面, 并通过KAlF4熔体拉曼光谱解谱对［Al2F7］-离子进行定量分析。研究表明: KAlF4熔体中除了已证实存在的K+、［AlF6］3-、［AlF5］2-和［AlF4］-四种离子团簇外, 还存在［Al2F7］-离子团簇, 且含量在1.75 mol%左右。

将10,12-二十五碳二炔酸自组装成纳米剂量囊泡后, 均匀分散于组织等效的凝胶载体中研制出用于三维剂量分布测量的辐射变色凝胶剂量计。用电镜观测了囊泡形貌; 用Co-60源对凝胶剂量计进行辐照; 测试并研究了凝胶剂量计对剂量的变色响应、辐射后效应、扩散效应等剂量学性能; 利用该凝胶剂量计实测了Co-60射线在组织等效凝胶中的深度剂量分布。结果表明: 该辐射变色凝胶剂量计在100~1000 Gy剂量范围内对γ射线辐照具有良好的剂量响应线性, 同时克服了扩散效应、辐射后效应、成型能力差等现有凝胶剂量计的不足。该辐射变色凝胶剂量计可用于辐射加工、科学实验和放射治疗等三维剂量分布测量。

本工作获得了低温下锇酸钾K2OsO2(OH)4的拉曼光谱, 并对其声子行为进行了研究。在低温下, K2OsO2(OH)4的拉曼光谱信噪比和展宽都得到改善, 由晶胞收缩引起的晶体场扰动使位于高波段的ν1模分裂为ν′1 和 ν″1两个振动模; 而晶体中氢键体系取向的重定向行为使ν2模在低温下发生了不连续变化。

抗生素和磺胺类药物在预防感染, 治疗疾病方面起到巨大作用, 从而被广泛使用。由于这些药物在生物体中无法完全代谢, 随着食物链循环造成环境污染并对人类形成持续危害。近年来对于这些药物的监管逐渐被人们所重视。基于局域表面等离子体共振的表面增强拉曼光谱法(SERS)可以将吸附在粗化的金属表面分子的拉曼信号进行增强, 检测极限可达单分子量级, 因此, SERS相关技术被广泛用于痕量物质检测, 检测极限主要决定于SERS基底的活性。本研究工作采用脱合金方法, 制备出了均匀、孔径可调纳米多孔银基底, 并用于磺胺嘧啶和磺胺醋酰检测, 检测极限达到了0.25 μg/kg和2μg/kg, 远远低于我国农业部规定的磺胺类药物最大残余量100 μg/kg。且拉曼特征峰峰强与药物的浓度表现出良好的线性关系, 检测动态监测范围高达6个量级 。研究所得纳米多孔银可推广用于其他物质检测, 具有潜在的应用价值。

基于局域表面等离子共振(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)原理, 本文利用有限元法研究了银圆锥纳米阵列共振波长的调控方法。使用COMSOL仿真软件模拟银圆锥纳米阵列表面附近的平均电场强度随入射光的变化, 结果表明其共振波长与阵列周期和环境折射率有关。圆锥阵列周期p的增加, 导致共振波长发生红移。两者间近似呈线性关系, 可根据有效波长理论拟合得到阵列周期与共振波长间的线性关系式: p=0.97λ+21.244。圆锥半径r和高度h的变化对共振波长无影响。周期p为560 nm时, r=120 nm, h=200 nm, 共振波长峰高达到最值。环境介质折射率增加导致共振波长红移, 峰高减小, 并且出现多个共振波峰。

偏振图像比传统图像包含更为丰富的来自物体表面及浅表信息, 因此可通过获取皮肤异常区与正常区的偏振信息进行皮肤状态的检测与评估。本项目搭建多波段激光照明式皮肤偏振成像系统, 开展了蓝绿红三波段偏振激光照明下的正常皮肤、色素沉积皮肤和炎症皮肤的激光偏振成像实验。主要结果: 1)488 nm蓝光和520 nm绿光激光照明下, 色素沉积区、炎症区和正常皮肤区的偏振度数据有明显差异; 2)660 nm红光激光照明下, 色素沉积区和正常皮肤区有明显差异, 但炎症区和正常皮肤区数据接近; 3)针对色素沉积区的三波长激光偏振图像信息比较相似。综合分析表明: 在绿激光照明下获得模拟皮肤的偏振图像与偏振度数据, 较容易区分正常皮肤与色素沉积及炎症皮肤区域之间的界面与差异; 色素沉积区域偏振图像更为相似, 表现为皮下同一深度信息; 炎症区域偏振图像差异性大, 为不同深度下皮肤的偏振信息。

针对东北地区多个品种大豆的分类鉴别需求, 本文采用理论计算与实验分析相结合的研究方法, 开展对6个品种大豆的分类鉴别。油酸和亚油酸是大豆的重要构成成分, 首先以密度泛函理论为基础, 构建油酸和亚油酸分子空间结构, 并利用B3LYP/6-31+G(d,p)基组优化并计算其理论拉曼光谱。再通过实验获取油酸、亚油酸分析纯和6个品种大豆的拉曼光谱, 并将所得理论拉曼光谱与实验拉曼光谱做出比对, 发现各品种大豆均在1281、1445、1662和2904 cm-1处有较强拉曼峰。最后以此四个拉曼峰作为特征峰, 运用主成分分析法(PCA)和线性判别分析法(LDA)对不同品种大豆做可视化分类, 分类正确率达到90%。研究结果表明, 密度泛函理论结合拉曼光谱法能够开展对大豆品种的有效分类, 对智慧农业的发展提供了一定借鉴意义。

目前,市场上90%～98%的天然无色钻石通常为Ia型(包括IaA、IaAB、IaB型),无色合成钻石主要为II型(包括IIa型、IIb型)。通过紫外荧光灯、宝石显微镜、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱结合显微共焦激光拉曼光谱对天然钻石、高温高压(HTHP)法合成钻石和化学气相沉淀(CVD)法合成钻石进行光谱学特征研究, 并对拉曼光谱1335 cm-1谱峰进行洛伦兹拟合, 得到半高全宽值, 对半高全宽值进行单因素方差分析。结果表明: 天然钻石长波荧光强于短波, 合成钻石的短波荧光强于长波; 天然钻石内部可见云状物、浅色晶体包体、深色包体, HTHP合成钻石内部可见Fe、Ni金属触媒包体, CVD合成钻石内部可见点状包体, HTHP样品具有磁性; 红外吸收光谱显示, 天然钻石在1179 cm-1、1282 cm-1、1365 cm-1处有明显吸收峰, 属于IaAB型; 合成钻石在1332~1100 cm-1无明显氮相关吸收, 属于II型; UV-Vis-NIR光谱显示, 天然钻石存在415 nm(N3)吸收峰, 而合成钻石无此吸收峰; 天然钻石和合成钻石的拉曼位移一致, 半高全宽存在显著差异, 天然钻石的半高全宽均在6.0 cm-1以上, 合成钻石的半高全宽值均在6.0 cm-1以下, 可为鉴别天然钻石和合成钻石提供理论依据。