拉曼、紅外和近紅外化學(xué)成像

1化學(xué)成像的光譜原理1
1.1引言1
1.2分子振動(dòng)2
1.3電磁輻射和物質(zhì)間的相互作用3
1.3.1電磁輻射3
1.3.2光的吸收與發(fā)射4
1.3.3折射率4
1.3.4熱發(fā)射6
1.3.5熒光7
1.4中紅外吸收譜8
1.5遠(yuǎn)紅外和太赫茲譜10
1.6近紅外吸收譜11
1.7拉曼散射13
1.7.1自發(fā)拉曼散射13
1.7.2共振拉曼散射17
1.7.3表面增強(qiáng)拉曼光譜18
1.7.4相干反斯托克斯拉曼光譜20
1.7.5受激拉曼增益譜22
1.8使用遙感生成化學(xué)圖像22
參考文獻(xiàn)24

第一篇硬件
2拉曼光譜成像儀器27
2.1簡(jiǎn)介27
2.2拉曼成像儀的類(lèi)型29
2.2.1掃描型30
2.2.2寬域拉曼成像31
2.3寬域拉曼成像儀設(shè)計(jì)33
2.3.1光纖陣列拉曼成像33
2.3.2介質(zhì)干涉濾光器35
2.3.3聲光可調(diào)節(jié)濾光器36
2.3.4液晶成像光譜儀36
2.4拉曼成像儀平臺(tái)39
2.4.1拉曼成像顯微鏡40
2.4.2拉曼成像巨視顯微鏡40
2.4.3拉曼成像纖維內(nèi)窺鏡43
2.4.4拉曼成像望遠(yuǎn)鏡44
2.5信號(hào)增強(qiáng)型拉曼成像儀器技術(shù)45
2.5.1表面增強(qiáng)型拉曼成像45
2.5.2表面增強(qiáng)共振拉曼成像45
2.5.3CARS拉曼成像46
2.5.4SRS拉曼成像46
2.5.5SORS拉曼成像46
2.6串聯(lián)式拉曼儀器47
2.6.1拉曼-掃描電鏡/能譜成像47
2.6.2拉曼-MXRF成像47
2.6.3拉曼-LIBS成像49
2.6.4拉曼-AFM成像50
2.6.5拉曼-SNOM成像50
2.6.6拉曼紅外成像51
2.6.7拉曼近紅外成像52
2.6.8拉曼熒光成像53
2.7額外維度拉曼成像儀55
2.7.1立體拉曼成像（X，Y，Z，λ）56
2.7.2動(dòng)態(tài)拉曼成像（X，Y，Z，λ）57
2.8拉曼成像儀性能評(píng)估58
2.8.1標(biāo)準(zhǔn)建立58
2.8.2測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)58
2.8.3FOM計(jì)算58
2.8.4實(shí)際應(yīng)用案例63
2.9總結(jié)與未來(lái)發(fā)展方向64
參考文獻(xiàn)65

3FTIR成像硬件68
3.1引言68
3.1.1紅外顯微和成像系統(tǒng)的發(fā)展68
3.2系統(tǒng)概述70
3.3FTIR光譜儀的部件71
3.3.1光源71
3.3.2干涉儀72
3.3.3連續(xù)掃描模式73
3.3.4步進(jìn)掃描模式74
3.4光學(xué)機(jī)械注意事項(xiàng)74
3.4.1卡塞格倫（Cassegrains）望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)74
3.4.2光闌的使用77
3.4.3可見(jiàn)光圖像系統(tǒng)77
3.4.4樣品臺(tái)78
3.5紅外成像檢測(cè)器78
3.5.1早期發(fā)展79
3.5.2紅外陣列檢測(cè)器80
3.5.3紅外相機(jī)81
3.5.4銻銦基系統(tǒng)82
3.5.5“標(biāo)槍”MCT相機(jī)82
3.5.6快速掃描FTIR成像83
3.5.7線(xiàn)性MCT陣列的應(yīng)用84
3.6紅外成像的采樣模式84
3.6.1透射采樣85
3.6.2反射采樣85
3.6.3漫反射86
3.6.4ATR成像86
3.7紅外成像速度與性能反思88
參考文獻(xiàn)88

4實(shí)現(xiàn)NIR化學(xué)成像的技術(shù)與實(shí)際考慮91
4.1引言91
4.2近紅外光譜學(xué)92
4.3近紅外化學(xué)成像92
4.3.1化學(xué)成像數(shù)據(jù)立方體：超立方體94
4.3.2多光譜和高光譜94
4.3.3統(tǒng)計(jì)分析和空間非均勻性94
4.3.4高通量96
4.3.5化學(xué)成像系統(tǒng)校準(zhǔn)96
4.4儀器100
4.4.1采集模式100
4.4.2光照器件105
4.4.3光學(xué)器件106
4.4.4波長(zhǎng)濾波器106
4.4.5檢測(cè)器108
4.5最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)用性考慮108
4.5.1空間分辨率和放大率108
4.5.2檢出限109
4.5.3采樣和樣本109
4.5.4數(shù)據(jù)分析和化學(xué)計(jì)量學(xué)109
4.6結(jié)論110
參考文獻(xiàn)111

5高光譜成像中的數(shù)據(jù)分析和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法113
5.1引言113
5.1.1數(shù)字化圖像、多元圖像和高光譜圖像113
5.1.2圖像數(shù)據(jù)文件116
5.1.3圖像和數(shù)據(jù)分辨率類(lèi)型116
5.1.4標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)物117
5.1.5高光譜成像技術(shù)117
5.2基于灰度圖像的操作118
5.3高光譜圖像中的化學(xué)計(jì)量學(xué)119
5.3.1局部模型119
5.3.2超立方體數(shù)據(jù)清理化學(xué)計(jì)量學(xué)方法120
5.3.3濾波和預(yù)處理122
5.3.4主成分分析123
5.3.5多元曲線(xiàn)分辨124
5.3.6多元圖像回歸126
5.3.7判別回歸128
5.3.8人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)128
5.3.9聚類(lèi)和分類(lèi)129
5.4結(jié)論130
縮寫(xiě)130
定義130
參考文獻(xiàn)133

第二篇生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
6拉曼成像的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用136
6.1引言136
6.2大腦137
6.2.1惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤和組織壞死137
6.2.2腦轉(zhuǎn)移瘤和腦膜瘤137
6.3乳房138
6.3.1乳腺癌138
6.3.2乳腺腫瘤發(fā)展模型139
6.3.3乳房植入物材料和病理140
6.4胃腸道140
6.4.1巴雷特食管和食管腺癌140
6.4.2結(jié)腸壁結(jié)構(gòu)和組成142
6.5泌尿組織143
6.5.1膀胱出口梗阻143
6.5.2膀胱癌143
6.5.3睪丸微石癥144
6.5.4腎臟腎小球144
6.5.5前列腺癌細(xì)胞144
6.6皮膚145
6.6.1基底細(xì)胞癌145
6.6.2傷口愈合145
6.7眼部147
6.7.1與年齡相關(guān)的黃斑變性147
6.7.2膽固醇和白內(nèi)障147
6.7.3人類(lèi)淚液148
6.7.4眼睛的結(jié)構(gòu)和形態(tài)149
6.8心血管149
6.8.1動(dòng)脈粥樣硬化斑塊149
6.9肺150
6.9.1支氣管壁結(jié)構(gòu)和組成150
6.9.2先天性肺疾病151
6.10骨151
6.10.1骨微觀(guān)結(jié)構(gòu)和組成151
6.10.2顱縫骨接合152
6.10.3骨骼脆弱性153
6.11牙齒155
6.11.1齲齒155
6.11.2牙科修復(fù)156
6.11.3牙本質(zhì)與牙釉質(zhì)界面157
6.12結(jié)論158
致謝158
參考文獻(xiàn)158

7紅外光譜、顯微技術(shù)和成像在皮膚藥理學(xué)和化妝品科學(xué)中的應(yīng)用163
7.1引言163
7.2皮膚和神經(jīng)酰胺模型的紅外光譜164
7.2.1皮膚的超分子組織164
7.2.2神經(jīng)酰胺中鏈順序和堆積的紅外光譜-結(jié)構(gòu)關(guān)系164
7.2.3單獨(dú)角質(zhì)層中的相轉(zhuǎn)移166
7.3伴隨熱擾動(dòng)的屏障改造167
7.3.1實(shí)驗(yàn)方案168
7.3.2結(jié)果：屏障重建的動(dòng)力學(xué)168
7.4?；湗?gòu)象順序的紅外成像169
7.5角質(zhì)細(xì)胞的紅外顯微鏡和成像171
7.6頭發(fā)的紅外顯微成像175
7.7傷口愈合的振動(dòng)顯微成像178
7.7.1介紹178
7.7.2方法179
7.7.3結(jié)果與討論179
7.8結(jié)論181
參考文獻(xiàn)182

8體內(nèi)近紅外光譜成像：生物醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用184
8.1引言184
8.2方法185
8.2.1儀表與測(cè)量技術(shù)185
8.2.2體內(nèi)成像186
8.2.3生物醫(yī)學(xué)近紅外光譜圖像的處理187
8.3應(yīng)用189
8.3.1皮膚189
8.3.2心臟成像194
8.4結(jié)論與展望204
參考文獻(xiàn)204

第三篇藥學(xué)中的應(yīng)用
9拉曼化學(xué)成像的藥學(xué)應(yīng)用208
9.1與近紅外光譜成像關(guān)聯(lián)211
9.2玻璃粉212
9.3全局照明化學(xué)圖像213
9.4生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用217
9.5數(shù)據(jù)處理220
參考文獻(xiàn)225

10FTIR光譜成像在藥學(xué)中的應(yīng)用226
10.1引言226
10.2中紅外光譜法227
10.2.1ATR和透射技術(shù)227
10.2.2FTIR光譜成像229
10.2.3光譜成像介紹229
10.2.4成像樣品制備方法230
10.2.5FTIR顯微光譜成像233
10.2.6ATR-FTIR視場(chǎng)拓展233
10.2.7定量分析234
10.3藥物研究235
10.3.1多晶型235
10.3.2超臨界流體研究235
10.4藥物FTIR成像236
10.4.1壓片片劑成像236
10.4.2ATR-FTIR微成像237
10.4.3藥物制劑與人體皮膚的吸水性成像238
10.5藥物溶解的FTIR成像240
10.5.1溶解的透射成像241
10.5.2溶解的ATR-FTIR成像241
10.5.3用FTIR成像研究流動(dòng)溶解242
10.6假藥的ATR-FTIR成像245
10.7在高通量分析中的ATR-FTIR成像246
10.8結(jié)論247
參考文獻(xiàn)248

11近紅外成像在制藥工業(yè)中的應(yīng)用251
11.1引言251
11.2方法：優(yōu)勢(shì)和不足252
11.2.1數(shù)據(jù)處理256
11.3應(yīng)用259
11.3.1制劑、過(guò)程及質(zhì)量源于設(shè)計(jì)259
11.3.2質(zhì)量控制269
11.3.3假藥分析276
11.4結(jié)論277
參考文獻(xiàn)278

第四篇食品研究中的應(yīng)用
12食品的拉曼和紅外成像281
12.1引言281
12.2蔬菜、水果和植物282
12.2.1揭示麥粒的解剖學(xué)——紅外儀器的一個(gè)簡(jiǎn)短的調(diào)查282
12.2.2麥粒的顯微結(jié)構(gòu)和籽粒硬度284
12.2.3亞麻莖284
12.2.4探索其他植物物種的解剖學(xué)285
12.2.5色素及相關(guān)化合物286
12.2.6點(diǎn)采樣的成像技術(shù)287
12.3動(dòng)物組織288
12.3.1熱、鹽誘導(dǎo)肉的變化288
12.3.2用于點(diǎn)取樣的成像技術(shù)289
12.3.3骨組織290
12.4雜項(xiàng)食品290
12.4.1生物聚合共混物290
12.4.2“現(xiàn)實(shí)生活”產(chǎn)品的微觀(guān)結(jié)構(gòu)291
12.4.3乳劑292
12.4.4微生物293
12.5結(jié)束語(yǔ)和未來(lái)展望294
參考文獻(xiàn)296

13近紅外高光譜成像在食品研究中的應(yīng)用298
13.1引言298
13.1.1食品的整體近紅外分析298
13.1.2近紅外高光譜成像298
13.1.3儀器299
13.1.4樣本制備和表達(dá)299
13.1.5樣本大小和波長(zhǎng)范圍300
13.1.6局部性質(zhì)300
13.1.7本章細(xì)節(jié)300
13.2文獻(xiàn)中的應(yīng)用300
13.2.1概述300
13.3食品的近紅外高光譜圖像分析：玉米306
13.3.1問(wèn)題定義和樣本306
13.4食品近紅外高光譜圖像成像和數(shù)據(jù)分析的注意事項(xiàng)313
13.4.1取樣和樣本表達(dá)313
13.4.2圖像清理313
13.4.3最終的PCA模型、簇檢測(cè)和選擇313
13.4.4穿透深度314
13.5結(jié)論314
致謝315
縮寫(xiě)315
參考文獻(xiàn)315

第五篇聚合物研究中的應(yīng)用
14聚合物的振動(dòng)光譜成像320
14.1引言320
14.2聚合物的振動(dòng)光譜成像321
14.3聚合物的FTIR成像322
14.3.1聚合物共混物相分離的FTIR成像研究322
14.3.2混合溶劑中聚合物溶出度紅外成像研究327
14.3.3在間同立構(gòu)聚苯乙烯中溶劑擴(kuò)散和溶劑誘導(dǎo)結(jié)晶的傅里葉紅外光譜和成像研究329
14.4聚合物的近紅外成像335
14.4.1聚合物混合物的近紅外成像335
14.4.2纖維素片的近紅外成像337
14.5聚合物的拉曼成像339
參考文獻(xiàn)345

第六篇特殊方法
15表面增強(qiáng)拉曼散射成像：遠(yuǎn)場(chǎng)和常規(guī)設(shè)置的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)方法348
15.1引言348
15.2方法和實(shí)驗(yàn)儀器349
15.2.1逐點(diǎn)成像349
15.2.2強(qiáng)度成像350
15.3LSPR和SERS圖像的相關(guān)性351
15.3.1單一的納米粒子和二聚物352
15.3.2納米聚合體353
15.3.3長(zhǎng)范圍的納米結(jié)構(gòu)355
15.4SERS成像的應(yīng)用358
15.4.1蛋白探測(cè)的SERS活性基底358
15.4.2活細(xì)胞分析的SERS成像359
15.5SERS成像中的閃爍365
15.6結(jié)論367
參考文獻(xiàn)367

16線(xiàn)性和非線(xiàn)性顯微拉曼光譜：從分子到單個(gè)活細(xì)胞369
16.1引言369
16.2在活體內(nèi)通過(guò)時(shí)間空間分辨的顯微拉曼光譜對(duì)單個(gè)活體分裂酵母細(xì)胞的細(xì)胞活性的實(shí)時(shí)追蹤370
16.2.1實(shí)驗(yàn)370
16.2.2空間分辨的拉曼光譜370
16.2.3分離的分裂酵母細(xì)胞的時(shí)間空間分辨的拉曼光譜371
16.2.4關(guān)于“生命信號(hào)的拉曼光譜”的發(fā)現(xiàn)372
16.3活體內(nèi)單個(gè)萌芽期酵母細(xì)胞的自然死亡過(guò)程的時(shí)間分辨拉曼成像373
16.3.1萌芽期酵母細(xì)胞的胞液和晃動(dòng)軀體373
16.3.2隨著晃動(dòng)軀體出現(xiàn)的自發(fā)性死亡進(jìn)程374
16.4單個(gè)光譜細(xì)胞的非線(xiàn)性顯微拉曼光譜和成像375
16.4.1超寬帶多元相干反斯托克斯拉曼散射過(guò)程375
16.4.2用于超寬帶多元CARS顯微光譜的實(shí)驗(yàn)儀器376
16.4.3單個(gè)活細(xì)胞的CARS圖像377
16.4.4單個(gè)活細(xì)胞的多重非線(xiàn)性光學(xué)圖像377
16.4.5細(xì)胞分裂過(guò)程的活體測(cè)量379
16.5顯微拉曼高光譜380
16.6結(jié)論384
致謝384
參考文獻(xiàn)384

索引386