1化學成像的光譜原理1

1.1引言1

1.2分子振動2

1.3電磁輻射和物質間的相互作用3

1.3.1電磁輻射3

1.3.2光的吸收與發射4

1.3.3折射率4

1.3.4熱發射6

1.3.5熒光7

1.4中紅外吸收譜8

1.5遠紅外和太赫茲譜10

1.6近紅外吸收譜11

1.7拉曼散射13

1.7.1自發拉曼散射13

1.7.2共振拉曼散射17

1.7.3表面增強拉曼光譜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使用遙感生成化學圖像22

參考文獻24



篇硬件

2拉曼光譜成像儀器27

2.1簡介27

2.2拉曼成像儀的類型29

2.2.1掃描型30

2.2.2寬域拉曼成像31

2.3寬域拉曼成像儀設計33

2.3.1光纖陣列拉曼成像33

2.3.2介質干涉濾光器35

2.3.3聲光可調節濾光器36

2.3.4液晶成像光譜儀36

2.4拉曼成像儀平臺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拉曼成像纖維內窺鏡43

2.4.4拉曼成像望遠鏡44

2.5信號增強型拉曼成像儀器技術45

2.5.1表面增強型拉曼成像45

2.5.2表面增強共振拉曼成像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動態拉曼成像（X，Y，Z，λ）57

2.8拉曼成像儀性能評估58

2.8.1標準建立58

2.8.2測試標準58

2.8.3FOM計算58

2.8.4實際應用案例63

2.9總結與未來發展方向64

參考文獻65



3FTIR成像硬件68

3.1引言68

3.1.1紅外顯微和成像繫統的發展68

3.2繫統概述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連續掃描模式73

3.3.4步進掃描模式74

3.4光學機械注意事項74

3.4.1卡塞格倫（Cassegrains）望遠鏡光學繫統74

3.4.2光闌的使用77

3.4.3可見光圖像繫統77

3.4.4樣品臺78

3.5紅外成像檢測器78

3.5.1早期發展79

3.5.2紅外陣列檢測器80

3.5.3紅外相機81

3.5.4銻銦基繫統82

3.5.5“標槍”MCT相機82

3.5.6快速掃描FTIR成像83

3.5.7線性MCT陣列的應用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88



4實現NIR化學成像的技術與實際考慮91

4.1引言91

4.2近紅外光譜學92

4.3近紅外化學成像92

4.3.1化學成像數據立方體：超立方體94

4.3.2多光譜和高光譜94

4.3.3統計分析和空間非均勻性94

4.3.4高通量96

4.3.5化學成像繫統校準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光學器件106

4.4.4波長濾波器106

4.4.5檢測器108

4.5化實驗條件：實用性考慮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數據分析和化學計量學109

4.6結論110

參考文獻111



5高光譜成像中的數據分析和化學計量學方法113

5.1引言113

5.1.1數字化圖圖像和高光譜圖像113

5.1.2圖像數據文件116

5.1.3圖像和數據分辨率類型116

5.1.4標準化和標準物117

5.1.5高光譜成像技術117

5.2基於灰度圖像的操作118

5.3高光譜圖像中的化學計量學119

5.3.1局部模型119

5.3.2超立方體數據清理化學計量學方法120

5.3.3濾波和預處理122

5.3.4主成分分析123

5.3曲線分辨124

5.3圖像回歸126

5.3.7判別回歸128

5.3.8人工神經網絡128

5.3.9聚類和分類129

5.4結論130

縮寫130

定義130

參考文獻133



第二篇生物醫學中的應用

6拉曼成像的生物醫學應用136

6.1引言136

6.2大腦137

6.2.1惡性神經膠質瘤和組織壞死137

6.2.2腦轉移瘤和腦膜瘤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結腸壁結構和組成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腎髒腎小球144

6.5.5前列腺癌細胞144

6.6皮膚145

6.6.1基底細胞癌145

6.6.2傷口愈合145

6.7眼部147

6.7.1與年齡相關的黃斑變性147

6.7.2膽固醇和白內障147

6.7.3人類淚液148

6.7.4眼睛的結構和形態149

6.8心血管149

6.8.1動脈粥樣硬化斑塊149

6.9肺150

6.9.1支氣管壁結構和組成150

6.9.2先天性肺疾病151

6.10骨151

6.10.1骨微觀結構和組成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156

6.11.3牙本質與牙釉質界面157

6.12結論158

致謝158

參考文獻158



7紅外光譜、顯微技術和成像在皮膚藥理學和化妝品科學中的應用163

7.1引言163

7.2皮膚和神經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神經酰胺中鏈順序和堆積的紅外光譜-結構關繫164

7.2.3單獨角質層中的相轉移166

7.3伴隨熱擾動的屏障改造167

7.3.1實驗方案168

7.3.2結果：屏障重建的動力學168

7.4酰基鏈構像順序的紅外成像169

7.5角質細胞的紅外顯微鏡和成像171

7.6頭發的紅外顯微成像175

7.7傷口愈合的振動顯微成像178

7.7.1介紹178

7.7.2方法179

7.7.3結果與討論179

7.8結論181

參考文獻182



8體內近紅外光譜成像：生物醫學研究和臨床應用184

8.1引言184

8.2方法185

8.2.1儀表與測量技術185

8.2.2體內成像186

8.2.3生物醫學近紅外光譜圖像的處理187

8.3應用189

8.3.1皮膚189

8.3.2心髒成像194

8.4結論與展望204

參考文獻204



第三篇藥學中的應用

9拉曼化學成像的藥學應用208

9.1與近紅外光譜成像關聯211

9.2玻璃粉212

9.3全局照明化學圖像213

9.4生物醫學應用217

9.5數據處理220

參考文獻225



10FTIR光譜成像在藥學中的應用226

10.1引言226

10.2中紅外光譜法227

10.2.1ATR和透射技術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結論247

參考文獻248



11近紅外成像在制藥工業中的應用251

11.1引言251

11.2方法：優勢和不足252

11.2.1數據處理256

11.3應用259

11.3.1制劑、過程及質量源於設計259

11.3.2質量控制269

11.3.3假藥分析276

11.4結論277

參考文獻278



第四篇食品研究中的應用

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——紅外儀器的一個簡短的調查282

12.2.2麥粒的顯微結構和籽粒硬度284

12.2.3亞麻莖284

12.2.4探索其他植物物種的解剖學285

12.2.5色素及相關化合物286

12.2.6點采樣的成像技術287

12.3動物組織288

12.3.1熱、鹽誘導肉的變化288

12.3.2用於點取樣的成像技術289

12.3.3骨組織290

12.4雜項食品290

12.4.1生物聚合共混物290

12.4.2“現實生活”產品的微觀結構291

12.4.3乳劑292

12.4.4微生物293

12.5結束語和未來展望294

參考文獻296



13近紅外高光譜成像在食品研究中的應用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299

13.1.5樣本大小和波長範圍300

13.1.6局部性質300

13.1.7本章細節300

13.2文獻中的應用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問題定義和樣本306

13.4食品近紅外高光譜圖像成像和數據分析的注意事項313

13.4.1取樣和樣本表達313

13.4.2圖像清理313

13.4.3終的PCA模型、簇檢測和選擇313

13.4.4穿透深度314

13.5結論314

致謝315

縮寫315

參考文獻315



第五篇聚合物研究中的應用

14聚合物的振動光譜成像320

14.1引言320

14.2聚合物的振動光譜成像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在間同立構聚苯乙烯中溶劑擴散和溶劑誘導結晶的傅裡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345



第六篇特殊方法

15表面增強拉曼散射成像：遠場和常規設置的應用和實驗方法348

15.1引言348

15.2方法和實驗儀器349

15.2.1逐點成像349

15.2.2強度成像350

15.3LSPR和SERS圖像的相關性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長範圍的納米結構355

15.4SERS成像的應用358

15.4.1蛋白探測的SERS活性基底358

15.4.2活細胞分析的SERS成像359

15.5SERS成像中的閃爍365

15.6結論367

參考文獻367



16線性和非線性顯微拉曼光譜：從分子到單個活細胞369

16.1引言369

16.2在活體內通過時間空間分辨的顯微拉曼光譜對單個活體分裂酵母細胞的細胞活性的實時追蹤370

16.2.1實驗370

16.2.2空間分辨的拉曼光譜370

16.2.3分離的分裂酵母細胞的時間空間分辨的拉曼光譜371

16.2.4關於“生命信號的拉曼光譜”的發現372

16.3活體內單個萌芽期酵母細胞的自然死亡過程的時間分辨拉曼成像373

16.3.1萌芽期酵母細胞的胞液和晃動軀體373

16.3.2隨著晃動軀體出現的自發性死亡進程374

16.4單個光譜細胞的非線性顯微拉曼光譜和成像375

16.4.1超相干反斯托克斯拉曼散射過程375

16.4.2用於超CARS顯微光譜的實驗儀器376

16.4.3單個活細胞的CARS圖像377

16.4.4單個活細胞的多重非線性光學圖像377

16.4.5細胞分裂過程的活體測量379

16.5顯微拉曼高光譜380

16.6結論384

致謝384

參考文獻384



索引386

近10年來，振動光譜化學成像作為一種較為新穎的成像方法快速發展起來。它更多的是用於樣品的探索而不是常規分析，因此相比於工業實驗室更適用於學術實驗室。當然，成像技術也在不斷發展，已經在各個行業中獲得應用，並用以解決各種實際問題。拉曼光譜、紅外或近紅外響應/光譜化學成像的關鍵是光譜采集所產生的化學專一性和光譜信息的豐富性。對於光譜圖像蘊含的豐富數據，通常用基於線性代數的算法來處理，這些算法仍然相當先進，現在已經普遍應用於化學成像領域中。由於樣本成像的數據響應是線性的，線性代數(在這一領域稱為化學計量學)得以應用。通常，在化學成像上應用化學計量學方法可以獲取很多有用的信息，而僅僅采用波長特征作為目標成分的判據（事實上，這是目前成像技術常用的方法），往往不能給出這些信息或隻能給出模稜兩可的信息，這也很好地說明了化學計量學方法的重要作用。本書講述的許多實例都采用化學計量學來獲得有意義的圖像。

硬件是化學成像發展的另一個關鍵因素。近年來，光譜儀與顯微鏡(即化學成像儀器)組合在一起的儀器得到了極大的發展，這無疑很大程度上促進了化學成像技術的廣泛應用。可以毫不誇張地說，目前針對化學成像技術的應用開發有點落後於可用的硬件技術。本書尤其關注硬件技術。

軟件也同樣關鍵。有幾種商業軟件可供選擇，但用戶通常單獨使用編程語言(Matlab無疑占主導地位)編寫程序處理這些復雜的3D(或4D)數據集，這些程序隻需要巧妙地應用現有算法即可。在這裡，沒有著重介紹對計算方法的改進，因為它們已相當廣泛地應用於不同的問題，如合適的算法應用於成像領域，證明它們具有能夠在成千上萬光譜數據集中提取可靠信息的能力。

本書從各個角度介紹了振動光譜的化學成像。首先介紹振動光譜學，硬件介紹得更多，軟件相對較少(因為在應用中頻繁出現計算細節的介紹)，然後列出了多個領域的應用，其中篇幅多和影響的是生物醫學和制藥行業，其次是同樣具有前景和重要性的食品與聚合物領域。通過列出一些前沿的實驗成果，讓讀者對振動光譜成像的發展和未來有大致的了解。書中的每一章都涵蓋了三種振動光譜的應用(拉曼光譜、紅外光譜和近紅外光譜)，本書的後幾章更注重於拉曼光譜。本質上說，獲取化學圖像不是一項艱難的任務，甚至在某些情況下可以很容易地完成，更重要的是需要一位具有豐富光譜學知識和化學計量學知識的專家來對棘手的數據進行處理，並從實驗處理結果中獲得有用的信息。而這本書的作者恰恰都是這樣的人，他們要麼是的科學家，要麼是各自領域的權威。我們希望這本書中提出的各個觀點都富有影響力，它詳細地闡述了什麼是化學成像，怎麼實現它，以及怎麼去獲取更多的信息。我們希望讀者如同作者熱愛編著本書一樣喜歡閱讀它。



2010年2月