拉曼、紅外和近紅外化學成像

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(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

第一篇硬件
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(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(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動態(tài)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(fā)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）望遠鏡光學系統(tǒng)74
3.4.2光闌的使用77
3.4.3可見光圖像系統(tǒng)77
3.4.4樣品臺78
3.5紅外成像檢測器78
3.5.1早期發(fā)展79
3.5.2紅外陣列檢測器80
3.5.3紅外相機81
3.5.4銻銦基系統(tǒng)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(xiàn)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(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)計分析和空間非均勻性94
4.3.4高通量96
4.3.5化學成像系統(tǒng)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最優(yōu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析和化學計量學方法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基于灰度圖像的操作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(shù)據(jù)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
5.3.5多元曲線分辨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(yī)學中的應用
6拉曼成像的生物醫(yī)學應用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腎臟腎小球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(nèi)障147
6.7.3人類淚液148
6.7.4眼睛的結構和形態(tài)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(zhì)與牙釉質(zhì)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(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-結構關系164
7.2.3單獨角質(zhì)層中的相轉(zhuǎn)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酰基鏈構象順序的紅外成像169
7.5角質(zhì)細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(nèi)近紅外光譜成像：生物醫(yī)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(nèi)成像186
8.2.3生物醫(yī)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心臟成像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(lián)211
9.2玻璃粉212
9.3全局照明化學圖像213
9.4生物醫(yī)學應用217
9.5數(shù)據(jù)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(yè)中的應用251
11.1引言251
11.2方法：優(yōu)勢和不足252
11.2.1數(shù)據(jù)處理256
11.3應用259
11.3.1制劑、過程及質(zhì)量源于設計259
11.3.2質(zhì)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(diào)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用于點取樣的成像技術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(xiàn)實生活”產(chǎn)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樣本大小和波長范圍300
13.1.6局部性質(zhì)300
13.1.7本章細節(jié)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(shù)據(jù)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最終的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345

第六篇特殊方法
15表面增強拉曼散射成像：遠場和常規(guī)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長范圍的納米結構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(nèi)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關于“生命信號的拉曼光譜”的發(fā)現(xiàn)372
16.3活體內(nèi)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(xiàn)的自發(fā)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超寬帶多元相干反斯托克斯拉曼散射過程375
16.4.2用于超寬帶多元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