荧光纳米材料及其生物成像应用

荧光成像是生物医学研究领域应用最广的成像技术之一。随着纳米技术的快速发展,具有优良特性的荧光纳米材料不断涌现。相比于传统的荧光分子,荧光纳米材料具有光学稳定性高、形貌尺寸易调控、多功能化等优点。利用荧光纳米材料作为探针的生物荧光成像能够为研究者提供从细胞、离体组织到活体生物样本的结构和动态信息等方面全面细致的探测方法,成为当前材料、光学、生物医学等多学科交叉领域的研究热点。结合近年来荧光纳米材料及其生物成像应用的发展趋势以及本课题组前期的研究工作基础,归纳概述了几种类型荧光纳米材料的特性,包括基于有机荧光染料的纳米颗粒、半导体量子点、碳基荧光纳米材料以及稀土掺杂上转换发光纳米材料,结合具体例子介绍了荧光纳米材料在生物医学成像中的应用,并对其发展前景进行了展望。     

太赫兹医学成像研究进展

太赫兹波所具有的无损性以及大量生物分子在太赫兹频段的指纹特性,使其在医学成像领域有着良好的应用前景。本文首先简要概述了太赫兹的医学成像技术手段,其次分别介绍了太赫兹在离体、活体组织中成像的研究现状。生物组织中的水会对太赫兹波产生强吸收,使得成像对比度受限。目前,为了减少组织中的水对成像的影响,针对离体组织的太赫兹成像大多需要进行切片、脱水等预处理,活体中的成像则主要应用在浅表组织。文章重点介绍了活体成像中有望提高太赫兹成像对比度的纳米粒子造影剂,最后对太赫兹医学成像的发展进行了展望。     

生物芯片扫描仪的探测灵敏度

荧光的探测灵敏度是生物芯片扫描仪的一个重要指标,它取决于入射到光探测器(PMT 或CCD)上的荧光强度及光探测器自身的探测能力。在理论上,荧光染料的发射强度与其消光系数、量子效率、荧光寿命及激发光强度有关。结合具体的设计参数,计算得到激光共聚焦生物芯片扫描仪针对 Cy3 荧光染料的探测灵敏度为每平方微米 2.89 个荧光分子,而实验得到的探测灵敏度为每平方微米 4.49 个荧光分子。研究表明,提高探测灵敏度的措施是合理增大激光功率、尽可能增大 f-θ 物镜的数值孔径、提高光电倍增管的探测下限。     

量子点在细胞以及体内生物中成像的研究进展

量子点是一种荧光半导体纳米材料,与生物分子结合成一种高亮度而稳定的荧光探针应用于生物成像。通过生物成像可观察量子点标记分子与其靶标的相互作用,实时观测其在活细胞及活体中的运行轨迹,实现对细胞水平及在活体层次的研究。利用这种生物成像技术还可以研究疾病的发生发展过程。介绍了量子点的光学特性,重点综述了量子点在细胞、体内生物成像中的应用,并展望了其发展前景。     

基于光声原理的火灾复合气体探测技术

监测燃烧过程中产生的气体（主要是CO）来探测火灾逐渐成为火灾探测中的一个重要领域。各种现有的气体传感器灵敏度比较低，不利于火灾的早期报警,利用基于光声原理的复合气体探测技术来进行火灾探测，能极大地提高探测器的灵敏度。将CO和CO2的检测结合起来，可降低探测器的误报率，有利于提高早期报警。     

光片荧光显微镜研究进展

传统落射式荧光显微镜的探测光路和照明光路处于同轴位置,成像质量会受到非焦平面荧光的影响。光片荧光显微镜（Light sheet fluorescence microscopy,LSFM）区别于传统的荧光显微镜,它的探测光路和照明光路呈直角排布,照明光为一个薄片,成像时只有光片区域的样本被照亮,这种照明方式能够有效降低非焦平面荧光激发。同时,激光每次只照亮一个平面,能够有效降低样本的照射时间,由此降低光毒性和光漂白性的影响。本文首先介绍了光片荧光显微镜的基本光路组成结构,以及在这些结构基础上进行的优化创新;之后介绍了针对离体样本和活体样本发展出的多种解决方案。得益于这些创新,光片荧光显微镜能够在较长时间范围内对荧光标记的生物样本进行3D成像。最后提出了光片荧光显微镜发展的潜在方向以及局限性,希望能给研究人员提供更为系统的光片荧光显微镜方面的知识以及一些有益的参考。     

稀土上转换发光纳米材料的制备及生物医学应用研究进展

荧光探针技术已经被广泛应用于生物成像、生物标记、生物检测、免疫分析等生物医学领域。传统荧光标记材料,如有机荧光染料、荧光蛋白和半导体量子点,目前面临诸多应用局限,如发光强度不稳定、检测灵敏度低、生物毒性高、自荧光强等。有鉴于此,人们开发了La系金属离子掺杂的稀土上转换发光纳米材料作为新型生物标记材料,该材料受近红外光激发后发出近红外或可见光范围内的高能量光子。这种带有特殊光学性质及良好生物相容性的荧光标记材料克服了传统荧光标记材料的缺点,从而成为材料科学与生物医学交叉领域的研究热点。综述了稀土纳米材料上转换功能的特殊物理机制及其制备和表面修饰方法的研究进展。在此基础上介绍了稀土上转换纳米材料在生物成像、检测、载药、即时诊断器件开发等生物医学工程中的应用。     

工业CR技术最新动态

概述工业计算机射线照相(CR)技术的最新进展,包括CR成像板荧光体结构的改进,信噪比和分辨率的提高,激光扫描器的多成像板同时输入、扫描和数字图像输出,使得对射线照相质量和灵敏度有较高要求、且对检测速度和周期也要兼顾的承压设备焊缝检测,有了稳定可靠的新基础。EN和ASME有关CR标准的推出,又为焊缝实施CR检测提供了法定技术依据。本文旨在为国内承压设备加速推广应用CR检测起推波助澜作用。     

基于荧光标记的液相芯片检测方法研究

讨论了基于荧光标记的液相芯片及其二维并行检测方法. 设计了待测试液的特殊流场. 利用脉冲激光激发微球探针上的荧光,配合高灵敏度的 CCD 检测荧光信息,计算机对各个 CCD 记录的荧光信息进行后期处理,获得液相芯片中微球探针上的全部信息. 对检测技术方案中探针流态和荧光信号的强度进行了分析,建立了荧光信号强度与检测系统中各参量间的表达式. 每个探测单元都对荧光信号的收集进行了验证实验. 这种检测方法具有快速、准确、灵敏度高的优点.     

基于太赫兹量子阱光电探测器的成像技术研究进展

太赫兹(THz)波对非极性材料有较好的穿透性,对生物医学组织无电离效应,因而非常适合无损检测、生物医学成像等应用。THz量子阱光电探测器(THz QWPs)具有响应速度快、响应率高、噪声等效功率低、体积小的特点。相较于其他探测器,THz QWPs作为成像系统接收器时,系统具有成像分辨率高、成像速度快、成像信噪比高、结构紧凑等优势。本文综述了基于THz QWPs的成像研究进展,并对成像系统核心指标的影响因素进行了分析和总结。采用更稳定的装置固定THz QWPs,提升器件响应速度、探测灵敏度、阵列规模,可以有效提升系统各项核心性能。     

基于金属卤化钙钛矿的X射线探测与成像

X射线探测技术广泛应用于医疗诊断、安检和质量检测等无损探测领域。金属卤化钙钛矿因具备易于制备、低缺陷密度、高电阻率和高载流子迁移率-寿命乘积等性质而成为理想的X射线吸收材料。首先从X射线与半导体吸收材料相互作用的物理机制、探测器结构和评价指标出发,分析了金属卤化钙钛矿作为X射线探测吸收材料的优势,进一步介绍了面向X射线探测的金属卤化钙钛矿的合成方法。总结了近年来基于金属卤化钙钛矿的X射线探测的重要研究进展,并围绕如何提升灵敏度和检测限开展了系统的讨论。同时,还介绍了X射线探测器与读出电路的集成方式和近年来X射线成像的研究进展。最后,展望了基于金属卤化钙钛矿的X射线探测与成像未来发展面临的挑战和方向。     

基于Mn^2+激活氟化钙纳米荧光探针的时间分辨荧光生物分析

时间分辨荧光探测技术在超灵敏生物检测和高分辨生物成像领域具有广泛的应用前景.目前报道的时间分辨荧光生物探针大都是利用稀土离子4f^N电子组态间的禁戒跃迁发光.本文报道了基于过渡金属Mn^2+离子d→d禁戒跃迁发光的时间分辨荧光生物分析.我们证明通过测试Mn^2+的荧光寿命变化可以将荧光共振能量传递与辐射再吸收信号区分开...     

中波红外多光谱成像技术研究

多光谱成像技术结合成像和光谱测量技术,同时探测目标的光谱和几何特征,在目标识别和抑制背景杂波方面具有技术优势。研制了一套工作于中波红外波段的四通道多光谱成像系统。利用窄带滤光片和面阵探测器技术,构建了基于时序扫描的凝视成像型红外多光谱成像系统。根据红外探测器性能参数,对各个光谱通道的温度灵敏度进行了估算。在系统设计时通过合理地滤光片布局,尽量延长各个光谱通道的信号积分时间,以提高各个光谱通道温度灵敏度。利用研制的中波多光谱成像系统,对室外进行了成像,并对各个通道的成像结果进行了比较分析。     

成像检测在DNA毛细管电泳中的应用

本文研究了成像检测方式以及阵列检测器在DNA毛细管电泳的荧光检测中的应用,目的在于减小检测过程引起的样品区带增宽,提高DNA毛细管电泳的分辨率和分离速度。依据分离度理论以及模拟计算结果,归纳了检测宽度的影响规律,指出减小检测宽度对于高效分离,特别是高速微流控系统电泳分离的重要性。实验测量并比较了成像检测与传统光强检测的结果。提出阵列检测器的信号增强方法,并进行了模拟验证。研究表明,成像检测可显著减小毛细管电泳的检测宽度,提高分离效率和分离速度。     

视窗模型的分类及其在影像学中的研究进展

视窗模型(Window Chamber,WC)是直接在动物活体上研究疾病的发生、发展、及其对治疗药物的反应,尤其对各种肿瘤的研究,提供了很好的平台。目前常用的视窗模型有脊背视窗模型、乳腺视窗模型、脊柱视窗模型以及颅脑视窗模型,目前对其成像方式多种多样,包括荧光成像、超声成像、磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)及核医学(Positron Emission Tomography,PET)成像。这些成像方法的发展对于研究视窗内组织的血管、代谢及药物的治疗效果具有重要意义,有利于深入了解疾病进展及研究疾病治疗新方法。     

低维卤化物钙钛矿直接型X射线探测器研究进展

X射线探测在医学影像、安检、工业无损探测等领域应用广泛。卤化物钙钛矿X射线探测器因具有灵敏度高、检测下限低等显著优点而引人瞩目,然而三维结构的钙钛矿内部离子迁移显著,导致其稳定性较差。研究表明,低维结构可以有效抑制钙钛矿中的离子迁移,进而提高钙钛矿X射线探测器的稳定性。本文围绕X射线探测器的工作原理、关键性能参数、低维钙钛矿材料及器件等方面,详细介绍了低维钙钛矿X射线探测器近期的研究进展,系统分析了低维钙钛矿材料的结构特性及其对X射线探测性能的影响。低维钙钛矿可实现兼具高灵敏度和高稳定性X射线探测器的制备,是发展潜力巨大的候选材料。进一步优化材料体系,设计器件结构,制备大面积、像素化的成像器件,深入研究探测器的工作机制等是促进低维钙钛矿X射线探测器走向应用的关键。     

科学级CCD相机在星敏感器中的设计与应用

星敏感器通过探测天球上不同位置的恒星来确定航天器的姿态。星相机是星敏感器的成像系统。虽然近年来CMOS成像技术快速发展,但在科学级成像领域,特别是星敏感器应用中,CCD技术较成熟。本文的研究目的是研究一种探测能力强、数据更新快的用于星敏感器的成像系统。文中主要研究了基于TH7888A科学级CCD传感器的星相机的设计和应用,说明了CCD工作原理,详细分析了该种CCD传感器的星等探测灵敏度,论述了CCD星相机的设计方案。并用成像实验、动态范围测试、星等探测能力实验等实验验证了所设计的相机的性能。设计的星相机可以用给定的小型光学系统在60 ms以内的积分时间探测6等星,相机可达到10帧/秒的图像数据更新频率,满足短积分时间进行快速星光成像的要求。     

合成孔径聚焦超声成像在混凝土探伤中的应用研究

针对超声波在混凝土检测中分辨率低、成像质量差等问题,提出了采用合成孔径聚焦技术对检测声波信号进行成像处理的方法。通过超声波仿真软件WAVE 2000建立混凝土缺陷模型,结合混凝土超声探测的方式和特点,采用MATLAB软件编写相适应的合成孔径算法及GUI界面。结果表明,在混凝土超声探伤中,此方法确实有效地提高了成像质量。     

用于检测生物硫醇的新型萘酰亚胺荧光探针的合成与应用

该文利用硫醇诱导的2,4-二硝基苯磺酰基基团的断裂反应生成具有供-吸电能力的荧光团,成功设计合成一种基于萘酰亚胺识别硫醇的荧光探针。相对于其他氨基酸,该探针在生理p H(7.40)值下,对于含硫醇的氨基酸具有高度的选择性和灵敏度。探针对硫醇具有显著的荧光增强响应,其荧光强度可以恢复197倍。此外,细胞内硫醇的荧光成像实验,证明该荧光探针具有潜在检测细胞内生物硫醇的能力。     

一种基于MPPC的多通道PCR荧光检测系统

该文在对AXT-12核酸提纯以及聚合酶链式反应（PCR）检测一体机荧光扫描系统需求进行分析的基础上,设计了以单色LED为激发光源,以多像素光子计数器（MPPC）为光路探测终端,采用窄带滤光片、二向色镜和平凸镜为主的共聚焦4通道荧光检测扫描头,并对扫描头的光路工作原理、系统选型、光路仿真、灵敏度计算以及光学机械设计等方面进行讨论。实况调试表明,该扫描头可以满足相关需求。