拉曼、红外和近红外化学成像

1化学成像的光谱原理1
1.1引言1
1.2分子振动2
1.3电磁辐射和物质间的相互作用3
1.3.1电磁辐射3
1.3.2光的吸收与发射4
1.3.3折射率4
1.3.4热发射6
1.3.5荧光7
1.4中红外吸收谱8
1.5远红外和太赫兹谱10
1.6近红外吸收谱11
1.7拉曼散射13
1.7.1自发拉曼散射13
1.7.2共振拉曼散射17
1.7.3表面增强拉曼光谱18
1.7.4相干反斯托克斯拉曼光谱20
1.7.5受激拉曼增益谱22
1.8使用遥感生成化学图像22
参考文献24

第一篇硬件
2拉曼光谱成像仪器27
2.1简介27
2.2拉曼成像仪的类型29
2.2.1扫描型30
2.2.2宽域拉曼成像31
2.3宽域拉曼成像仪设计33
2.3.1光纤阵列拉曼成像33
2.3.2介质干涉滤光器35
2.3.3声光可调节滤光器36
2.3.4液晶成像光谱仪36
2.4拉曼成像仪平台39
2.4.1拉曼成像显微镜40
2.4.2拉曼成像巨视显微镜40
2.4.3拉曼成像纤维内窥镜43
2.4.4拉曼成像望远镜44
2.5信号增强型拉曼成像仪器技术45
2.5.1表面增强型拉曼成像45
2.5.2表面增强共振拉曼成像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串联式拉曼仪器47
2.6.1拉曼-扫描电镜/能谱成像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拉曼红外成像51
2.6.7拉曼近红外成像52
2.6.8拉曼荧光成像53
2.7额外维度拉曼成像仪55
2.7.1立体拉曼成像（X，Y，Z，λ）56
2.7.2动态拉曼成像（X，Y，Z，λ）57
2.8拉曼成像仪性能评估58
2.8.1标准建立58
2.8.2测试标准58
2.8.3FOM计算58
2.8.4实际应用案例63
2.9总结与未来发展方向64
参考文献65

3FTIR成像硬件68
3.1引言68
3.1.1红外显微和成像系统的发展68
3.2系统概述70
3.3FTIR光谱仪的部件71
3.3.1光源71
3.3.2干涉仪72
3.3.3连续扫描模式73
3.3.4步进扫描模式74
3.4光学机械注意事项74
3.4.1卡塞格伦（Cassegrains）望远镜光学系统74
3.4.2光阑的使用77
3.4.3可见光图像系统77
3.4.4样品台78
3.5红外成像检测器78
3.5.1早期发展79
3.5.2红外阵列检测器80
3.5.3红外相机81
3.5.4锑铟基系统82
3.5.5“标枪”MCT相机82
3.5.6快速扫描FTIR成像83
3.5.7线性MCT阵列的应用84
3.6红外成像的采样模式84
3.6.1透射采样85
3.6.2反射采样85
3.6.3漫反射86
3.6.4ATR成像86
3.7红外成像速度与性能反思88
参考文献88

4实现NIR化学成像的技术与实际考虑91
4.1引言91
4.2近红外光谱学92
4.3近红外化学成像92
4.3.1化学成像数据立方体：超立方体94
4.3.2多光谱和高光谱94
4.3.3统计分析和空间非均匀性94
4.3.4高通量96
4.3.5化学成像系统校准96
4.4仪器100
4.4.1采集模式100
4.4.2光照器件105
4.4.3光学器件106
4.4.4波长滤波器106
4.4.5检测器108
4.5最优化实验条件：实用性考虑108
4.5.1空间分辨率和放大率108
4.5.2检出限109
4.5.3采样和样本109
4.5.4数据分析和化学计量学109
4.6结论110
参考文献111

5高光谱成像中的数据分析和化学计量学方法113
5.1引言113
5.1.1数字化图像、多元图像和高光谱图像113
5.1.2图像数据文件116
5.1.3图像和数据分辨率类型116
5.1.4标准化和标准物117
5.1.5高光谱成像技术117
5.2基于灰度图像的操作118
5.3高光谱图像中的化学计量学119
5.3.1局部模型119
5.3.2超立方体数据清理化学计量学方法120
5.3.3滤波和预处理122
5.3.4主成分分析123
5.3.5多元曲线分辨124
5.3.6多元图像回归126
5.3.7判别回归128
5.3.8人工神经网络128
5.3.9聚类和分类129
5.4结论130
缩写130
定义130
参考文献133

第二篇生物医学中的应用
6拉曼成像的生物医学应用136
6.1引言136
6.2大脑137
6.2.1恶性神经胶质瘤和组织坏死137
6.2.2脑转移瘤和脑膜瘤137
6.3乳房138
6.3.1乳腺癌138
6.3.2乳腺肿瘤发展模型139
6.3.3乳房植入物材料和病理140
6.4胃肠道140
6.4.1巴雷特食管和食管腺癌140
6.4.2结肠壁结构和组成142
6.5泌尿组织143
6.5.1膀胱出口梗阻143
6.5.2膀胱癌143
6.5.3睾丸微石症144
6.5.4肾脏肾小球144
6.5.5前列腺癌细胞144
6.6皮肤145
6.6.1基底细胞癌145
6.6.2伤口愈合145
6.7眼部147
6.7.1与年龄相关的黄斑变性147
6.7.2胆固醇和白内障147
6.7.3人类泪液148
6.7.4眼睛的结构和形态149
6.8心血管149
6.8.1动脉粥样硬化斑块149
6.9肺150
6.9.1支气管壁结构和组成150
6.9.2先天性肺疾病151
6.10骨151
6.10.1骨微观结构和组成151
6.10.2颅缝骨接合152
6.10.3骨骼脆弱性153
6.11牙齿155
6.11.1龋齿155
6.11.2牙科修复156
6.11.3牙本质与牙釉质界面157
6.12结论158
致谢158
参考文献158

7红外光谱、显微技术和成像在皮肤药理学和化妆品科学中的应用163
7.1引言163
7.2皮肤和神经酰胺模型的红外光谱164
7.2.1皮肤的超分子组织164
7.2.2神经酰胺中链顺序和堆积的红外光谱-结构关系164
7.2.3单独角质层中的相转移166
7.3伴随热扰动的屏障改造167
7.3.1实验方案168
7.3.2结果：屏障重建的动力学168
7.4酰基链构象顺序的红外成像169
7.5角质细胞的红外显微镜和成像171
7.6头发的红外显微成像175
7.7伤口愈合的振动显微成像178
7.7.1介绍178
7.7.2方法179
7.7.3结果与讨论179
7.8结论181
参考文献182

8体内近红外光谱成像：生物医学研究和临床应用184
8.1引言184
8.2方法185
8.2.1仪表与测量技术185
8.2.2体内成像186
8.2.3生物医学近红外光谱图像的处理187
8.3应用189
8.3.1皮肤189
8.3.2心脏成像194
8.4结论与展望204
参考文献204

第三篇药学中的应用
9拉曼化学成像的药学应用208
9.1与近红外光谱成像关联211
9.2玻璃粉212
9.3全局照明化学图像213
9.4生物医学应用217
9.5数据处理220
参考文献225

10FTIR光谱成像在药学中的应用226
10.1引言226
10.2中红外光谱法227
10.2.1ATR和透射技术227
10.2.2FTIR光谱成像229
10.2.3光谱成像介绍229
10.2.4成像样品制备方法230
10.2.5FTIR显微光谱成像233
10.2.6ATR-FTIR视场拓展233
10.2.7定量分析234
10.3药物研究235
10.3.1多晶型235
10.3.2超临界流体研究235
10.4药物FTIR成像236
10.4.1压片片剂成像236
10.4.2ATR-FTIR微成像237
10.4.3药物制剂与人体皮肤的吸水性成像238
10.5药物溶解的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成像研究流动溶解242
10.6假药的ATR-FTIR成像245
10.7在高通量分析中的ATR-FTIR成像246
10.8结论247
参考文献248

11近红外成像在制药工业中的应用251
11.1引言251
11.2方法：优势和不足252
11.2.1数据处理256
11.3应用259
11.3.1制剂、过程及质量源于设计259
11.3.2质量控制269
11.3.3假药分析276
11.4结论277
参考文献278

第四篇食品研究中的应用
12食品的拉曼和红外成像281
12.1引言281
12.2蔬菜、水果和植物282
12.2.1揭示麦粒的解剖学——红外仪器的一个简短的调查282
12.2.2麦粒的显微结构和籽粒硬度284
12.2.3亚麻茎284
12.2.4探索其他植物物种的解剖学285
12.2.5色素及相关化合物286
12.2.6点采样的成像技术287
12.3动物组织288
12.3.1热、盐诱导肉的变化288
12.3.2用于点取样的成像技术289
12.3.3骨组织290
12.4杂项食品290
12.4.1生物聚合共混物290
12.4.2“现实生活”产品的微观结构291
12.4.3乳剂292
12.4.4微生物293
12.5结束语和未来展望294
参考文献296

13近红外高光谱成像在食品研究中的应用298
13.1引言298
13.1.1食品的整体近红外分析298
13.1.2近红外高光谱成像298
13.1.3仪器299
13.1.4样本制备和表达299
13.1.5样本大小和波长范围300
13.1.6局部性质300
13.1.7本章细节300
13.2文献中的应用300
13.2.1概述300
13.3食品的近红外高光谱图像分析：玉米306
13.3.1问题定义和样本306
13.4食品近红外高光谱图像成像和数据分析的注意事项313
13.4.1取样和样本表达313
13.4.2图像清理313
13.4.3最终的PCA模型、簇检测和选择313
13.4.4穿透深度314
13.5结论314
致谢315
缩写315
参考文献315

第五篇聚合物研究中的应用
14聚合物的振动光谱成像320
14.1引言320
14.2聚合物的振动光谱成像321
14.3聚合物的FTIR成像322
14.3.1聚合物共混物相分离的FTIR成像研究322
14.3.2混合溶剂中聚合物溶出度红外成像研究327
14.3.3在间同立构聚苯乙烯中溶剂扩散和溶剂诱导结晶的傅里叶红外光谱和成像研究329
14.4聚合物的近红外成像335
14.4.1聚合物混合物的近红外成像335
14.4.2纤维素片的近红外成像337
14.5聚合物的拉曼成像339
参考文献345

第六篇特殊方法
15表面增强拉曼散射成像：远场和常规设置的应用和实验方法348
15.1引言348
15.2方法和实验仪器349
15.2.1逐点成像349
15.2.2强度成像350
15.3LSPR和SERS图像的相关性351
15.3.1单一的纳米粒子和二聚物352
15.3.2纳米聚合体353
15.3.3长范围的纳米结构355
15.4SERS成像的应用358
15.4.1蛋白探测的SERS活性基底358
15.4.2活细胞分析的SERS成像359
15.5SERS成像中的闪烁365
15.6结论367
参考文献367

16线性和非线性显微拉曼光谱：从分子到单个活细胞369
16.1引言369
16.2在活体内通过时间空间分辨的显微拉曼光谱对单个活体分裂酵母细胞的细胞活性的实时追踪370
16.2.1实验370
16.2.2空间分辨的拉曼光谱370
16.2.3分离的分裂酵母细胞的时间空间分辨的拉曼光谱371
16.2.4关于“生命信号的拉曼光谱”的发现372
16.3活体内单个萌芽期酵母细胞的自然死亡过程的时间分辨拉曼成像373
16.3.1萌芽期酵母细胞的胞液和晃动躯体373
16.3.2随着晃动躯体出现的自发性死亡进程374
16.4单个光谱细胞的非线性显微拉曼光谱和成像375
16.4.1超宽带多元相干反斯托克斯拉曼散射过程375
16.4.2用于超宽带多元CARS显微光谱的实验仪器376
16.4.3单个活细胞的CARS图像377
16.4.4单个活细胞的多重非线性光学图像377
16.4.5细胞分裂过程的活体测量379
16.5显微拉曼高光谱380
16.6结论384
致谢384
参考文献384

索引386