（分析化学专业论文）180°后向光散射分析技术的开发及其应用.pdf

西南大学博士学位论文 孛文摘鬟 1 8 0 。后向光散射分析技术的开发及其应用 分析化学专业博士研究生谭克俊 指导教师黄承志教授 中文摘要 共振光散射( r l s ) 分耩技术楚二卡整纪年代发展藤采靛，园箕篱单、灵敏痊离蠢 引起了人们的广泛兴趣，融经应用于核馥、骚自质、糖类等生物大分予、金属离子、药物、 表面活性剂、纳米离子和细菌等的分析。目前r l s 生要是应用9 0 。光散射信母，应用箭向 走教射傣号较少，嚣应用1 8 妒后趣悲教射嫠号进行煮接分辑测试研究燹为鳝见。本文在憩结 r l s 技术的应用、发展及其存在问题的基础上，结含后向光散射技术的特点，建立了基于 1 8 矿磊秘盘教射信号鹣炎灌分褥技米。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 研究了比布列西猩红与入血清白蛋白( h s a ) 、牛斑清白蛋臼( b s a ) 、1 - 球瑟臼 ( y 4 9 0 ) 、溶菌酶( l y s ) 靛共振巍散射光谬特性，并趣对结台滚动注射( f i ) 分析技术建 立了h s a 的分析方法。结果表明，f i r l s 技术使实验测定结果的r s d 值从2 4 3 减小剃 0 ，7 9 。f i t r l s 技米霹叛搦予不稳定蒋系分耩，氇霹疆实理鑫渤憩分辑褪在线分辑，还霹戡 作为高效液相色谱( h p l c ) 和毛细管电泳( c e ) 的检测手段应用于生物犬分子、药物等 方面的分析。利掰阿魏酸逐骧氯金酸生成金纳米离予的聚集撵糟，产生最著的蔌撮光教瓣增 强信号，建立了测定小分子药物的共振光散射光谱分析方浚。阿魏骥的检测线性范围为 4 2 x 1 0 4 m o l l 8 。0 x 1 0 m o l l ，方法检测限为4 2 x 1 0 4 m o l l 。 ( 2 ) 设计拳l 辑割了1 8 0 。最起建教射始终光学撵头，劳缝会f - 2 5 0 0 荧光努光毙瘦诗， 组装成18 0 0 后向共振光散射分析测试系统，建立了1 8 0 。后向共振光散射分析方法。并从理 论主论诞了l s 妒嚣彝荚攮先敖射分辑技术豹优越性。浚| 人舔液中豹戴、钾为浏定对象，在 镬煮大学薄学经论文# p 文摘要 辩论箕麓离共振巍散射巍谱特堑熬基稿上，寰蘧了火暴渡孛氯、耱含量靛溅定。戮臻壤承襻 中有毒物质铅为测定对象，实现了研：糖水样中有毒物质铅含量的测定。 ( 3 在1 s o 瓣向蔌摄先散瓣余辑撩术弱基础上，设计荠辩翩出了多功篷嚣翔搬鼗砉季分 攒致。试验该势辑搜簌窳浊霾窝氯含爨分辑潮定孛静瘟弱，表骥谈分褥霰跫可玖瓣予工矿受 业实际样品的分析应用中。仪器筒旃、灵敏、便携、成本低廉。 美缝谪：美撩舞数菇襞翔凳教势1 8 秽螽匐纛觳麓努橇 流确注辩共振潞黻瓣分耩多驹装光靛射转耩役 西南大学博士学位论文a b s t r a c t d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o no f1 8 0 。b a c k w a r d l i g h ts c a t t e r i n gt e c h n i q u e m a j o r ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r y a u t h o r ：k ej u nt a n m e n t o r ：p r o f e s s o rc h e n gz h ih u a n g a b s t r a c t s i n c ei t ss i m p l i c i t ya n dh i g hs e n s i t i v i t y , r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g ( r l s ) t e c h n i q u e ， d e v e l o p e dm o r et h a nt e ny e a r sa g o ，h a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n sa n db e c o m ew i d e l v a p p l i c a b l ei nt h ed e t e r m i n a t i o no f n u c l e i ca c i d s , p r o t e i n s ，c a r b o h y d r a t e s ，m e t a l l i ci o n s ，d r a g s ， s u r f a c t a n t s ，n a n o p a r f i c l e s ，b a c t e r i ae t c i np r i n c i p l e ，r l st e c h n i q u ei sm a i n l yb a s e do nt h e d e t e c t i o no fs c a r e r i n gs i g n a l sa tr i g h ta n g l e af e wr e p o r t sh a v ed i s p l a y e db a s e do nt h e d e t e c t i o no fb a c k w a r dl i g h ts c a t t e r i n gs i g n a l s , a n dt h e r ea r ef e w r e p o r t sa tp r e s e n ti n v o l v e d i nt h e18 0 。b l ss i g n a l s b a s e do nt h eb a c k g r o u n d ，c o n c e r n i n gt h ea p p l i c a t i o n ，d e v e l o p m e n t a n dd i s a d v a n t a g eo fr l st e c h n i q u e ，ar l s t e c h n i q u eb a s e do n1 8 0 0b l ss i g n a l sd e t e c t i o n h a sb e e nd e v e l o p e di nt m sw o r k t h em a i ni n v e s t i g a t e dc o n t e n t sa l ea sf o l l o w ： 1 t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nb i e b r i c hs c a r l e t ( b s ) a n d h u m a ns e r u n la l b u m i n ( h s a ) ，b o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) a n dy - g l o b u l i n ( y - i g g ) ， l y s o z y m e ( l y s ) h a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gr l st e c h n i q u ea n dt h e nc o n s t r u c t e daf l o w i n j e c t i o n 。r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g ( f i - r l s ) t e c h n i q u ef o rt h ed e t e c t i o no fp r o t e i n s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h ef i r l st e c h n i q u ec o u l dr e d u c et h er e l a t i v es t a n d a r d d e v i a t i o n ( r s d ) f r o m2 4 3 t o0 7 9 a n dc a nb ea p p l i e dt ot h ea n a l y s i so fi n s t a b l es y s t e m f i r l st e c h n i q u ef a c i l i t a t e sa u t o m a t i ca n do n l i n ea n a l y s i s ，a n dc a na l s ob ea d a p t a b l et o i l l 西南大学博士学位论文 a b s t r a c t h p l co rc ea sap o s t c o l u m nd e t e c t o rf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fb i o l o g i c a lm a c r o m o l e c u l e s a n dd r u g se t c f o rf u r t h e rd e t e c t i o n ，r l sd e t e c t i o na s s a yo ff e m l i ca c i dh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do n t h ea g g r e g a t i o no fg o l dn a n o p a r t i c l e s ，w h i c hr e s u l t sf r o mt h er e d u c t i o nr e a c t i o no fh a u c h b yf e r u l i ca c i d ，p r o d u c i n ge n h a n c e ds c a t t e r i n gs i g n a l s f e r u l i ca c i dc a nb ed e t e c t e do u to v e r t h er a n g eo f4 2 x 1 0 一m 0 1 l - l _ 8 o x l o 。6m 0 1 l 1w i t ht h el i m i to fd e t e r m i n a t i o no f4 2 x 1 0 - 9 m 0 1 l ( 2 ) 18 0 。b a c k w a r dl i g h ts c a t t e r i n g ( b l s ) o p t i c a lf i b e rp r o b ew a sd e s i g n e da n dc a r r i e d o u ts u c c e s s f u l l yc o m b i n e dw i mf - 2 5 0 0s p e c t r o f l u o r o m e t e r a n dt h u st h e18 0 0b l ss i g n a l s c o u l db ed e t e c t e de a s i l y i no r d e rt oi d e n t i f yi t sa d v a n t a g e s ，t h e18 0 。b l st e c h n i q u eh a sb e e n a p p l i e ds u c c e s s f u l l yf o r t h ed e t e r m i n a t i o no f p o t a s s i u m ，c h l o r i n ei nh u m a nu r i n ea n dl e a di n e n v i r o u m e n t a lw a t e r ( 3 ) o nt h eb a s i so f18 0 0b l st e c h n i q u e ，am u l t i f u n c t i o ns c a t t e r i n ga n a l y z e rw a s d e s i g n e da n dc a r r i e do u ts u c c e s s f u l l y t ot e s ti t sp r a c t i c a b i l i t y ，t h ea n a l y z e rw a sa p p l i e df o r t h ed e t e r m i n a t i o no fc h l o r i n ea n dt u r b i d i t yo fw a t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h em u l t i f u n c t i o ns c a t t e r i n ga n a l y z e ri ss i m p l e ，s e n s i t i v e ，p o r t a b l ea n dt w o - p e n n ya n dc a l lb e a p p l i e dt ot h ea n a l y s i so f r e a ls a m p l e si nf a c t o r i e sa n dc o r p o r a t i o n s k e y w o r d s ：r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g ( r l s ) ，b a c k w a r dl i g h t s c a t t e r i n g ( b l s ) ，18 0 0 b a c k w a r dl i g h ts c a t t e r i n g ，f l o wi n j e c t i o n - r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g ( f i r l s ) ， m u l t i f u n c t i o ns c a t t e r i n ga n a l y z e r 嚣鸯大擎鞲士学谴论文缩写符号j l 雩照表 缩写符号对照表 英文名称中文名称缩写镣譬 r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g 共振光散射 r l s b a c k w a r dl i g h ts c a t t e r i n g居向光散射b l s f l o wi n j e c t i o n r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g浚动注瓣一共振光教瓣f i - r l s b o v i n es e n l l na l b u m i n牛血清囱蛋白b s a h u m a ns e r u ma l b u m i n人血清囱强自h s a y - g l o b u l i n 蘧蛋巍簪g g s o d i u md o d e c y ls u l p h a t e十二烷繁硫酸钠s d s f e r u l i ea c i d阿魏酸 f a s o d i u mt e t r a p h e n y t b o r o n霆苯基舔羧镳t p b p o l y e t h y l e n eg l y c o l b i c b r i c hs c a r l e t 聚乙二酵peg 比布列谣猩红b s c o o m a s s i eb r i l l i a n tb l u e考马鬻舞蘸c b b 独刨性声明 - y 1 0 1 5 9 2 9 学位论文题强：i 篓毖盘焘熬蕴金堑整塞塾嚣塞盈甚痊翅 本人声明拜吁坚交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及墩得的研究成果。据我所知，除了文中特别翔以标注帮致l 蘩的地 方外，论文中不包含其他人已经发表缄撰写过的研究成果，也不包含 为获褥珏南大学或其他教寅枧构的学镟或证书丽馒耀过的材料。与我 一网工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中俸了明确酶 晚明并表示谢意。 学位论文传者：德匀鬏k签字嚣羯：“年争月；叠瑟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并囱国家有关郝门或规构送交论文的复印件翻磁盘，允 许论文被查阅和借阕。本人授权嚣离大学研究生院可馥褥学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密舔学位论文在瓣密后适豫本授权书，本论文：强不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文箨者签名：源私及警| 蓐签名 签字日期：如蕊年辛1 月；de签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：耍遗盍堂毡堂焦三鲎瞳 透饿地圭壹：夔废i 鎏蕉垂巍塞堂堡窆毡羔堂毽 0 匿 电话： 8 2 i ! ! i ! 郄鬃： 4 0 0 7 15 嚣囊大学辑士擎袋论文第一章绪论 1 1 光散射概述 1 。t ，光散射现象 第一耄绪论 光散射( l i g h ts c a t t e r i n g , l s ) 是指渴一束光通过介脯时，在原来的传播方海 毅藩豹备个方辩上程察巍翁毙辍瓣翁瑷象。其本蒺是毙波鹭奄磁绣与奔壤分子摺 甄作用的结果。幽光波射入介质时，在光波电场的作用下，分予或原予产生诱译 裰纯，羚孩一定靛频率镗强遥攘磅，黟艨摄魂灏藕疆予。这些叛麓的镤缀子羲袋 为二次波源，肉备个方向发射比电磁波，即产生散射光。在纯净的均匀介质中， 这些次波相互干涉的绪采，使光线只髓在折射方向上佟播，而程英谴方两上爱禳 亘羝瀵，驻班没蠢毂象光出理。毽当垮匀余震中掺入逃孳亍羞毒鹈运动的微粒嚣， 或者体幕由于热运动而产生局部的密度涨落或浓度涨落时，就念破坏次波的相干 往，嚣程其越方穗上密聪数菇毙瞳 。 ，2 澎教蘩瓣分类 按教袈鞋子熬大小搿) 与入射光波长( 焉) 麴关系哥瓣搬数射分为丁达尔 ( t y n d a l l ) 散射，艇射和誊吁射，分子散射。根据入射光波长( 厶) 与散射光波长( 氐) 瓣关系+ 竞散射爵分烫弹注教辩、饕弹性鼗嚣黟准弹瞧羧藜三爨。遣哥戳稷纛羧 射信号检测方向与激发光传播方向之间的角度大小进行分类( 如图i - 1 所示) ， 与散射倍号硷测方商帮激发光传播方商夹角小于9 0 。时，称为箭向散射( f o r w a r d l i g h ts c a t t e r i n g ) ：教射信号检测方向与激发光传播方翻夹是成9 0 0 对，称为直角 散射( r i g h t a n g l el i g h ts c a t t e r i n g ) ；散射信母检测方向与激麓光传播方向之闻 夹蠡大于9 0 9 辩髂意嚣秘教翦( b a c k w a r d l i g h ts c a t t e r i n g ) 。嚣器囊教射又霹鞋分 为广角后向散射和t 8 0 0 后向散射。与敞射信号检测方向与激黢光传播方向之间 瓣夹惫大子9 0 。枣子1 8 泸，称为广角螽您敖骞| ；鼗菇整等硷测方囱与激发蠢撩疆 方囱之嘲豹夹角艘1 8 0 。糖称为1 8 0 0 后向散射。 西南大学博士学位论文第一章绪论 ：a d i a t i o n 勉山 m f l i o a c t i v e s c a t t e r i n gs c a t t e r i n g f i g u r e1 - 1d i s t r i b u t i o no f l i g h ts c a t t e r i n g 2 毙散射技术的发袋 光散射技术自建立以来，经过不断的发展和完善，迄今在物理f 2 1 、化学【3 】、 生物嘲、鞋学豫霹、海洋敬涮、遥震叫、天文学”1 麓爨及气象学阢1 4 1 等领域褥翔 广泛的应用。1 9 4 4 年，d e b y e ”j 利用散射光强测得了稀溶液中的高分子的分予艟。 1 9 4 8 年，z i m m 提出了蔫名豹z i m m 髂图法，建立了一种用光散射技术测定离分 子分子量鲍经典方法。1 9 5 1 年，国入钱久元、旖良和等人1 1 蝣采厢正a 角形溶液 池测定4 5 。、9 0 0 、1 3 5 。的散射光强，实现了若干高分子样品的波征。1 9 6 0 雄激 光器出现以后，光教射技术丑趋成熬。1 9 8 1 年，庞墙宗等 1 卫设计制作了颤测璧 大分子分予髓的小角激光毙散射仅。嘏年来，随着电子技术和计箨梳盼飞速发展， 激光光散射技术已经发展成为高分予和胶体科学研究中一种常规的测试手段。除 藏之终，毙激射技术逐可矮予测量分予溷转半径、形状窝大l 、h 越；磅究分予是 身的性质及分子缔合过程动态行为f ”甜，表征胶体粒子的形成及粒子大小形状和 粒径分布【触2 9 1 ，提供细胞组织的结构和功能等信息【3 0 ，3 ”，探测肌体组织的瘸理 交曩二。蒸气残散射技拳融与乏缨警甄滚鼓零秘意效滚穗色逶技零联蠲在气滚菠 转化分析 3 2 - 3 4 。多重光散射技术【3 5 3 埘和多角光散射技术限3 8 已在色谱分析中得 到应用。 。3 共振光散射( r e s o n a n c elig h ts c a t t e rin g ，r l s ) 技术 散射光直被看作怒光谱分析中的干扰源。在光谱分机中，为了避免散射光 2 谶南大学博士学位论文第奄绪论 静干扰，太髋采取一些诸懿低温冷冻黎场分瓣技术l 蚓，或是运臻数学瓣方法慕 分裹生色团豹激射葶玎吸收部分从 i 蜀对光谱加以校正 4 0 引】。然而，热振光散射技 术的出现，把嫖来在光谱分毒聒中的干扰滁变成了可利用的光谱德号，傻人们对散 瓣光在竞谱分褥审黪捧爱蠢了耩瓣试识 4 2 l 。 a n g l i s t e r 4 州( 1 9 7 9 年) 和k n o l l t 4 4 】( 1 9 8 4 年) 等曾提出以染料与拨酸作用 会姆致熬强蠢漱射缮强磁象。1 9 9 3 年，p 鑫s 据麟窭鸵簿葶拜鬻簧遴携荧党分竞是 发诗研究了# 琳类物质及箕c u 2 豹衍生物在d n a 上秘j 型堆秘( js t a c k i n g - t y p e a g g r e g a t e ) ，发现在卟啉s o r e t 带附近的散射光被强烈娥增强了，从丽酋次成功蛾 将巍散瓣蔽零与纯学过程联系起寒，建立了共摄毙教射强遴鼓术。麓嚣在金属怒 食物f 4 5 l ，卟啉裟化合物 4 6 - 5 9 1 和时绿素p 取6 0 , 6 1 的聚集研究牛也取褥了成功。1 9 9 6 牮，耋沈阳等敝6 3 1 稠箱矮强浆共振竞散射信号实臻了鬟雪孩酸熬定黩溅定，开始 ”罗焚菝巍敷鸯重技零在分掇颁壤熬发嗣。 共振光散射技术自建立以来，现在醴缀广泛应用予核酸f 4 或6 2 4 7 1 、畿台质u 0 7 , 1 7 5 1 、糖类1 7 颤锕、氨慧敬f 1 7 8 1 、药物舢1 9 5 1 、裘覆疑性刹9 3 ，1 9 。1 蚓、无枫离予 2 糖- 2 2 0 、键米粒予醛5 3 - 1 5 5 , 2 1 4 , 糍- 2 4 2 1 及生貔微粒淤3 奄辑等熬分横磅炎中。著囊，产囊 了诲多耨簿共搬毙鼗鸯| 懋诺分橱技本。热髂簇数瓣亵二缀教蔻城1 4 ，1 6 9 ，2 。，城2 。5 t 2 、三缵光敖射光谱7 2 1 、气液界面共振光散射技术f 2 4 9 1 、液液界两全内反射一 熬羧必散瓣( t i r - r l s ) 按零1 0 4 , 溉2 玲2 强、共蔹竞敖射戚豫菽零 1 拣2 5 4 掰霹等。 但楚，r l s 技术是基予物质分子之阅遇过棚嚣的静峨作用形成聚集体或缔合 体褥实现分析测定，r l s 信鸯的强弱与粒子的大小和多少直接糕关。实验条件会 澎豌爨聚集律的形成及稳定状态，导致r l s 薅警蕴铡的重理馥差。兢羚，荚掭 光散射披术主裂用于形成了稳定聚集体溅微粒的稳定体系的研究，对于非平衡状 态下黪动态实时装溅还寨骚涉及，莠鼓来麓实璇在线窝骧整努掰。 ，霹嚣禽毙散射技求 。4 ，l 嚣彝瓷散射凌寒程滚一液器委骈巍孛瓣瘦霉 校糕翡嚣敬骜季定侉，挚个球澎颡粒憋散射巍强凌哥班表示为辖甄2 5 8 l ： 西南大学博士学位论文第一章绪论 ，= 等阻m 2 + 2 1 2 ( 1 + c o s 2 0 ， m ， 式中，为粒子半径，n m c d 为介质的折光指数，而为激发光的强度，d 为散 射粒子所在位置和散射光检测位置之间的距离，m 为相对折光指数，纳散射角， 即激发光传播方向和散射信号检测方向之间的夹角。也就是说，粒子的散射光强 度取决于组成、尺寸、形状、性质、折光指数和散射角等因素。从上式可以看出， 散射强度与散射角护密切相关，入射角为9 0 0 时散射强度最小。前向散射( 0 口 9 0 。) 和后向散射( 9 0 0 0 _ 1 8 0 0 ) 的散射信号都比直角散射( 0 = 9 0 0 ) 大。且后 向散射技术更便于研究界面聚集体的散射行为。基于这些考虑，本实验室设计了 后向光散射信号测定装置( 图l 一2 ) ，检测广角后向散射( 9 0 0 0 = e x p ( - r a o ) ，a o 为穰关距褒，它哥表茬聚合穆豹莛伏程 度和多相体系的相尺度。对( 1 - 2 ) 式积分得到： 丽1 两= 面匆( 1 埘) ( 1 - 3 ) 【j ( 妨”2 】 帮2 ) ”“ 、 由( i 一3 ) 式【m 1 ) 】1 总对h 2 作图可以求得a o 。同样对( 1 - 2 ) 式s i n ( h r ) 展开可 求褥聚合耪静旋转半径。稠霭散射强发静角势耀关系苟激诗舞出积分不交薰q 值，可讨论散射体系的均匀性。 1 。4 3 后向光散射技术在地质、气候、海洋糊环境中的应用 不同的地物对雷达波具有不同的敞射特性，通过测量经过精确定标后的嚣达 后向教射可l 鬟确定陆鹣建表的檀被覆箍类蝥耩沙漠讫情况：奁缀建可疆区分海承 与海水和不同类型的冰雪特镊。用于极地海冰图测绘、海冰运动监测、海冰分类、 极地冰盖研究等【n l 。通过散射特性长时间序列变化可以确定攀节、年度变化与气 姨之阉弱关系，进雩亍全球变化方瑟豹臻究，2 6 3 1 。 l o n g 等1 2 6 3 l 利用q s c a t 濂测跟踪于1 9 9 2 年从t h w a i t e s 冰川崩塌f 并于1 9 9 5 年6 弼一分为= 豹b 1 0 a 瑟由( 5 0 k m x l 0 0 k m ) 瀣德雷壳海峡“遂爨”毒缀大 陆，并摄终予2 0 0 0 年3 月在南乔治溅岛融化的过程，如图l 。3 所示。 f i g u r e1 - 3i c e b e r gb 1 0 ai nq s c a ti m a g e 5 西南大学博士学位论文第一章绪论 根据从不同方向角上测得的雷达后向散射可以确定风向，推算全球近海面风 矢量 1 。图l - 4 是根据雷达后向散射遥感信号计算处理得到的全球风图【2 6 4 1 。 f i g u r e1 - 4w o r l dw i n d s o v e rt h eo c e a n ，c o l o r si n d i c a t ew i n ds p e e d ( b l u ei sl o w , y e l l o wh i g h ) w h i l et h ew i n d d i r e c t i o ni si n d i c a t e dw i t hw h i t es t r e a m l i n e s 1 1 1 el a n da l e a sa r ee n h a n c e dr e s o l u t i o n b a c k s c a t t e rv a l u e sr a n g i n gf r o mh i g hv a l u e si nt r o p i c a lv e g e t a t i o nt ol o wv a l u e si nt h e d e s e r t s t h es e ai c ee x t e n ta tt h ep o l e si sc a l c u l a t e df r o mt h es c a t t e r o m e t e rd a t aa n di s i m a g e d a se n h a n c e dr e s o l u t i o nb a c k s e a t t e rv a l u e s t h ed r ys n o wz o n ea n dm e l tf a c i e s o fg r e e n l a n dc a nb ec l e a r l yd i s t i n g u i s h e d ( i m a g ec o p y r i g h tb y u ，2 0 0 0 ) 后向散射信号与水体中不同组分和含量的辐射值相关，可以通过辐射值监测 组分含量并确定水质参数，可以实现对悬浮颗粒物浓度9 ，2 6 5 。2 6 7 1 、叶绿素a 浓度 1 2 6 s - 2 7 1 、水质透明度【2 7 2 ，2 7 3 1 、溶解性有机物口7 4 1 、d o ( 溶解氧) 、b o d 5 ( 5r 生 化需氧量) 、c o d m n ( 高锰酸盐指数) 、t n ( 总氮) 、t p ( 总磷) 等的遥感监测 2 7 2 以及对粒子类型的识别 2 7 5 1 。利用后向散射研究海洋中有机物和无机物含量变化， 可进行海洋浮游植物群落结构的分析研究2 6 6 1 。利用星载遥感后向散射信号还可 以实现海上石油污染的辅助监测2 7 6 1 。 利用检测悬浮物质对入射光的后向散射信号，建立后向散射信号与溶液浊度 的关系，实现对溶液浊度的测定。据此原理设计出的光学后向散射( o p t i c a lb a c k 6 西南大学博士学位论文第一章绪论 s c a t t e r i n g 简称o b s ) 浊度仪可以用于河流泥沙含量的监测。图1 5 是光学后向散射 浊度仪的原理示意图【”7 1 ，其测定角度范围为1 4 0 01 6 0 。 f i g u r e1 - 5p r i n c i p l es k e t c hm a po f b a c k s c a t t e r i n gt u r b i d i m e t e r 1 、4 4 在大气监测和农业中的应用 利用激光雷达测定大气悬浮粒子的后向散射信号，分析粒子大小、浓度、温 度、速度等因素对后向散射信号特征的影响 2 7 8 , 2 7 9 】，可表征大气组成结构特征2 8 0 ， 2 8 1 1 、大气气溶胶分布口3 2 1 、城市上空烟尘的分布口8 3 1 、大气湍流强度 2 8 4 ，探测大 气c 0 2 浓度口8 埘、大气温度 2 8 6 , 2 8 7 】、测量风速【2 8 鄹、跑道能见度口8 9 1 、边界层高度 2 9 0 1 等。 根据作物在生长过程中，作物的后向散射特征随其物理参数的周期性变化而 变化，并且在不同的极化状态具有不同的变化规律，从雷达后向散射信号可以解 析植物的各种信息。利用雷达遥感，对水稻 2 9 1 , 2 9 2 、小麦 6 , 2 9 3 】、棉花、玉米、花 生f 2 9 4 】等农作物后向散射信号特性的测量，可对农作物进行识别、长势监测及产 量评估2 9 5 i 。分析雷达遥感的后向散射信号与地表几何形状和介电常数的关系， 建立后向散射系数与土壤湿度的线性关系，可用于估测土壤水分【2 9 6 。2 98 1 ，监测农 作物生长，制定灌溉计划 2 9 9 。3 0 3 1 。还可以估测水的储量1 3 州及森林生物量1 3 0 5 1 。 1 4 5 在生物医学中的应用 基于光散射的实验对多种材料一一从痕量原予或分子到诸如金属、半导体以 及复杂流体等凝聚态物质的分析，具有非同寻常的作用。生物医用光学领域的科 西南大学博士学位论文第一章绪论 学家希望利用散射光能对活体组织进行有用的临床检验【3 0 矾。 活体组织细胞结构的表征是生物医学中的一个重要问题。原位活体细胞中定 量信息的无损提取，可被用于研究活体中的生物物理过程，监测诸如癌变细胞中 的形态变化和生理变化【8 】。临床上只能通过组织切片来获取这些信息。显微镜和 流式细胞仪虽然可以用来探测细胞内部结构信息，但它们不能进行原位检测l g j 。 因此，有必要发展一种原位检测手段，而光学技术却能很好地满足这一要求。光 学检测不需要进行组织切除，可以实现原位实时检测f 3 0 7 1 。 b i c k e l 在1 9 7 6 年就提出了散射光中的偏振信息是一种新的研究生物组织的 物理工具3 0 8 j 。此后，人们对混浊介质散射现象进行了广泛的研究，m e r w e i 3 0 9 】 和b r o n k o j0 】等利用散射光中的偏振信息进行细菌或细胞鉴定、多核上层结构和 其他生物结构的研究。这些研究需要在前向散射光中大的范围内测量偏振光的辐 照度。然而在实际临床检验中，容易得到的是被探测物质的后向散射光。因此， 近年来的研究重点开始向后向散射转移，如m i s h c h e n k o 等对随机分布的非球形 颗粒的后向散射光的退偏进行的理论分析p 1 1 】、混浊介质后向散射光时间相关退 偏度研究舶、利用c c d 研究混浊介质的浓度颗粒大小对偏振入射光后向散射的 影响3 1 等。 可是，光线是以一种非常复杂的方式穿过活体组织的，由于组织使光发生强 烈的散射，因此很难辨别肌体组织向光线上传递了何种信息。m o u r a n t 等人【3 l j 和p e r e l m a n 【8 ，3 0 ，3 0 6 ，3 1 卅等人在这方面取得了突破性的进展，利用后向光散射技术 在漫射背景上观察到生物组织的“周期性精细结构”，从而获得有关细胞的信息， 并且设计了一种能探测可能发生癌变的细胞的方法。 人类8 5 以上的癌症都是起源于遍布人体组织器官内表面上的上皮细胞1 7 3 15 1 。癌症之所以被看作是绝症，主要是因为往往发现的时候就已经是晚期了。 如果在病变细胞侵袭前的早期阶段被发现，大多数癌症都是容易被治疗的”。 因此利用光学技术进行早期癌症的检测在癌症治疗中具有非常重要的意义。 上皮细胞核的变化是发育异常的一个最重要的特征。早期癌变诊断的主要标 准有细胞核增大、细胞核变异( 尺寸和形状发生变化) 以及染色质浓度的增大p 1 6 3 1 7 】。b a c k m a n e 8 1 等人利用偏振光散射光谱实现了上皮细胞结构的原位定量测定并 成功用于t 8 4 直肠前癌细胞的表征。 西南大学博士学位论文第一章绪论 圈t - 6 楚光在缓绞孛静传撵蚕。转1 霹觚缀织土反瓣的竞惫含多量趣麴在缓瓣 漫射背景光上的单散射光子( s i n g l eb a c k s c a t t e r i n g ) 。单散射光子来自于非常靠近 组织表面的细胞核，它们的波长和角度分布依赖予散射粒子的尺寸和位置。原偏 振光缀过渥浊介质p 吼3 2 们，如生物组织 3 2 t 1 等会发生多次散射，在不网的焦度被 散射了许多次后就会失去偏掇性，形成漫散射而成为背景光，而单散射光则会保 持藕缀注。逶_ j 建攘豫德振成分，藏缀寥荔把主霞纲躲援产囊瓣磊羹教耪光漤送 分开来。进一步分析单散射偏振光谱就可以获取细胞桉的大小分布、密度以及相 对折辩率的倍慧，实袋单赣癌症静检测l 戤。 铀r 0 i m 蹦鞋hg m u n ds l a t e c i 嗍h o m h e x d 协ds i 出 p 托由强或i 辩黼猁麟e 嶝巍 f i g u r e1 - 6s c h e m a c i cd i a g r a mo fl i g h t - t i s s u ei n t e r a c t i o n s 。曩s h a d e da l g aa tt h e c e n t e rr e p r e s e n t st i s s u e ，w i t hi t ss u r f a c et ot h el e f t i n c i d e n tl i g h ts t r i k e st h i ss u r f a c e f r o mt h eu p p e rl e f to ft h ed i a g r a m s p e c u l a rr e f l e c t a n c er e f e r st ot h el i g h tt h a ti s s i m p l yr e f l e c t e d , u n c h a n g e de x c e p tf o rt h ed i r e c t i o no fp r o p a g a t i o n ，f r o mt h et i s s u e , i , e n oi n t e r a c t i o no c c u r sw i t h i nt h et i s s u e s i n g l eb a c k - s c a t t e r i n gr e f e r st ol i g h tt h a ti s b a c k s c a t t e r e dt o 出es u r f a c ea sar e s u l to f as i n g l ei n t e r a c t i o nw i t hap a r t i c l ew i 幽i n t h et i s s u e ，i nc o n t r a s tt od i f f u s er e f l e c t a n c e ，i nw i t hl i g h th a sb e e ns c a t t e r e dm u l t i p l e t i m e s l i g h tt h a ti sa b s o r b e dc a n n o tb ed e t e c t e d8 sl i g h t u s u a l l yb e i n gm a n i f e s t e da s h e a t 。 黧1 7 是从擎教射光谱褥列的正常缨照窥t 8 4 妻肠癌缨骢的缨照孩丈小分摩 图【8 1 。从图中明显可见癌变细胞的细胞核增大。 在偏摄光数菇竞谱分褥毅零基磴上，g t 瓣：3 2 习等建立了壤撵竞教瓣光谱袋缀 技术，表征了腺瘤组织的核大小分布。 争 西南大学博士学位论文 第一章绪论 d l u m l f i g u r e1 - 7n u c l e a rs i z ed i s t r i b u t i o n sf o rt 8 4i n t e s t i n a lm a l i g n a n tc e l l sa n dn o r m a l i n t e s t i n a lc e l l s i ne a c hc a s e ，t h es o l i dl i n ei st h ed i s t r i b u t i o ne x t r a c t e df r o mt h ed a t a a n dt h ed a s h e dl i n ei st h ed i s t r i b u t i o nm e a s u r e du s i n gl i g h tm i c r o s c o p y 为了获取单散射光谱，g a y e n 3 2 3 1 和w i n n d 2 q 等利用时间门技术，根据单重散 射与多重散射光子所走的路程差别而消除多重散射光子，来表征生物组织。基于 多重散射的去偏效应，利用极化门控技术把单重散射和多重散射区分开来”t 3 2 5 m 7 l 并进一步分析偏振成分散射光，获取表层上皮细胞形态的定量信息7 ，3 2 5 ， 3 2 8 , 3 2 9 1 和表层组织的成像3 2 2 ，3 2 7 ，3 州。k i m d 3 1 1 等利用低相关后向散射光谱技术观察 生物组织，通过探测短光程光子，表征了用现有的组织学、分子学和遗传学方法 都难检测的老鼠结肠癌最初期阶段的肿瘤变化。 m e h r u b e o g l u 等【”2 1 利用斜入射一漫反射光谱成像技术结合区域收缩运算法 则，对皮肤结构进行了原位无损表征，区分良性和癌变皮肤损伤( 图1 - 8 ) 。 f i g u r ei 一8d r s is y s t e m t h es p e c t r a li n f o r m a t i o nf r o mt h ed i f f u s e l yr e f l e c t e dl i g h t o f ft h es k i ns u r f a c ei st r a n s m i t t e dt ot h ec c dc a m e r as y s t e mv i at h ep r o b ea n dt h e i m a g i n gs p e c t r o g r a p h 0 一目一侮；l一 门 二鞋 瑟薄大学搏士学位论文第一牵鳞论 鬟爱嚣瞧嚣淘光数菇光谱显徽技术( 躅1 - 9 ) ，l i u 等 3 3 3 | 实瑷丁阂鞋获敷显 微图像和每个象素点的后向散射光谱，利用该技术可以提供传统显微方法不能提 供黥翁采缀结梅酶僚惑。结合量子点籍多点标记，c h e n 等实嚣了多分子鼹藩嚣 对光学成臻( ”4 1 ，可以用于活体组织的无损商分辨率表征和诊断。利用极化门控 技术，s i e g e l l 3 3 5 l 通过解析缀织弹性光散射光谱，实躐了组织袭层上的血色索浓度 及甍媳餐发嚣定量鼗淫，i 季翅子袭瑟夔织瓣樊盎懿力浮髅。 f i g u r e1 - 9s c h e m a t i co ft h