宽带光子飞行时间谱作为一个潜在的工具在生物医学和工业过程和质量控半岛综合体育官方APP下载德甲制

德米特里•Khoptyar索伦·约翰逊,斯塔Stromblad和Stefan Andersson-Engels

隆德大学物理系的邮政信箱118 se - 221 00隆德,瑞典。电子邮件:(电子邮件保护),(电子邮件保护)

介绍

宽带光子飞行时间(PToF)光谱学是一个飞速发展先进的光谱工具分析一系列散射样半岛综合体育官方APP下载德甲品在生物医学、工业和环境的应用程序。这项技术能够简化和改进的健壮性光谱分析通过独立评估的吸收和散射性质。使用说明原始实验数据的例子,在本文中,我们讨论的原则和实现宽带PToF光谱学。半岛综合体育官方APP下载德甲我们说明这部小说的独特功能技术通过提供宽带吸收和散射光谱的代表食物和纸张样品。

光散射是最常见的一种光学效应在日常生活中我们遇到。光散射负责大部分的大气光学现象,让我们的世界看起来我们所知道的。天空的蓝色白天时间和红颜色在日落的结果所谓的瑞利散射光在大气中,而白色的云是米氏散射的结果。光散射还负责光传播条件的外观和周围各种各样的对象。光散射负责典型的白色食物(如乳制品、糖、水果、鸡蛋、面粉和更多),绘制表面,纸张,塑料,明亮的布料等。此外,它主要是光散射决定我们自己的外表。高散射的皮肤让白种人看起来白的表层,而短的光波长的选择性反射到视网膜,这也是由于散射,导致蓝眼的颜色。重要的是,光散射也强烈地影响到光在生物组织中传播和人类的身体。

从这不足为奇扩散光学光谱(DOS),光学光谱的分支机构致力于研究样本光传播的吸收和散射的影响,在现代半岛综合体育官方APP下载德甲科学技术是极其重要的。特征典型的DOS示例应用程序的例子有:生物组织(生活),制药、多样化的食品和化工产品、化妆品、塑料、及各种环境样品。近几十年来DOS已经成为一个越来越重要的工具在医学等重要领域,生产工业和环境监测。

在工业应用光谱学方法提供了相对简单的方式,快速、非破坏性,半岛综合体育官方APP下载德甲原位灵活、精确的分析,通常不需要样品制备。它可以实现在线,在线和行,重要的是成本通常低于替代技术。

生物医学应用光光谱提供了一个非侵入性的机会,因此痛苦,无感染意味着监控关键半岛综合体育官方APP下载德甲的生理参数(例如,氧化)诊断和治疗监测的严重和普遍的疾病,如癌症。众所周知,例如,加强新陈代谢的癌症导致过度vascularisation和低氧化的恶性肿瘤。这会影响吸收和散射性质的组织,可以用作内在癌症生物标记。

如上所述,高灵敏度和多功能性的DOS光谱作为一种分析技术来自其监控光吸收和散射的能力。半岛综合体育官方APP下载德甲光吸收发生由于光与原子和分子的交互。吸收从而提供样品的化学成分的信息。散射通常发生由于微小的随机样本结构中的违规行为导致折射率的波动。因此散射提供了样品的微-纳米结构信息,其物理条件和其他物理性质。吸收和散射信息从而互补和非常重要的评价样本属性相关的特定应用程序的需求。

虽然非常有用,非常重要,DOS可以挑战和复杂的。光传播的浑浊的样品同时也在吸收和散射的影响。不幸的是这些影响可能在实践中不容易分化和彼此分离。面临的主要挑战是,腔长样本依赖于样本的光属性和是未知的。换句话说,比尔-朗伯定律被广泛用于分析在传统光学吸收光谱无法轻易利用在浑浊的样本的分析没有定义的光路。半岛综合体育官方APP下载德甲

在漫射光光谱数据分析通常是基于数据预处理和最优化技术。半岛综合体育官方APP下载德甲这些方法都是基于一个代表库光学光谱的分析从多个样本有不同的光学性质。然后,一个先进的数学例程用于分类和描述每个新样本的相似那些早期测量样本。尽管这通常是一个非常有效的方法,它也有重要的缺点。首先,它需要精心的设计和维护样本库,这是昂贵的和时间/劳动力消耗。其次,它是不可能的,以确保样本库完成,并有遇到一个样本的概率不同寻常的特性,不能分析和分类。这将导致故障的分析。第三,设计一个分类库(比如,一个最优化标定模型)在某些情况下甚至可能不是可行的。例如,可能的情况,例如,所有的病人自然独特的生物医学应用。第四,实证最优化分析并不直接给深入研究了解底层样品物理性能,这的确是一个限制的应用程序。

针对DOS近年来明显的挑战,有浓厚的兴趣对先进的光谱技术的发展,使分化和歧视之间的吸收和散射效应直接测量。这种技术可以强烈促进光谱数据的分析和解释。事实上,解耦的吸收和散射允许减少标定数据库的规模和复杂性,导致更加健壮和简单的分析。此外,在最优化伪变量相比,吸收和散射是定义良好的物理量,便于实验的解释和理解的物理和化学性质的样本。

一个重大进步在这些techniques-PToF spectroscopy-has近年来了。半岛综合体育官方APP下载德甲^1,2,34Biophotonics集团在瑞典隆德大学最近开发出了一种宽带谱仪的评价非常多样化的浑浊的材料的吸收和散射光谱中的可见光和红外接近(NIR)地区。^2,5

光子飞行时间谱半岛综合体育官方APP下载德甲

PToF的基本原则如下。短(~ 30 ps)光脉冲用于探测的光学性质浑浊的样本调查。这是可能的,因为脉冲的形状演变在样本内的传播是由于吸收和散射的累积效应。通过安装一个适当的模型对浑浊的光传播的形状检测脉冲可以评估样品的吸收和散射系数降低。吸收(m_一个)给这里的吸收系数概率单位腔长,而减少散射(m_年代)系数占大量的有效各向同性散射事件单位腔长。

PToF光谱仪的简化方案是如图1所示。

光子晶体光纤(PCF) supercontinuum源(SCS)是用于生成宽带光脉冲的光谱范围从约450纳米到1800纳米以上。的典型SCS PTOF光谱学40 MHz或80 M半岛综合体育官方APP下载德甲Hz重复率和总输出功率从几W 10 W。电子可协调的Acousto光学可协调的过滤器(AOTF)用于光谱滤波器从宽带supercontinuum狭窄的探测脉冲。通常需要三个相对窄带AOTFs完全覆盖SCS的光谱范围。探测器脉冲通过渐变型光纤引导示例。为了避免使用渐变型纤维由于多通道分散脉冲展宽。在样本收集的脉冲传播后另一个相同类型的纤维和路由到单光子计数(SPC)探测器进行时间相关单光子计数(TCSPC)电子。光纤衰减器是用来适当地调整TCSPC信号电平。的设置是由个人电脑控制的。

SCS源适合PToF光谱学Fianium有限公司提供的目前,南安普顿半岛综合体育官方APP下载德甲,英国,和NKT光子学/ S,,比尔卡罗德的丹麦。这些公司还提供多种选择的AOTFs。设置由隆德大学Biophotonics组我们利用SPC - 130 TCSPC(卡贝克尔& Hickl,柏林,德国),以及一个程控雪崩光电二极管(PD1CTC微光子设备,博尔扎诺,意大利)和一个NIR-extended微通道板(MCP)光电倍增管(PMT) (r3809u - 68滨松光子学、滨松、日本)程控探测器。

依赖于调查样本PToF测量可以执行与纤维沉浸在样本(如液体),放置在固体表面的示例(请参见图1)或在传输模式,即两边的样本(例如,两岸的平板电脑)。在这两种情况下一个适当的模型,浑浊的光传播必须利用^2,6为了评估吸收和散射系数的降低。

实验数据的例子

典型实验PToF分布如图2所示。

观察的曲线是有益的吸收和散射效应探测脉冲传播的形状的样品。在这个图中,最初的探测脉冲在980 nm (IRF、红色)一起策划三个检测脉冲在700海里,830 nm和980 nm)后15毫米传播在不同条件下通过牛奶脂肪含量1.5%。散射结果探测脉冲展宽的脉冲光子带单独的光学路径通过样品。更强的散射结果相比,更广泛的脉冲展宽较弱的散射(参看绿色和蓝色线)。推迟了光子的吸收作用主要与长腔长和因此导致脉冲变窄。吸收的效果被比较的蓝色和红色曲线在图2中对应于强和弱吸收,分别。虽然探测脉冲的形状和位置略有变化取决于波长,这种效果是边际相比,吸收和散射的影响;探测脉冲在700 nm和830 nm)图2中已经省略简化图。实验数据与模型的适合在浑浊的光传播媒体(黑色线条如图2所示)使一个评估吸收和散射探测脉冲的波长。

特征的吸收和散射系数降低探测脉冲的光谱扫描获得的光谱如图3所示。脂肪含量1.5%的吸收和散射系数减少光谱牛奶和奶酪的主任绘制在图3中红色和蓝色线,分别。数据在15毫米,10毫米纤维分离牛奶和奶酪,分别。在可见光谱范围内,奶酪的相对较高的吸收波长短显然是符合典型的黄主任。颜色。在近红外光谱范围内,水分含量较高,牛奶导致更强的980 nm吸收峰,而脂肪含量更高奶酪牛奶(23% vs 1.5%)使奶酪比牛奶更广泛吸收峰。这两个样品的散射是相似的,但稍微不同的波长的依赖关系。这反映了明显的样本之间的结构差异。此信息可以用于过程监控和质量控制乳品行业。

在图3 b 80 g的吸收和散射系数²印刷纸策划是波长的函数。测量进行一堆15表传输几何。强烈的光散射在纸中观察到图3 b是实现白皮书所需的颜色。可见白颜色是通过添加荧光增白剂,进一步提高,然而,阻碍PToF测量。在近红外光谱范围内纸吸收在1230海里可以归因于纤维素,这是一致的,在可用的报告文学出版。印刷在纸上的质量显然是强烈依赖于纸张的吸收和散射特性,明确激励兴趣等测量。质量评价是特别感兴趣的在使用再生纸少已知的光学特性

结论

DOS技术提供了洞察的化学成分和物理性质的广泛多样性浑浊的样本。这是通过监测媒体的光学吸收和散射特性。DOS有很强的优势其他等效方法由于其速度,简单起见,non-invasiveness和成本。散射光光谱有许多高度可行的应用在半岛综合体育官方APP下载德甲生物医学领域,工业和环境分析。尽管在很多情况下非常有用,DOS可能难以实现广泛的最优化模型校准和维护是必需的,为了区分吸收和散射效应和解释结果。最近的进展在源和探测器技术的发展引发了先进的光谱技术,使独立评估的直接吸收和散射实验。这些数据显然大大简化了光谱数据分析,使技术更强大和更准确的结果。宽带PToF光谱学使评估的光谱半岛综合体育官方APP下载德甲吸收和散射系数通过监测和分析传播光谱可协调的探测脉冲的浑浊的样本。在这里,用实例说明原始实验数据在不同的应用领域,我们已经讨论了PToF光谱学的基本原理。半岛综合体育官方APP下载德甲演示PToF光谱学的独特功能我们也提出了代表吸收和散射光谱的牛奶,印刷纸,我们所知,第一次报道半岛综合体育官方APP下载德甲吸收和减少散射光谱的主任奶酪。

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