拉曼、红外和近红外化学成像

分子振动光谱（中红外、近红外和拉曼）分析技术已广泛应用于农业、石化、制药、食品和临床医学等领域，但是传统的分子振动光谱得到的是样品某一点（或很小区域）的平均光谱，因此非常适合于均匀物质的分析。如果想得到不同组分在不均匀混合样品中的空间及浓度分布，则需要采用光谱成像技术。光谱成像技术将传统的光学成像和光谱方法相结合，可以同时获得样品空间各点的光谱，从而进一步得到空间各点的组成和结构信息。 光谱成像先前多应用于遥感如农业、地质、海洋、大气以及军事等领域，依据光谱分辨能力的不同称为多光谱成像（Multispectral imaging）或高光谱成像（Hyperspectral imaging）。近些年，随着过程分析技术在制药、石化和食品等领域的兴起，现代化学计量学方法随之被应用于光谱图像数据的分类和识别，光谱成像仪器逐渐走进了实验室和生产现场，成为现代过程分析技术平台中的一员，光谱成像也越来越多被化学成像（Chemical imaging，CI）一词所替代。尤其是分子振动光谱化学成像技术，目前正在成为传统分子光谱的互补技术，在制药、农业、食品和医学等领域得到了广泛关注，在实际应用中也取得了显著进展。

近10年来，振动光谱化学成像作为一种较为新颖的成像方法快速发展起来。它更多的是用于样品的探索而不是常规分析，因此相比于工业实验室更适用于学术实验室。当然，成像技术也在不断发展，已经在各个行业中获得应用，并用以解决各种实际问题。拉曼光谱、红外或近红外响应/光谱化学成像的关键是光谱采集所产生的化学专一性和光谱信息的丰富性。对于光谱图像蕴含的丰富数据，通常用基于线性代数的算法来处理，这些算法仍然相当先进，现在已经普遍应用于化学成像领域中。由于样本成像的数据响应是线性的，线性代数(在这一领域称为化学计量学)得以应用。通常，在化学成像上应用化学计量学方法可以获取很多有用的信息，而仅仅采用波长特征作为目标成分的判据（事实上，这是目前成像技术最常用的方法），往往不能给出这些信息或只能给出模棱两可的信息，这也很好地说明了化学计量学方法的重要作用。本书讲述的许多实例都采用化学计量学来获得有意义的图像。
硬件是化学成像发展的另一个关键因素。近年来，光谱仪与显微镜(即化学成像仪器)组合在一起的仪器得到了极大的发展，这无疑很大程度上促进了化学成像技术的广泛应用。可以毫不夸张地说，目前针对化学成像技术的应用开发有点落后于可用的硬件技术。本书尤其关注硬件技术。
软件也同样关键。有几种商业软件可供选择，但用户通常单独使用编程语言(Matlab无疑占主导地位)编写程序处理这些复杂的3D(或4D)数据集，这些程序只需要巧妙地应用现有算法即可。在这里，没有着重介绍对计算方法的改进，因为它们已相当广泛地应用于不同的问题，如合适的算法应用于成像领域，证明它们具有能够在成千上万光谱数据集中提取可靠信息的能力。
本书从各个角度介绍了振动光谱的化学成像。首先介绍振动光谱学，硬件介绍得更多，软件相对较少(因为在应用中频繁出现计算细节的介绍)，然后列出了多个领域的应用，其中篇幅最多和影响最大的是生物医学和制药行业，其次是同样具有前景和重要性的食品与聚合物领域。通过列出一些前沿的实验成果，让读者对振动光谱成像的发展和未来有大致的了解。书中的每一章都涵盖了三种振动光谱的应用(拉曼光谱、红外光谱和近红外光谱)，本书的最后几章更注重于拉曼光谱。本质上说，获取化学图像不是一项艰难的任务，甚至在某些情况下可以很容易地完成，更重要的是需要一位具有丰富光谱学知识和化学计量学知识的专家来对棘手的数据进行处理，并从实验处理结果中获得有用的信息。而这本书的作者恰恰都是这样的人，他们要么是世界级的科学家，要么是各自领域的权威。我们希望这本书中提出的各个观点都富有影响力，它详细地阐述了什么是化学成像，怎么实现它，以及怎么去获取更多的信息。我们希望读者如同作者热爱编著本书一样喜欢阅读它。

2010年2月

杨辉华，北京邮电大学自动化学院教授、博导，中国计算机学会高级会员、高性能计算专委会委员；中国仪器仪表学会理事、近红外光谱分会副理事长；全国信息技术标准化技术委员会信息技术服务分技术委员会委员。《计算机科学与探索》期刊编委。1972年9月出生，湖南常德人，中国仪器仪表学会近红外光谱专业委员会副秘书长，1994年、1997年毕业于华中理工大学自动控制工程系，分别获工学学士、工学硕士学位；2005年毕业于华东理工大学信息学院模式识别与智能系统专业，获工学博士学位。 教育经历：1994年、1997年毕业于华中理工大学自动控制工程系，分别获工学学士、工学硕士学位；2005年毕业于华东理工大学信息学院模式识别与智能系统专业，获工学博士学位。研究工作简历：1997年起在桂林电子科技大学计算机系、电子工程与自动化学院工作，先后任讲师、副教授、教授、博导；2005年-2007年在清华大学分析中心从事博士后研究工作；2014年到北京邮电大学自动化学院工作，任教授、博导。研究领域：（1）机器学习、人工智能；（2）光谱、图像大数据分析技术等

光谱成像技术是近10多年发展起来的一门新兴学科，是现代过程分析技术中一项重要的手段。它将传统的光学成像和光谱方法相结合，可以同时获得样品空间各点的光谱，从而进一步通过化学计量学等方法获取空间各点的组成和结构信息。《拉曼、红外和近红外化学成像》是一本系统介绍分子振动光谱化学成像技术的专著，涉及光谱成像基本原理、仪器硬件、化学计量学方法,以及在生物医学、制药、食品和聚合物等领域的应用。参与本书撰写的作者大都来自大学、研究院所、仪器公司和工业应用部门，具有深厚的分子振动光谱成像的理论基础和丰富的实践经验。
《拉曼、红外和近红外化学成像》可作为分子光谱分析、现代过程分析技术、化学计量学等领域从业人员的参考资料，也可以作为高等院校、科研院所的仪器分析、分析仪器、光学、信息科学等专业研究生的专业用书，还可作为一般读者了解分子振动光谱化学成像技术的参考读物。

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