随着绿色化学的要求, 更多科研工作者们致力于绿色环保的低共熔溶剂（DES）研究上。 氯化胆碱类DES具有无毒无污染且容易制备的特性, 已被应用于许多不同的领域。 以氯化胆碱（Choline chloride, ChCl）和丙三醇（Glycerine, Gly）形成的DES为研究对象。 对比ChCl, Gly和ChCl/Gly的红外光谱图, 发现NC4和O—H发生了红移以及特征峰的合并和消失, 这些都表明ChCl/Gly通过N—H+Ch…Cl-和Cl-…H—OGly的方式形成DES。 为了探究不同温度下DES变化情况, 以温度为外扰测试25~135 ℃下ChCl/Gly的红外光谱数据, 对比这些数据发现不同温度下NC4和O—H光谱峰的强度、 宽度和位置都发生了一定程度的改变, 但是这些特征峰都是宽峰具有重叠现象, 很难通过一维光谱分析, 采用二维红外光谱（2D-IR）可以对复杂溶液体系进行更好的图谱分析, 探究其形成机理和分子间结构。 对ChCl/Gly中NC4和O—H特征峰随温度变化的数据进行2D-IR分析, 获得动态变化顺序, 推测溶液中不同的分子团簇。 研究发现25~65 ℃时O—H在3 539、 3 400、 3 380和3 177 cm-1有四个自动峰, NC4也出现不同的自动峰, 这些峰可归属于ChCl/Gly、 ChCl/(Gly)2、 ChCl/(Gly)3； 在65~105 ℃时O—H在3 539、 3 400和3 380 cm-1有三个自动峰, NC4有相应的变化, 这些峰可归属于ChCl/Gly和ChCl/(Gly)2； 在105~135 ℃时O—H只在3 380 cm-1有一个强自动峰, NC4也只出现一个自动峰, 可归属于ChCl/Gly。 通过2D-IR分析得出随温度上升溶液中分子团簇解离成更稳定的结构, 为了验证这一结论和探究不同团簇分子间Cl-作为桥梁形成N—H+Ch…Cl-和Cl-…H—OGly具体连接方式。 采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G++(2d, p)理论水平上进行构型几何优化, 计算出相关的热力学数据, 证实了ChCl/Gly中不同分子团簇存在的可能性。 研究表明2D-IR和密度泛函理论计算相结合, 能够很好地用于分析DES中不同分子团簇随温度变化的规律, 较好地解决了一维红外光谱在温度外扰下难以分析重叠峰和宽峰的问题。

提出了一种利用循环生成对抗网络实现由大视场、低分辨率染色图像生成与之相匹配的高分辨率虚拟染色图像的方法，在完成了对细胞虚拟染色的同时，解决了传统光学显微镜的大视场与高分辨率两个目标无法同时满足的问题。首先，进行了理论验证，通过对选定图像的分辨率分级缩放模拟实际分辨率变化，训练对应的算法模型并与真实图像相比较，结果在主观与客观上均符合设想预期。在完成理论验证的基础上，分别进行了由10倍、4倍低分辨率真实染色图像生成25倍高分辨率虚拟染色图像的实验。通过主观视觉与客观评价指标进行评价，得到结构相似性、峰值信噪比和归一化均方根误差三个指标的具体数据。结果显示，通过循环生成对抗网络生成的虚拟染色图像与真实染色图像间的相似度较高，虚拟生成效果很好。

针对石墨烯基的折射率传感系统中存在的大量程和高测量灵敏度无法兼得且仅能实现相对折射率测量的问题,提出了一种基于全内反射式的大量程绝对折射率测量方法。该方法仅通过一维线性运动,实现了大范围角度的精确调控。利用光学4f系统,保证了采样点位置不随入射角的变化而变化。不同入射角下的扫描测量方法的折射率测量范围理论上可以达到1~1.5168,通过对不同质量分数的氯化钙溶液的折射率进行测量,从实验上获得7.203×10 ^-4 RIU的测量灵敏度。

对于传统的显微镜来说,其相衬成像模式需要通过配备专用光阑、聚光镜或者在物镜上添加嵌件来实现,这就增加了相衬显微成像的难度和成本。鉴于此,本文提出了一种基于深度学习算法的虚拟相衬成像方法,只需要采用一台普通的光学明场显微镜获取细胞明场图像,然后使用深度学习方法,就可以将明场图像转换成相衬图像。将虚拟相衬图像与显微镜获取的标准相衬图像进行对比,对比结果证明了这种虚拟相衬成像方法的有效性,为低成本相衬显微成像提供了范例。

为了改善细胞折射率显微成像的质量,提高特征的辨识度,本文提出了一种基于卷积神经网络算法的细胞折射率显微图像和明场显微图像的融合方法,该方法克服了传统融合方法人工制定融合规则的困难,通过训练数据学习自适应强鲁棒融合函数,获得了更佳的融合效果。主观和客观评价结果表明,该方法有效地改善了细胞折射率显微图像的分辨率,提升了特征辨识度。

为了提高成像系统的空间分辨率,分析聚焦型折射率显微成像系统中聚焦光斑尺寸与包络形状对空间分辨率的影响机制,提出一种通过数值去卷积算法改善成像空间分辨率的方法。首先分析聚焦广义柱矢量光束的空间场分布,接着对比该光束与理想细光束在折射率显微成像过程中对空间分辨率的影响差异。通过测量折射率与形状已知的PS(Polystyrene)小球,获得该实验条件下系统的点扩展函数。采用去卷积算法对其他样品图像进行重构,获得更加接近真实情况的实验结果。结果表明,该方法对提高该系统的成像质量与空间分辨率有着显著的效果。

提出了一种利用石墨烯基光学生物传感器对特异性生物小分子实现高灵敏检测的方法,采用易于修饰的磁性纳米颗粒作为生物探针载体,通过磁场控制实现磁性颗粒在石墨烯表面的吸附,优化了石墨烯表面复杂的改性过程。利用搭建的基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器,实现了0.01 ng·mL -1的赭曲毒素A的检测,在0.01~5 ng·mL -1微小浓度范围内具有良好的响应,且表现出较好的特异性。该方法扩展了石墨烯基的光学生物传感器的应用范围,简化了生物分子的传感过程,提高了光学生物传感器的灵敏度。

对溶液的研究, 尤其是金属离子在双溶剂溶液中的研究是化学化工和环境科学等领域的重要环节。 传统的溶液分析方法主要是利用一维红外光谱或拉曼光谱等进行分析, 但其分辨率低, 误差较大, 谱峰重叠严重, 难以对复杂的体系进行研究。 采用二维红外光谱和密度泛函理论相结合的方法, 以实现对溶液内团簇的准确分析。 利用傅里叶变换红外光谱仪, 温度为外扰条件, 在4 000～400 cm-1范围内分别对双溶剂DMSO-H2O和Li+/(DMSO-H2O)溶液体系进行红外光谱实验。 对所得数据进行归一化等处理, 获得SO双键的一维红外光谱图, 发现水的加入使DMSO的SO红外光谱发生了红移, 且随着温度的升高SO红外振动强度逐渐增加, Li+加入使得SO双键强度整体下降, 其谱峰重叠严重, 难以分析。 利用二维红外光谱对溶液中团簇内分子SO双键的类型、 动态变化、 变化顺序以及锂离子对其的影响进行分析, 获得其变化规律, 解决了一维红外光谱存在的问题。 结合密度泛函理论计算对团簇结构进行优化和分析, 证明二维红外光谱分析结果的正确性和可行性, 实现理论计算与实验的相互印证, 拓宽二维红外光谱与密度泛函理论的研究领域。 实验以温度为扰动, 针对DMSO-H2O和Li+/(DMSO-H2O)溶液中团簇内分子SO双键的变化, 运用二维红外光谱探讨溶液中微团簇变化规律。 研究发现, 温度扰动时, 溶液的二维同步红外光谱中, 在1 010, 1 045, 990和1 020 cm-1附近有四个自动峰, 说明溶液中团簇内存在甲基的振动, DMSO·H2O、 单体以及二聚体DMSO分子团簇的振动; 二维异步红外光谱中, 发现1 010 cm-1的DMSO·H2O较先变化, 说明该团簇对温度扰动更加敏锐。 结果表明, 结合密度泛函理论计算和二维红外光谱分析能较好地了解溶液中团簇的存在形式及温度扰动对它们的影响与变化规律, 实现了一维光谱中由于峰的重叠或变化不明显等对化学信号的提取。