基于导数全内反射法的组织复折射率测量及应用研究

摘要

折射率是表征物质光学性质的基本物理量之一，是生物组织的重要的光学参数。物质的复折射率表示为n=nr+iκ，实部是nr，虚部κ是消光系数，表示由物质的吸收和散射决定的单位长度内的能量损失。在疾病诊断、光信息器件制备等方面对折射率测量的需求越来越大。折射率的准确测量的很多相关问题亟待解决。运用漫射近似方程进行其它光学参数反演时，需要已知折射率的数值。折射率的准确测定对其它光学参数的测定和研究有着重要的意义。利用Monte-Carlo算法模拟光子在组织中的传输时，折射率决定光的传播方向和组织的边界条件的匹配程度。在本文中，运用导数全内反射法开展下面几个方面的研究:
　　(1)详细介绍了导数全内反射法的原理、算法及其应用等。
　　(2)提出了扩展导数全内反射模型，不仅能精确得到样品的折射率，同时能得到样品的消光系数。运用扩展的导数全内反射方法测量了生物组织及多种常用仿体的折射率。
　　(3)针对多元样品，提出了改进的多元导数全内反射法。进行了多元仿体的制备，运用多元导数全内反射模型进行了二元和三元仿体的复折射率测量，用实验结果验证模型的准确性，并将这种方法推广到多元成分的固体折射率测量中。
　　(4)利用改进的多元导数全内反射测量模型，研究组织表面组织液存在对生物组织折射率分布和大小的影响。在棱镜-样品界面的组织液是不可避免的，会对折射率的测量造成重要影响。接触界面是由组织液和组织共同组成。在偏振光入射时进行反射测量，利用改进的多元导数全内反射模型同时测量了组织液和肌肉组织的折射率，并采用拟合方法计算出组织液的分布比例。针对多元的生物组织样品，也采用改进的多元导数全内反射模型计算了主要成分的折射率和比例。
　　(5)运用自制的压力装置研究压力效应对生物组织的折射率的分布和大小的影响。运用改进的多元导数全内反射法测量了探测区域内组织折射率和组织液的折射率随压力变化的过程。系统而清晰地分析了折射率的变化以及组织液的减少与施加压力的直接关系。实验结果填补了在压力下组织折射率数据的空白。实验结果可以用于机械光通透的效果验证、机械刺激下的组织动态研究以及其它的生物医学应用。
　　(6)开展匹配液在生物组织折射率测量中的理论模拟和研究。建立了多层样品的折射率测量模型，给出利用导数全内反射法测量多层样品的求解过程。在匹配液加入的情况下，讨论样品的散射和吸收对折射率测量的影响，并使用模拟样品验证了测量模型。比较了以前的研究者利用全内反射测量折射率测量的样品制备方法，采用两种不同匹配液测量了生物组织样品的折射率，为需要加入匹配液的多层组织测量中的折射率信息的提取提供参考。
　　(7)利用改进的多元导数全内反射测量模型可以直观地进行多元固体物质（例如大理石样品）的折射率测量，不需要对样品进行粉末化处理或者选择多种匹配液。选择具有两种主要成分的大理石和花岗岩矿石样品进行测量，同时得到了两种不同主要成分的折射率。折射率信息为矿物学中物质识别起到重要的提示作用。
　　(8)将导数全内反射法用于新型材料石墨烯厚度的研究。基于菲涅耳公式的模型可以得到石墨烯的厚度信息，同时可以得到衬底的折射率。提供了一种快速得到石墨烯的厚度信息的方法，实验结果和利用拉曼光谱得到的结果吻合。