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适用于细胞和生物分子的动态拉曼检测系统及关键技术研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.1.1 课题应用的细胞和生物分子学背景

1.1.2 拉曼检测技术的应用发展

1.2 动态拉曼检测系统及关键技术概述

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究内容和全文结构

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 全文结构

第二章 动态拉曼检测系统

2.1 动态拉曼检测系统硬件结构

2.2 动态拉曼检测系统功能分析

2.2.1 动态检测系统功能层次分析

2.2.2 动态检测系统功能定义与描述

2.2.3 系统实现的影响因素

2.3 本章小结

第三章 粒子图像的分析与处理

3.1 粒子图像的表征

3.1.1 粒子图像特点

3.1.2 粒子运动模式

3.2 现有的相关图像处理方法

3.2.1 现有相关图像去噪方法概述

3.2.2 现有相关图像信号增强方法概述

3.3 粒子图像的处理和目标分割

3.3.1 粒子图像的预处理

3.3.2 粒子图像分割定位

3.4 用于目标追踪的特征提取

3.4.1 粒子图像特征挖掘

3.4.2 用于追踪的粒子图像规范化处理

3.5 本章小结

第四章 粒子追踪算法研究

4.1 粒子追踪算法的任务要求

4.2 粒子追踪算法实现结构

4.2.1 粒子追踪过程中的定义

4.2.2 追踪过程中粒子事件的统计分析

4.2.3 粒子追踪算法框架

4.3 基于局部搜索的全局最优追踪算法的研究

4.3.1 追踪过程中的局部搜素

4.3.2 全局最优化追踪算法

4.3.3 算法数据结构及实现

4.4 用于粒子位置预测的Kalman滤波

4.4.1 离散Kalman滤波算法

4.4.2 基于随机线性离散Kalman滤波的粒子位置预测

4.5 实验结果

4.6 本章小结

第五章 动态拉曼检测系统软件结构分析与设计

5.1 动态拉曼检测系统需求分析

5.1.1 动态拉曼检测系统定义

5.1.2 动态拉曼检测系统运行流程模型分析

5.1.3 动态拉曼检测系统运行需求分析

5.1.4 系统硬件构成及实现需求

5.2 动态拉曼检测系统软件设计

5.2.1 人机界面设计

5.2.2 硬件控制管理模块设计

5.2.3 数据和文件模块设计

5.3 系统硬件控制及实现

5.3.1 硬件控制流程

5.3.2 系统硬件控制实现

5.3.3 系统动态光谱的获取实现

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目

攻读硕士学位期间取得的科研成果

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摘要

细胞和生物分子领域的发展对研究技术和手段的一个迫切需求,就是要解决生命过程的动态检测问题,才能更深一步探究细胞和生物分子中伴随动态过程的一系列物质和能量的变化,对医学或生物分子学的发展具有重大意义。另一方面,拉曼光谱作为在分子水平上反映物质组成的“指纹”信息,在细胞和生物分子领域的应用日趋广泛;而表面增强拉曼技术(SERS)的发展,使得具有表面增强拉曼效应的金属纳米粒子在相关领域的应用日益受到人们关注。
  将表面增强拉曼技术应用于细胞和生物分子的动态检测,是解决医学或生物学中对动态生命过程进行研究的一个重要方法,也是“973”项目“适合于细胞和生物分子动态监测的高时空分辨拉曼光谱技术”的重要目标之一。本论文是该项目的一部分,主要任务是通过对表面增强拉曼技术和共焦显微技术的整合,构建对活细胞内SERS纳米粒子具有动态拉曼检测能力的系统。具体完成的任务包括:(1)搭建用于系统实现的软件架构,对系统涉及的软硬件部分进行集成;(2)对系统所有的硬件部分进行二次开发实现硬件设备的软件控制;(3)获取并处理样品的共焦显微图像,实现对目标的识别检测;(4)研究开发细胞等生物样品内表面增强拉曼纳米粒子的动态追踪算法,实现对样品动态拉曼信号的获取。
  本文研究的创新点包括:一是提出了一种建立在局部搜索基础上的全局最优追踪方法,将对单粒子目标的追踪限定在满足条件的有限区域内,而对粒子间的匹配则采用了归一化加权处理来量化相似度判据,并通过寻找全局最优解的方式实现对目标粒子的动态追踪定位,最后采用Kalman滤波的方法对目标定位进行最优预测;二是实现对粒子显微图像的分割处理,尤其是重叠粒子图像的分割,采用灰度骨架和距离变换的组合方法完成对粒子目标的识别检测,并对动态追踪过程中的粘连重叠和分裂拆分问题,提出了一种适用于粒子追踪算法的双向多节点数据链表;三是构造了动态拉曼检测系统,通过对激光、光谱仪器和光路部件的有序控制,实现时空序列的动态拉曼光谱的获取。

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