论文题目: 细胞光学散射特性的数值模拟
论文类型: 硕士论文
论文专业: 生物医学工程
作者: 王孟
导师: 顾宁
关键词: 单细胞检测,时域有限差分法,近场光学,光纤探针,光散射,雷达散射截面
文献来源: 东南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 近年来,光学检测的发展十分迅速,由于光学检测具有快速、无损并且具有高的时间分辨率等优点,因而可以利用其研制具有微米、纳米量级的生物传感器,实现细胞的非入侵检测。在细胞的光学检测中,光与细胞组织之间的作用的主要体现就是散射,因此研究细胞的散射特性有着重要的意义。然而由于细胞结构成分复杂,个体差异性大,结果的不确定性比较大。因此,采用数值模拟分析或预测光学检测的结果,将对实验起着指导作用。目前人们大量使用的电磁散射分析方法是同质性球体的光散射Mie理论,它在解释描述光在大片量生物组织的传播取得了很好的效果,然而它并不能准确描述一个独立的包含诸如细胞膜、细胞核以及各种细胞器的结构复杂的细胞。时域有限差分法(FDTD)是一种有效的电磁学数值计算方法,近来也被应用于细胞的光学散射分析,相对于Mie理论,它通过FDTD网格离散,能够对任意几何结构、任意化学组成的细胞进行计算。细胞内各种细胞器具有不同折射率,所以在FDTD网格剖分的时候,也就包含了细胞的结构信息。本文采用FDTD时域有限差分方法计算分析了细胞的光学散射特性,通过对细胞进行FDTD建模,计算其近场分布,求出其雷达散射截面(RCS),并初步分析了细胞器、细胞核以及细胞形状对散射特性的影响,并初步研究了其宽频带散射特性。由于光纤探针在近场光学检测以及纳米生物传感器中的重要作用,本文也对光纤探针的光传输特性进行了数值仿真。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究课题及其意义
1.2 医学成像技术及其进展
1.3 纳米生物传感技术
1.4 光学检测方法
1.4.1 光学检测中的远场波和近场波
1.4.2 远场检测方式
1.4.3 近场检测方式
1.4.4 光学生物细胞传感器的模型
1.5 数值模拟的意义及其方法
参考文献
第二章 FDTD方法
2.1 FDTD方法及其特点
2.2 FDTD方法基本原理
2.2.1 麦克斯韦方程组和 Yee 元胞
2.2.2 FDTD 的直角坐标形式
2.2.3 数值稳定性
2.3 吸收边界条件
2.4 FDTD计算一般性问题
2.4.1 FDTD中的激励源
2.4.2 总场和散射场
2.5 FDTD计算的步骤
参考文献
第三章 光纤探针的FDTD模拟
3.1 近场扫描光学显微术
3.2 光纤探针的结构和计算模型
3.3 二维模拟结果
3.3.1 裸光纤探针和镀膜光纤探针光强的比较
3.3.2 镀膜光纤探针光强分布的进一步研究
3.3.3 结果分析
3.3.4 双锥角探针结构及其模拟
3.4 小结
参考文献
第四章 细胞光学散射特性的模拟
4.1 研究现状和意义
4.2 计算模型与方法
4.2.1 细胞的结构和FDTD 建模
4.2.2 雷达散射截面和近－远场外推
4.3 模拟结果
4.3.1 单独细胞组分的散射特性
4.3.2 细胞器对散射特性的影响
4.3.3 细胞形状细胞器对散射特性的影响
4.4 小结
参考文献
第五章 细胞光学宽频带散射特性的研究
5.1 计算方法
5.2 脉冲波法与连续波法的对比
5.3 模拟结果
5.3.1 细胞宽频带双站 RCS 模拟结果
5.3.2 细胞宽频带散射特殊散射角单站RCS
5.4 小结
参考文献
第六章 结论以及展望
发表论文与专利
附录细胞二维FDTD模拟程序说明
致谢
发布时间: 2007-06-11
参考文献
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