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出版者:Springer

作者:Cheng, P. C.; Cheng, P. -C; Lin, T. H.

出品人:

页数:387

译者:

出版时间:1993-11-11

价格:USD 71.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387941189

丛书系列:

图书标签:

• 显微镜学
• 多维成像
• 生物医学成像
• 光学显微镜
• 共聚焦显微镜
• 超分辨率显微镜
• 图像处理
• 生物物理学
• 细胞生物学
• 医学影像学

《光影交织的微观世界：探索物质的深度维度》 在这本引人入胜的著作中，我们将一同踏上一段跨越时空的微观探索之旅，揭示肉眼无法企及的物质世界的深邃奥秘。本书并非仅仅是一次技术的罗列，更是一场关于理解、洞察和发现的哲学思考。我们聚焦于那些能穿透表象，直抵物质核心的观测手段，旨在为读者构建一幅关于生命、材料乃至宇宙基本单元的立体画卷。 本书的开篇，我们将从“观看”的本质谈起。自古以来，人类便渴望超越自身的感官局限。从简单的放大镜，到精密的望远镜，每一次技术的飞跃，都极大地拓展了我们的认知边界。然而，传统的二维成像，尽管提供了丰富的细节，却难以捕捉到物质在空间中的真实深度和结构。就像一张精心绘制的平面地图，虽然能展示山川河流的轮廓，却无法展现山峦的巍峨、峡谷的幽深。正是基于这样的认知，本书的核心——“多维度”的观测理念应运而生。 我们首先将深入探讨光谱学的奥秘。光谱，是物质与光相互作用的独特指纹。当光穿过或反射物体时，不同的元素和分子会选择性地吸收或发射特定波长的光。通过分析这些“光谱签名”，我们能够识别物质的成分，甚至推断其化学状态和环境。但本书所强调的，并非仅仅是简单的光谱识别，而是如何将光谱信息与空间信息相结合。设想一下，我们不仅能知道样本中含有某种蛋白质，更能精确地知道这种蛋白质在细胞内的具体位置，甚至它与其他分子的相互作用方式。这就是光谱学在三维甚至更高维度上的应用，它能揭示隐藏在分子组成信息背后的空间组织规律，为理解生物过程和材料特性提供前所未有的视角。我们将审视傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman Spectroscopy）以及各种荧光光谱技术，探讨它们如何被巧妙地整合进显微成像系统，从而实现“看”成分和“看”结构的同时进行。 接下来，我们将目光投向衍射与散射的物理原理。光波在遇到微小结构时会发生衍射和散射，这些现象蕴含着关于微观结构的丰富信息。基于这些原理发展的成像技术，如X射线衍射（XRD）和电子衍射，已经为我们揭示了晶体学和纳米材料的宏观世界。然而，这些技术通常需要将样本固定、真空处理，并且难以在活体条件下进行。本书将重点探讨如何克服这些限制，例如利用同步辐射光源或高能电子束，并结合先进的图像重建算法，来实现更高分辨率、更低损伤的三维结构解析。我们还将讨论动态散射技术，例如动态光散射（DLS），它能够测量纳米颗粒在液体中的布朗运动，从而推断其尺寸和分布，这在胶体科学、高分子物理和药物递送研究中至关重要。更进一步，本书将探讨如何将这些基于粒子相互作用的散射信息，与光学成像相结合，以获得对复杂介质的更全面理解。 本书的另一核心内容将聚焦于光场成像的革新。传统的光学显微镜，即使具备高放大倍率，也只能提供聚焦平面上的二维信息。而光场相机，通过引入微透镜阵列，能够记录下光线到达相机传感器的方向信息，从而在一次曝光中捕捉到整个光场的分布。这意味着，我们可以在图像采集完成后，再进行软件聚焦，甚至提取出不同焦平面的信息。这对于观察快速变化的动态过程，或者在样品深度较大时，极大地简化了操作流程，并避免了因反复聚焦而可能造成的样品损伤。本书将深入剖析光场成像的数学模型和光学设计，并探讨其在生物活体成像、微流控芯片观测以及全息成像等前沿领域的应用潜力。我们将看到，如何通过捕捉光线的“轨迹”，来重构出更加真实、更具信息量的三维场景。 相位衬度成像，作为一种能够可视化透明样品的技术，也将占据本书的重要篇章。许多生物样品，如活体细胞、组织切片，本身对光的吸收很小，因此在明场显微镜下难以观察。相位衬度显微镜利用光波的相位延迟，将透明样品产生的相位变化转化为振幅（亮度）变化，从而使其得以显现。本书将详细阐述偏振光和相位板在相位衬度成像中的作用，并重点介绍微分干涉相衬（DIC）技术，它能产生犹如地形图般的立体感，极大地增强了对细胞结构细节的观察。我们将讨论如何通过控制光的偏振状态和传播路径，来探测样品内部的折射率分布，从而揭示出隐藏在表面之下的精细结构。 当然，本书不会回避多模态融合的强大力量。没有任何一种单一的成像技术能够提供关于物质世界的全部信息。因此，将不同成像原理和信息维度进行整合，是实现深度理解的关键。我们将探讨如何将荧光显微镜的特异性标记能力，与共聚焦显微镜的空间选择性，以及相衬显微镜的形态学信息相结合。例如，通过将荧光蛋白标记的特定细胞器与相位衬度成像获得的细胞整体形态同时记录，我们可以精确地了解细胞器在细胞结构中的位置和功能状态。本书将深入研究这些多模态成像策略的协同增效效应，以及如何通过先进的图像处理和分析算法，将来自不同源的数据无缝融合，构建出更加全面、更加丰富的信息模型。 此外，先进的计算成像技术在多维度观测中扮演着至关重要的角色。从图像去噪、超分辨率重建，到三维可视化和定量分析，计算工具是解锁隐藏信息、构建立体图像的“魔法师”。本书将介绍诸如机器学习和深度学习在图像增强和特征提取中的应用，以及如何利用体渲染和切片技术，将海量多维度数据转化为直观易懂的三维模型。我们还将讨论计算全息术，它能够通过计算来重建全息图，从而实现高分辨率的三维成像，并且不受衍射极限的限制。 本书的叙述将贯穿应用导向。我们将从基础原理出发，逐步深入到各种成像技术的实际应用。从生命科学领域，例如单个分子动力学的实时观测、细胞信号传导的可视化、疾病机制的深入研究，到材料科学领域，例如纳米材料的形貌与性能关联、催化剂表面的反应过程、高分子材料的内部结构分析，再到地质学、天文学等领域，本书都将展示多维度成像技术的强大力量。我们会通过具体的案例研究，说明这些技术如何帮助科学家们解决实际问题，推动科学研究的进步。 总而言之，本书旨在为读者提供一个关于物质世界深度洞察的全面视角。它不仅仅是关于显微镜本身，更是关于如何通过精妙的光学原理和强大的计算工具，去“看见”那个原本不可见的世界。我们相信，通过理解和掌握这些多维度观测的技术，读者将能够以全新的方式理解和探索我们所处的世界，从原子、分子到宏观结构，都将以一种更加立体、更加生动的形式展现在我们面前。这本书将激励那些渴望超越传统观测界限的科研人员、工程师以及所有对微观世界充满好奇的读者，共同开启一场前所未有的探险。

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