生物光子学1-绪论01

2009年博士研究生入学考试《生物医学光子学》考试大纲
考察学生对生物医学光子学的基本原理、基本技术、学科前沿的掌握。

包括以下内容：
1生物医学光子学绪论
2生物系统的发光原理
2.1超微弱发光
2.2诱导荧光
3荧光探针
3.1化学荧光探针
3.2荧光基因探针
3.3纳米荧光探针
4荧光成像原理及系统
4.1荧光显微检测基础
4.2激光扫描共聚焦显微成像
4.3多光子激发荧光显微成像
4.4荧光相关光谱
4.5应用
5光镊与单分子操作
5.1基本原理
5.2系统实现
5.3在单分子操作上的应用
6生物组织中光子的传输
6.1生物组织特性的光学描述
6.2光子输运方程
6.3光子传输的Monte Carlo模拟
7生物组织光学特性参数的测量
7.1测量原理与方法概述
7.2典型测量系统
8医学光学成像技术
8.1扩散光学成像技术
8.2相干域的成像技术。

生物工程的生物光子学生物光子学是一门研究生物体内光的相互作用与调控的科学，它将生物学和光学结合起来，致力于揭示生物体内光的产生、传输和感知的机制。

生物光子学的研究内容涉及到生物体的光学特性、光生物学过程以及应用光与生物体进行交互的技术。

随着生物工程技术的发展，生物光子学的应用领域不断拓展，对生物体内光的研究和应用有着重要的意义。

一、生物光子学的概念及历史生物光子学起源于20世纪60年代末的分子生物学和光谱学的交叉领域。

在生物体内，光是一种重要的信息传递方式，诸如视觉、光合作用、光感受等生物过程都离不开光子的相互作用。

生物光子学就是研究这些光与生物体之间相互作用关系的学科。

1961年，著名生物学家Francois Jacob和Jacques Monod提出了生物体内的“Cis-Trans光器件”概念，揭示了光在生物体内的传输和调控机制。

这一发现为生物光子学的发展奠定了基础。

二、生物体内光的特性生物体内光源多样，主要包括生物发光、生物体内化学发光、荧光、生物光合作用等。

生物体内的光发射具有特定的波长和光强，不同生物体的光发射具有独特的特征光谱。

生物体内的光传输主要通过细胞和生物液体进行，不同细胞和组织对光的吸收、散射和透过性有所差异，这也决定了生物体内光的传输路径和光的穿透深度。

三、生物光子学在生物工程中的应用1. 生物体成像：生物光子学在生物体成像中起到了重要作用。

通过利用生物体内的光特性，可以实现对生物组织、细胞和分子水平的成像，广泛应用于生物医学领域。

例如，光声成像技术结合了光的传输性质和声波的成像特点，可以实现对生物组织的高分辨率显微成像。

2. 光遗传学：生物光子学为光遗传学的发展提供了基础。

光遗传学通过将外源性的光敏色素引入到目标细胞中，利用光敏色素对特定波长的光的敏感性，实现对细胞和生物体的光控制。

这种光控制的方式可以精确地调控生物体内的基因表达、细胞活动和神经传导等过程，有望在细胞治疗、神经科学等领域有重要应用。

生物光子学的发展与应用摘要:生命科学已经成为当今世界科技发展的热点之一。

目前几乎所有的科学技术都将围绕生命体向纵深和交叉融合的方向发展，传统的光学也不例外。

传统的光子多应用于信息传输方面，而如今的生物光子学，将光子与生命科学融合在一起，从光学层面来研究人类生命，必将使人类对未知的探索更进一步。

而本文则将对生物光子的应用和发展做一定阐述。

关键词: 生命科学光子学应用交叉学科正文:§1 生物光子学的定义生物光子学，是由生命科学和物理科学这两者交叉融合所形成的一门新兴的交叉学科。

生物光子学主要以量子光学作为理论基础、以生命系统的弱光及超弱光子辐射探测系统作为实验手段来研究光子—生命体相互作用的微观机制和物理本质，建立和发展以新陈代谢作用作为主要特征和标志的生物光子学理论，揭示生物组织和生命体的自组织、自相似、自调节、以及自适应和遗传性状等的光物理本质，使生命科学直接深入到物质结构的深层次，并由此带动生命科学的腾飞和发展。

§2 生物光子学涉及领域生物医学光子学涉及对生物材料的成像、探测和操纵。

在生物学领域，主要研究分子水平的机理，监测分子结构与功能，在医学领域，主要研究生物组织结构与功能，能对生物体以非侵入的方式，实现宏观与微观尺度分子水平的疾病探测、诊断和治疗。

§3 生命科学与光子学的联系从物理的角度:1、光子是人类身边非常普通的粒子，物质在任何条件下都能发出光子；2、人类生命的诞生、存在以及宇宙对人类的影响都是由光子信息完成；3、爱因斯坦提出(质能方程公式帖不上) 是依据之一,能量与光速有关；4、正电子与负电子碰撞，电子对消失，会释放一对光子；5、光子团的相互作用能合成普通粒子。

6、自然界存在最低温度。

零开尔文,是一个光子都不从这里通过的环境。

从生命的角度:1、光子是宇宙中最普遍的粒子之一。

2、光子的运行速度是最大的,能够以最快的方式将自己的信息传递给另一方。

3、人类动物在进化过程中,进化出一个直接感光的器官---眼睛。

深圳大学生物光子学讲义屈军乐、林丹樱、许改霞、于斌、邵永红等编著深圳大学光电工程学院2010年7月目录第1章绪论 ..................................................................... ...................................... 1 1.1 生物光子学的形成与发展 ..................................................................... .. 1 1.2 本书的内容及结构安排 ..................................................................... (1)第2章光子学与光谱学基础 ..................................................................... ........... 3 2.1 光在界面上的反射和折射 ..................................................................... .. 3 2.2 光的本质—波粒二象性 ..................................................................... ...... 3 2.3 光子的吸收、发射和散射 ..................................................................... .. 42.3.1 吸收与发射 ..................................................................... (4)2.3.2 散射 ..................................................................... .......................... 4 2.4 光波的干涉和衍射 ..................................................................... .............. 4 2.5 分子能级结构与光谱 ..................................................................... . (5)2.5.1 分子能级结构 ..................................................................... .. (5)2.5.2 光谱学基础 ..................................................................... ............... 5 2.6 激光与非线性光学 ..................................................................... .. (6)2.6.1 激光原理 ..................................................................... (6)2.6.2 非线性光学 ..................................................................... (6)第3章生物学基础 ..................................................................... .......................... 8 3.1 生命体的构成 ..................................................................... (8)3.1.1 细胞 ..................................................................... .. (8)3.1.2 组织 ..................................................................... .. (8)3.1.3 器官与系统 ..................................................................... ............... 8 3.2 生物大分子 ..................................................................... . (9)3.2.1 蛋白质 ..................................................................... . (9)3.2.2 核酸 ..................................................................... .......................... 9 3.3 细胞的结构与功能 ..................................................................... .............10 3.4 生物组织及动物模型 ..................................................................... (10)3.4.1 生物组织 ..................................................................... .. (10)3.4.2 动物模型 ..................................................................... .. (10)第4章光与生物体的相互作用 ..................................................................... ......12 4.1 光与生物体相互作用的形式 (12)4.2 光与细胞的相互作用 ..................................................................... (12)4.2.1 细胞中的光吸收 ..................................................................... (12)4.2.2 光致细胞过程 ..................................................................... ..........12 4.3 光与生物组织的相互作用 ..................................................................... .134.3.1 组织对光的吸收 ..................................................................... (13)4.3.2 组织对光的散射 ..................................................................... (13)4.3.3 生物组织与荧光 ..................................................................... (14)4.3.4 光热效应和光声效应 (14)4.3.5 光化学效应 ..................................................................... .. (15)第5章生物光子学成像技术 ..................................................................... ..........16 5.1 光学成像 ..................................................................... ............................16 5.2 光学显微技术 ..................................................................... ....................16 5.3 荧光显微技术 ..................................................................... ....................17 5.4 激光扫描共聚焦显微技术 ......................................................................17 5.5 多光子激发荧光显微技术 ..................................................................... .17 5.6 全内反射荧光显微技术 ..................................................................... .....18 5.7 荧光共振能量转移成像技术 (19)5.8 荧光寿命成像显微技术 ..................................................................... .....19 5.9 光学相干层析成像技术 ..................................................................... .....20 5.10 非线性光学成像技术 ..................................................................... .......20 5.11 生物光子学成像技术的发展趋势 (21)第6章超分辨成像技术 ..................................................................... .................23 6.1 光学显微镜的空间分辨率 ..................................................................... .23 6.2 非远场超分辨荧光显微技术 (23)6.3 远场超分辨荧光显微技术 ..................................................................... .236.3.1 结构光照明超分辨显微技术 (24)6.3.1.1 线性结构光照明超分辨显微技术 (24)6.3.1.2 饱和结构光照明超分辨显微技术 (24)6.3.2 干涉在光学超分辨显微技术中的应用 (24)6.3.2.1 驻波荧光显微技术 (25)6.3.2.2 非相干光干涉照明干涉成像显微技术 (25)6.3.2.3 4Pi显微技术 (2)56.3.3 利用非线性效应突破衍射极限 (26)6.3.3.1 受激发射损耗(STED)显微技术 (26)6.3.3.2 基态损耗显(GSD)微技术 (26)6.3.3.3 可逆饱和荧光跃迁(RESOLFT)显微技术 (26)6.3.4 单分子显微技术 ...........................................................................27 6.4 超分辨显微技术的发展展望 (27)第7章生物光子学中的光谱分析技术 ...............................................................29 7.1 吸收光谱技术 ..................................................................... ....................29 7.2 荧光光谱技术 ..................................................................... ....................29 7.3 拉曼光谱 ..................................................................... ............................30 7.4 荧光相关光谱技术 ..................................................................... .............31 7.5 生物大分子检测 ..................................................................... . (31)第8章其它常见的生物光子学技术 (32)8.1 流式细胞分析技术 ..................................................................... .............32 8.2 生物芯片 ..................................................................... ............................32 8.3 激光光镊技术 ..................................................................... ....................33 8.4 光动力学疗法 ..................................................................... ....................33 8.5 生物光子学中的纳米技术 ..................................................................... .33《生物光子学》讲义 2010年7月编制第1章绪论1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学是一门新兴的交叉学科，它将可能给医学和光子应用等学科带来革命性的变化，尤其是在医学诊断和疾病预防等方面。

研究生课程生物光子学生物光子学是研究生物体中光与生物相互作用的学科，涉及到光在生物体内的传播、吸收、散射、发射等过程。

生物光子学的研究内容十分广泛，包括生物光学成像、光谱学、光热治疗、光遗传学等多个领域。

生物光子学的研究对象可以是单个细胞、组织器官甚至整个生物体。

通过利用光的特性和与生物相互作用的机制，生物光子学可以为生物学研究提供非常有价值的信息，促进生物医学、生态学和生物工程等领域的发展。

生物光子学在生物医学领域中有着广泛的应用。

光学成像技术是生物光子学的一个重要分支，可以通过对生物体进行光学成像，获得生物组织的高分辨率结构和功能信息。

例如，荧光显微镜可以用来观察细胞内的分子运动和相互作用，红外成像技术可以用于检测生物体内部的温度变化，从而实现早期癌症的检测和治疗。

光热治疗是生物光子学的另一个重要应用。

通过利用金属纳米颗粒对光的吸收和转换能量的特性，可以实现对肿瘤等疾病的治疗。

当金属纳米颗粒受到激光照射时，会产生局部的温度升高，从而破坏周围的肿瘤细胞。

这种热疗方法具有非侵入性、高效率和低副作用的特点，被广泛应用于肿瘤治疗。

生物光子学还在生物工程领域中发挥着重要的作用。

通过利用光的特性和与生物相互作用的机制，可以实现对生物体的控制和操纵。

例如，光遗传学利用光敏蛋白质对光的响应特性，可以实现对细胞的遗传修饰和控制。

这种方法可以用于研究生物体内部的信号传导机制，以及治疗一些遗传性疾病。

生物光子学还有许多其他应用。

比如，在生态学中，可以利用光学成像技术对植物的光合作用进行研究，了解植物的生长和光合效率。

在食品安全检测中，可以利用光谱学方法对食品中的有害物质进行检测和鉴定。

在环境监测中，可以利用光学传感器对水质、空气质量等进行实时监测。

生物光子学是一个充满活力和潜力的研究领域，它涉及到光与生物体相互作用的基本原理和应用技术。

通过研究生物光子学，可以深入了解生物体的结构和功能，为生物学研究和生物医学应用提供有力支持。

生物光子学的理论与应用研究生物光子学是一门交叉学科，涉及生物学、物理学、化学以及电子工程学等多个学科领域。

它研究的是生物体内的光学现象和光学特性，特别是利用介质中的核心带光导纤维对光的传输进行研究，探索光在生物体内的传输、发生、变化等基本规律及其应用。

生物光子学的发展对于生命科学研究和医学诊断有着重要的推动作用。

一、生物体内的光学现象生物体内存在许多光学现象，例如：色素、荧光、散射等。

其中色素是指生物体内吸收或反射光线产生的色彩。

生物体内的色素种类繁多，包括叶绿素、血红素、双氧水、类胡萝卜素等。

荧光是指物质受到激发后自发放出光的现象。

在生物体内，荧光主要来源于生物分子（如色素、氨基酸和核酸等）的荧光发射。

散射是指光线在传播过程中遇到生物体组织时发生的反射和散射。

生物体组织的散射性质直接影响到激发光的穿透深度和成像质量。

二、生物光子学的基本原理生物光子学的基本原理与传统物理学中的光学原理相似，只不过应用的场合和研究对象不同。

生物体内的光学现象和光学特性直接受到组织结构、成分、状态等生物学因素的影响。

因此，生物光子学需要借助光学仪器等现代科技手段，对生物体内光的散射和吸收进行研究，并通过数据分析和模型计算等方式，建立生物光子学理论体系，以便更好地理解和探索生物体内光学现象的基本规律。

三、生物光子学的应用生物光子学的应用范围非常广泛，主要包括医学诊断、生命科学研究、环境监测等领域。

在医学诊断领域，生物光子学可应用于肿瘤病灶的早期检测、皮肤病自动诊断、人体组织成分分析等方面的研究。

在生命科学研究方面，生物光子学可用于生物成像、化学成像、分子光学手术等方面的开发和研究。

在环境监测领域，生物光子学可用于水质监测、地质探测、气象研究等方面的应用。

四、生物光子学的前景展望生物光子学的研究领域非常广阔，随着科技的不断发展，它的发展前景也更加广阔。

未来，生物光子学将会成为医疗技术领域中的一个重要分支，为人类的健康提供更先进的检测手段和治疗方式。