第五章 生物物理技术

近红外光谱术在传统中药中的研究应用摘要：红外光谱技术是近20年来发展较快的新型分析检测技术，它具有快速、简便、准确和不破坏样品等特点，已在农业、食品、石油化工等行业中得到了较为广泛的应用。

我国中药材资源丰富，有利于实现中药现代化持续发展战略，加强中药质量管理是实现中药现代化的关键环节。

在借鉴红外光谱在线检测技术在其它领域中的成熟应用的基础上，分析近红外用于中药研究中的可行性与优势所在，结合中药的特点，在中药的定性鉴别、定量分析等研究上取得了一些进展，显示出了红外光谱技术在中药领域中广阔的应用前景。

关键词：红外光谱技术；传统中药；生产制作过程应用；生产过程质量控制；定性分析中药是中国医药学宝库中的一颗璀璨明珠，在人类与疾病斗争的过程中扮演重要的角色，在世界医药发展史上占有重要地位。

随着科学技术的发展和人们“回归自然”的需求，中药产业成为21世纪具有发展空间的高增值产业。

目前，我国的中药产企业有近1500家，但我国中药制药水平整体低下，生产模式和管理水平相对落后，质量控制的方法和手段创新不足，导致我国中药产品质量难以保证，极大地阻碍了中药现代化和国际化的进程。

中药生产过程由一系列单元操作如提取、浓缩、纯化、制粒、混合、包衣等组成，每一项单元操作工艺参数的变化都会影响到最终产品的质量。

目前，由于这些单元操作过程中缺乏有效的过程检测手段，大多只能根据经验决定过程是否完成，成为中药应用的盲点。

近年来，红外光谱技术的引入到中药研究领域中，积累了丰富的成果，极大地推动了中药的应用范围。

1 近红外光谱技术介绍现代近红外光谱分析( near — infrared spectroscopy， NIRS)是光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测试技术的有机结合，它是采用化学计量学技术，建立近红外光谱所反映的样品基团、组成或物态信息与用标准或认可的参比方法测得的组成或性质数据的定量模型或判断模型，然后通过对未知样品光谱的测定，依据所建立的定量模型或判断模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法。

《生物物理技术（修订版）》期末考试试题与答案第一章总论1.什么是生物物理学？答：从物理学的角度来研究生命过程,即主要应用物理学方法研究生物的基本结构和性能、物理过程和物化过程的本质,以及物理因素对机体的作用等的学科。

2.生物物理学包含的分支学科（主要内容）有哪些？答：分子生物物理、膜与细胞生物物理、感官与神经生物物理、生物控制论与生物信息论、理论生物物理、光生物物理、辐射生物物理、生物力学与生物流变学、生物物理仪器与技术。

3.什么是生物物理技术？答：技术的革新和应用对于推动生物学发展的重要作用是众所周知的(有时甚至带来革命性的、根本的改变)。

生物物理技术作为生物物理学中不可缺少的重要组成部分，包括X射线衍射晶体分析、同步辐射核磁共振波谱技术、时间分辨的波谱技术和光谱技术(如纳秒到飞秒级荧光)、新型显微技术(如原子力显微术、共聚焦显微术、近场光学显微术及分子激发显微术等)、测定弱磁信号、检测微量成分的无损伤技术成像技术等。

4.什么叫电磁波？答：电磁波(电磁辐射)指传播着的交变电磁场。

5. 什么叫波谱学(spectroscopy)和波谱技术？答：研究各种不同频率(或波长)电磁波性质的科学，所采用的研究技术称为波谱技术。

6. 波谱学的物理基础是什么？答：根据波长或频率的不同，可将电磁波区分为许多不同的波段，并分别给予不同的名称。

每个波段，其所涉及的能量几乎都和分子或其组成(电子与原子核)的某一种运动方式有关，因而在和物质相互作用时，不同的波段都在不同程度上影响整个分子的能量状态，根据其不同性质就可找到不同波段的电磁波在研究分子结构及其运动中的应用。

一个分子的总能量包括平动、核取向、电子自旋、转动、振动以及价电子能量等几部分，分成了不同的能级。

物质吸收能量后，低能态跃迁至高能态，其发射指高能态向低能态跃迁将多余能量以量子形式发射出来。

不同的物质，其吸收和发射的状况不同，人们根据各种波谱技术测量的直接结果得到波谱图。

易损动脉粥样硬化动物模型的建立前言:目前心血管疾病已经跃居发达国家死亡率第一的病因.而动脉粥样硬化是心血管最常见的病变,易损斑块又是最危险的死亡原因,斑块破裂造成血管断裂,血液溢出.疾病的研究离不开动物模型的建立.在动物模型的建立过程中将用到大量的生物物理技术.如用于破坏血管内皮细胞的介入导管技术等.摘要:本文为大家介绍了几种最常见的易损动脉粥样硬化的动物模型,并对各自的优缺点作出了对比.还简单介绍了后期模型建立后血管观察的手段,重点介绍了目前先进且热门的OCT技术.心血管疾病是发达国家导致死亡的首要原因和诱因。

心脏病和血管的结合是多种病理的复杂结合，因为无论基因还是环境都必须要考虑，这使得心血管疾病难以阻止。

心血管疾病动物模型的发展，包括心脏病和动脉粥样硬化疾病，为今天的我们从生理病理学的角度研究疾病提供了非常重大的便利。

并且它们也被认为是评价预测和阻止并发症的新型治疗手段水平的必要工具。

其中涉及多种生物物理技术，如基因操作，CT，MR，X，超声等多种成像技术，介入操作，显微镜观察，生物组织切片观察等。

生物物理技术在动物模型的培养和观察，鉴定过程包括后期药物性反应实验，预期性评估实验，生理学药理学力学变化的分析，组织病变的特点的观察等等一系列实验中发挥了至关重要的作用。

图一显微镜下动脉粥样硬化斑块作者根据所参照文献总结了大多数常用的心血管疾病的模型，包括那些应用的大的或者小型的动物，为了更准确更好的理解每一个单独的方面与人类病理方面的关系。

特别是，我们将描述一些动脉粥样硬化疾病的动物模型，包括扩大的腹主动脉瘤，胸动脉瘤和闭塞的动脉粥样硬化疾病和一些心脏衰竭的模型。

这些方法具有非常重大的意义，因为预测家将要评估早期的监测并且预测生理水平的治愈过程，尽管它们正在被艰难探索。

动脉粥样硬化是一种由促进损害协同发展的各种病因所引起的复杂的多因素疾病。

鼠模型的建立被用于动脉粥样硬化损害的发展和过程的研究，并且几种评论广泛地讨论了不同的可用模型。

生理学中的生物物理学生理学是研究生物体及其器官、系统在生命过程中的结构和功能变化的科学。

而生物物理学则是研究生物体在物理条件下的生命过程的科学。

生物物理学通过运用物理学的原理和方法，探索生物体的结构、功能和相互关系，揭示其背后的物理机制。

在这篇文章中，我们将探讨生理学中的生物物理学，以及它在理解和解释生物体生命过程中的作用。

一、细胞膜的生物物理学：细胞膜是细胞的外壳，起到屏障和调控物质交换的作用。

生物物理学提供了解释细胞膜特性的基础原理，如扩散、渗透和电位差等。

通过生物物理学的研究，我们能够深入了解细胞膜的结构和功能，以及其在维持细胞内外环境稳定性和物质交换中的作用。

二、神经传导的生物物理学：神经传导是指神经细胞间传递信号的过程。

生物物理学研究了神经元内外的电势变化、离子通道的活动、动作电位的传导等生物物理现象。

通过生物物理学的研究，我们可以了解神经元信号传导的机制，以及神经递质释放和神经突触传递的生物物理特性。

三、生物电现象的生物物理学：生物体中存在各种电现象，如心电图、脑电图和肌电图等。

生物物理学的研究揭示了这些电现象的物理基础，如电势的形成、电流的传导和电极的应用等。

通过生物物理学的研究，我们可以理解生物电现象在诊断和治疗中的应用，以及其对生命活动的影响。

四、生物声学的生物物理学：声音是生物界中常见的信息传递方式之一。

生物物理学研究了声音的产生、传播和感知等过程，如声波的特性、声音传导的途径和听觉器官的机制等。

通过生物物理学的研究，我们可以深入了解声音在生物体内的传导和解码过程，以及听觉对生物体生存和交流的重要性。

五、生物光学的生物物理学：光是生物体感知外界环境的重要信息来源之一。

生物物理学研究了光在生物体内的传播、吸收和转化等过程，如视觉光学和光合作用等。

通过生物物理学的研究，我们可以了解光对生物体生理功能和行为的影响，以及利用光学原理来研究和应用生物体的结构和功能。

六、生物磁学的生物物理学：生物体中存在微弱的磁场，称为生物磁场。

2012年生物物理复习要点第一章生物物理绪论1. 生物物理的定义、研究内容和研究手段；2. 生物物理的研究方法；3. 为什么学多年来“生物物理学”的确切定义一直是该学科领域认为不易回答的问题？4. 在17-19世纪生物物理发展的早期，主要涉及哪些方面的零散研究？那时为什么没能出现生物物理这门学科？5. 为什么说X射线及其X射线衍射定律的发现是生物物理迅速发展的先决条件？6. 1934年薛定谔（Schrodinger）在其系列演讲“生命是什么？--活细胞的物理观”中，倡导用物理学的观点和方法研讨生命的奥秘。

他在报告中提出了三个重要观点是什么？7. 近几十年来生物物理的发展和现状说明了什么观点？8. 生物物理仪器与实验技术包括哪几个方面？并列举各类中代表设备。

9. 生物物理研究内容是如何分类的？不同分类中包含哪些内容？10. 说明鸟为什么会飞的主要原因？第二章生物物理的量子力学基础1. 掌握概念：热辐射、平衡热辐射、单色辐射强度、绝对黑体、光电效应、光量子、发射光谱、吸收光谱、德布罗意假设、德布罗波、海森伯测不准关系、2. 基尔霍夫定律的内容；3. 什么是普朗克能量量子化假设？4. 光电效应表现出哪四个实验规律？光电效应中经典物理理论的困难是什么？5. 研究原子结构规律有哪两条途径？原子核式结构的缺陷是什么？玻尔原子理论有哪三个基本假设？玻尔原子理论有何重要意义？6. 解释光的波粒二象性；波动性和粒子性的具体体现；7. 质量为m的粒子，以速度v运动时，不但具有粒子的性质，也具有波动的性质；波动性和粒子性的联系式即德布罗意关系式是什么？8. 如何从从德布罗意波导出氢原子玻尔理论中角动量量子化条件？9. 1923年戴维逊物质波验证实验内容；1927年汤姆孙电子衍射实验内容；10. 德布罗意波为概率波的含义是什么？11. 无数实验证明了实物粒子都具有波动性，如何描述其运动规律呢？12. 薛定谔方程是如何建立的？13. 解释波函数物理意义；14. 如何从测不准关系说明原子光谱宽度？第三章生物分子的相互作用1. 分子的性质有哪些因素决定？2. 构型和构象的概念和区别；什么是分子构造？3. 化学键按成键时电子运动状态的不同可分为几种类型？分子间弱相互作用有哪些？4. 离子键的定义和特点；5. 共价键的定义和特点；用测不准关系说明共价键形成的要点；6. 阐述价键理论的要点；7. 什么是杂化轨道？sp、sp2和sp3的含义；8. 分子轨道理论的主要内容；9. s-s原子轨道和p-p原子轨道的含义；10. 分子轨道：轨道、σ键和σ电子；π轨道、π键和π电子的含义；11. 诱导偶极子的概念；电相互作用有哪些类型？12. 分子间存在的范德华力有三种来源，即色散力(London力)、诱导力(Debye力)和取向力(Keesom力) ，它们的作用机制是什么？13. 范德华力的特点、作用范围、受影响的主要因素对分子构成的物质性质的影响；14. 氢键的概念和特征；形成氢键必须具备的条件；15. 什么是孤对电子？16. 水化作用和疏水作用的概念；离子水化模型是什么？离子水化作用的影响；17. 笼形结构的概念；为什么说疏水作用是熵驱动的自发过程？18. 稳定蛋白质三维结构的主要作用力有哪些？第四章研究生物体系的物理方法一、X射线晶体结构分析1. 晶体和非晶体在结构上和性能上的区别；晶体结构的基本特征；2. 阵点、空间点阵、晶胞和布拉维点阵的概念；晶胞选取的原则；3. 晶体结构和空间点阵的区别；晶向指数和晶面指数及其意义；晶面指数、晶面间距和原子排列的关系；4. X射线的概念及其特点；为什么X射线经过晶体时会发生衍射？5. 连续X射线的概念及特点；连续X射线产生机理；6. 特征X射线谱的概念及特点；什么是激发电压？特征X射线产生的机理；7. X射线荧光光谱和电子探针分析的理论基础是什么？8. 晶体衍射的布拉格条件是什么？9. 衍射峰的位置、强度、峰形（峰宽）由什么因素决定？二、红外和拉曼光谱技术1. 分子能级包括哪三部分？光谱区与能级跃迁的对应关系；2. 红外光谱的概念及应用领域；红外光谱产生的条件；3. 什么样的基团具有红外活性？4. 决定双原子分子红外吸收峰峰位的因素有哪些？5. 红外光谱中某基团的峰数由什么因素决定？决定峰位位置的主要因素有哪些？影响峰强度的因素；6. 典型基团的吸收峰位置；7. 影响峰位变化的主要因素；8. 红外分析制样方法有哪些？9. 红外光谱技术如何进行定性和定量分析？10. 瑞利散射和拉曼散射的概念；11. 什么是拉曼位移？它与什么因素有关？红外与拉曼活性之间的区别？12. 为什么stokes线强于反stokes线？三、核磁共振谱1. 核磁矩的概念；核磁矩与自旋量子数间的关系；塞曼效应；2. 核磁共振现象的原理；3. 什么是核磁共振的化学位移？为什么核磁共振可用于有机化合物结构分析？4. 为什么用四甲基硅烷（TMS）作为化学位移的基准?5. 什么是自旋-自旋偶合？自旋-自旋分裂的特点；6. 欧沃豪斯（Overhauser）效应的概念。

生物物理学课程编码：3043009511 课程名称：生物物理学总学分： 2 总学时：32课程英文名称：Biophysics先修课程：物理学、化学、生物化学适用专业：生命科学领域的所有专业一、课程性质、地位和任务生命活动的所有规律都遵守物理学和化学的基本规律，是物理与化学规律在生命系统中的具体体现。

生物物理学与生物化学是孪生姊妹，它们分别从物理和化学角度认识与阐明生命活动的规律。

生命体系其实是物质转换、能量转换与信息流动的有机体系，物质转换主要由生物化学研究，而能量转换与信息流动则是生物物理学的研究范畴。

现代生命科学已经从宏观研究转入分子特别是原子水平的研究，从静态的解剖式研究转入动态的实时无损伤研究，在这些认识转换中必需依靠生物物理学理论与技术方法才能实现。

因此，生物物理学与生物化学一样是生命科学的基础学科之一。

为了给生命科学学习的大学生与研究生塑造科学完整的生命科学知识体系，应该像生物化学等生命科学基础学科一样进行生物物理学讲授。

正因为生物物理学是从物理学角度认识与阐明生命活动规律，所以生物物理学应该结合物理学、化学和生物化学来学习。

在掌握了物理学、化学与生物化学基本专业知识后，可以更好更系统地学习生物物理学。

在生物物理学讲授中，将从能量与信息的角度阐明生命体系的科学性。

以生命体系中能量转换是物质转换的基础，物质转换是能量转换的特例；生命体系中的信息流动决定着生命活动的方向性、有序性与准确性为主线贯穿始终。

二、课程基本要求生物物理学内容广、研究精深，且不断与其它生命学科互相促进而飞速发展。

比较重要的有研究蛋白质和DNA结构与功能的分子生物物理学，有研究二维空间（生物膜）生命活动规律的膜生物物理学，有研究光能量转换的光合作用和光与生命活动相互作用的光生物物理学，有研究生命活动中信息传递与控制的神经生物物理学，有研究环境物理因子对生命活动影响规律的环境生物物理学，还有从相关物理性质角度研究生命活动的生物力学、生物能学、生物流变学、生物电学等。

物理在生物学的应用--生物物理学物理学在生命科学上有重要作用。

物理学和生物学互相促进，共同发展。

物理学和生物学在两方面有联系：一方面，生物为物理提供了具有物理性质的生物系统，另一方面，物理为生物提供了解决问题的工具。

生命科学是系统地阐述与生命特性有关的重大课题的科学。

支配着无生命世界的物理定律同样也适用于生命世界，无须赋予生活物质一种神秘的活力。

生命科学研究不仅依赖物理知识、它所提供的仪器，也依靠它所提供的思想方法。

生物物理学研究的内容十分广泛，涉及的问题则几乎包括生物学的所有基本问题。

1.分子生物物理分子生物物理，它运用物理学的基本理论与技术研究生物大分子及分子聚集体的结构、动力学，相互作用和其生物学性质在功能过程中的变化，目的在于从分子水平阐述生命的基本过程，进而通过修饰、重建和改造生物分子，为实践服务。

生物大分子及其复合物的空间结构与功能的关系是分子生物物理的核心问题。

自从50年代X射线衍射晶体分析法应用于核酸与蛋白质获得成功，奠定了分子生物学发展的基础，至今已有40余年历史。

在这段时期中，有关结构的研究大体上经历了3个主要阶段：①晶体结构的研究；②溶液中生物分子构象的研究；③分子动力学的研究。

分子构象随时间变化的动力学，分子问的特异相互作用，生物水的确切作用等是分子生物物理今后的重要课题。

2.膜与细胞生物物理膜及细胞生物物理是仅次于分子生物物理的一个重要部分。

要研究膜的结构与功能，细胞各种活动的分子机制；膜的动态认识，膜中脂类的作用，通道的结构及其启闭过程，受体结构及其与配体的特异作用，信息传递机制，电子传递链的组分结构及其运动与能量转换机制都是膜生物物理的重要课题。

细胞生物物理目前研究的深度还不够，随着分子与膜生物物理的进展，细胞各种活动的分子机制也必将逐步阐明。

感官与神经生物物理。

生命进化的漫长历程中出现了能对内、外环境做出反应的神经系统。

神经系统连同有关的感觉器官在高等动物特别是在人体内已发展到了高度复杂的程度，其结构上的标志是出现了大脑皮层，功能上大脑是最有效的信息处理、存贮和决策机构。

生物物理技术嘿，朋友们！今天咱来聊聊生物物理技术这个超有意思的玩意儿！你说生物物理技术像不像一个神奇的魔法棒呀？它能把生物学和物理学巧妙地融合在一起，创造出好多令人惊叹的成果呢！比如说，通过一些特别的手段，能让我们更清楚地看到细胞里面的小世界，就好像给我们装上了一双超级厉害的眼睛，能看到那些我们以前根本没法看到的微小细节。

这多酷啊！咱就拿基因编辑来说吧，这可真是个了不起的发明。

想象一下，我们就像一个超级厉害的工匠，可以精准地对基因进行修改，让一些不好的基因变一变，让它们变得更好。

这就好像我们在给生命这个大拼图做一些巧妙的调整，让它变得更加完美。

这要是用在医疗上，那能拯救多少人的生命呀！还有啊，生物物理技术在研究大脑方面也有大作用呢！它能帮助我们了解大脑是怎么工作的，那些复杂的神经信号是怎么传递的。

这就好像我们在探索一个神秘的宝藏，一点点地揭开大脑的秘密。

说不定哪天，我们就能通过这个技术找到治疗那些让人头疼的神经系统疾病的好办法呢！再想想生物物理技术在农业上的应用。

我们可以通过它来培育出更优良的品种，让庄稼长得更好，产量更高。

这就像是给土地施了魔法，让它能长出更多更棒的粮食和蔬菜水果，那我们的餐桌不就更丰富了嘛！而且哦，生物物理技术还在不断发展呢！它就像一个不断成长的孩子，每天都有新的进步和发现。

说不定哪天又会冒出一个让人惊掉下巴的新成果呢！我们能做的就是跟着它一起前进，一起探索这个神奇的世界。

你说生物物理技术是不是特别棒？它就像一把钥匙，能打开好多未知的大门，让我们看到更多的精彩和可能。

咱可得好好关注它，说不定哪天它就能给我们的生活带来翻天覆地的大变化呢！反正我是对它充满了期待，你们呢？。

12-3 生物物理技术一、教学目的：1．了解物理学与生物学的联系2．了解生物物理学发展的过程以及前景3．简单了解克隆技术二、教学重点、难点：物理学对生物学的影响三、教学器材四、教学建议教法建议：多媒体演示，讲解，讨论教学设计方案：（一）引入新课：物理学研究物质存在的基本形式和物质运动的基本规律，它的研究对象是简单系统，以及复杂系统中比较初始和基本的过程；而生物学则研究自然界最复杂的生命现象。

二者之间似乎没有什么联系，那么，怎么会出现生物物理学这一交叉学科呢？其实，物理学家一直在关注着什么是生命这样的问题，试图用物理学原理和定理解释生命现象。

（二）新课教学：1．物理学家对生命的思考17世纪，笛卡儿把人体想象成一台机器，用力学解释血液循环的机制。

18世纪，伽伐尼发现生物电现象：用电刺激引起蛙腿肌肉收缩。

拉瓦锡提出动物呼吸和燃烧具有一致性。

他们都认为生命体和非生命体中的过程是相通的。

19世纪，迈耶，焦耳和亥姆霍兹等人出于对生物，化学，物理问题的研究和思考，总结出能量守恒定律。

亥姆霍兹用物理方法研究了视觉，听觉，肌肉收缩等物理现象，测量了神经脉冲的传播速度。

到了20世纪，有更多的物理学家关注生命问题。

玻尔发表《光和生命》，提出要把生物学研究深入到比细胞更深的层次中去。

量子力学的创始人薛定谔做“生命是什麽——活细胞的物理学观”系列讲演，用热力学和统计力学解释生命的本质，提出遗传密码的设想，强调生物过程与物理规律相协调。

在他的影响下，一大批优秀物理学家转向生物学研究。

1953年，生物学家沃森和物理学家克利克用X射线衍射图确定了遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构。

1954年，伽莫夫提出遗传密码的具体形式。

到1960年代，三联体遗传密码被破译。

1970年代，普里高津提出耗散结构理论，揭示出生命体系形式发展的规律，将非线性动力学模型应用于生物过程……物理学家们一直认为：生物体和非生物体一样，都是由自然界的共同物质所组成的。