生物光子学1-绪论01
《生物医学光子学》课件
光学相干成像技术
总结词
光学相干成像技术利用光的干涉现象，能够无损地观察生物组织的内部结构。
详细描述
光学相干成像技术利用光的干涉现象，通过测量光在生物组织内部不同路径的传播时间，重建组织内 部的折射率分布，从而观察生物组织的内部结构。这种技术具有无损、无创的优点，在眼科、心血管 等领域有广泛应用。
荧光寿命成像技术
研究内容与领域
总结词
生物医学光子学的主要研究内容、领域和应 用方向
详细描述
生物医学光子学的研究内容主要包括光与生 物组织的相互作用、光子在生物组织中的传 输和散射、生物组织的光学成像和光谱分析 等。该学科的研究领域涉及光学显微镜、光 学成像、光谱分析、激光生物学、光热治疗 和光动力治疗等。生物医学光子学的应用方 向非常广泛，包括医学诊断、治疗和基础研
详细描述
光学成像技术利用光的散射、吸收和 荧光等特性，对生物组织进行成像， 可应用于肿瘤、炎症等疾病的早期诊 断。
荧光分子成像与示踪
总结词
通过荧光标记技术对生物分子进行示 踪，研究分子在生命过程中的动态变 化。
详细描述
荧光标记技术利用荧光物质对生物分 子进行标记，通过荧光显微镜观察分 子的动态变化，有助于深入了解生命 过程和疾病发生机制。
深入研究和探索生物组织的光学特性
未来研究将更加深入地探索生物组织的光学特性，为光子检测和成像提供更准确的理论 依据和技术支持。
发展新型光子检测和成像技术
未来将发展新型的光子检测和成像技术，以提高灵敏度和分辨率，满足生物组织和细胞 层面的检测和成像需求。
拓展光子学在生物医学领域的应用范围
随着技术的不断进步和应用需求的不断增加，光子学在生物医学领域的应用范围将不断 拓展，涉及更多的疾病诊断和治疗领域。
2009年博士研究生入学考试《生物医学光子学》考试大纲
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
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。
生物医学光子学第一章绪论
§2 光与生物组织体的相互作用
§ 2 光与生物组织体的相互作用
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
光与生物组织体相互作用的基本形式 组织体对光的吸收效应 组织体对光的散射效应 组织体发光 光热效应和光声效应 光化学效应
§2.1 光与生物组织体相互作用的基本形式 1.光与生物组织体相互作用的表现形式或现象
Excited electronic state S1
h S1 S0
ground state S0
§2.2 组织体对光的吸收效应
2、分子的跃迁
生物组织体原子并不是处于自由状态的，原子靠化学键聚在一 起组成分子，而且组成的是大分子，很显然分子对电磁波的吸 收与单个原子的吸收相比要复杂得多。
Chapter 1 绪论
当前的成像技术
CT
Chapter 1 绪论
无创伤检测
Chapter 1 绪论
Hitachi, 2004，无创血糖检测
掌上型血氧仪（oximeter）,测量 动脉血的含氧量
手指血氧仪
Chapter 1 绪论
激光诱导荧光检测器 （Laser Induced Fluorescence Detector，LIF）
生物医学光子学
Biomedical Photonics
1 绪论
Chapter 1 绪论
生物医学光子学？
组织光 (tissue optics)
生物医学光子学 (biomedical photonics)
生物光子学
(biological photonics）
医学光子学 (medical photonics)
Chapter 1 绪论
Chapter 1 绪论
光子学基础—第一章
光线的弯曲
1911年爱因斯坦预言光子存在运动质量，在日全 食时，掠过太阳旁的星光会被吸引而扭弯，弯曲 大约千分之二度。1919年英国日食考察队分别到 巴西和几内亚观测．证实了爱因斯坦的理论。
恒星 形成Einstain环
最近英国天文学家观察
太阳
到 “爱因斯坦环”，这种 现象被看作 “引力透镜”。
10
因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出3～4个
量级，即千倍以上 。
16
光子具有的优异特性
光子具有极快的响应能力 ：
电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s) ，电子通信 中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量级 。 光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级 ，小 于10个飞秒(fs,10-15s)量级， 光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百 个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s)
v c
vc
23
在人们对光学现象逐渐认识过程中围绕
微粒说 波动说
光的本质是什么？
牛顿
能量子，光量子假设
普 朗 克 爱 因 斯 坦
惠更斯
几何光学
波动光学 干涉，衍射
直线传播 最简单光理论
光的波粒二向性 量子光学
麦克斯韦波动方程
进行漫长曲折讨论……
光是波
牛顿之后，光是一种波动在18、19以至20世纪 己深入人心，不会怀疑。
这是实验事实，反复测量建立起来的，但是还没人能 从经典理论推导出。 普朗克（Plank德国）1901年假设： 发射辐射的物质是 有一些谐振子组成的，这些谐振子具有的能量均以h为 单位，因此，相邻振子彼此间能量差为等间隔h 。引入 的能量子h就是光子的概念。
深圳大学生物光子学讲义
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。
《生物医学光子学课件》
光学疗法
激光治疗
光动力学治疗
用于破坏肿瘤细胞和治疗眼病、白血病等。
光学生物传感
表面等离子体共振传感 器
用于检测生物分子和细胞等。
荧光共振能量转移传感 器
用于快速、灵敏地检测蛋白 质、核酸等。
光学微流控芯片
用于检测微生物、药物等。
光学显微镜
1
广义成像显微镜
光学传感技术
4
声图像等。
用于生命科学中的环境监测、分子诊断 等领域。
光学成像技术
磁共振成像（MRI）
以磁场和无线电波为基础，生成 高分辨率的影像。
X线成像
光学相干断层扫描（OCT）
通过高频电磁波在体内产生影像。
无创、无痛的成像技术，用于检 测视网膜、血管等疾病。
光学扫描技术
单光子计数显微镜
用于荧光成像和纳米颗粒大 小分析。
包括荧光显微镜、融合成像荧光显微镜
超分辨率光学显微镜
2
等。
包括结构照明显微镜、单分子荧光显微 镜等。
光子学在医学领域的未来展望
1 新型材料和技术的出现 2 生物化学和分子生物学
技术的进步
如针对性药物输送系统、血
液生物学分析技术等。
能够更加清晰地观察细胞亚
结构、分子等。
3 先进成像技术的应用
如使用光学共振透射率成像技术替代MRI进行诊断、使用超快光子学 显微镜研究神经元传递等。
生物医学光子学课件
生物医学光子学是研究光与生物体相互作用及其应用的学科，它的研究对象 包括从单个分子到组织、器官和整个生物体的光学特性。
光子学在医学领域的应用
1
光谱技术
用于生物分子结构测定、药物研究等。
光动力学治疗
生物医学光子学
Xi’an Jiaotong University
第1章 生物组织光学特性
• 影响光在生物组织中传播的三个物理过程 – 反射和折射（reflection and refraction） – 散射（scattering） – 吸收（absorption） • 这三个过程分别用以下参数来描述： – 折射率 – 散射系数 – 吸收系数 – 各向异性 • 在反射、吸收或散射中，哪一种损耗为主，取决于生物组织的类型以及入 射光的波长。波长是非常重要的参数，它决定了折射和吸收以及散射系 数。 • 图3所示是光在两种介质的界面所发生的反射、折射、吸收及散射的几何关 系
100
光化作用
103
1015
1012
109
曝光时间(s)
106
103
100
103
§1.3 光与组织相互作用机理
Xi’an Jiaotong University
1.3.1 光化作用 对一系列光化作用的了解缘于对实验的观察，即对在大分子或生物组织 内光可以引起化学作用和化学反应的观察。最普通的一个例子是生物 体自身的演化 —由光合作用引起的能量释放。在激光医学物理学领域 的光动力学疗法（Photdodynamic Therapy, PDT）中，光化作用机理 起着很重要的作用。通常生物刺激也归因于光化作用，尽管这还不能 在科学上得到证实。 在低功率密度（典型为 1）和长时间曝光下（秒以上或者连续波），光 化作用就会发生。对激光参数的选择可在散射占优势的组织中产生一 个辐射分布。在大多数实例都选用波长在可见光范围内的激光器（例 如，波长为 630nm的若丹明染料激光器），是因为它们的高发光效率 和高的光穿透深度。如果要达到较深的组织结构，第二个性质就很重 要了。
生物医学光子学1
Chapter 1 Introduction
Hitachi, 2004，无创血糖检测
掌上型血氧仪（oximeter）,测量 动脉血的含氧量
手指血氧仪
Chapter 1 Introduction
激光诱导荧光检测器 （Laser Induced Fluorescence Detector，LIF）
Chapter 1 Introduction
生物光子学 (biological photonics）
医学光子学 (medical photonics)
Chapter 1 Introduction
Why Biomedical Photonics Biomedical Optics？ ？
NOT
wave-particle duality
Wave Theory Quantum mechanics
End of 1.0
Chapter 1 IntroБайду номын сангаасuction
Physical Model
Light Source
Information carrier
measurement
results
Chapter 1 Introduction
Outlines of Biomedical Photonics
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 光与生物组织体的相互作用 描述光在组织体中传播的数学模型 生物医学光子学中的测量技术 参数提取的定量数学方法 生物医学光子学在人体成分浓度检测 方面的应用 第七章 生物医学光子成像技术 第八章 生物医学光子学其它研究热点介绍
Chapter 1 Introduction
Universities and institutes:
生物光子学
本科 博士研究生 访问学者 访问学者 博士后 讲师 副教授 博士生导师 教授
自2006年开始从事基于纳米颗粒的光学生物成像、治疗工作。围绕金属纳米颗粒、有 机荧光染料、氧化石墨烯等设计具有新颖光学特性的纳米生物探针，并将它们应用于活 细胞成像、治疗，宏观活体功能成像，显微活体功能成像等 。目前正在开发适合于深层 脑功能成像的光学仪器，同时开展光遗传学方面的研究。
1665： 英国人Robert Hooke用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍，观 察了软木的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用cells（小室)这个词来 称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室。
经典的“生物光学”应用案例
《生物光子学》
8
已有的生物医学光(子)学临床案例：
• X射线诊断/治疗，CT 成像
参考资料：
各种papers…
/Splash.aspx?PID=1 （月刊杂志，网络免费公开，亦可免费订阅印刷版）
《生物光子学》
6
要求：上课、作业、考试
上课：按时到教室，认真听讲，欢迎提问与质疑，及时复习。 作业：课堂布置，课外阅读为主，必须独立完成，及时上交。每次作
材料、化学，物理学，光学工程，生物医学，临床医学
《生物光子学》
14
国内从事生物光子学研究的主要机构：
• 华中科技大学生命科学与技术学院——骆清铭教授、曾绍群教授等 • 北京大学——程和平院士团队 • 北京301医院——顾瑛院士团队 • 北京大学生物动态光学成像中心——谢晓亮教授 哈佛大学教授美国科学院院士 • 华南师范大学信息光电子科技学院，激光运动医学研究所，激光生命科学研究 所——邢达教授团队 • 西安交通大学生物医学工程系——张镇西教授团队 • 深圳大学光电子研究所——牛憨笨院士、屈军乐教授团队 • 福建师范大学物理与光电信息科技学院——谢树森教授团队 • 浙江大学光电学院——刘旭教授、匡翠方教授（超分辨显微成像），丁志华教授/ 李鹏副研究员（OCT），王立强副教授（共聚焦），钱骏教授等
研究生课程生物光子学
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。
1-- 绪论;第一篇—第一章：几何光学的基本原理(10物理)
1. 光的直线传播定律 在均匀介 质中，光沿直线传播 .光的直线 传播是我们日常生活中司空见 惯的现象.
2. 光的反射定律 反射光线、入 射光线总是和法线处在同一平 面(入射面)内，入射光线和反射 光线分居于入射点界面法线的 两侧，反射角等于入射角.
入射光线
i
反射光线 法线
i
i i
3. 光的折射定律 折射光线与入 射光线和法线同处在一个平面 上，入射光线和折射光线分居 于法线两侧；入射角与折射角 的正弦之比是一个取决于两介 质光学性质及光的波长的常量.
• 原子光谱结构的规律性的研究 引导到 • 黑体辐射能量的光谱分布研究 能量量子化概念的产生
普朗克提出能量量子化假设
Max Planck 1858----1947
1900年
• 光电效应的研究 ↓ 1905年 光的量子理论—光子的概念 **光具有波粒二象性！
1879----1955 Albert Einstein
2. 20世纪前的学科发展简史 ——经典光学阶段 1.1 光的微粒说
观点：光是发光体发射出的微 小粒子，所以光是沿着 直线行进的。
1642----1772 Sir Isaac Newton
它可对光的反射、折射现象 做一定的解释，但得出光的 V水>V空的结论。
对光的本性的认真探讨，应该说是从17 世纪开始。
1.2 光的机械波动说
观点：光是一种在“以 太”的弹性介质中 传播的机械波。
1629----1695
十七世纪晚期Huygens提出了 波动（纵波）理论，认为光是一 种特殊的波而不是粒子集合。
19世纪初Thomas Young和菲 涅耳等人的理论和实验工作，把光 的波动理论大大向前推进。
生物光子学的理论与应用研究
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。
生物医学光学
以学科分类，列举了这些机会中的一些：
工程师： · 新一代激光、传输系统和探测器的有效而精简的集成 · 设备小型化、自动化和机器人控制 · 新的无损和低侵入性光活化作用 · 进行活体成像和光学活组织检查的光学工程 · 目标检测和活化的纳米技术 · 光学微电机系统BioMEMS(micro-electro-mechanical systems)以及它们的纳米尺度的类似物 生物医学研究人员： · 对分子、细胞和组织功能探测的生物成像 · 传染病和癌症早期检测的光学特征 · 对治疗和药物输送产生的生理反应的动态成像 · 药物作用的细胞机制 · 光化学反应物质的有毒性 · 移植和探针的生物相容性
1.2 生物医学光学概论
光子学在光学诊断以及光引导及活化治疗 上的应用将会对卫生保健产生重大影响。
生物光子学为实现疾病的早期探测和光引 导及活化治疗的新模式使我们看到了希望。
生物医学光学用于卫生保健的多学科范围
1.2.1多学科的教育培训和研究的介绍
21世纪，主要的技术突破更容易发生在学科 的交叉地带。
光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和 动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容。 当前的主要研究任务是： 一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程， 以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、 环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用 光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加 工和改造等也是一项重要的任务。 二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医 学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激 光医疗机理极其作用机理的研究。
在医学的光诊断和治疗中,有许多理论研究需 要开展，有许多新应用需要从理论上做出满 意的解释，这主要有如下几个方面：
(理学)生物医学光子学第1章
• 种群平衡---种群长期维持在几乎同一水平上。 • 种群爆发---特定条件下，出现骤然数量激增。 • 种群衰退---长期处于不利条件下，种群数量出现 持久性下降，甚至灭亡。比如：人类对野生动物 的过度利用核对其栖息地的破坏是近代种群加速 灭亡的根本原因。 • 生态入侵---人类把某种生物带入适宜其栖息和繁 衍的地区，使该群种不断增长，分布区持续扩展， 意义上已超过了一般动物, 可通过劳动增加环境容纳量，但具有一定 的局限性，资源毕竟有限，人口过多无疑 会产生负面影响。人口激增成为我们面临 的全球问题之一，严重威胁着人类的生存 和发展。
1.3.3
群 落
群落----栖息在同一地域的各种生物的种群彼此相互 作用，组成一个具有独特成分、结构和功能的集合体。 群落生态学----研究生物群落与环境之间相互关系的 科学。 ⑴种间关系----种群间的直接相互作用（共生、竞争、捕 食） ⑵群落结构----相对稳定的生物群落具有一定的结构和特 征 ⑶群落类型及演替----水生生物群落、陆生生物群落
人 界 门 纲 目 科 属 种 动物界 脊索动物门 哺乳纲 灵长目 人科 人属 人 雏菊 植物界 维管束植物门 双子叶植物纲 桔梗目 菊科 菊属 雏菊
1.3
生物与环境
生物与环境密切相关，一方面生物不能脱 离它所在的环境而必须从其环境中获得生 存所需的条件，另一方面生物又能影响其 环境使环境发生变化*。
dN dt rN (1 N / K )
NK
NK NK
种群增长 种群稳定 种群衰退
著名的逻辑斯谛方程 被认为 是更为普适的种群增长模型
4.种群大小调节与数量变动
• 种群数量变化是出生和死亡、迁入和迁出 综合作用的结果。一方面影响出生率、死 亡率、迁移率的一切因素都影响种群数量 动态。比如：生物过程（竞争、捕食等)、 食物因素、气候条件等外源性因子。另一 方面，种群有自我调节能力----物种的一种 适应性反应，它通过自然选择带来进化上 的利益，包括行为调节、内分泌调节和遗 传调节等。*
生物医学光子学
光子学是指研究光和其他辐射能（以光子为量子单位） 的产生和利用。 生物医学光子学：运用光子学的理论和方法解决生物 技术与医学中遇到的基础理论与应用技术等方面的问 题。 按照分属的邻域分：生物光子学和医学光子学
按照应用的目的不同分为光子医学诊断技术和光子治疗 医学技术。前者是将光子作为信息载体，进行探测和分 析，从中获取有关疾病的目的。后者是将光子作为能量 的载体，作用于发病部分达到治疗的目的。
指出微弱的紫外辐射是在细胞 分裂过程中产生的，并能促进其他细胞的分裂，即 所谓有丝分裂
但由于当时仪器条件的限制和理论不完备，解释无法证实
PE包括两类：一种是自发的生物化学发光，与生物 体的氧化代谢有关，称为自发超微弱发光。 另一中是外因诱发的发光，取决与光、电离辐射、超 声、化学药物等外界因素的作用，称为诱导超微弱发 光（又称延迟发光）
生物系统超微弱发光检测 检测需要借ห้องสมุดไป่ตู้微弱光探测器件获取信号。比如光电倍增 管（PMT）、雪崩二级光（APD）和像增强器。 对匹配的电子系统也要求高，要求系统具有高的信噪 比、高灵敏度和高稳定性。
生物系统超微弱发光的主要应用 超微弱发光与生命过程紧密联系，反应了生物体的氧化 代谢、信息传递、光合作用、细胞分裂、癌症死亡以及 生长调控等基本生命过程。
临床应用方面：用于癌症的早期诊断
血液的超微弱发光强度与供血者的年龄有关，还与其健康 程度有关，尤其是肝癌、卵巢癌患者显著。
农业方面：检测农作物对逆境的抗性能力、 判别种子的优劣、检测水果的品质，监控农 作物的生长状态
种子的超微弱发光动态变化与种胚的生理变化有 很强的相关性；在胁迫条件下，种胚萌发的受阻与 发光强度下降呈正比。特别是同种作物而抗性不同 的品种之间，尤其显著。
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2
第1章
绪 论
生物光子学
21世纪是生物 的世纪 21世纪是光子 的世纪
量子理论、技术革命、基因科学
生物光子学
它是关于光与生物组织相互作用、所产生的效应及其应用的学科； 它是交叉于光学、光电子学、生物学、医学、电子学、材料学等诸多领 域的新学科； 其应用涉及到生物学研究、医学疾病诊断、治疗及预防等； 另外，多学科的相互交叉融合又会为新技术的发展和应用开辟新的途径。
– 历史事件回顾，量子理论革命（光的概念的历史演化）、技术 革命（激光、微芯片、纳米技术）、基因组学革命
• 生物光子学的研究内容 • 学科前沿
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1.1 生物光子学的形成与发展
一、关于生物光子学的基本概念：
• 光子学：产生和控制光以及其它以光子为单位的辐射能 的技术，光子学的应用范围包括能量的产生、探测、通 信以及信息处理等。
25
1.1 生物光子学的形成与发展
– 随后的一系列关于光的本质的重大发现，如光电效应， 对牛顿的经典理论提出了挑战，导致了20世纪量子物 理的革命－爱因斯坦
• 1887年，赫兹发现了光电效应，并注意到当光照射某种材料 时，会有电流产生，但只有在某一特定频率（也就是能量）以 上才发生，如果频率在必要的临界值以下，即使增加光的强度 也不会产生电流。
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生物光子学
期刊杂志：
Laurin出版公司1991年发行了Bio-Photonics杂志； 国际光学工程学会（SPIE）也于1996年创办了生物医学光子学的专业期 刊Journal of Biomedical Optics ； 美国光学学会重要的会刊之一Applied Optics也于1996年将其―Optical Technology‖栏目更名为― Optical Technology and Biomedical Optics‖ ；
• 随着科学技术的出现，光对医学的促进作用逐渐发展并贯 穿于人类发展的始终。
– 17世纪荷兰人发明了光学显微镜，对其后200年间的生 物学及生物医学的发展起到了非常重要的作用。
• 细胞理论：1830s 19世纪30年代，德国植物学家施莱登和动物学家施旺通过光学 显微镜观察，发现所有植物体和动物体都是由细胞构成的，它 们依照一定的规律排列。在此基础上他们创立了细胞学说。
(in Biomedical Photonics Handbook，Tuan Vo-Dinh，CRC Press LLC，2003)
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 电磁波谱图
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 生物医学光学 Vs. 生物医学光子学：
– 根据一般的定义，光学是指“可见光学”，它是电磁辐射中可被 人眼感知；而光子学包括所有电磁辐射谱内的量子，即光子，它 的定义比光学的定义更广泛。 – 光子学包括与电磁辐射相关的光学技术与非光学技术，它是电场 与磁场空间能量的传递。电磁谱是它的能量范围，从宇宙射线、γ 射线、X射线到紫外、可见光、红外、微波和无线电频率。
主讲人：刘立新
lxliu@ 西安电子科技大学
推荐教材及参考资料
• 普拉赛德（Paras N Prasad）著，何赛灵译，生物光子 学导论，杭州：浙江大学出版社，2006 • 徐可欣，高峰，赵会娟著，生物医学光子学，及应用，北京：科学出 版社，2008 • Tuan Vo-Dinh，Biomedical Photonics Handbook，CRC Press LLC，2003 • 其他相关教材和文献资料
在美国哈佛大学、MIT和加利福尼亚大学、英国帝国理工大学、新加 坡国立大学和南洋理工大学等的生物医学工程专业中，生物医学光子5 学是重要的组成部分。
生物光子学
我国：
基金：1998年我国在国家自然科学基金项目指南中就已经形成了“生物医学
光子学”的学科概念。2000年11月在北京举行的第152次香山科学会议“生物医 学光子学与医学成像若干前沿问题”上，确定生物医学光子学为国家重点发展和 资助的研究方向。
国际会议：
在美国举行的“生物医学光学国际学术研讨会”（International Biomedical Optics Symposium，BiOS）； 在欧洲举行的“欧洲生物医学光子学光学会议”（European Conference on Biomedical Optics，ECBO）等。
著名高校：
28
1.1 生物光子学的形成与发展
– 分子光谱中用以研究生物分子的波长范围很宽。分子 光谱技术促进了许多用于最低侵入地检测疾病的实用 技术的发展：
• Britton Chance与其合作者研发并运用近红外吸收技术无损 检测生理过程及脑功能；
• 多种分子光谱技术，包括荧光、拉曼散射和生物发光技术等， 用于进行癌症诊断、疾病检测和药物发现等。
16
1.1 生物光子学的形成与发展
• 1665年Robert Hooke详细描述了他的第一台显微镜； • 1667年Robert Hooke出版了“Micrographia”
Robert Hooke通过自 己设计的复合显微镜 片组窥视到了以前看 不到的微观世界。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 1901年，德国物理学家普朗克提出光的量子化理论，即光是 不连续的一份一份的能量。
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1.1 生物光子学的形成与发展
– 1905年，爱因斯坦对光电效应进行了详细的解释，开 拓了量子力学领域。
• 光既不是连续的波，也不是微小的粒子，而是以称为光子的波 的能量束形式存在，每个光子的能量取决于能量束中光波的频 率，频率越高（颜色越蓝），能量束携带相应的能量越多。
– 卢瑟福和玻尔利用放射性辐射实验研究了原子的结构， 进一步验证了量子理论——波粒二象性。 – 从1926年到1933年，海森堡、薛定谔和Dirac等人的 理论工作，奠定了量子理论的坚实基础。
• 量子理论的世界观意味着，物质的结构一般不是机械或可见的， 并且世界的真实性不能通过人类感官的感觉来解释。
• 法国化学家和细菌学家路 易斯· 巴斯德正在用显微镜 观察，显微镜提供了一种 强大的研究工具，在此基 础上，他和罗伯特· 科赫 （Robert Koch，德国细 菌学家， 医学家， 结核菌、 霍乱菌发现者， 曾获1905 年诺贝尔生理学-医学奖)创 立了疾病的微生物理论。
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1.1 生物光子学的形成与发展
生物医学应用于光子学技术 激光介质 光通信通道 光信号处理 高容量数据存储
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生物光子学被定义为光子学与生物医学的融合，同时对两个主要方面说明
1.1 生物光子学的形成与发展
• 关于生物光子学……
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1.1 生物光子学的形成与发展
二、光子学与生命科学
• 在人类历史的长河中，光学扮演着非常重要的角色：人类 很早就掌握了光的治疗作用。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 显微技术在许多方面都取得了很大的进展，包括激光技术、 探测器技术、超分辨显微等。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 双光子及共聚焦系统
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 荧光显微技术能够提供非常好的对比度，成为生物医学研 究及诊断的重要工具。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 从1895年伦琴发现X射线100多年来，X射线成像已广泛 应用于医学、科研、工业探伤及海关检查等各个领域。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 为了观察透明的样品，改善空间分辨率，发明了其它对比机制，比如 相衬显微(1935-41), 微分干涉显微DIC (1960s)以及共焦显微(1980s)等
高校：清华大学、浙江大学、西安交通大学、天津大学、华中科技大学、福
建师范大学、华南师范大学、深圳大学、上光所、西光所等单位在多个研究方向 取得了一定的研究成果。
2016年会议：
1) 第二届海峡两岸纳米生医光电研讨会（5月，西安） 2)第八届国际信息光学与光子学学术会议（CIOP 2016，7月，上海） 3)第五届生物医学工程与生物技术国际学术会议（ICBEB 2016，8月，杭州） 4) 第九届光学与光电子国际学术会议（SOPO 2016，8月，西安） 5) 2016年亚洲光电子会议（Photonics Asia 2016，10月，北京）
三、学科的发展
• 生物光子学的发展和成长融合了20世纪的三大科技革命： – 量子理论的革命（1900－1950s） – 技术革命（1940s-1950s） – 基因组学革命（1950s-2000）
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1.1 生物光子学的形成与发展
1. 量子理论的革命：推动了关于光的概念的演变
– 17世纪中叶，牛顿的经典理论（微粒学说）：为我们对世界的基 本物理现象的理解奠定了基础，重塑了科学历史。在其光学著作 中，详述了许多光的现象（光的折射、白光的本质、薄膜现象等） 以及光学仪器（如显微镜、望远镜等）。牛顿通过三棱镜分光的 著名实验证明了光实际上是多种彩色光谱的混合。 – 17世纪中叶，惠更斯（波动学说）：光波以“以太”为载体传播 – 1865年，Maxwell发展了关于光传播的电磁波理论。
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1.1 生物光子学的形成与发展
生物化学领域的传奇科学家–Britton Chance
Britton Chance（1913–2010），美国籍，生物学博士，美国、英国、瑞典等六国科 学院院士，国际生物物理学与生物医学光子学创始人之一。他不仅在科学界享有盛 誉，也层获得过1952年赫尔辛基奥运会帆船比赛的金牌。他在中国的很多大学演讲 过，80年代北京大学授予他荣誉博士学位。——文凭最高的奥运会金牌获得者
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1.1 生物光子学的形成与发展
– 量子理论的发现不仅催生了分子光谱学这一新的领域，而且发展 了一套具有强大功能的光子学工具，用以探索自然和在根本上理 解病因。