生物光子学第一章
《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。
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
光生物医学BP_chapter1
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Biomedical Photonics
光学诊断的优点
• 光辐射是非电离性，可以进行多次测量 光辐射是非电离性， • 不同软组织反差较大 • 不仅能获得组织结构信息，且能获得生物 不仅能获得组织结构信息， 组织的功能信息
6
Biomedical Photonics
生物医学光子学
• 生物医光学子学是光子学技术和生命科 学相互交叉与渗透，而形成的一门新的边 学相互交叉与渗透， 缘学科。 缘学科。 Biomedical Photonics Biomedical Optics Biophotonics
7
Biomedical Photonics
12
Biomedical Photonics
医学光子学
• 新兴的光子学与现代医学相结合形成 了一个新型交叉学科生长点。医学光子 了一个新型交叉学科生长点。 学的发展动力源于医学的迫切需要。 学的发展动力源于医学的迫切需要。
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Biomedical Photonics
医学光子学
• 研究光在生物组织中传输规律，发展医学光 研究光在生物组织中传输规律，发展医学光 传输规律 学成像与光谱测量技术， 学成像与光谱测量技术，用于生物组织与血液 参数的无损检测，探索组织结构与功能的变化； 参数的无损检测，探索组织结构与功能的变化； 研究光与生物组织相互作用机制，发展新的光 研究光与生物组织相互作用机制，发展新的光 相互作用机制 学方法用于疾病的治疗。为疾病的早期诊断、 学方法用于疾病的治疗。为疾病的早期诊断、 治疗、及疗效评价提供新的方法。 治疗、及疗效评价提供新的方法。
3
生物医学光子学概况
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》
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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》
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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
生物医学光子学
叶绿素a、b （高等植物）
叶绿素c、d （藻类）
类胡萝卜素 强光下逸散能量
辅助色素
（高等植物）
（吸收传递光能） 藻胆素
（藻类）
叶绿素吸收光谱
光合色素吸收光谱
5. 光照因素对光合作用的影响
光强对光合作用的影响 表观光合速率为零，称为光补偿点 开始达到光合速率最大值时，称为光饱和点 光抑制--当光合机构接受的光能超过它所能利用的
据上述实验结果，希尔(1960)等人提出双光系统 的概念，把吸收长波光的系统称为光系统Ⅰ(PSⅠ)， 吸收短波长光的系统称为光系统Ⅱ(PSⅡ)。
20世纪60年代以后，已能直接分离出PSⅠ和PSⅡ 的色素蛋白复合体颗粒。
爱默生增益效应
4.光合色素
在光合作用的反应中吸收光能的色素称为光合色素。
叶绿素 （光合作用）
折射：入射光的频率接近电子的本征振动频率时， 深入物体内部，引起电子微小振动，传能量给核， 核再使光波以原来频率透出物体。由于速度不同， 在界面处形成一个折点。雨后彩虹。
二. 光合作用
1.光合作用表达式
6CO2+6H2O 绿色植物 C6H12O6＋6O2
(1)
叶绿体
CO2+H2O
(CH2O)＋O2
2.光反应和暗反应
增大光强对光合作用的影响 闪光照射，光合效率是连续光的200%-400%
需光的光反应不需光的暗反应(碳同化反应),不绝对
3. 两个光系统
20世纪40年代，研究不同光质的量子产额时，发 现大于680nm的远红光虽然仍被吸收，但量子产额急剧 下降，称为红降现象。
1957年，爱默生观察到远红光照射时补加稍短波 长的光(如650nm的光)，则量子产额大增，比这两种波 长的光单独照射的总和还要高。这种现象被称为双光 增益效应，或爱默生增益效应。
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
生物医学光学培训课件
成为重要的基础问题，而这两方面是与组 织体的光学特性直接相关的。
生物医学光学
7
生物医学光学在医学中的作用： 当今，医学正处在一个重大的变革时期。医学的重
点正由传统的基于症状治疗模式向以信息为依据 的治疗模式转变。人们已经认识到，症状仅仅是 疾病的被滞后的很粗糙的人体异常反应。当今一 些重大医学课题的研究，一开始就把着眼点放在 探索导致疾病的生物信息规律上，以控制生物逻 辑信息处于健康状态，进而达到治疗疾病的目的。 为此，人们从各个学科（磁学、声学、化学、光 学等）探索医学诊断和治疗的新方法。目前，人 们认为光子学有希望在当今医学的大变革中扮演 重要角色。认识光在生物组织中的传播规律，以 及激光为代表的高性能光源和高灵敏度光学探测 器的研制成功分别是这种认知的理论依据和物质 基础。
生物医学光学
10
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：
(1) 医学上对人体疾病的光学诊断问题。人体在不同的生理状 态下，其组织光学特性参数也不相同。光子学检测和诊断与传 统医学的方法相比较有许多优点，尤其是 600nm 至 1300nm“光 学窗”波长范围内的无损检测和诊断技术蓬勃发展，如组织血 氧和脑血氧的检测、血氧和葡萄糖含量的监测。在取像技术方 面近年发展起来的 OCT 技术也受到人们的高度重视，但由于生 物组织的多样性和复杂性，光子学检测和诊断技术在理论上尤 其是如何为医学临床提供可靠的生理参数指标尚有许多问题需 要加强研究。 （2）光治疗中各种参量的选择。在许多临床光治疗的具体应用 中,如激光手术、激光针灸、激光理疗和光子动力学治疗 （Photodynamic Therapy,简写为 PDT）肿瘤,需要预先确定光剂量, 即合理选定照射光源的几何形状、光束功率、照射时间、焦点 深度以及周围组织的光学性质和形状等以及组织内部各部分光 能流率的分布。
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。
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。
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。
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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
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 13
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。
• 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。
• 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。
29
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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本章内容
11.1.1生光物波光的子学特的性形成与发展
1.2 本课程的内容及结构安排
1.2 光波在介质界面上的反射和折射 1.3 光波在金属表面上的反射和折射
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本章内容
主要内容：
• 关于生物光子学的基本概念
– 光子学、生物光子学、生物医学光子学和生物医学光学
• 光子学与生命科学 • 学科的发展
– 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
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1.1 生物光子学的形成与发展
• Tuan Vo-Dinh，Biomedical Photonics Handbook，CRC Press LLC，2003
• 其他相关教材和文献资料
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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。
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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。
17
1.1 生物光子学的形成与发展
– 生物医学光子学的应用范围包括临床诊断、治疗以及疾病的预防 等。
(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：
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、华南师范大学和深圳大学等单位分别成 立了相关的科研机构并在多个研究方向取得了一定的研究成果。
会议： 1) International Conference on Photonics and Imaging in
Biology and Medicine（PIBM）（武汉） 2) 光学方法高级研讨会（深圳）
• 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
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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（深圳大学光电工程学院生物光子学 实验室）。
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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。
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：
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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。
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，北京：科 学出版社，2007
• 张镇西，生物医学光子学新技术及应用，北京：科学出 版社，2008
在美国哈佛大学、MIT和加利福尼亚大学等的生物医学工程专业中，
生物医学光子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。
• 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。
– 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。
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。
– 事实上，我们现在的有关分子如何结合在一起；DNA结构如何促 使细胞生长；在分子水平上疾病如何发展等是以量子理论为重要 基础的。
• 利用光对组织的激发，测量组织的其他光学特性； • 样品对入射光吸收的测量－吸收光谱技术（紫外、可见及红外光吸收
• 生物医学光子学可定义为研究所有波长范围的电磁辐射在 医学中的应用的科学与技术。
• 生物医学光学则定义为研究可见光在医学领域中的应用的 科学与技术。
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1.1 生物光子学的形成与发展
生物光子学：融合了光子学和生物学，是光子学的延伸， 讨论光与生物物质的相互作用。
光子学
生物光子学 生物医学
光子学技术应用于生物医学 生物成像/生物传感 光学诊断 基于光的治疗 组织工程学 细胞的光操作
– 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。
• 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。
• 生物（医学）光子学：利用光子学设备和技术解决科研 人员、设备研发者、临床医生等在医学、生物以及生物 技术领域所遇到的问题。
• 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
技术）； • 检测样品反射或损耗的入射光－弹性散射技术； • 样品发射或散射波长不同于入射光－荧光技术、磷光技术、拉曼散射