生物光子学光子学与光谱学基础(ppt)
《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。
生物医学光子学
生物医学光子学运用光子学原理和技术，为医学、生物学和生物技术领域中的问题提供解决方案即构成生物医学光子学的研究内容。
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。
目前，生物医学光子学主要包含以下研究内容：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。
这里我主要介绍的是生物医学光子学在医学上的应用。
1.生物医学光子学的发展与战略地位生物医学光子学的内涵生物学或生命科学是光子学的一个重要应用领域。
生物学研究与医学研究、诊断和治疗涉及到的光学及其相关的应用技术，包括其中最基础性的光物理问题，均可列为生物医学光子学的研究对象。
一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。
当今世界中，与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了新方法，为生物学研究提供了新的手段，还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。
越来越多的事实说明人们对采用生物医学光子学技术解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症所起的作用寄予很大希望，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产2.生物医学光子学有关医学的的主要内容（1）生物物组织中的传输理论;当前组织光学统一的理论架构体系尚未建立，生物组织的光学理论远未成熟。
需要有更精细和准确的理论来替代现有过于简化的模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。
2013年西安交通大学《生物医学光子学》课件合集
Xi’an Jiaotong University
《生物医学光子学新技术及应用》简介
生物医学光子学——光子学不生命科学相互交叉、相互 促迚而产生的新的学科分支。 生物、物理、医学、光子学、材料学等多学科相互交叉、 融合、渗透的一个学科。 本书从生物医学光子学的新技术方法入手，对所涉及到 的生物医学光子学中的一些交叉科学问题迚行分析，重 点介绍了生物医学光子学的应用，概要的总结了目前的 一些研究热点问题，及解决的思路和方法。
学习内容
Xi’an Jiaotong University
本课从光和生物组织体相互作用的基本现象入手， 系统、深入地介绍了所涉及的基本概念、基本原理 和方法，通过介绍生物医学光子学中重要的应用实 例，如光学标测人无创伤成分检测和功能成像等， 给读者提供了一个关亍本学科知识和技术的简明的 主线。通过本课程的学习，学生能对组织光学的基 本概念、基本原理和典型系统有较为深刻的认识， 为设计生物医学光子学检测仪器和从事光学研究打 下坚实的基础。
Xi’an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University
“生物医学光子学”课程教学大纲
英文名称：Biomedical Photonics 教学基本要求 1．掌握生物医学光子学所涉及的基本概念、定律。 2．掌握生物医学光子学所涉及的应用、方法。
生物医学光子学的诞生
Xi’an Jiaotong University
生物医学光子学是交叉学科的集合
“生物医学光子学”是交叉亍光学、光电子学、生物学、 医学、电子学等诸多领域的新学科，其应用涉及到从生物 学研究、医学疾病诊断、治疗到预防的宽广的应用范围。 随着人类对健康的日益重视，生物医学光子学研究已经到 了如火如荼的阶段。 本课程为生物医学工程与业的主干课程。在课程知识体系 上，我们缩减了应用性丌强的知识点，贯彻研究型教育理 念，以培养创新型人才为目标，注意培养学生的实际解决 问题能力和科研方向洞察能力。
生物光子学第4章概要
准单色和 单色光源
发光二极管(LED) 气体激光器
激光器(LASER) 液体激光器
原子激光器（He-Ne）
分子激光器（CO2） 离子激光器（Ar+）
准分子激光器
固体激光器（红宝石激光器、钛宝 石激光器、Nd：YAG Laser）
半导体激光器（LD）
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4.1 光源
4.1.2 生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器 1、分光光度计中的光源
分光光度测量 获得的是物质 在不同波长下 的吸光度，要 求光源能提供 波长稳定而强 度足够的光。
6
4.1 光源
2、临床诊断中的光源
利用光信息检测有望实现疾病的早期发现。
考虑到组织体对光的吸收，光学诊断中应用的光波长大多位于诊断 和治疗的光学窗口，即600~900nm波段，也有一部分位于近红外光 的更远部分（如血糖检测中考虑糖的吸收，要求波长>1000nm）。
• 噪声特性：主要来源于暗电流、背景光电流以及负载电阻的热 噪声；如果信号变化缓慢，还要考虑1/f噪声。
24
4.2 光电探测器
（2）光电导探测器（光敏电阻）
• 光电导探测器的工作原理是基于光电导效应。 • 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。
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4.2 光电探测器
红外区灵敏的光 敏电阻的光谱特 性曲线
PbS探测器波长响应范围在1~3.4微米，峰值响应波长为2微米，内阻
大约为1兆欧，响应时间约200微秒，室温工作，广泛应用手遥感技术
和武器红外制导技术。
lnSb探测器光谱响应范围3~5微米，内阻低(大约50Ω)，响应时间短
理解医疗仪器的生物光子学原理
成像技术原理及分类
超声成像技术
光学成像技术
利用光学原理，通过接收生物体 发出的可见光、红外光等光学信 号，经过处理转换成图像。如内 窥镜、光学显微镜等。
利用超声波在生物体内的反射和 传播特性，将超声波信号转换为 图像。如B超、彩超等。
成像技术概述
医疗仪器中的成像技术是将生物 体内部的结构、功能或代谢情况 以图像形式展现出来的技术。
01
光学显微镜
利用光学原理，对生物样本进行 放大成像的仪器，广泛应用于生 物医学研究中。
02
03
激光医疗设备
利用激光技术进行治疗的医疗设 备，如激光治疗仪、激光手术刀 等，具有精度高、创伤小等特点 。
04
02
生物组织光学特性
组织结构对光传播影响
组织微观结构
细胞、细胞器、细胞间质等微观 结构对光的传播产生影响，如细
新型医疗仪器创新设计思路
微型化与便携化
开发微型化、便携化的医疗仪器，方便患者随时随地进行自我监测 与治疗。
多模态融合
整合多种成像模态，如光学、超声、MRI等，提高诊断准确性与治 疗效率。
智能化与自动化
引入人工智能、机器学习等技术，实现医疗仪器的智能化、自动化操 作，降低使用门槛。
面临挑战及解决策略探讨
监测与评估
运用生物光子学原理，开发出的医疗仪器可 用于实时监测生理参数、评估治疗效果等。
相关仪器与设备简介
内窥镜
一种可插入人体内部的光学仪器 ，用于直接观察体内器官和组织 的情况，常用于诊断和治疗消化 道、呼吸道等疾病。
光学成像系统
包括光学相机、光谱仪等，用于 获取生物组织的图像和光谱信息 ，为医学诊断和研究提供支持。
9.医学光子学基础-生物组织中光子传输理论
2005-12-28
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假设
不具时间依赖性 几何体为有限厚度的无限大平面 层状组织的光学特性参数相同 准直光或漫射光均匀照射至表面
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Adding-Doubling法基本原理
假设一均匀薄层的反射率与透过率已知 推算出两倍厚度层的反射率与透过率 最终得到光照在任意厚度的层状体上的反射 与透射
Move Photon
均匀组织中光子传输与分布
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43
Template – MC Program Used in Biomedical Application
/software/mc/ -- S.L Jacques & L-H Wang
2005-12-28
+ ∫ˆ
ˆ Ω⋅n > 0
(
(
)
)
2005-12-28
7
辐射传输理论模型
确定性模型
根据实际情况忽略输运方程中的某些次要项而 得到的简化了的确定性微分或微积分方程，然 后再求解
随机模型
把光束看作离散光子的集合，通过模拟单个光 子与组织的相互作用，利用迭加原理获得整个 光束与组织的相互作用结果
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不足
难以对内部通量进行计算，而且计算速度很 慢； 适合于均匀辐射的层状几何体 各层必须要有着相同的光学参数
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Adding-Doubling方法的优点
对组织参数没有限制 能考虑不匹配的边界情况 能获取辐射传输理论的精确解 反射率与透射率的计算速度快
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r 漫透射 I d (r )
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生物医学光子学ppt课件
诊断治疗一体化将诊断和治疗两个过程合二为一，在得到 诊断结果的同时，立即基于诊断结果进行对症治疗。它将 诊断用造影剂和治疗用试剂结合为一体，得到可同时应用 于医学成像诊断和治疗的多功能试剂，即诊断治疗一体化 试剂
.
（2）直接杀死肿瘤细胞：加热会使肿瘤细胞细胞膜上磷 脂的状态发生改变，从而引起细胞膜的流动性和通透性发 生改变，导致膜蛋白发生功能的丧失，甚至导致蛋白质变 性。此外，加热还会改变细胞骨架，从而改变细胞的形态， 进一步改变细胞的代谢及功能。
（3）诱导细胞凋亡：很多研究表明，加热会引起细胞内 凋亡促进基因（包括野生型 p53 等）和凋亡抑制基因 （bcl-2，突变型p53 等）的表达改变，从而引发细胞发 生凋亡。
.
光热治疗
光热治疗（PTT）通常是通过激光照射给肿瘤组织加热，一般 照射时间为几分钟到几十分钟，使肿瘤组织温度升高。在这样 的温度下，由于肿瘤细胞对热的耐受性较低，肿瘤细胞被选择 性地破坏。光热治疗产生的热量，往往使肿瘤细胞发生不可逆 的损伤，主要表现为线粒体膨胀、蛋白质失活、双折射性的丢 失、水肿和组织坏死、细胞膜松散及膜蛋白的变性等。
光热治疗使用的激光波长多为700~1000 nm，电磁波的这一 波长区域被认为是人体组织的光学窗口。也就是说，波长为 700~1000 nm 光对人体组织的穿透性最好，实验证明此区域 内的光可以穿透约1 cm 厚度的组织而不对其产生明显的破坏 作用。因此，使用近红外激光可以实现穿透皮肤和组织，在不 破坏正常细胞的情况下，实现对于深层肿瘤组织的有效热杀伤。
光子学基础
光 纤 通 信
光纤通信使互联网 从初期的军用研究 普及到全社会和千 家万户
通信容量
Gb/s 1000
光纤通信带宽发掘史
波分复用技术!
WDM 点 对点
WDM 点 对点
WDMBandwidth Mining ! WDM全光网？
100
(Multi- Wavelength P to P)
10
1.0
单波长点对点 (Single Wavelength P to P)
1. 光子的特性
（3）光子具有极强的互联能力与并行能力 电子之间有相互作用，它们之间无法交联， 成为限制电子信息处理速率与容量的一个 主要因素。另外，在电子技术中，电子信 息也只能串行提取、传输和处理，这是另 一个限制电子信息处理速率和容量的主要 因素。 光子不带电，具有良好的空间相容性。
1. 光子的特性
2. 光子学的提出
1970年在第九届国际高速摄影会议上，荷兰科学家 Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他 认为，光子学是“研究以光子为信息载体的科学。 1973年 法国举办了一次国际光子学会议，出版了« 光子学»一书，汇集了半导体激光、材料的非线性 效应等会议论文。 1978年第13届国际高速摄影会议更名为国际高速摄 影和光子学会议。
激光医疗
激光和光纤
（传像光纤和传能量光纤）
可 能帮助找寻到攻 克 危害人类的 心赃病,癌症 等 疾病的方法 激光 诊断, 手术和治 疗： 激光层析造影 激光荧光 诊断 光动力学治疗(PDT)技术 激光 心赃 打孔 激光光纤内窥镜手术
...
量子信息科学
量子力学曾经间接地导致晶体管，激光等的发 明, 但是它并未作为一种“资源”而直接应用. 量子信息学是量子力学“资源” 的直接应用, 是量子力学与信息科学相融合的交叉学科。
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
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
第5章拉曼光谱分析法ppt课件
拉曼散射光谱的基本概念
图6-33 散射效应示意图 （a）瑞利和拉曼散射的能级图 （b）散射谱线
拉曼散射光谱的基本概念
处于基态的分子与光子发生非弹性碰撞，获得能量跃迁 到激发态可得到斯托克斯线，反之，如果分子处于激发态， 与光子发生非弹性碰撞就会释放能量而回到基态，得到反斯 托斯线。
拉曼位移：斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之 差称为拉曼位移。拉曼位移的大小和分子的跃迁能级差一样。 因此，对应于同一分子能级，斯托克斯线与反斯托克斯线的 拉曼位移应该相等，而且跃迁的几率也应相等。在正常情况 下，由于分子大多数是处于基态，测量到的斯托克斯线强度 比反斯托克斯线强得多，所以在一般拉曼光谱分析中，都采 用斯托克斯线研究拉曼位移。
1—反射镜 2—多通道池 3—锲型镜 4—液体
拉曼光谱在材料研究中的应用
激光拉曼散射光谱法
拉曼光谱的选择定则与高分子构象
由于拉曼与红外光谱具有互补性，因而二者结 合使用能够得到更丰富的信息。这种互补的特点， 是由它们的选择定则决定的。凡具有对称中心的分 子，它们的红外吸收光谱与拉曼散射光谱没有频率 相同的谱带，这就是所谓的“互相排斥定则”。例 如聚乙烯具有对称中心，所以它的红外光谱与拉曼 光谱没有一条谱带的频率是一样的。
而碳链的振动用拉曼光谱表征更为方便 对于链状聚合物来说，碳链上的取代基用 红外光谱较易检测出来
激光拉曼散射光谱法
激光拉曼光谱与红外光谱比较
红外与拉曼光谱在研究聚合物时的区别可以聚乙烯为例加以说明（图 6-34）。
聚乙烯分子中具有对称中心，红外与拉曼光谱呈现完全不同的振动模 式。在红外光谱中，CH2振动为最显著的谱带。而拉曼光谱中，C-C振动有 明显的吸收。
生物大分子的拉曼光谱研究
光学与光子学概述
ddn 2tddn 2t1spA21n2
于是有：
n2n2 0expA2(t1)n2 0expts()
s
1 A 21
为
自发辐射寿命。
第二十九页，共38页。
(c) 受激辐射
处于高能级态的原子在 一定条件下的辐射场作 用下，跃迁到低能级态， 并同时辐射出一个与入 射光子完全一样的光子。
受激辐射的概率：
W21
五、光的偏振
▪ ⒈ 五种偏振态
▪ ①自然光：
▪
透过理想偏振片后，光强变为原来的一半。
▪ ② 线偏振光：
▪ ③ 部分偏振光：
▪ ④ 圆偏振光：
▪ ⑤椭圆偏振光：
第十一页，共38页。
六、光的吸收、散射和色散
❖ 1.光的吸收：
❖
❖ 2.光的散射：
——朗伯定律。
❖ ❖ ❖
❖ 3.光的色散：
——瑞利定律 （ 天空、太阳、白云）
m0.82 N 7A 3/4
(9)
式中，m为瑞利散射系数（cm-l）；N为单位体积中的分 子数（cm-1）；A为分子的散射截面（cm2）；为光波长 （cm）。
第二十页，共38页。
由于分子散射波长的四次方成反比。波
长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光
散射强烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因
在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克斯 韦方程并经一系列数学运算可以得到场量所满 足的微分方程 ：
E 0 2 tE 2 2 tP 2 J t (1)
这就是光辐射普遍形式的波动方程。
方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响， 起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引 起。
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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。
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的长度；
11
2.5 分子能级结构与光谱
线性吸收过程
线性吸收由Beer-Lambert定律定义，即一束初始强度为I0频 率为v的入射光按指数衰减，即初始强度I为：
12
2.5 分子能级结构与光谱
另外一些描述吸收衰减的参量：
– 若光疏介质是溶液，由于波动效应，有一部分光的能量会穿 过界面渗透到溶液中，是一种非均匀波，叫做消逝波，也称 隐失波或倏逝波。其在第二介质中的有效进入深度约为一个 波长。——全内反射荧光显微术
4
内容回顾
• 光的本质——波粒二象性；
– 光是一种能在真空和介质中以波动形式传播的，由振动的电波 和磁波组成的电磁波，同时也是一种叫做光子的能量包；
发射，从高能态 到低能态的跃迁
红外吸收 吸收一个红外或远红 外光子从而从一个低 能态跃迁到高能态
拉曼散射 散射一个可见光频 域的光子从而导致 振动能态的改变
荧光 自旋守恒
磷光 自旋不守恒
光谱仪：棱镜、光 栅、FT-IR光谱仪
9
本章内容
2.1 光在界面上的反射和折射 2.2 光的本质－波粒二象性 2.3 光子的吸收、发射和散射 2.4 光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学
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2.5 分子能级结构与光谱
乙醚中叶绿素a的吸收光谱
如图，在650nm处 的吸收与叶绿素的 绿色对应。因为， 红光的吸收产生绿 色的透射或散射光 （补色）。
16
2.5 分子能级结构与光谱
HPPH（光动力疗法中的一种药物）的吸收光谱
17
2.5 分子能级结构与光谱
4、电子能级发射光谱
– 研究从一个受激电子能态向一个较低电子能态（一般是基态）跃 迁而产生的光发射；
14
2.5 分子能级结构与光谱
• 电子能级吸收光谱
– 吸收光谱能够识别发色团； – 吸收频率可能与发色团的环境有关；
– 如果已知发色团在频率v处的摩尔消光系数(v)，则可以得到此发
色团的浓度； – 生物介质中可能含有多种已知摩尔消光系数的吸收性发色团，通
过测量在一系列频率上的吸收率A，可以得到各种不同发色团的 浓度。
Fluorescence
Vibrational Relaxation
单重态：S0，S1，S2 三重态：T1 IC：内转化 ISC：系间窜跃 荧光 磷光
8
内容回顾
生物光子学中用到的各种光谱
电子在两个能级间 的跃迁与振动耦合
光谱
分子振动
同时包含电子能级和振动 能级改变的电子振动跃迁
吸收，从低能态 向受激态的跃迁
吸收率：
透射率： 光学密度：
T和OD考虑了光通过介质时由于吸收和散射而造成的总的强度 损失；如果吸收占主导地位，则OD=A。
13
2.5 分子能级结构与光谱
• 电子能级吸收光谱
– 典型的吸收光谱表示为T相对于v或的曲线，或A相对
于v的曲线; – v定义为吸收谱带最大吸收值一半处的宽带。
吸收光谱的两种表示
量子化能量
7
内容回顾
• 分子的能级结构：电子和振动能级（量子化）在生物光子学中有重要的作用
• 激发态的跃迁过程：有机分子的各种辐射和非辐射过程常用Jablonski能级图 描述；
S2
S1
T1
S0
IC
E
Absorption
IC
ISC
Vibrational
Relaxation
ISC
Phosphorescence
– 光源：在单光子激发荧光中常用方便而强大的光源是 激光器，并使用一个宽带滤波器只让高于发射光谱频 率的光通过；
10
2.5 分子能级结构与光谱
3、电子能级吸收光谱
– 电子能级吸收用于对样品的定量分析，如紫外-可见光谱仪——测 量电子能级的线性吸收；
– 线性吸收由Beer-Lambert定律定义，即一束初始强度为I0频率为 v的入射光按指数衰减，即输出强度I为：
– 系数(v)和k(v)的单位为Lmol-1cm-1；(v)比k(v)更常用，称为频率
– 室温下生物分子即有荧光现象；从一个三重受激态到单重态的磷 光则在室温下很少观察到；
– 单光子吸收产生了红移的荧光谱带；这种在吸收谱带的峰值与发 射谱带的峰值之间的偏移称为Stokes红移，吸收和发射光子之间 的能量差对应于非辐射过程的能量损失；
– Stokes红移可能由环境效应造成，也可能是由于发射光子的受激 态的结合结构的改变造成的。
生物光子学光子学 与光谱学基础(ppt)
优选生物光子学光子学与光谱 学基础
第2章 光子学与光谱学基础
内容回顾
• 光在界面上的反射和折射：分别遵从反射定律和Snell 定律；
– 当光从光密（折射率大）介质入射到光疏（折射率小）介质 的界面时，发生光的部分反射和折射现象；当入射角大于临 界角时，光线会停止进入光疏介质，而全部反射回光密介质 ，即发生全反射。——光纤
相近的斑点时，光弯折和扩散等衍射现象就会发生。 相长干涉产生亮纹，相消干涉产生暗纹。
6
内容回顾
• 物质的“波粒二象性” 物质
粒子行为
动能
E 1 mv2 2
动量 p = mv
由经典牛顿力学描述的
平动能量
似波行为
波长 h （de Broglie波） mv
h的
光与分子的相互作用过程：吸收、自发辐射、受激辐射、拉曼散射； 光子的吸收和发射过程用爱因斯坦（Einstein）模型描述。
光波的干涉和衍射
光的相干性：时间相干性、空间相干性 产生干涉条件：只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向
一致的相干光源，才能产生光的干涉。 当光遇到尖锐的障碍物、通过小孔和狭缝，或聚焦于尺寸与光波长
– 凡是与光的传播有关的各种现象，如衍射、干涉和偏振，必须 用波动说来解释，凡是与光和物质相互作用有关的各种现象， 如物质的光吸收与发射、光电效应和光散射（康普顿效应）， 都必须用光子说来解释；
– 波动性参量（波长、频率、相位、速度） – 粒子性参量（能量、动量）
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内容回顾
光子的吸收、发射和散射；
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2.5 分子能级结构与光谱
荧光素的吸收和发射光谱
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2.5 分子能级结构与光谱
• 荧光成像是生物光子学中主要的光学生物成像技 术。
• 荧光光谱学包括如下特性的研究：
– 荧光光谱技术 – 荧光激发光谱 – 荧光寿命 – 荧光量子产额 – 荧光偏振
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2.5 分子能级结构与光谱
• 荧光光谱技术（发射光谱）