诺贝尔奖与光学.

激光的生物效应
•热相互作用 生物分子吸收光子后，将光能转化 为生物分子的平动动能、振动能和转动 能，并可能将所获能量通过多次碰撞转 移给邻近分子，使得生物细胞、组织发源自文库生变化：凝结、汽化、碳化、熔融
激光的生物效应-热相互作用
•释放生物反应，无明显热度 •局部组织发热,不损害其生命活力 •损伤酶的作用、脱水与组织萎缩 •超过一定温度以后出现不可逆的蛋白质 凝结 •形成痂和薄薄的碳化层及碳化 •组织的汽化、烤焦
激光生物学研究方向
• 激光微束技术、激光共焦扫描显微技 术、光镊技术及在生物学中的应用研究 •生物光子学及在生物学和诊断医学中的 应用 •激光生物医学的应用基础研究 •生物分子激光拉曼光谱学研究 •激光辐照生物学效应和辐照生理学效应 以及机理研究
激光生物学研究方向
• 细胞融合、外源基因转移、动物胚胎切 割以及细胞核移植技术的研究。 •单分子探测、操纵在生命科学中的应用； •染色体的光学切割与回收； •细胞间的相互作用与细胞重力生物学； •生物大分子的探测……
光谱与分子结构有关，人体组织发生分子水 平的改变，就能观察到光学性质的改变。通 过光谱探测技术，可获取生物体成分、含量 以及动态变化，从而实现对疾病的诊断。 优点：光辐射的非电离性，可以进行多次测 量；不同软组织反差较大；不仅能获得组织 结构信息，且能获得生物组织的功能信息
医学光谱技术分类
•生物组织的自体荧光光谱 •生物组织的药物荧光光谱 •生物组织的喇曼光谱 •生物组织的超快时间分辨光谱
诺贝尔奖与光学 —激光及其应用
光在生物、医学中 的应用
光——几百年来用于诊断及治疗 现代光学——光纤用于内窥镜 激光——用于医学研究和治疗 （特点：高强度、短脉冲、高单色性）
生物组织中的光子迁移
激光生物学
激光和生命科学结合的新兴交叉学科 主要研究对象： •激光与生物体的分子、细胞、组织、 器官、个体和群体各层次的相互作用现 象及其机制 •揭示与生命活动过程有关的物理过程、 演化规律及外界条件的诱导作用
激光镊子
Laser beam
Micropipette Target cell
Trapped cell
系统包括： 激光器、显 微镜、样品 室、TV监控 器等
Laser beam
三维激光镊子：黏附在微吸管上的细胞向激光俘 获的细胞移动。测量活体细胞间膜的黏接等
激光在眼科中的应用
激光眼科治疗仪 激光视网膜凝结术——治疗视网膜剥离 青光眼,白内障的治疗 近视眼的矫正 所用的激光器：准分子激光、氩离子激光、 Nd:YAG激光等
激光在现代生化分析中的应用 与光学、生物学有关的诺贝尔奖获得者
人物及获奖时间 获奖原因 "for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules" "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules”
激光的生物效应-热相互作用
激光的生物效应
•光学解理（光致破裂）——聚焦短脉冲 高峰功率激光，产生等离子体，作用于内 部组织，外部无损 如超声碎石——脉冲染料激光通过光纤， 作用于胆、肾和膀胱结石，形成声波碎石 •低功率激光生物刺激作用——吸收治痛, 及使伤口康复
光波长及相应在医疗领域的应用
医学光谱技术
激光共焦显微镜
Object Microscopic objective
Detector Filter x y 3D moving table From laser z Pinhole
激光镊子
光除了具有能量外, 同样具有动量 E=hn 光子能量 p=E/c= hn /c=h/l 光子动量 F== D p / Dt 光俘获法：利用光的力学作用，对微米以 下的微小物体，用激光束夹住并使其移动 的技术（光镊子）
激光镊子
Guassian beam Laser beam
A
Ball moving Guassian dist ribution of beam int ensit y
High int ensit y Low int ensit y
B
因为高斯光束强度分布的原因，当折射的光线获 得向外的冲力时，粒子上的反作用力就使冲力指 向激光束中心，粒子总是被吸引到激光束中心。 如果粒子非常小且具有很小的重力或摩擦力，当 激光束移动时，粒子就会跟着移动。
眼睛的构造
Aqueous humor humor Retina
水状体
视网膜
Macula
斑点
Cornea
角膜
Vitreous humor Sclera Crystalline lens
玻璃质体
巩膜
晶状体
Corneal Ret ina (a) Cryst alline lens Glasses (b)
Optical fiber Laser light source
激光内窥镜系统
激光用于癌症治疗
•利用激光直接对肿瘤进行照射，瘤体裸露 基本体可以从完全制止到加速退化 •激光光动力学疗法PDT-(Photo Dynamic Therapy) 癌细胞对某些光敏物质比正常细胞更容 易吞食，用荧光方法诊断癌变部位，用高强 度激光集中照射癌变部位，杀死癌细胞
田中耕一(日本) Koichi Tanaka 2002年化学奖1/4 在生物高分子大规模光谱测定分 析中发展了软解吸附作用电离方 法
飞 行 时 间 质 谱
田中耕一用激光轰击成团的生物大分子，成功地使生物 大分子相互完整地分离，同时也被电离 奠定了科学家对生物大分子进行进一步分析的基础
准分子激光细胞钻孔手术
激光手术Laser Surgery
不出血的光刀—— 能量集中区域小。 常用CO2激光 (10.6mm) 极易被水（生物体） 吸收。 因为激光照射，热效应导致血管收缩断裂， 血管中血受热凝结，停止出血。
from light source
to monitor
Monitor
Object to observe
光动力学疗法(PDT)示意图
被癌细胞吞食的HpD的作用
激光诊断及治疗——用于癌症治疗
•利用激光的热效应对恶性肿瘤进行 “切割” ——激光诱导间质热疗法 Laser-induced interstitial thermotherapy (LITT)
细胞加热〉60度，蛋 白质变性，组织凝结， 坏死
近视眼
戴眼镜
(c)
1
f

2( n 1)
R
(c) 角膜修整后情况
Ablation laser pulse
Adjustable aperture
激光照射改变角膜曲率 RK-PRK-LASIK-fs LASIK
激光手术Laser Surgery
用于细胞手术的冷激光技术—— 要求对周围体无热、无结构损伤的细胞和 组织的分离手术 用紫外 (ArF，193nm)激光与细胞表面相互 作用，产生光化学效应，无热和冲击波产 生，光能量在细胞表面亚微米深度吸收， 可以精确控制细胞钻孔过程
激光镊子 Laser Tweezers
Laser beam Force on the ball
(a)
Scattering Force on the ball Incident beam
(b)
Recoil force Dielectric ball
Deflected beam
使小球运动的光力作用 (a) 吸收和瑞利散射 （波长不变） (b)对入射光束的偏转
激光在医学中的应用
•激光治疗: 以激光作为能量载体。是 激光在医学应用中最成熟的领域，广 泛应用于皮肤科、外科、妇科、眼科、 口腔科、耳鼻喉科、内科、儿科、肿 瘤等临床各科300多种疾病 激光技术已成为临床治疗的有效手 段, 也成为发展医学诊断的关键技术
激光的生物效应
•光（化）反应——光化作用是指在光的 作用下进行的化学反应 激光被光敏染料吸收，分子激发 ——发出荧光，用于诊断； ——转变为其它能量形成化学作用， 可用于癌症治疗
Glass micropipettes
Suction ArF laser Microscope Air pressure
准分子激光细胞钻孔手术
Cell Glass Pipet t e
Irradiat e laser beam
Light Guiding pipet t e Hole punched T o pump
激光生物学研究方向
•研究激光在生物组织中传输规律，发展 医学光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；研究光与生物组 织相互作用机制，发展新的光学方法用 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
激光在医学上的应用
•基础医学研究：通过激光与人体器 官组织、细胞和生物分子的相互作 用研究激光生物效应 •激光诊断：以激光作为信息载体， 利用激光单色性特点，对组织病理 形态、功能等找出某些致病因素