生物光子学复习提纲

第一章
1.试列举激光在生命科学研究或临床诊断及治疗中的应用？举2-3例。

答：激光美容激光治疗近视激光除皱。

2.生物光子学的定义？生物医学光子学与生物医学光学的定义及区别？
答：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。

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。

而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。

3.生物医学光子学发展的物理基础应归功于量子理论的建立，并得益于20世纪一系列
技术革命成果，其中最为重要的是激光技术、微电子技术和纳米技术的发展及应用。

第二章(1)
1.光入射到两种折射率不同的介质的分界面将发生反射和折射，反射和折射分别服从
什么定律？
答：反射定律和斯涅耳定律。

2.什么是临界角？入射角等于临界角时会发生什么现象？这种现象有哪些应用？
答：光线从光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角；当入射角为某一数值时，折射角等于90°，此入射角称临界角。

入射角等于临界角时会发生全反射现象。

应用有光导纤维，光纤通信。

3.光在光纤中的传播遵循什么定律？光纤在生物光子学和生物医学上的应用有哪些，
试举例说明。

答：遵循全反射定律。

应用有光导纤维制成的内窥镜和光导纤维连接的激光手术刀。

4.关于光的本质的描述：
a)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。

b)凡是与光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，如物质对光的吸收与发射、光电
效应和光散射（康普顿效应），都必须用光子说来解释。

c)光在真空中和介质中的速度不同，二者的比值是介质的折射率。

5.光与分子的相互作用有哪几种？吸收，自发辐射，受激辐射，拉曼散射。

6.描述分子对光子的吸收和发射用爱因斯坦模型。

7.光在真空中的速度为3乘以十的8次方m/s(近似)，而光在某均匀介质中的速度为
2.26x108m/s，则介质的折射率为0.75 。

8.可见光波长范围是：400 -700 nm。

9.光的波粒二象性可以通过爱因斯坦光量子理论的两个基本方程把粒子和波紧密地联
系在一起，这两个方程是E＝hν和p＝(h/λ)。

真空中波长为800nm的光，其光子能量为。

（普朗克常数h=6.63×10-34 J·s）
第二章(2)
1.什么是激光？激光是哪一年、谁发明的？激光的英文缩写laser的全称是什么？
答：激光=受激辐射光放大。

1917年由爱因斯坦最先提出。

1960年,美国人Maiman 在加里福尼亚休斯研究所研制成红宝石激光器,这是世界上第一台激光器。

laser的全称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
2.对激光的发明做出重要贡献的科学家有哪几位？
答：爱因斯坦，Schallow和Townes，Maiman
3.激光产生的条件是什么？激光器是由哪几部分组成的？
答：激光产生的条件是受激辐射，粒子数反转，光学谐振腔，起振条件，稳定震荡条件。

激光器是由激活物质，激励装置和光学谐振腔。

4.激光器的常见分类有哪些？
答：泵浦，激光介质，时间特征。

5.光的相干性包括时间相干性和空间相干性。

激光具有良好的单色性指的是激光的
相干性好。

6.非线性光学效应是物质对于外加电磁场的响应不是外加电磁场振幅的线性函数的光
学现象。

7.有哪些常见的非线性光学效应？试说出3-5个。

答：高次谐波，光学混频，受激拉曼散射，自聚焦，合频产生，差频产生。

第二章(3)
1.物质是由分子和原子构成的，组成原子和分子的电子的能量只能取一些被允许的
值-即能量量子化条件，此特性源于物质的似波特性。

2.分子的能量分为四部分，即电子、振动、转动和平动。

只有电子、振动和转动能级
是量子化的，即具有离散值。

3.电子能级和振动能级在生物光子学中有重要的作用，它们是光谱学、生物医学成像、
生物传感及流式细胞仪的重要组成部分。

4.光谱学研究不同波长下物质对光的吸收和辐射；跃迁强度和波长的关系曲线称为光
谱。

5.生物光子学上常用的光谱技术包括电子能级光谱和振动能级光谱。

6.光谱仪中使用色散元件如棱镜或衍射光栅，把不同频率的光分到不同的空间方向上。

7.常见的电子能级光谱技术有哪些？
答：电子能级吸收光谱，电子能级发射光谱，电子能级反射光谱。

8.常见的振动能级光谱技术有哪两种？
答：拉曼光谱和红外光谱。

9.在拉曼散射中，入射光子和散射光子的能量差为分子的振动基态与激发态能级差。

10.当光通过物质时，除了光的透射和物质对光的吸收外，还可以观测到物质对光的散
射现象。

当光子与物质中的原子或分子发生弹性散射时，产生瑞利散射或廷德耳散射现象；当光子与物质中的分子发生非弹性散射时，产生拉曼散射现象。

11.当光子与物质中的原子或分子发生( )散射时，产生瑞利散射或廷德耳散射现象；
当光子与物质中的分子发生( )散射时，产生拉曼散射现象。

本题空格中应填上的两个词是A。

A 弹性非弹性
B 非弹性弹性
C 弹性弹性
D 非弹性非弹性
第三章
1.细胞的功能是什么？
答：细胞是一切生命活动的基本结构和功能单位。

由膜包围的原生质团，通过质膜与周围环境进行物质和信息交流；是构成有机体的基本单位，具有自我复制的
能力，是有机体生长发育的基础；是代谢与功能的基本单位，具有完整的代谢
和调节体系，不同的细胞执行不同的功能；是遗传的基本单位，具有发育的全
能性。

2.细胞膜的功能是什么？
答：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输，包括代谢
底物的输入与代谢产物的排出；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨
膜传递；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与
细胞、细胞于基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。

3.什么是组织，人体的四大组织是什么？
4.答：组织是多个细胞的集合。

结缔组织、上皮组织、肌肉组织、神经组织。

5.人体的八大系统有哪些？
答：运动系统、血液循环系统、呼吸系统、消化系统、泌尿系统、生殖系统、内分泌系统和神经系统。

6.细胞中有机物达几千种之多，它们主要由碳、氢、氧和氮等元素组成。

有机物中主
要由四大类分子所组成，即蛋白质、核酸、脂类和糖，这些分子约占细胞干重的90%以上。

7.组织是多个细胞的集合。

人体内有超过200种可区别的已分化的细胞，只能执行特
定的功能，它们紧密联系在一起，形成了各种各样的组织。

8.动物模型按产生原因分类，可分为自发性动物模型和诱发性性动物模型(或实验性动
物模型)。

9.动物模型按产生原因分类，可分为：A。

A.自发性动物模型、诱发性动物模型;
B. 整体动物、离体器官和组织、细胞株以至数模型;
C. 疾病的基本病理过程动物模型、各系统疾病动物模型;
D. 诱发性动物模型、实验性动物模型。

第四章(1)
1.显微镜的目的是什么？其主要部件有什么？
答：放大（M）、分辨细节（R）、产生可以用眼或相机观察的对比度（C）。

主要部件有目镜、物镜、光栏和聚光镜、光源、目镜架、聚焦轮、样品台。

2.显微镜的放大倍率等于目镜放大倍率⨯物镜放大倍率。

3.一台显微镜物镜镜体上标有“100⨯/1.4 Oil”字样，试描述字样各部分的含义，如果照
明光波长为500nm，该显微镜分辨率为多少？
4.一台显微镜物镜镜体上标有“20×/1.0 W”字样，“20⨯”表示物镜的放大倍率；“1.0”
表示物镜的数值孔径；“W”表示水浸。

5.显微镜按照其结构可分为倒置显微镜和正立显微镜。

6.用放大倍率为100倍的物镜对红血球（直径Ø~8 µm）成像，相机适配器的放大倍率
为0.5×，所用的CCD相机的面元尺寸为1/3英寸（1/3英寸CCD相机有效区域对角线长度为5.3mm），监视器的对角线长度为61cm，试估算系统总的放大倍率？红细胞在监视器上的大小是多少？(总的放大倍率=光学放大倍率*电子学放大倍率=[物镜*适配器]*(监视器对角线/CCD对角线）
解：
1.按照所成图像的对比度不同，显微镜有哪几种（说出三种的名字）？
答：暗场显微镜、相衬显微镜、荧光显微镜。

2.简述相衬显微镜成像的基本原理。

答：通过一定的光学装置可以把相位变化转变为振幅变化，把不可见的相位像变为可见的振幅像，把介质折射率或厚度的差异变为光强度的差异，这就是相差显微镜所依据的光学原理。

3.显微镜的物镜放大倍数为100，目镜放大倍数20，那么该显微镜的总放大倍数B。

A. 120
B. 2000
C. 80
D. 5
4. 显微镜科勒照明中，与样品位置共轭的是C,与照明光源位置共轭的是A 。

A 孔径光阑
B 环形光阑
C 视场光阑
D 小孔光阑
第四章(2)
1. 什么是荧光？试用Jablonski 能级图解释荧光的产生。

答：某些原子或分子吸收特定波长λ的光，并在短暂 (10‾9-10‾7s)停留后发射波长λ
更长的光 (斯托克斯红移)的特性。

（光子的能量E~1/ λ )；
Jablonski 能级图 2.
激发态电子从较高的电子能态跃迁到自旋相同的较低的电子能态（自旋守恒）时产生的辐射称为荧光；如果两个能态的自旋不同，则发射的为磷光。

3.
荧光有哪些参量？ 答：位置、强度、波长、寿命和偏振。

4. 荧光显微的优点是什么？
答：利用滤光片消除激发光，具有高的成像对比度和信噪比。

无损或损伤小。

适用
于活体细胞和组织。

可测量样品的自体荧光，或者用荧光探针（染料、荧光蛋白、
量子点等）标记活细胞内的特定蛋白，并进行定位。

5. 荧光显微镜中的滤光片的作用是什么？
答：消除激发光。

6. 荧光的特征参量包括位置、强度、波长、寿命和偏振。

7. 荧光显微镜的滤块盒中有三个关键的光学元件，分别是
激发滤光片、发射滤光片和双色镜。

8. 画图并简述荧光显微镜的成像原理。

第四章(3)
1. 什么是荧光探针？荧光探针在荧光显微中的作用是什么？
答：荧光染料等能够实现电子跃迁的分子。

作用是当连接到大分子上时（核酸、蛋
白质）= 荧光团（内源荧光团，如GFP 、芳香族化合物、卟啉、外部合成的染料、
抗体等）
2. 胶原、弹性蛋白、氨基酸等是内源荧光团，荧光染料、量子点等是外源荧光团。

3. 美国科学家下村修、马丁莎菲和钱永健由于在绿色荧光蛋白方面的贡献获得了2008
年度的诺贝尔化学奖。

A A: 光源
B: 激发滤光片
C: 双色镜
D: 物镜
E: 物体
F:发射滤光片
E
4.常用的内源荧光探针有哪些？外源荧光探针有哪些？
答：常用的内源荧光探针有弹性蛋白、氨基酸。

外源荧光探针有荧光染料、量子点。

5.试画图并简述激光扫描共聚焦荧光显微镜（LSCM）的工作原理。

它有哪些优点？
答：基本原理:相干光（激光）通过与样品上扫描光点共轭（共
焦）面上的一个针孔光束被DM反射到样品上，光点在某一
个焦面上沿着样品扫描照明点发出的荧光(同一焦面）通过
DM后被聚焦成一点，成像到探测器前的共焦针孔上焦面外的
光不能到达PMTPMT将聚焦光转换成模拟电信号（电压不同
代表强度不同）通过移动显微镜的样品台，可以对不同的焦面
进行扫描。

优点：有消除焦面外发出的光(减小背景)-改善分辨率，厚样品光学切片序列采集
（3D重建），活体样品成像，多色标记。

6.下面不属于内源性荧光团的是D 。

A. 胶原
B.弹性蛋白
C.氨基酸
D.量子点。

第四章(4)
1.已知某荧光分子的单光子激发谱峰值为λnm，它的双光子激发谱峰值一般为
2λnm。

2.什么是多光子激发荧光显微（MPM）？MPM的优点是什么？
答：是一种荧光成像显微技术，波长合适的多个光子几乎同时达到荧光团分子而被吸收从而发射荧光。

优点：减小光谱串扰，不用共焦针孔实现固有的三维分辨，成像深度深，不采用UV 光学器件对UV染料成像，在焦点外区域的光漂泊和光损伤小。

3.试用Jablonski 能级图解释双光子激发荧光现象。

答：
4.什么是全内反射荧光显微（TIRFM）？TIRFM有什么优点？
答：依靠在离固体基地100nm这个小区域内的电磁波能量以倏逝波的形式激发荧光。

优点：非常低的背景荧光；没有离焦荧光；除了界面处外，对其它地方细胞的照射最小；和共聚焦显微术相比，能观察更窄深度的切片；限制了对细胞的危害；
比共聚焦显微镜便宜。

5.什么是FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)？简述荧光共振能量转移的基
本原理。

答：FRET是荧光共振能量转移成像技术。

基本原理是通过偶极子-偶极子相互作用的方式实现的一种分子之间非辐射能量转移过程。

6.产生荧光共振能量转移的基本条件是，供体分子的发射谱必须与受体分子的吸收谱
发生重叠。

7.FRET可以测量两个分子之间的距离？反映了这两个分子之间是否有相互作用？
8.什么是FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy)？FLIM的优点是什么？
FLIM有什么应用？
答：FLIM是荧光寿命成像显微技术。

优点：荧光寿命对荧光分子局部环境高度敏感。

荧光寿命不受荧光强度、染料浓度
的影响，并且最大程度上与荧光剂的光致漂白无关。

尽管某些荧光团的荧光
谱相似，但在不同的环境下其寿命不同，因此寿命是更加敏感的环境参量。

由于供体能量转移到受体上，因此只需要测量供体的荧光寿命，就可以测量
其能量转移（FRET）。

9.FLIM的中文表述是A。

A.荧光寿命显微成像; B.荧光共振能量转移; C. 荧光漂白后
恢复; D荧光自相干
10.荧光寿命FLIM的两种测量方法是时域测量法和频域测量法。

11.下面不属于利用非线性效应的是C。

A.双光子激发荧光
B.二次谐波
C.激光扫描共聚焦
D.饱和吸收
第五章
1.超分辨显微中所说的SIM的中文全称是A。

A 结构光照明显微B受激辐射耗尽显微
C 单分子定位显微D共聚焦显微
2.结构光照明提高横向空间分辨率的基本理论基础是莫尔效应；其提高分辨率的本领，
取决于照明图案中所含有的空间频率，理论上，线性结构光照明对空间分辨率的提高至不超过传统衍射极限的2倍。

结构光照明结合莫尔效应和非线性效应效应，理论上可以将分辨率无限提高。

3.考虑到三阶非线性效应后的结构光照明，理论上可以将横向空间分辨率提高至衍射
极限的B倍。

A.3
B.4
C.5
D.6
4.利用不同的算法，结构光照明既可用于实现超分辨，也可用于提高分辨率。

5.单分子定位显微实现超分辨的两个关键技术是光控荧光探针和单分子定位。

简述单
分子定位显微实现超分辨的原理。

6.下面属于宽场成像方法的是D。

A.双光子激发荧光
B.共聚焦显微
C.受激辐射耗尽
D.结构光照明显微
7.下面不属于超衍射极限分辨光学成像方法的是C。

A. STORM
B. SIM
C. LCSM
D. STED
8.STED的中文全称是受激发射损耗显微技术。

STED光强度越强，荧光的有效点扩展
函数越小，分辨率越高。

9.简述受激辐射耗尽显微（STED）实现超分辨的原理。

答：激发脉冲和STED脉冲共同作用，获得极小的荧光激发光斑，从而提高分辨率。

第六章
1.一般而言,拉曼光谱中斯托克斯线的强度远大于（填大于/小于/等于）反斯托克斯线.
为什么?
答：这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。

2.拉曼（Raman）光谱和红外光谱都属于振动光谱，所不同的是红外光谱是吸收光谱
而拉曼光谱是C。

A 原子吸收光谱
B 分子发射光谱
C 分子散射光谱
D 原子发射光谱
3.在相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中，激光入射到样品中时需满足AB条件
才能在样品中激发具有拉曼活性的分子产生CARS光谱信号。

A.能量守恒
B.动量守恒
C.能量守恒以及动量守恒
D.相位匹配
4.在CARS过程中，为探测乙醇振动波数为2084cm-1的分子振动模式，当入射的泵
浦光和探测光的波长为800nm时，所需的斯托克斯光的波长应为nm。

第七章
1.什么是流式细胞分析术？流式细胞分析术的作用是什么？
答：流式细胞术（Flow Cytometry，FCM）利用流式细胞仪对处在快速、直线、流动状态中的单细胞或生物颗粒进行多参数、快速定量分析，同时对特定群体加以分选的现代细胞分析技术。

2.流式细胞分析技术的基本步骤包括哪几步？
答：荧光标记细胞中的生物物质；利用流体力学的原理使得液流汇聚得非常细从而使得其中的细胞能够逐一通过测量区；激光照明并采集光响应信号；数据获取和处理。

3.什么是PDT？PDT有哪些应用？
答：PDT，Photodynamic Therapy，光动力疗法，是利用光动力效应进行疾病诊断和治疗的一种新技术。

某些生物染料，能被恶性肿瘤选择性吸收和滞留，在特定波长的照射下，能激发出特异的荧光（用于诊断）。

在有O2的条件下，接受波长与吸收峰相一致的光照射时，其光化效应，破坏其所在的组织，这一系列化学反应过程，被称为光敏反应，利用这种效应治疗恶性肿瘤，称为光动力学疗法。

应用：治疗肿瘤（癌症），治疗皮肤病，治疗老年性眼底黄斑病变，控制离子流。

4.光镊是一种微操控工具，它能利用聚焦后的激光束捕获生物细胞或者微米尺度的微
粒，它实现光捕获的作用力来自于微粒的折射光导致的光子动量的改变。

5.生物芯片有哪几类？有什么应用？
答：基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。

应用：健康检查；基因多态性分析；序列测定；微生物菌种鉴定，致病机理及抗药性分析；发现新的疾病标志物作为临床诊断的指标；筛选药物靶，发现新药物，研究药理学。

6.纳米技术在生物光子学中有什么应用？
答：随着纳米科学和分子生物学迅速发展，纳米技术和生物分子靶向技术相结合，使人类有可能在分子水平选择性修复发生突变的疾病细胞，从根本上提高恶性疾病的早期诊断和治疗水平。

用量子点检测肿瘤细胞；。