2. 激光与生物体的相互作用

37
全血

全血是近红外区域比较强的吸收体，由于 组织中血液所占的体积比很小，所以其对 光传输的影响并不是特别强。当光子碰到 血管时，则血液会对光产生强烈的吸收， 因此局部吸收参数决定光与组织的相互作 用，平均吸收系数决定光在组织中的传输。
38
水
生物组织中的主要成份是水，约占75%。 在红外波段，水是主要吸收体，且随着波 长的增加组织对光的吸收增强。 虽然水在可见及近红外的吸收很弱，但由 于水在组织中的含量很高，仍然对光的吸 收仍扮演着重要作用。
组织中的主要散射体

胶原纤维

直径约2-3 m 折射率周期性的起伏使其在紫外到可见光波段有着较 强的瑞利散射。即使在红外波段，胶原纤维也是米氏 散射的主要贡献者 真皮层的纤维组织和细胞以及细胞内外存在的液质之 间的折射率不匹配现象，使得光在这一层有着较大的 散射，从而限制光进入更深层生物组织 脂质对近红外光的散射作用较强
36
黑色素
黑色素是一种位于表皮与真皮交界处、且 镶嵌于表皮基底细胞的聚合体，它是皮肤 中的主要生色团 。 其主要作用是产生黑色素颗粒，黑色素颗 粒数量的多少，直接影响基底层细胞和棘 细胞中黑色素含量 。表皮对光的吸收主要 取决于其中黑色素含量 。 黑色素是酪氨酸分子浓缩形成的聚合体， 有很宽的吸收带，且波长越短，吸收越强。
线粒体 细胞核 内质网 高尔基体
33
细胞内的主要散射体

线粒体

尺寸：0.5-1 m 脂膜与周围细胞质之间的折射率、以及脂质与水 的密度的差异使得它对光有着较强的散射
最大：细胞核 （4-6 m） 次大：内质网、高尔基体 稍小：溶酶体和过氧化物酶体 （0.25 -0.5 m)

34

研究光对单粒子的吸收 研究光对单粒子的散射
23
单粒子对光的吸收
a = Qa A [cm2] [-] [cm2]
A
geometrical cross-section
a = Q a A
effective cross-section
24
单粒子对光的散射
A
geometrical cross-section

39
s = Q A s
effective cross-section
25
基于细胞的光散射技术

辐照体积增加

流式细胞计数 多普勒频移 光对细胞的操纵
光对运动粒子

散射粒子的梯度力

26
激光与组织的相互作用
折射 反射 吸收 散射

27
~ ( ~ Re n [n ) ( n )]( )n ( i ) ( )
20
激光与细胞的相互作用

细胞细胞是生命活动的 基本单元，也是构成生 命体结构与功能的基本 单元。它是由诸多分子 和高聚物构成的功能 团 ，具有极其复杂的 化学成分及结构 .
21
பைடு நூலகம்
细胞形状与尺寸
多数细胞：m 肌肉细胞：mm 神经细胞：m

22
光与细胞的相互作用

研究光与细胞的相互作用时，常把细胞看 作是粒子：
O O N N O
N N
N N N
O
O O
N N O
12
振动能级的跃迁

红外光谱学领域

bond C-H stretch C-H bend C-C stretch,bend C=C stretch C=C stretch CO32NO3NO2SO42O-H stretch C=O stretch N-H
10

振动能级：


转动能级：

分子与原子的能级跃迁

原子或分子

电子能级跃迁 振动或转动能量的跃迁
分子

11
常见的生色团及结构
pyrroles porphyrins heme (chlorophyll) cytochromes phycobiliproteins carotenoids ferredoxins flavins melanin
cycles/cm 2850-2960 [cm-1] 1340-1465 700-1250 1620-1680 2100-2260 1410-1450 1350-1420 1230-1250 1080-1130 3590-3650 1640-1780 3200-3500
wavelength 3.378-3.509 [µm] 6.826-7.462 8.000-14.29 5.952-6.173 4.425-4.762 6.897-7.092 7.042-7.407 8.000-8.130 8.850-9.259 2.740-2.786 5.618-6.098 2.857-3.12513
折射

均匀介质的折射率
~ ( ) n ( ) i ( ) n
虚部()反映光被吸收而引起的波的衰减 实部n()是通常所说的折射率
~ ( )] n( ) Re[ n
c c m ( ) n ( )
28
在界面处的反射和折射
(n1 n2 ) 2 R 1 T (n1 n2 ) 2
29
生物组织的平均折射率
生物组织当作是由许多嵌入在纤维网络中 的细胞及组织间液组成的。 在微观结构中，生物组织并没有明显的边 界特性，因此可以被认为是一种在空间上 包含不同折射率的连续介质。 要定义这样一个混合体的折射率，就必须 采用统计的方法。

30
生物组织不同组分的折射率分布
31
n s n 0 Dn

液体苯的散射光谱 拉曼散射，拉曼效应
17
拉曼散射
18
CCl4拉曼光谱
19
拉曼光谱的基本表现

散射光谱

瑞利线 拉曼线

Δν：拉曼频移(wavenumber=1/λ) 高频一侧（ ν0＋Δν） ：反斯托克斯线 低频一侧（ ν0－Δν）：斯托克斯线 若干对

拉曼线强度

一般十分弱 反斯托克斯线弱于斯托克斯线

9
分子的能级结构

电子能级：

105-106 kJ/mole UV-Vis:200 - 700 nm 10 - 40 kJ/mole Near IR: 800 - 5000 nm Mid-IR : 5000 - 25,000 nm Far-IR: 5 - 25 microns 10 kJ/mole microwaves
主要涉及分子或 原子对红外光的 吸收而产生的振 动和转动能级的 改变
分子对光的发射
自发发射 受激发射

14
受激辐射—诱导荧光
15
激光与分子的非共振散射作用

分子振动

拉曼散射
16
分子对光的散射----拉曼散射


分子对光的非弹性散射，与分子的振动和转动有关 1923年，A.Smekal理论上预言 频率为ν0的单色光入射时，物质中的分子对入射光产生 频率为ν0±Δν的散射光 1928年，印度C.V.Raman
35

皮肤


生物组织中的吸收
核酸：258 nm, =6.6103 cm2mol-1 氨基酸：210 nm 蛋白质：


苯氨（257 nm, =0.2103 cm2mol-1） 色氨酸（280 nm, =5.6103 cm2mol-1）， 酪氨酸（274 nm, =1.4103 cm2mol-1）
平均折射率

平均折射率
n ni fi
i 1 N
f
i
i
1

背景折射率
n0 f cp ncp (1 f cp )nis

粒子折射率
n s n 0 Dn
32
生物组织中的散射
生物组织的电磁性质及折射率分布的不均 匀性导致了生物组织中的散射。 生物组织中主要的散射体


激光与生物体的相互作用
朱
1
主要内容
激光与生物体的相互作用 激光与分子的相互作用 激光与细胞的相互作用 激光与组织的相互作用

2
激光与物质的相互作用

共振过程

吸收 发射 基于分子振动所引起的散射 介质中折射率非均匀性引起的散射 折射率不同的介质边界反射
3

非共振过程

不同层次的生物体
生物分子 亚细胞结构 细胞 组织 器官 整体

4
生物结构的空间谱分布
5
脉冲激光与生物体的作用
6
量子解释
7
激光与分子的相互作用

共振过程

吸收 发射

自发辐射 受激辐射

非共振过程

拉曼散射
8
分子对光的吸收
能够吸收光子的生物分子称为生色团，这 些生色团对光的吸收具有选择性。 只有当生物分子（原子）的特定能级与照 射的光子能量相等时，吸收才会产生，因 此，吸收光谱可以作为分子或原子的指纹 谱。