生物医学光子学复习题带答案

Biophoton

a)生物体的超弱发光有哪些基本特性？它与哪些生命活动相关？为什么利用生物体的超弱发光能够用于疾病的诊断？

b)为何生物的超弱发光? 它与哪些生命活动相关？

c)为何“代谢发光”或者“相干机制”

d)针对超微弱发光的检测，有哪些测量技术，分别说明其测量原理。

e)超弱发光有哪些应用？

2.Fluorescence

a)利用分子能级图解释分子光谱涉及的各种能量跃迁过程。

b)荧光是如何产生的？有什么特点？

c)分子结构与荧光的关系。

d)理解与掌握荧光光谱中的一些重要概念（包括：Beer-Lambert定律、被测组分对紫外光或可见光具有吸收，且吸收强度与组分浓度成

正比。吸光度与透过率的换算、摩尔吸收系数与浓度之间的关系、斯托克斯位移、荧光量子产率的定义、荧光亮度、光稳定性、荧

光寿命）

e)荧光检测包括哪些参数？（发射谱、激发谱、stokes 位移、量子产率、荧光寿命）

f)生物体中主要的内源荧光色团有哪些？通过对它们的监测可获得哪些生物学信息组织的结构基质：胶原蛋白和弹性蛋白；细胞内代

谢路径：NAD 、NADH。组织结构信息和代谢活性

g)向生物体内引入外源荧光可发挥什么作用？监测细胞功能与化学分布，RNA or DNA序列，以及肿瘤标记

h)选择荧光探针的依据是什么？（激发波长、发射波长、光稳定性、漂白性、荧光的定性或定量、荧光探针的特异性和毒性、pH适宜

值）

i)荧光探针导入：（酯化法；形成乙酰羟甲基酯（AM）；细胞膜通透性增强法；使用透膜剂使膜通透性增强；微注射法；将染料通过

显微注射法直接注入细胞内）

j)按照制备方法分，荧光探针有哪些种类？

化学荧光探针:化学方法合成的

基因荧光探针:可遗传、由DNA编码、蛋白质组成的

选择探针时需要主要考虑哪些因素？激发波长，发射波长，光稳定性、漂白性，荧光的定性或定量，荧光探针的特异性和毒性，pH适宜值

在蛋白质分子中，能发射荧光的氨基酸有哪些？它们的吸收和发射波长在哪里？

k)绿色荧光蛋白有哪些生物化学特征和光谱特征？野生型和增强型的绿色荧光蛋白有什么异同？

荧光强度大大提升，吸收峰转移到488nm，与实验室经常用到的FITC滤光片一样。

l)绿色荧光蛋白突变体有哪些性能特点？

突变提高了GFP的光谱性质，荧光强度和和光稳定性也大大增强，突变后的激发峰488nm，发射峰是509nm，这与FITC滤光片一致，提高了其潜在的使用价值。

m)荧光蛋白作为标记物或指示剂的优势有哪些？

1.低浓度对样品干扰小

2.3D测量

3.非常适合溶液和细胞

4.非常灵敏，实现单分子检测

n)产生FRET的条件有哪些？

FRET是指能量给体（Donor）与受体（Acceptor）间通过偶极-偶极耦合作用以非辐射方式传递能量的过程即能量给体被激发后，从基态跃迁到激发态，由于偶极-偶极相互作用，供体分子激发态能量hν以非辐射方式传至受体分子，而后受体分子通过发射光子弛豫，释放能量。

条件是：

1.一种荧光蛋白的发射光的波长与另一种荧光蛋白的吸收光的相同。

2.工体和受体之间产生耦合。

o)什么是Forster距离？常用FRET对的Forster距离大概在什么范围？

Forster能量转移：一对合适的荧光物质可以构成一个能量供体(donor) 和能量受体(acceptor) 对, 它们之间由于偶极的相互作用, 激发供体分子的光子能量h ν可能被传递至受体分子, 而后受体分子通过发射出光子h ν′ (h ν >h ν′ ) 而松弛, 这就是1948 年由Forster 首先提出的荧光共振能量转移理论（1）。其直观的表现就是供体和受体之间达到合适的距离内(1 ～10 nm), 以供体的激发光激发, 供体产生的荧光强度比它单独存在时要低得多, 而受体发射的荧光却大大增强, 同时伴随它们的荧光寿命的相应缩短和拉长。

应该是1--10nm，（注：这个概念课件上没有，是网上找到的结果。）

3.Optical properties

a)常用的组织光学特性参数有哪些？如何描述其基本概念

（吸收、反射、散射、散射的各向异性因子、约化散射系数）

吸收系数μa (mm-1)光子在无限小距离ds 运动时被吸收的几率，其倒数表示光子在介质中被吸收前所走过的平均距离

散射系数μs (mm-1)光子在无限小距离ds 运动时，被散射的几率，其倒数表示光子在介质中被散射前所走过的平均距离

各向异性因子g单次散射模式非对称性的量度，反映的是散射光在不同方向的分配情况

g⎯⎯(-1~1)

g=0 各向同性散射

g=1 高度的前向散射

g=-1 高度的后向散射

b)掌握几个派生的组织光学特性参数及表达式：约化散射系数、总的衰减系数、有效衰减系数、扩散射系数、穿透深度、有效穿透深

度

约化散射系数μ′s (mm-1)在远离边界与光源的表况下常用一个参数来描述光子的散射特性____约化散射系数μs′=(1−g)μs

⎯衰减系数与穿透深度

总的衰减系数与总的穿透深度

约化衰减系数与约化穿透深度

有效衰减系数与有效穿透深度

⎯

c)生物组织中吸收、散射的物理机制与生理机制是什么？光学特性与生物组织生理特性是如何关联？

i.吸收的成因：吸收源于分子色团的能级跃迁，即电子或振动能级跃迁

ii.散射的成因：散射则主要源于混浊生物组织中的折射率不匹配、它与生物体的超微结构相关

组织光学特性参数的物理意义

⎯生物组织的吸收特性反映的是组织原子能级结构性质，分子有低能级跃迁到高能级，对光线进行吸收，

⎯散射系数主要是源自于生物体的折射率在半微观尺度（10-7m）上的不匀称性，此时是发生强散射，但是这种不匀称性的尺度远远大于波长的数量级（10-7m）的时候，会发生漫反射，（还会有反射和折射）

d)瑞利散射与米氏散射限是基于什么来划分的（散射子与光波长的关系）