生物光子学1-绪论01.ppt
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1、主讲人:刘立新西安电子科技大学推荐教材及参考资料推荐教材及参考资料普拉普拉赛赛德(德(ParasNPrasad)著,何)著,何赛赛灵灵译译,生物光子,生物光子学学导论导论,杭州:浙江大学出版社,杭州:浙江大学出版社,2006徐可欣,高峰,徐可欣,高峰,赵赵会娟会娟著,生物医学光子学,北京:科著,生物医学光子学,北京:科学出版社,学出版社,2007张镇张镇西,西,生物医学光子学生物医学光子学新技新技术术及及应应用,北京:用,北京:科学出科学出版社,版社,2008TuanVo-Dinh,BiomedicalPhotonicsHandbook,CRCPressLLC,2003其他相关教材和文献其他相
2、关教材和文献资资料料2第第1章章绪绪论论生物光子学生物光子学生物光子学生物光子学它是关于光与生物组织相互作用、所产生的效应及其应用的学科它是关于光与生物组织相互作用、所产生的效应及其应用的学科;它是交叉于光学、光电子学、生物学、医学、电子学、材料学等诸多领它是交叉于光学、光电子学、生物学、医学、电子学、材料学等诸多领域的新学科域的新学科;其应用涉及到生物学研究、医学疾病诊断、治疗及预防等其应用涉及到生物学研究、医学疾病诊断、治疗及预防等;另外,多学科的相互交叉融合又会为新技术的发展和应用开辟新的途径。另外,多学科的相互交叉融合又会为新技术的发展和应用开辟新的途径。2121世纪是世纪是生物生物的
3、世纪的世纪2121世纪是世纪是光子光子的世纪的世纪4量子理论、技术革命、基因科学量子理论、技术革命、基因科学生物光子学生物光子学Laurin出版公司出版公司1991年年发发行了行了Bio-Photonics杂杂志志;国国际际光学工程学会(光学工程学会(SPIE)也于)也于1996年年创办创办了生物医学光子学的了生物医学光子学的专业专业期期刊刊Journal of Biomedical Optics;美国光学学会重要的会刊之一美国光学学会重要的会刊之一Applied Optics也于也于1996年将其年将其“OpticalTechnology”栏栏目更名目更名为为“OpticalTechnolo
4、gyandBiomedicalOptics”;期刊杂志:期刊杂志:国际会议:国际会议:在美国在美国举举行的行的“生物医学光学国生物医学光学国际际学学术术研研讨讨会会”(InternationalBiomedicalOpticsSymposium,BiOS);在欧洲在欧洲举举行的行的“欧洲生物医学光子学光学会欧洲生物医学光子学光学会议议”(EuropeanConferenceonBiomedicalOptics,ECBO)等。)等。在美国哈佛大学、在美国哈佛大学、MIT和加利福尼和加利福尼亚亚大学大学、英国帝国理工大学、新加、英国帝国理工大学、新加坡国立大学和南洋理工大学坡国立大学和南洋理工大学
5、等的生物医学工程等的生物医学工程专业专业中,生物医学光子中,生物医学光子学是重要的学是重要的组组成部分。成部分。著名高校:著名高校:5生物光子学生物光子学我国:我国:基金:基金:1998年年我国在国家自然科学基金我国在国家自然科学基金项项目指南中就已目指南中就已经经形成了形成了“生物医学生物医学光子学光子学”的学科概念的学科概念。2000年年11月月在北京在北京举举行的第行的第152次香山科学会次香山科学会议议“生物医学光生物医学光子学与医学成像若干前沿子学与医学成像若干前沿问题问题”上,确定上,确定生物医学光子学生物医学光子学为为国家重点国家重点发发展和展和资资助的助的研究方向研究方向。高校
6、:高校:清清华华大学、浙江大学、西安交通大学、天津大学、大学、浙江大学、西安交通大学、天津大学、华华中科技大学、福中科技大学、福建建师师范大学、范大学、华华南南师师范大学、深圳大学、上光所、西光所等范大学、深圳大学、上光所、西光所等单单位在多个研究方向位在多个研究方向取得了一定的研究取得了一定的研究成果。成果。2016年会年会议议:1)第二届海峡两岸第二届海峡两岸纳纳米生医光米生医光电电研研讨讨会(会(5月,西安)月,西安)2)第八届国第八届国际际信息光学与光子学学信息光学与光子学学术术会会议议(CIOP2016,7月,上海)月,上海)3)第五届生物医学工程与生物技第五届生物医学工程与生物技术
7、术国国际际学学术术会会议议(ICBEB2016,8月,杭州)月,杭州)4)第九届光学与光第九届光学与光电电子国子国际际学学术术会会议议(SOPO2016,8月,西安)月,西安)5)2016年年亚亚洲光洲光电电子会子会议议(PhotonicsAsia2016,10月,北京)月,北京)6本本章章内内容容1.1光波的特性光波的特性1.2光波在介质界面上的反射和折射光波在介质界面上的反射和折射1.3光波在金属表面上的反射和折射光波在金属表面上的反射和折射1.1生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展1.2本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排7关于关于生物光子学的基本生物光子学的基本概念概念
8、光子学光子学、生物光子学、生物医学光子学和生物医学光学、生物光子学、生物医学光子学和生物医学光学光子学与生命科学光子学与生命科学学科学科的的发展发展历史历史事件回顾,量子理论革命(光的概念的历史演化)、事件回顾,量子理论革命(光的概念的历史演化)、技术技术革命革命(激光、微芯片、纳米技术)、基因组学革命(激光、微芯片、纳米技术)、基因组学革命生物光子生物光子学的研究内容学的研究内容学科前沿学科前沿主要内容:主要内容:8本本章章内内容容1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展光子学:光子学:产产生和控制光生和控制光以及其它以及其它以光子以光子为单为单位的位的辐辐射能射能的技的技术术,
9、光子学的,光子学的应应用范用范围围包括能量的包括能量的产产生、探生、探测测、通、通信以及信息信以及信息处处理等。理等。9生物(医学)光子学:生物(医学)光子学:利用光子学设备和技术解决科研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。技术领域所遇到的问题。in Biophotonics,Laurin Publishing一、关于生物光子学的基本概念:一、关于生物光子学的基本概念:1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展生物医学光子学:生物医学光子学:定义为将定义为将包含可见光在内的所
10、有波长范包含可见光在内的所有波长范围的电磁辐射围的电磁辐射用于生物医学应用的科学技术。用于生物医学应用的科学技术。这一领域包括对光以及其它形式辐射能量(量子单元为光子)的这一领域包括对光以及其它形式辐射能量(量子单元为光子)的产生与操纵。产生与操纵。这门学科包括光的吸收、发射、传导、散射、放大、检测等的应这门学科包括光的吸收、发射、传导、散射、放大、检测等的应用以及将各种各样的方法和技术用于医学应用中,如:激光和其用以及将各种各样的方法和技术用于医学应用中,如:激光和其他光源、光纤、电子光学仪器、复杂的微电子机械系统、以及纳他光源、光纤、电子光学仪器、复杂的微电子机械系统、以及纳米系统等。米系
11、统等。生物医学光子学的应用范围包括临床诊断、治疗以及疾病的预防生物医学光子学的应用范围包括临床诊断、治疗以及疾病的预防等。等。(in Biomedical Photonics Handbook,Tuan Vo-Dinh,CRC Press LLC,2003)101.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展11电磁波谱图电磁波谱图1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展生物医学生物医学光学光学 Vs.生物医学生物医学光子学光子学:根据一般的定义,根据一般的定义,光学是指光学是指“可见光学可见光学”,它是电磁辐射中可,它是电磁辐射中可被被人人眼感知;而眼感知;而光子学包括所有电
12、磁辐射谱内的量子,即光子学包括所有电磁辐射谱内的量子,即光子光子,它,它的定义比光学的定义更广泛的定义比光学的定义更广泛。光子学光子学包括与包括与电磁辐射相关电磁辐射相关的光学技术与非光学技术,它是电场的光学技术与非光学技术,它是电场与磁场空间能量与磁场空间能量的传递的传递。电磁谱是它的能量范围,从宇宙射线、。电磁谱是它的能量范围,从宇宙射线、射线、射线、X射线射线到紫外、可见光、红外、微波和无线电频率。到紫外、可见光、红外、微波和无线电频率。生物医学生物医学光子学光子学可定义为可定义为研究所有波长范围的电磁辐射研究所有波长范围的电磁辐射在在医学医学中的应用的科学与技术。中的应用的科学与技术。
13、生物医学生物医学光学光学则定义为研究则定义为研究可见光可见光在医学领域中的应用在医学领域中的应用的的科学科学与技术与技术。121.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展 生物光子学:生物光子学:融合了光子学和生物学,是光子学的延伸,融合了光子学和生物学,是光子学的延伸,讨论光与生物物质的相互作用。讨论光与生物物质的相互作用。光子学光子学生物光子学生物光子学生物医学生物医学光子学技术应用于生物医学光子学技术应用于生物医学生物成像/生物传感光学诊断基于光的治疗组织工程学细胞的光操作生物医学应用于光子学技术生物医学应用于光子学技术激光介质光通信通道光信号处理高容量数据存储生物光子学被定义为
14、光子学与生物医学的融合,同时对两个主要方面说明131.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展关于生物光子学关于生物光子学141.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展在人类历史的长河中,光学扮演着非常重要的角色在人类历史的长河中,光学扮演着非常重要的角色:人类:人类很早就掌握了光的治疗作用。很早就掌握了光的治疗作用。随着随着科学技术的出现,光对医学的促进作用逐渐科学技术的出现,光对医学的促进作用逐渐发展发展并贯并贯穿于人类发展的始终。穿于人类发展的始终。17世纪荷兰人发明了世纪荷兰人发明了光学显微镜光学显微镜,对其后,对其后200年间的年间的生生物学物学及生物医学的发展起到
15、了非常重要的作用。及生物医学的发展起到了非常重要的作用。细胞细胞理论:理论:1830s 19世纪世纪30年代,德国植物学家施莱登和动物学家施旺通过年代,德国植物学家施莱登和动物学家施旺通过光学光学显微镜显微镜观察,发现所有观察,发现所有植物体和动物体都是植物体和动物体都是由细胞构成的,它由细胞构成的,它们们依照一定依照一定的规律排列。在此基础上他们创立了细胞学说。的规律排列。在此基础上他们创立了细胞学说。15二、光子学与生命科学二、光子学与生命科学1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展微生物学微生物学:1870s 显微镜显微镜提供了一种强大的研究工具。法国化学家和提供了一种强大的
16、研究工具。法国化学家和细菌学家路细菌学家路易斯巴易斯巴斯斯德和德国细菌学家德和德国细菌学家罗伯特罗伯特科赫科赫创立创立了疾病了疾病的微生物的微生物理论。理论。1895年,伦琴发现了年,伦琴发现了X射线射线,X射线技术在射线技术在疾病诊断疾病诊断中中获得了广泛的应用。获得了广泛的应用。其它其它许多科学发现和技术进步,为医学开拓了许多科学发现和技术进步,为医学开拓了新的新的领领域并为分子研究、组织分析以及疾病诊断域并为分子研究、组织分析以及疾病诊断提供提供了重要了重要的方法的方法。161.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展1665年年RobertHooke详细详细描述了他的第一台描述
17、了他的第一台显显微微镜镜;1667年年RobertHooke出版了出版了“Micrographia”RobertHooke通通过过自自己己设设计计的的复复合合显显微微镜镜片片组组窥窥视视到到了了以以前前看看不到的微观世界。不到的微观世界。171.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展法国化学家和细菌学家路法国化学家和细菌学家路易斯易斯巴斯德正在用显微镜巴斯德正在用显微镜观察,显微镜提供了一种观察,显微镜提供了一种强大的研究工具,在此基强大的研究工具,在此基础上,他和罗伯特础上,他和罗伯特科赫科赫(Robert Koch,德国细,德国细菌学家,菌学家,医学家,医学家,结核菌、结核菌、霍
18、乱菌发现者,霍乱菌发现者,曾获曾获1905年诺贝尔生理学年诺贝尔生理学-医学奖医学奖)创创立了疾病的立了疾病的微生物理论微生物理论。18从从1895年伦琴发现年伦琴发现X射线射线100多年来,多年来,X射线成像已广泛射线成像已广泛应用于医学、科研、工业探伤及海关检查等各个领域。应用于医学、科研、工业探伤及海关检查等各个领域。1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展191.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展为为了了观观察透明的察透明的样样品,改善空品,改善空间间分辨率,分辨率,发发明了其它明了其它对对比机制,比如比机制,比如相相衬显衬显微微(1935-41),微分干涉微
19、分干涉显显微微DIC(1960s)以及共焦以及共焦显显微微(1980s)等等201.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展显微技术在许多方面都取得了很大的进展,包括激光技术、显微技术在许多方面都取得了很大的进展,包括激光技术、探测器技术、超分辨显微等。探测器技术、超分辨显微等。211.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展双光子及共聚焦系统双光子及共聚焦系统221.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展荧光显微技术能够提供非常好的对比度,成为生物医学研荧光显微技术能够提供非常好的对比度,成为生物医学研究及诊断的重要工具。究及诊断的重要工具。231.1 生物光子学的
20、形成与发展生物光子学的形成与发展生物光子学的发展和成长融合了生物光子学的发展和成长融合了20世纪的三大世纪的三大科技革命科技革命:量子量子理论的革命(理论的革命(19001950s)技术革命技术革命(1940s-1950s)基因组基因组学革命(学革命(1950s-2000)24三、学科的发展三、学科的发展1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展1.量子理论的革命:推动了关于光的概念的演变量子理论的革命:推动了关于光的概念的演变17世纪中叶,牛顿的经典理论(微粒学说):世纪中叶,牛顿的经典理论(微粒学说):为我们对世界的基为我们对世界的基本物理现象的理解奠定了基础,重塑了科学历史。在
21、其光学著作本物理现象的理解奠定了基础,重塑了科学历史。在其光学著作中,详述了许多光的现象(光的折射、白光的本质、薄膜现象等)中,详述了许多光的现象(光的折射、白光的本质、薄膜现象等)以及光学仪器(如显微镜、望远镜等)。牛顿通过三棱镜分光的以及光学仪器(如显微镜、望远镜等)。牛顿通过三棱镜分光的著名实验证明了光实际上是多种彩色光谱的混合。著名实验证明了光实际上是多种彩色光谱的混合。17世纪中叶,惠更斯(波动学说):世纪中叶,惠更斯(波动学说):光波以光波以“以太以太”为载体传播为载体传播1865年,年,Maxwell发展了关于光传播的电磁波理论。发展了关于光传播的电磁波理论。251.1 生物光子
22、学的形成与发展生物光子学的形成与发展随后随后的一系列关于光的本质的重大发现,如光电效应,的一系列关于光的本质的重大发现,如光电效应,对牛顿的经典理论提出了挑战,导致了对牛顿的经典理论提出了挑战,导致了20世纪量子物世纪量子物理的革命理的革命爱因斯坦爱因斯坦1887年,年,赫兹赫兹发现了光电效应发现了光电效应,并注意到当光照射某种,并注意到当光照射某种材料材料时,会有电流产生,但只有在某一特定频率(也就是能量)以时,会有电流产生,但只有在某一特定频率(也就是能量)以上才发生,如果频率在必要的临界值以下,即使增加光的强度上才发生,如果频率在必要的临界值以下,即使增加光的强度也不会产生电流也不会产生
23、电流。1901年,德国物理学家年,德国物理学家普朗克提出光的量子化理论普朗克提出光的量子化理论,即光是,即光是不连续不连续的一份一份的能量。的一份一份的能量。261.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展1905年,爱因斯坦对光电效应进行了详细的解释,年,爱因斯坦对光电效应进行了详细的解释,开开拓了拓了量子力学量子力学领域领域。光光既不是连续的波,也不是既不是连续的波,也不是微小微小的粒子,而是以称为的粒子,而是以称为光子的波光子的波的能量束形式存在,的能量束形式存在,每个每个光子的能量取决于能量束中光波的频光子的能量取决于能量束中光波的频率,频率越率,频率越高(高(颜色越蓝),能量
24、束携带相应的能量越多。颜色越蓝),能量束携带相应的能量越多。卢瑟福卢瑟福和玻尔利用放射性辐射实验研究了原子的结构和玻尔利用放射性辐射实验研究了原子的结构,进一步进一步验证了量子验证了量子理论理论波粒二象性波粒二象性。从从1926年到年到1933年,海森堡、薛定谔和年,海森堡、薛定谔和Dirac等人的等人的理理论工作论工作,奠定了量子理论的坚实基础,奠定了量子理论的坚实基础。量子量子理论的理论的世界观意味着世界观意味着,物质的结构一般不是机械或可见的,物质的结构一般不是机械或可见的,并且并且世界的世界的真实性不能通过人类感官的感觉来解释真实性不能通过人类感官的感觉来解释。271.1 生物光子学的
25、形成与发展生物光子学的形成与发展量子理论的发现不仅催生了量子理论的发现不仅催生了分子光谱学分子光谱学这一新的领域这一新的领域,而且,而且发展了发展了一套具有强大功能的一套具有强大功能的光子学工具光子学工具,用以,用以探索自然探索自然和在根本上理解病和在根本上理解病因因。事实上事实上,我们现在的有关,我们现在的有关分子分子如何结合在一起;如何结合在一起;DNA结构如何促结构如何促使细胞生长;在使细胞生长;在分子分子水平上疾病如何发展等是以量子理论为重要基水平上疾病如何发展等是以量子理论为重要基础的。础的。利用利用光对组织的激发,测量组织的其他光学特性;光对组织的激发,测量组织的其他光学特性;样品
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