生物光子学1-绪论01.ppt

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“OpticalTechnologyandBiomedicalOptics”；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：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，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。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；样品样品对入射光吸收的测量吸收光谱技术（紫外对入射光吸收的测量吸收光谱技术（紫外、可见、可见及红外及红外光吸收光吸收技术）；技术）；检测检测样品反射或损耗的入射光弹性散射技术样品反射或损耗的入射光弹性散射技术；样品发射或散射波长不同于入射光荧光技术、磷光技术、拉曼散射样品发射或散射波长不同于入射光荧光技术、磷光技术、拉曼散射以及非弹性散射；以及非弹性散射；检测检测光的其他发射特性圆振二向色性、偏振、寿命等光的其他发射特性圆振二向色性、偏振、寿命等。281.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展分子光谱分子光谱中用以研究生物分子的波长范围很宽。中用以研究生物分子的波长范围很宽。分子分子光谱光谱技术促进了许多用于最低侵入地检测疾病的实用技术促进了许多用于最低侵入地检测疾病的实用技术的技术的发展：发展：Britton Chance与其合作者研发并运用近红外吸收技术与其合作者研发并运用近红外吸收技术无损无损检测生理检测生理过程及脑功能；过程及脑功能；多种多种分子光谱技术，包括荧光、拉曼散射和生物发光技术等，分子光谱技术，包括荧光、拉曼散射和生物发光技术等，用于用于进行癌症诊断、疾病检测和药物发现进行癌症诊断、疾病检测和药物发现等。等。29生物化学生物化学领领域的域的传传奇科学家奇科学家BrittonChanceBrittonChance（19132010），美美国国籍籍，生生物物学学博博士士，美美国国、英英国国、瑞瑞典典等等六六国国科科学学院院院院士士，国国际际生生物物物物理理学学与与生生物物医医学学光光子子学学创创始始人人之之一一。他他不不仅仅在在科科学学界界享享有有盛盛誉誉，也也层层获获得得过过1952年年赫赫尔尔辛辛基基奥奥运运会会帆帆船船比比赛赛的的金金牌牌。他他在在中中国国的的很很多多大大学学演演讲讲过过，80年代北京大学授予他荣誉博士学位。年代北京大学授予他荣誉博士学位。文凭最高的奥运会金牌文凭最高的奥运会金牌获获得者得者1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展301.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展2.技术革命：技术革命：西方文明中，西方文明中，科学科学经常与基础研究和理论研究联系在一起，而经常与基础研究和理论研究联系在一起，而技术技术通常通常被认为是产生于应用和实验研究。古希腊时代早期以来，科学与技术在被认为是产生于应用和实验研究。古希腊时代早期以来，科学与技术在很大程度上被人们分开。亚里士多德哲学思想认为，纯粹的思维可以理很大程度上被人们分开。亚里士多德哲学思想认为，纯粹的思维可以理解宇宙运行的规律，而不需要任何的实验观察。解宇宙运行的规律，而不需要任何的实验观察。17世纪，科学与技术的关系开始变得相互依赖世纪，科学与技术的关系开始变得相互依赖。伽利略。伽利略-运动物体的实验；运动物体的实验；利用望远镜导致在天文学上的革命性发现；利用望远镜导致在天文学上的革命性发现；显微镜显微镜的发展与应用为科学与技术相互依存提供了又一个有启迪作用的的发展与应用为科学与技术相互依存提供了又一个有启迪作用的例子。很显然，正是一种实用性仪器的发现，才导致支持两个世纪后创例子。很显然，正是一种实用性仪器的发现，才导致支持两个世纪后创立的疾病微生物理论的重要发现。立的疾病微生物理论的重要发现。19世纪，科学和技术的相互依赖关系变得非常重要世纪，科学和技术的相互依赖关系变得非常重要，并随着，并随着1831年法拉年法拉第发现电流以及电磁感应，第发现电流以及电磁感应，1837年年Charles Wheaton发明第一台电报机，发明第一台电报机，1879年爱迪生在新泽西以及在英国发明白炽灯泡而达到巅峰。灯泡的发年爱迪生在新泽西以及在英国发明白炽灯泡而达到巅峰。灯泡的发明预示了明预示了20世纪光子学的下一个革命。世纪光子学的下一个革命。311.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展激光：激光：激光就是受激辐射光放大（激光就是受激辐射光放大（Laser）它提供了一种激发组织、疾病诊断、组织切除以及介入治疗它提供了一种激发组织、疾病诊断、组织切除以及介入治疗的光源。的光源。爱因斯坦提出了光子和受激发射的假设，爱因斯坦提出了光子和受激发射的假设，Arthur Schawlow 和和Charles Townes发表文章，提出了在发表文章，提出了在可见光以及红外光波段实现激发谐振的可能，可见光以及红外光波段实现激发谐振的可能，1960年年Maiman发明了第一台激光器发明了第一台激光器（红宝石激光器），开（红宝石激光器），开创了激光技术新领域。创了激光技术新领域。激光的优点：单色性、高方向性和高能量密度等。对生物医激光的优点：单色性、高方向性和高能量密度等。对生物医学光子学的发展产生了巨大的影响：学光子学的发展产生了巨大的影响：激光已用于疾病诊断中的光源以及外科手术中的光刀。激光已用于疾病诊断中的光源以及外科手术中的光刀。可与插入内窥镜的光纤耦合，用来做疾病在体诊断。可与插入内窥镜的光纤耦合，用来做疾病在体诊断。321.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展光光纤纤探探头头用于癌症的在体激光用于癌症的在体激光诱导诊诱导诊断断，激光，激光诱导荧诱导荧光光（LIF）已已经经被用于胃被用于胃肠肠道的内道的内窥检查窥检查，直接，直接诊诊断癌症，而无需病人断癌症，而无需病人进进行活行活检检。在在组织组织上每一点的上每一点的LIF测测量量时间时间大大约约0.6秒，光秒，光纤纤探探头头插入内插入内窥镜窥镜的的活活检检通道（通道（A），光），光纤纤探探头轻轻头轻轻地接触地接触检测检测的胃的胃肠肠道道组织组织的表面的表面（B）331.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展具有高精度以及感染和失血率小等优点，可用计算机控制激具有高精度以及感染和失血率小等优点，可用计算机控制激光的强度和方向，从而减少人为过失。光的强度和方向，从而减少人为过失。广泛地用于进行广泛地用于进行皮肤手术：皮肤手术：除皱、消除纹身、胎记、切除肿除皱、消除纹身、胎记、切除肿瘤和疣以及其他类型的赘生物等；瘤和疣以及其他类型的赘生物等；治疗人眼：治疗人眼：矫正视力、治矫正视力、治疗青光眼以及由糖尿病引起的眼部疾病；疗青光眼以及由糖尿病引起的眼部疾病；可将激光与外科手可将激光与外科手术结合用于身体其他部位病变的治疗：术结合用于身体其他部位病变的治疗：心脏、前列腺、咽喉心脏、前列腺、咽喉等，还可以打通堵塞动脉，去除由肿瘤引起的阻塞。等，还可以打通堵塞动脉，去除由肿瘤引起的阻塞。341.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展微芯片：微芯片：激光提供了一种新的激发手段，然而传感器、探测器及其附激光提供了一种新的激发手段，然而传感器、探测器及其附属电路的小型化以及批量生产从根本上改变了对分子、组织属电路的小型化以及批量生产从根本上改变了对分子、组织和器官在活体和离体状态下的探测和成像方式。和器官在活体和离体状态下的探测和成像方式。微芯片技术基于微芯片技术基于大大规规模集成模集成电电路的路的发发展和广泛展和广泛应应用，微芯片用，微芯片技技术术保保证证了可以低成本地制作微了可以低成本地制作微电电子子电电路和光子探路和光子探测测器如器如PDA、CCD相机以及相机以及CMOS等，具有广等，具有广阔阔的市的市场场，使得，使得这这些些器件在生物医学光器件在生物医学光谱谱以及分子成像等以及分子成像等领领域域获获得了广泛的得了广泛的应应用，用，影响了生物医学光子学的众多影响了生物医学光子学的众多领领域：域：MRI、CT、核医学、光、核医学、光核超声成像等核超声成像等Moore定律（定律（1965）：芯片的尺寸）：芯片的尺寸继续继续减小，而减小，而实现实现每个功每个功能的成本呈能的成本呈负负指数下降。指数下降。351.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展现代光学传感器阵列芯片现代光学传感器阵列芯片采用采用CMOS技技术进术进行行组组装，微芯片装，微芯片技技术实现术实现了微了微电电子子电电路（微芯路（微芯片）的片）的组组装和光子装和光子设备设备如光二如光二极管极管阵阵列（列（PDA）、）、电电荷耦合荷耦合器件（器件（CCD）相机以及互）相机以及互补补金金属硅氧化物（属硅氧化物（CMOS）传传感器感器阵阵列等的列等的极低成本和大批量生极低成本和大批量生产产，从而开拓了广，从而开拓了广阔阔的市的市场场，并使得并使得这这些器件在生物医学光些器件在生物医学光谱谱以及分子成像等以及分子成像等领领域域获获得广得广泛泛应应用用。361.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展纳米技术纳米技术:对对1100nm尺度的材料进行研究和开发的技术尺度的材料进行研究和开发的技术纳米技术对生物医学中的许多重要领域产生了革命性的变化，尤其是纳米技术对生物医学中的许多重要领域产生了革命性的变化，尤其是在分子和细胞水平上的诊断和治疗，将分子纳米技术和光子学结合，在分子和细胞水平上的诊断和治疗，将分子纳米技术和光子学结合，可以利用纳米器件对原子和分子进行操纵，在细胞水平上具有非常广可以利用纳米器件对原子和分子进行操纵，在细胞水平上具有非常广泛的生物医学应用。泛的生物医学应用。如 纳米探针、纳米机器人、纳米激光、纳米诊断和治疗；光镊和微纳操作等。未来世界？未来世界？纳米机器人纳米探针纳米激光穿梭于人体血流中，发纳米机器人纳米探针纳米激光穿梭于人体血流中，发现和杀死癌细胞；现和杀死癌细胞；利用荧光分子探针和纳米传感器可以在体追踪细胞内环境的生化过程；利用荧光分子探针和纳米传感器可以在体追踪细胞内环境的生化过程；纳米载体实现药物的定向运输；药物的外表标记了抗体，用以结合抗纳米载体实现药物的定向运输；药物的外表标记了抗体，用以结合抗原；或标记荧光发色团用于载体追踪；原；或标记荧光发色团用于载体追踪；光学捕获笼锁光学捕获笼锁/解笼锁；解笼锁；光镊可用于测量单个胶原分子的机械性能。光镊可用于测量单个胶原分子的机械性能。371.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展下图是下图是用于探测单细胞中生化组分的带有抗体的纳米光纤探头。用于探测单细胞中生化组分的带有抗体的纳米光纤探头。光子光子学与纳米技术的结合已经产生出新一代的仪器设备，用于探究细胞的学与纳米技术的结合已经产生出新一代的仪器设备，用于探究细胞的机械结构和揭示出现在分子层次上的生命过程的秘密，而这些在先前机械结构和揭示出现在分子层次上的生命过程的秘密，而这些在先前人们是无法获知的。左下插图是一个直径为人们是无法获知的。左下插图是一个直径为40nm的扫描电子显微图片。的扫描电子显微图片。这么小的尺寸可以使得在单细胞内的特定位置操纵探针。这么小的尺寸可以使得在单细胞内的特定位置操纵探针。381.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展3.基因组学革命：基因组学革命：1953年，年，Watson和和Crick在在Nature上发表有关上发表有关DNA螺旋结构的文章，被认为是基因组学的第一里程碑，螺旋结构的文章，被认为是基因组学的第一里程碑，引发了引发了21世纪的基因组学革命；世纪的基因组学革命；2000年人类基因组排序的完成是分子遗传学领域的年人类基因组排序的完成是分子遗传学领域的又一重大成就。又一重大成就。391.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展重大事件：重大事件：DNA结构的发现结构的发现1953年年Sanger方法方法DNA测序技术测序技术DNA荧光排序法荧光排序法DOE宣布宣布HGI1986年年DOE和和NIH联合联合HGP1990年年E.Coli基因组基因组Yeast 基因组基因组Worm基因组基因组Fruit Fly基因组基因组人类基因组（人类基因组（90）2000年年401.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展重大应用（基因药物、个性化医学）：重大应用（基因药物、个性化医学）：（基因组排序）最大影响之一是建立了生物医学研究的全新方法。（基因组排序）最大影响之一是建立了生物医学研究的全新方法。过去过去一次只能研究一个或几个基因，而有了整个基因组排序图谱和新的全自一次只能研究一个或几个基因，而有了整个基因组排序图谱和新的全自动化、高通量技术，能大规模并行系统化地处理生物医学问题，能研究动化、高通量技术，能大规模并行系统化地处理生物医学问题，能研究一个基因组中的许多基因，或者研究在特定组织或器官或肿瘤中的不同一个基因组中的许多基因，或者研究在特定组织或器官或肿瘤中的不同基因产物。某些基因已经被查明与许多疾病联系在一起，如乳腺癌、肌基因产物。某些基因已经被查明与许多疾病联系在一起，如乳腺癌、肌肉疾病、耳聋以及失明等。肉疾病、耳聋以及失明等。基因组学和蛋白组学给药物发现提供了大量的潜在新目标。基因组学和蛋白组学给药物发现提供了大量的潜在新目标。基于细胞的基于细胞的高通量化验分析，为药物发现提供一个基本的平台，也就是活细胞，以高通量化验分析，为药物发现提供一个基本的平台，也就是活细胞，以原位地表征、分析和筛选药物靶标。这里，基于原位地表征、分析和筛选药物靶标。这里，基于GFP的活细胞分析用于的活细胞分析用于药物筛选具有重要的作用。药物筛选具有重要的作用。细胞生物传感器和基于重组细胞蛋白质特定位置标记的外部细胞传感器细胞生物传感器和基于重组细胞蛋白质特定位置标记的外部细胞传感器是用于药物发现的重要光子学工具是用于药物发现的重要光子学工具时间分辨和相位敏感探测、偏振以时间分辨和相位敏感探测、偏振以及寿命测量。及寿命测量。利用基于量子点的无机荧光团或表面增强拉曼散射标记的新的标记种类利用基于量子点的无机荧光团或表面增强拉曼散射标记的新的标记种类为多元分析提供了无可匹敌的发展前途。为多元分析提供了无可匹敌的发展前途。41Light:成像与治疗成像与治疗光不仅为信息的载体，同时也是能量的载体Max Planck光与细胞进行信息交换可以获得细胞结构和功能信息光与细胞进行能量的交换使得细胞水平的光治疗成为可能1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展1.1 生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展利用不同波长的光进行人体信息的利用不同波长的光进行人体信息的提取提取诊断诊断43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44光子学和组织光学：光子学和组织光学：组织的光学特性光和组织的相互作用光学扩散层析中的理论模型和算法光子器件：光子器件：生物医学中的激光技术光子学的基本仪器设备用于医学诊断中的光纤和波导生物成像光谱技术1.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排生生物物光光子子学学涉涉及及的的众众多多领领域域以以Biomedical Photonics Handbook的目的目录为录为例例45探测及成像：探测及成像：寿命成像共焦成像双光子激发荧光显微用于生物学和医学研究的近场成像OCT散斑光谱激光多普勒灌注监测及成像细胞和亚细胞过程的光散射光谱及成像生物和医学诊断的热成像1.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排46生物医学诊断生物医学诊断I：葡萄糖诊断立体诊断设备生物传感扩散光功能成像光子迁移光谱频域技术用于生物和临床的原子光谱生物医学分析中的微管电泳流失细胞分析术X射线诊断光学泵浦和超极化自旋MRI1.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排47生物医学诊断生物医学诊断II：光学活检：光学活检Optical biopsy荧光光谱用于生物医学诊断弹性散射光谱和扩散反射拉曼光谱光学光谱对生物组织的定量标定傅里叶变换光谱随机介质和组织的近红外荧光成像和光谱光声层析超声光学成像1.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排48介入和治疗技术：介入和治疗技术：PDT激光组织焊接激光在医学中的应用：皮肤介入肺病神经外科手术眼科学食道泌尿消化道乳腺癌低功率激光理疗图像引导手术龋齿的监测、诊断和治疗1.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排49基因组学、蛋白质组学和医学中的先进光子学技术：基因组学、蛋白质组学和医学中的先进光子学技术：生物芯片和微阵列阵列技术和多元基因分析基于荧光检测的DNA排序利用光学方法的活细胞分析光学探测的放大技术生物医学的荧光探针生物分子识别的新型荧光探针量子点标记纳米传感器单细胞分析的纳米传感器光镊在体生物发光成像Surface-enhanced raman scattering(SERS)SPR（Surface Plasmon Resonance,表面等离子体共振）1.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排50本课程将要涉及的学科前沿：本课程将要涉及的学科前沿：荧光寿命成像荧光共振能量转移（FRET）及其用于研究蛋白质分子的相互作用双光子激发荧光显微二次和三次谐波成像超衍射极限显微：STED、STORM、QD、PALM、非线性饱和结构光照明全内反射荧光显微单分子荧光成像及光谱纳米生物光子学光动力疗法1.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排511.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排521.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排531.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排利用CdSe/CdS/ZnS QR-Lysine-Anti Claudin-4对老鼠肿瘤部位标记成像541.2 本课程的内容及结构安排本课程的内容及结构安排光动力疗法光动力疗法PHOTODYNAMIC THERAPY55上篇：生物光子学的原理与基础上篇：生物光子学的原理与基础第一章第一章 绪论绪论1.生物光子学的形成与发展生物光子学的形成与发展2.本书的内容及结构安排本书的内容及结构安排第二章第二章 光子学与光谱学基础光子学与光谱学基础1.光在界面上的反射和折射（涉及全内反射）光在界面上的反