1、主讲人刘立新主讲人：刘立新西安电子科技大学推荐教材及参考资料 普拉赛德 （ Paras N Prasad） 著 ， 何赛灵译 ， 生物光子（ ） 著 ， ，学导论，杭州：浙江大学出版社， 2006 徐可欣 ， 高峰 ， 赵会娟 著 ， 生物医学光子学 ， 北京 ： 科， ， 著 ， ， ： 科学出版社， 2007 张镇西，生物医学光子学新技术及应用，北京：科学出版社， 2008 Tuan Vo-Dinh， Biomedical Photonics Handbook， CRC Press LLC， 2003 其他相关教材和文献资料2第1章第 章绪论绪论生物光子学21世纪是 生物 21世纪是 光子
2、的世纪 的世纪量子理论、技术革命、基因科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；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。4生物光子学期刊杂志：Laurin出版公司 1991年发行了 Bio-Photonics杂志；国际光学工程学会（ SPIE）也于 1996年创办了生物医学光子学的专业期刊 JlfBidilOti刊 Journal o Biomedica ptics ；美国光学学会重要的会刊之一
3、 Applied Optics也于 1996年将其 “Optical Technology”栏目更名为 “ Optical Technology and Biomedical Optics” ；pgy国际会议：在美国举行的 “ 生物医学光学国际学术研讨会 ” （ International（ Biomedical Optics Symposium， BiOS）；在欧洲举行的“欧洲生物医学光子学光学会议”（ European Cf Bi dilOti ECBO） 等Conference on Biomedica ptics， ） 等 。在美国哈佛大学 MIT和加利福尼亚大学等的生物医学工程专业中
4、著名高校：、 ，生物医学光子学是重要的组成部分。 5生物光子学我国 ：基金： 1998年 我国在国家自然科学基金项目指南中就已经形成了 “ 生物医学光子学 ” 的学科概念 。 2000年 11月 在北京举行的第了 年 月152次香山科学会议“生物医学光子学 与医学成像若干前沿问题”上，确定 生物医学光子学为国家重点发展和资助的研究方向 。高校： 清华大学、浙江大学、西安交通大学、天津大学、华中科技大学、福建师范大学、华南师范 大学和深圳大学等单位分别成立了相关的科研机构并在多个研究方向取得了一定的研究成果。会议： 1) International Conference on Photonics
5、 and Imaging in Biology and Medicine（ PIBM）（武汉）2) 光学方法高级研讨会（深圳）6本章内容本章内容11 生物光子学的形成与发展1.1 光波的特性1.1 12 本课程的内容及结构安排1.2 光波在介质界面上的反射和折射1.2 1.3 光波在金属表面上的反射和折射7本章内容主要内容 ：本章内容 关于生物光子学的基本概念： 光子学、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 学科的发展 历史 事件回顾 ， 量子理论革命 （ 光的概念的历史演化 ）、 技术，革命（激光、微芯片、纳米技术）、基因组学革命 生物光子 学的研究内容 学科前沿811
6、 生物光子学的形成与发展1.1 一 关于生物光子学的基本概念 ： 光子学： 产生和控制光 以及其它 以光子为单位的辐射能、 ：的技术，光子学的应用范围包括能量的产生、探测、通信以及信息处理等。 生物（医学）光子学： 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。in Biophotonics, Laurin Publishing911 生物光子学的形成与发展1.1 生物医学光子学 定义为将 包含可见光在内的所有波长范：围的电磁辐射 用于生物医学应用的科学技术。这 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
7、领域包括对光以及其它形式辐射能量 （ ） 的产生与操纵。这门学科包括光的吸收 发射 传导 散射 放大 检测等的应 、 、 、 、 、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等。(in Biomedical Photonics Handbook， Tuan Vo-Dinh， CRC Press LLC， 2003)1011 生物光子学的形成与发展1.1 电磁波谱图1111 生物光子学的形成与发展1.1 生物医学 光学 Vs 生物医学 光子学. ： 根据一般的
8、定义， 光学是指 “可见光学” ，它是电磁辐射中可被人 眼感知 ； 而 光子学包括所有电磁辐射谱内的量子 即 光子 它人 ； 而 ， 即 ， 它的定义比光学的定义更广泛。 光子学 包括与 电磁辐射相关 的光学技术与非光学技术 ， 它是电场，与磁场空间能量的传递。电磁谱是它的能量范围，从宇宙射线、 射线、 X射线到紫外、可见光、红外、微波和无线电频率。 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 。学 应用 科学与技术 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 。1211 生物光子学的形成与发展1.1 生物光子学 融合
9、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。光子学生物光子学 生物医学光子学技术应用于生物医学生物成像/生物传感光学诊断生物医学应用于光子学技术激光介质光通信通道光学诊断基于光的治疗组织工程学细胞的光操作光通信通道光信号处理高容量数据存储细胞的光操作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1311 生物光子学的形成与发展1.1 关于生物光子学 1411 生物光子学的形成与发展1.1 二、 光子学与生命科学 在人类历史的长河中，光学扮演着非常重要的角色：人类很早就掌握了光的治疗作用 。 随着科学技术的出现，光对医学的促进作用逐渐发展并贯穿于人类发
10、展的始终 。 17世纪荷兰人发明了 光学显微镜 ，对其后 200年间的生物学及生物医学的发展起到了非常重要的作用。 细胞理论： 1830s19世纪 30年代，德国植物学家施莱登和动物学家施旺通过光学显微镜观察，发现所有植物体和动物体都是由细胞构成的，它们 依照 定 的规律排列 在此基础上他们创立了细胞学说们 一 定 。 。1511 生物光子学的形成与发展1.1 微生物学 ： 1870s：显微镜提供了一种强大的研究工具。法国化学家和细菌学家路易斯巴 斯 德和德国细菌学家 罗伯特 科赫 创立 了疾病 的微生物斯理论。 1895年 ， 伦琴发现了 X射线 ， X射线技术在 疾病诊断 中年 ， ， 中
11、获得了广泛的应用。其它 许多科学发现和技术进步 为医学开拓了 新的 领 ， 领域并为分子研究、组织分析以及疾病诊断提供了重要的方法 。1611 生物光子学的形成与发展1.1 1665年 Robert Hooke详细描述了他的第 一 台显微镜 ；年 台显微镜 ； 1667年 Robert Hooke出版了“ Micrographia”Robert Hooke通过自己设计的复合显微镜片组窥视到了以前看不到的微观世界。1711 生物光子学的形成与发展1.1 法国化学家和细菌学家路易斯 巴斯德正在用显微镜观察 ， 显微镜提供了 一 种， 种强大的研究工具，在此基础上，他和罗伯特 科赫（ Rb K h
12、德国细（ Robert oc ，菌学家， 医学家， 结核菌、霍乱菌发现者 曾获 1905，年诺贝尔生理学 -医学奖 )创立了疾病的 微生物理论 。1811 生物光子学的形成与发展 从 1895年伦琴发现 X射线 100多年来 X射线成像已广泛1.1 从 ，应用于医学、科研、工业探伤及海关检查等各个领域。1911 生物光子学的形成与发展1.1 为了观察透明的样品，改善空间分辨 率，发明了其它对比机制，比如相衬显微 (1935-41), 微分干涉显微 DIC (1960s)以及共焦显微 (1980s)等2011 生物光子学的形成与发展1.1 显微技术在许多方面都取得了很大的进展 包括激光技术， 、
13、探测器技术、超分辨显微等。2111 生物光子学的形成与发展1.1 双光子及共聚焦系统 （ 深圳大学光电工程学院生物光子学（实验室）。2211 生物光子学的形成与发展1.1 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。2311 生物光子学的形成与发展1.1 三 学科的发展 生物光子学的发展和成长融合了 20世纪的三大科技革命：三 、 量子理论的革命（ 1900 1950s） 技术革命 （ 1940s-1950s）（ ） 基因组学革命（ 1950s-2000）2411 生物光子学的形成与发展1.1 1 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
14、经典理论（微粒学说）： 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， 。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）： 光波以“以太”为载体传播 1865年， Maxwell发展了关于光传播的电磁波理论。2511 生物光子学的形成与发展1.1 随后 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 20世纪量子物理的革命 爱因斯坦 1887年， 赫兹发现了光电效应 ，并注意到当光照射
15、某种材料时 会有电流产生 但只有在某一特定频率 （ 也就是能量 ） 以时 ， ， （ ） 以上才发生，如果频率在必要的临界值以下，即使增加光的强度也 不会产 生 电流 。电流 1901年，德国物理学家 普朗克提出光的量子化理论 ，即光是不连续的一份一份的能量。2611 生物光子学的形成与发展1.1 1905年 爱因斯坦对光电效应进行了详细的解释 开 年 ， ， 开拓了 量子力学 领域。光 既不是连续的波 也不是 微小 的粒子 而是以称为 光子的波 光 ， ，的能量束形式存在，每个光子的能量取决于能量束中光波的频率 ， 频率越 高 （ 颜色越蓝 ）， 能量束携带相应的能量越多 。率 ， 高 （
16、。 卢瑟福和玻尔利用放射性辐射实验研究了原子的结构，进 一 步 验证了量子 理论 波粒二象性进步 。 从 1926年到 1933年，海森堡、薛定谔和 Dirac等人的理论工作 奠定了量子理论的坚实基础， 。 量子理论的世界观意味着，物质的结构一般不是机械或可见的，并且 世界的 真实性不能通过人类感官的感觉来解释 。2711 生物光子学的形成与发展1.1 量子理论的发现不仅催生了 分子光谱学 这一新的领域，而且发展了一套具有强大功能的 光子学工具 ，用以探索自然和在根本上理解病因。 事实上，我们现在的有关分子如何结合在一起； DNA结构如何促使细胞生长；在分子水平上疾病如何发展等是以量子理论为重
17、要基础的 。 利用光对组织的激发，测量组织的其他光学特性； 样品 对入射光吸收的测量 吸收光谱技术 （ 紫外 可见 及红外 光吸收（ 、技术）； 检测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、拉曼散射以及非弹性散射；检测 光的其他发射特性 圆振 向色性 偏振 寿命等 二 向色性 、 、 。2811 生物光子学的形成与发展1.1 分子光谱 中用以研究生物分子的波长范围很宽 分子 。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的 发展 ： Britton Chance与其合作者研发并运用近红外吸收技术无损检测生理 过程及脑功能 ； 多种分子光谱技术，包括荧光、拉曼散射和生物发光技术等，用于 进行癌症诊断 、 疾病检测和药物发现 等 。、 等 。2911 生物光子学的形成与发展生物化学领域的传奇科学家 Britton Chance1.1 美国籍 生物学博士 美国 英国 瑞典等六国科Britton Chance（ 19132010）， ， ， 、 、学院院士，国际生物物理学与生物医学光 子学创始人之一。他不仅在科学界享有盛誉，也 层获得 过 1952年赫 尔 辛 基奥运 会帆 船比 赛 的金牌。他 在 中国的很多大学 演讲辛 会帆 赛 在演讲过， 80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获得者30
