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第1章
绪 论
生物光子学
21世纪是生物 的世纪 21世纪是光子 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。
– 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
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1.1 生物光子学的形成与发展
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。
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1.1 生物光子学的形成与发展
– 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 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。
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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Journal of Biomedical Optics ； 美国光学学会重要的会刊之一Applied Optics也于1996年将其―Optical Technology‖栏目更名为― Optical Technology and Biomedical Optics‖ ；
• 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：1830s 19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 们依照一定的规律排列。在此基础上他们创立了细胞学说。
(in Biomedical Photonics Handbook，Tuan Vo-Dinh，CRC Press LLC，2003)
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 电磁波谱图
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 生物医学光学 Vs. 生物医学光子学：
– 根据一般的定义，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 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、γ 射线、X射线到紫外、可见光、红外、微波和无线电频率。
主讲人：刘立新
lxliu@ 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 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，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
在美国哈佛大学、MIT和加利福尼亚大学、英国帝国理工大学、新加 坡国立大学和南洋理工大学等的生物医学工程专业中，生物医学光子5 学是重要的组成部分。
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。
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 Conference on Biomedical Optics，ECBO）等。
著名高校：
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1.1 生物光子学的形成与发展
– 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。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 1665年Robert Hooke详细描述了他的第一台显微镜； • 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。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 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。
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1.1 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，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 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。
– 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。 – 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。
• 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 强大的研究工具，在此基 础上，他和罗伯特· 科赫 （Robert Koch，德国细 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。
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1.1 生物光子学的形成与发展
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
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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
1.1 生物光子学的形成与发展
• 关于生物光子学……
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1.1 生物光子学的形成与发展
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。
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1.1 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、 探测器技术、超分辨显微等。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 双光子及共聚焦系统
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1.1 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 究及诊断的重要工具。
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1.1 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 应用于医学、科研、工业探伤及海关检查等各个领域。
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1.1 生物光子学的形成与发展
• 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
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、深圳大学、上光所、西光所等单位在多个研究方向 取得了一定的研究成果。
2016年会议：
1) 第二届海峡两岸纳米生医光电研讨会（5月，西安） 2)第八届国际信息光学与光子学学术会议（CIOP 2016，7月，上海） 3)第五届生物医学工程与生物技术国际学术会议（ICBEB 2016，8月，杭州） 4) 第九届光学与光电子国际学术会议（SOPO 2016，8月，西安） 5) 2016年亚洲光电子会议（Photonics Asia 2016，10月，北京）
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： – 量子理论的革命（1900－1950s） – 技术革命（1940s-1950s） – 基因组学革命（1950s-2000）
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1.1 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
– 17世纪中叶，牛顿的经典理论（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。
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1.1 生物光子学的形成与发展
生物化学领域的传奇科学家–Britton Chance
Britton Chance（1913–2010），美国籍，生物学博士，美国、英国、瑞典等六国科 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 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
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1.1 生物光子学的形成与发展
– 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。