生物光子学第一章
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 13
1.1 生物光子学的形成与发展
• 关于生物光子学……
14
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。
• 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。
• 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。
29
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
6
本章内容
11.1.1生光物波光的子学特的性形成与发展
1.2 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 1.3 光波在金属表面上的反射和折射
7
本章内容
主要内容:
• 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
30
1.1 生物光子学的形成与发展
• 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
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。
16
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。
17
1.1 生物光子学的形成与发展
– 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)
10
1.1 生物光子学的形成与发展
• 电磁波谱图
11
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:
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 and Imaging in
Biology and Medicine(PIBM)(武汉) 2) 光学方法高级研讨会(深圳)
• 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。
18
1.1 生物光子学的形成与发展
20
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。
21
1.1 生物光子学的形成与发展
• 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)。
22
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。
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:
25
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。
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,北京: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
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,
生物医学光子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。
• 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。
26
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。
– 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。
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。
– 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
• 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。
• 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。
12
1.1 生物光子学的形成与发展
生物光子学: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。
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 基于光的治疗 组织工程学 细胞的光操作
– 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。
• 生物光子学的研究内容 • 学科前沿
8
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。
• 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。
• 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。
19
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
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