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光子及近红外光的生物医学应用. 山东大学人与自然通选课 刘园园. 主要内容. 一 . 光的基础知识 二 . 光合作用 三 . 生物医学光子学 四 . 近红外光的医学应用. 一 . 光的基础知识. 1. 什么是光. 粒子论. 波动论. 爱因斯坦 光电效应 光子 量子力学 波粒二象性. 光是运动的能量. C( 光速 ) ＝ λ( 波长 ) Xν( 频率 ) 红光的波长范围为 0.62-0.76μm 紫光的波长范围为 0.38-0.46μm 光能 E=hυ(υ— 频率 ) ，即波的能量与频率成正比，不同频率的波具有不同的能量。.
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光子及近红外光的生物医学应用 山东大学人与自然通选课 刘园园
主要内容 一. 光的基础知识 二. 光合作用 三. 生物医学光子学 四. 近红外光的医学应用
一. 光的基础知识 1. 什么是光 • 粒子论 • 波动论 • 爱因斯坦 光电效应 光子 量子力学 波粒二象性 • 光是运动的能量
C(光速)＝λ(波长) Xν(频率) • 红光的波长范围为0.62-0.76μm 紫光的波长范围为0.38-0.46μm 光能E=hυ(υ—频率)，即波的能量与频率成正比，不同频率的波具有不同的能量。
2.光子的产生 • 感知光子，才能看到周围的景物 • 光子产生的途径归根结底遵循的都是光电子理论 • 电子跃迁产生光子。电子可通过向外辐射光子的形式降低自身能量，从激发态回到基态，而光子的能量正好等于两个轨道能量之差
不同颜色光的叠加 • 吸收特定频率的光 3.光的颜色
4.光的传播 • 透射：电子激活能远高于或远低于光子能量，不吸收任何光子，光不受影响地穿过。单色光的获得。 • 吸收：光波能量与材料电子激活能相近，吸收光子能量升高，并将部分能量传给核，加剧核运动，使物体温度上升。冬日穿深色服装。 • 反射：电子吸收入射光子能量之后运动加剧，但不把能量传递给核，而是以与入射光相同频率光子的形式反射出去。照镜子。 • 折射：入射光的频率接近电子的本征振动频率时，深入物体内部，引起电子微小振动，传能量给核，核再使光波以原来频率透出物体。由于速度不同，在界面处形成一个折点。雨后彩虹。
绿色植物 6CO2+6H2O C6H12O6＋6O2 (1) CO2+H2O (CH2O)＋O2 (2) (△G＝4.78×105J) a.细菌光合作用 叶绿体 CO2+2H2S→(CH2O)+2S+H2O 二. 光合作用 1.光合作用表达式 大家想想，这个氧是来自CO2还是H2O？
CO2+2H2A (CH2O)＋2A+H2O 光合作用表达式 b．希尔反应 c.18O的研究 这个反应Gibbs自由能增加，熵减少 不 违反热力学第二定律 非孤立、封闭系统，有太阳能的参与
增大光强对光合作用的影响 2.光反应和暗反应 闪光照射，光合效率是连续光的200%-400% 需光的光反应不需光的暗反应(碳同化反应),不绝对
20世纪40年代，研究不同光质的量子产额时，发现大于680nm的远红光虽然仍被吸收，但量子产额急剧下降，称为红降现象。 3. 两个光系统 1957年，爱默生观察到远红光照射时补加稍短波长的光(如650nm的光)，则量子产额大增，比这两种波长的光单独照射的总和还要高。这种现象被称为双光增益效应，或爱默生增益效应。 据上述实验结果，希尔(1960)等人提出双光系统的概念，把吸收长波光的系统称为光系统Ⅰ(PSⅠ)，吸收短波长光的系统称为光系统Ⅱ(PSⅡ)。 20世纪60年代以后，已能直接分离出PSⅠ和PSⅡ的色素蛋白复合体颗粒。
叶绿素a、b （高等植物） 叶绿素 （光合作用） 叶绿素c、d （藻类） 类胡萝卜素 强光下逸散能量 （高等植物） 辅助色素 （吸收传递光能） 藻胆素 （藻类） 在光合作用的反应中吸收光能的色素称为光合色素。 4.光合色素
表观光合速率为零，称为光补偿点 5. 光照因素对光合作用的影响 光强对光合作用的影响 开始达到光合速率最大值时，称为光饱和点 光抑制--当光合机构接受的光能超过它所能利用的 量时，光会引起光合速率的降低
6. 光呼吸 植物在光照下有吸收氧气，释放CO2的反应，仅在光下发生，需叶绿体参与，并与光合作用同时发生，故称作为光呼吸。 奥托·瓦尔堡（瓦伯格）发现O2对光合作用有抑制作用，这种现象被称为瓦伯格效应。实际上是氧促进光呼吸的缘故。 机理与乙醇酸代谢有关。加氧酶自身不能区别CO2和O2，即CO2和O2竞争加氧酶同一个活性部位。加氧酶是进行羧化还是加氧，取决于外界CO2与O2浓度的比值。
光呼吸速率比暗呼吸高3-5倍，是一种浪费。 生理意义 (1)回收碳素。 (2)防止强光对光合机构的破坏作用。 在强光下，光反应中超氧阴离子自由基会对光合膜、光合器有伤害作用，而光呼吸却可消耗高能电子，降低自由基形成，免除或减少强光对叶绿体的破坏。 (3)消除乙醇酸。 乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸，使细胞免遭毒害。
生物光子学 生物医学光子学，顾名思义，是关于光子在生物、医学中应用的科学和技术。 三．生物医学光子学 医学光子学 生物光子学主要是研究生物系统产生的光子及光子学在生物学研究方面的应用。 医学光子学主要包括组织光学，医学光学诊断技术和治疗技术。
宏观现象 吸收、反射、折射、散射、 投射、发光、光化学和光声 光与生物组织的相互作用 基本过程 反射、折射和吸收 微观本质 电子不同跃迁方式 具体到某种生物组织体，这三个过程具体以哪一个为主，取决于生物组织的类型和入射光的波长。
光的吸收是指光通过生物组织体时，由于部分光能转换成热运动或分子的某种振动，从而导致光强度的衰减。 1. 组织体对光的吸收效应 透明 允许光通过而完全不被吸收 不透明 入射辐射能量降为0 除了真空，没有一种媒介对任何波长的光是完全透明的，只能是对某些波长范围的光透明，即透明否是相对于某个光波长而言的。
组织体从紫外到红外光波段的吸收物质主要包括 水 a. 生物组织中的吸收物质 血液中的血红蛋白、血糖 皮肤中的色素 肌肉中的肌红蛋白 细胞色素。 这些物质之所以有吸收是因为具有生色团，生色团被定义能在一个分子中导致在200~1000nm的光谱区内对光进行有选择性的吸收的化学基团。红绿光困难
图7 氧合血红蛋白(Hb02)、非氧合血红蛋白(Hb)及水的吸光率曲线 “红绿光困难”现象
朗伯提出：设平行光在均匀媒质中传播，一薄层材料所吸收的辐射能或辐射强度之百分数依赖于吸收物质以及入射辐射的波长和吸收层的厚度。朗伯提出：设平行光在均匀媒质中传播，一薄层材料所吸收的辐射能或辐射强度之百分数依赖于吸收物质以及入射辐射的波长和吸收层的厚度。 比尔的表述为：对溶解在非吸收媒质中的吸收物质，溶液或介质所吸收或通过辐射的量，是溶液中吸收物质的浓度和辐射通过样品溶液的光程长度的指数函数。 b. 朗伯-比尔定理 比色法和分光光度法的基本定律，也是测定混合物中各吸收物质含量的定量方法的理论基础。
散射是我们生活中常见的现象，如天空呈现出蔚蓝色是因为蓝光很容易被大气中的微粒散射。散射是我们生活中常见的现象，如天空呈现出蔚蓝色是因为蓝光很容易被大气中的微粒散射。 人体内同样也发生散射，其原因是组织体的密度、折射率、介电常数等在空间的杂乱分布。 2.组织对光的散射效应 微观尺度 弹性散射 半微观尺度 非弹性散射 宏观尺度
弹性散射是指散射光和入射光具有相同的波长和波矢，即光量子和被测分子之间没有能量的交换。弹性散射是指散射光和入射光具有相同的波长和波矢，即光量子和被测分子之间没有能量的交换。 a. 弹性散射 古斯塔夫.米发现散射程度依赖于散射粒子的尺寸和入射波长的比以及散射粒子的折射率和背景媒质的折射率之比，米把这两个比值定义为尺寸参数x和相对折射率m m=ns/n
瑞利散射 米散射（又称大颗粒散射) 大尺度散射 实际中光子更可能前向散射，需要加系数进行修正。 b.非弹性散射 入射光量子和被测分子之间还可能存在能量交换，即散射电磁波的频率和入射电磁波的频率不相同，这类散射被称为非弹性散射。 多普勒频移 光被移动着的微粒所散射 拉曼散射 分子振动态的变化使散射光产生频移 受激虚态
谐振腔 激光 工作物质 泵浦源 激光的产生 将在泵浦源激发下处于粒子数反转状态的工作物质置于光学谐振腔内，如图所示。 光在谐振腔内振荡，抑制自发发射，增强受激发射，不断获得光放大，这时从谐振腔轴线方向透射出来的光就是激光。激光主要是受激发射产生的，所以是相干的。
