生物物理學(xué)提綱2015

1、生物力學(xué)一. 基本概念1生物力學(xué)：應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問(wèn)題定量研究的生物物理學(xué)分支。2應(yīng)力：受力物體截面上（A）內(nèi)力（F）的集度，即單位面積上的內(nèi)力。當(dāng)A趨于0時(shí)，為某一點(diǎn)的應(yīng)力。3應(yīng)變：當(dāng)材料在外力作用下發(fā)生形狀的改變。4應(yīng)變率：應(yīng)變的變化速率，即單位時(shí)間內(nèi)增加或減少的應(yīng)變；應(yīng)變率是表征材料快速變形的一種度量，應(yīng)變對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。5本構(gòu)方程：闡明應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率之間關(guān)系的方程式，它取決于物體的結(jié)構(gòu)。6生物力學(xué)研究基礎(chǔ)：能量守恒、動(dòng)量定律、質(zhì)量守恒三定律并加上描寫(xiě)物性的本構(gòu)方程。7生物力學(xué)研究類(lèi)型：固體生物力學(xué) 流體生物力學(xué) 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)（傳統(tǒng)） 組織與器官力學(xué) 生物動(dòng)力學(xué) 生物

2、熱力學(xué) （現(xiàn)代）8粘彈性：具有彈性固體的彈性和粘性液體的粘性9泊松比：當(dāng)細(xì)長(zhǎng)物體被拉長(zhǎng)時(shí)，同時(shí)會(huì)發(fā)生橫向線度的相對(duì)縮短。實(shí)驗(yàn)表明橫向的線應(yīng)變與縱向線應(yīng)變成正比，比例系數(shù)是材料的特征常數(shù)，稱(chēng)為泊松比。10骨的彎曲與扭轉(zhuǎn)：彎曲是連續(xù)變化的線應(yīng)變的組合，扭轉(zhuǎn)是連續(xù)變化的剪切應(yīng)變的組合分布。二簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述生物力學(xué)的不同分類(lèi)：固體生物力學(xué) 流體生物力學(xué) 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)（傳統(tǒng)） 組織與器官力學(xué) 生物動(dòng)力學(xué) 生物熱力學(xué) （現(xiàn)代）2.簡(jiǎn)述應(yīng)力的不同類(lèi)型：同截面垂直的稱(chēng)為正應(yīng)力，同截面相切的稱(chēng)為切應(yīng)力。3.彈性體和粘性體的本構(gòu)方程：對(duì)于拉伸和壓縮：；對(duì)于剪切變形：；對(duì)于體積變形：。其中，為應(yīng)力，E、G、K分別為

3、楊氏模量（彈性模量）、剛性模量（剪切模量）和體積模量；e，和v分別為線應(yīng)變、切應(yīng)變和體應(yīng)變。粘性體的本構(gòu)方程牛頓粘度定律。粘性是物體形變時(shí)，內(nèi)部反抗形變的摩擦力的表現(xiàn)，應(yīng)力與應(yīng)變率的最簡(jiǎn)單關(guān)系是二者成正比，切應(yīng)變率公式為： 其中，稱(chēng)為粘滯系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度。上式稱(chēng)為牛頓粘滯性定律。4.粘彈性的特征表現(xiàn)：松弛性 滯后性 蠕變性5.骨受力（彎曲、扭轉(zhuǎn)）應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)彎曲：顯然，梁的內(nèi)部應(yīng)力很小。骨骼的層狀結(jié)構(gòu)十分巧妙，最外層為韌性很好的骨膜，再向里為密質(zhì)骨、疏質(zhì)骨、骨髓腔，充分地發(fā)揮了骨組織的力學(xué)效能。扭轉(zhuǎn)：長(zhǎng)度為l的圓柱體在力矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)形變?nèi)鐖D1。扭轉(zhuǎn)圓柱體剪切應(yīng)變沿徑向的分布及沿軸向的分布

4、如圖2.三論述題（計(jì)算）1.解釋如圖所示的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線點(diǎn)a對(duì)應(yīng)滿(mǎn)足正比關(guān)系的最大應(yīng)力，即正比極限。ab 段應(yīng)力和應(yīng)變不再滿(mǎn)足正比關(guān)系,但撤外力后材料仍能復(fù)原,過(guò)b 撤外力后不再?gòu)?fù)原,而成塑性形變,d對(duì)應(yīng)發(fā)生彈性形變的最大應(yīng)力,稱(chēng)為彈性極限，c 斷裂點(diǎn),對(duì)應(yīng)強(qiáng)度極限。 2.寫(xiě)出Maxwell模型的應(yīng)變率、Vogit模型、Kelvin模型的外力F的推導(dǎo)過(guò)程及計(jì)算MaxwellVogitKelvin3.骨受力現(xiàn)象及其相關(guān)計(jì)算 圖2-6由于骨是粘彈性體,當(dāng)受到過(guò)大拉力作用,易在干骨區(qū)出現(xiàn)斷裂;且由上式分析形成垂直斷面;受壓損傷則多發(fā)生在蠕變區(qū),主要由剪切形變起作用,因而受壓損傷的斷裂面為4

5、5°的斜面。 圖2-7彎曲而產(chǎn)生的骨折將會(huì)發(fā)生特征的“Y”缺口，并易形成游離碎骨.由于骨的抗壓強(qiáng)度大于抗張強(qiáng)度，骨折在拉伸一側(cè)（即底側(cè)）開(kāi)始，下面形成 = 0的豎直斷裂面，隨著未斷裂截面積的減小，應(yīng)力增大，當(dāng)受壓部分達(dá)到抗壓限度時(shí)，將沿著45°的兩個(gè)斜截面分開(kāi)。 放射生物物理現(xiàn)實(shí)中的輻射現(xiàn)象：天然輻射源：宇宙射線 地下礦藏 體內(nèi)微量放射性元素人工輻射源：核反應(yīng)堆 帶電粒子加速器 醫(yī)學(xué)放射源 核武器 電腦 手機(jī)射線與物質(zhì)的相互作用及效應(yīng)（圖表）光子X(jué)光子進(jìn)入生物組織康普頓效應(yīng)光電效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)高速電子電子沿徑跡損失能量電離激發(fā)熱韌致輻射物化階段生化階段生物階段防護(hù)材料（X射線

6、、射線、射線、中子）防X、射線選鉛、鐵、水泥、磚等。高質(zhì)量物質(zhì)防射線選鋁、有機(jī)玻璃、塑料等低質(zhì)量物質(zhì)防種子選石蠟、硼酸和水等。防護(hù)的基本原則：正當(dāng)化原則最優(yōu)化原則限值化原則外照射防護(hù)三要素：防護(hù)時(shí)間距離防護(hù)屏蔽防護(hù)放射性活度、吸收劑量、當(dāng)量劑量、有效劑量的物理含義及其計(jì)算電離輻射的作用機(jī)制（圖表）直接作用間接作用與DNA直接作用通過(guò)自由基與DNA作用純物理過(guò)程物理、化學(xué)過(guò)程液態(tài)環(huán)境損傷專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)的解釋?zhuān)纾篒CRP、粒子注量、比鉛當(dāng)量等。鉛當(dāng)量：用鉛作為比較各種防護(hù)材料的屏蔽性能的標(biāo)準(zhǔn),把具有一定厚度的某屏蔽材料對(duì)應(yīng)相同屏蔽效果的鉛層厚度,稱(chēng)為該屏蔽材料在該厚度下的鉛當(dāng)量,單位厚度防護(hù)材料的鉛當(dāng)

7、量叫比鉛當(dāng)量.粒子注量：進(jìn)入具有單位截面積小球的粒子數(shù).ICRP：國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)生物物理技術(shù)名詞解釋滲透壓：用理想半透膜將純?nèi)軇┖腿芤焊糸_(kāi)，發(fā)現(xiàn)溶劑透過(guò)半透膜向溶液作單方向滲透。滲透的結(jié)果導(dǎo)致溶液一側(cè)的液面上升，在半透膜兩側(cè)產(chǎn)生壓強(qiáng)差，達(dá)到平衡時(shí)出現(xiàn)的壓強(qiáng)差稱(chēng)為溶液的滲透壓。相對(duì)黏度：溶液黏度與溶劑黏度的比值增比黏度：溶液黏度與溶劑黏度增加的相對(duì)值，反映溶質(zhì)對(duì)溶液黏度的貢獻(xiàn)。比濃黏度：?jiǎn)挝粷舛鹊娜苜|(zhì)對(duì)黏度的貢獻(xiàn)。特性黏度：溶液濃度無(wú)限稀釋時(shí)的比濃黏度，其值與濃度無(wú)關(guān)。它反映個(gè)別溶質(zhì)分子對(duì)溶液黏度的貢獻(xiàn)。它只與溶質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、大小及在溶液中形態(tài)有關(guān)。透光率：透過(guò)透明或半透明體的光通量與其入射光

8、通量的百分率。紫外可見(jiàn)光吸收光譜：利用物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見(jiàn)光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見(jiàn)光譜及吸收程度對(duì)物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、測(cè)定、推斷的分析方法。熒光光譜術(shù)：熒光光譜術(shù)是利用某些物質(zhì)被一定波長(zhǎng)的光照射所產(chǎn)生的、能夠反映物質(zhì)特性的熒光來(lái)進(jìn)行物質(zhì)的定性和定量分析的方法。紅外吸收光譜的指紋區(qū)：1300650cm-1區(qū)域：吸收光譜較復(fù)雜，除單鍵的伸縮振動(dòng)外，還有變形振動(dòng)。能反映分子結(jié)構(gòu) 的細(xì)微變化指紋區(qū)如何發(fā)生熒光淬滅效應(yīng)：熒光強(qiáng)度對(duì)溫度變化敏感，溫度降低時(shí)，溶液的黏度增大，熒光分子與溶劑分子的碰撞減少。溫度增加，外轉(zhuǎn)換去活的幾率增加。溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成熒光淬滅。溶液的濃度較低時(shí)，熒光強(qiáng)

9、度與熒光物質(zhì)的濃度成正比，當(dāng)達(dá)到一定濃度后就不再有這種關(guān)系，濃度過(guò)大時(shí)發(fā)生熒光淬滅。熒光壽命：熒光壽命F 分子處于激發(fā)態(tài)的平均時(shí)間。如果熒光衰減符合指數(shù)衰減規(guī)律，熒光壽命就是發(fā)光強(qiáng)度衰減到e-1時(shí)所需時(shí)間。隧道效應(yīng)：粒子可以穿過(guò)比它的能量更高的勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為隧道效應(yīng)。熒光弛豫過(guò)程：光進(jìn)入物質(zhì)時(shí)，部分能量被吸收。吸收外來(lái)光子后被激發(fā)到激發(fā)態(tài)的分子具有較高的能量不穩(wěn)定，可以通過(guò)不同途徑釋放能量回到基態(tài)，該過(guò)程為弛豫過(guò)程。光的力學(xué)效應(yīng)：在物體上的力等于光引起的單位時(shí)間內(nèi)物體動(dòng)量的改變，并由此引起物體的位移和速度的變化，稱(chēng)之為光的力學(xué)效應(yīng)。光壓：由于光輻射對(duì)物體產(chǎn)生的力通常稱(chēng)之為光的輻射壓力，簡(jiǎn)稱(chēng)

10、光壓。光鑷原理：又稱(chēng)為單光束梯度力光阱(single-beam optical gradient force trap)，是利用光與物質(zhì)間動(dòng)量傳遞的力學(xué)效應(yīng)而形成的三維勢(shì)阱來(lái)捕獲和操縱微粒的技術(shù)。納米技術(shù)：指在1-100nm尺度范圍內(nèi)研究和應(yīng)用原子、分子的結(jié)構(gòu)特征及其相互作用的高新技術(shù)，它是基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。公式解析簡(jiǎn)述Q：光譜分析中可獲得什么信息？各種信息表達(dá)的內(nèi)容是什么？A:譜線位置：反映波長(zhǎng)或頻率的信息，代表某種吸收或發(fā)射基團(tuán)的特征躍遷，據(jù)此辨認(rèn)基團(tuán)或化合物的存在。譜線強(qiáng)度：強(qiáng)度與吸收或發(fā)射基團(tuán)的數(shù)目成正比，是定量分析的依據(jù)。譜線寬度：由發(fā)光物質(zhì)激發(fā)態(tài)壽命和光源與觀察者的相

11、對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定。通過(guò)寬度可以了解生物分子的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和相互作用的狀況。譜線結(jié)構(gòu)：通過(guò)高分辨率儀器，可得到譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，能提供發(fā)光物質(zhì)有關(guān)能級(jí)分布及基團(tuán)間相互作用的信息。Q：流體力學(xué)技術(shù)中哪些方法是測(cè)量分子量的獨(dú)立方法？A：離心法（沉降平衡法）、滲透壓法、黏度法 Q：沉降平衡法和沉降速度法的異同點(diǎn)是什么？它們的優(yōu)、缺點(diǎn)各是什么？方法相同點(diǎn)不同點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)沉降速度法同屬于離心法測(cè)定分子量的方法1離心場(chǎng)大于等于106g2行程上清液和濃度相等的坪區(qū)當(dāng)分離帶有不同S值的混合溶液是，沉降速度較快的分子在穿過(guò)沉降速度較慢的分子時(shí)會(huì)受到污染引起誤差。沉降平衡法1離心場(chǎng)約為104g2形成很大的濃度梯度，達(dá)到

12、平衡。不必測(cè)定擴(kuò)散系數(shù)，可以從濃度的分布直接計(jì)算M值，是測(cè)定分子量的獨(dú)立方法，也是現(xiàn)有測(cè)定大分子量的最準(zhǔn)確的物理方法。試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定性不高的體系的測(cè)定是不利的。Q：沉降系數(shù)的意義是什么？A：每單位引力場(chǎng)生物大分子下沉的速度稱(chēng)為沉降系數(shù)，反映了每單位引力場(chǎng)生物大分子下沉的速度;應(yīng)用于命名生物大分子。Q：簡(jiǎn)述滲透壓法中三個(gè)方法的要點(diǎn)？A：滲透平衡法：恒溫下將滲透壓計(jì)靜置一段時(shí)間，自然達(dá)到平衡狀態(tài)，記下兩側(cè)液面的高度差，減去毛細(xì)升高項(xiàng)，即為滲透壓值。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)升降中點(diǎn)法：將滲透壓計(jì)中溶液液面升高，使其高于平衡值h。在趨向滲透平衡過(guò)程中液面不斷下降，記錄各個(gè)時(shí)間的液面高度

13、，繪制下降曲線。反過(guò)來(lái)繪制上升曲線。將兩條曲線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)連接起來(lái)，求其中點(diǎn)。中點(diǎn)的連線趨于一水平線，該線所在的高度即為滲透平衡時(shí)的液柱高，將液柱高減去毛細(xì)校正項(xiàng)即得滲透壓值。速率終點(diǎn)法：在不同液面高度差或外加壓強(qiáng)下測(cè)定溶液的透過(guò)速率dh/dt。描繪dh/dt-h坐標(biāo)圖，用內(nèi)插法求出dh/dt=0時(shí)的h值，得到滲透壓。該方法不需要等待滲透平衡，測(cè)量迅速。Q：熒光測(cè)量的主要參數(shù)：熒光量子產(chǎn)額和熒光強(qiáng)度的意義？A：熒光測(cè)量的主要參數(shù)：量子產(chǎn)額g：物質(zhì)發(fā)射的熒光量子數(shù)與吸收量子數(shù)之比熒光強(qiáng)度：表示熒光的相對(duì)強(qiáng)弱。 Q：影響熒光強(qiáng)度的主要因素有哪些？A:其中：K：決定于該儀器的儀器常數(shù) I0：激發(fā)光的強(qiáng)度

14、 ：摩爾吸收系數(shù) 0：熒光量子效率 b：樣品池的厚度 C：樣品的濃度1. 溶液PH 2.溶劑的極性與黏度 3.溫度的影響 4.溶液的濃度 5.激發(fā)光Q：Stokes效應(yīng)與反Stokes效應(yīng)是什么？A： 處于振動(dòng)基態(tài)的分子在光子作用下，激發(fā)到較高的不穩(wěn)定的能態(tài)（虛態(tài)）后又回到較低能級(jí)的振動(dòng)激發(fā)態(tài)。此時(shí)激發(fā)光能量大于散射光能量，產(chǎn)生拉曼散射的斯托克斯線，散射光頻率小于入射光。若光子與處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)（V1）的分子相互作用，使分子激發(fā)到更高的不穩(wěn)定能態(tài)后又回到振動(dòng)基態(tài)（V0）, 散射光的能量大于激發(fā)光，產(chǎn)生反斯托克斯散射，散射光頻率大于入射光。Q：產(chǎn)生共振拉曼散射的條件是什么？A：選擇 的入射光的頻率

15、正好是將吸收光輻射的分子激發(fā)至基態(tài)以上的電子能級(jí)所需要的頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振拉曼散射Q：簡(jiǎn)述磁共振原理，并說(shuō)明它與電子自旋共振的差異？A： NMR基本原理：是利用一定頻率的電磁波照射處于磁場(chǎng)中的原子核，原子核在電磁的作用下發(fā)生磁共振，吸收電磁波的能量，隨后又發(fā)射電磁波，即發(fā)出磁共振信號(hào)。電子自旋共振EPR和NMR都屬磁共振譜，主要的區(qū)別：1.EPR和NMR是分別研究電子磁矩和核磁矩在外磁場(chǎng)中重新取向所需的能量。2.EPR的共振頻率在微波波段，NMR共振頻率在射頻波段。3.EPR的靈敏度比NMR的靈敏度高，EPR檢出所需自由基的絕對(duì)濃度約在10-8M的數(shù)量級(jí)。4.EPR和NMR儀器結(jié)構(gòu)上的差別，

16、前者是恒定頻率，采取掃場(chǎng)法，后者還可以恒定磁場(chǎng)，采取掃頻法。Q：什么是化學(xué)位移？那些因素影響化學(xué)位移？A：化學(xué)位移:是各種有機(jī)分子中，質(zhì)子所受到的屏蔽效應(yīng)程度不同導(dǎo)致在和磁共振譜上所產(chǎn)生的吸收峰位置不同的現(xiàn)象。影響因素：誘導(dǎo)效應(yīng)。拉電子基團(tuán)越多，這種影響越大。基團(tuán)距離越遠(yuǎn)，受到的影響越小。各向異性：芳香環(huán)的各向異性。雙鏈化合物的各向異性。三鍵化合物的各向異性氫鍵的影響：分子內(nèi)氫鏈同樣可以影響質(zhì)子的共振吸收。Q：用NMR和EPR對(duì)樣品進(jìn)行分析時(shí)主要依據(jù)那些特征？A:NMR：1化學(xué)位移 2耦合常數(shù) 3峰的面積 4弛豫時(shí)間EPR：1確定樣品中是否有順磁性分子、原子或缺陷存在。如果樣品中有未成對(duì)電子，

17、只要實(shí)驗(yàn)觀察條件選擇適當(dāng)，信號(hào)大小可在儀器檢測(cè)靈敏度之內(nèi)，就能觀測(cè)到EPR。2確定樣品中未成對(duì)電子的總數(shù)。EPR信號(hào)的大小是與未成對(duì)電子總數(shù)成比例的，通過(guò)與已知標(biāo)準(zhǔn)樣品比較信號(hào)的相對(duì)大小，即可求出樣品中未成對(duì)電子總數(shù)。3鑒定順磁分子的類(lèi)型。不同的順磁分子產(chǎn)生不同的EPR譜，通過(guò)對(duì)譜的位置、形狀、譜線條數(shù)等分析，可以知道是自由基還是過(guò)渡金屬離子或其他順磁缺陷。4獲得未成對(duì)電子所在環(huán)境的信息。Q：掃描隧道顯微鏡的原理及其在生命科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。A：工作原理：掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)(通常小于 1 nm)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極，形成隧道電流。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息。應(yīng)用：STM能夠在較高的分辨率水平觀察樣品的實(shí)三維結(jié)構(gòu)表明。STM可適用于不同的探測(cè)環(huán)境。STM可用于研究核酸蛋白質(zhì)等生物樣品的結(jié)構(gòu)。STM不僅能在分子水平上直接觀察生物樣品。而且能在更大的范圍觀察生物樣品的表面形貌。Q：掃描力顯微鏡的原理及其