生物光子學3-02

1、主講人：劉立新西安電子科技大學第第 3 章章光與生物體的相互作用光與生物體的相互作用 內容回顧內容回顧1. 光與生物體的相互作用：光與生物體的相互作用：吸收、反射、折射、散射、吸收、反射、折射、散射、發(fā)光、發(fā)光、光化學、光聲等多種表現(xiàn)形式或現(xiàn)象；光化學、光聲等多種表現(xiàn)形式或現(xiàn)象；2. 光與分子光與分子的相互作用，是光與生物體相互作用的基礎；的相互作用，是光與生物體相互作用的基礎；3. 光與細胞光與細胞的相互作用會引發(fā)一系列連鎖反應，并產生物理、的相互作用會引發(fā)一系列連鎖反應，并產生物理、熱力學、機械或化學上的各種變化，但這些大部分是由光熱力學、機械或化學上的各種變化，但這些大部分是由光的的線性

2、吸收線性吸收引發(fā)的；引發(fā)的；3 內容回顧內容回顧4. 組織組織對光的傳播產生對光的傳播產生吸收吸收、散射、折射和反射；、散射、折射和反射；n 在弱光照明（如普通照明燈或連續(xù)激光光源）下組織的光吸收為線在弱光照明（如普通照明燈或連續(xù)激光光源）下組織的光吸收為線性吸收，可由性吸收，可由朗伯朗伯-比爾定律比爾定律來描述，即薄層材料所吸收的輻射能來描述，即薄層材料所吸收的輻射能與總輻射能的比值，依賴于吸收物質的性質以及入射光波長和吸收與總輻射能的比值，依賴于吸收物質的性質以及入射光波長和吸收層的厚度；層的厚度；n 組織吸收的表征：吸收截面、吸收系數(shù)；組織吸收的表征：吸收截面、吸收系數(shù)；n 近紅外光測量

3、和治療的光學窗口近紅外光測量和治療的光學窗口（600-900nm，NIR window）；n 描述組織對光的吸收程度隨光波長變化的曲線即為描述組織對光的吸收程度隨光波長變化的曲線即為吸收光譜吸收光譜，通常，通常以吸光度或吸收系數(shù)作為縱坐標，以波長或波數(shù)作為橫坐標來表示。以吸光度或吸收系數(shù)作為縱坐標，以波長或波數(shù)作為橫坐標來表示。43.4.1 組織對光的吸收組織對光的吸收3.4.2 組織對光的散射組織對光的散射3.4.3 生物組織與熒光生物組織與熒光3.4.4 光熱效應和光聲效應光熱效應和光聲效應3.4.5 光化學效應光化學效應3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用5n 散射效應散

4、射效應n 彈性散射彈性散射 n 非彈性散射非彈性散射n 組織體出射光子的分類和修正的朗伯比爾定組織體出射光子的分類和修正的朗伯比爾定理理 3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用6反射、折射、漫反射和散射 3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用71 1、散射效應、散射效應（1）反射反射遵守菲涅爾（遵守菲涅爾（Fresnel）定律，即入射角等于反射角且入射光線和）定律，即入射角等于反射角且入射光線和反射光線在同一個平面內。反射光線在同一個平面內。組織體的折射率在紅光及近紅外波段一般取為1.4。p水為 1.33，p脂肪組織約為1.45，p牙等硬組織為1.62，p其它組織為

5、 1.36-1.40 光在組織體中的傳播速度約為光在組織體中的傳播速度約為0.21mm/ps（3）對于生物組織來說由于其表面的粗燥度大于輻射的波長，因此會出）對于生物組織來說由于其表面的粗燥度大于輻射的波長，因此會出現(xiàn)現(xiàn)漫反射漫反射，此時被反射的許多光束向不同的方向無規(guī)則地反射，反射光線，此時被反射的許多光束向不同的方向無規(guī)則地反射，反射光線并不一定處于同一平面。并不一定處于同一平面。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用8（2）折射折射遵守斯涅爾（遵守斯涅爾（Snell）定律，即）定律，即n1sin1=n2sin2；在激光醫(yī)學的應用；在激光醫(yī)學的應用中，只有當光照射到角膜這樣的

6、透明介質時折射才起重要作用。中，只有當光照射到角膜這樣的透明介質時折射才起重要作用。n當光垂直照射某些介質時，當光垂直照射某些介質時，在光的傳播方向之外，甚至在在光的傳播方向之外，甚至在媒質的側面也會看到光束的軌跡，這種現(xiàn)象無法用反射或媒質的側面也會看到光束的軌跡，這種現(xiàn)象無法用反射或折射現(xiàn)象來解釋。折射現(xiàn)象來解釋。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用9n光在組織體中的散射被認為是由于組織體的光在組織體中的散射被認為是由于組織體的密度、折射率、密度、折射率、介電常數(shù)介電常數(shù)等的空間雜亂分布引起的，等的空間雜亂分布引起的，散射改變了光子的傳播散射改變了光子的傳播方向方向。3.4

7、光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用10宏觀尺度（宏觀尺度（macroscopical level)：如果組織體的不均勻尺度遠大于波長如果組織體的不均勻尺度遠大于波長的數(shù)量級，例如處理組織體邊界、組織體和探測器以及組織體之間的區(qū)的數(shù)量級，例如處理組織體邊界、組織體和探測器以及組織體之間的區(qū)域時，我們稱之為宏觀尺寸域時，我們稱之為宏觀尺寸發(fā)生折射，反射，漫反射發(fā)生折射，反射，漫反射如果尺度達到可見光波長數(shù)量級的組織小塊間存在折射率的較大差異，如果尺度達到可見光波長數(shù)量級的組織小塊間存在折射率的較大差異，光線除了按照幾何光學規(guī)律傳播發(fā)生反射和折射外，還會發(fā)生散射。光線除了按照幾何光學規(guī)律傳

8、播發(fā)生反射和折射外，還會發(fā)生散射。強散射性正是源于組織體折射率的半微觀上的不強散射性正是源于組織體折射率的半微觀上的不均勻性！均勻性！物質的粒子性物質的粒子性3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用11散射與組織體的均勻性相關聯(lián)！散射與組織體的均勻性相關聯(lián)！n散射的類型（根據(jù)光量子和被作用分子是否有能量交換） 拉曼散射非彈性散射米散射瑞利散射寸）彈性散射（根據(jù)粒子尺散射-頻率高的光子表現(xiàn)出的粒子性強，頻率低的光子表現(xiàn)出的波動性強。 3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用12組織中光散射分類組織中光散射分類133.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用142、

9、彈性散射 所謂的彈性散射是指散射光和入射光具有相同的波矢所謂的彈性散射是指散射光和入射光具有相同的波矢和波長，即光量子和被作用分子間和波長，即光量子和被作用分子間沒有能量的交換沒有能量的交換。A Ag ge eo om me et tr ri ic ca al l c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on ne ef ff fe ec ct ti iv ve e c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on n = = Q Q A As ss s1）單個粒子的散射、散射截面）單個粒子的散射、散射截面 散射截面(scattering

10、 cross-section)3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用153.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用160scasPIAIPin00()outsPIA散射的定義散射的定義散射截面表示了入射光強度和散射功率之間的比例關系。（A）入射光束到達散射體之前，其功率是均勻的，Pin=I0A，其中I0是光波的強度，A是截面積；（B）和散射體作用后，部分能量由于散射而偏離原來的傳播方向，光束的強度不再均勻；（C）散射的功率等于入射光束中某一面元s的功率，s正是散射截面。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用17following Fresnel & Sne

11、ll Laws3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用根據(jù)尺度參數(shù)的大小，彈性散射可分為三類：18彈性散射的分類：n瑞利散射瑞利散射(x1)：n散射強度和觀察方向的關系：散射光強度隨觀察方向變化，并且由于瑞利散射和散射角余弦的平方有關，因此瑞利散射前后向對稱。n散射強度與波長的四次方成反比，散射截面以及散射光強度隨波長增加而減小。Q: 解釋大氣對太陽光的散射，晴天天空是蔚藍的。正午的太陽基本呈白色的？（因為在大氣散射的太陽光中，短波長光占優(yōu)勢）3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用19n米散射米散射(0.1x50) ：n對波長的依賴性弱；n散射粒子的尺寸與光波長相近時

12、，散射光強度的對稱性被破壞；n散射具有強烈的前向趨勢，且隨著顆粒尺寸的增加，散射的前向趨勢也隨之增大。入射光方向入射光方向散射粒子尺寸變大Mie散射的散射光強隨著粒子尺寸的變大具有更強烈的前向趨勢散射的散射光強隨著粒子尺寸的變大具有更強烈的前向趨勢Q: 解釋白云為什么是白色的？（因為其中的小水滴的尺寸接近于可見光波長，可見光在小水滴上產生米散射，又由于散射光強和光波長的關系不大，所以云霧看起來是白色的。）3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用20n發(fā)生在組織體內的彈性散射發(fā)生在組織體內的彈性散射 瑞利散射和米散射均不能很好地描述光在生物組織體發(fā)生的散射過程，此時需要定義一個用來度

13、量散射各向異性的量或稱為各向異性系數(shù)。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用212）多個粒子的散射、散射系數(shù)）多個粒子的散射、散射系數(shù) 散射系數(shù)（散射系數(shù)（scattering coefficient） ss 在具有多種散射體的混合媒質情況下，總的散射系數(shù)由下式決定：在具有多種散射體的混合媒質情況下，總的散射系數(shù)由下式決定：iiisiiss)()()(,3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用 如果單位體積內具有如果單位體積內具有個散射粒子，每一個粒子的散射截面均為個散射粒子，每一個粒子的散射截面均為S，定義散射系數(shù)為定義散射系數(shù)為 經過距離經過距離 l 后沒有被散射

14、的光強可表示為后沒有被散射的光強可表示為：0eslII223、非彈性散射：、非彈性散射： 在散射過程中入射光量子和被測分子之間進行在散射過程中入射光量子和被測分子之間進行能量交換能量交換，即散射光波長和入射光波長不相等，這類散射稱為非彈性即散射光波長和入射光波長不相等，這類散射稱為非彈性散射。散射。非彈性散射可能發(fā)生在兩種情況下，一是當光被移動非彈性散射可能發(fā)生在兩種情況下，一是當光被移動著的微粒所散射，發(fā)生著的微粒所散射，發(fā)生多普勒頻移多普勒頻移；另一種是發(fā)生；另一種是發(fā)生拉曼散拉曼散射射，即分子振動態(tài)的變化使散射光產生頻移。，即分子振動態(tài)的變化使散射光產生頻移。3.4 光與生物組織的相互作

15、用光與生物組織的相互作用2324多普勒效應多普勒效應是為紀念克里斯琴是為紀念克里斯琴多普勒多普勒約翰（約翰（Doppler, Christian Johann）而命名的，他于）而命名的，他于1842年首先提出了這一年首先提出了這一理論。理論。主要內容：主要內容：物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高短，頻率變得較高 （藍移藍移 blue shift）；當運動在波源后面）；當運動在波源后面時，會產生相反的效應，波長變得較長，頻率變得較低時，

16、會產生相反的效應，波長變得較長，頻率變得較低 （紅移紅移red shift）。）。例如，例如，火車從遠而近時汽笛聲變響，音調變尖，而火車從火車從遠而近時汽笛聲變響，音調變尖，而火車從近而遠時汽笛聲變弱，音調變低。近而遠時汽笛聲變弱，音調變低。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用多普勒頻移拉曼散射彈性碰撞：瑞利散射非彈性碰撞：拉曼散射3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用25 關于拉曼散射的討論：關于拉曼散射的討論：3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用26n拉曼散射拉曼散射n拉曼散射與入射光的波長無關，只與物質本身的分子結拉曼散射與入射光的波長無關，

17、只與物質本身的分子結構和振動有關。構和振動有關。n可被用于研究物質化學組成和分子結構，尤其是介質中可被用于研究物質化學組成和分子結構，尤其是介質中分子的振動能級。分子的振動能級。n當入射光子和分子相碰撞時，分子的振動能量或轉動能當入射光子和分子相碰撞時，分子的振動能量或轉動能量和光子能量相疊加，因此利用拉曼光譜可以把處于紅量和光子能量相疊加，因此利用拉曼光譜可以把處于紅外區(qū)的分子能譜轉移到可見光區(qū)來觀測。外區(qū)的分子能譜轉移到可見光區(qū)來觀測。 3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用27n拉曼散射拉曼散射n拉曼散射的應用：拉曼散射的應用： （a）肺癌組織和（b）正常組織的拉曼光譜3.

18、4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用28 渾濁介質（渾濁介質（turbid medium）:同時存在吸收和散射的介質。同時存在吸收和散射的介質。 總衰減系數(shù)總衰減系數(shù)(total attenuation coefficient)： 總衰減截面總衰減截面(total attenuation cross section) ： 平均自由程平均自由程(mean free path): 光漫反照率光漫反照率(optical albedo):sattsatttl1sasa 定義結合了吸收和散射之后的新參數(shù)定義結合了吸收和散射之后的新參數(shù)3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用294

19、、組織體出射光子的分類和修正的朗伯比爾定理 修正的朗伯比爾定理(modified Lambert-Beers law, MLBL) 對于對于足夠薄的媒質足夠薄的媒質（光傳播路徑小于平均散射自由程），多次散射可以（光傳播路徑小于平均散射自由程），多次散射可以被忽略，假設入射光強被忽略，假設入射光強I0，可以得到經過厚度為，可以得到經過厚度為l的組織體后的光強為：的組織體后的光強為：0alII e 光學厚層媒質光學厚層媒質，由于多次散射作用增加了光子在組織體中傳輸?shù)穆?，由于多次散射作用增加了光子在組織體中傳輸?shù)穆窂介L度，因此也極大地增加了光子被吸收的可能性。徑長度，因此也極大地增加了光子被吸收的可

20、能性。II可以肯定的是：3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用30思路：對路徑進行修正ODcBlGG：代表背景引起的損耗：代表背景引起的損耗B：稱為路徑因子：稱為路徑因子(differential pathlength factor, DPF)，描述由散射引起的光傳播路徑的加長。描述由散射引起的光傳播路徑的加長。則Lamber-Beer 定理可以寫成：101tlII elB l為光學距離modified Lambert-Beers law3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用31ODclBeer定理：定理： n出射光子的分類n對于生物組織這樣的混沌介質，如果以超短激

21、光脈沖入對于生物組織這樣的混沌介質，如果以超短激光脈沖入射，則出射的光可以按照其在組織體中傳播的時間被分射，則出射的光可以按照其在組織體中傳播的時間被分為三類。為三類。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用32。n出射光子的分類n通常三類出射光子中漫散射光占大多數(shù)；n彈道光和蛇形光又被統(tǒng)稱為早期到達光。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用33（1）彈道光的特點p 光子具有相同的且最短的光子飛行時間。p 在光的入射方向出射。p 保持了入射光的相干性。（2）蛇形光的特點p 飛行時間略長于彈道光。p 出射方向分布在入射光方向周圍較小的立體角內。p 基本保持了入射光的相干

22、性。共性p可應用L-Bp 穿透深度小Application: OCT (optical coherence tomography)（3）漫射光的特點p 經過不同的路徑到達表面，在組織內傳播所經歷的飛行時間差異很大。p 組織體的表面的出射光強是一個時間分布曲線（temporal profile），分布曲線的形狀不但和組織體厚度有關而且和組織體的光學參數(shù)有關。p 出射方向幾乎是任意的。p 不再保持相干性。Application：DOT (diffused optical tomography)p無法應用L-B3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用34 1.生物組織的熒光效應2.熒光發(fā)

23、光的表征 3.生物組織的自體熒光與外熒光3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用35Glow sticksA Firefly at night with its abdomen lit up.Fireflies at night, exposure time 30 secondsFireflies Bioluminescence!3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用3637 Fluorescent cells: Bovine pulmonary arthery endothelial cells1、生物組織的熒光效應3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作

24、用38吸收光頻:iivShvS光化學初級過程：熒光產生步驟：發(fā)射光頻:ffvhvSS熒光是物質在吸收了外來激發(fā)光并通過光化學過程后發(fā)射的波長長于激發(fā)光的光。分為自體熒光和外源熒光。動力學過程動力學過程: :3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用39熒光是如何產生的？熒光是如何產生的？自旋和原來方向一致自旋和原來方向一致和原來方向相反和原來方向相反三重態(tài)三重態(tài)(T)(T)具有比單重態(tài)具有比單重態(tài)(S)(S)更低的能量和更大的激發(fā)態(tài)壽命。更低的能量和更大的激發(fā)態(tài)壽命。 單重態(tài)（singlet, S）：同一軌道上的電子具有相反方向的自旋。單重激發(fā)態(tài)：電子在新軌道中的自旋方向和原來相同。

25、三重（triplet, T）激發(fā)態(tài)：電子在新軌道中的自旋方向和原來相反。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用40S*S*T*吸收吸收發(fā)射熒光發(fā)射熒光發(fā)射磷光發(fā)射磷光系間跨越內轉換振動弛豫外轉換外轉換吸收吸收振動弛豫外轉換S0振動弛豫1 1）無輻射躍遷的方式回到第一）無輻射躍遷的方式回到第一或第三重激發(fā)態(tài)的最低振動態(tài)或第三重激發(fā)態(tài)的最低振動態(tài)能級轉換圖能級轉換圖3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用41電子回到基態(tài)過程電子回到基態(tài)過程: :2 2）通過輻射躍遷或無輻射躍遷）通過輻射躍遷或無輻射躍遷的方式回到基態(tài)的方式回到基態(tài)熒光和磷光的產生過程熒光和磷光的產生過程無

26、輻射躍遷無輻射躍遷：指以放熱的形式將多余的能量輻射給周圍環(huán)境，包括：(a) 振動馳豫振動馳豫 ( vibrational relaxation, VR)：振動態(tài)內的躍遷：振動態(tài)內的躍遷(b) 內轉換內轉換 ( internal conversion, IC)：單（三）重態(tài)到單（三）重態(tài)間：單（三）重態(tài)到單（三）重態(tài)間的躍遷的躍遷(c) 外轉換外轉換 ( external conversion, EC)：激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷：激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷(d) 系間跨越系間跨越 ( intersystem crossing, ISC)：單重態(tài)到三重態(tài)間的躍遷：單重態(tài)到三重態(tài)間的躍遷輻射躍遷輻射躍遷：指以放光

27、的形式將多余的能量輻射給周圍環(huán)境。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用42總總 結結采用采用振動馳豫振動馳豫 ( vibrational relaxation,VR)( vibrational relaxation,VR)、內轉換、內轉換(internal conversion,IC)(internal conversion,IC) 回到單重激發(fā)態(tài)的最低振動態(tài)回到單重激發(fā)態(tài)的最低振動態(tài)外轉換外轉換回到基態(tài)振動馳豫振動馳豫無輻射躍遷無輻射躍遷系間跨越、系間跨越、振動馳豫振動馳豫回到三重激發(fā)態(tài)的最低振動能級3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用43 回到基態(tài)最高振動能

28、級產生熒光產生熒光產生磷光產生磷光n熒光光譜熒光光譜n熒光光譜形狀和吸收光譜的形狀極為相似，并呈現(xiàn)熒光光譜形狀和吸收光譜的形狀極為相似，并呈現(xiàn)“鏡像鏡像”現(xiàn)象現(xiàn)象（能級結構近似）；（能級結構近似）；n熒光熒光波長總是比激發(fā)波長稍長（斯托克斯紅移）；波長總是比激發(fā)波長稍長（斯托克斯紅移）；n發(fā)射光譜的形狀和激發(fā)光的波長無關（發(fā)射都是從第一電子激發(fā)態(tài)發(fā)射光譜的形狀和激發(fā)光的波長無關（發(fā)射都是從第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級躍遷）；的最低振動能級躍遷）；3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用44 exc fluoIntensityWavelengthn只有一個熒光帶（只有從第一電子激只有

29、一個熒光帶（只有從第一電子激發(fā)態(tài)最低振動能級到基態(tài)的躍遷一條發(fā)態(tài)最低振動能級到基態(tài)的躍遷一條途徑）；途徑）；n熒光發(fā)射的強度和激發(fā)光的波長有關熒光發(fā)射的強度和激發(fā)光的波長有關（激發(fā)波長決定了激發(fā)效率）。（激發(fā)波長決定了激發(fā)效率）。2、熒光發(fā)光的表征 n量子效率量子效率/量子產額（量子產額（quantum yield）n影響量子產額的因素主要有：影響量子產額的因素主要有：n內部因素：分子內可進行能量轉換的振動能級數(shù)目等內部因素：分子內可進行能量轉換的振動能級數(shù)目等n外部因素：物質分子所處的環(huán)境（需要穩(wěn)定的環(huán)境）外部因素：物質分子所處的環(huán)境（需要穩(wěn)定的環(huán)境）吸收的光子數(shù)目發(fā)出的光子數(shù)目3.4 光與

30、生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用45n熒光強度熒光強度n假設強度為假設強度為I0的激發(fā)光入射到介質中，根據(jù)量子效率的定義和的激發(fā)光入射到介質中，根據(jù)量子效率的定義和L-B定理，能夠檢測到的熒光強度為：定理，能夠檢測到的熒光強度為：n其中其中 為摩爾吸收系數(shù)，為摩爾吸收系數(shù)， l為樣品的厚度，為樣品的厚度， C為樣品中熒光劑的濃為樣品中熒光劑的濃度（回顧一下度（回顧一下L-B定律）；定律）；n對于極稀的溶液：對于極稀的溶液：)1 (0lCFeII05. 0lClCIIF03.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用46n熒光壽命熒光壽命n在在 脈沖激勵下，輻射由其本來強度衰減到脈

31、沖激勵下，輻射由其本來強度衰減到1/e時所需要的時間，時所需要的時間，稱為熒光壽命，用稱為熒光壽命，用 表示；表示；n熒光壽命不受激發(fā)光強度的影響，和組織所處的環(huán)境，如離子濃熒光壽命不受激發(fā)光強度的影響，和組織所處的環(huán)境，如離子濃度、氧壓、度、氧壓、PH等有關，因此可以作為判別組織病變的一個指標。等有關，因此可以作為判別組織病變的一個指標。)exp(0tII3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用47 (a) 正常組織 (b) 良性腫瘤 (c)癌組織 乳腺組織的自熒光3、生物組織的自體熒光與外熒光n自體熒光：自體熒光：由生物組織體內固有的熒光團吸收一定波長的光而引由生物組織體內固有

32、的熒光團吸收一定波長的光而引起的熒光發(fā)射；起的熒光發(fā)射；n自體熒光光譜的特異性差異反映了病變組織的特異性，使自體熒自體熒光光譜的特異性差異反映了病變組織的特異性，使自體熒光光譜應用于醫(yī)學診斷。光光譜應用于醫(yī)學診斷。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用48n外熒光：外熒光：熒光探劑或發(fā)熒光的物質分子發(fā)射的熒光；熒光探劑或發(fā)熒光的物質分子發(fā)射的熒光；n大多數(shù)生物組織其大分子中不含熒光團，需要用能發(fā)熒大多數(shù)生物組織其大分子中不含熒光團，需要用能發(fā)熒光的物質與生物組織大分子共價結合，利用光的物質與生物組織大分子共價結合，利用熒光物質熒光物質的的熒光特性標記所要研究的大分子中的某一基團熒

33、光特性標記所要研究的大分子中的某一基團外在外在熒光團（探劑）熒光團（探劑）；n作為熒光探劑必須具備的條件：作為熒光探劑必須具備的條件：n探劑與被研究分子的某一基因必須能特異性地、牢固探劑與被研究分子的某一基因必須能特異性地、牢固地結合；地結合；n探劑的熒光必須對環(huán)境靈敏；探劑的熒光必須對環(huán)境靈敏；n結合的探劑不應該影響被研究的大分子的結構特性。結合的探劑不應該影響被研究的大分子的結構特性。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用49光子的行為會受組織體的影響光子的行為會受組織體的影響（吸收、散射、反射、折（吸收、散射、反射、折射），射），從而使光可以作為診斷的工具；從而使光可以作為

34、診斷的工具；光也可以影響細胞或組織體（產生某種效應），此時光可光也可以影響細胞或組織體（產生某種效應），此時光可以用來作為治療的工具。以用來作為治療的工具。光熱效應就是光作為治療工具的一種典型代表。光熱效應就是光作為治療工具的一種典型代表。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用3.4.4 3.4.4 光熱效應和光聲效應光熱效應和光聲效應501 1、光熱效應、光熱效應( (photothermal effect) )：光熱效應：光熱效應：由于組織體在曝光時間內吸收了激光的能量并使其轉由于組織體在曝光時間內吸收了激光的能量并使其轉化成了熱，熱效應的最終結果是造成了組織體的損傷?；闪?/p>

35、熱，熱效應的最終結果是造成了組織體的損傷。光熱效應是醫(yī)學上最常用的一種激光與生物組織相互作用之一，光熱效應是醫(yī)學上最常用的一種激光與生物組織相互作用之一，也是產生光聲效應的基礎。也是產生光聲效應的基礎。過程：過程：當光入射到組織體時，組織體中的分子吸收光的能量躍遷當光入射到組織體時，組織體中的分子吸收光的能量躍遷到高的振動或轉動能級，在從高能級到低能級的無輻射躍遷中，到高的振動或轉動能級，在從高能級到低能級的無輻射躍遷中，分子將能量釋放給周圍組織，從而引起周圍組織發(fā)熱。分子將能量釋放給周圍組織，從而引起周圍組織發(fā)熱。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用3.4.4 3.4.4 光

36、熱效應和光聲效應光熱效應和光聲效應51n設入射到組織體表面的光強為設入射到組織體表面的光強為E，曝光時間，曝光時間t，根據(jù)輻射率和組織體的吸，根據(jù)輻射率和組織體的吸收系數(shù)，得到光熱密度（收系數(shù)，得到光熱密度（J/cm3）表達式：）表達式：n其中其中E為光輻射率，單位為為光輻射率，單位為W/cm2，t為曝光時間，單位為為曝光時間，單位為s，Et常被常被稱為輻射曝光量，單位為稱為輻射曝光量，單位為 J/cm2 ；n光熱密度引起的組織體表面溫升為：光熱密度引起的組織體表面溫升為： n其中其中Cp是用來描述組織體對熱的儲存能力的熱容（單位：是用來描述組織體對熱的儲存能力的熱容（單位： ），）， 為密度

37、（單位：為密度（單位：g/cm3），不同組織體對熱的儲存能力不同。），不同組織體對熱的儲存能力不同。aQEtpQTCoJ/(gC)3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用52n熱的產生：n另外，當組織體表面被光照射后，由于光被表面組織或淺層組織吸收，另外，當組織體表面被光照射后，由于光被表面組織或淺層組織吸收，使得到達深層組織的輻射度減少，進而在深層組織內引起較小的溫升，使得到達深層組織的輻射度減少，進而在深層組織內引起較小的溫升，n在深度在深度z z處可能引起的溫升為：處可能引起的溫升為：n溫升為表面溫升的溫升為表面溫升的1/e1/e時對應的深度為：時對應的深度為： 是光學穿透深

38、度是光學穿透深度；n組織體內的溫升或組織損傷程度主要取決于：組織體內的溫升或組織損傷程度主要取決于：輻射能量密度輻射能量密度曝光時間曝光時間組織的特性參數(shù)組織的特性參數(shù) eazT zT a13.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用53n熱在組織中傳導的表征：n當組織體被激光曝光后，熱傳導使得熱量傳播到未被曝當組織體被激光曝光后，熱傳導使得熱量傳播到未被曝光的組織，一方面導致未被曝光區(qū)域溫度升高，另一方光的組織，一方面導致未被曝光區(qū)域溫度升高，另一方面也導致曝光區(qū)域溫度降低。面也導致曝光區(qū)域溫度降低。n描述熱在組織中傳播的參數(shù)：描述熱在組織中傳播的參數(shù)：n熱擴散率熱擴散率：對于生物組

39、織，對于生物組織，n溫度傳導率溫度傳導率：n熱穿透深度：熱穿透深度：n熱弛豫時間：熱弛豫時間：3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用540.060.57(/)W /(m K)水2m /spCtherm( )4dtt2relax4T對于液態(tài)水和大多數(shù)組織對于液態(tài)水和大多數(shù)組織721.4 10 m / s1s法則法則 n熱效應對組織的影響：n溫度升高可產生可逆和不可逆兩種組織體損傷過程溫度升高可產生可逆和不可逆兩種組織體損傷過程可逆：體溫過高（可逆：體溫過高（42-50 C）不可逆：凝結不可逆：凝結、汽化、碳化、熔融汽化、碳化、熔融3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用

40、55注意：注意：組織體的損傷是曝光能量、曝光時間以及組織體特性的綜合組織體的損傷是曝光能量、曝光時間以及組織體特性的綜合效應，如果提供了足夠的功率密度和曝光時間，任何類型的激光器都效應，如果提供了足夠的功率密度和曝光時間，任何類型的激光器都可使組織體碳化和熔融。可使組織體碳化和熔融。2、光聲效應( (optoacoustic effect) )3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用56當當脈沖光脈沖光通過組織體時，組織體的吸收使樣品內沉積了與組織光學參數(shù)通過組織體時，組織體的吸收使樣品內沉積了與組織光學參數(shù)相關的相關的能量能量分布，從而短時間使組織體發(fā)熱。周期性熱流使周圍組織熱分

41、布，從而短時間使組織體發(fā)熱。周期性熱流使周圍組織熱脹冷縮，即產生脹冷縮，即產生熱彈效應熱彈效應，熱彈效應激發(fā)，熱彈效應激發(fā)超聲波超聲波，稱為光聲效應。，稱為光聲效應。當激光脈沖消失后，組織體恢復原狀，因此熱彈效應具有可逆性。當激光脈沖消失后，組織體恢復原狀，因此熱彈效應具有可逆性。兔腦的實物照片 兔腦的光聲圖像 n光聲效應應用3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用57利用光聲成像實現(xiàn)光聲診斷利用光聲成像實現(xiàn)光聲診斷n光聲成像特點：n和和X射線成像技術相比，光聲成像對人體傷害?。簧渚€成像技術相比，光聲成像對人體傷害小；n和超聲檢測相比，光聲效應的圖像分辨率與其相當，而和超聲檢測相比

42、，光聲效應的圖像分辨率與其相當，而具有更高的對比度；具有更高的對比度；n光聲檢測具有功能成像的能力。光聲檢測具有功能成像的能力。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用58n光化學反應第一定律：光化學反應第一定律：n只有被反應體系吸收的輻射光才能產生有效的光化學反應；只有被反應體系吸收的輻射光才能產生有效的光化學反應；n光化學反應第二定律或愛因斯坦定律：光化學反應第二定律或愛因斯坦定律：n在光化學反應的初始階段，體系吸收一個光子就能或一般只能活在光化學反應的初始階段，體系吸收一個光子就能或一般只能活化一個分子；化一個分子；n光化學反應第三定律：光化學反應第三定律：n反應體系吸收的光

43、強度和入射光強度遵循朗伯反應體系吸收的光強度和入射光強度遵循朗伯-比爾定律。比爾定律。3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用59由光引起的物質化學結構改變的所有過程稱為光化學反應。如光合作用、由光引起的物質化學結構改變的所有過程稱為光化學反應。如光合作用、橡膠老化、氧變?yōu)槌粞鹾驼障嗟灼泄獾取Ｏ鹉z老化、氧變?yōu)槌粞鹾驼障嗟灼泄獾取Ｉ厦娑ɡ肀砻?，只有能被分子吸收的光子，才能在系統(tǒng)中導致化學上面定理表面，只有能被分子吸收的光子，才能在系統(tǒng)中導致化學反應，即反應，即光化反應具有波長選擇性光化反應具有波長選擇性。n光化學效應3.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用60光物理和

44、光化學反應過程光物理和光化學反應過程光動力療法的基礎光動力療法的基礎光化機理光化機理I I型反應：光敏劑分子直接與鄰近的基質發(fā)生反應釋放出能量回到基態(tài)。型反應：光敏劑分子直接與鄰近的基質發(fā)生反應釋放出能量回到基態(tài)。IIII型反應：光敏劑物質的三重態(tài)直接與鄰近的三重態(tài)氧分子相互作用，型反應：光敏劑物質的三重態(tài)直接與鄰近的三重態(tài)氧分子相互作用，并使其轉化為單重態(tài)氧，單重態(tài)氧再和基質發(fā)生作用生成氧化的物質。并使其轉化為單重態(tài)氧，單重態(tài)氧再和基質發(fā)生作用生成氧化的物質。 在低功率密度（典型為在低功率密度（典型為1W/cm2)和長曝光時間（和長曝光時間（秒和連續(xù)波秒和連續(xù)波之間）下，發(fā)生光化學相互作用。

45、之間）下，發(fā)生光化學相互作用。 光動力療法（光動力療法（PDT）：）：將合適的生色團注射進身體內，單色光輻照將合適的生色團注射進身體內，單色光輻照有可能引起選擇性的光化學反應，結果就形成某種生物轉換作用，有可能引起選擇性的光化學反應，結果就形成某種生物轉換作用，引起光誘導反應，這種物質被稱為光致敏劑（如卟啉、引起光誘導反應，這種物質被稱為光致敏劑（如卟啉、ALA 等）。等）。 生物刺激：生物刺激：在極低的激發(fā)光功率下，已經觀察到許多生物刺激效應在極低的激發(fā)光功率下，已經觀察到許多生物刺激效應，如頭發(fā)的生長、創(chuàng)傷的愈合、刺激膠原蛋白合成、抑制膠原蛋白，如頭發(fā)的生長、創(chuàng)傷的愈合、刺激膠原蛋白合成、

46、抑制膠原蛋白合成、促進生長、抑制生長、血管形成、減輕疼痛等。合成、促進生長、抑制生長、血管形成、減輕疼痛等。 典型的激光：紅色染料激光、二極管激光典型的激光：紅色染料激光、二極管激光 典型脈沖持續(xù)時間：典型脈沖持續(xù)時間：1s連續(xù)連續(xù) 典型功率密度：典型功率密度：0.01-50W/cm23.4 光與生物組織的相互作用光與生物組織的相互作用61 光與組織的相互作用小結：1. 組織組織對光的傳播產生吸收、散射、折射和反射；對光的傳播產生吸收、散射、折射和反射；n 在弱光照明（如普通照明燈或連續(xù)激光光源）下組織的光吸收為線在弱光照明（如普通照明燈或連續(xù)激光光源）下組織的光吸收為線性吸收，可由性吸收，可由朗伯朗伯-比爾定律比爾定律來描述，即薄層材料所吸收的輻射能來描述，即薄層材料所吸收的輻射能與總輻射能的比值，依賴于吸收物質的性質以及入射光波長和吸收與總輻射能的比值，依賴于吸收物質的性質以