教育資料（2021-2022年收藏的）最全生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)復(fù)習(xí)題答案要點

1、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)復(fù)習(xí)題以下答案為本人根據(jù)上課PPT與自己理解所寫，無法保證答案的完全正確，如果發(fā)現(xiàn)錯誤希望可以修改后上傳，方便大家1. Biophotona) 生物體的超弱發(fā)光有哪些基本特性？它與哪些生命活動相關(guān)？為什么利用生物體的超弱發(fā)光能夠用于疾病的診斷？答：生物體超弱發(fā)光基本特性（1）普遍性，即所有生物組織樣品中都有。（2）發(fā)光強度弱，每秒的強度為1e-7W。（3）譜特征，連續(xù)分布無特征峰。（4）高敏感，對生物組織內(nèi)部和外部。（5）來源于生物分子的能級躍遷。相關(guān)的生命活動：細胞分裂，細胞死亡，光合作用，氧化作用，解毒過程，腫瘤發(fā)生因為其反映了細胞內(nèi)與細胞間的信息傳遞，功能調(diào)節(jié)等重要的生命活

2、動，因此可以b) 為何生物的超弱發(fā)光? 它與哪些生命活動相關(guān)？答：生物分子在代謝等相關(guān)生命活動中產(chǎn)生能級躍遷，退激發(fā)光。c) 為何“代謝發(fā)光”或者“相干機制”答：代謝發(fā)光機制：由于呼吸鏈上固有的“能力學(xué)缺陷”而引起了偶發(fā)的電子泄露，產(chǎn)生了氧化自由基，然后在反應(yīng)中的激發(fā)態(tài)分子退激發(fā)光。主要與生物的有氧呼吸有關(guān)。相干機制：產(chǎn)生于一個高度相干的電磁場，從而誘發(fā)或自發(fā)發(fā)光。DNA被認為是生物體內(nèi)一個主要的相干源，主要與生物的細胞分裂有關(guān)。d) 針對超微弱發(fā)光的檢測，有哪些測量技術(shù)，分別說明其測量原理。答：單光子計數(shù)技術(shù)，主要通過光電倍增管來檢測生物發(fā)光強度時域的信號。二維或三維單光子成像檢測技術(shù)，主要

3、有微通道板像增強器為主的圖像探測系統(tǒng)。具有二維光子檢測能力，可同時獲得時域和空間的信息。光譜分辨和時間分辨的功能檢測系統(tǒng)。e) 超弱發(fā)光有哪些應(yīng)用？超弱發(fā)光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用􀂄 反映體內(nèi)生理狀態(tài)􀂄 荷瘤前后（病變正常）􀂄 心博停止前和心博停止后􀂄 疾病診斷及愈合評價􀂄 血液的超弱發(fā)光􀂄 尿液􀂄 在法醫(yī)上的應(yīng)用用于死亡時間的推測􀂄 臨床死亡（心跳停止）后􀂄 生物學(xué)死亡（細胞性死亡）􀂄 推斷損傷時間、形狀、程度及傷口愈合時間&#

4、1048708; 損傷與恢復(fù)程度與超弱發(fā)光有依賴性生物超弱發(fā)光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用􀂄 選擇最佳施用農(nóng)藥的劑量和時間􀂄 主要應(yīng)用于選種􀂄 品質(zhì)評價􀂄 種子分類􀂄 抗性研究生物超弱發(fā)光在環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用􀂄 廢水、廢液、工業(yè)污水中重金屬及致病菌的檢測：生物超弱發(fā)光要比傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法靈敏度高得多。􀂄 環(huán)境毒物的測定：用生物發(fā)光檢驗SO2對植物毒害的程度。􀂄 元素的測定：生物的超弱發(fā)光對許多金屬離子很敏感，可定量測定鈣、銅、鋅、錳、鐵等元素的濃度。生物超弱發(fā)光在食品

5、檢驗中應(yīng)用􀂄 食品來源􀂄 食品的新鮮度􀂄 食品的質(zhì)量生物超弱發(fā)光在藥理學(xué)方面的應(yīng)用􀂄 藥物的抗氧化作用能力和方式的研究􀂄 檢測病人對藥物的過敏反應(yīng)􀂄 評價藥物對病人的治療作用2. Fluorescencea) 利用分子能級圖解釋分子光譜涉及的各種能量躍遷過程。b) 熒光是如何產(chǎn)生的？有什么特點？c) 分子結(jié)構(gòu)與熒光的關(guān)系。答：分子結(jié)構(gòu)中的振動能級決定熒光的發(fā)射譜寬度。d) 理解與掌握熒光光譜中的一些重要概念（包括：Beer-Lambert定律、吸光度與透過率的換算、摩爾吸收系數(shù)與濃度之間

6、的關(guān)系、斯托克斯位移、熒光量子產(chǎn)率的定義、熒光亮度、光穩(wěn)定性、熒光壽命）斯托克斯位移：生物組織的吸收峰與熒光的發(fā)射峰之間的波長移動。光穩(wěn)定性：指熒光強度隨著時間的改變，如果熒光強度隨時間不改變則穩(wěn)定性強，反之不強。熒光壽命：在激發(fā)光撤去后，熒光強度衰減為由來的1/e所需時間為熒光壽命。e) 熒光檢測包括哪些參數(shù)？（發(fā)射譜、激發(fā)譜、stokes 位移、量子產(chǎn)率、熒光壽命）f) 生物體中主要的內(nèi)源熒光色團有哪些？通過對它們的監(jiān)測可獲得哪些生物學(xué)信息 答：膠原蛋白和彈性蛋白；細胞內(nèi)代謝路徑：NAD 、 NADH。組織結(jié)構(gòu)信息和代謝活性g) 向生物體內(nèi)引入外源熒光可發(fā)揮什么作用？監(jiān)測細胞功能與化學(xué)分布

7、，RNA or DNA序列，以及腫瘤標記h) 選擇熒光探針的依據(jù)是什么？（激發(fā)波長、發(fā)射波長、光穩(wěn)定性、漂白性、熒光的定性或定量、熒光探針的特異性和毒性、pH適宜值）i) 熒光探針導(dǎo)入：（酯化法；形成乙酰羥甲基酯（AM）；細胞膜通透性增強法；使用透膜劑使膜通透性增強；微注射法； 將染料通過顯微注射法直接注入細胞內(nèi)）j) 按照制備方法分，熒光探針有哪些種類？答：化學(xué)熒光探針:化學(xué)方法合成的基因熒光探針:可遺傳、由DNA編碼、蛋白質(zhì)組成的 k) 選擇探針時需要主要考慮哪些因素？（見h）l) 在蛋白質(zhì)分子中，能發(fā)射熒光的氨基酸有哪些？它們的吸收和發(fā)射波長在哪里？答：色氨酸Trp和酪氨酸Tyr有二個激

8、發(fā)光譜峰,一個發(fā)射光譜峰,即220nm,287nm/348nm;225nm,280nm/303nm，苯丙氨酸也可以激發(fā)熒光但較弱一般不計。m) 綠色熒光蛋白有哪些生物化學(xué)特征和光譜特征？野生型和增強型的綠色熒光蛋白有什么異同？n) 綠色熒光蛋白突變體有哪些性能特點？答：突變提高了GFP的光譜性質(zhì)，熒光強度和和光穩(wěn)定性也大大增強，突變后的激發(fā)峰488nm，發(fā)射峰是509nm，這與FITC濾光片一致，提高了其潛在的使用價值。o) 熒光蛋白作為標記物或指示劑的優(yōu)勢有哪些？答：1低濃度對樣品干擾小 2 3D測量 3非常適合溶液和細胞 4非常靈敏，實現(xiàn)單分子檢測p) 產(chǎn)生FRET的條件有哪些？答：FRE

9、T是指能量給體（Donor）與受體（Acceptor）間通過偶極-偶極耦合作用以非輻射方式傳遞能量的過程 即能量給體被激發(fā)后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，由于偶極-偶極相互作用，供體分子激發(fā)態(tài)能量h以非輻射方式傳至受體分子，而后受體分子通過發(fā)射光子弛豫，釋放能量。條件是：1.一種熒光蛋白的發(fā)射光的波長與另一種熒光蛋白的吸收光的相同。2.工體和受體之間產(chǎn)生耦合。q) 什么是Forster距離？常用FRET對的Forster距離大概在什么范圍？答：Forster能量轉(zhuǎn)移：一對合適的熒光物質(zhì)可以構(gòu)成一個能量供體 (donor) 和能量受體 (acceptor) 對 , 它們之間由于偶極的相互作用 , 激發(fā)供

10、體分子的光子能量 h 可能被傳遞至受體分子 , 而后受體分子通過發(fā)射出光子 h (h >h ) 而松弛 , 這就是 1948 年由 Forster 首先提出的熒光共振能量轉(zhuǎn)移理論（ 1）大概距離為1-10nmr) 熒光蛋白作為分子探針在生物標記中的應(yīng)用方式答：生物融合：細胞活性探針，細胞膜探針，細胞器探針，指示劑：有些探針對Ph敏感，可以檢測生物組織Ph,3. Optical propertiesa) 常用的組織光學(xué)特性參數(shù)有哪些？如何描述其基本概念答：吸收系數(shù)Ua:光在極短的距離內(nèi)被吸收的概率散射系數(shù)Us:光在極短的距離內(nèi)被散射的概率各向異性因子g，表示散射的各項異性的參數(shù)。g=0表示

11、各向同性b) 掌握幾個派生的組織光學(xué)特性參數(shù)及表達式：約化散射系數(shù)、總的衰減系數(shù)、有效衰減系數(shù)、擴散射系數(shù)、穿透深度、有效穿透深度答：約化散射系數(shù)s (mm-1)在遠離邊界與光源的表況下常用一個參數(shù)來描述光子的散射特性_約化散射系數(shù)s=(1g)s􀂄 衰減系數(shù)與穿透深度總的衰減系數(shù)與總的穿透深度約化衰減系數(shù)與約化穿透深度有效衰減系數(shù)與有效穿透深度以上參數(shù)具體的用途還需要結(jié)合相關(guān)的計算方法才可以理解。c) 生物組織中吸收、散射的物理機制與生理機制是什么？光學(xué)特性與生物組織生理特性是如何關(guān)聯(lián)？i. 吸收的成因：吸收源于分子色團的能級躍遷，即電子或振動能級躍遷ii. 散射的成因：散射

12、則主要源于混濁生物組織中的折射率不匹配、它與生物體的超微結(jié)構(gòu)相關(guān)d) 瑞利散射與米氏散射限是基于什么來劃分的（散射子與光波長的關(guān)系）e) 利用米氏理論說明影響生物組織散射的因素有哪些？散射的大小與這些量之間有怎樣的依賴關(guān)系？米氏散射的散射光強Is,波長，r為顆粒半徑。4. light transport theorya) 生物組織中的光子輸運理論（或稱輻射傳輸理論）的基本思想是什么？答：基本思想：將入射激光看成是離散的光子流，生物組織看成是吸收顆粒與散射顆粒的混合，當光子撞擊到吸收顆粒時，該光子壽命結(jié)束，如果撞擊到散射顆粒，則光子根據(jù)各向異性因子g,改變一定傳播方向繼續(xù)前行。在此過程中不考慮光

13、的干涉和衍射且認為散射是沒有能量損失的。輻射的能量，這貢獻是由于“非交互式”，即使非散射介質(zhì)也會產(chǎn)生b) 簡述輻射傳輸方程的物理意義消失，散射和吸收的能量在該體積元內(nèi)發(fā)光源產(chǎn)生的的能量從方向s散射到當前體積元來的能量，5. 6. different modelsa) 輻射傳輸方程的求解方法有哪些？一級近似與擴散近似的適用范圍各有什么不同？ b) MonteCarlo方法的基本思想。答：光在生物組織中的傳播可視為光子與介質(zhì)中微小粒子的一系列的散射與吸收事件。由光源發(fā)出的光在其運動方向上如果碰到散射粒子，光子改變方向繼續(xù)傳播,如果碰到吸收粒子，光子則為粒子所吸收光與微小粒子的相互作用過程構(gòu)成馬爾可

14、夫過程。對以上過程的程序描述即構(gòu)成了c) 請用MC模擬光在組織中的分布，當組織的吸收、散射發(fā)生變化時，這種分布會如何變化？答:隨著Us和Ua的增大，光子沿縱向和橫向的分布同時減小，因為更大的Ua組織吸光能力更強，更大的Us則有更大的散射概率而使能量減小。而當g增大時，光子沿縱向與橫向的分布同時減小，因為g的增大使光在組織中的傳播更具前向性，因此更少的光子溢出表面。7. Detectors and collectionsa) 探測器的種類有哪些？光電（光電倍增管）、半電體（CCD）、熱（熱敏電阻）、b) 光接收器的種類有哪些？相機、光纖、各向同性接收器，積分球c) PMT有哪些主要組成部分？使用

15、PMT時要注意什么事項？答：組成：光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)、陽極注意事項：嚴格控制環(huán)境溫度，減少熱電子發(fā)射，降低熱電流，提高靈敏度。避免磁場影響。d) CCD的工作原理？CCD的信噪比與什么參數(shù)有關(guān)？答：以電荷作為信號，存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸，實現(xiàn)電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移CCD的信噪比與感光器件的面積有光e) 如何選擇合適的光探測器與光接收器？答：不同探測器可將光信號轉(zhuǎn)化為所需要的信號，如：光電導(dǎo)（光敏）-探測近紅外、中紅外和遠紅外波段；光電管與光電倍增管適用于靈敏度要求高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快和噪聲小

16、，電流放大電路；熱探測器對光輻射的波長無選擇性。綜上知，依據(jù)動態(tài)特性、靈敏度、波段要求選擇合適探測器。接收器選擇依據(jù)要獲得的信號，如相機成像，光纖傳輸，各向同性接收功率信息。f) 為什么針對溫濁樣品的測量常用積分球？答：積分球可通過測量生物組織的漫反射率與漫透射率很好得到渾濁樣品的散射系數(shù)，吸收系數(shù)。8. Reflectance or transmission methodsa) 組織光學(xué)參數(shù)測量技術(shù)的各種分類方法有哪些？其不同分類的依據(jù)是什么？b) 準直透射測量方法能夠得到哪些參數(shù)？對被測樣品有何要求答：吸收系數(shù)a、散射系數(shù)s對被測樣品有何要求樣品厚度小于10m；維持樣品的光學(xué)平滑度 c)

17、積分球內(nèi)投置擋板起何作用？答：防止由樣品表面反射和準直透射的光直接進入檢測器。d) 基于空間分布的漫反射測量法能獲得哪些參數(shù)？答：反射率、吸收系數(shù)。e) 為什么基于漫射光譜測量能獲得組織（皮膚）的光學(xué)特性參數(shù)，并能用于皮膚疾病的診斷？答：漫射光譜，數(shù)據(jù)處理后可以得到皮膚部位的吸收光譜，從而用于疾病診斷。9. Integrating sphere techniquea) 試說明利用雙或單積分球?qū)崿F(xiàn)對混濁樣品測量時，兩者在功能上各位何優(yōu)勢？答：1.單積分球：測量的不同時性由于不能實現(xiàn)漫反射、漫透射和準直投射的同時測量，由此可能產(chǎn)生由于光源功率和檢測系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、樣品隨時間推移產(chǎn)生的形變和失水等問

18、題帶來的誤差；其次是機械切換誤差，因為在漫反射率、漫透射率和準直透射的測量過程需要改變光源的入射方式或者檢測器的接受位置，由此帶來的系統(tǒng)切割誤差是不可忽略的。2.雙積分球：實現(xiàn)準直透射、漫透射、漫反射的同時測量，從而克服單積分球系統(tǒng)帶來的非同時性和機械切換誤差。缺點：反射求和積分球之間“串音”，使漫反射和漫透射率較實際偏高。10. IADa) 利用積分球測量樣品的漫反射與漫透射是一種常用的方法，應(yīng)如何綜合考慮來設(shè)計積分球的尺寸、以及樣品口徑等？答：IAD算法的基本思想：其基本思想在于把樣品(無限大的平板模型)分成厚度相等的兩份, 通過計算其中一份的漫反射和透射率來計算原樣品的漫反射和漫透射。我

19、感覺具體看一下測試的整個過程已經(jīng)可以了，具體過程大家可以參考積分球的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)實驗適用性：b) 基于積分球的反射與透射測量，利用IAD算法計算組織光學(xué)參數(shù)時主要會引入怎樣的誤差？答：樣品側(cè)漏被誤認為吸收引起散射系數(shù)和吸收系數(shù)的誤差。11. Microimaginga) 為什么熒光顯微鏡最受人重視？典型的熒光顯微鏡包括哪些主要部件？答：熒光顯微鏡不僅可以組織成像而其可以功能成像組成：激光光源，濾板系統(tǒng)，普通光學(xué)顯微系統(tǒng)b) 濾光片有哪些類型和性能指標？答：激發(fā)濾光片與發(fā)射濾光片。性能指標：單色性，濾光帶寬c) 物鏡的數(shù)值孔徑與顯微鏡分辨率、圖像亮度之間的關(guān)系？答：數(shù)值孔徑越大，物鏡的放大倍數(shù)

20、越大，分辨率也就越大，圖像亮度越小。d) 顯微鏡的放大倍數(shù)如何計算？答：目鏡放大倍數(shù)乘以物鏡放大倍數(shù)e) 根據(jù)普通的寬場顯微鏡與共聚焦顯激光掃描顯微鏡的組成原理出發(fā)，比較兩者的區(qū)別，并說明其在應(yīng)用中的優(yōu)缺點f) 試從共聚焦顯激光掃描顯微鏡與雙光子激發(fā)熒光顯微鏡的組成原理出發(fā)，比較兩者的區(qū)別，并說明其在應(yīng)用中的優(yōu)缺點共聚焦顯激光掃描顯微鏡雙光子激發(fā)熒光顯微鏡原理由激光器發(fā)射的一定波長的激發(fā)光（點光源），由物鏡聚焦于樣品的焦平面上，樣品上相應(yīng)的被照射點受激發(fā)而發(fā)射出的熒光，通過針孔后，到達檢測器并成像。這樣由焦平面上樣品的每一個點的熒光圖像組成了一幅完整的共聚焦圖像。在高光子密度的情況下，熒光分子

21、可以同時吸收 2 個長波長的光子，在經(jīng)過一個很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時間后，發(fā)射出一個波長較短的光子；其效果和使用一個波長為長波長一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的。原理圖優(yōu)點共聚焦12. 少背景噪音13. 高靈敏度14. 更好的成像對比掃描 3D X斷層攝影激光1. 更小的色彩偏差2. 更高的分辨率激發(fā)源不會被焦平面上方吸收更長的激發(fā)波長致使更少的散射焦平面外的熒光分子不被激發(fā)使較多的激發(fā)光可以到達焦平面，使激發(fā)光可以穿透更深的標本激發(fā)光譜帶與熒光發(fā)射帶沒有重疊沒有來自拉曼掃描的噪音長波長的近紅外光比短波長的光對細胞毒性小缺點熒光可能被吸收或散射，成像深度被限制光損傷嚴重，觀察較短針孔阻擋部分來

22、自焦平面的掃描熒光，一些圖像丟失只限于熒光成像熱損失會發(fā)生如果樣品中含有吸收激發(fā)波長的發(fā)色團，例如色素比起掃描成像有輕度的低分辨率，這種現(xiàn)象可以被設(shè)置檢測孔光欄減弱，但是又會造成丟失圖像的代價比較貴a) 多光子吸收有什么特點？ 為什么雙光子激發(fā)熒光顯微鏡需要飛秒激光作為激發(fā)光源？答：多光子共同激發(fā)熒光過程，對于吸收光子的頻率要求降低產(chǎn)生的熒光強度與激發(fā)光的強度的光子數(shù)次方成正比多光子激發(fā)需要更大的光強具有空間局域特點，只有焦點處的微小局域內(nèi)才能吸收雙光子激發(fā)熒光雙光子激發(fā)需要很高的光子密度，為了不損傷細胞，雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均

23、能量，其脈沖寬度只有 100 飛秒，而其周期可以達到 80 至 100 兆赫。b) 為什么利用共焦針孔可以提高顯微成像的橫向與縱向分辨率？答：共焦針孔的存在使得除了焦平面上射出的熒光以外都不能進入到物鏡當中，從而大幅度減小了背景噪音，造成了很強的對比度。因此產(chǎn)生了高分辨率。（影響顯微鏡分辨率的有入射光波長，物鏡的數(shù)值孔徑，明暗對比度）c) 多光子與共聚焦熒光顯微鏡有什么異同點？多光子激發(fā)熒光顯微鏡共聚焦掃描顯微鏡點激發(fā)容積激發(fā)沒有共焦孔有共焦孔更少的光漂白和損失更多的。熒光強度I正比于I0的N次方熒光強度I正比于I0d) 多光子熒光顯微鏡在生物成像中的優(yōu)勢與不足有哪些？e) 熒光成像技術(shù)有什么

24、優(yōu)缺點？為什么需要發(fā)展近紅外熒光探針？答：f) 試寫出CFM、2PM、OCT的中英文全稱答：CFMConfocal Microscopy 共聚焦掃描顯微2PMTwo -photon microscopy 雙光子顯微OCTOptical Coherence Tomography 光學(xué)相干層析技術(shù)15. Coherence-domain imaging a) 試寫出CFM、2PM、OCT、LSCI與DOT的中英文全稱，并說明其應(yīng)用領(lǐng)域各有哪些不同答：OCTOptical Coherence Tomography 光學(xué)相干層析技術(shù)它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光

25、的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。在眼內(nèi)疾病尤其是視網(wǎng)膜疾病的診斷，隨訪觀察及治療效果評價等方面具有良好的應(yīng)用前景。LSCILaser speckle contrast imaging激光散斑成像技術(shù)目前這種激光散斑成像技術(shù)已被用于監(jiān)測皮膚、視網(wǎng)膜眼底的血流變化。DOTdiffuse optical tomography 擴散層系成像利用擴散光在組織中的相對穿透深度實現(xiàn)器官級（510cm）的臨床診斷用層析成像，提供了基于組織體重要生化成分的無創(chuàng)功能檢測新模式。b) 為什么OCT的光源常選用弱相干光源？單色性很好的激光或者一般的白光光源是否可行？為什么？激光與白光不可以，因為激光性為窄帶的強相干光，白光為不相干光c) 正確理解