光子及近紅外光的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

光子及近紅外光的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用2021/10/101

主要內(nèi)容一.光的基礎(chǔ)知識(shí)二.光合作用三.生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)四.近紅外光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用2021/10/102一.光的基礎(chǔ)知識(shí)1.什么是光

粒子論

波動(dòng)論

愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)光子量子力學(xué)波粒二象性

光是運(yùn)動(dòng)的能量

2021/10/103C(光速)＝λ(波長(zhǎng))Xν(頻率)紅光的波長(zhǎng)范圍為0.62-0.76μm

紫光的波長(zhǎng)范圍為0.38-0.46μm

光能E=hυ(υ—頻率)，即波的能量與頻率成正比，不同頻率的波具有不同的能量。2021/10/1042.光子的產(chǎn)生感知光子，才能看到周圍的景物光子產(chǎn)生的途徑歸根結(jié)底遵循的都是光電子理論電子躍遷產(chǎn)生光子。電子可通過(guò)向外輻射光子的形式降低自身能量，從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，而光子的能量正好等于兩個(gè)軌道能量之差2021/10/1053.光的顏色

不同顏色光的疊加吸收特定頻率的光

2021/10/1064.光的傳播透射：電子激活能遠(yuǎn)高于或遠(yuǎn)低于光子能量，不吸收任何光子，光不受影響地穿過(guò)。單色光的獲得。吸收：光波能量與材料電子激活能相近，吸收光子能量升高，并將部分能量傳給核，加劇核運(yùn)動(dòng)，使物體溫度上升。冬日穿深色服裝。反射：電子吸收入射光子能量之后運(yùn)動(dòng)加劇，但不把能量傳遞給核，而是以與入射光相同頻率光子的形式反射出去。照鏡子。折射：入射光的頻率接近電子的本征振動(dòng)頻率時(shí)，深入物體內(nèi)部，引起電子微小振動(dòng)，傳能量給核，核再使光波以原來(lái)頻率透出物體。由于速度不同，在界面處形成一個(gè)折點(diǎn)。雨后彩虹。

2021/10/1071.光合作用表達(dá)式二.光合作用綠色植物6CO2+6H2OC6H12O6＋6O2(1)

CO2+H2O(CH2O)＋O2(2)

(△G＝4.78×105J)葉綠體大家想想，這個(gè)氧是來(lái)自CO2還是H2O？

a.細(xì)菌光合作用

CO2+2H2S→(CH2O)+2S+H2O2021/10/108光合作用表達(dá)式CO2+2H2A(CH2O)＋2A+H2O

非孤立、封閉系統(tǒng)，有太陽(yáng)能的參與這個(gè)反應(yīng)Gibbs自由能增加，熵減少違反熱力學(xué)第二定律不b．希爾反應(yīng)

c.18O的研究

2021/10/1092.光反應(yīng)和暗反應(yīng)增大光強(qiáng)對(duì)光合作用的影響閃光照射，光合效率是連續(xù)光的200%-400%

需光的光反應(yīng)不需光的暗反應(yīng)(碳同化反應(yīng)),不絕對(duì)

2021/10/10103.兩個(gè)光系統(tǒng)20世紀(jì)40年代，研究不同光質(zhì)的量子產(chǎn)額時(shí)，發(fā)現(xiàn)大于680nm的遠(yuǎn)紅光雖然仍被吸收，但量子產(chǎn)額急劇下降，稱為紅降現(xiàn)象。1957年，愛(ài)默生觀察到遠(yuǎn)紅光照射時(shí)補(bǔ)加稍短波長(zhǎng)的光(如650nm的光)，則量子產(chǎn)額大增，比這兩種波長(zhǎng)的光單獨(dú)照射的總和還要高。這種現(xiàn)象被稱為雙光增益效應(yīng)，或愛(ài)默生增益效應(yīng)。

據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，希爾(1960)等人提出雙光系統(tǒng)的概念，把吸收長(zhǎng)波光的系統(tǒng)稱為光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)，吸收短波長(zhǎng)光的系統(tǒng)稱為光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)。20世紀(jì)60年代以后，已能直接分離出PSⅠ和PSⅡ的色素蛋白復(fù)合體顆粒。2021/10/1011愛(ài)默生增益效應(yīng)2021/10/10124.光合色素在光合作用的反應(yīng)中吸收光能的色素稱為光合色素。

類胡蘿卜素葉綠素（光合作用）藻膽素

葉綠素c、d

（藻類）

葉綠素a、b（高等植物）強(qiáng)光下逸散能量

輔助色素（吸收傳遞光能）（高等植物）（藻類）

2021/10/1013葉綠素吸收光譜2021/10/1014光合色素吸收光譜2021/10/10155.光照因素對(duì)光合作用的影響光強(qiáng)對(duì)光合作用的影響光抑制--當(dāng)光合機(jī)構(gòu)接受的光能超過(guò)它所能利用的量時(shí)，光會(huì)引起光合速率的降低開始達(dá)到光合速率最大值時(shí)，稱為光飽和點(diǎn)

表觀光合速率為零，稱為光補(bǔ)償點(diǎn)

2021/10/1016

植物在光照下有吸收氧氣，釋放CO2的反應(yīng)，僅在光下發(fā)生，需葉綠體參與，并與光合作用同時(shí)發(fā)生，故稱作為光呼吸。

機(jī)理與乙醇酸代謝有關(guān)。加氧酶自身不能區(qū)別CO2和O2，即CO2和O2競(jìng)爭(zhēng)加氧酶同一個(gè)活性部位。加氧酶是進(jìn)行羧化還是加氧，取決于外界CO2與O2濃度的比值。

奧托·瓦爾堡（瓦伯格）發(fā)現(xiàn)O2對(duì)光合作用有抑制作用，這種現(xiàn)象被稱為瓦伯格效應(yīng)。實(shí)際上是氧促進(jìn)光呼吸的緣故。6.光呼吸2021/10/1017生理意義光呼吸速率比暗呼吸高3-5倍，是一種浪費(fèi)。

(1)回收碳素。(2)防止強(qiáng)光對(duì)光合機(jī)構(gòu)的破壞作用。在強(qiáng)光下，光反應(yīng)中超氧陰離子自由基會(huì)對(duì)光合膜、光合器有傷害作用，而光呼吸卻可消耗高能電子，降低自由基形成，免除或減少?gòu)?qiáng)光對(duì)葉綠體的破壞。

(3)消除乙醇酸。乙醇酸對(duì)細(xì)胞有毒害，光呼吸則能消除乙醇酸，使細(xì)胞免遭毒害。2021/10/1018三．生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)

生物光子學(xué)主要是研究生物系統(tǒng)產(chǎn)生的光子及光子學(xué)在生物學(xué)研究方面的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)光子學(xué)主要包括組織光學(xué)，醫(yī)學(xué)光學(xué)診斷技術(shù)和治療技術(shù)。醫(yī)學(xué)光子學(xué)生物光子學(xué)

生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)，顧名思義，是關(guān)于光子在生物、醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的科學(xué)和技術(shù)。2021/10/1019光與生物組織的相互作用

具體到某種生物組織體，這三個(gè)過(guò)程具體以哪一個(gè)為主，取決于生物組織的類型和入射光的波長(zhǎng)。基本過(guò)程反射、折射和吸收

宏觀現(xiàn)象吸收、反射、折射、散射、投射、發(fā)光、光化學(xué)和光聲微觀本質(zhì)電子不同躍遷方式

2021/10/10201.組織體對(duì)光的吸收效應(yīng)

光的吸收是指光通過(guò)生物組織體時(shí)，由于部分光能轉(zhuǎn)換成熱運(yùn)動(dòng)或分子的某種振動(dòng)，從而導(dǎo)致光強(qiáng)度的衰減。不透明入射輻射能量降為0

透明允許光通過(guò)而完全不被吸收

除了真空，沒(méi)有一種媒介對(duì)任何波長(zhǎng)的光是完全透明的，只能是對(duì)某些波長(zhǎng)范圍的光透明，即透明否是相對(duì)于某個(gè)光波長(zhǎng)而言的。2021/10/1021a.生物組織中的吸收物質(zhì)

這些物質(zhì)之所以有吸收是因?yàn)榫哂猩珗F(tuán)，生色團(tuán)被定義能在一個(gè)分子中導(dǎo)致在200~1000nm的光譜區(qū)內(nèi)對(duì)光進(jìn)行有選擇性的吸收的化學(xué)基團(tuán)。紅綠光困難血液中的血紅蛋白、血糖水皮膚中的色素

細(xì)胞色素。肌肉中的肌紅蛋白

組織體從紫外到紅外光波段的吸收物質(zhì)主要包括2021/10/1022圖7氧合血紅蛋白(Hb02)、非氧合血紅蛋白(Hb)及水的吸光率曲線“紅綠光困難”現(xiàn)象2021/10/1023b.朗伯-比爾定理

朗伯提出：設(shè)平行光在均勻媒質(zhì)中傳播，一薄層材料所吸收的輻射能或輻射強(qiáng)度之百分?jǐn)?shù)依賴于吸收物質(zhì)以及入射輻射的波長(zhǎng)和吸收層的厚度。比爾的表述為：對(duì)溶解在非吸收媒質(zhì)中的吸收物質(zhì)，溶液或介質(zhì)所吸收或通過(guò)輻射的量，是溶液中吸收物質(zhì)的濃度和輻射通過(guò)樣品溶液的光程長(zhǎng)度的指數(shù)函數(shù)。

比色法和分光光度法的基本定律，也是測(cè)定混合物中各吸收物質(zhì)含量的定量方法的理論基礎(chǔ)。

2021/10/10242.組織對(duì)光的散射效應(yīng)

散射是我們生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象，如天空呈現(xiàn)出蔚藍(lán)色是因?yàn)樗{(lán)光很容易被大氣中的微粒散射。人體內(nèi)同樣也發(fā)生散射，其原因是組織體的密度、折射率、介電常數(shù)等在空間的雜亂分布。

半微觀尺度微觀尺度宏觀尺度

非彈性散射彈性散射2021/10/1025a.彈性散射

彈性散射是指散射光和入射光具有相同的波長(zhǎng)和波矢，即光量子和被測(cè)分子之間沒(méi)有能量的交換。

古斯塔夫.米發(fā)現(xiàn)散射程度依賴于散射粒子的尺寸和入射波長(zhǎng)的比以及散射粒子的折射率和背景媒質(zhì)的折射率之比，米把這兩個(gè)比值定義為尺寸參數(shù)x和相對(duì)折射率mm=ns/n2021/10/1026米散射（又稱大顆粒散射)

瑞利散射

實(shí)際中光子更可能前向散射，需要加系數(shù)進(jìn)行修正。大尺度散射b.非彈性散射

入射光量子和被測(cè)分子之間還可能存在能量交換，即散射電磁波的頻率和入射電磁波的頻率不相同，這類散射被稱為非彈性散射。拉曼散射分子振動(dòng)態(tài)的變化使散射光產(chǎn)生頻移受激虛態(tài)多普勒頻移光被移動(dòng)著的微粒所散射2021/10/1027c.各種波長(zhǎng)光在組織內(nèi)的散射2021/10/10282021/10/10293.組織體發(fā)光2021/10/10302021/10/10312021/10/10322021/10/10332021/10/10342021/10/10352021/10/10362021/10/10372021/10/10382021/10/10392021/10/10402021/10/10412021/10/10422021/10/10432021/10/10442021/10/10452021/10/10462021/10/1047激光的產(chǎn)生將在泵浦源激發(fā)下處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，如圖所示。激光工作物質(zhì)泵浦源諧振腔光在諧振腔內(nèi)振蕩，抑制自發(fā)發(fā)射，增強(qiáng)受激發(fā)射，不斷獲得光放大，這時(shí)從諧振腔軸線方向透射出來(lái)的光就是激光。激光主要是受激發(fā)射產(chǎn)生的，所以是相干的。2021/10/10482021/10/10492021/10/10502021/10/10512021/10/10522021/10/10532021/10/10542021/10/10552021/10/1056以下圖片是美國(guó)攝影師伯特·布爾特曼花費(fèi)10年心血拍攝了令人驚異的植物通電照片。這些照片是電流穿過(guò)金屬板，而金屬板頂部放置著植物，在這種條件下拍攝植物通電的情景。2021/10/10572021/10/10582021/10/10592021/10/10602021/10/10612021/10/10622021/10/10632021/10/10642021/10/10652021/10/10662021/10/10672021/10/10682021/10/10692021/10/10702021/10/10712021/10/10722021/10/10732021/10/1074b.熒光

熒光的原理是：電子從最低激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)開始向下躍遷的過(guò)程還可能發(fā)出一個(gè)光子但不改變其自旋的過(guò)程，該光子即為熒光。外熒光探劑

自體熒光

在外因誘導(dǎo)下，某些生物組織也能發(fā)光。如在光的作用下，常溫某些生物組織可以發(fā)出熒光，一定的條件下還能發(fā)出磷光。

2021/10/10754.其他光化學(xué)效應(yīng)光聲效應(yīng)光熱效應(yīng)

光熱效應(yīng)引起組織體溫度升高，如激光手術(shù)等。光聲效應(yīng)是當(dāng)組織體發(fā)熱后，周期性熱流使周圍的組織熱脹冷縮，產(chǎn)生熱彈效應(yīng)，從而激發(fā)超聲波的現(xiàn)象。通過(guò)檢測(cè)這種超聲波，可以進(jìn)行聲光成像。光化學(xué)效應(yīng)是指在生物組織內(nèi)，由光所引起化學(xué)結(jié)構(gòu)改變的所有過(guò)程。2021/10/1076光化學(xué)反應(yīng)遵守三個(gè)定律。

第一定律：只有被反應(yīng)體系吸收輻射光才能產(chǎn)生有效的光化學(xué)反應(yīng)；第二定律或愛(ài)因斯坦定律：在光化學(xué)反應(yīng)的初始階段，體系吸收一個(gè)光子就能或一般只能活化一個(gè)分子。在高功率密度激光的作用下，一個(gè)分子還有可能和兩個(gè)甚至多個(gè)光子進(jìn)行能量交換，而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)；第三定律：反應(yīng)體吸收光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度之間遵循朗伯-比爾定律。2021/10/1077四．近紅外光的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用1.弱激光生物刺激作用

弱激光照射生物組織時(shí)，對(duì)生物組織產(chǎn)生某種刺激效應(yīng)。目前認(rèn)為，弱激光照射的治療作用基礎(chǔ)不是溫?zé)嵝?yīng)，而是光的生物化學(xué)反應(yīng)。提出“弱激光生物刺激作用”的推理性假設(shè)。弱激光應(yīng)用于臨床治療所用的激光器：半導(dǎo)體激光器He-Ne激光器

2021/10/1078采用的波長(zhǎng)范圍：一般在630-890nm照射方式：血離體照射回輸

血管內(nèi)照射穴位照射體外局部照射2021/10/1079a.弱激光刺激的效果激光鎮(zhèn)痛可用于加快傷口愈合改善全身狀況，調(diào)節(jié)一些系統(tǒng)和器官的功能。不能直接殺滅細(xì)菌，但可以加強(qiáng)機(jī)體的細(xì)胞和體液免疫功能2021/10/1080

激光生物刺激引起的效應(yīng)與作為刺激源的激光參數(shù)有關(guān)，也與接受照射的組織的生物學(xué)特性有關(guān)，其關(guān)系都是非線性的。較小劑量會(huì)引起興奮，較大劑量會(huì)引起抑制。弱激光多次照射過(guò)程中可有累積效應(yīng)。治療時(shí)要采取療程間隔，即治療一段時(shí)間后需間隔再治療。

b．激光生物刺激的作用規(guī)律2021/10/1081c.機(jī)理假說(shuō)偏振刺激假說(shuō)生物電場(chǎng)假說(shuō)（或稱為共振效應(yīng)假說(shuō)）細(xì)胞膜受體假說(shuō)色素調(diào)節(jié)假說(shuō)類激素模型假說(shuō)⑥生物信息模型和信息轉(zhuǎn)化模型2021/10/10822.LED的作用LED光與激光相比，相干性等物理參數(shù)方面更接近于一般的可見(jiàn)光。那么LED能否代替目前在生物醫(yī)學(xué)中普遍使用的激光呢?

Karu發(fā)現(xiàn)光刺激效應(yīng)主要與波長(zhǎng)、照射劑量和照射方式有關(guān)，而相干光的條件不是必須的。即非相干性可見(jiàn)光同樣可以達(dá)到激光的生物刺激效果。

LED光力學(xué)治療癌癥LED對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)增強(qiáng)作用

NASALED用于傷口治愈2021/10/10833.瓦氏效應(yīng)與光

奧托·海因里希·瓦爾堡（德語(yǔ)OttoHeinrichWarburg，1883.10.8－1970.8.1）德國(guó)生理學(xué)家和醫(yī)生。1931年因“發(fā)現(xiàn)呼吸酶的性質(zhì)及作用方式”被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2021/10/1084

瓦爾堡另一個(gè)貢獻(xiàn)，是發(fā)現(xiàn)“瓦氏效應(yīng)”。他認(rèn)為癌細(xì)胞的生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于正常細(xì)胞的原因來(lái)自于能量的來(lái)源差別。癌細(xì)胞會(huì)偏向使用糖酵解作用取代一般正常細(xì)胞的有氧循環(huán)，即使在氧氣充足的情況下也是如此，所以癌細(xì)胞使用線粒體的方式與正常細(xì)胞有所不同。這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)被醫(yī)學(xué)界命名為“瓦氏效應(yīng)”（WarburgEffect）。瓦氏效應(yīng)2021/10/1085a.有氧循環(huán)和糖酵解2021/10/1086糖在體內(nèi)主要的代謝途徑糖的無(wú)氧氧化：

葡萄糖→丙酮酸→乳酸糖的有氧氧化：葡萄糖→丙酮酸→乙酰輔酶A→CO2+H2O生成糖原，包括肝糖原、肌糖原代謝為脂肪，在體內(nèi)儲(chǔ)存2021/10/1087

剛才講到癌細(xì)胞糖酵解，正常細(xì)胞有氧循環(huán)，那是否只有癌細(xì)胞才進(jìn)行糖酵解呢？答案是否定的。因?yàn)槿梭w的復(fù)雜性，不同組織結(jié)構(gòu)不同，供能不同。即使在有氧時(shí)，體內(nèi)主要以糖酵解供能的組織還有視網(wǎng)膜、紅細(xì)胞、血小板、皮膚、腎乳頭、骨髓、白細(xì)胞、胚胎組織、惡性腫瘤。2021/10/1088

線粒體是真核細(xì)胞的重要細(xì)胞器，是動(dòng)物細(xì)胞生成ATP的主要地點(diǎn)，線粒體是生命的“能量工廠”?！凹?xì)胞凋亡”

因?yàn)榧?xì)胞在不斷地新陳代謝，有機(jī)體需要有清理無(wú)用細(xì)胞的機(jī)制，其主要手