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1、生物光学计量,光与物质的相互作用,8/4/2020,散射分类归纳,3,发生在组织内的弹性散射,8/4/2020,透射也是光在介质中的折射的一中形式，均匀介质满足折射定律；不均匀介质光被吸收后，剩余的能量以散射透射和散射反射的形式传输。,光的透射,出射光子的分类,对于生物组织体这样的混沌介质，如果以超短激光脉冲入射，则出射的光可以按照其在组织体中传播的时间被分为三类,弹道光和蛇形光又被统称为早期到达光,关于三类光子的讨论,组织体发光,荧光的产生过程,无辐射跃迁：指以放热的形式将多余的能量辐射给周围环境,包括： (a) 振动驰豫 ( vibrational relaxation, VR)：振动态内
2、的跃迁 (b) 内转换 ( internal conversion, IC)：单（三）重态到单（三）重态间 的跃迁 (c) 外转换 ( external conversion, EC)：激发态到基态的跃迁 (d) 系间跨越 ( intersystem crossing, ISC)：单重态到三重态间的跃迁,辐射跃迁：指以放光的形式将多余的能量辐射给周围环境。,激发态基态的能量传递途径,电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；,激发态停留时间短、返回速度快的途径，发生的几率大，发光强度相对大； 荧光：10-710 -9 s,第一激发单重态的最低振动能
3、级基态； 磷光：10-410s；第一激发三重态的最低振动能级基态；,按分子激发态的类型划分时,由第一激发单重态所产生的辐射跃迁而伴随的发光现象称为荧光. 由最低的电子激发三重态所产生的辐射跃迁,其发光现象称为磷光.,13,主要光谱参量,激发谱 固定发射波长(一般将其固定于发射波段中感兴趣的峰位)，扫描出的化合物的发射光强(荧光/磷光) 与入射光波长的关系曲线。,发射谱 固定激发波长(一般将其固定于激发波段中感兴趣的峰位),扫描出的化合物的发射光强(荧光/磷光) 与入射光波长的关系曲线。,吸收谱 化合物的吸收光强与入射光波长的关系曲线 。,14,吸收谱反映出的是物质的基态能级与激发态能级之间所有
4、的允许跃迁。 通常状态下的物质的表观颜色大部分时候取决于其吸收特性。,激发谱则反映的是基态与所有与该荧光发射有关的能级之间的跃迁。其所呈现的关系比吸收谱要有选择性，但有时候又不如吸收谱来的直接。,电子跃迁到不同激发态能级时，吸收不同波长的能量(如能级图2 ,1)，产生不同吸收带，但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态，产生波长一定的荧光(如2 )。因此，发射谱的形状与激发波长无关。,主要光谱参量,激发光谱 与 发射光谱？,形状和吸收光谱的形状极为相似， 并呈现“镜像”现象； 波长总是比激发波长稍长； 发射光谱的形状和激发光的波长无关； 只有一个荧光带； 荧光发射的强度和激发光的波长
5、有关。,主要光谱参量,16,荧光光谱与磷光光谱,荧光光谱 固定激发光波长物质发射的荧光强度与发射光波长关系曲线，如右图中曲线II。 荧光本身则是由电子在两能级间不发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。 磷光光谱 固定激发光波长物质发射的磷光强度与发射光波长关系曲线，如右图中曲线III。 磷光本身则是由电子在两能级间发生自旋反转的辐射跃迁过程中所产生的光。,17,光谱图,荧光光谱与磷光光谱,1、辐射量子效率or 量子产额（quantum yield）,影响量子产额的因素主要有： 内部因素：分子内可进行能量转换的振动能级 的数目等 外部因素：物质分子所处的环境 （需要稳定的环境）,荧光发光的表征
6、,2、荧光强度（ fluorescence intensity）,为摩尔吸收系数；,为样品的厚度；,为样品中荧光剂的浓度。,对于极稀的溶液：,3、荧光寿命（fluorescence lifetime）,在 脉冲激励下，辐射由其本来强度衰减到1/e时所需要 的时间，称为荧光寿命，用 表示。,荧光寿命和组织所处的环境，如PH等有关，因此可以作为判别组织病变的一个指标。,1、自体荧光（intrinsic fluorescence 或 auto-fluorescence）,由生物组织体内固有的荧光团吸收一定波长的光而引起 的荧光发射叫做自体荧光。,自体荧光光谱的特异性差异反映了病变组织的特异性， 是自
7、体荧光光谱应用于应用于医学诊断。,2、外荧光（extrinsic fluorescence） 荧光探剂（probe）： 发荧光的物质分子，外在荧光团,作为荧光探剂必须具备一下几个条件： 探剂与被研究分子的某一基因必须能特异性地、牢固地结合； 探剂的荧光必须对环境灵敏； 结合的探剂不应该影响被研究的大分子的结构特性。,光热效应（photothermal effects）： 由于组织体在曝光时间内吸收了激光的能量并使其转化程 了热，热效应的最终结果是造成了组织的损伤。,光热密度（J/cm3 ）表达式：,也常被称为辐射曝光量（radiant exposure），单位为 J/cm2,光热密度引起的组织
8、体表面温升为：,是用来描述组织体对热的储存能力的热容（单位： ）， 为密度（单位：g/cm3），不同组织体对热的储存能力不同。,光热效应与光声效应,在深度z处可能引起的温升为：,温升为表面温升的1/e 对应的深度显然为,，也被称为,光学穿透深度（optical penetration depth）。,组织体内的温升或组织损伤程度主要取决于： 辐射能量密度、曝光时间和组织体的参数。,25,在传热分析中，热扩散率a（单位是m2/s）是热导率与比热容c和密度的乘积之比。 a=/（c） 其中：热导率（单位：W/(mK)）比热容（单位：J/(kgK)）密度（单位：kg/(m3)）。 热扩散率又叫导温系数
9、，它表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力；在a高的物质中热能扩散的很快，而a低的物质中热能则扩散的较慢。这个综合物性参数对稳态导热没有影响，但是在非稳态导热过程中，它是一个非常重要的参数。,热扩散率（thermal diffusivity）,26,温度经过传导后减小到其峰值的1/e时所经过的距离 温度传导1.4x10-7m2/s 对于水，在1s的热量传导距离大约是0.7m,热穿透深度（thermal penetration depth）,27,当光学穿透深度等于热穿透深度dtherm时所经过的时间 Trelax=2/4 曝光时间t或光脉冲持续时间大于热弛豫时间时，热的扩散距离将远大于
10、光的穿透深度。反之则通常可以忽略热效应,热弛豫时间（thermal relaxation time）,体温过高：处于42-500C内，-可逆 凝结：在60oC 汽化：在100oC 碳化：达到150oC,温度升高可产生可逆和不可逆两种组织体损伤过程。,热效应对组织的影响,光热作用,光声效应（Photoacoustic imaging, PI）,左：兔脑的实物照片，右：兔脑的光声图像,光化学反应第一定律： 只有被反应体系吸收辐射光才能产生有效的光化学反应,光化学反应第二定律或爱因斯坦定律： 在光化学反应的初始阶段，体系吸收一个光子就能或一般只能活化一个分子,光化学反应第三定律： 反应体系吸收的光强
11、度和入射光强度之间遵循朗伯比尔定理,光化学反应,光化学反应和光物理反应过程比较,物理过程通过产生荧光、磷光或无辐跃迁的方式释放能量 根据光敏剂分子与基质反应还是与三重态氧分子反应可将光化学反应分为I型和II型 光动力疗法（Photodynamic therapy， PDT）,激光与皮肤的相互作用,在任何一层内，都可能存在四种基本光学过程：,反射：直接反射；,散射：由分子、粒子、纤维、细胞器和细胞引起的散射；,吸收：皮肤吸收光能引起的物理或化学变化，产生热量、荧光、磷光等；,透射：光线通过皮肤层的透射,皮肤,皮肤是由表皮、真皮、皮下组织三部分组成的,皮肤对激光的反射,与皮肤粗糙度、厚度有关，还要
12、考虑是无毛厚表皮（手掌、脚掌）还是有毛薄表皮,当皮肤粗糙度小于激光波长，发生镜面发射，反射角等于入射角,内部漫反射。内部散射光返回透出表面而形成漫反射。,当皮肤粗糙度远大于激光波长，发生漫反射,实际皮肤既非理想镜面，也非理想漫反射面，一般较粗糙，漫反射的比例多于镜面反射,皮肤对激光的反射,与波长有关,可见光和近红外光，特别是在6001300nm波段的激光，皮肤内部漫反射的比例大于皮肤表面的镜面和漫反射之和。,0.3m以下的紫外线和2 m以上的红外线，皮肤的反射率约5，与肤色无关。,皮肤对激光的反射,与肤色有关,白色人种反射率最高 黄色人种次之 黑色人种最低,红外区,皮肤组织的透射光谱,近红外激
13、光易穿透皮肤组织，损伤内部器官,紫外和远红外激光的透射率低，易损伤表皮,？,皮肤组织的穿透深度,皮肤对激光能量的吸收,与波长有关：,对紫外线的吸收最强,对红外线的吸收次之,对可见光的吸收则随波长增加而减弱,皮肤对激光能量的吸收,与波长有关：,波长范围3001400nm的激光透入皮肤，绝大部分激光能量在最初的3.6mm厚度的组织中被吸收消光；,波长范围180280nm的真空紫外辐射基本上被角质层吸收,波长范围280315nm的远紫外辐射有很大部分被角质层吸收,紫外线（315400nm)、可见光（ 400700nm)和近红外线（7001400nm)均能穿过表皮被真皮内的组织所吸收。,紫外区,皮肤对
14、激光能量的吸收,与肤色有关：,色素越多，吸收越多。入射光颜色与肤色为互补时吸收最大；,7对互补色,皮肤的反射、透射和吸收的关系,从反射和透射图看：反射率高的波段基本上是透射率高的范围,皮肤（表皮+真皮）的反射、透射和吸收特性与波长的关系,高能红光生物化学效应： 能量被毛球细胞、毛囊细胞线粒体大量吸收，激发一系列的光生物化学反应 。促进生发系统细胞产生酶促反应，增加糖原利用、促进ATP分解、增加细胞 新陈代谢，促进核酸和蛋白质合成。 促进毛发生长旺盛 使毛球下部细胞分裂旺盛、大量增殖；毛球上部细胞加剧分化成皮质、毛小皮，逐渐形成毛发；同时毛乳头增大，细胞分裂加快，数目增多，促进毛发根部生长。 激
15、活毛发的再生长 高能红光激发休止期和脱落期的毛囊活性，使其复活再生。,光子生发仪,激活生发系统,光子生发仪,激活生发系统,生长期的毛 发生长旺盛,休止期的毛 发被再激活,光子生发仪,高能红光的光热效应： 头皮下微循环的毛细血管扩张、松驰，从而使血容量扩容、血流量增加、血管通透性增加。 红细胞间粘度下降、红细胞变形能力和顺应性增强，更容易在狭窄的毛细血管中自由流动。 畅通的头皮下微循环网为毛发生长提供了丰富的营养物质，同时把代谢废物排出体外（使皮脂腺分泌的油脂快速被排出）。不但有利于毛发的生长，还可以抑制营养性脱发。,改善微循环,光子生发仪,改善微循环,光压强效应,光子生发仪,高能红光的光生物化学效应： 增加白细胞的吞噬能力，加快淋巴循环，从而促进炎性物质的清除，提高免疫力。 促进自体消炎，抗感染的作用。 针对脂溢性脱发，红光不但有消炎、止痒、止痛、抑菌的作用还具有促进毛囊组织修复和再生的功效，使炎症反应减轻，加速毛发生长。,提高免疫功能,光子生发仪,提高免疫功能,光子生发仪,做为能量的载体: 治疗 利用激光的单色性, 高能量 做为信息的载体: 成像, 测量, 诊断 利用激光的单色性, 相干性 光纤技术及各种光电子技术的应用 与多领域技术的交叉与应用,激光在生物医学领域应用中的特点,激光在微创外科手术中的应用,最大的治疗效果 对周边组织最小损伤 方便，灵活， 易于操作,
