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1、 激光与生命科学导论生命科学是当今世界科技发展的热点之一，而光子学是随着近代科学发展而日益蓬勃发展的科学。光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光和新颖光子技术的介入，开始了一个迅速发展的新阶段，与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改善着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟的应用于临床实践，激光还使诊疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治疗某些癌症，以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测艾滋病患者体内的
2、病毒携带量。此外，仍有一些光学技术正处在无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。近年来一个以光子学和生命科学相互融合和促进的学科新分支生物医学光子学也随着激光技术、光谱技术、显微镜技术以及光纤技术的发展而飞速发展起来。生物医学光子学可以分为生物光子学和医学光子学两个部分，分属生物学和医学领域，但二者存在相互交叠的范围，并无严格的分界。也可以根据应用目的的不同，将生物医学光子学划分为光子诊断医学技术和光子治疗医学技术两个领域。前者以光子作为信息的载体，后者是以光子作为能量的载体。而生物光子学研究生物系统的光子辐射以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信
3、息；利用光子及其生物系统进行的检测、治疗、加工和改造等；显微光学成像技术与现代分子生物学、细胞生物学和系统生物学的基本手段相结合，从离体和在体水平上，深入研究生物分子间相互作用的本质，揭示生命现象的基本规律，进一步探索疾病发生的分子机制，为疾病诊断、治疗和药物设计与筛选寻找新的思路。医学光子学又是新兴的光子学与现代医学相结合形成的一个新型交叉学科生长点，医学光子学的发展动力源于医学的迫切需要。它研究光在生物组织中传输规律，发展医学光学成像与光谱测量技术，用于生物组织与血液参数的无损检测，探索组织结构与功能的变化；研究光与生物组织相互作用机制，发展新的光学方法用于疾病的治疗，为疾病的早期诊断、治
4、疗及疗效评价提供新的方法。无论是生物光子学或是医学光子学，在生命科学和发展过程，都以光子学作为载体，那么为什么是光？光是万物之灵，地球上如果没有光也就没有生命，有了阳光之后有了人类，在这个美丽的地球随着生物的多样化，各种问题也逐渐出现。疾病是影响人类健康和生命的主要因素之一，因此寻找方便、快捷、准确的诊断治疗方法意义重大。随着人民生活水平的提高、科技的快速发展，医学检测和诊断技术不断提高，但多数情况下采用的方法入侵性强，对患者损伤较大，检测速度慢，并且需要检测人员具有一定的病理学知识。为解决上述问题，研究人员一直不断进行新的检测分析技术的研究和尝试，以实现对病情进行快速的非侵入性的诊断与治疗。
5、经过多种尝试研究，研究人员把目标指向光子学。光由光子组成，有确定的能量壳yo和动量hk0。光与介质的相互作用，就是光子和介质中的粒子(原子、离子、电子等)、准粒子(或称元激发，如声子、自旋波等)交换能量的过程。而能成为人类探索的对象的光，首先灵敏度高，可以进行单分子水平的检测。生 命 单 元 的 基 本 功 能主 要 取 决 于 单 个 大 分 子 ， 单 分 子 操 纵 方 法 在 研 究 单 个 生 物 分 子 的性 质 上 有 着 独 特 的 优 势 。 近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势，克服了荧光光谱技术区分病变组织的缺陷，即由于生物大分子
6、荧光带较宽、易于重叠，影响诊断的准确性。目前，各国研究小组纷纷开展拉曼光谱技术用于鼻咽癌【26】、乳腺癌【27-捌、肺癌【30】、胃癌【311、结肠癌【32】、口腔癌【33】、子宫癌删和皮肤癌【35,36】等诊断方面的研究工作。其次具有高分辨率。1984年，被发明者叫作“光学听诊器”的原型近场光学显微镜的诞生，标志着人类第一次突破了光学显微镜分辨率的衍射极限。从光学显微镜诞生后至今的500年间，人类为了提高显微镜的分辨率进行了不懈地努力。在1800年以后的近二百年中光学显微镜的分辨极率已没有数量级上的改进，事实上，自300年前发明复合显微镜从而使显微镜分辨率有了大的提高后，光学显微镜的分辨率基
7、本上就固定了。究其原因是因为显微镜存在一个由衍射效应引起的“不可逾越”的分辨率极限。在发明近场光学显微镜之前，显微镜分辨率有惊人改进的都不是光学显微镜，而是电子和离子作信息载体的显微镜，如扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜和场离子显微镜。因此，在非光学显微镜的分辨率已达到原子量级(o1nm)的水平时，提高光学显微镜的分辨率仍有重大的意义。第三，光的响应快，人类目前已研究到最小单位皮秒。最后光具有非侵入性，对人体是最小微扰。光不仅具有以上特点，运用光学诊断还可以达到很好效果。光辐射是非电离性，可以进行多次测量；运用光学诊断对于不同软组织反差较大；光学诊断不仅能获得组织结构信息，且能获得生物组织的功能
8、信息。一般而言，光与生物组织发生相互作用之后，光自身的参数(如波长、功率、能量、相干性、偏振性等)均可能会改变，生物组织的性质(如物理、化学、形态和机能等)也可能会发生变化。从根本上说，凡光和生物组织相互作用后引起的生物组织方面的任何改变，都可视为光的生物效应。一般来说，光对生物机体的作用中，力和电磁场作用主要为大功率或中等功率激光器所产生，而光化学反应在低剂量激光照射时特别重要。热效应则在所有情况下都起作用。生物刺激作用只有弱激光照射时才产生，而且似有累积效应。然而，这样笼统地谈论光与生物组织相互作用，对于具体实际问题的解决仍太过宽泛而无实际意义。在激光医学的诊断和光敏治疗中，需要的是可见光
9、到近红外波长范围内的弱光(激光)。所谓弱光，其定义不妨下为：不会使生物组织机体发生不可逆性损伤的光。换言之，组织不因照弱光而发生不可逆的变化。这个定义也可以理解为即使光能量被吸收使组织生热，组织本身也不会受到损伤，当然亦不考虑其他类型的相互作用。这是因为组织受到光的照射后，只要不发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部分多余的能量通过光或热的形式释放出来。热的形式即表现为吸收，光的形式则以反射光或透射光而反应出来。因此，我们只关心在一定光照条件下反射率、透过率以及组织体内的光分布等问题。虽然，我们将光与生物组织相互作用的研究范围缩小了，但研究的内容依然很多，有效的研究方法仍
10、不是轻而易举就可以给出的。由于生物组织的多样性和复杂性，使得传统的一些方法遇到了无法逾越的困难，必须另辟蹊径。在这样的背景下，组织光学诞生了。组织光学的发展与光在医学上的应用是一种同时存在、相互促进共同发展的关系。首先，它可以通过检测光在组织中传播的特性求出被辐射组织内的光空间分布，并借此确定治疗中的光生理特性，如激光手术、光动力治疗等。其次，根据组织的漫反射光或者透射光信号来检测组织成分和结构的变化，如血液中血糖、血氧浓度的变化、组织细胞的大小和组成的变化(是早期癌变的依据)等，为临床提供方便可靠的生理参数指标。因此利用光诊断可以有效地获得组织信息。光学诊断具有以上优点，具体实行也要有物理基
11、础。能够利用光子学首先，光谱要与分子结构有关，当人体组织发生分子水平的改变，就应该能观察到光学性质的改变；再者，光学吸收与血管生成、细胞凋亡、坏死、过渡代谢等有关；第三，光学散射主要与细胞核大小有关；接着，光学偏振与胶原蛋白有关。这是由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着密切的关系，光入射到人体组织后，一部分会反射回来，一部分被组织吸收，还有一部分被人体组织向四周散射。人体不同组织对不同波长光的吸收能力也不同。光照射人体组织后，根据照射的波长和时间不同，对组织有光化学作用、热相互作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除和光致破裂。有了这些物理基础，才可以利用光子学获取生物体成分、含量以及动态变化，从而
12、实现对疾病的诊断。当今，医学正处在一个重大的变革时期。医学的重点正由传统的基于症状治疗模式向以信息为依据的治疗模式转变。人们已经认识到，症状仅仅是疾病的被滞后的很粗糙的人体异常反应。当今一些重大医学课题的研究，一开始就把着眼点放在探索导致疾病的生物信息规律上，以控制生物逻辑信息处于健康状态，进而达到治疗疾病的目的。现在研究方向注重人体健康，一切以人为本。科技的发展、社会的进步，随之也会带来一系列问题，正所谓生命是革命的本钱，没有生命一切的进步也没有意义。人类面临的困难永远无法停止，自然地灾害、病毒的侵入、癌症的发生等等，都直击人类。生物医学光子学的最终目标就是为人类服务，克服困难，因此它的研究具有重大的意义。但是它的发展是艰巨的，作为带有前瞻性的基础研究方向，同时也必定会派生出各种实用的技术和方法，必将拥有一个广阔的发展前景。同时也是接受考验最严峻的研究。
