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1、第二章 光与生物组织体 的相互作用,2,Absorption 吸收 Scattering 散射,3,吸收、折射、散射、发光、光化学、光声 吸收透射：传播距离增加光强减小 折射、散射、发射：组织体宏观和微观结构的不均匀性导致光传播方向的改变,2.1光与生物组织体的相互作用的基本形式,4,宏观光学性质的改变与微观的物理变化相对应,不同电子态之间的跃迁（低能级到高能级）：吸收过程吸收光谱 （高能级到低能级）：辐射（包括荧光和磷光发射）和无辐射跃迁以及振动驰豫、外转换 受激虚态和基态能级间对应的吸收和喇曼散射,5,光能-向其它形式的能量转移,6,7,2.2 组织体对光的吸收效应,光吸收：光在通过生物组
2、织体时由于部分光能转换成热运动或分子的某种振动从而导致光强度的衰减。 2.2.1 吸收效应和吸收系数：吸收截面，吸收系数 2.2.2 分子吸收种类 2.2.3 生物组织中的吸收物质：皮肤、血液、肌肉、骨骼、结缔组织等 2.2.4 朗伯-比尔定理,8,吸收截面，吸收系数,吸收截面 (absorption cross-section) 单位：cm2 吸收系数 Absorption coefficient 单位:cm-1,9,10,均匀媒质（homogeneous medium） 组织体的吸收系数在0.0030.07cm-1 (650nm1400nm) 平均自由程：两次吸收之间光子所行进的平均距离,
3、11,分子的电子能级跃迁,1. 电子态间的跃迁：可见、紫外或更短的光谱区 2. 振动能级间的跃迁：红外区 3. 转动能级间的跃迁：远红外区,分子吸收种类,12,常见电子能级与其对应的波长范围及强度,13,吸光光度法的基本原理,物质对光的选择性吸收溶液对光的作用,溶液对光的作用示意图,14,物质对光的选择性吸收物质的颜色,物质的颜色 物质呈现的颜色是物质对不同波长的光选择性吸收的结果，溶液的颜色有透过光的颜色决定。,物质颜色与吸收光颜色的互补关系,15,吸收的基本性质和物质吸收光的选择性,吸收的基本性质 M + h M* (基态) (激发态) 物质吸收光的选择性 分子、原子或离子具有不连续的量子
4、化能级，仅当照射光光子的能量(hv)与被照射物质粒子的基态和激发态能量之差相当时才能发生吸收。 不同的物质微粒由于结构不同而具有不同的量子化能级。,16,光吸收的基本定律朗伯-比尔定律,溶液对光吸收示意图,溶液对光吸收过程,17,朗伯-比尔定律公式,朗伯-比尔定律表达式,A：吸光度；T：透光度，透射光强度 I 与入射光强度 I0之比；a：吸收系数；c：溶液浓度。,18,吸收线及其基本概念,吸收线轮廓图 吸收线半宽度,19,峰值吸收,峰值吸收和积分吸收的关系 一般情况下，吸收线的半宽度较小，Ko近似等于Kv，峰值吸收近似等于积分吸收。,峰值吸收的定义式,20,吸收法的定量分析方法-标准曲线法,标
5、准曲线法示意图,方法 设定条件，测定一系列已知浓度的样品的吸光度数值并作图。在相同条件下，测定样品的吸光度，由标准曲线求得样品待测元素浓度。,21,吸收法的定量分析方法-标准加入法,标准加入法示意图,方法 等分试样溶液，分别加入浓度不等的标准溶液；测定吸光度，由吸收曲线外推得到原始样品浓度。,22,2.3 组织体对光的散射效应,2.3.1 散射,生物组织表面漫反射（除非常潮湿的组织体） 不透明介质（除角膜）难以检测到折射 Scattering&(垂直照射，侧面也可以看到光)，常见散射现象,23,散射的条件：颗粒杂乱分布，具有密度，折射率，介电常数等 生物组织体：原子尺度：埃（10-10m），微
6、观尺度，组织体在此量级上具有非均匀性。光波长尺度（10-7m），组织体是均匀的，半微观尺度；光是粒子，组织体是由亚微米、微米量级尺度的离散颗粒，发生散射 宏观尺度：组织体的不均匀尺度远大于波长数量级（组织体的边界、组织体和探测器以及组织体之间），讨论组织体的宏观不均匀性和光的波动性，即光的折射及反射,24,根据光量子和被测分子是否有能量交换（能量吸收），散射分为弹性散射和非弹性散射 2.3.2 弹性散射 散射光和入射光具有相同的波长和波矢，即光量子和被测分子没有能量交换 1、 单个粒子的散射、散射截面 散射截面（Scattering Cross Section）：,25,20世纪初，德国Gus
7、tav Mie给出了处于媒质中的均匀球状颗粒（媒质和小球具有不同的折射率）对入射的平面电磁波散射理论。散射程度与散射粒子的尺寸a和入射波长 的比（尺寸参数）以及散射粒子的折射率和背景媒质的折射率之比（相对折射率）有关，即,尺寸参数,相对折射率,26,根据尺度参数的大小，弹性散射分为三种： X1, Rayleigh Scattering,分子散射 散射截面 散射强度,27,前向散射和后向散射,前后向为对称,28,0.1X50,Mie Scattering,大颗粒散射 散射幅度沿入射方向成定向角分布并取决于散射体的大小. 散射强度: 对波长的倚赖性更弱,散射光强度的对称性降低,即,随着散射颗粒尺寸
8、的增大,沿入射光方向的散射光强度将大于逆入射光方向的散射光强,即散射具有强烈的前向(=0)趋势,颗粒尺寸越大,散射的前向趋势越大,同时产生一系列次级极大.,29,30,X50, 几何光学 反射和折射 对大多数的生物组织,光子更可能发生前向散射; 而一般,瑞利散射只发生在细胞组件(cellular component)内部,如胶原纤维的散射,大多数的细胞结构(cellular structrure), 如线粒体(0.52微米),黑色素(0.12微米),尺度范围和常用生物医学光波长相当,应该属于米散射, 但是在生物组织体内观察到的散射对波长的依赖性很大,无论瑞利散射还是米散射都不适用，需要度量散射
9、各向异性的量或各向异性系数,31,2、多个粒子的散射、散射系数 单位体积内，单个粒子散射截面s , 散射系数（scattering coefficient） s = s 在多种散射体的混合媒质中，总散射系数是波长的函数 经过距离l后没有被散射的光强,32,3.相位函数和散射各向异性系数 散射角取决于入射角、颗粒尺寸、形状以及光波长，因而不同的粒子具有不同的散射轮廓，即相位函数或散射函数. 各向异性即沿不同方向，粒子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致散射在不同方向的散射特性也不同。,33,2.3.3 非弹性散射 2.3.4 组织体出射光子的分类和修正的朗伯-比尔定理,34,2.4 组织体发
10、光,2.4.1 生物组织的荧光效应 生物自发超弱发光:10104光子/cm2.s,谱段红外、可见到近紫外 诱导发光：光致、电致、超声、化学药物等外界因素导致组织体的发光。维生素A、叶绿素、NADH等，生物组织中的基团，如蛋白质中的芳香氨基酸，tRNA中的Y碱基,35,例如280nm紫外光激发蛋白质或核酸,发射350nm荧光,荧光产生的动力学过程: 光化学初级过程：分子吸收光子使电子激发，分子由基态提升到激发态，如果一个激发态分子不是直接回到它的最低能态，它必须发生以下过程：解离（产生自由电子、原子、自由基或分子碎片）；与相邻的同种或不同种分子反应；过渡到一个新的激发态上去。这些过程可以平行地发
11、生，也可以只发生其中的一种或几种，但这些都属于光化学的初级过程。其后的任何步骤均称为次级步骤。 例如氧分子光解后生成两个氧原子，是其初级过程；在纯氧中将发生的重要次级过程是氧原子和氧分子结合为臭氧的反应；氧和臭氧在典型的城市大气中又都可以和碳氢化合物进行一系列反应，所有这些反应都可以称为次级步骤。,36,荧光产生过程 荧光:物质在吸收了外来激发光并通过光化学过程后发射的波长一般长于激发光的光. 荧光产生的机理: 大多数的有机分子含有偶数个电子,基态时成对电子占据了大量的具有最低能量的轨道,根据泡利不相容原理,同一轨道上的电子具有不同的自旋方向,即净电子自旋为零,称为单重态(Singlet) 当
12、分子被激发后,跃迁到高能级,自旋方向不改变的激发态是单重态(寿命10-910-7s),否则为三重态(Triplet) (寿命10-7-10-2s),37,单重态 基态,单重态 三重态 激发态,分子轨道,分子轨道上电子的自旋,38,组织体吸收不同波长的光辐射产生电子跃迁:,39,辐射跃迁:荧光和磷光 非辐射跃迁:同一激发态中的振动弛豫(vibrational relaxation, VR);内部转换(internal conversion, IC);外转换(external conversion, EC );系间跨越(intersystem crossing, ISC),40,荧光产生涉及吸收和
13、发射两个过程,荧光分析应用到吸收光谱,激发光谱,发射光谱 激发光谱(excitation spectrum )：就是反应一个物质受到激发以后的情况，反映出该物质对于外来激发光的响应。 发射光谱:固定激发光波长和强度,得到的发射荧光的光谱分布,41,特点 荧光光谱的形状和吸收光谱的形状极为相似,呈现镜像现象; 荧光波长总是比激发波长稍长,两者频率差异为Stocks频移 发射光谱的形状与激发光波长无关,不论电子开始被激发到哪个能级,产生荧光总是从第一激发态的最低振动能级开始的 吸收光谱可以含有多个吸收带,发射光谱则一般含有一个 荧光谱形与激发光无关,但是荧光强度与激发光有关,42,2.4.2 荧光
14、发光的表征 表征荧光特征:量子产率,荧光强度,荧光寿命,偏振 荧光量子产率:表明物质发射荧光的本领 = 影响因素:内部因素(分子内可进行能量转换的振动能级的数目);外部因素(环境,温度,溶剂等) 测定荧光产率需考虑的问题：选择合适的荧光标准；校正发射光谱，并准确地测定标准和试样的发射光谱面积；浓度的影响；激发波长的影响；温度的影响；溶剂的选择。,43,2.荧光强度 3.荧光寿命 脉冲光,强度衰减到e-1所需的时间,44,2.4.3生物组织的自体荧光与外荧光 根据荧光团的来源不同分为: 自体荧光(intrinsic fluorescence或autofluorescence) 由生物组织体内固有
15、的荧光团吸收一定波长的光而引起的荧光发射 外荧光:多数生物组织不含荧光团，需要能发荧光的物质与生物组织大分子共价结合，利用荧光物质的荧光特性来标记所要研究分子的某一基团，外在荧光团,探剂probe,45,探剂特点: 探剂必须与被研究分子的基团能特异性地、牢固地结合 探剂的荧光必须对环境条件灵敏 结合的探剂不应该影响被研究分子的结构特性,46,2.5 光热效应和光声效应,光子行为受到组织体的影响从而可以作为诊断的工具，光也可以影响细胞或组织体，因而可以作为治疗工具。 光热效应（photothermal effects）是典型的治疗形式，光转化成热，进而对组织产生损伤 光声效应（optoacous
16、tic effects），光转化成热，热弹效应，产生超声波,热弹效应 thermoelastic effect：弹性材料在伸长时会发热，回缩时会吸热，而且伸长时的热将会随伸长率而增加，这种现象称为热弹效应。,47,48,49,2.5.2 热在组织中的传导,热扩散率又叫导温系数，它表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力。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。,50,热穿透 是一种科学技术，使一定的温度，来穿透某些东西、物质。 温度越高，需时越短，热穿透能力越强。用于化学、物理、科学、工业之中的名词俗语。 一般认定115-121.3，对培养基的成分不产生破坏。 如： 1.穿耳洞常用的是聚焦二氧化碳激光，这是一种具热穿透性效果的激光，由于机器价格高，一般只有医院才可能有这种机器。 2.应用红外线技术
