生物医学光子学复习题带答案

Biophoton

a)生物体的超弱发光有哪些基本特性？它与哪些生命活动相关？为什么利用生物体的超弱发光能够用于疾病的诊断？

b)为何生物的超弱发光? 它与哪些生命活动相关？

c)为何“代谢发光”或者“相干机制”

d)针对超微弱发光的检测，有哪些测量技术，分别说明其测量原理。

e)超弱发光有哪些应用？

2.Fluorescence

a)利用分子能级图解释分子光谱涉及的各种能量跃迁过程。

b)荧光是如何产生的？有什么特点？

c)分子结构与荧光的关系。

d)理解与掌握荧光光谱中的一些重要概念（包括：Beer-Lambert定律、被测组分对紫外光或可见光具有吸收，且吸收强度与组分浓度成

正比。吸光度与透过率的换算、摩尔吸收系数与浓度之间的关系、斯托克斯位移、荧光量子产率的定义、荧光亮度、光稳定性、荧

光寿命）

e)荧光检测包括哪些参数？（发射谱、激发谱、stokes 位移、量子产率、荧光寿命）

f)生物体中主要的内源荧光色团有哪些？通过对它们的监测可获得哪些生物学信息组织的结构基质：胶原蛋白和弹性蛋白；细胞内代

谢路径：NAD 、NADH。组织结构信息和代谢活性

g)向生物体内引入外源荧光可发挥什么作用？监测细胞功能与化学分布，RNA or DNA序列，以及肿瘤标记

h)选择荧光探针的依据是什么？（激发波长、发射波长、光稳定性、漂白性、荧光的定性或定量、荧光探针的特异性和毒性、pH适宜

值）

i)荧光探针导入：（酯化法；形成乙酰羟甲基酯（AM）；细胞膜通透性增强法；使用透膜剂使膜通透性增强；微注射法；将染料通过

显微注射法直接注入细胞内）

j)按照制备方法分，荧光探针有哪些种类？

化学荧光探针:化学方法合成的

基因荧光探针:可遗传、由DNA编码、蛋白质组成的

选择探针时需要主要考虑哪些因素？激发波长，发射波长，光稳定性、漂白性，荧光的定性或定量 ，荧光探针的特异性和毒性，pH适宜值

在蛋白质分子中，能发射荧光的氨基酸有哪些？它们的吸收和发射波长在哪里？

k)绿色荧光蛋白有哪些生物化学特征和光谱特征？野生型和增强型的绿色荧光蛋白有什么异同？

荧光强度大大提升，吸收峰转移到488nm，与实验室经常用到的FITC滤光片一样。

l)绿色荧光蛋白突变体有哪些性能特点？

突变提高了GFP的光谱性质，荧光强度和和光稳定性也大大增强，突变后的激发峰488nm，发射峰是509nm，这与FITC滤光片一致，提高了其潜在的使用价值。

m)荧光蛋白作为标记物或指示剂的优势有哪些？

1.低浓度对样品干扰小

2.3D测量

3.非常适合溶液和细胞

4.非常灵敏，实现单分子检测

n)产生FRET的条件有哪些？

FRET是指能量给体（Donor）与受体（Acceptor）间通过偶极-偶极耦合作用以非辐射方式传递能量的过程即能量给体被激发后，从基态跃迁到激发态，由于偶极-偶极相互作用，供体分子激发态能量hν以非辐射方式传至受体分子，而后受体分子通过发射光子弛豫，释放能量。

条件是：

1.一种荧光蛋白的发射光的波长与另一种荧光蛋白的吸收光的相同。

2.工体和受体之间产生耦合。

o)什么是Forster距离？常用FRET对的Forster距离大概在什么范围？

Forster能量转移：一对合适的荧光物质可以构成一个能量供体(donor) 和能量受体(acceptor) 对, 它们之间由于偶极的相互作用, 激发供体分子的光子能量h ν可能被传递至受体分子, 而后受体分子通过发射出光子h ν′ (h ν >h ν′ ) 而松弛, 这就是1948 年由Forster 首先提出的荧光共振能量转移理论（1）。其直观的表现就是供体和受体之间达到合适的距离内(1 ～10 nm), 以供体的激发光激发, 供体产生的荧光强度比它单独存在时要低得多, 而受体发射的荧光却大大增强, 同时伴随它们的荧光寿命的相应缩短和拉长。

应该是1--10nm，（注：这个概念课件上没有，是网上找到的结果。）

3.Optical properties

a)常用的组织光学特性参数有哪些？如何描述其基本概念

（吸收、反射、散射、散射的各向异性因子、约化散射系数）

吸收系数μa (mm-1)光子在无限小距离ds 运动时被吸收的几率，其倒数表示光子在介质中被吸收前所走过的平均距离

散射系数μs (mm-1)光子在无限小距离ds 运动时，被散射的几率，其倒数表示光子在介质中被散射前所走过的平均距离

各向异性因子g单次散射模式非对称性的量度，反映的是散射光在不同方向的分配情况

g??(-1~1)

g=0 各向同性散射

g=1 高度的前向散射

g=-1 高度的后向散射

b)掌握几个派生的组织光学特性参数及表达式：约化散射系数、总的衰减系数、有效衰减系数、扩散射系数、穿透深度、有效穿透深

度

约化散射系数μ′s (mm-1)在远离边界与光源的表况下常用一个参数来描述光子的散射特性____约化散射系数μs′=(1?g)μs 衰减系数与穿透深度

总的衰减系数与总的穿透深度

约化衰减系数与约化穿透深度

有效衰减系数与有效穿透深度

c)生物组织中吸收、散射的物理机制与生理机制是什么？光学特性与生物组织生理特性是如何关联？

i.吸收的成因：吸收源于分子色团的能级跃迁，即电子或振动能级跃迁

ii.散射的成因：散射则主要源于混浊生物组织中的折射率不匹配、它与生物体的超微结构相关

组织光学特性参数的物理意义

生物组织的吸收特性反映的是组织原子能级结构性质，分子有低能级跃迁到高能级，对光线进行吸收，

散射系数主要是源自于生物体的折射率在半微观尺度（10-7m）上的不匀称性，此时是发生强散射，但是这种不匀称性的尺度远远大于波长的数量级（10-7m）的时候，会发生漫反射，（还会有反射和折射）

d)瑞利散射与米氏散射限是基于什么来划分的（散射子与光波长的关系）

瑞利散射是指散射光波长等于入射光波长,而且散射粒子远远小于入射光波长,没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。

当粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏散射，米氏散射的辐射强度与波长的二次方成反比，散射在光线向前的方向比向后的方向更强，方向性比较明显。

e)利用米氏理论说明影响生物组织散射的因素有哪些？散射的大小与这些量之间有怎样的依赖关系？

散射的类型有：

4.light transport theory

a)生物组织中的光子输运理论（或称辐射传输理论）的基本思想是什么？

b)简述辐射传输方程的物理意义。

5.different models

a)辐射传输方程的求解方法有哪些？一级近似与扩散近似的适用范围各有什么不同？

b)Monte－Carlo方法的基本思想。

1.Detectors and collections

a)探测器的种类有哪些？光电、半电体、热、

b)光接收器的种类有哪些？相机、光纤、各向同性接收器PMT有哪些主要组成部分？光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增

系统、阳极。使用PMT时要注意什么事项？严格控制环境温度，减少热电子发射，降低热电流，提高灵敏度。避免磁场

影响。

CCD的工作原理？以电荷作为信号，存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输，实现电荷的存储和电荷的转移

CCD

如何选择合适的光探测器与光接收器？不同探测器可将光信号转化为所需要的信号，如：光电导（光敏）-探测近红外、中红外和远红外波段；光

特性、灵敏度、波段要求选择合适探测器。

接收器选择依据要获得的信号，如相机成像，光纤传输，各向同性接收功率信息。

a)为什么针对温浊样品的测量常用积分球？积分球可测定浑浊样品的散射系数，吸收系数。

2.Reflectance or transmission methods

a)组织光学参数测量技术的各种分类方法有哪些？准直透射、相函数、积分通量分布、漫透射、漫反射、双积分球其不同分类的依据

是什么？单次散射或不散射、测定透明样品折射率、宽光束照明相关的积分深度分布、漫透射、漫反射、双积分球系统综合测定漫

反射和漫透射

b)准直透射测量方法能够得到哪些参数？吸收系数μa、散射系数μs对被测样品有何要求样品厚度小于10μm；维持样品的光学平滑度

c)积分球内投置挡板起何作用？防止由样品表面反射和准直透射的光直接进入检测器。

d)基于空间分布的漫反射测量法能获得哪些参数？反射率、吸收系数。

e)为什么基于漫射光谱测量能获得组织（皮肤）的光学特性参数，并能用于皮肤疾病的诊断？漫射光谱，数据处理后可以得到皮肤部

位的吸收光谱，从而用于疾病诊断。

3.Integrating sphere technique

a)试说明利用双或单积分球实现对混浊样品测量时，两者在功能上各位何优势？？单积分球：测量的不同时性由于不能实现漫反射、

漫透射和准直投射的同时测量，由此可能产生由于光源功率和检测系统的不稳定性、样品随时间推移产生的形变和失水等问题带来

的误差；其次是机械切换误差，因为在漫反射率、漫透射率和准直透射的测量过程需要改变光源的入射方式或者检测器的接受位置，

由此带来的系统切割误差是不可忽略的。

b)双积分球：实现准直透射、漫透射、漫反射的同时测量，从而克服单积分球系统带来的非同时性和机械切换误差。缺点：反射求和

积分球之间“串音”，使漫反射和漫透射率较实际偏高。

4.IAD

a)利用积分球测量样品的漫反射与漫透射是一种常用的方法，应如何综合考虑来设计积分球的尺寸、以及样品口径等？查不到相关信

息，可自由发挥

b)基于积分球的反射与透射测量，利用IAD算法计算组织光学参数时主要会引入怎样的误差？样品侧漏被误认为吸收引起散射系数和

吸收系数的误差。

。

6.Microimaging

a)为什么荧光显微镜最受人重视？典型的荧光显微镜包括哪些主要部件？

b)滤光片有哪些类型和性能指标？

c)物镜的数值孔径与显微镜分辨率、图像亮度之间的关系？

d)显微镜的放大倍数如何计算？

e)根据普通的宽场显微镜与共聚焦显激光扫描显微镜的组成原理出发，比较两者的区别，并说明其在应用中的优缺点

f)试从共聚焦显激光扫描显微镜与双光子激发荧光显微镜的组成原理出发，比较两者的区别，并说明其在应用中的优缺点

g)多光子吸收有什么特点？为什么双光子激发荧光显微镜需要飞秒激光作为激发光源？

h)为什么利用共焦针孔可以提高显微成像的横向与纵向分辨率？

i)多光子与共聚焦荧光显微镜有什么异同点？

j)多光子荧光显微镜在生物成像中的优势与不足有哪些？

k)荧光成像技术有什么优缺点？为什么需要发展近红外荧光探针？

l)试写出CFM、2PM、OCT的中英文全称

7.Coherence-domain imaging

a)试写出CFM、2PM、OCT、LSCI与DOT的中英文全称，并说明其应用领域各有哪些不同

b)为什么OCT的光源常选用弱相干光源？单色性很好的激光或者一般的白光光源是否可行？为什么？

c)正确理解弱相干光源与纵向分辨率的关系

d)散斑是如何形成的？为什么可以利用散斑进行流速的测量？

e)试从时间衬比与空间衬比分析的原理出发，说明两种分析方法的优缺点。

8.DOT

a)扩散光学成像主要分为哪几种？各有什么特点？

b)与其它影像技术相比，光学成像有哪些优点？

9.PA T

a)光声层析成像的原理是什么？

b)与其它光学成像技术相比，光声成层成像有何优点？

多光子共同激发荧光过程，对于吸收光子的频率要求降低

产生的荧光强度与激发光的强度的光子数次方成正比

多光子激发需要更大的光强

具有空间局域特点，只有焦点处的微小局域内才能吸收双光子激发荧光

双光子激发需要很高的光子密度，为了不损伤细胞，双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脉冲宽度只有100 飞秒，而其周期可以达到80 至100 兆赫。

H)共焦针孔的存在使得除了焦平面上射出的荧光以外都不能进入到物镜当中，从而大幅度减小了背景噪音，造成了很强的对比度。因此产生了高分辨率。（影响显微镜分辨率的有入射光波长，物镜的数值孔径，明暗对比度）

都使用激发荧光的手段来获得成像图像，都可以做出样品的三维图像，相比于普通显微镜，都有着更高的分辨率。

J）见F)题

K）

L）CFM——Confocal Microscopy 扫描显微

2PM——Two -photon microscopy 双光子显微

OCT——Optical Coherence Tomography 光学相干层析技术

11.

A）前三个见上题

OCT——Optical Coherence Tomography 光学相干层析技术

它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。

在眼内疾病尤其是视网膜疾病的诊断，随访观察及治疗效果评价等方面具有良好的应用前景。

LSCI——Laser speckle contrast imaging激光散斑成像技术

目前这种激光散斑成像技术已被用于监测皮肤、视网膜眼底的血流变化。

DOT——diffuse optical tomography 扩散层系成像

利用扩散光在组织中的相对穿透深度实现器官级（5~10cm）的临床诊断用层析成像，提供了基于组织体重要生化成分的无创功能检测新模式。

B）

C）

D)

当入射激光照射到物体表面时，将发生散射，物体表面上的每一个点都可视为一个子波源。由于这些子波源的高相干性，由一个物点散射的光将和每一个其他物点散射的光干涉。又因物体表面粗糙（相对于光的波长来说），各子波到像平面的光程不同，相干迭加的结果使得像平面上的光场具有随机的明暗变化的空间光强分布。若把探测器或眼睛置于光场中时, 将观察到一种杂乱无章的呈现颗粒状结构的干涉图样，即“散斑”。

当观察者注视激光照射运动物体，散斑似乎在闪烁：单个散斑的光强随时间随机变化。这是由于物体上点到眼睛视网膜的距离在不断变化，因此那点的光强会变化。我们可以直观的判断：光强起伏的频率与散射体运动的速度有关，因此，从光强起伏的时间统计可以获知散射体运动的速度信息。

E）

时间衬比

良好的空间分辨率

减少静态散斑的影响

减少时间分辨率

空间衬比

良好的时间分辨率

减少空间分辨率

5.

B）完全无创检测，安全可靠

数据采集速度快

合理的空间分辨率和较高动态时间分辨率

直接和间接的提供同时的组织体解剖和生理功能信息

对目标运动的稳健性，便携性和低价格

13.

A）

B）

基于光声效应的时域光声谱技术将光学和声学有机地结合起来,部分地克服了光在组织中传输时组织强散射效应的影响,因此光声技术具有比近红外技术更好的生物组织穿透性,同时还具有分辨率高、无副作用等特点