光子及近红外光的生物医学应用 山东大学人与自然通选课 刘园园

主要内容 一. 光的基础知识 二. 光合作用 三. 生物医学光子学 四. 近红外光的医学应用

一. 光的基础知识 1. 什么是光 粒子论 波动论 爱因斯坦 光电效应 光子 量子力学 波粒二象性 光是运动的能量

C(光速)＝λ(波长) Xν(频率) 红光的波长范围为0.62-0.76μm 紫光的波长范围为0.38-0.46μm 光能E=hυ(υ—频率)，即波的能量与频率成正比，不同频率的波具有不同的能量。

2.光子的产生 感知光子，才能看到周围的景物 光子产生的途径归根结底遵循的都是光电子理论 电子跃迁产生光子。电子可通过向外辐射光子的形式降低自身能量，从激发态回到基态，而光子的能量正好等于两个轨道能量之差

3.光的颜色 不同颜色光的叠加 吸收特定频率的光        

4.光的传播 透射：电子激活能远高于或远低于光子能量，不吸收任何光子，光不受影响地穿过。单色光的获得。 吸收：光波能量与材料电子激活能相近，吸收光子能量升高，并将部分能量传给核，加剧核运动，使物体温度上升。冬日穿深色服装。 反射：电子吸收入射光子能量之后运动加剧，但不把能量传递给核，而是以与入射光相同频率光子的形式反射出去。照镜子。 折射：入射光的频率接近电子的本征振动频率时，深入物体内部，引起电子微小振动，传能量给核，核再使光波以原来频率透出物体。由于速度不同，在界面处形成一个折点。雨后彩虹。  

二. 光合作用 1.光合作用表达式 6CO2+6H2O C6H12O6＋6O2 (1) CO2+H2O (CH2O)＋O2 (2) 绿色植物 6CO2+6H2O C6H12O6＋6O2 (1) CO2+H2O (CH2O)＋O2 (2) (△G＝4.78×105J) 叶绿体 大家想想，这个氧是来自CO2还是H2O？ a.细菌光合作用 CO2+2H2S→(CH2O)+2S+H2O

光合作用表达式 CO2+2H2A (CH2O)＋2A+H2O b．希尔反应 c.18O的研究 这个反应Gibbs自由能增加，熵减少 不 违反热力学第二定律 非孤立、封闭系统，有太阳能的参与

2.光反应和暗反应 增大光强对光合作用的影响 闪光照射，光合效率是连续光的200%-400% 需光的光反应不需光的暗反应(碳同化反应),不绝对

3. 两个光系统 20世纪40年代，研究不同光质的量子产额时，发现大于680nm的远红光虽然仍被吸收，但量子产额急剧下降，称为红降现象。 据上述实验结果，希尔(1960)等人提出双光系统的概念，把吸收长波光的系统称为光系统Ⅰ(PSⅠ)，吸收短波长光的系统称为光系统Ⅱ(PSⅡ)。 20世纪60年代以后，已能直接分离出PSⅠ和PSⅡ的色素蛋白复合体颗粒。

爱默生增益效应

4.光合色素 在光合作用的反应中吸收光能的色素称为光合色素。 叶绿素a、b （高等植物） 叶绿素 （光合作用） 叶绿素c、d （藻类） 类胡萝卜素 叶绿素 （光合作用） 藻胆素 叶绿素c、d （藻类） 叶绿素a、b （高等植物） 强光下逸散能量 辅助色素 （吸收传递光能）

叶绿素吸收光谱

光合色素吸收光谱

5. 光照因素对光合作用的影响 光强对光合作用的影响 表观光合速率为零，称为光补偿点 开始达到光合速率最大值时，称为光饱和点 光抑制--当光合机构接受的光能超过它所能利用的 量时，光会引起光合速率的降低

6. 光呼吸 植物在光照下有吸收氧气，释放CO2的反应，仅在光下发生，需叶绿体参与，并与光合作用同时发生，故称作为光呼吸。 机理与乙醇酸代谢有关。加氧酶自身不能区别CO2和O2，即CO2和O2竞争加氧酶同一个活性部位。加氧酶是进行羧化还是加氧，取决于外界CO2与O2浓度的比值。

生理意义 光呼吸速率比暗呼吸高3-5倍，是一种浪费。 (1)回收碳素。 (2)防止强光对光合机构的破坏作用。 在强光下，光反应中超氧阴离子自由基会对光合膜、光合器有伤害作用，而光呼吸却可消耗高能电子，降低自由基形成，免除或减少强光对叶绿体的破坏。 (3)消除乙醇酸。 乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸，使细胞免遭毒害。

三．生物医学光子学 生物医学光子学，顾名思义，是关于光子在生物、医学中应用的科学和技术。 生物光子学 医学光子学 生物光子学主要是研究生物系统产生的光子及光子学在生物学研究方面的应用。 医学光子学主要包括组织光学，医学光学诊断技术和治疗技术。

光与生物组织的相互作用 宏观现象 吸收、反射、折射、散射、 投射、发光、光化学和光声 基本过程 反射、折射和吸收 宏观现象 吸收、反射、折射、散射、 投射、发光、光化学和光声 基本过程 反射、折射和吸收 微观本质 电子不同跃迁方式 具体到某种生物组织体，这三个过程具体以哪一个为主，取决于生物组织的类型和入射光的波长。

1. 组织体对光的吸收效应 光的吸收是指光通过生物组织体时，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。 透明 允许光通过而完全不被吸收 不透明 入射辐射能量降为0 除了真空，没有一种媒介对任何波长的光是完全透明的，只能是对某些波长范围的光透明，即透明否是相对于某个光波长而言的。

a. 生物组织中的吸收物质 组织体从紫外到红外光波段的吸收物质主要包括 水 血液中的血红蛋白、血糖 皮肤中的色素 肌肉中的肌红蛋白 细胞色素。 这些物质之所以有吸收是因为具有生色团，生色团被定义能在一个分子中导致在200~1000nm的光谱区内对光进行有选择性的吸收的化学基团。红绿光困难

图7 氧合血红蛋白(Hb02)、非氧合血红蛋白(Hb)及水的吸光率曲线 “红绿光困难”现象

b. 朗伯-比尔定理 朗伯提出：设平行光在均匀媒质中传播，一薄层材料所吸收的辐射能或辐射强度之百分数依赖于吸收物质以及入射辐射的波长和吸收层的厚度。 比尔的表述为：对溶解在非吸收媒质中的吸收物质，溶液或介质所吸收或通过辐射的量，是溶液中吸收物质的浓度和辐射通过样品溶液的光程长度的指数函数。 比色法和分光光度法的基本定律，也是测定混合物中各吸收物质含量的定量方法的理论基础。

2.组织对光的散射效应 散射是我们生活中常见的现象，如天空呈现出蔚蓝色是因为蓝光很容易被大气中的微粒散射。 人体内同样也发生散射，其原因是组织体的密度、折射率、介电常数等在空间的杂乱分布。 微观尺度 弹性散射 半微观尺度 非弹性散射 宏观尺度

a. 弹性散射 m=ns/n 弹性散射是指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之间没有能量的交换。 古斯塔夫.米发现散射程度依赖于散射粒子的尺寸和入射波长的比以及散射粒子的折射率和背景媒质的折射率之比，米把这两个比值定义为尺寸参数x和相对折射率m m=ns/n

瑞利散射 米散射（又称大颗粒散射) 大尺度散射 实际中光子更可能前向散射，需要加系数进行修正。 b.非弹性散射 入射光量子和被测分子之间还可能存在能量交换，即散射电磁波的频率和入射电磁波的频率不相同，这类散射被称为非弹性散射。 多普勒频移 光被移动着的微粒所散射 拉曼散射 分子振动态的变化使散射光产生频移 受激虚态

c.各种波长光在组织内的散射

3. 组织体发光

将在泵浦源激发下处于粒子数反转状态的工作物质置于光学谐振腔内，如图所示。 激光的产生 将在泵浦源激发下处于粒子数反转状态的工作物质置于光学谐振腔内，如图所示。 光在谐振腔内振荡，抑制自发发射，增强受激发射，不断获得光放大，这时从谐振腔轴线方向透射出来的光就是激光。激光主要是受激发射产生的，所以是相干的。 激光 工作物质 泵浦源 谐振腔

以下图片是美国摄影师伯特·布尔特曼花费10年心血 拍摄了令人惊异的植物通电照片。这些照片是电流 穿过金属板，而金属板顶部放置着植物，在这种条 件下拍摄植物通电的情景。

b. 荧光 在外因诱导下，某些生物组织也能发光。如在光的作用下，常温某些生物组织可以发出荧光，一定的条件下还能发出磷光。 荧光的原理是：电子从最低激发态的最低振动能级开始向下跃迁的过程还可能发出一个光子但不改变其自旋的过程，该光子即为荧光。 自体荧光 外荧光 探剂

4. 其他 光热效应 光声效应 光化学效应 光热效应引起组织体温度升高，如激光手术等。 光声效应是当组织体发热后，周期性热流使周围的组织热胀冷缩，产生热弹效应，从而激发超声波的现象。通过检测这种超声波，可以进行声光成像。 光化学效应是指在生物组织内，由光所引起化学结构改变的所有过程。

光化学反应遵守三个定律。 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； 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。在高功率密度激光的作用下，一个分子还有可能和两个甚至多个光子进行能量交换，而发生光化学反应； 第三定律：反应体吸收光强度和入射光强度之间遵循朗伯-比尔定律。

四．近红外光的生物医学应用 1. 弱激光生物刺激作用 弱激光照射生物组织时，对生物组织产生某种刺激效应。目前认为，弱激光照射的治疗作用基础不是温热效应，而是光的生物化学反应。提出“弱激光生物刺激作用”的推理性假设。 弱激光应用于临床治疗所用的激光器： 半导体激光器 He-Ne激光器  

采用的波长范围：一般在630-890nm 照射方式： 血管内照射 血离体照射回输 体外局部照射 穴位照射

a. 弱激光刺激的效果 可用于加快伤口愈合 激光镇痛 不能直接杀灭细菌，但可以加强机体的细胞和体液免疫功能 改善全身状况，调节一些系统和器官的功能。 不能直接杀灭细菌，但可以加强机体的细胞和体液免疫功能

b．激光生物刺激的作用规律 激光生物刺激引起的效应与作为刺激源的激光参数有关，也与接受照射的组织的生物学特性有关，其关系都是非线性的。 较小剂量会引起兴奋，较大剂量会引起抑制。 弱激光多次照射过程中可有累积效应。 治疗时要采取疗程间隔，即治疗一段时间后需间隔再治疗。

c. 机理假说 生物电场假说（或称为共振效应假说） 偏振刺激假说 色素调节假说 细胞膜受体假说 类激素模型假说 ⑥生物信息模型和信息转化模型

2. LED的作用 LED光与激光相比，相干性等物理参数方面更接近于一般的可见光。那么LED能否代替目前在生物医学中普遍使用的激光呢? Karu发现光刺激效应主要与波长、照射剂量和照射方式有关，而相干光的条件不是必须的。 即非相干性可见光同样可以达到激光的生物刺激效果。 LED对细胞生长增强作用 LED光力学治疗癌症 NASA LED用于伤口治愈

3. 瓦氏效应与光 奥托·海因里希·瓦尔堡（德语Otto Heinrich Warburg，1883.10.8－1970.8.1）德国生理学家和医生。1931年因“发现呼吸酶的性质及作用方式”被授予诺贝尔生理学或医学奖。

瓦氏效应 瓦尔堡另一个贡献，是发现“瓦氏效应”。 他认为癌细胞的生长速度远大于正常细胞的原因来自于能量的来源差别。癌细胞会偏向使用糖酵解作用取代一般正常细胞的有氧循环，即使在氧气充足的情况下也是如此，所以癌细胞使用线粒体的方式与正常细胞有所不同。这个现象后来被医学界命名为“瓦氏效应”（Warburg Effect）。

a. 有氧循环和糖酵解

糖在体内主要的代谢途径 糖的有氧氧化： 葡萄糖→丙酮酸→乙酰辅酶A→CO2+H2O 糖的无氧氧化： 代谢为脂肪，在体内储存 葡萄糖→丙酮酸→乳酸 代谢为脂肪，在体内储存 生成糖原，包括肝糖原、肌糖原

刚才讲到癌细胞糖酵解，正常细胞有氧循环，那是否只有癌细胞才进行糖酵解呢？答案是否定的。因为人体的复杂性，不同组织结构不同，供能不同。 即使在有氧时，体内主要以糖酵解供能的组织还有视网膜、红细胞、血小板、皮肤、肾乳头、骨髓、白细胞、胚胎组织、恶性肿瘤。

线粒体与细胞凋亡 线粒体是真核细胞的重要细胞器，是动物细胞生成ATP的主要地点，线粒体是生命的“能量工厂”。 “细胞凋亡” 因为细胞在不断地新陈代谢，有机体需要有清理无用细胞的机制，其主要手段就是细胞凋亡，又叫做程序性死亡，即由基因主导的自我消灭方式。一个细胞一旦发生了某种有害变异，或者因为老化而不再有用了，便会启动“自杀”程序，自然解体，转化为养分供其他正常细胞使用。 有关癌症方面的研究

4. 光学脉搏血氧测定法 衡量血液性能的常用指标就是血氧参数，包括总血红蛋白浓度（THC）和血氧饱和度（Sa02）两个基本参数。 THC通常定义为100ml血液中所含的血红蛋白的分子量，基本单位是mol.L-1； Sa02通常定义为氧合血红蛋白(Hb02)占全部血红蛋白的百分比，计算公式为： SaO2= Hb02 /(Hb+ Hb02)*100%

Hb和Hb02的吸收系数在600~900nm波段内，比水的吸收系数大数十倍至数百倍，因此虽然在这个波段，生物组织是相对透明的。红光、红外光甚至能穿透头皮、头骨，深入到脑内数厘米。因为组织中血红蛋白的浓度远高于其它吸光物质的浓度，普通组织的透射和反透射光谱强烈依赖于血红蛋白的吸收光谱。 由于血液中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在波长为600nm-1000nm的连续光谱中(即红光和红外光区域)的光吸收系数存在显著的差异，所以可通过两种特定波长的光照射来求解。

当用两种特定波长的恒定光λ1、λ2（两种波长选为660nm和940nm）照射手指时，可推出动脉血氧饱和度的近似公式为：   Sa02=a+bQ  

谢谢大家！ 请您指正！