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第二章 光与生物组织体 的相互作用 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 2.2 组织体对光的吸收效应 光吸收：光在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。 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 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 均匀媒质（homogeneous medium） 组织体的吸收系数在0.003—0.07cm-1 (650nm—1400nm) 平均自由程：两次吸收之间光子所行进的平均距离 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 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。 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 + hν → 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。 光吸收的基本定律—朗伯-比尔定律 溶液对光吸收示意图 朗伯-比尔定律公式 吸收线及其基本概念 吸收线轮廓图 吸收线半宽度 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。 吸收法的定量分析方法-标准曲线法 标准曲线法示意图 吸收法的定量分析方法-标准加入法 标准加入法示意图 2.3 组织体对光的散射效应 2.3.1 散射 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 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）： 20世纪初，德国Gustav 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 根据尺度参数的大小，弹性散射分为三种： X＜＜1, Rayleigh Scattering,分子散射 散射截面 散射强度 0.1＜X＜50,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(θ=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. 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(0.5—2微米),黑色素(0.1—2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，需要度量散射各向异性的量或各向异性系数 2、多个粒子的散射、散射系数 单位体积内ρ，单个粒子散射截面σs , 散射系数（scattering coefficient） μs = ρσs 在多种散射