生物光子学光子学与光谱学基础课件课件.pptVIP

生物光子学光子学与光谱学基础;优选生物光子学光子学与光谱学基础;;光在界面上的反射和折射：分别遵从反射定律和Snell定律；

当光从光密（折射率大）介质入射到光疏（折射率小）介质的界面时，发生光的部分反射和折射现象；当入射角大于临界角时，光线会停止进入光疏介质，而全部反射回光密介质，即发生全反射。——光纤

若光疏介质是溶液，由于波动效应，有一部分光的能量会穿过界面渗透到溶液中，是一种非均匀波，叫做消逝波，也称隐失波或倏逝波。其在第二介质中的有效进入深度约为一个波长。——全内反射荧光显微术;光的本质——波粒二象性；

光是一种能在真空和介质中以波动形式传播的，由振动的电波和磁波组成的电磁波，同时也是一种叫做光子的能量包；

凡是与光的传播有关的各种现象，如衍射、干涉和偏振，必须用波动说来解释，凡是与光和物质相互作用有关的各种现象，如物质的光吸收与发射、光电效应和光散射（康普顿效应），都必须用光子说来解释；

波动性参量（波长、频率、相位、速度）

粒子性参量（能量、动量）;光波的干涉和衍射

光的相干性：时间相干性、空间相干性

产生干涉条件：只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。

当光遇到尖锐的障碍物、通过小孔和狭缝，或聚焦于尺寸与光波长相近的斑点时，光弯折和扩散等衍射现象就会发生。

相长干涉产生亮纹，相消干涉产生暗纹。;物质的“波粒二象性”;分子的能级结构：电子和振动能级（量子化）在生物光子学中有重要的作用

激发态的跃迁过程：有机分子的各种辐射和非辐射过程常用Jablonski能级图描述；;光谱;;3、电子能级吸收光谱

电子能级吸收用于对样品的定量分析，如紫外-可见光谱仪——测量电子能级的线性吸收；

线性吸收由Beer-Lambert定律定义，即一束初始强度为I0频率为v的入射光按指数衰减，即输出强度I为：

系数?(v)和k(v)的单位为L?mol-1cm-1；?(v)比k(v)更常用，称为频率v处的消光系数；

b以cm为单位，是光学路径长度，定义为光通过吸收介质的路径的长度；;相干反斯托克斯拉曼散射

生物光子学常用的激光器：CO2激???器

6激光与非线性光学

如果介质具有二阶效应，那它一定是非中心对称的（不是非晶态的固体或者液体）。

吸收光谱能够识别发色团；

分光器件：光栅、棱镜。

6激光与非线性光学

如果介质具有二阶效应，那它一定是非中心对称的（不是非晶态的固体或者液体）。

激光在生物医学中的应用：

三倍频/三次谐波(THG)，饱和吸收(SA)，双光子吸收(TPA)，自聚焦(SF)，米克尔效应(OK)，受激拉曼散射(SRS)，受激布里渊散射(SBS)，相干反斯托克斯散射(CARS)，四波混频(DFWM)等；

锁模操作：这一操作中，由于在某个时间段内激光腔内会随机形成不同的纵模，可对这些腔内的纵模进行相位锁定来产生一系列超短脉冲（皮秒到飞秒量级）。

红外光谱和拉曼光谱是提供振动跃迁和振动能带信息的互补技术。

激光的历史可以追溯到1917年，爱因斯坦在其经典著作《关于辐射的量子理论》中第一次提出受激辐射的概念，论证了受激辐射、自发辐射和光吸收之间的关系；

皮肤手术：除皱、消除纹身、胎记、切除肿瘤和疣以及其他类型的赘生物等；

注意：双光子激发上转换过程是一个三阶非线性效应，二次谐波则是二阶过程。

泵浦源：将原子由低能级激发到高能级，实现粒子数反转；

6激光与非线性光学

生物光子学中用到的各种光谱

6激光与非线性光学

掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）;吸收率：;电子能级吸收光谱

典型的吸收光谱表示为T相对于v或?的曲线，或A相对于v的曲线;

?v定义为吸收谱带最大吸收值一半处的宽带。;电子能级吸收光谱

吸收光谱能够识别发色团；

吸收频率可能与发色团的环境有关；

如果已知发色团在频率v处的摩尔消光系数?(v)，则可以得到此发色团的浓度；

生物介质中可能含有多种已知摩尔消光系数的吸收性发色团，通过测量在一系列频率上的吸收率A，可以得到各种不同发色团的浓度。;乙醚中叶绿素a的吸收光谱;HPPH（光动力疗法中的一种药物）的吸收光谱;4、电子能级发射光谱

研究从一个受激电子能态向一个较低电子能态（一般是基态）跃迁而产生的光发射；

室温下生物分子即有荧光现象；从一个三重受激态到单重态的磷光则在室温下很少观察到；

单光子吸收产生了红移的荧光谱带；这种在吸收谱带的峰值与发射谱带的峰值之间的偏移称为Stokes红移，吸收和发射光子之间的能量差对应于非辐射过程的能量损失；

Stokes红移可能由环境效应造成，也可能是由于发射光子的受激态的结合结构的改变造成的。;荧光素的吸收和发射光谱;荧光成像是生物光子学中主要的光学生物成像技术。

荧光光谱学包括如下特性的研究：

荧光光谱技术

荧光激发光谱

荧光寿