生物医学光子学复习题带答案

Biophoton

a) b) c) d) e)

2.

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？ 为何生物的超弱发光? 它与哪些生命活动相关？ 为何“代谢发光”或者“相干机制”

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。 超弱发光有哪些应用？

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) f)

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）

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) h)

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

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)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

-1

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. ii.

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

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（10m）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（10m）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）

-7

-7

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) b)

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？ 简述辐射传输方程的物理意义。

5.

different models a) b)

1.

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？ Monte－Carlo方法的基本思想。

Detectors and collections a) b)

探测器的种类有哪些？光电、半电体、热、

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的信噪比与什么参数有关？感光器件的面积 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；光电管与光电倍增管适用于灵敏度要求高，稳定性好，响应速度快和噪声小，电流放大电路；热探测器对光辐射的波长无选择性。综上知，依据动态特性、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)

2.

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。

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) c)

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 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。