生物医学光子学_scy-1 绪论 20151111

1、生物医学光子学生物医学光子学宋春元宋春元 副教授/硕导信息材料与纳米技术研究院南京邮电大学教五-310(1)Biomedical Photonics研究方向研究方向u纳米生物学u生物光子学HollowAuNRSiO2AuNR贵金属纳米材料（胶体）贵金属纳米材料（胶体）贵金属纳米材料（胶体）贵金属纳米材料（胶体）磁性纳米材料和贵金属纳米材料的复合结构贵金属纳米材料（胶体）贵金属纳米材料（胶体）Flower-likePolyhedral贵金属纳米材料（胶体）贵金属纳米材料（胶体）Multiwell array SERS chip贵金属纳米材料（固体贵金属纳米材料（固体SERS基底）基底） 4008

2、00120016002000 IntensityRaman shift/cm-1表面增强拉曼散射（表面增强拉曼散射（SERS）Applicationu ProteinuDNA/RNAuCelluSERS-based sensors蛋白检测蛋白检测核酸检测核酸检测肿瘤Cell靶向识别、成像与治疗病毒检测病毒检测SERS Hg+ 检测检测120014001600180001500300045006000 Intensity/a.u.Raman shift /cm-1 0 nM 1 nM 10 nM 100 nM 1000 nM142514401455147014850100020003000400

3、05000 Intensity/a.u.Raman shift /cm-1 0 nM 1 nM 10 nM 100 nM 1000 nM01000200030004000500060001000 nM10 nM 100 nM1 nM Intensity/a.u. 1465 cm-101 绪论Chapter 1 绪论绪论光与生物的关系光与生物的关系人类对光的利用：人类对光的利用：u光作为能量的载体；u光作为信息的载体；u光作为科学研究的工具 。Chapter 1 绪论绪论生物医学光子学？生物医学光子学？生命科学生命科学是当今世界科技发展的热点是当今世界科技发展的热点光子学光子学是随着近代科学技术

4、发展而日益蓬勃是随着近代科学技术发展而日益蓬勃发展的学科发展的学科生物医学光子学生物医学光子学（Biomedical Photonics） Chapter 1 绪论绪论光子？光子？光量子，简称光子光量子，简称光子，是传递电磁相互作用的基本粒子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。波粒二象性波粒二象性波动理论波动理论量子力学量子力学描述光的传播描述光的传播解释光与物质的相互作用解释光与物质的相互作用Chapter 1 绪论绪论生物医学中的光子生物医学中的光子20光子学光子学 研究作为信息和能量载体的光子行为及其应研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。用

5、的科学。 理论方面：主要研究光子的量子特性及其在理论方面：主要研究光子的量子特性及其在与物质与物质( (包括与分子、原子、电子以及光子包括与分子、原子、电子以及光子) )的的相互作用中出现的各类效应及其规律相互作用中出现的各类效应及其规律 应用方面：研究光子的产生、传输、控制以应用方面：研究光子的产生、传输、控制以及探测等及探测等Chapter 1 绪论绪论21生物医学光子学生物医学光子学 生物医光学子学是光子学技术和生命科生物医光学子学是光子学技术和生命科学相互交叉与渗透，而形成的一门新的边学相互交叉与渗透，而形成的一门新的边缘学科。缘学科。Biomedical PhotonicsBiome

6、dical OpticsBiophotonicsChapter 1 绪论绪论22生物医学光子学的研究内容生物医学光子学的研究内容 光子学原理与技术在生物健康领域中的应用光子学原理与技术在生物健康领域中的应用 它涉及对生物体的成像、探测和操纵。它涉及对生物体的成像、探测和操纵。Chapter 1 绪论绪论23生物医学光子学研究内容生物医学光子学研究内容 在生物学领域：主要探测分子的在生物学领域：主要探测分子的机理、功能机理、功能和结构和结构； 在医学领域：检测组织与血液在医学领域：检测组织与血液参数参数, ,探索组探索组 织织结构与功能的变化结构与功能的变化；进而实现进而实现微观微观（微纳尺度）

7、与（微纳尺度）与宏观宏观（大尺度）（大尺度）水平的疾病无损探测、诊断和治疗。水平的疾病无损探测、诊断和治疗。Chapter 1 绪论绪论生物医学光子学生物医学光子学 (biomedical photonics)生物光子学生物光子学(biological photonics）医学光子学医学光子学(medical photonics)Chapter 1 绪论绪论光子在生物、医学中的应用研究领域研究领域25生物光子学生物光子学 研究生物系统的研究生物系统的光子辐射光子辐射以及这些光子以及这些光子携带的有关生物系统的携带的有关生物系统的结构与功能结构与功能信息信息 研究利用光子及其技术对生物系统进行研

8、究利用光子及其技术对生物系统进行的的检测、治疗、加工和改造检测、治疗、加工和改造等等Chapter 1 绪论绪论26生物光子学生物光子学 微观层次：微观层次：显微光学成像技术显微光学成像技术与现代分子生与现代分子生物学、细胞生物学和系统生物学的基本手段相物学、细胞生物学和系统生物学的基本手段相结合，从结合，从离体离体和和在体在体水平上，深入研究生物分水平上，深入研究生物分子间子间相互作用的本质相互作用的本质，揭示生命现象的，揭示生命现象的基本规基本规律律，进一步探索疾病发生的，进一步探索疾病发生的分子机制分子机制，为疾病，为疾病诊断诊断、治疗治疗和和药物设计与筛选药物设计与筛选寻找新的思路。寻

9、找新的思路。Chapter 1 绪论绪论27生物光子学研究领域生物光子学研究领域 生物系统的光子发射生物系统的光子发射 生物系统超弱发光及应用生物系统超弱发光及应用 生物细胞的诱导发光生物细胞的诱导发光 光子技术在生命科学中的应用光子技术在生命科学中的应用 荧光探针荧光探针 激光扫描共焦显微术激光扫描共焦显微术 多光子荧光成像技术多光子荧光成像技术 光钳和单分子操作光钳和单分子操作Chapter 1 绪论绪论28医学光子学医学光子学 新兴的光子学与现代医学相结合形成新兴的光子学与现代医学相结合形成了一个新型交叉学科生长点。医学光子学了一个新型交叉学科生长点。医学光子学的发展动力源于医学的迫切需

10、要。的发展动力源于医学的迫切需要。Chapter 1 绪论绪论29医学光子学医学光子学 研究光在生物组织中研究光在生物组织中传输规律传输规律，发展医学，发展医学光光学成像学成像与与光谱测量技术光谱测量技术，用于生物组织与血液，用于生物组织与血液参数的无损检测，探索组织结构与功能的变化；参数的无损检测，探索组织结构与功能的变化；研究光与生物组织研究光与生物组织相互作用机制相互作用机制，发展新的，发展新的光光学方法用于疾病的治疗学方法用于疾病的治疗。为疾病的早期诊断、。为疾病的早期诊断、治疗、及疗效评价提供新的方法。治疗、及疗效评价提供新的方法。Chapter 1 绪论绪论30光学诊断的优点光学诊

11、断的优点 光辐射是非电离性，可以进行多次测量光辐射是非电离性，可以进行多次测量 不同软组织反差较大不同软组织反差较大 不仅能获得组织结构信息，且能获得生物不仅能获得组织结构信息，且能获得生物组织的功能信息组织的功能信息Chapter 1 绪论绪论31光学诊断的物理基础光学诊断的物理基础 光谱与分子结构有关，人体组织发生光谱与分子结构有关，人体组织发生分子水平的改变，就应该能观察到光学分子水平的改变，就应该能观察到光学性质的改变性质的改变Chapter 1 绪论绪论32光学诊断的生理基础光学诊断的生理基础 光学光学吸收吸收与血管生成、细胞凋亡、与血管生成、细胞凋亡、坏死，过度代谢等有关坏死，过度

12、代谢等有关 光学光学散射散射主要与细胞核大小有关主要与细胞核大小有关 光学光学偏振偏振与胶原蛋白有关与胶原蛋白有关Chapter 1 绪论绪论33光学特性与生理参数的关联光学特性与生理参数的关联 血氧饱和度血氧饱和度 总的血红蛋白含量总的血红蛋白含量 血流速度血流速度 胶原蛋白的方向性、浓度与变性等胶原蛋白的方向性、浓度与变性等Chapter 1 绪论绪论34医学光子学研究内容医学光子学研究内容 探索用于组织结构与功能探索用于组织结构与功能检测检测的光学方法的光学方法 研究光在生物组织中传输规律研究光在生物组织中传输规律 发展医学光学成像与光谱测量技术发展医学光学成像与光谱测量技术 发展新的光

13、学方法用于疾病的发展新的光学方法用于疾病的治疗治疗 研究光与生物组织相互作用机制为疾病的早期诊断、研究光与生物组织相互作用机制为疾病的早期诊断、治疗、及疗效评价提供新的方法治疗、及疗效评价提供新的方法Chapter 1 绪论绪论35医学光子学研究领域医学光子学研究领域 医学光子学基础医学光子学基础 组织光学组织光学 医学光子学技术医学光子学技术 光子诊断技术光子诊断技术 光子介入治疗光子介入治疗Chapter 1 绪论绪论36医光学子诊断术分类医光学子诊断术分类 医学光谱术医学光谱术 医学光学成像术医学光学成像术Chapter 1 绪论绪论37医学光谱技术医学光谱技术 研究光与组织相互作用，如

14、研究光与组织相互作用，如吸收、散吸收、散射以及光子再发射射以及光子再发射；通过光谱探测技术，；通过光谱探测技术，获取生物体成分、含量以及动态变化，从获取生物体成分、含量以及动态变化，从而实现对疾病的诊断。而实现对疾病的诊断。Chapter 1 绪论绪论38医学光谱术分类医学光谱术分类 生物组织的自体荧光光谱生物组织的自体荧光光谱 生物组织的药物荧光光谱生物组织的药物荧光光谱 生物组织的喇曼光谱生物组织的喇曼光谱 生物组织的超快时间分辨光谱生物组织的超快时间分辨光谱Chapter 1 绪论绪论39常用光学成像技术常用光学成像技术扩散光学成像扩散光学成像相干域光学成像相干域光学成像显微光学成像显微

15、光学成像Chapter 1 绪论绪论40光子介入治疗光子介入治疗 光化学作用光化学作用 光热作用光热作用 光机械作用光机械作用 光电磁场作用光电磁场作用 低功率激光生物刺激作用低功率激光生物刺激作用Chapter 1 绪论绪论41激光临床医学应用激光临床医学应用 眼科、肛肠科、耳鼻喉科、骨科、牙科眼科、肛肠科、耳鼻喉科、骨科、牙科 皮肤科、妇科、心血管科、激光内窥镜、皮肤科、妇科、心血管科、激光内窥镜、 腔内激光碎石腔内激光碎石 各种肿瘤治疗手术、组织间隙热疗、光动各种肿瘤治疗手术、组织间隙热疗、光动力治疗、激光免疫治疗力治疗、激光免疫治疗Chapter 1 绪论绪论总体安排总体安排学时：学时

16、：32 32 学时学时 (8 (8 周周) )课堂课堂( (课上讨论及出席情况课上讨论及出席情况) ) 课程安排课程安排考试安排：考试安排：提交一份该课与自身课题相结合的综述或提交一份该课与自身课题相结合的综述或研究报告（字数研究报告（字数40004000字以上）字以上）总体成绩总体成绩期末研究报告占期末研究报告占60%60%，考勤占，考勤占20%20%， 课堂报告占课堂报告占20%20%作业：作业：Chapter 1 绪论绪论课堂报告选题课堂报告选题1、共聚焦显微技术、共聚焦显微技术3、拉曼拉曼光谱（成像）技术及其在生物医学中的应用光谱（成像）技术及其在生物医学中的应用5、光声成像技术及其在

17、生物医学中的应用、光声成像技术及其在生物医学中的应用6、光学相干断层扫描技术光学相干断层扫描技术4、荧光荧光光谱（成像）技术及其在生物医学中的应用光谱（成像）技术及其在生物医学中的应用2、红外光谱（成像）技术及其在生物医学中的应用、红外光谱（成像）技术及其在生物医学中的应用7、光热治疗技术、光热治疗技术及其在生物医学中的应用及其在生物医学中的应用8、光动力治疗技术光动力治疗技术及其在生物医学中的应用及其在生物医学中的应用11月25日12月2日12月9日12月16日12月16日12月23日12月23日12月2日Chapter 1 绪论绪论研究报告（研究报告（60%），课程结束后），课程结束后1周内（周内（1月月6日日前交前交打印稿及电子版，不少于打印稿及电子版，不少于4000字字内容：内容：45%选题范围：各自课题组相关方向与生物医学光子学结合深度：是否抓住关键问题或有新的视角、是否反映最新进展材料组织的逻辑性和连贯性表述：表述：10%用词、概念的准确性图、表的合理使用版面与格式版面与格式: 5%整洁、清楚文献文献: 10%引用文献量（大于5篇，其中近5年不少于60%）正文中引