最全生物医学光子学复习题答案要点

生物医学光子学复习题

以下答案为本人根据上课PPT与自己理解所写，无法保证答案的完全正确，如果发现错误希望可以修改后上传，方便大家

1.Biophot on

a）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？

答：生物体超弱发光基本特性（1）普遍性，即所有生物组织样品中都有。（2）发

光强度弱，每秒的强度为 1e-7W。（ 3）谱特征，连续分布无特征峰。（4）高敏感，

对生物组织内部和外部。（5 ）来源于生物分子的能级跃迁。

相关的生命活动：细胞分裂，细胞死亡，光合作用，氧化作用，解毒过程，肿瘤发生

因为其反映了细胞内与细胞间的信息传递，功能调节等重要的生命活动，因此可以b）为何生物的超弱发光？它与哪些生命活动相关？

答：生物分子在代谢等相关生命活动中产生能级跃迁，退激发光。

c）为何“代谢发光”或者“相干机制”

答：代谢发光机制：由于呼吸链上固有的能力学缺陷”而引起了偶发的电子泄露，

产生了氧化自由基，然后在反应中的激发态分子退激发光。主要与生物的有氧呼吸

有关。相干机制：产生于一个高度相干的电磁场，从而诱发或自发发光。DNA被

认为是生物体内一个主要的相干源，主要与生物的细胞分裂有关。

d）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。

答：单光子计数技术，主要通过光电倍增管来检测生物发光强度时域的信号。

二维或三维单光子成像检测技术，主要有微通道板像增强器为主的图像探测系统。

具有二维光子检测能力，可同时获得时域和空间的信息。光谱分辨和时间分辨的功

能检测系统。

e）超弱发光有哪些应用？

生物超弱发光的应用领域

超弱发光的医学应用

反映体内生理状态荷瘤前后（病变－－正常）心博停止前和心博停止后疾病诊断及愈合评价血液的超弱发光尿液

在法医上的应用

用于死亡时间的推测临床死亡（心跳停止）后生物学死亡（细胞性死亡）推断损伤时间、形状、程度及伤口愈合时间

损伤与恢复程度与超弱发光有依赖性生物超弱发光在农业上的应用

选择最佳施用农药的剂量和时间主要应用于选种品质评价种子分类抗性研究

生物超弱发光在环境监测的应用

废水、废液、工业污水中重金属及致病菌的检测：生物超弱发光要比传统的化学分析方法灵敏度高得多。

环境毒物的测定：用生物发光检验 SOM植物毒害的程度。

元素的测定：生物的超弱发光对许多金属离子很敏感，可定量测定钙、铜、锌、锰、铁等元素的浓度。生物超弱发光在食品检验中应用

食品来源食品的新鲜度食品的质量生物超弱发光在药理学方面的应用药物的抗氧化作用能力和方式的研究检测病人对药物的过敏反应评价药物对病人的治疗作用

2.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。

§ 2.1 Inlaracliori farms between light snd blo-lnsue

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c ）分子结构与荧光的关系。

答：分子结构中的振动能级决定荧光的发射谱宽度。

d ） 理解与掌握荧光光谱中的一些重要概念（包括：

Beer-Lambert 定律、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）

1 -辐曲H 「效世or fi 下产勲.（quantum yield ）

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外祁闵索：物质? r-所处的蚌境

（需娶穂定的环境〉

斯托克斯位移：生物组织的吸收峰与荧光的发射峰之间的波长移动。 光稳定性：指荧光强度随着时间的改变， 如果荧光强度随时间不改变则稳定性强，

反之

不强。

荧光寿命：在激发光撤去后，荧光强度衰减为由来的 1/e 所需时间为荧光寿命。 e ） 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）

f ） 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 答：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 ） 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

h ） 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

b ）荧光是如何产生的？有什么特点?

百 24 Luminesfenc#

1,兖光的产牛.机制

（1｝功力学过界

光化常和噩过程：光顿 N 菠Jt 址i?L 也特征

激发丸谱与堂曲丸谱，

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＞发射光谱的炭哉和激发先的建琵无夷:

＞贰有一牛熒光带'；

k 黄光度射的强度和联发光的讖辰有关*

2.组覘林内部的丼神范观轲舛过觀一

不同葩坡之创的跃迁对应弄川貝的樹即过捏

光刑组纠川M ft JII 过程的能鑲淞示

荧光式物倉在SL 收.了外■来遺丸出 并谟过死化尊过柱君眾卅砖握

也 担于淞丈光的光.

址址严忙抄帮：S P -J S+M-.

LEM-neErlkM^:

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？

答：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 k) 选择探针时需要主要考虑哪些因素？(见

h)

l)

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？ 答：色氨酸Trp 和酪氨酸Tyr 有二个激发光谱峰，一个发射光谱峰，即

220nm,287nm/348nm;225nm,280nm/303nm ,苯丙氨酸也可以激发荧光但较弱一般不 计。

m) 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？

帳掘變光基团爼成：

好生型、稔阴富子型(GFP-S65T), f4(Sapphire). YEP, CFP. BF ￡苯基型

Aft:

蛊色BFP 〒青JL 色CFF*綠色 GFP. <4YFP

n) 绿色荧光蛋白突变体有哪些性能特点？

答：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。 o)

荧光蛋白作为标记物或指示剂的优势有哪些？

答：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 p)

产生FRET 的条件有哪些？

答：FRET 是指能量给体(Do nor)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 hv 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。 q)

什么是Forster 距离？常用FRET 对的Forster 距离大概在什么范围？

答：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 v 可能 被传递至受体分子，而后受体分子通过发射出光子 h v (h v>h v )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)

大概距离为1-10 nm r)

荧光蛋白作为分子探针在生物标记中的应用方式

答：生物融合：细胞活性探针，细胞膜探针，细胞器探针， 指示剂：有些探针对 Ph 敏感，可以检测生物组织 Ph,

2阳金氨基啟姐屍。

醍收^395 nm

稔童桂：BSC, pHIl.

1%SDS, 6mol/L

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 答：吸收系数 Ua:光在极短的距离内被吸收的概率

散射系数Us:光在极短的距离内被散射的概率 各向异性因子g,表示散射的各项异性的参数。 g=0表示各向同性

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

答：约化散射系数 卩’s （mm -1）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

化散射系数卩s ' =（1 -g ）卩s 衰减系数与穿透深度

以上参数具体的用途还需要结合相关的计算方法才可以理解。

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. 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 ii.

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

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）

定又…

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24

*相对新尉率旧?融射粧干的折射申口和背景煤J5的折射率耳之比

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following Fresnel & Snell Laws

e ）禾U 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？

"二禎手'+必

米氏散射的散射光强Is,波长<,r 为颗粒半径。

4.

light tran sport theory

a ）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？

答：基本思想：将入射激光看成是离散的光子流，

生物组织看成是吸收颗粒与散射

颗粒的混合，当光子撞击到吸收颗粒时，该光子寿命结束，如果撞击到散射颗粒，

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

（1—

雷）

则光子根据各向异性因子 g,改变一定传播方向继续前行。在此过程中不考虑光的干 涉和衍射且认为散射是没有能量损失的。

辐射的能量，这贡献是由于 非交互式”，即使非散射介质也会产生

|DiniensiiL]]i

Divergence

Extinction

Scatlcririig contribution*^^!

6. different models

a ）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？

b ） Monte — Carlo 方法的基本思想。

答：光在生物组织中的传播可视为光子与介质中微小粒子的一系列的散射与吸收事件。 由光源发出的光在其运动方向上如果碰到散射粒子，光子改变方向继续传播 ，如果碰到

吸收粒子，光子则为粒子所吸收光与微小粒子的相互作用过程构成马尔可夫过程。 对以

上过程的程序描述即构成了

c ） 请用MC 模拟光在组织中的分布，当组织的吸收、散射发生变化时，这种分布会 如何变化？ 答:随着Us 和Ua 的增大，光子沿纵向和横向的分布同时减小，因为更大的

Ua 组织吸 光能力更强，更大的 Us 则有更大的散射概率而使能量减小。而当 g 增大时，光子沿纵 向与横向的分布同时减小， 因为g 的增大使光在组织中的传播更具前向性， 因此更少的

光子溢出表面。 7.

Detectors and collect ions a ） 探测器的种类有哪些？

光电（光电倍增管）、半电体（CCD ）、热（热敏电阻）、 b ） 光接收器的种类有哪些？ 相机、光纤、各向同性接收器，积分球

c ） PMT 有哪些主要组成部分？使用 PMT 时要注意什么事项？ 答：组成：光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统、阳极

注意事项：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

b ）简述辐射传输方程的物理意义 5.

Suurce

在该体积元内发光源产生的的能量

Change rate of energy densily^

消失，散射和吸收的能量

从方向s'散射到当前体积元来的能量,

免磁场影响。

d）CCD的工作原理？ CCD的信噪比与什么参数有关？

答：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勺信噪比与感光器件的面积有光

e）如何选择合适的光探测器与光接收器？

答: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。

f）为什么针对温浊样品的测量常用积分球？

答：积分球可通过测量生物组织的漫反射率与漫透射率很好得到浑浊样品的散射系数，吸收

系数。

8.Reflecta nee or tran smissi on methods

a）组织光学参数测量技术的各种分类方法有哪些？其不同分类的依据是什么？

■从组织所处的状态=

■在体测量、离体测量

从测量理论的角度：

■直接测量、间接测量

从测量技术的角度：

■稳态"时域、频域

b）准直透射测量方法能够得到哪些参数？对被测样品有何要求

答：吸收系数卩a、散射系数卩s对被测样品有何要求样品厚度小于10卩m;维持样

品的光学平滑度

c）积分球内投置挡板起何作用？

答：防止由样品表面反射和准直透射的光直接进入检测器。

d）基于空间分布的漫反射测量法能获得哪些参数？

答：反射率、吸收系数。

e）为什么基于漫射光谱测量能获得组织（皮肤）的光学特性参数，并能用于皮肤疾病

的诊断？

答：漫射光谱，数据处理后可以得到皮肤部位的吸收光谱，从而用于疾病诊断。

9.In tegrati ng sphere tech nique

a）试说明利用双或单积分球实现对混浊样品测量时，两者在功能上各位何优势？？答：1.单积分球：测量的不同时性由于不能实现漫反射、漫透射和准直投射的同时测量，由此可能产生由于光源功率和检测系统的不稳定性、样品随时间推移产生的

形变和失水等问题带来的误差；其次是机械切换误差，因为在漫反射率、漫透射率

和准直透射的测量过程需要改变光源的入射方式或者检测器的接受位置，由此带来

的系统切割误差是不可忽略的。

2?双积分球：实现准直透射、漫透射、漫反射的同时测量，从而克服单积分球系统

带来的非同时性和机械切换误差。缺点：反射求和积分球之间“串音”，使漫反射

和漫透射率较实际偏高。

10.IAD

a）利用积分球测量样品的漫反射与漫透射是一种常用的方法，应如何综合考虑来设计

积分球的尺寸、以及样品口径等？

答：IAD算法的基本思想：其基本思想在于把样品（无限大的平板模型）分成厚度相

等的两份，通过计算其中一份的漫反射和透射率来计算原样品的漫反射和漫透射。

我感觉具体看一下测试的整个过程已经可以了，具体过程大家可以参考积分球的生

物医学光子学实验

适用性：

■理论（假定测量无误差）

■g<0.94,否则程序不收敛■弱的吸收与散射，误差较大

■实验

■光学厚度:1-10 ■反照率：0.4^0.95

b）基于积分球的反射与透射测量，利用IAD算法计算组织光学参数时主要会引入怎

样的误差？

答：样品侧漏被误认为吸收引起散射系数和吸收系数的误差。

11.Microimaging

a）为什么荧光显微镜最受人重视？典型的荧光显微镜包括哪些主要部件？答：荧光显微镜不仅可以组织成像而其可以功能成像

组成：激光光源，滤板系统，普通光学显微系统

b）滤光片有哪些类型和性能指标？

答：激发滤光片与发射滤光片。

性能指标：单色性，滤光带宽

c）物镜的数值孔径与显微镜分辨率、图像亮度之间的关系？

答：数值孔径越大，物镜的放大倍数越大，分辨率也就越大，图像亮度越小。

d）显微镜的放大倍数如何计算？

答：目镜放大倍数乘以物镜放大倍数

e）根据普通的宽场显微镜与共聚焦显激光扫描显微镜的组成原理出发，比较两者的区另并说明其在应用中的优缺点

f）试从共聚焦显激光扫描显微镜与双光子激发荧光显微镜的组成原理出发，比较两者

松制针孔弋栏

P2照明针孔光U

优点共聚焦

12.少背景噪音

13.高灵敏度

14.更好的成像对比

扫描

3D X断层摄影

激光

1.更小的色彩偏差

2.更高的分辨率

缺点荧光可能被吸收或散射，成像深度被限制

光损伤严重，观察较短

针孔阻挡部分来自焦平面的扫描荧光，一些图像丢失激发源不会被焦平面上方吸收

更长的激发波长致使更少的散射焦平面外的荧光分子不被激发使较多的激发光可以到达焦平面，使激发光可以穿透更深的标本

激发光谱带与荧光发射带没有重叠没有来自拉曼扫描的噪音长波长的近红外光比短波长的光对细胞毒性小只限于荧光成像

热损失会发生如果样品中含有吸收激发波长的发色团，例如色素

比起扫描成像有轻度的低分辨率，这种现象可以被设置检测孔光栏减弱，但是又会造成丢失图像的代价比较贵

a）多光子吸收有什么特点？为什么双光子激发荧光显微镜需要飞秒激光作为激发光源？

答：多光子共同激发荧光过程，对于吸收光子的频率要求降低产生的荧光强度与激发光的强度的光子数次方成正比

多光子激发需要更大的光强

具有空间局域特点，只有焦点处的微小局域内才能吸收双光子激发荧光

双光子激发需要很高的光子密度，为了不损伤细胞，双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光

器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脉冲宽度只有 100飞

秒，而其周期可以达到 80至100兆赫。

b）为什么利用共焦针孔可以提高显微成像的横向与纵向分辨率？

答：共焦针孔的存在使得除了焦平面上射出的荧光以外都不能进入到物镜当中，从而大

幅度减小了背景噪音，造成了很强的对比度。因此产生了高分辨率。（影响显微镜分辨

率的有入射光波长，物镜的数值孔径，明暗对比度）

c）多光子与共聚焦荧光显微镜有什么异同点？

d）多光子荧光显微镜在生物成像中的优势与不足有哪些？

e）荧光成像技术有什么优缺点？为什么需要发展近红外荧光探针？

答：

近红外黄光分子探针在医学影像中有较好的应用，在近红外荧光区，组织疾病中光的诙射与光的波怪的四次方成反比.葩波长的增加，拉曼散射迅速减小”便散射干扰也大为减少，且提供了一个血红蛋白和水的吸收都极小的区域*相对于常规荧光（A <600rw）而言.在近红外荧光（A >600nm）光区，生物样品基体光吸收或荧光强度都很小，因而背JS 干扰大大降低■因此，近红外黄光分子探针在诺像检测中将会有较离的灵瞰度。

f）试写出CFM、2PM、OCT的中英文全称

答：CFM --------- Con focal Microscopy 共聚焦扫描显微

2PM ------ Two -photon microscopy 双光子显微

OCT ------ Optical Cohere nee Tomography 光学相干层析技术

15. Coherence-domain imaging

a）试写出CFM、2PM、OCT、LSCI与DOT的中英文全称，并说明其应用领域各有

哪些不同

答：OCT -------- O ptical Cohere nee Tomography 光学相干层析技术

它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向

反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。

在眼内疾病尤其是视网膜疾病的诊断，随访观察及治疗效果评价等方面具有良好的应用

前景。

LSCI ------ Laser speckle contrast imaging 激光散斑成像技术

目前这种激光散斑成像技术已被用于监测皮肤、视网膜眼底的血流变化。

DOT ------ diffuse optical tomography 扩散层系成像

利用扩散光在组织中的相对穿透深度实现器官级（5~10cm）的临床诊断用层析成像，

提供了基于组织体重要生化成分的无创功能检测新模式。

b）为什么OCT的光源常选用弱相干光源？单色性很好的激光或者一般的白光光源是否可行？为什么？

OCT之所以采用宽带光的原因是対了实现高分辨率口由宽带光源的弱相干性可知，OCT 干涉仪可以获得窄的相干长度，保证纵向扫描的成像分辨率在微米级。如图12-3所示.对于举带

光源、由J-H4U干长度很长.在相为人的光程差范闱内都能输出类似正眩的干涉条纹变化。这

样的「涉条纹刈比度与两秤的朮程差变化几乎无关，无法确定零级条纹的位宙*则无法找到答

光程点，失去了精确從位的功能.而对于宽带光而言’只有当两V!的光程址在这个很短的相干长

度Z内吋，探测器才能检测到「涉条纹的对比度变化；而且，在对比度最大的地方对应爭等光

崔点.随科光程歪的增加h对比度迅，速锐减，冈此貝有很好的层析定位粘度.

激光与白光不可以，因为激光性为窄带的强相干光，白光为不相干光

c）正确理解弱相干光源与纵向分辨率的关系答：纵向分辨率与相干长度成正比

d）散斑是如何形成的？为什么可以利用散斑进行流速的测量？

答：当入射激光照射到物体表面时，将发生散射，物体表面上的每一个点都可视为一个子波

源。由于这些子波源的高相干性，由一个物点散射的光将和每一个其他物点散射的光干涉。

又因物体表面粗糙（相对于光的波长来说），各子波到像平面的光程不同，相干迭加的结果

使得像平面上的光场具有随机的明暗变化的空间光强分布。若把探测器或眼睛置于光场中时，

将观察到一种杂乱无章的呈现颗粒状结构的干涉图样，即“散斑”。

当观察者注视激光照射运动物体，散斑似乎在闪烁：单个散斑的光强随时间随机变化。这是

由于物体上点到眼睛视网膜的距离在不断变化，因此那点的光强会变化。我们可以直观的判

断：光强起伏的频率与散射体运动的速度有关，因此，从光强起伏的时间统计可以获知散射

体运动的速度信息。

e）试从时间衬比与空间衬比分析的原理出发，说明两种分析方法的优缺点。

答：时间衬比良好的空间分辨率减少静态散斑的影响减少时间分辨率空间衬比良好的时间分辨率减少空间分辨率16. DOT

?

b）与其它影像技术相比，光学成像有哪些优点？

答：数据采集速度快

合理的空间分辨率和较高动态时间分辨率

直接和间接的提供同时的组织体解剖和生理功能信息

对目标运动的稳健性，便携性和低价格

17. PAT

a）光声层析成像的原理是什么？

生物绢织的光声成像是基于生物组织内部光学班收差异、以检测趙声信号为于?段的无损-生物光子成像方法0光声成像一般过程是”光吸收T诱导光声舊号T趙声波检测T图慷巫ar 4卩把…朿短脉冲激光经比浄元件扩束话,均匀照射到生物组织J组织内的光吸收休快連吸收激光能霾，产生绝热膨胀’ 从而产生光声信号■利用探测器旋转扫描（或旋转组织｝方式从各个方向探测来自组织中的光再倍号’ 再利用書适的算法进行图像雜建.就町以得到组织光吸收分布图像口

b）与其它光学成像技术相比，光声成层成像有何优点？

答：（1）可以进行在体的组织与功能成像，（2）检测到的信号不仅含有组织的光学特性而且还有声学特

性，信息含量大。（3）声波在生物组织内传播衰减和散射较小，比较容易测量。