关于最全生物医学光子学复习题答案

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. Biophoton
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？
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SO2对植
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。
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。
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）
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？
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（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。
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 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）
大概距离为1-10nm
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,
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μ′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μs′=(1?g)μs
?? 衰减系数与穿透深度
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
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）
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？
米氏散射的散射光强Is,波长，r为颗粒半径。
4. light transport 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，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。
b) 简述辐射传输方程的物理意义

5.
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。

消失，散射和吸收的能量
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
从方向s’散射到当前体积元来的能量，
在该体积元内发光源产生的的能量