生物医学光子学复习题带答案.docx
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生物医学光子学复习题带答案
2.蛆媒休内部的畀沖宦观物珅过和一
平祠能羅之间的或迁对应苗不同的物朝过程
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?
b)为何生物的超弱发光?
它与哪些生命活动相关?
c)为何“代谢发光"或者“相干机制"
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。
e)超弱发光有哪些应用?
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。
§2.1InleracliorifnrmEbetweenlightandblo-lnsue
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(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、 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? 2錮丰札雇哽想减“I 乩牧悴刿和血 AltMtpHlk ]%SDS, 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。 EFP周杓矣光共就能量瞩秒fFRETJ 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hv可能被传递至受体分子,而后受体分子通过发射岀光子hvz(hv>h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(1〜10nm),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.Opticalproperties a)常用的组织光学特性参数有哪些? 如何描述其基本概念 ■Absorpliun ■Refraxlion ■Scattering ■Anisotrupyofscattering ■Keducedscatteringcuvffick'nf (吸收、反射、散射、散射的各向异性因子、约化散射系数) 吸收系数卩a(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 散射系数卩s(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 悶=山+M①=1/出 山=氏务=1/% /W=初血国—(1—嘉=屮《 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 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 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(10-7m)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(10-7m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) •尺勺參穀"散附牧子的旱隹a和h蝌蔽长X的tt* 21 *相对新期車环散射粒干跚射率u/D背看焦頂的折射丰口之比 当CLi tA利时.吐加届于冲比糊醫.舲*■坦堀律边畀理宓轴和折册. bllcwingFresnel恳SnellLaws 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: 图淞他时的腔时朮加館右粘f■尺前哽人具有艷強班的閒向芒弟 特点: □对波脸的侬曲性扇B □般尉粒子诃尺寸与光址先相近时,般射光強废的对祢性被疏坏.: 欣射具有疑默的前向越勢,且逋着颗粒尺寸的增加,散射的茁曲趙静也随之増尢 4.lighttransporttheory 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。 ]出(r+iji dr 5.differentmodels 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。 1.Detectorsandcollections a)探测器的种类有哪些? 光电、半电体、热、 b)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)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。 2.Reflectanceortransmissionmethods 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)准直透射测量方法能够得到哪些参数? 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? 防止由样品表面反射和准直透射的光直接进入检测器。 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? 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。 3.Integratingspheretechnique 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? ? 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。 b)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。 4.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? 查不到相关信息,可自由发挥 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? 样品侧漏被误认为吸收引起散射系数和 吸收系数的误差。 6.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? b)滤光片有哪些类型和性能指标? c)物镜的数值孔径与显微镜分辨率、图像亮度之间的关系? d)显微镜的放大倍数如何计算? 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,比较两者的区别,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,比较两者的区别,并说明其在应用中的优缺点 g)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? h)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? i)多光子与共聚焦荧光显微镜有什么异同点? j)多光子荧光显微镜在生物成像中的优势与不足有哪些? k)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? l)试写出CFM、2PM、OCT的中英文全称 7.Coherence-domainimaging 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 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? c)正确理解弱相干光源与纵向分辨率的关系 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? 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。 8.DOT a)扩散光学成像主要分为哪几种? 各有什么特点? b)与其它影像技术相比,光学成像有哪些优点? 9.PAT a)光声层析成像的原理是什么? b)与其它光学成像技术相比,光声成层成像有何优点? F) 共聚焦显激光扫描显微镜 双光子激发荧光显微镜 原理 : 由激光器发射的一定波长的激发光(点光源),由物 : 在高光子密度的情况下,荧光 优点 镜聚焦于样品的焦平面上,样品上相应的被照射点受激发而发射出的荧光,通过针孔后,到达检测器并成像。 这样由焦平面上样品的每一个点的荧光图像组成了一幅完整的共聚焦图像。 焦平 光卑焦和F 倚测针几先栏 P2 检测廿光 脫明针扎光F P1 检测器 分子可以同时吸收2个长波长的光子,在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后,发射出一个波长较短的光子;其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分 子是相同的。 共聚焦 1•少背景噪音 2•高灵敏度 3•更好的成像对比扫描 3DX断层摄影 激光 10.更小的色彩偏差 11.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 G)多光子激发的特点: 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。 H)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) I) 多光子激发荧光显微镜 共聚焦扫描显微镜 点激发 容积激发 没有共焦孔 有共焦孔 更少的光漂白和损失 更多的。 。 。 荧光强度1正比于I0的N次方 荧光强度1正比于I0 都使用激发荧光的手段来获得成像图像,都可以做出样品的三维图像,相比于普通显微镜,都有着更高的分辨率。 I)见F)题 K) 近红外英光分子探针在医学影像中有较好的应用.在近红外荧光区,塑织疾病中光的散射与光的波长的四次方成反比,随波长的增加.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扱小的区域;相对于常规荧光(A<600rw)而言.在近红外荧光(A>600run)光区,生物样品基体光吸收或荧光强度都很小,因而背JR干扰大大降低.因此,近红外黄光分子探针在影像检测中将会有较高的灵瞰度• J)CFMConfocalMicroscopy扫描显微 2PMTwo-photonmicroscopy双光子显微 OCTOpticalCohereneeTomography光学相干层析技术 11. A)前三个见上题 OCTOpticalCohereneeTomography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。 LSCILaserspecklecontrastimaging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。 DOTdiffuseopticaltomography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) C) OCT之所以采用宽带光的原因足旳了实现高分辨率.由宽带光源的弱相T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,对于窄带光源,由于貝相F艮度很长.在相岁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「涉条纹刈比度打两许的光程差变化几乎无关,无法确定零级条纹的位胃,则无法找到零光程点,失去了精确從位的功能.而对于宽带光而言,只冇当两肾的光程淬在这个很短的相干长度Z内时,探测器才能检测到干涉条纹的对比度变化;而且,在对比度最大的地方对应石等光程点.随料光程差的增加,对比度迅,速锐减,I月此且有很好的层析定位粘度* D) 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) 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 5. A) 优点 缺点 CW光强度测量 花费少简易射频电子最快的 对于光学特性有精确的微分测量 只限于漫射光振幅 对于纯粹的光学性质的估计 缺乏准确性 时间分辨测量 充分时间脉冲响应 曰.定量 不易控制 曰車昂贵 频域测量 扩散波相位和幅度比时间分辨测量更快比时间分辨测量花费少 复杂射频电子 B)完全无创检测,安全可靠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 13. A) 生物绢织的光离成像是基于生物组织内部光学吸收差异、以检测趙声信号为『段的无损生物光子咸像方法。 光声成像」般过程是”光吸收T诱导光声信号T趙声波检测—,图慷至建J即把一朿矩脉冲激光经光学元件扩朿话,均匀照射封生物纽织组织内的光吸收体快速吸收激光能屋,产生绝热膨IIL从而产生光声信号.利用探测器旋转扫描(或谨转组织)方式从各个方向探测來自组织中的光再信号’再利用會适的算法进行图像垂建■就可以得到纲织光吸收分布图像口 B) 基于光声效应的时域光声谱技术将光学和声学有机地结合起来,部分地克服了光在组织中 传输时组织强散射效应的影响,因此光声技术具有比近红外技术更好的生物组织穿透性,同时 还具有分辨率高、无副作用等特点 光声效腹是一种能址转换过程,由于光声信号既依赖于尖物组织的光学性贡,又与生物组织冊声常特性密則和关,从: 至与热学参数的雀异有关.因而利用光声信号成像+既町提高光芮信号的信噪比和也建图像的对比度•又可大大丰富图像妁信息昴•捉高诊断杓准确度。 另外,曲于组织対超用的衰诫和敬射远小于凱织对光的袞减和赦射,rt在近红外激光的照射F,癌变组织和周圉正常组如刖光吸收惹: 舁至少§倍以上: 1」■所以在光声成掾中用宽诩超声换能器检测超西波’代祎光学成像中检测融肘光芋•可以得到高对比度、高京问分辨率的组织影像.成像深度可得到楚蕃提爲(成像深度可达10-50mm㈤人対研究冬物组织的晤态结构.生理特征、代谢功能、病理特征等提供了重要手段*柱生物医学临床诊断以及在体组织结构和功能应像预域具有广泛的应用前最。
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