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第1章 绪论1

1.1 生物光子学——一个新的前沿学科1

1.2 多学科的教育培训和研究的介绍3

1.3 为基础研究和生物技术发展提供的机会4

1.4 本书的范围5

第2章 有关光与实物（Matter）的基础知识10

2.1 光的本性11

2.1.1 光的双重特征（二象性）11

2.1.2 作为波的光的传播13

2.1.3 光的相干性14

2.1.4 作为粒子的光（光子）17

2.1.5 旋光性（Optical Activity）和双折射17

2.1.6 各种光源18

2.2 实物的量子态18

2.2.1 入门概念18

2.2.2 原子的量子态21

2.2.3 分子的量子态：分子能级的划分23

2.2.4 分子的电子能态24

2.2.5 有机分子成键29

2.2.6 共轭有机分子30

2.2.7 分子的振动能态32

2.3 分子间作用效应34

2.4 三维结构和立体异构35

本章重点38

参考文献39

第3章 生物学基础42

3.1 概述43

3.2 细胞结构44

3.3 各种类型的细胞49

3.4 化学成分50

3.5 决定生物大分子三维结构的因素57

3.6 其它重要的细胞组分60

3.7 细胞过程61

3.8 蛋白质的分类和功能67

3.9 组织中的细胞69

3.10 组织的类型和功能71

3.11 肿瘤和癌72

本章重点73

参考文献74

第4章 光－物相互作用的基础知识76

4.1 光与单个分子的相互作用77

4.1.1 光－分子相互作用的性质77

4.1.2 吸收和发射的Einstein模型78

4.2 光与体（bulk）物的相互作用80

4.3 激发态的跃迁过程82

4.4 各种类型的光谱85

4.5 电子能级吸收光谱87

4.6 电子能级发射光谱91

4.7 振动能级光谱94

4.8 利用手性介质旋光性（Optical Activity）的光谱术98

4.9 荧光相关光谱（FCS，Fluorescence Correlation Spectroscopy）102

本章重点104

参考文献106

第5章 激光原理，当前的激光技术以及非线性光学109

5.1 激光原理110

5.1.1 激光：新的光源110

5.1.2 激光形成的原理111

5.1.3 激光器的分类114

5.1.4 生物光子学中一些重要的激光器117

5.2 当前的激光技术120

5.3 光的定量描述：辐射度121

5.4 强激光束中的非线性光学过程122

5.4.1 非线性光学过程的机理122

5.4.2 通过二阶非线性光学过程产生频率转换123

5.4.3 二阶过程的对称要求125

5.4.4 通过三阶非线性光学过程产生频率转换126

5.4.5 多光子吸收127

5.5 时间分辨能力研究129

5.6 激光安全131

本章重点133

参考文献134

第6章 光生物学136

6.1 光生物学—生物光子学的核心137

6.2 光与细胞的相互作用137

6.2.1 细胞中的光吸收138

6.2.2 光致细胞过程139

6.2.3 外光敏剂引起的光化学过程142

6.3 光与组织的作用143

6.4 生物高聚物中的光过程149

6.4.1 人体的眼睛和视觉150

6.4.2 光合作用154

6.5 活体光激发158

6.5.1 自由空间传播158

6.5.2 光纤传导系统158

6.5.3 关节臂传导160

6.5.4 空管波导161

6.6 活体光谱分析162

6.7 光学活检162

6.8 单分子探测166

本章重点167

参考文献169

第7章 生物成像：原理和技术174

7.1 生物成像：一种重要的生物医学方法175

7.2 光学成像概述177

7.3 透射显微术179

7.3.1 简易显微镜179

7.3.2 复合显微镜179

7.3.3 克勒（Kohler）照明181

7.3.4 数值孔径和分辨力182

7.3.5 光学像差和不同种类的物镜184

7.3.6 相位相称显微镜184

7.3.7 暗场显微镜185

7.3.8 微分干涉对比显微镜（DIC）185

7.4 荧光显微镜187

7.5 扫描显微镜188

7.6 倒置和正立显微镜188

7.7 共聚焦显微镜189

7.8 多光子显微术191

7.9 光学相干层析成像192

7.10 全内反射荧光显微术195

7.11 近场光学显微术198

7.12 频谱和时间分辨成像200

7.12.1 频谱成像200

7.12.2 带通滤波器201

7.12.3 激发波长选择201

7.12.4 声光调谐滤波器201

7.12.5 局部分光术202

7.13 荧光共振能量转移（FRET）成像202

7.14 荧光寿命成像显微术（FLIM）203

7.15 非线性光学成像205

7.15.1 二次谐波显微术205

7.15.2 三次谐波显微术206

7.15.3 相干反斯托克斯拉曼散射显微术207

7.16 光生物成像的未来走向209

7.16.1 多功能成像209

7.16.2 4Pi成像209

7.16.3 复合显微镜209

7.16.4 小型显微镜209

7.17 某些成像设备的商用资源210

本章重点210

参考文献212

第8章 生物成像的应用222

8.1 使用荧光团作为生物成像探测标223

8.1.1 内源荧光团223

8.1.2 外源荧光团224

8.1.3 有机金属合成荧光团230

8.1.4 近红外和红外荧光团231

8.1.5 双光子荧光团232

8.1.6 无机nm颗粒235

8.2 绿色荧光蛋白235

8.3 细胞器成像237

8.4 微生物成像239

8.4.1 共聚焦显微镜239

8.4.2 近场成像240

8.5 细胞成像242

8.5.1 探测细胞的离子环境242

8.5.2 胞内pH值测量243

8.5.3 对药物细胞相互作用进行光学追踪243

8.5.4 核酸成像245

8.5.5 利用FRET/FLIM技术进行细胞间相互作用的探测251

8.6 组织成像255

8.7 活体成像258

8.8 未来发展方向265

8.9 商业上可用的光学成像附件266

本章重点266

参考文献269

第9章 光学生物传感器276

9.1 生物传感器：导言277

9.2 光学生物传感器原理278

9.2.1 生物识别279

9.2.2 光学转换280

9.2.3 荧光传感281

9.2.4 荧光能量转移传感器282

9.2.5 分子信标284

9.2.6 生物传感的光学几何结构286

9.3 生物识别剂的支撑和固定286

9.3.1 固定287

9.4 光纤光学生物传感器291

9.5 平面波导生物传感器以及表面等离子波生物传感器294

9.6 倏逝波生物传感器297

9.7 干涉型生物传感器299

9.8 表面等离子波生物传感器301

9.9 一些最近的新颖传感方法304

9.10 今后的方向308

9.11 商业可用的生物传感器309

本章重点310

参考文献311

第10章 基因组学和蛋白质组学中的微阵列技术319

10.1 微阵列—快速复杂分析的工具320

10.2 DNA微阵列技术324

10.2.1 点型阵列324

10.2.2 低聚核苷酸阵列326

10.2.3 其他微阵列技术328

10.3 蛋白质微阵列技术330

10.4 细胞微阵列技术335

10.5 组织微阵列技术338

10.6 微阵列的一些应用实例339

10.7 远景趋势342

10.8 制造微阵列的公司342

本章重点344

参考文献345

第11章 流式细胞分析术352

11.1 一种临床、生物检测和科学研究的工具353

11.2 流式细胞分析术基础知识356

11.2.1 基本步骤356

11.2.2 流式细胞仪的组成357

11.2.3 光学响应（Optical response）363

11.3 流式细胞分析术中所使用的荧光剂365

11.4 数据处理和表示367

11.5 应用举例374

11.5.1 免疫表型（immunophenotyping）374

11.5.2 DNA分析377

11.6 未来方向382

本章重点385

参考文献387

第12章 光活化治疗：光动力疗法390

12.1 光动力疗法：基本原理391

12.2 光动力疗法中的光敏剂394

12.2.1 卟啉衍生物394

12.2.2 二氢卟酚（Chlorins）及菌绿素（Bacteriochlorins）396

12.2.3 苯并卟啉（Benzoporphyrin）衍生物398

12.2.4 5－氨基酮戊酸（ALA）398

12.2.5 德克萨斯卟啉399

12.2.6 酞菁染料（Phthalocyanines）和萘菁染料（Naphthalocyanines）399

12.2.7 阳离子光敏剂401

12.2.8 树枝状光敏剂402

12.3 光动力疗法的应用404

12.4 光动力作用的机理406

12.5 光动力疗法中的光辐射408

12.5.1 光源408

12.5.2 激光的剂量409

12.5.3 光传输410

12.6 双光子光动力疗法410

12.7 当前的研究及未来的方向412

本章重点414

参考文献416

第13章 激光辅助组织工程419

13.1 组织工程和光活化作用420

13.2 激光辅助组织的造型和重建422

13.3 激光辅助组织熔接426

13.4 激光辅助组织再生427

13.5 飞秒激光外科429

13.6 未来的发展方向431

本章重点431

参考文献433

第14章 激光光镊和光剪435

14.1 新的光学生物显微操控工具436

14.2 光镊的原理439

14.3 光镊系统的设计442

14.4 非高斯型光阱445

14.5 动态全息光镊（dynamic holographicoptical tweezers）448

14.6 光剪449

14.6.1 激光光压捕获法（LPC）451

14.6.2 激光捕获显微分离法（LCM）451

14.7 几种典型应用452

14.7.1 单DNA分子的操控452

14.7.2 分子马达（Molecular Motors）456

14.7.3 蛋白质—蛋白质相互作用456

14.7.4 在基因组和蛋白质组学的应用458

14.7.5 在植物生物学上的应用459

14.7.6 在生殖医学上的应用459

14.8 发展趋势461

14.8.1 激光操控技术461

14.8.2 单分子生物功能461

14.9 商用的激光微操控工具462

本章重点462

参考文献463

第15章 生物光子学中的纳米技术：纳米生物光子学469

15.1 生物科学、纳米技术以及光子学的交叉学科470

15.2 纳米化学472

15.3 用于生物显像的半导体量子点476

15.4 用于生物传感的金属纳米颗粒和纳米杆（nanorod）480

15.5 上转换的纳米团480

15.6 用于体外生物分析的PEBBLE纳米传感器482

15.7 用于光学诊断以及靶向治疗的纳米诊所485

15.8 未来的研究方向487

本章重点488

参考文献489

第16章 光子学生物材料493

16.1 光子学与生物材料493

16.2 生物衍生材料495

16.3 生物仿生材料505

16.4 生物模板507

16.5 用细菌作为光子应用聚合材料的生物合成器509

16.6 未来方向512

本章重点513

参考文献514