1、Chapter 2 Interaction between light and bio-tissue Chapter 2 Outlines 2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 2.2 Absorption 2.3 Scattering 2.4 Luminescence 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.6 Photochemical effects 2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 圖圖2.1

2、光與組織體的相互作用光與組織體的相互作用 1.光與生物組織體相互作用的表現形式或現象光與生物組織體相互作用的表現形式或現象 2.1 Interaction forms between light and bio-tissue u吸收吸收光強隨著光在組織體中的傳播距離的增加而不斷減光強隨著光在組織體中的傳播距離的增加而不斷減 小，未被吸收的光經組織體邊界出射。小，未被吸收的光經組織體邊界出射。 u反射、折射和散射反射、折射和散射組織體的宏觀或微觀的不均勻性導致組織體的宏觀或微觀的不均勻性導致 光傳播方向的改變光傳播方向的改變 u偏振態及偏振效應偏振態及偏振效應 u光聲效應光聲效應 u光致發熱光致

3、發熱 u光致發光光致發光 u光化學效應光化學效應 2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 宏觀現象是通過宏觀現象是通過 微觀的物理變化產生的！微觀的物理變化產生的！ 2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 光和組織相互作用過程的能級表示 2.組織體內部的各種微觀物理過程組織體內部的各種微觀物理過程 不同能級之間的躍遷對應著不同的物理過程不同能級之間的躍遷對應著不同的物理過程 2.1 Interaction forms between light and bio-tissu

4、e u光輻射入射到組織體，電子向上躍遷到不同電子激發態的光輻射入射到組織體，電子向上躍遷到不同電子激發態的 不同振動能級上，或實現不同振動能級之間的躍遷不同振動能級上，或實現不同振動能級之間的躍遷吸收吸收 過程、吸收光譜過程、吸收光譜 u電子從高能級向低能級的衰變過程中可分別以無輻射躍遷電子從高能級向低能級的衰變過程中可分別以無輻射躍遷 的方式向周圍發出熱而將多余的能量消耗掉的方式向周圍發出熱而將多余的能量消耗掉光熱、光聲、光熱、光聲、 光電導等現象光電導等現象 u電子從最低激發態的最低振動能級開始的向下躍遷過程可電子從最低激發態的最低振動能級開始的向下躍遷過程可 能采取發出一個光子但不改變其

5、自旋的過程能采取發出一個光子但不改變其自旋的過程熒光產生、熒光產生、 熒光光譜熒光光譜 u分子從受激虛態向下躍遷時回到電子基態中的其他振動能分子從受激虛態向下躍遷時回到電子基態中的其他振動能 級時，產生和入射光同頻率的光以及比入射光頻率大或小的級時，產生和入射光同頻率的光以及比入射光頻率大或小的 光光Raman Raman 散射、散射、RamanRaman光譜光譜 2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 組織光學（組織光學（tissue optics) 研究可見光和近紅外光在生物組織體中的傳播特研究可見光和近紅外光在生物組織體中的傳

6、播特 點和規律的一門學問，其基本任務是確定在一定條點和規律的一門學問，其基本任務是確定在一定條 件下光輻射能量在組織體內的分布，進而發展活體件下光輻射能量在組織體內的分布，進而發展活體 組織光學特性參數的測量方法。組織光學特性參數的測量方法。 Chapter 2 Interaction between light and bio-tissue 2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 2.2 Absorption 2.3 Scattering 2.4 Luminescence 2.5 Photothermal effect and P

7、hotoacoustic effect 2.6 Photochemical effects 2.2.1 吸收效應和吸收系數吸收效應和吸收系數 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質生物組織中的吸收物質 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 Absorption 2.2 Absorption 2.2 Absorption 光的吸收光的吸收:光在通過生物組織體時由于部分 光能轉換成熱運動或分子的某種振動從而 導致光強度的衰減。 2.2 Absorption - - 透明：允許光通過而完全不吸收真空 根據對光的吸收能力 對不同波段吸收不同生物組織體 不透明：

8、使入射輻射能量降為零 人角膜和晶狀體在可見光波段近似于透明體，但在紅外人角膜和晶狀體在可見光波段近似于透明體，但在紅外 波段卻表現出強烈的吸收。波段卻表現出強烈的吸收。 收比較強定波長的光有吸收或吸選擇性吸收：對某些特 的衰減程度相同或相似范圍內的所有波長的光一般吸收：對一定光譜 生物組織體 2.2 Absorption Optical properties for describing the absorption ability of tissue: 吸收系數吸收系數-absorption coefficient 吸收截面吸收截面-absorption cross-sectional ar

9、ea 2.2 Absorption uAbsorption cross-sectional area（吸收截面）（吸收截面） 0 I P abs a 吸收截面具有面積的單位吸收截面具有面積的單位 2.2 Absorption A A g ge eo om me et tr ri ic ca al l c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on n e ef ff fe ec ct ti iv ve e c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on n = = Q Q A A a aa a a = Qa A cm2 - cm2Qa A

10、：geometrical area ：efficiency 2.2 Absorption aa Absorption coefficient： Unit: 1/cm,1/mm 吸收粒子密度吸收粒子密度 吸收截面吸收截面 3 cm 2 cm pThe absorption coefficient is essentially the cross-sectional area for absorption per unit volume of medium. p單位程長上一個光子被吸收的概率單位程長上一個光子被吸收的概率 吸收系數越大，代表組織體對該波長的光的吸收也越大吸收系數越大，代表組織體對該

11、波長的光的吸收也越大 2.2 Absorption mean absorption free pathlength） a a l 1 pThe reciprocal represents the average distance a photon travels before being possibly absorbed. 組織體的吸收平均自由程在一般在組織體的吸收平均自由程在一般在1cm-33cm之間之間 2.2.1 吸收效應和吸收系數吸收效應和吸收系數 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質生物組織中的吸收物質 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.

12、2 Absorption 2.2 Absorption 2.2 Absorption 躍遷：躍遷：粒子從低能級到高能級的轉移過程粒子從低能級到高能級的轉移過程 躍遷的條件：躍遷的條件：吸收能量吸收能量 蛋白質分子圖蛋白質分子圖 組織體的基本單元是細胞 細胞又是由分子組成的， 例如控制細胞化學作用的 DNA本身就是一個分子。 分子由碳、氫、氧、氮、 磷等這些原子組成的，各個 原子之間以化學鍵相連而組 成分子。 2.2 Absorption 1、自由原子（、自由原子（原子間的相互作用可以忽略）的躍遷的躍遷 躍遷的形式：躍遷的形式：原子外層電子外層電子就會發生從基態到高能 級 的躍遷。 躍遷的種類：

13、躍遷的種類：Electronic transitions 躍遷的條件：躍遷的條件：absorb UV, visible, NIR light ground state S0 Excited electronic state S1 01 SSh 2.2 Absorption 2、分子的躍遷、分子的躍遷 生物組織體原子并不是處于自由狀態的，原子靠化學鍵聚在一 起組成分子，而且組成的是大分子，很顯然分子對電磁波的吸 收與單個原子的吸收相比要復雜得多。 分子的能級取決于分子的運動和狀態分子的能級取決于分子的運動和狀態 ns transitiorotational- ns transitioibrati

14、onal- ns transitioelectronic- 分子的轉動 原子核間的振動 電子相對原子核的運動 運動分子的v 2.2 Absorption （1）、電子相對原子核的運動及吸收）、電子相對原子核的運動及吸收 2.2 Absorption 分子在吸收光輻射能量后可以產生電子態間的躍遷，此時電子分子在吸收光輻射能量后可以產生電子態間的躍遷，此時電子 由一個低能級的軌道（即成鍵軌道）躍遷到高能級軌道（稱為由一個低能級的軌道（即成鍵軌道）躍遷到高能級軌道（稱為 反鍵軌道，用上標反鍵軌道，用上標*表示）表示）, 分子也由基態變成為激發態。分子也由基態變成為激發態。 2.2 Absorptio

15、n （2）、分子的振動及吸收：）、分子的振動及吸收：當分子從一個振動態變化到另 一個振動態移動時造成的能量的變化 向運動：原子在垂直于價鍵方彎曲振動 回運動：原子沿著價鍵方向來伸展振動 振動分子的 HH C HH C 剪式搖擺 面內 變形 引起振動躍遷的能量通常對應在引起振動躍遷的能量通常對應在 紅外（紅外（infrared, IR）區域）區域 高頻區低頻區 2.2 Absorption 振動吸收峰的種類振動吸收峰的種類 2.2 Absorption （2）、分子的轉動及吸收：）、分子的轉動及吸收： 轉動能級代表分子處于不同轉動狀態時所具有的能量 轉動吸收所需要的能量低于實現振動能級躍遷所需要

16、 的能量，通常其吸收譜位于紅外區。由于轉動吸收是 在振動吸收的基礎上所產生的附加的精細結構. 2.2 Absorption 轉動能級躍遷需要的能量轉動能級躍遷需要的能量 振動能級躍遷需要的能量振動能級躍遷需要的能量 電子躍遷需要的能量電子躍遷需要的能量 分子吸收總能量可以看成是電子、轉動和振動能量分子吸收總能量可以看成是電子、轉動和振動能量 的總和：的總和： E EE ES S+E+EP P+E+ER R+E+EV V （2.12.1） 其中其中EsEs是電子的能量是電子的能量，平動能平動能E EP P只是溫度的函數只是溫度的函數， E EV V是由于原子間的振動是由于原子間的振動（vibra

17、tionvibration）而具有的能量而具有的能量， 而而E ER R是分子圍繞其核心旋轉是分子圍繞其核心旋轉（rotationrotation）所具有的能量。所具有的能量。 2.2 Absorption 表表2.1 2.1 各光波段對應的躍遷各光波段對應的躍遷 2.2 Absorption 要把電子躍遷和分子振動、轉動的躍遷完全分開是不可能的。要把電子躍遷和分子振動、轉動的躍遷完全分開是不可能的。 由于轉動、振動在電子態間形成了很多精細能級，因此可能由于轉動、振動在電子態間形成了很多精細能級，因此可能 發生的躍遷是多種多樣的，分子吸收光譜應該是帶狀光譜而發生的躍遷是多種多樣的，分子吸收光譜

18、應該是帶狀光譜而 非線狀光譜。非線狀光譜。 2.2.1 吸收效應和吸收系數吸收效應和吸收系數 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質生物組織中的吸收物質 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 Absorption 2.2 Absorption only affecting reflection 1% cells blood White platelet NIR n toabsorptrio no 55% RbC) suspendingfor salt and water of(solution Plasma lungin HB-oxyhemoglobi

19、n-Deoxy capillaryin HB-deoxyhemoglobin-Oxy 44% (RbC) cells blood Red Blood Constant concentration during measuring period Low concentration 肌紅蛋白肌紅蛋白 2.2 Absorption 2.2 Absorption 組織體中的幾種主要吸收物質的吸收譜組織體中的幾種主要吸收物質的吸收譜 100-10000nm處水、血紅蛋白等的吸收譜處水、血紅蛋白等的吸收譜 650-950 nm 吸收系數隨著波長的增加呈現出增大的趨勢吸收系數隨著波長的增加呈現出增大的趨勢

20、在在600600900nm900nm的的NIRNIR波段，水的吸收系數約為波段，水的吸收系數約為0.001mm0.001mm-1 -1，因此可以講， ，因此可以講， 水具有水具有NIRNIR觀測觀測“窗口窗口”特性。特性。 2.2 Absorption 水的吸收光譜水的吸收光譜 在在600600900nm900nm的的NIRNIR波段，組織體中的主要吸收體為氧合血紅蛋白波段，組織體中的主要吸收體為氧合血紅蛋白(Oxy-(Oxy- hemoglobin,hemoglobin, HbO2）和還原血紅蛋白）和還原血紅蛋白(deoxy-hemoglobin,(deoxy-hemoglobin, Hb）

21、 2.2 Absorption 濃度通常用濃度通常用 表示表示, ,例如例如 氧合血紅蛋白的濃度表示為氧合血紅蛋白的濃度表示為 HbO2 還原血紅蛋白的濃度表示為還原血紅蛋白的濃度表示為 Hb 2.2 Absorption N N N N pyrroles porphyrins heme (chlorophyll) cytochromes phycobiliproteins carotenoids ferredoxins flavins melanin N O NN N O N O O O O O 吡咯 卟啉 血紅素 細胞色素 澡膽蛋白 類胡蘿卜素 黃素 黑色素 Absorbers withi

22、n the range of UVIR 總總 結結 600nm-900nm（近紅外）區，水的吸收很小。 近紅外的一些區域和紅外區，水成為生物組織體中占主導 地位的吸收物，因此其它生色團對光的吸收信息實際上是淹 沒在了水的吸收譜內的。 2.2 Absorption 對對 策策 采用的光波長應該盡量避開水的吸收峰，水在600- 900 nm 的低吸收，（也被稱為近紅外光測量的光學窗口， NIR window），從而使得在此波段的光有可能穿過幾厘 米深的組織體，實現深層組織的探測。 要采取靈敏的檢測技術和方法從水吸收的背景內提取 出所需要的生色團的吸收信息 2.2 Absorption 2.2.1

23、吸收效應和吸收系數吸收效應和吸收系數 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質生物組織中的吸收物質 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 Absorption 2.2 Absorption 2.2 Absorption 純吸收或弱純吸收或弱 散射媒質散射媒質光的傳播規律：光的傳播規律： p 衰減衰減 p 距離越長衰減越大距離越長衰減越大 l a eII 0 2.2 Absorption Lamberts law: Beers law: cl I I OD)lg( 0 為波長的函數，稱為比消光系數（specific extinction coefficie

24、nt) l 為光程 OD為光密度(optical density); C 為物質濃度 Lambert-Beers law 303. 2)lg(303. 2)ln( 00 cl I I I I c a 為消光系數 2.2 Absorption 對于有n種吸收體： n i iia c 1 2 2 HbOHb HbOHba 例如血液中在600- 900nm波段內,主要 吸收體為氧合血紅蛋 白和還原血紅蛋白： CFA Cd I I OD 0 lg IIA 0 ln 回歸 配制不同 濃度的樣品 消光系數，從消光系數，從 而判定物質而判定物質 根據已知光譜 濃度濃度 消光比 2.2 Absorption

25、朗伯朗伯-比爾定理的應用：比爾定理的應用： 2.3.1 散射效應散射效應 2.3.2 彈性散射彈性散射 2.3.3 非彈性散射非彈性散射 2.3.4 組織體出射光子的分類和組織體出射光子的分類和 修正的朗伯比爾定理修正的朗伯比爾定理 2.3 Scattering 2.3 Scattering 2.3 Scattering 1、組織體中散射的產生 在光的傳播方向之外，甚至在媒質的側面也會看到光束 的軌跡，這種現象無法用反射或折射現象來解釋 2.3 Scattering 散射（scattering）：電磁能方向的改變，光在組織體中的散射被認為是由于組織 體的密度、折射率、介電常數等的空間雜亂分布引

26、起的，散射改變了光子的傳播方 向。 圖2.9 反射、折射、漫反射和散射 2.3 Scattering 2、散射？反射？ 2.3 Scattering 2、散射？反射？ 宏觀尺度（macroscopical level)：如果組織體的不均勻尺度遠大于波長的 數量級，例如處理組織體邊界、組織體和探測器以及組織體之間的區域時， 我們稱之為宏觀尺寸發生折射，反射，漫反射 如果尺度達到可見光波長數量級的組織小塊間存在折射率的較大差異， 光線除了按照幾何光學規律傳播發生反射和折射外，還會發生散射。 強散射性正是源于折射率的半微觀上的不均勻性 2.3 Scattering （1）反射遵守菲涅爾（Fresne

27、l）定律，即入射角等于反射角且入射 光線和反射光線在同一個平面內。 組織體的折射率在紅及近紅外波段一般取為1.4。 p水為 1.33， p脂肪組織約為1.45， p牙等硬組織為1.62， p其它組織為 1.36-1.40 光在組織體中的傳播速度約為0.21mm/ps （3）對于生物組織來說由于其表面的粗燥度大于輻射的波長，因此會出 現漫反射，此時被反射的許多光束并不一定與入射光線處于同一平面內， 因此漫反射不遵守反射定律。 拉曼散射非彈性散射 米散射 瑞利散射 寸）彈性散射（根據粒子尺 散射 - 頻率高的光子表現出的粒子性強，頻率低的光子表現出的波動性強。 3、散射的類型 2.3 Scatte

28、ring 2.3.1 散射效應散射效應 2.3.2 彈性散射彈性散射 2.3.3 非彈性散射非彈性散射 2.3.4 組織體出射光子的分類和組織體出射光子的分類和 修正的朗伯比爾定理修正的朗伯比爾定理 2.3 Scattering 1、單個粒子的散射、散射截面 （1）、散射截面 （2）、彈性散射的分類 2、多個粒子的散射、散射系數 （1）、散射系數 （2）、散射平均自由程 （3）、相位函數和散射各向異性系數 2.3 Scattering 1、單個粒子的散射、散射截面、單個粒子的散射、散射截面 （1）、散射截面）、散射截面(scattering cross-section) 2.3 Scatter

29、ing A A g ge eo om me et tr ri ic ca al l c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on n e ef ff fe ec ct ti iv ve e c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on n = = Q Q A A s ss s 2.3 Scattering 2.3 Scattering （2）、彈性散射的分類 following Fresnel & Snell Laws 2.3 Scattering 圖 發生在組織體內的彈性散射 2.3 Scattering 2、多個粒子的散射、散射系

30、數 （1）、散射系數（scattering coefficient） ss 在具有多種散射體的混合煤質情況下，總的散射系數由下式決定： ii isiiss )()()( , 2.3 Scattering 2.3 Scattering 等效粒子數密度： （2）、散射平均自由程（scattering mean free path length or scattering length） 散射平均自由程： s sp N 1 s s l 1 2.3.1 散射效應散射效應 2.3.2 彈性散射彈性散射 2.3.3 非彈性散射非彈性散射 2.3.4 組織體出射光子的分類和組織體出射光子的分類和 修正的朗伯

31、比爾定理修正的朗伯比爾定理 2.3 Scattering 2.3 Scattering 1、非彈性散射(inelastic scattering) 彈性碰撞：瑞利散射 非彈性碰撞：拉曼散射 2.3 Scattering 2、關于拉曼散射的討論 2.3 Scattering 圖2 (a)肺癌組織和（b）正常組織的拉曼光譜 3、拉曼散射的應用 拉曼散射與入射光的波長無關，只與物質本身的分子結構和振動有關。 p 可被用于研究物質化學組成和分子結構，尤其是介質中分子的振動能級。 p 當入射光子和分子相碰撞時，分子的振動能量或轉動能量和光子能量相疊 加，因此利用拉曼光譜可以把處于紅外區的分子能譜轉移到可

32、見光區來觀測， Chapter 2 Outlines 2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 2.2 Absorption 2.3 Scattering 2.4 Luminescence 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.6 Photochemical effects 2.4 Luminescence 2.4 Luminescence 2.4.1 生物組織的熒光效應生物組織的熒光效應(fluorescence) 2.4.2 熒光發光的表征熒光發光的表征 2.4.3

33、生物組織的自體熒光與外熒光生物組織的自體熒光與外熒光 2.4 Luminescence 吸收光頻: ii vShvS 1、熒光的產生機制、熒光的產生機制 光化學初級過程： 熒光產生步驟：發射光頻: ff vhvSS 熒光是物質在吸收了外來激發光熒光是物質在吸收了外來激發光 并通過光化學過程后發射的波長并通過光化學過程后發射的波長 長于激發光的光。長于激發光的光。 (1) 動力學過程動力學過程 S E0 S* h i h if 斯托克斯頻移 自旋和原來方向一致自旋和原來方向一致 和原來方向相反和原來方向相反 三重態三重態(T)具有比單重態具有比單重態(S)更低的能量和更大的激發態壽命。更低的能量

34、和更大的激發態壽命。 2.4 Luminescence 單重態（單重態（singlet, S）：）：同一軌道上的電子具有相反方向的自旋。同一軌道上的電子具有相反方向的自旋。 單重激發態：單重激發態：電子在新軌道中的自旋方向和原來相同。電子在新軌道中的自旋方向和原來相同。 三重（三重（triplet, T）激發態：）激發態：電子在新軌道中的自旋方向和原來相反。電子在新軌道中的自旋方向和原來相反。 2.4 Luminescence （2 2）熒光和磷光的產生過程）熒光和磷光的產生過程 無輻射躍遷無輻射躍遷：指以放熱的形式將多余的能量輻射給周圍環境,包括： (a) 振動馳豫振動馳豫 ( vibrat

35、ional relaxation, VR)：振動態內的躍遷：振動態內的躍遷 (b) 內轉換內轉換 ( internal conversion, IC)：單（三）重態到單（三）重態間：單（三）重態到單（三）重態間 的躍遷的躍遷 (c) 外轉換外轉換 ( external conversion, EC)：激發態到基態的躍遷：激發態到基態的躍遷 (d) 系間跨越系間跨越 ( intersystem crossing, ISC)：單重態到三重態間的躍遷：單重態到三重態間的躍遷 輻射躍遷輻射躍遷：指以放光的形式將多余的能量輻射給周圍環境。 S* S* T* 吸收吸收 發射熒光發射熒光 發射磷光發射磷光

36、系間跨越內轉換 振動弛豫 外轉換外轉換 吸收吸收 振動弛豫 外轉換 S0 振動弛豫 2.4 Luminescence 無輻射躍遷的方式回到無輻射躍遷的方式回到 第一或第三重激發態的最低振動態第一或第三重激發態的最低振動態 能級轉換圖能級轉換圖 2、熒光光譜的特征、熒光光譜的特征 2.4 Luminescence 激發光譜激發光譜 與與 發射光譜？發射光譜？ 形狀和吸收光譜的形狀極為相似，形狀和吸收光譜的形狀極為相似， 并呈現并呈現“鏡像鏡像”現象；現象； 波長總是比激發波長稍長；波長總是比激發波長稍長； 發射光譜的形狀和激發光的波長無關；發射光譜的形狀和激發光的波長無關； 只有一個熒光帶；只有

37、一個熒光帶； 熒光發射的強度和激發光的波長有關。熒光發射的強度和激發光的波長有關。 2.4 Luminescence 2.4 Luminescence 2.4.1 生物組織的熒光效應生物組織的熒光效應(fluorescence) 2.4.2 熒光發光的表征熒光發光的表征 2.4.3 生物組織的自體熒光與外熒光生物組織的自體熒光與外熒光 1、輻射量子效率、輻射量子效率or 量子產額（量子產額（quantum yield） 2.4 Luminescence 吸收的光子數目 發出的光子數目 影響量子產額的因素主要有影響量子產額的因素主要有： 內部因素：分子內可進行能量轉換的振動能級 的數目等 外部因

38、素：物質分子所處的環境 （需要穩定的環境） )1 ( 0 lC F eII 2、熒光強度（、熒光強度（ fluorescence intensity） 2.4 Luminescence l C 為摩爾吸收系數； 為樣品的厚度； 為樣品中熒光劑的濃度。 對于極稀的溶液： 05. 0lC lCII F 0 3、熒光壽命（、熒光壽命（fluorescence lifetime） 2.4 Luminescence 在 脈沖激勵下，輻射由其本來強度衰減到1/e時所需要 的時間，稱為熒光壽命，用 表示。 )exp( 0 t II 熒光壽命和組織所處的環境，如PH等有關，因此可以作為判 別組織病變的一個指標

39、。 2.4 Luminescence 2.4 Luminescence 2.4.1 生物組織的熒光效應生物組織的熒光效應(fluorescence) 2.4.2 熒光發光的特征熒光發光的特征 2.4.3 生物組織的自體熒光與外熒光生物組織的自體熒光與外熒光 1、自體熒光、自體熒光（intrinsic fluorescence 或或 auto-fluorescence） 2.4 Luminescence 由生物組織體內固有的熒光團吸收一定波長的光而引起由生物組織體內固有的熒光團吸收一定波長的光而引起 的熒光發射叫做自體熒光。的熒光發射叫做自體熒光。 自體熒光光譜的特異性差異反映了病變組織的特異性

40、，自體熒光光譜的特異性差異反映了病變組織的特異性， 是自體熒光光譜應用于應用于醫學診斷。是自體熒光光譜應用于應用于醫學診斷。 (a) 正常組織 (b) 良性腫瘤 (c)癌組織 乳腺組織的自熒光 2、外熒光、外熒光（extrinsic fluorescence） 熒光探劑（probe）： 發熒光的物質分子，外在熒光團 2.4 Luminescence 作為熒光探劑必須具備以下幾個條件： 探劑與被研究分子的某一基因必須能特異性地、牢固地結合； 探劑的熒光必須對環境靈敏； 結合的探劑不應該影響被研究的大分子的結構特性。 Chapter 2 Outlines 2.1 Interaction forms

41、 between light and bio-tissue 2.2 Absorption 2.3 Scattering 2.4 Luminescence 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.6 Photochemical effects 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.5.1 熱的產生熱的產生 2.5.2 熱在組織中的傳導熱在組織中的傳導 2.5.3 熱對組織體的

42、效應及其應用熱對組織體的效應及其應用 2.5.4 光聲效應光聲效應( Photoacoustic effect) 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 光熱效應（光熱效應（photothermal effects）：）： 由于組織體在曝光時間內吸收了激光的能量并使其轉化程 了熱，熱效應的最終結果是造成了組織的損傷。 光熱密度（J/cm3 ）表達式： taE Q t E 也常被稱為也常被稱為輻射曝光量（radiant exposure），單位為，單位為 J/cm2 光熱密度引起的組織體表面溫升為： p C Q T 是用來描述組織體對熱的

43、儲存能力的熱容（單位： ）， 為密 度（單位：g/cm3），不同組織體對熱的儲存能力不同。 p CCgJ 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 在深度在深度z處可能引起的溫升為：處可能引起的溫升為： z a TezT 溫升為表面溫升的1/e 對應的深度顯然為 a 1 ，也被稱為 光學穿透深度（光學穿透深度（optical penetration depth）。 組織體內的溫升或組織損傷程度主要取決于： 輻射能量密度、曝光時間和組織體的參數輻射能量密度、曝光時間和組織體的參數。 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.5 Photothermal effect and Photoacoustic effect 2.5.1 熱的產生熱的產生 2.5.2 熱在組織中的傳導熱在組織中的傳導 2.5