生物物理技术1章.ppt

临床医学专业（七年制）,生物物理技术,一、开课目的 二、主要内容 三、教材 四、学习方法,前 言,生物物理技术,一、开课目的,开设一个窗口,介绍物理原理、技术在生物医学领域中的一些应用.,2.适当补充一些相关的物理学基础理论知识.,3.根据课程的特点,渗透综合素质培养.,1.研究生命现象的方法,生物物理技术,第一章 总 论 第二章 紫外-可见吸收光谱术 第三章 荧光光谱术 第四章 红外与拉曼光谱术 第六章 核磁共振波谱技术 第七章 电子自旋共振技术,二、主要内容,生物物理技术,基本原理 基本应用 应用实例,生物物理技术,主要内容 各章学习要求 思考题 推荐阅读材料 名词索引,三、教材,生物物理技术,现在的学习习惯,主动的参与,与以往的知识结合,特点总结和创新(方法),资源的利用,四、学习方法,生物物理技术,休息与时间的合理利用,参考题目 物理学与生命科学 光谱技术简介 光谱技术新近展 紫外-可见光谱技术在生命科学中的应用 研究生物大分子的光谱学方法 荧光光谱技术在生命科学中的应用 流式细胞术的原理及其在生命科学中的应用,生物物理技术,8.光谱技术在肿瘤研究中的应用 9.激光扫描共聚焦显微镜在生命科学中的应用 10.无损伤红外吸收检测技术进展 11.红外吸收技术在血糖检测方面的应用 12.核磁共振波谱技术简介 13.核磁共振波谱技术在生命科学中的应用 14.其他自己感兴趣的题目,生物物理技术,第一节 生物物理学简介,第二节 波谱技术基础知识,第一章 总 论,生物化学,生物物理学,一、生物物理学的形成与发展 二、生物物理学的主要内容,第一节 生物物理学简介,生物物理学的形成 19世纪末叶,生理学家开始用物理概念如力学、流体力学、光学、电学及热力学的知识深入到生理学领域，这样就逐渐形成一个新的分支学科.,一、生物物理学的形成与发展,生物物理学的发展 20世纪50年代以后，由于物理学的重要突破及相应技术的飞速发展，即量子力学和多种光谱与波谱技术的出现，为各种生物学问题的研究提供了巨大的可能性.,最突出的是X射线衍射结构分析对蛋白质和核酸的空间结构的测定 圆二色、核磁共振、电子自旋共振、核素示踪及各种显微技术的协助 对生物大分子的物理性质和结构功能关系研究可在分子水平进行 带动了整个生物学和医学的许多分支学科进入分子领域.,分子生物物理 膜与细胞生物物理 感官与神经生物物理 生物控制论与生物信息论 理论生物物理 光生物物理 辐射生物物理 生物力学与生物流变学 生物物理仪器与技术,二、生物物理学的主要内容,波谱学(spectroscopy) 研究各种不同频率(或波长)电磁波性质的科学，所采用的研究技术称为波谱技术.,第二节 波谱技术基础知识,一、电磁波谱 二、能级与跃迁 三、谱的产生及主要参数 四、波谱测量,电磁波(电磁辐射) 传播着的交变电磁场 波长(l) 频率(u) 波数(s),一、电磁波谱,电磁辐射的粒子性(光子) E=hv=hc/ l h=6.62610-34Js.,光量子的能量与频率(波长)有关,电磁波谱 各种电磁波按其波长(或频率、能量)可顺序排列成为相互连续的图谱.,电磁波谱,广泛性与互补性,每个波段，其所涉及的能量几乎都和分子或其组成(电子与原子核)的某一种运动方式有关，因而在和物质相互作用时，不同的波段都在不同程度上影响整个分子的能量状态，根据其不同性质就可找到不同波段的电磁波在研究分子结构及其运动中的应用.,根据波长或频率的不同，可将电磁波区分为许多不同的波段，并分别给予不同的名称.,一个分子的总能量 平动、核取向、电子自旋、转动、振动以及价电子能量等几部分. 整个分子的平移运动具有连续的能量. 分子中任意一种运动所涉及的能量变化都不是连续的.,二、能级与跃迁,吸收 低能态跃迁至高能态,发射 高能态向低能态跃迁将多余能量以量子形式发射出来,假定外来辐射在各种波长下的强度都相等,则以强度为纵轴,频率为横轴的吸收曲线应如图所示.,三、谱的产生及主要参数,通常做法:以被吸收量对波长作图,主要的是由于环境条件的不同，或者相邻吸收基团之间的相互作用，使同一种吸收基团的能级差略有差异.,两个分子能级之间还存在着一系列不同的振动与转动能级，在仪器分辨能力不高的情况下将只能观察到其包迹.,波谱的获得是各种波谱技术测量的直接结果.,位置 、强度、宽度、结构,基本参数,四、波谱测量,波谱学技术常用来研究电磁波与物质相互作用，因此波谱仪一般都包含,电磁波发生器、分光装置、样品池、探测器、显示记录、打印装置,波谱仪的探测能力直接影响波谱能否获得及其质量的优劣. 需要考虑,分辨率、信噪比、傅立叶变换,小 结,生物化学,从化学的角度来研究生命过程，即主要应用化学方法了解机体的物质组成，化学反应机制及其与外界环境关系的学科.,生物物理学,从物理学的角度来研究生命过程,即主要应用物理学方法研究生物的基本结构和性能、物理过程和物化过程的本质,以及物理因素对机体的作用等的学科.,研究生命物质的物理性质、生命过程的物理和物理化学规律以及物理因素对生物系统作用机制的科学. 摘自自然科学学科发展战略调研报告“生物物理学”分册(1995)(国家自然科学基金委组编),生物物理学推动整个生命科学 向精确的、定量化的方向发展 影响医学的各个领域 逐步深入对疾病的认识 提供近代化的诊断、治疗和预防手段方面正在不断发挥其重要作用,各种显微技术 各种光学显微镜 电子显微镜（EM） 扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜（AFM）,1. 生物大分子的结构(空间结构)、溶液中的构象及其动力学过程,大小分子之间的相互作用以及与此相关的功能过程,如分子识别、蛋白质折叠、免疫机制、酶的作用机理等,并为蛋白质工程、酶工程等提供依据. 2. 水在生物体系中的状态与功能意义; 3. 生物体系中的能量状态及其对能量吸收、储存、转移与转化; 4. 生物分子聚集态的形成与物理性质.,分子生物物理研究内容,膜与细胞生物物理研究内容,分子生物物理的研究成果应用于细胞与膜的结构及功能研究,推动生命现象深入到分子水平. 膜的分子动力学 细胞识别机制与信号跨膜转导的关系 外界物理因子对生物膜结构的影响与能量传输关系的研究,神经递质 受体与离子通道 感觉信息加工的神经生物学 脑的高级功能和行为及神经机制 神经系统的计算理论与模型 神经信号和脑活动的物理测量技术研究,感官与神经生物物理研究内容,生物控制论与生物信息论研究内容,对感觉信息的处理机制、神经网络 脑的活动在语言、思维、运动控制、内环境稳定性控制方面的研究 各种无损伤成像术对脑智能活动的研究 免疫调控机制与模拟 信息分子的识别机制 基因信息的表达与调控机制及其模拟 大型生物系统的模型建立与系统辨识 非线性理论在信息科学中的应用,理论生物物理研究内容,微观 对称性破缺分子与信息传递及自复制的关系 生物大分子序列的语言、语法 大分子序列与构象及进化关系以及有重大生物学意义的生物分子动力学研究 宏观 脑功能的物理机制 种群和生态系统的物理机制 形态发育以及生命现象作为瞬态过程研究其复杂性与动力学特征,光生物物理研究内容,可见光和紫外线生物学作用的光物理机制,光合作用的原初过程 菌紫质的质子泵机制 视紫质光原初过程及其与菌紫质的比较研究 光动力学作用 生物发光以及激光生物物理研究,辐射生物物理研究内容,研究电离辐射及各种非电离辐射对生物体系作用的原初过程以及对生物大分子和细胞的作用机理 自由基是一个重要方面,不同频段电磁波及不同强弱的电场与磁场的效应不同，细胞机体本身也产生电磁辐射，这些都需从作用机理上加以阐明,生物力学与生物流变学研究内容,生物流体力学(如呼吸力学、肺循环力学、细胞分裂与膜形成的力学、生理流动等) 生物固体力学(如骨力学、软组织力学、关节力学、运动生物力学、血管力学、创伤力学等) 其他生物力学.,生物流变学:血液流变学、血管与器官流变、血栓形成血小板与内皮细胞、管壁和微循环的生物流变、细胞生物流变、分子生物流变、肌肉细胞流变等,生物物理仪器与技术,技术的革新和应用对于推动生物学发展的重要作用是众所周知的(有时甚至带来革命性的、根本的改变).,X射线衍射晶体分析、同步辐射 核磁共振波谱技术、时间分辨的波谱技术和光谱技术(如纳秒到飞秒级荧光) 新型显微技术(如原子力显微术、共聚焦显微术、近场光学显微术及分子激发显微术等) 测定弱磁信号、检测微量成分的无损伤技术 成像技术,紫外线、可见光 价电子 紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱、旋光色散、圆二色技术,红外线 分子的振动与转动 红外吸收光谱,微波 电子自旋运动 电子自旋共振技术,射频 原子核的自旋运动 核磁共振技术,用波长、频率或波数表示 表征某种吸收或发射基团的特征跃迁 可以据此辨认基团或化合物的存在,位置,强度,与产生吸收和发射的基团数成正比 强度常用谱线下的面积表示，只有在谱线很尖锐的情况下才能近似地用谱线高度代表强度.,半高宽(L/2) 谱线两侧斜率最大的两点之间的宽度表示，如图中的L. 导数谱,宽度,宽度由激发态寿命所决定,能使谱线加宽的因素随环境、物理状态和运动状况而改变, 根据宽度可以了解运动、动力学和相互作用.,结构,提供有关能级分布的信息 关于基团间相互作用的信息,例如在核磁共振中,化学位移说明不同的基团，而每一基团峰的分裂数和分裂线的间距则能说明每一基团中磁性核的相对数目以及哪两个基团在相互作用.,定义 平均频率v与最小能区分的两谱线频率差v之比 v / v,分辨率,许多波谱仪的分辨率受狭缝宽度控制，狭缝越窄，分辨率越高，但其窄度又必须使有足够强的辐射到达探测器，否则无法探测到信号.,仪器能够区分两条相邻的谱线的能力,探测信号时,总是混杂有随机涨落的本底在内.这对微弱信号的测量是十分不利的.,信噪比,双光束技术 入射光分成两束，一束经过样品池，另一束经过参比池，用相减法消除伪信号.,扫描迭加法 n次累加的结果是使信号加大n倍，噪声具有随机性，只按n 1/2增加，因此n次扫描净增n / n 1/2= n 1/2倍.,利用计算机快速运算的能力，把实验中原来属于时间和距离等的函数，转换成为一般波谱的频率函数.,傅立叶变换,好处：等于对很宽范围的各种频率同时取样，而区别于一般波谱仪扫描时，每一时刻只对一种频率取样，其速度显然要快得多.,傅立叶变换除能节省时间外还能大大提高信噪比.,LSCM下的人类