生物光子学2-光子学与光谱学基础01

1、主讲人：刘立新 西安电子科技大学,生物光子学,生物光子学，是由生命科学和光子学这两者交叉融合所形成的一门新兴学科。定义为产生和控制光以及其他以光子为单位的辐射能的技术； 生物医学光子学 Vs. 生物医学光学 生物光子学的发展和成长融合了20世纪的三大科技革命，包括量子理论的革命（1900-1950s）、技术革命（1940s-1950s）和基因组学革命（1950s-2000）。量子理论革命奠定了光子学发展的基础，技术革命为生物学的研究提供了重要的工具，而基因组学革命则将生物光子学的研究推向一个新的高度； 生物光子学的研究内容包括：光子学和组织光学、生物光子学中的光子器件、探测及成像、生物医学诊断

2、、介入和治疗以及用于蛋白质组学、基因组学中的各种先进的技术；,内容回顾,2,生物光子学的前沿学科，比如单分子检测和追踪、超衍射极限成像、多模式复合功能成像、纳米光子学、光动力疗法、小型化的检测与成像等； 各种新技术在生物医学中获得迅速而广泛的应用：激光扫描显微镜、激光光源、OCT以及生物发光等； 由于单个细胞中的遗传变异的逐渐积累导致癌症等疾病的发生。因此生物医学光子学能够提供可鉴别编码于人类基因组中导致癌症发生的基因子集的工具。人们正在研发光子技术，以识别可以区别癌变细胞与正常细胞的分子变化，这种技术最终有助于表征及预测癌细胞的病理行为和细胞对药物治疗的反应。,内容回顾,3,第 2 章,光子

3、学与光谱学基础,2.1 光在界面上的反射和折射 2.2 光的本质波粒二象性 2.3 光子的吸收、发射和散射 2.4 光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学,本 章 内 容,光入射到两种折射率不同的介质的分界面将发生反射和折射，分别遵守反射定律和斯涅耳定律。,2.1 光在界面上的反射和折射,反射定律： 反射光线、入射光线和法线在同一平面内。 反射光线和入射光线位于法线两侧，且与界面法线的夹角相等。,入射角,反射角,6,斯涅尔定律（Snells Law） 描述光的折射现象； 入射光线和折射光线位于同一平面内，且与界面法线的夹角满足如下关系： n1sin 1 = n2

4、sin 2 其中，n1和n2分别是两种介质的折射率， 1和 2分别是入射光和折射光与界面法线的夹角，称为入射角和折射角。,2.1 光在界面上的反射和折射,7,全反射： 当光从光密（折射率大）介质入射到光疏（折射率小）介质的界面时，发生光的部分反射和折射现象；当入射角大于临界角时，光线会停止进入光疏介质，而全部反射回光密介质。,2.1 光在界面上的反射和折射,临界角是发生全内反射的最小入射角。入射角是由折射界面的法线量度。临界角（ C）可从以下方程计算（这时折射角为90o）：,8,全内反射：,2.1 光在界面上的反射和折射,若n1大于n2，例如折射率为n1的是玻璃，折射率为n2的是液体溶液。当光

5、发生全反射时，光会在玻璃界面上完全反射而不进入液体溶液中。 实际上，由于波动效应，有一部分光的能量会穿过界面渗透到溶液中，是一种非均匀波，叫做消逝波，也称隐失波或倏逝波。其在第二介质中的有效进入深度约为一个波长。 消逝波激发在一个波长范围之内的荧光分子发出荧光消逝波。它沿着入射面上的介质边界传播，在平行界面方向以平行波场方式传播，而在垂直界面方向则是呈指数衰减。对于可见光波长而言，浸透深度为100nm。全内反射荧光显微术,消逝波,9,2.1 光在界面上的反射和折射,海市蜃楼是由光的折射和全反射原理所生成。光线从较密的介质（冷空气）进入到较疏的介质（近地面的热空气）下现蜃景；反之出现上现蜃景。,

6、全内反射的应用,10,下现蜃景,上现蜃景,全内反射的应用,2.1 光在界面上的反射和折射,全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜。,自行车尾灯,全反射棱镜在潜望镜中的应用,双筒望远镜中的全反射棱镜,11,一根光纤传输的信息量等于一束缆线,全内反射的应用,2.1 光在界面上的反射和折射,光导纤维,12,临床应用中要传输这幅图像需要至少1M根光纤以上,光纤束能用来将图像从一点传输到另外一点,全内反射的应用,2.1 光在界面上的反射和折射,13,2.1 光在界面上的反射和折射 2.2 光的本质波粒二象性 2.3 光子的吸收、发射和散射 2.4 光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱 2.6

7、激光与非线性光学,本 章 内 容,14,关于光本质的两种说法 牛顿的微粒说（1680年） 惠更斯的波动说（1690年） 在牛顿时代，人们只知道光的反射与光的折射，即所谓的几何光学，利用这两个学说，都能得到解释；在解释光的折射时，波动说要求光的传播速度在折射率大的介质里要慢些，而微粒说要求它的速度要大些，不过在17、18世纪，没有精确的测定光速的方法，所以两个学说并存，谁也战胜不了谁。,2.2 光的本质波粒二象性,15,关于光本质的两种说法 19世纪发现许多新的现象，包括光的干涉、衍射与偏振等，干涉与衍射是波动所共有的现象，对于这些新现象，微粒说遇到了困难；与此同时，光速度测定也有了比较精确的测

8、定方法，结果证明波动说是正确的；随后麦克斯韦创立了电磁波学说，证明电磁也有波动。 19世纪末，由于电磁波学说不能解释黑体辐射现象，普朗克在1900年发表了量子论，爱因斯坦推广普朗克的量子论，在1905年发表了光子学说，圆满解释了光电效应；随着康普顿效应的发现，光子说得到实验支持又重新兴起。,2.2 光的本质波粒二象性,16,光的本质波粒二象性 光是一种能在真空和介质中以波动形式传播的，由振动的电波和磁波组成的电磁波，同时也是一种叫做光子的能量包。 凡是与光的传播有关的各种现象，如衍射、干涉和偏振，必须用波动说来解释，凡是与光和物质相互作用有关的各种现象，如物质的光吸收与发射、光电效应和光散射（

9、康普顿效应），都必须用光子说来解释。 光在真空中和介质中的速度不同，二者的比值是介质的折射率。,2.2 光的本质波粒二象性,17,光,电磁波,光粒子,振动的磁场(B),振动的电场(E),每个光子的能量 = h n = 光子数 = E (h ) p = 每个光子的动量= h = h c h = Planck常数 = 6.63 10-34 J s,2.2 光的本质波粒二象性,18,波长、振幅定义,2.2 光的本质波粒二象性,19,作为波的光：电磁波,电磁波谱：一系列以波长、频率或波数为函数的电磁波的分布，从长波的射频端到短波长的宇宙射线。 光学频谱区：从远红外IR到真空紫外UV。 通常所说的光范围

10、更窄，指可见光范围。 根据光的频域的不同，用不同的单位来表征。 可见光区：nm为波长单位；或cm-1为波数单位 近红外和中红外区：以m为波长单位 中红外到远红外区： 以cm-1为波数单位,2.2 光的本质波粒二象性,20,作为波的光：电磁波,光谱区域,2.2 光的本质波粒二象性,21,作为波的光的传播 光与生物分子的相互作用大部分都与电有关，因此，对光波的描述采用振动电场E，既有方向也有大小； E垂直于波的传播方向和磁场B的方向（右手定则）； 偏振或极化：光振动方向相对光传播方向不对称的性质 线偏振：传播方向上在每一点的电场方向在同一平面内； 圆偏振：光场矢量在与传播方向垂直的平面内各向均等分

11、布； 椭圆偏振：光场矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都改变。,2.2 光的本质波粒二象性,22,x线偏振光沿z方向的传播,2.2 光的本质波粒二象性,23,圆偏振光的传播,2.2 光的本质波粒二象性,24,沿z方向传播的光场，其振动电场E(z,t)表示为： E0：光场的电场振幅，：光场的角频率2，k：传播矢量（波矢）。 波矢表征了光波相对于参考点（z=0）的相位，即kz为相对于参考点的相对相移。 ：介电常数，对光波而言等于n2，n为介质的折射率。,2.2 光的本质波粒二象性,25,两列波之间的相移示意图,2.2 光的本质波粒二象性,26,光波在介质中的速度 相速度 描述单个波的波前即等相位

12、面的移动，即电磁波穿过介质的的速度。 对于折射率为n的介质，相速度为： 群速度 描述一个由许多一起传播的波组成的波包的传播，指等振幅面的传播速度。,2.2 光的本质波粒二象性,27,色散 介质的折射率是波长的函数，随波长而变。正常的色散现象是，波长减小，折射率增大，因此相速度随波长的增大而增大，即红光比蓝光传播得快。波包的群速度表现类似。 群速度色散效应：对不同波长的群速度的扩散。一个在介质如光纤中传播的短脉冲在传播过程中会由于群速度色散而展宽，因为光脉冲光谱中的蓝波成分与红波成分相比会有所延迟。,2.2 光的本质波粒二象性,28,作为粒子的光：光子 光的波动理论不能解释光的能量被吸收或散射的

13、方式。 光与粒子如电子的相互作用既包括能量的交换，又包括动量的交换。 这些过程只有假设光的粒子性才能解释。 光子和电磁波的能量都是量子化的，而不是连续可变的。 一个电磁波的最小能量单位是光子的能量（h）。 总能量等于Nh，其中N是光子数目：,2.2 光的本质波粒二象性,29,作为粒子的光：光子 光子的量子化能量被用于描述物质对光的吸收、发射或散射。 光子作为粒子还携带动量： 当光子被另一个粒子散射而改变方向或当它被一个介质表面折射时，可以利用光的动量。 光子的传播方向的改变产生一个动量的改变并能产生一个可捕捉粒子的力。此原理被用于生物细胞的光学捕获并成为光镊操作的基础。,2.2 光的本质波粒二

14、象性,30,2.1 光在界面上的反射和折射 2.2 光的本质波粒二象性 2.3 光子的吸收、发射和散射 2.4 光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学,本 章 内 容,31,光与单个分子的相互作用可以用一个在电场中的分子电极化模型来描述，称为电偶极子近似。 对于线性响应，即偶极矩线性地依赖于电场，总的分子偶极矩为： 分子与辐射场 之间的偶极相互作用V 可用下式描述： 式中第一项描述分子与光子场的一种相互作用，其导致分子吸收或发射一个光子； 第二项表示非弹性散射，即拉曼散射，一个频率为v的光子被一个分子非弹性散射而产生一个具有不同频率的v的光子（原来的光子被吸收）

15、并且与该分子交换（入射光子与散射光子的）能量差。,2.3 光子的吸收、发射和散射,32,1、光与分子的相互作用的性质,光与分子的相互作用过程,2.3 光子的吸收、发射和散射,33,光子的吸收 光子的吸收会导致一个分子（或原子）从低能级i（基态）向高能级f（激发态）跃迁； i和f两个能级之间的能量差与所吸收光子的能量相等； 对于电子能级的吸收，初始电子能级一般是基态（最低的电子能级）。,2.3 光子的吸收、发射和散射,34,单光子吸收,双光子吸收,分子（或原子）同时吸收两个光子从低能级跃迁到高能级；两个能级之间的能量差与所吸收光子的能量的和相等。,单光子吸收与多光子吸收,2.3 光子的吸收、发射

16、和散射,35,自发辐射 分子或原子通过发射一个能量为 i 和 f两个能级之间能量差的光子，而从激发态 f 回到低能态 i。 受激辐射 由一个能量为 i 和 f两个能级之间能量差的入射光子触发的发射过程； 受激辐射所发射的光子和入射光子的能量和方向相同； 若没有一个能量相等的入射光子，则不会产生受激辐射，而只有自发辐射。,2.3 光子的吸收、发射和散射,36,拉曼散射 一个能量为hv的光子被散射为另一个能量为hv的光子，两个光子之间的能量差即h(v-v)对应于两个能级之间的能量差； 能量为hv的散射光子比入射光子的能量hv低，能量差h(v-v)被存入分子而产生一个激发态 f，称为斯托克斯拉曼散射

17、(Stokes Raman Scattering)，是最常见的拉曼散射； hv高于hv的散射称为反斯托克斯拉曼散射(Anti-Stokes Raman Scattering)。 能级i一般不是真实的能级（虚能级）；若i是一个真实的能级，则散射过程将被显著加强，称为共振拉曼散射。,2.3 光子的吸收、发射和散射,37,2、吸收和发射的爱因斯坦模型 爱因斯坦（Einstein）模型描述光子的吸收和发射过程； 从一个低能态i到一个高能态f 的吸收过程用一个跃迁速率Wabs来描述，Wabs与在能态 i上的分子数Ni和光子密度成正比： 比例常数B称为Einstein系数，下标 i和 f表示此系数是针对能

18、态 i和 f 的。,2.3 光子的吸收、发射和散射,38,自发辐射速率只与激发态 f上的分子数Nf成正比，因为此过程并不需要另一个光子触发，因此： 其中Aif叫做自发辐射的Einstein系数。,吸收和发射的爱因斯坦模型 对于受激辐射（需要一个光子触发），表达式为： 受激辐射的跃迁速率Wstemi与在激发态f上的光子数Nf和当前光子数成正比；比例常数同为Bif。,2.3 光子的吸收、发射和散射,39,吸收和发射的爱因斯坦模型 总的辐射速率为： 净吸收速率为： 在有受激辐射的场合，受激辐射远超过自发辐射，因此，可以忽略自发辐射，吸收速率变为： 当此速率为正（NiNf时)，发生净的吸收过程，此时低

19、能态i上的分子数比在高能态f上的分子数多，称为正常粒子数条件。,2.3 光子的吸收、发射和散射,40,吸收和发射的爱因斯坦模型 在NfNi的情况下，对应的是一个净的发射过程；净的辐射速率为： 高能态f上的分子数比在低能态i上的分子数多的情况，叫做粒子数反转条件； 粒子数反转是实现激光的条件之一。,2.3 光子的吸收、发射和散射,41,2.1 光在界面上的反射和折射 2.2 光的本质波粒二象性 2.3 光子的吸收、发射和散射 2.4 光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学,本 章 内 容,42,1、光的相干性 时间相干性：由波包的频率展宽定义； 如果从一个光源发出

20、的所有光波的频率相同或在一个十分窄的频域内，则它们具有时间相干性，这种光被称为单色的； 如果有一个大的频率展宽，则光是多色的，不具有时间相干性； 空间相干性：利用从一个光源发出的不同光波的相位间的空间联系定义； 如果一个常相位关系存在，而且波包在空间的传播过程中能够维持（如激光），则光束是空间相干的。,2.4 光波的干涉和衍射,43,相干时间：,相干长度：,光的相干性 光的相干性决定了从一个光源产生的多个光波的整体属性，描述了不同波之间的相位关系； 若相位关系固定且为常数，则光源是相干的；若相位关系总的来说是随机的，则光源是非相干的； 光源也可以是部分相干的； 相干性的定量描述用相干长度，即相

21、位关系得以维持的长度； 光源的相干性质决定了光束的发散性质。,2.4 光波的干涉和衍射,44,干涉：若干束光波在空间相遇时产生的光强分布不等于由各束波单独造成的光强分布之和，而出现明暗相间的现象。 产生干涉条件：只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。 同相（相位）相长干涉， 反相（相位）相消干涉。 例如，杨氏双缝干涉,2.4 光波的干涉和衍射,45,2、光的干涉和衍射,1）光的干涉,2.4 光波的干涉和衍射,46,相长干涉与相消干涉,衍射：任何在空间中非无限

22、的波都有在空间扩散的趋势。 衍射是光波的普遍现象，但只有当物体的空间尺寸与光波的波长相当时，才比较明显。当光遇到尖锐的障碍物、通过小孔和狭缝，或聚焦于尺寸与光波长相近的斑点时，光弯折和扩散等衍射现象就会发生； 将狭缝或开口的每一点当做一个球面波的波源，可以很好地解释衍射现象；从所有这些点发出的球面波相互干涉；在某些角度上，发生相长干涉，得到亮斑，在另一些角度上发射相消干涉，得到暗斑；这些光斑的图样叫做衍射图样。,2.4 光波的干涉和衍射,47,2）光的衍射,光通过两条狭缝的衍射图样,2.4 光波的干涉和衍射,48,各种不同的光源及其特征,2.4 光波的干涉和衍射,49,Quiz 1,光的反射和

23、折射分别服从什么定律？ 光在光纤中的传播遵循什么定律？ 光与分子的相互作用过程有哪些？ 分子对光的吸收和发射用什么模型描述？,50,2.1 光在界面上的反射和折射 2.2 光的本质波粒二象性 2.3 光子的吸收、发射和散射 2.4 光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学,本 章 内 容,51,物质是由分子和原子构成的，组成原子和分子的电子的能量只能取一些被允许的离散值-即能量量子化条件，此特性源于物质的似波特性。,2.5 分子能级结构与光谱,52,1、激发态的跃迁过程,分子的能量分为四部分，即电子、振动、转动和平动。只有电子、振动和转动能级是量子化的，即具有离散

24、值； 电子能级和振动能级在生物光子学中有重要的作用，它们是光谱学、生物医学成像、生物传感及流式细胞仪的重要组成部分。,2.5 分子能级结构与光谱,53,激发态的跃迁过程： 激发态可以通过光致物理过程、光致电子转移过程或光化学过程而储存激励能； 光致物理效应包括： 辐射：额外能量作为光子而发射出去（自发/受激辐射） 非辐射：额外能量以热能的形式散发出去 能量转移：额外能量传递给周围分子 相邻分子形成受激态复合物,2.5 分子能级结构与光谱,54,激发态的跃迁过程： 有机分子的各种辐射和非辐射过程常用Jablonski能级图描述； Jablonski能级图中辐射过程用直线箭头表示，非辐射过程用波浪

25、线箭头表示；,2.5 分子能级结构与光谱,55,单重态：S0，S1，S2 三重态：T1 IC：内转化 ISC：系间窜跃,激发态的跃迁过程： 大部分分子（尤其是有机分子）的基态都包含成对的电子，因而总自旋S=0，自旋多重度2S+1=1，属于单重态。 从基态开始，按照能量递增的顺序，单重态被标记为S0，S1，S2等； 对于基态为S0的分子，一对配对的电子被激发到一个激发态，这两个电子在激发态中可能仍然是配对的（如S1态），也可能是非配对的（三重态，即T态）； 激发三重态按能量递增的顺序被标记为T1，T2，T3等； 量子力学表明，对相同轨道的激发态，激发三重态（如T1态）比对应的单重态（如S1态）能量低。,2.5 分子能级结构与光谱,56,描述激发态各种可能跃迁途径的Jablonski能级图,2.5 分子能级结构与光谱,57,激发态的跃迁过程： 具有相同自旋状态的两个电子能态之间的非辐射跃迁是自旋允许的（自旋守恒），称为内转化（IC）； 具有不同自旋状态的两个电子能态之间的非辐射跃迁是自旋禁止