生物物理学提纲-2015

生物力学一.基本概念1生物力学：应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。2应力：受力物体截面上（△A）内力（△F）的集度，即单位面积上的内力。当△A趋于0时，为某一点的应力。3应变：当材料在外力作用下发生形状的改变。4应变率：应变的变化速率，即单位时间内增加或减少的应变；应变率是表征材料快速变形的一种度量，应变对时间的导数。5本构方程：阐明应力、应变、应变率之间关系的方程式，它取决于物体的结构。6生物力学研究基础：能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。7生物力学研究类型：固体生物力学流体生物力学运动生物力学（传统）组织与器官力学生物动力学生物热力学（现代）8粘弹性：具有弹性固体的弹性和粘性液体的粘性9泊松比：当细长物体被拉长时，同时会发生横向线度的相对缩短。实验表明横向的线应变与纵向线应变成正比，比例系数是材料的特征常数，称为泊松比。10骨的弯曲与扭转：弯曲是连续变化的线应变的组合，扭转是连续变化的剪切应变的组合分布。二．简答题1.简述生物力学的不同分类：固体生物力学流体生物力学运动生物力学（传统）组织与器官力学生物动力学生物热力学（现代）2.简述应力的不同类型：同截面垂直的称为正应力，同截面相切的称为切应力。3.弹性体和粘性体的本构方程：对于拉伸和压缩：Ee；对于剪切变形：tanGG；对于体积变形：Kv。其中，τ为应力，E、G、K分别为杨氏模量（弹性模量）、刚性模量（剪切模量）和体积模量；e，tan和v分别为线应变、切应变和体应变。粘性体的本构方程——牛顿粘度定律。粘性是物体形变时，内部反抗形变的摩擦力的表现，应力与应变率的最简单关系是二者成正比，切应变率公式为：/ddt其中，η称为粘滞系数，简称粘度。上式称为牛顿粘滞性定律。4.粘弹性的特征表现：松弛性滞后性蠕变性5.骨受力（弯曲、扭转）应力-应变表现弯曲：显然，梁的内部应力很小。骨骼的层状结构十分巧妙，最外层为韧性很好的骨膜，再向里为密质骨、疏质骨、骨髓腔，充分地发挥了骨组织的力学效能。扭转：长度为l的圆柱体在力矩作用下产生的扭转形变如图1。扭转圆柱体剪切应变沿径向的分布及沿轴向的分布如图2.三．论述题（计算）1.解释如图所示的拉伸应力与应变的关系曲线点a对应满足正比关系的最大应力，即正比极限。ab段应力和应变不再满足正比关系,但撤外力后材料仍能复原,过b撤外力后不再复原,而成塑性形变,d对应发生弹性形变的最大应力,称为弹性极限，c断裂点,对应强度极限。2.写出Maxwell模型的应变率、Vogit模型、Kelvin模型的外力F的推导过程及计算MaxwellVogitKelvin3.骨受力现象及其相关计算2sin2sin，coscos020SFSFSFSF，)0(0maxSFmax0max212)4(SF图2-6由于骨是粘弹性体,当受到过大拉力作用,易在干骨区出现断裂;且由上式分析形成垂直断面;受压损伤则多发生在蠕变区,主要由剪切形变起作用,因而受压损伤的断裂面为45°的斜面。图2-7弯曲而产生的骨折将会发生特征的“Y”缺口，并易形成游离碎骨.由于骨的抗压强度大于抗张强度，骨折在拉伸一侧（即底侧）开始，下面形成=0的竖直断裂面，随着未断裂截面积的减小，应力增大，当受压部分达到抗压限度时，将沿着＝45°的两个斜截面分开。放射生物物理现实中的辐射现象：天然辐射源：宇宙射线地下矿藏体内微量放射性元素人工辐射源：核反应堆带电粒子加速器医学放射源核武器电脑手机射线与物质的相互作用及效应（图表）防护材料（X射线、γ射线、β射线、中子）防X、γ射线选铅、铁、水泥、砖等。高质量物质防β射线选铝、有机玻璃、塑料等低质量物质防种子选石蜡、硼酸和水等。防护的基本原则：正当化原则最优化原则限值化原则外照射防护三要素：防护时间距离防护屏蔽防护放射性活度、吸收剂量、当量剂量、有效剂量的物理含义及其计算光子X光子进入生物组织康普顿效应光电效应电子对效应高速电子电子沿径迹损失能量电离激发热韧致辐射物化阶段生化阶段生物阶段电离辐射的作用机制（图表）直接作用间接作用与DNA直接作用通过自由基与DNA作用纯物理过程物理、化学过程液态环境损伤专业术语的解释，如：ICRP、粒子注量、比铅当量等。铅当量：用铅作为比较各种防护材料的屏蔽性能的标准,把具有一定厚度的某屏蔽材料对应相同屏蔽效果的铅层厚度,称为该屏蔽材料在该厚度下的铅当量,单位厚度防护材料的铅当量叫比铅当量.粒子注量：进入具有单位截面积小球的粒子数.ICRP：国际辐射防护委员会生物物理技术名词解释渗透压：用理想半透膜将纯溶剂和溶液隔开，发现溶剂透过半透膜向溶液作单方向渗透。渗透的结果导致溶液一侧的液面上升，在半透膜两侧产生压强差，达到平衡时出现的压强差称为溶液的渗透压Π。相对黏度：溶液黏度与溶剂黏度的比值溶剂溶液r增比黏度：溶液黏度与溶剂黏度增加的相对值，反映溶质对溶液黏度的贡献。溶剂溶剂溶液sp比浓黏度：单位浓度的溶质对黏度的贡献。Cspc特性黏度：溶液浓度无限稀释时的比浓黏度，其值与浓度无关。它反映个别溶质分子对溶液黏度的贡献。它只与溶质分子结构、大小及在溶液中形态有关。CspC0lim透光率：透过透明或半透明体的光通量与其入射光通量的百分率。0IIT紫外可见光吸收光谱：利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱及吸收程度对物质的组成、含量和结构进行分析、测定、推断的分析方法。荧光光谱术：荧光光谱术是利用某些物质被一定波长的光照射所产生的、能够反映物质特性的荧光来进行物质的定性和定量分析的方法。红外吸收光谱的指纹区：1300~650cm-1区域：吸收光谱较复杂，除单键的伸缩振动外，还有变形振动。能反映分子结构的细微变化——指纹区如何发生荧光淬灭效应：荧光强度对温度变化敏感，温度降低时，溶液的黏度增大，荧光分子与溶剂分子的碰撞减少。温度增加，外转换去活的几率增加。温度过高时，会造成荧光淬灭。溶液的浓度较低时，荧光强度与荧光物质的浓度成正比，当达到一定浓度后就不再有这种关系，浓度过大时发生荧光淬灭。荧光寿命：荧光寿命τF分子处于激发态的平均时间。如果荧光衰减符合指数衰减规律，荧光寿命就是发光强度衰减到e-1时所需时间。隧道效应：粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。荧光弛豫过程：光进入物质时，部分能量被吸收。吸收外来光子后被激发到激发态的分子具有较高的能量不稳定，可以通过不同途径释放能量回到基态，该过程为弛豫过程。光的力学效应：在物体上的力等于光引起的单位时间内物体动量的改变，并由此引起物体的位移和速度的变化，称之为光的力学效应。光压：由于光辐射对物体产生的力通常称之为光的辐射压力，简称光压。光镊原理：又称为单光束梯度力光阱(single-beamopticalgradientforcetrap)，是利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维势阱来捕获和操纵微粒的技术。纳米技术：指在1-100nm尺度范围内研究和应用原子、分子的结构特征及其相互作用的高新技术，它是基础科学和工程技术相结合的产物。公式解析简述Q：光谱分析中可获得什么信息？各种信息表达的内容是什么？A:谱线位置：反映波长或频率的信息，代表某种吸收或发射基团的特征跃迁，据此辨认基团或化合物的存在。谱线强度：强度与吸收或发射基团的数目成正比，是定量分析的依据。谱线宽度：由发光物质激发态寿命和光源与观察者的相对运动状态决定。通过宽度可以了解生物分子的运动学、动力学和相互作用的状况。谱线结构：通过高分辨率仪器，可得到谱线的精细结构，能提供发光物质有关能级分布及基团间相互作用的信息。Q：流体力学技术中哪些方法是测量分子量的独立方法？A：离心法（沉降平衡法）、渗透压法、黏度法Q：沉降平衡法和沉降速度法的异同点是什么？它们的优、缺点各是什么？方法相同点不同点优点缺点沉降速度法同属于离心法测定分子量的方法1离心场大于等于10^6g2行程上清液和浓度相等的坪区当分离带有不同S值的混合溶液是，沉降速度较快的分子在穿过沉降速度较慢的分子时会受到污染引起误差。沉降平衡法1离心场约为10^4g2形成很大的浓度梯度，达到平衡。不必测定扩散系数，可以从浓度的分布直接计算M值，是测定分子量的独立方法，也是现有测定大分子量的最准确的物理方法。试验时间过长，对稳定性不高的体系的测定是不利的。Q：沉降系数的意义是什么？A：每单位引力场生物大分子下沉的速度称为沉降系数，反映了每单位引力场生物大分子下沉的速度;应用于命名生物大分子。Q：简述渗透压法中三个方法的要点？A：渗透平衡法：恒温下将渗透压计静置一段时间，自然达到平衡状态，记下两侧液面的高度差，减去毛细升高项，即为渗透压值。优点：操作简单缺点：试验时间过长升降中点法：将渗透压计中溶液液面升高，使其高于平衡值Δh。在趋向渗透平衡过程中液面不断下降，记录各个时间的液面高度，绘制下降曲线。反过来绘制上升曲线。将两条曲线上对应点连接起来，求其中点。中点的连线趋于一水平线，该线所在的高度即为渗透平衡时的液柱高，将液柱高减去毛细校正项即得渗透压值。速率终点法：在不同液面高度差或外加压强下测定溶液的透过速率dh/dt。描绘dh/dt---Δh坐标图，用内插法求出dh/dt=0时的Δh值，得到渗透压。该方法不需要等待渗透平衡，测量迅速。Q：荧光测量的主要参数：荧光量子产额和荧光强度的意义？A：荧光测量的主要参数：量子产额φg：物质发射的荧光量子数与吸收量子数之比荧光强度：表示荧光的相对强弱。Q：影响荧光强度的主要因素有哪些？A:其中：K：决定于该仪器的仪器常数I0：激发光的强度ε：摩尔吸收系数φ0：荧光量子效率b：样品池的厚度C：样品的浓度)1(00bCeIKFbCebC1bCIKF001.溶液PH2.溶剂的极性与黏度3.温度的影响4.溶液的浓度5.激发光Q：Stokes效应与反Stokes效应是什么？A：处于振动基态的分子在光子作用下，激发到较高的不稳定的能态（虚态）后又回到较低能级的振动激发态。此时激发光能量大于散射光能量，产生拉曼散射的斯托克斯线，散射光频率小于入射光。若光子与处于振动激发态（V1）的分子相互作用，使分子激发到更高的不稳定能态后又回到振动基态（V0）,散射光的能量大于激发光，产生反斯托克斯散射，散射光频率大于入射光。Q：产生共振拉曼散射的条件是什么？A：选择的入射光的频率正好是将吸收光辐射的分子激发至基态以上的电子能级所需要的频率时，就会发生共振拉曼散射Q：简述磁共振原理，并说明它与电子自旋共振的差异？A：NMR基本原理：是利用一定频率的电磁波照射处于磁场中的原子核，原子核在电磁的作用下发生磁共振，吸收电磁波的能量，随后又发射电磁波，即发出磁共振信号。电子自旋共振EPR和NMR都属磁共振谱，主要的区别：1.EPR和NMR是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。2.EPR的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段。3.EPR的灵敏度比NMR的灵敏度高，EPR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M的数量级。4.EPR和NMR仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。Q：什么是化学位移？那些因素影响化学位移？A：化学位移:是各种有机分子中，质子所受到的屏蔽效应程度不同导致在和磁共振谱上所产生的吸收峰位置不同的现象。影响因素：诱导效应。拉电子基团越多，这种影响越大。基团距离越远，受到的影响越小。各向异性：芳香环的各向异性。双链化合物的各向异性。三键化合物的各向异性氢键的影响：分子内氢链同样可以影响质子的共振吸收。Q：用NMR和EPR对样品进行分析时主要依据那些特征？A:NMR：1化学位移2耦合常数3峰的面积4弛豫时间EPR：1确定样品中是否有顺磁性分子、原子或缺陷存在。如果样品中有未成对电子，只要实验观察条件选择适当，信号大小可在仪器检测灵敏度之内，就能观测到EPR。2确定样品中未成对