搜索
初探生物光子学第一部分生物医学光子学研究背景光子学是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学[1]。光子学正在继电子学之后为新世纪人类信息社会的进步与发展提供越来越重要的物质基础和手段。光子学具有极强的应用背景，其触角几乎遍及科技、经济、军事和社会发展的众多技术领域，为此产生了丰富多彩的光子技术，其作用和影响远远超出人们对光子学本身原有的预想，并形成了一系列新的交叉学科领域[2~7]。在生命科学领域，光与生命现象早已结下不解之缘。从科学发展观来看，在21世纪，所有的科学技术都将围绕人与人类的发展问题，寻找各自的存在意义与发展面。生物医学光子学正是在这样的背景下产生的[2,3,5~7]。简言之,生物医学光子学是利用光子来研究生命现象的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、互相渗透而产生的边缘学科。具体地，生物医学光子学涉及生物(包括人体组织)系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子探测过程，以及这些光子所携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子的能量对生物系统进行的加工与改造等。生物学研究与医学研究、诊断和治疗涉及到的光学及其相关的应用技术,包括其中最基础性的光物理问题,均可归为生物医学光子学的研究对象。较普遍的观点认为,生物医学光子学可以定义为研究所有波长范围的电磁辐射在生物医学领域的应用科学与技术。生物医学光子学涉及对生物体的成像、探测和操纵,具体可划分为生物光子学和医学光子学两个相对独立的部分,但它们各自的领域存在互相重叠的范围[6~9],两者的区分主要在于光子学及其技术的具体应用对象不同。生物光子学主要研究分子水平上的细胞功能和结构,包括生物系统的光子辐射以及这些光子携带的信息,用光子及其技术对生物系统进行检测、加工和改造等等;而医学光子学的研究对象为人体及其器官和组织。通过检测组织与血液参数,探索组织结构与功能的变化,进而实现宏观和微观水平疾病无损探测、诊断和治疗,包括组织光学、医学光谱术、医学成像术、以及光诊断与光治疗技术及其作用机理的研究等[8,10~12]。生物医学光子学的学科发展及其研究成果,对生命科学有重要且积极的意义,将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性,从而提高人类的生存价值和意义,其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用,在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产业。第二部分什么是生物光子萤火虫发光是自然界一个常见的生命现象，它属于高强度的生物发光肉眼可以看见。生物发光是一种酶催化的氧化作用，存在于细菌、真菌、昆虫、鱼类等许多有机体中，但是在高等的动植物中没有发现生物发光。生物组织在某些化学物质的作用下，还可以诱发化学发光，这样的作用通常被表示为A+B→(AB)*→AB+hv其中，A是一种化学物质，如过氧化氢；B是一个确定的细胞组分，如类脂hv是一个光子的能量。化学发光作为一个探索化学反应过程及产物的工具，已经被使用了很多年。与生物发光、化学发光不同，所有被测量的生物系统存在着超弱的光辐射，它们涉及的范围极为广泛动物及其器官、组织、细胞、亚细胞，基至生物大分子；植物及其根、茎、叶、花、果各种水藻各种微生物，如细菌、酵母菌等。这种普遍存在于生物系统中的超弱光辐射被称为生物光子辐射外。生物光子辐射的强度定主力被测样品每秒每平方厘米表面发射的光子数，它的数量级为几个到几千个光子。换言之，典型的生物光子流约为10—16W/cm2(取波长λ=500nm)。这样的强度远低于通常的生物发光和化学发光。生物光子辐射探测器的光谱响应通常为（200-800nm）。在此区间，生物光子辐射的谱线基本上是连续的。从分子物理学的观点来看，生物光子可以被理解为生物分子从高能态向低能态的跃迁。这样的理解是基于一个众所周知的事实生物系统具有新陈代谢的功能。换言之，生物系统是一个典型的开放系统，与外界环境存在着永恒的物质、能量、信息的交换。外界不间断地泵浦(pump)耗散的生物系统，使之处于一种远离热平衡的状态。事实上，生命物质的高能态具有很高的分子布居数(与热平衡状态相比较)。处于高能态的分子是不稳定的，它们必须向低能态跃迁，在此过程中释放能量，这就是生物光子。而回到低能态的分子在外界作用下又跃迁到高能态，再次辐射光子。外界泵浦和光子辐射相伴发生，达到一个动态平衡。因此生物光子可以理解为生命活动的一种损耗。就如激光器的输出光束一样。这样，有理由相信生物光子携带着生命系统的微观信息。从量子理论的观点来看，生命系统的任何内部变化，无论是组分上的还是结构上的，都会引起系统微观能级的改变，从而导致生物光子辐射的改变。事实上，生物光子辐射已经被发现关联到许多基本的生命过程，如细胞分裂、受精卵发育、光合作用、有机体的病变和死亡等。另外，生物系统所处环境的变化也会影响系统的物质、功能、状态等方面的改变，并表现在生物光下辐射的改变用光子的特性(强度、光谱、光子空间分布、光子统计性质等)来反映生物系统内部性质的变化和外界环境的影响，这是一个由量子测量到宏观分析的过程，它的灵敏度是毋庸置疑的。事实上，大量的研究表明，生物光子的探测和分析能够揭示生物系统内部的细节变化、展示外界环境的微弱影响。第三部分生物光子辐射的基本特征大量实验结果表明，生物光子辐射具有下列基本特征。（1）生物光子辐射的强度极低，其数量级为10～1000个光子/(s·cm2)，因而乘积I*△t一般情况下小于100，这里I是总的光子计数率，△t是计数间隔(典型值为△t=100ms)，这样被测的生物光子场中约有100个光子。这意味着生物光子辐射绝不是一个经典效应，而是一个典型的量子现象。（2）在所有被测量的样品中，生物光子辐射的谱线绝不呈现在某个频率处的尖峰，而是相当平坦的谱分布(测量范围200～800nm)。这是因为生命物质的能级不服从封闭系统的玻尔兹曼(Boltzmann)分布，而是与fv=constant规律相吻合。按此规律，生命物质所有的相关激发态具有基本相同的布居，与能级的高低无关。（3）对于所有被测量的生物样品，其光照后(白光或单色光)的生物光子辐射动力学均显示长时间的弛豫行为。这样一种延迟发光不服从指数衰变，意味着延迟发光绝不属于线性而是非线性动力学。它起因于集体生物分子之间的相干非线性相互作用。（4）生物光子被发现关联到许多生命过程和生物功能。特别是实验观察表明，不同的DNA空间构象相应于不同强度的生物光子辐射。实验中采用特殊的物质溴化乙锭作为一种试剂被嵌人DNA的碱基对。由于EB的惰性，它只作用于DNA,而不与其他的生物分子发生作用。不断增加EB的浓度，可以连续改变DNA的空间构象。在这一过程中，同时测量DNA样品的生物光子辐射。结果显示，在DNA空间构象变化的过程中，样品的生物光子辐射也发生相应的改变，二者之间有很强的关联。（5）生物系统处于逆境(stress)时，如病变、受伤、外界环境突然变化等，其生物光子辐射行为一般会发生显薯变化。不过变化的方式因情况而异，没有一个固定的模式。例如，在许多情况下，细胞癌变后的生物光子辐射强度增大，水藻在污染水中的生物光子辐射强度减小。大量实验观察显示，多种溶剂即使在浓度很低、剂量很小的情况下也可以显奢地改变诸多生物系统的光子辐射。第四部分生物光子学中重要研究领域1.生物发光的检测与成像技术生物体超微弱光子辐射(bio-photonemission,简称BPE)现象是自然界普遍存在的一种现象,是生物体的一种固有功能。检测这种来自生物体本原信号所携带的与生命活动相关的信息,可以了解各种生命过程。目前的研究结果已经表明生物光子辐射与生物系统的现正向细胞、亚细胞和分子水平深入。与之相关的理论和测试技术也在不断发展,并逐渐形成一个重要的交叉学科领域。这种研究方法可能成为研究细胞的信息传递、调控、分化、识别等基本过程的重要工具,进而发展人为调节超弱发光来实现对生命过程的控制。目前,对BPE的检测及成像技术主要包括:(ⅰ)光子学检测技术:高灵敏度单光子计数技术、光谱分辨和时间分辨的功能检测技术、二维(三维)单光子成像检测技术;(ⅱ)生物光子辐射的物理增强技术:光诱导延时发光增强技术、弱超声场增强技术、交变磁场增强技术、选择性激发增强技术;(ⅲ)生物光子辐射的化学增强技术:化学发光分子反应增强技术、电化学反应增强技术.通过生物光子辐射检测及选择性增强某一功能性生理过程的光子辐射,实现生物体无损伤结构及功能检测。这一技术不仅对生物科学领域具有重大的科学意义,也在农业、医学、食品和环境科学等领域具有广泛的应用背景。随着激光技术、显微技术、荧光标记技术、高灵敏度探测技术、计算机图像处理等技术的飞速发展,它们在生物科学研究中的应用越来越深入和广泛,已成为现代生命科学中的重要工具,并为生命科学的研究带来革命性的变化。2.微成像与微操纵技术在激光扫描共焦显微技术方面,利用目前已达上千种与细胞内不同分子(或离子)特异性结合的荧光探针,已可以直接观测活细胞中各种重要生物分子的位置、运动以及与其他分子的相互作用等。例如观测细胞骨架上的微管、微丝与中间纤维,观察信号转导通路上的各种重要的酶与信使分子,还可利用基因重组技术将自身已有的荧光蛋白引入细胞,用激光扫描共焦显微镜研究基因的表达、细胞内蛋白质的相互作用与细胞内的“交通”等。利用双光子激发显微成像技术可以提高荧光成像的穿透深度。并且,双光子激发的吸收谱很宽,可以利用单一光源激发不同荧光波段的多种探针;同时,双光子激发利用了生物体对光的非线性效应可以获得较单光子激发更高的层析分辨能力。这些特点使双光子激发荧光成像在生物医学的许多研究领域得到了广泛的应用。目前,这种技术已应用于活体动物和脑切片中神经细胞结构与功能、活体动物脑皮层毛细血管网的成像、胚胎发育过程的长时间动态观测、多光子激发光解笼与光激活、细胞内微区钙动力学以及多光子激发自发荧光等研究领域。最近,哈佛医学院已经成功地利用双光子荧光成像技术对大鼠大脑进行了活体动态测量。微纳米光学是借助微电子技术中的微制作手段,将传统光学延伸到微米甚至纳米尺度,从而实现器件的小型化以及检测或操纵微纳米尺度的物体,如单体细胞,蛋白质或微纳米颗粒等,是国际光学界公认的主流方向之一,其中微操纵,即分子操纵技术,是单分子科学研究的范畴。目前实现分子操纵的动力主要有电场、原子间力和光梯度力,并由此诞生了扫描隧道显微镜、原子力显微镜和光镊。光镊利用激光光束产生的力或动量来操作微小的颗粒,使这些物体可以被光束捕获并按指定的路径运动。由于光镊的无损、非接触特性使其特别适合用于细胞、亚细胞结构和生物分子的研究(如生物细胞细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子)所以,光镊是生物医学光子学领域一个非常重要的研究工具。应用微光学元件构建光镊以及光镊驱动全光学生物芯片将成为光镊发展的趋势,目前,光镊主要用于细胞分离,监测染色体在细胞分裂中的移动情况,研究细胞骨架的结构和弹性,研究生物分子动力源,研究细胞周期及其调控机制等。3.光学生物芯片的开发与应用它的研究内容,包括实现芯片核心功能元件微型泵和微型阀的微制作,在光学实验室平台芯片上提供微颗粒筛选的解决方案,以及光学芯片生物传感测量功能的实现等。微纳光生物芯片结合了纳米技术、光子技术与生物芯片技术,为解决基因超快速测序、人工智能和神经创伤恢复等提供了非常有意义的科学研究和实际应用前景。结合纳米光子学、OT和PCR等技术实现完全意义上的“Lab-on-a-Chip”,在无污染的环境内实现对生命个体基因的准确测序,为临床基因诊断、基因治疗提供准确可靠的信息。微纳光学生物芯片技术利用微流体对光学性质的调控和检测,将纳米光子结构与多功能微流控芯片进行集成,研究DNA与蛋白质之间、蛋白质与蛋白质之间的相互作用等,也能够应用于生物化学传感以及人工智能方面,通过对微流的控制变换实现神经反馈信号的发送和传输,完成相应的功能。最新研发的垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser,简称VCSEL),为细胞的相干光谱、图像以及细胞内