生物光子学实验室手册
A Laboratory Manual
in Biophotonics
作者：Vadim Backman，Adam Wax & Hao F. Zhang
出版社：CRC Press
索书号：Q63-33 /B126 /2018/Y
ISBN：9781439810514
藏书地点：武大外教中心
生物光子学，是由生命科学和物理科学这两者交叉融合所形成的一门新兴的交叉学科。生物光子学主要以量子光学作为理论基础、以生命系统的弱光及超弱光子辐射探测系统作为实验手段来研究光子-生命体相互作用的微观机制和物理本质，建立和发展以新陈代谢作用作为主要特征和标志的生物光子学理论，揭示生物组织和生命体的自组织、自相似、自调节、以及自适应和遗传性状等的光物理本质。
生物光子学的主要研究内容有两大类：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工和改造等也是一项重要的任务。二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术，新颖的激光诊断和激光医疗机理及其作用机理的研究。光和生物组织体相互作用的几种表现形式或现象，包括吸收、反射、折射、散射、发光、光化学、光声等现象。吸收是光和生物组织体相互作用的一种基本形式，其结果光强随着光在组织中传播距离的增加而不断减小，未被吸收的光经组织体边界出射，就得到了透射光。而组织体的宏观或微观的不均匀性可导致光传播方向的改变，这一作用结果产生了反射、折射和散射现象。虽然研究光在组织体中传播时一般可以忽略组织的偏振效应，但偏振光的偏振状态随组织体的不同或光传播距离的不同而改变的现象确实存在，例如，当偏振光入射到组织如眼组织，单层细胞，皮肤表层等时，可以通过测量偏振光经组织后偏振度的改变来获得组织和细胞的结构信息。上述的宏观现象都是通过微观的物理变化产生的，利用分子能级图来解释发生在组织体内部的各种微观物理过程，从而将宏观的现象和物质结构联系起来。我们知道，分子的能级比原子的能级要复杂得多，除了电子态外，原子在分子中的不同自由度决定了分子具有不同的振动能级，因此分子的每一个电子能态通常包含有若干个可能的振动能级。在组织体内部，不同能级之间的跃迁对应着不同的物理过程。当具有合适能量的光入射到组织体上时，光吸收可能使电子向上跃迁到不同电子激发态的不同振动能级上，当然也有可能使分子实现不同的振动能级之间的跃迁；而电子从高能级到低能级的衰变过程中也可采用无辐射跃迁的方式向周围发出热而将多余的能量消耗掉，从而形成了光热、光声、光电导等现象；对于某些组织体，电子从最低激发态的最低振动能级开始的向下跃迁过程还可能采取发出一个光子但不改变其自旋的过程，所发生的光子即为荧光；对于某一类具有受激虚态的物质，处于基态某振动能级上的分子与入射光子碰撞后获得能量跃迁到受激虚态，如果分子从受激虚态向下跃迁时回到了电子基态中的其他振动能级时，此时不但会观察到和入射光同频率的光（瑞利散射）也会同时观察到比入射光频率大和小的光，称其发生了拉曼散射。
光的吸收是指光在通过生物组织体时由于部分光能转换成热或分子的某种振动而导致光强度衰减的过程。生物组织体可根据其对光的吸收能力分为透明和不透明体，所谓透明是指允许光通过而完全不被吸收，即进入组织体的总辐射能量与出射的能量相等；相对应的，使入射辐射能量降为零的组织体被称为不透明体。要说明的是，除了真空，没有一种媒质对任何波长的光是完全透明的，只能是对某些波长范围的光透明，而对另一些波长的光不透明，也就是说所谓透明和不透明只是相对于某个波段而言的，例如，人体组织中的角膜和晶状体在可见光波段近似于透明体，但在红外波段却表现出强烈的吸收。根据吸收波段的不同，生物组织体也可被分为一般吸收组织体和选择性吸收组织体，对一定光谱范围内的所有波长光的衰减程度相同或相似的被称为一般吸收组织体，而只对某些特定波长的光有吸收或吸收比较强的被称为选择性吸收组织体。
在医学的光诊断和治疗中，有许多理论研究需要开展，有许多新应用需要从理论上做出满意的解释，这主要有如下几个方面： (1)医学上对人体疾病的光学诊断问题。人体在不同的生理状态下，其组织光学特性参数也不相同。光子学检测和诊断与传统医学的方法相比较有许多优点，尤其是600nm至1300nm“光学窗”波长范围内的无损检测和诊断技术蓬勃发展，如组织血氧和脑血氧的检测、血氧和葡萄糖含量的监测。在取像技术方面近年发展起来的OCT技术也受到人们的高度重视，但由于生物组织的多样性和复杂性，光子学检测和诊断技术在理论上尤其是如何为医学临床提供可靠的生理参数指标尚有许多问题需要加强研究；(2)光治疗中各种参量的选择。在许多临床光治疗的具体应用中如激光手术、激光针灸、激光理疗和光子动力学治疗PDT肿瘤，需要预先确定光剂量，即合理选定照射光源的几何形状光束功率、照射时间、焦点深度以及周围组织的光学性质和形状等以及组织内部各部分光能流率的分布；(3)弱光对生物组织的刺激作用机制。所谓弱光，即不会造成生物组织机体不可逆性损伤的光。由于弱光对生物组织的刺激作用如激光对人体的消炎、止痛效果以及对血液的明显的净化作用，目前已广泛应用于医学临床，但是弱光治疗的机理研究相对滞后。为了更好地、更科学地发展光医疗事业，需要加强弱光对生物组织的刺激作用机理的研究；(4)对人体伤害最小的光子设备的研究和开发，其理论基础是生物医学光子学，其研究成果将直接服务于人类健康。光子医疗仪器设备在医学临床的诊断和治疗中有着很重要的意义和广泛的应用前景。
《生物光子学实验室手册》一书于2018年由CRC Press出版社出版。编者为Vadim Backman，Adam Wax与Hao F. Zhang。作者希望这本书能为生物光子学的学者或研究员提供基本信息，帮助人们全面了解该领域的重点内容。
本书作为研究生物光子学的专业书记，内容专业详实，语言浅显易懂，除此之外还有以下特点：
1、本书不仅介绍了生物光子学，还结合具体实例的应用，如细胞光谱学以及光子与组织的相互作用，使读者能够更加全面的了解该领域的专业知识。
2、索引文献丰富，证明了这本书的知识性，真实性。而且，这些索引文献绝大部分都是最新研究，让读者全面了解该领域的前沿进展。
3、在本书的最后，将出现的专业词汇都罗列出来，大大方便了大家在阅读过程中对生物光子学研究的专业术语的认知。
4、本书最鲜明的特点就是图片生动形象，语言浅显易懂，语言介绍的同时，附上可以说明问题的图片，使得生物光子学相关专业知识变得简单易读，对初学者有很大的帮助。
本书目录
1. 介绍性主题
2. 光学元件和电子设备
3. 基础的光和组织相互作用：光散射和吸收
4. 显微组织成像
5. 组织光谱学
6. 计算生物光子学
兰天 武汉大学生命科学学院 博士研究生