强激光作用下生物组织光致破裂效应的研究

基于激光与生物组织作用时产生的光致破裂效应,利用脉冲激光直接聚焦于孕囊内的胚胎内部,激光产生的光致破裂效应对胚胎心脏造成损伤,造成胚胎的快速死亡,初步证明利用激光进行减胎手术有望成为一种新方法。采用输出波长1 064 nm、脉宽8 ns、单脉冲能量60～96 mJ可调的脉冲激光作用于牛肌肉组织样品,并用光学相干层析成像(OCT)系统测量实验样品的损伤直径和损伤深度,建立了不同的激光参数与被作用样品的损伤直径及损伤深度之间的关系。得出结论:样品的损伤深度和损伤直径与激光的脉冲能量成正相关关系,而与激光的脉冲频率成负相关关系。这对于激光应用于减胎手术时参数的优化和精确控制起到一定的指导作用。     

用二次谐波成像技术研究经飞秒激光切削后角膜变化

本文用二次谐波成像技术（second harmonic generation SHG）来研究飞秒激光切削后角膜结构的变化.在生物学研究,材料科学等方面都有很广泛应用的SHG成像技术能在不破坏的角膜情况下获得高对比度的角膜层析图像,分辨率为500 nm,实验装置是利用现有的双光子显微镜.本文还根据成像结果评价了飞秒激光在角膜切削中的质量,为飞秒激光微米级的精确切削和临床应用提供了实验支持.     

生物组织背向SHG和TPEF的影响因素

由于生物组织的复杂性和多样性,以及样品制备等因素的影响,实验观察到的生物组织的背向二次谐波(second harmonic generation,SHG)和双光子激发荧光(two-photon excitation fluorescence,TPEF)效应的差异较大。以鼠尾组织作为实验对象,共40个切片,分为横向和纵向、HE染色和未染色四组,采用飞秒激光器作为激发光,用双光子激光扫描共焦显微镜(two-photon laser scanning confocal microscope,TPLSCM)观察和分析了样品在不同的制备方式、激发波长、激发功率、扫描深度等条件下的背向SHG和TPEF的变化曲线,讨论和比较了生物组织的背向SHG和TPEF的影响因素以及二者之间的异同,并尝试对实验现象做出了一定的解释。     

Q开关Nd:YAG 1064nm和532nm激光对犬心肌切割作用的研究

目的 :研究 10 64nm和 53 2nm波长激光在激光能量为 14 0mJ/pulse(脉冲 )时对犬心肌切割效率。方法 :用Q开关Nd :YAG 10 64和 53 2nm波长脉冲激光分别照射犬离体和在体心肌组织 ,光学显微镜和偏振光学显微镜行组织学分析 ,观察不同条件下激光切割组织的深度和光热对组织的损伤。结果 :离体和在体实验 ,10 64nm波长激光的切割效率高于 53 2nm(p <0 .0 1)。在体和离体实验显示 10 64nm激光能量和重复率相同时 ,所致的切割效率无明显差异 (p >0 .0 5) ,血液对 10 64nm激光的切割效率影响较小。相反 ,在 53 2nm时血液对其影响较大 ,相同的激光能量和重复率 ,离体实验切割效率高于在体 (p <0 .0 1)。 10 64nm激光所致的光热和机械损伤均轻于 53 2nm激光。结论 :在切割效率方面 ,10 64nm激光比 53 2nm更适用于TMLR。 10 64nmQ开关Nd :YAG激光可通过光导纤维传输 ,是TMLR的一个有潜力的激光源     

可用于双色双光子显微成像的新的荧光蛋白对

双色双光子激光扫描显微技术可以用来研究生物组织内两种不同蛋白质的表达、定位和示踪．由于大多数双光子显微镜一次只能提供一种波长的激发光,双色同时成像较难实现．mAmetrine和mKate2作为新发现的荧光蛋白对可以用于双光子双色同时成像,这得益于它们各自的优势：mAmetrine的斯托克斯位移和mKate2的高亮度．在765nm的波长激发时,它们的双光子吸收效率都很高．mAmetrine和mKate2能够很好地用于双色双光子活细胞成像实验．     

用积分球系统测量大鼠组织在不同光阑孔径下对氦-氖激光的温反射特性

本文对大鼠组织在不同光阑孔径下对He-Ne激光的漫反射特性进行了测量。实验采用了不同光阑孔径的积分球系统及He-Ne激光,并根据测量数据计算和分析了大鼠组织对该波长激光的漫反射特性。结果表明,有些大鼠组织在632.8nm波长的He-Ne激光照射下对不同的光阑孔径其漫反射率没有显著性区别,而有些大鼠组织在632.8nm波长的He-Ne激光照射下对不同的光阑孔径其漫长反射率有显著性区别,提示在测定不同生物组织的光学特性时,应考虑组织样品的受光照射的面积的大小对测定结果的精确度的影响。     

采用不同的光传输模型比较研究结肠的散射和吸收特性:离体结肠肿瘤的光学诊断

测定和比较研究了离体的正常的和腺癌的人结肠粘膜/粘膜下层以及正常的和腺癌的人结肠肌层/浆膜组织对630 nm,680 nm,720 nm,780 nm,810 nm,850 nm和890 nm波长的钛宝石激光的散射和吸收系数。采用双积分球测量系统测量组织样品对七个不同波长的激光的准直透射、漫反射和漫透射,从实验所测结果以及分别采用反向倍增法和反演蒙特卡罗技术这两个光学模型计算出组织的散射和吸收系数。研究结果表明,无论是用反向倍增法还是用反演蒙特卡罗法,每一种类型的正常的和腺癌的人结肠组织对同一波长的激光的吸收系数和散射系数有显著性的差异(P<0.01),正常的和腺癌的结肠组织的散射和吸收系数有大的差异,这些结果提示每种类型的正常和腺癌的结肠组织的组份和结构之间有大的差异。四种类型的结肠组织对七个不同波长的激光的散射系数较其吸收系数至少要大三个数量级,而四种类型的结肠组织对七个不同波长的激光的散射系数有相同的数量级。     

阳离子胶体金标记活细胞阴离子位点的双光子荧光成像及其应用

使用阳离子胶体金标记中国仓鼠卵巢细胞(CHO-K1)的阴离子位点,并采用双光子荧光显微成像和荧光寿命成像技术记录活细胞的阴离子场分布.阳离子胶体金是纳米量级金微粒与多聚L-赖氨酸的结合物,金纳米微粒在超短激光脉冲的照射下可以产生高度局域化的光热效应.当飞秒激光脉冲聚焦在细胞膜上标记的金纳米微粒时会产生这种纳米尺度的微光热效应,并在不影响细胞活性的前提下暂时提高细胞膜的通透性.基于这种效应,使用聚焦的飞秒激光脉冲三维扫描照射CHO-K1细胞,将分子质量为10ku的荧光探针大分子异硫氰酸荧光素葡聚糖(fluorescein isothioeyanate-dextran, FITC-D)递送到CHO-K1细胞的内部,并用双光子荧光图像记录其递送的过程.使用流式细胞仪分析不同实验条件下FITC-D的转导率和细胞死亡率的关系.     

超短脉冲技术测量癌细胞荧光光谱与荧光寿命

研究用于癌症诊断与治疗的光敏剂血卟啉（hematoporphyrin derivative,HPD）的超快光动力学过程,采用超短脉冲激光光谱技术和皮秒时间相关单光子计数系统,测量经血卟啉培养的活体癌细胞与正常细胞的荧光光谱、荧光寿命特性及荧光峰值强度随时间变化曲线,并测量单一细胞内部不同位置的荧光寿命特性,观测到：癌细胞样品在645 nm处具有特有的光谱谱峰;癌细胞样品荧光寿命的快成分约150 ps慢成分约1200 ps,而正常细胞样品快成分约300 ps慢成分约2500 ps;癌细胞样品的荧光峰值强度经12小时衰减约10%,而正常细胞样品衰减约55%;在细胞内部荧光寿命300 ps的快成分十分显著,且中心部位血卟啉浓度最高.癌细胞与正常细胞的荧光光谱、荧光寿命特性及荧光峰值强度随时间变化曲线相差十分明显,反映了癌细胞与正常细胞对血卟啉亲和特性有显著的差异,测量结果确认了荧光光谱技术诊断与治疗癌症的可行性,并对发展超短脉冲激光光谱技术早期诊断与治疗癌症具有重要的指导意义和临床应用价值.     

用组织光学特性鉴别诊断人离体的正常膀胱和膀胱癌组织

研究正常人膀胱和膀胱癌组织在Kube lka-Munk二流模型下对476.5 nm,514.5 nm和808 nm波长的激光的光学特性的差异。采用双积分球系统和Kube lka-Munk二流模型进行测量研究。实验结果表明,正常膀胱和膀胱癌组织在Kube lka-Munk二流模型下对476.5 nm,514.5 nm和808 nm波长的每一个波长的激光的吸收、散射、总衰减、有效衰减系数都有非常显著性的差异(P<0.01)。膀胱癌组织对476.5 nm,514.5 nm和808nm波长的激光的吸收系数明显地较正常膀胱组织对相应波长的激光的吸收系数要大(P<0.01),膀胱癌组织对476.5 nm和514.5 nm波长的激光的散射系数明显地较正常膀胱组织对相应波长的激光的散射系数要小(P<0.01),而膀胱癌组织对808 nm波长的激光的散射系数明显地较正常膀胱组织对同一波长的激光的散射系数要大(P<0.01)。膀胱癌组织对476.5 nm,514.5 nm和808 nm波长的激光的总衰减系数明显地较正常膀胱组织对相应波长的激光的总衰减系数要大(P<0.01),膀胱癌组织对476.5 nm,514.5 nm和808 nm波长的激光的有效衰减系数明显地较正常膀胱组织对相应波长的激光的有效衰减系数要大(P<0.01)。提示使用双积分球系统和Kube lka-Munk二流模型来确定离体的正常膀胱组织和膀胱癌组织对476.5 nm,514.5 nm和808nm波长的激光的光学特性的差异鉴别诊断病变的膀胱组织是一个有效的方法。     

深层组织双光子荧光成像激发特征的仿真分析

双光子荧光探针被广泛研究应用于生物医学成像和治疗,深入了解这类探针在生物组织中激发分布特征及其相对于单光子探针的成像优势和劣势对探针的合理选择和应用具有指导意义。然而,由于实际测量难以避开众多干扰因素的影响,因此不能准确反映其固有特征。本文选取典型生物和荧光激发参数,利用生物仿真定量分析,并通过双光子和单光子的激发成像对比,获取了双光子荧光的基本激发特征。结果发现,在相同平圆光束激发下,双光子激发由于激发效率低且需要双光子吸收,再加上较高的激发阈值,虽然激发光在组织穿透深度方面存在优势,但在组织内衰减速率快、有效穿透深度比高量子效率的单光子荧光激发浅。同时,深度方向的快速衰减会导致横向激发光能的非均匀性分布,这种非均匀性对双光子荧光影响更大。仿真分析进一步表明:在生物组织耐受的前提下提高双光子激发的功率更有利于荧光成像;增加光照半径可以减弱横向激发的不均匀性,从而改善双光子荧光成像的效果。本研究结果为双光子荧光激发、成像的应用提供了基础数据参考,本仿真方法也为快速研究光与生物组织的相互作用提供了借鉴。     

基于微流控芯片多波长荧光检测体系

利用四个LED分别匹配相应的激发滤光片,带通发射滤光片和PMT,自行搭建微芯片多波长荧光检测系统。用于复杂生物混合样品:四类试样(荧光胺标记的牛磺酸(FT Ex/Em 390/446nm)、荧光素(Fl Ex/Em 480/520nm)、5(6)-羧基-X-罗丹明(ROX Ex/Em 563/600nm)和花菁染料(Cy 5 Ex/Em 635/677nm)的同时分离和测定并得到充分的验证。     

综述: 用于神经活动观测的随机扫描双光子显微成像

双光子荧光显微镜是神经科学研究中的重要观测仪器,但是现有的商品化仪器受限于较低的成像速度,难以满足脑功能研究中毫秒量级神经信号检测的需要．基于声光偏转器的快速随机扫描双光子显微成像技术,有望在保持信噪比的同时提高观测速度．本文综述了这一研究的最新进展,从飞秒激光经过角色散器件后的时空演化理论、声光偏转器的色散补偿方法、随机扫描成像仪器及仪器应用到神经成像时钙信号的识别方法四个方面分别进行介绍,最后分析了随机扫描双光子显微成像技术的发展趋势．这项技术的系统深入研究将为神经活动观测提供一种全新的方法,推动脑科学研究的发展．     

记新一代微型化高分辨率双光子显微镜的诞生——程和平院士专访

正在生物医学领域,成像技术是最重要的技术手段之一,它让研究者能够观察到组织和细胞内正在发生的过程,为各项研究提供直接而确切的证据.传统的单光子荧光显微镜用单个光子将荧光分子激发到激发态,进而产生可被观测的荧光,而发明于1990年的双光子显微镜则是用两个光子来激发同一个荧光分子.与单光子显微镜相比,它所使用的激光波长更长(单个光子的能量更小),具备更高的组织穿透性和更小的光毒性.此外,双光子的激发能力与能     

飞秒激光与生物细胞作用机理及应用

飞秒激光是自1960年第一台激光器诞生以来,过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒激光由于脉冲持续时间短、瞬时功率大、聚焦尺寸小的特点,使得其在超快、超强和超精细领域有着广阔的应用前景。其中最重要的一个方向是飞秒激光在生物细胞方面的应用。细胞是生命活动的基本单位。所有的病源微观上都体现在细胞中细胞器的工作,所以用飞秒激光作用在病体的细胞器上达到治疗的目的,是一个很有前景的领域。由于生物大分子和水几乎不吸收近红外光,故应用近红外飞秒激光对细胞进行手术,同时可在不损伤细胞活性的前提下对细胞进行实验。这种激光手术技术已被用于对细胞内结构进行切割和蚀除。介绍了该技术在细胞领域中的一些应用,如纳米手术、基因转染和染色体切割等;还介绍了飞秒激光技术与生物细胞中主要细胞器的祛除的原理、飞秒激光细胞操作与手术系统和实验中荧光成像、多光子成像显微镜等手段。     

基于多普勒频移和频带展宽的自相关光声流速矢量测量

为了测量碳颗粒悬混溶液的流速矢量,将自相关方法引入了光声多普勒流速测量。纵向和横向速度分量分别由多普勒频移和多普勒频带展宽得到。光声信号由波长532 nm,重复频率20 Hz的脉冲激光激励,由中心频率10 MHz的点聚焦压电超声换能器采集。由微量注射泵驱动的碳颗粒悬混液模拟血液的流动。时域光声信号由希尔伯特变换为复信号后进行自相关计算。多普勒频移和多普勒频宽的标准偏差由若干独立A扫的自相关平均得到。对比之前采用序列A扫的互相关方法,自相关中的信号时移大小可自定义,避免了对高重复频率脉冲激光的要求,有利于探测深度的提高。该方法的可行性通过对流速为16-32 mm/s、多普勒角度为50°的碳颗粒悬混液流速矢量的测量得到了初步验证。     

光系统Ⅱ捕光复合体飞秒时间分辨荧光特性的研究

采用时间分辨荧光光谱技术研究了菠菜（Spinacia oleracea L.）叶绿体叶捕光色素复合体（LHC Ⅱ）荧光的时间特性和光谱特性。用脉宽为120fs、波长为400nm的倍频钛宝石激光激发LHCⅡ样品;原始荧光信号由Boxcar采集,通过建立多指数模型,用非线性最小二乘法拟合,得到了激发能在LHCⅡ中传递的时间常数分别为：320fs、4.0ps和20.0ps。相对应的各组分荧光占总荧光的非分比分别为：3.4%、50.0%和46.6%。经全局分析,解得荧光强度随波长变化曲线;用高斯3峰解叠得到荧光光谱的峰值波长分别为：652nm、672nm和691nm。通过分析得出了时间常数与LHCⅡ中各色素成分之间的对应关系,并给出了可能的能量传递模型。     

植物叶片延迟发光的光谱特性

采用生物超微弱发光探测技术,对绿宝石喜林芋成熟叶片在特定波长下的延迟发光特性进行了测量和分析,得到在400 nm~640 nm波长范围内其延迟发光衰减参数"1/P"随波长变化的光谱特性。实验结果表明:叶片在各个特定波长下"1/P光谱"特性不同;植物叶片延迟发光主要集中在大于500 nm的长波波段,在这个波段内延迟发光强度最大;衰减参数1/P随波长的增加而上升,当波长大于500 nm时,衰减参数1/P相对稳定,在这个波段条件下衰减参数1/P最大。     

尿液荧光光谱分析用于糖尿病诊断的研究

探索用输出波长为488,0nm的激发光作为光源,用尿液作为样品的激光光谱法诊断糖尿病的可能性。在510nm～620nm范围内采集健康人和糖尿病患者尿样的荧光光谱,利用求二阶导数光谱的方法进行数据处理。发现健康人的二阶导数光谱都有三个极小值,与之形成对比的是绝大多数糖尿病患者的二阶导数光谱却有四个极小值,糖尿病患者的尿样在550nm～570nm区间范围内比健康人多出一个极小值。用是否在550nm～570nm区间有极小值作为判据,可以比较方便、准确的将糖尿病患者和健康人的尿样区分开。     

无损光学法测量人胃粘膜/粘膜下层组织的光衰减特性

研究了人正常胃粘膜及粘膜下层组织对640 nm,690 nm,740 nm,790 nm,840 nm和890 nm波长的钛宝石激光的光衰减特性以及光学穿透深度,实验采用激光斜入射式空间分辨反射光和CCD探测器以及非线性拟合确定组织光学特性。结果表明:人正常胃粘膜及粘膜下层组织对六个波长的激光的有效衰减系数和光学穿透深度都是随着激光波长的变化而变化的。其有效衰减系数的最大值在640 nm,其值为1.12 mm-1,最小值在790 nm,其值为0.901 mm-1,最大差异在790 nm和890 nm之间,其值为19.9%,最小差异在690 nm和740nm之间,其值为2.83%。其光学穿透深度的最大值在790 nm,其值为1.11 mm,最小值在640 nm,其值为0.890 mm,最大差异在640 nm和790 nm之间,其值为24.7%,最小差异在690 nm和740 nm之间,其值为2.97%。