飛秒激光生物光子學

本書主要介紹了基於飛秒激光技術的生物光子學領域的部分研究工作，特別是基於飛秒激光的成像方法、精密手術和刺激方法、分子調控方法等，並簡要介紹了飛秒激光在實際臨牀醫學中的應用。在儘量涵蓋基本技術原理、研究領域的基礎上，本書較為深入地探討了飛秒激光作為一種物理方法，對細胞和生命系統在測量、刺激過程中所帶來的變化和機制。由於任何測量手段對被觀測系統都是一種擾動，因此本書從物理、生物和分子的不同角度探討了飛秒激光在研究過程中與生命系統相互作用的物理與生物過程，希望引起讀者對這個本質問題的重視。特別是生命系統，它是一種非常精密而脆弱的、易受到擾動而變化的複雜系統，對這個系統的觀測、調控都比對客觀世界的研究複雜、艱難很多。本書介紹了飛秒激光一系列技術思路和研究進展，希望能以此為基礎，提煉整理出背後的研究思路，為此領域的初學者提供參考。本書適合生物光子學領域的學生、教師參考，可作為生命科學、生物醫學工程、光學工程等學科的高年級本科生和研究生教學參考書。 ^[1] 

目 錄

第1章 飛速發展的生物光子學1

1.1 生命科學與光學的交叉與相互促進1

1.2 生物光子學簡介10

1.3 飛秒激光的技術與特點15

1.4 飛秒激光生物光子學20

第2章 光與生物介質相互作用的基本原理23

2.1 細胞與組織的基本結構與功能23

2.1.1 細胞的基本結構與功能23

2.1.2 組織的基本結構與功能28

2.2 單光子過程：吸收與散射30

2.2.1 光與生物組織相互作用分析30

2.2.2 單光子吸收32

2.2.3 散射過程37

2.3 多光子過程：多光子吸收與高階非線性40

2.4 緊緻聚焦的飛秒激光脈衝的生物物理特性42

2.4.1 飛秒激光與生物組織的相互作用42

2.4.2 飛秒激光應用於生物組織的特點45

第3章 多光子熒光顯微成像49

3.1 熒光顯微成像原理49

3.2 多光子熒光顯微成像的基本原理56

3.2.1 幾種主要的非線性過程58

3.2.2 影響成像質量的因素60

3.2.3 多光子熒光成像63

3.2.4 諧波成像68

3.3 深層組織熒光顯微成像及其應用72

3.3.1 多光子熒光在組織成像中的應用72

3.3.2 腦科學與神經成像77

3.4 相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）成像89

3.4.1 CARS過程的原理90

3.4.2 CARS顯微成像技術91

3.4.3 CARS成像在細胞成像中的應用92

3.4.4 CARS成像在組織成像中的應用93

3.5 受激拉曼散射（SRS）成像94

3.5.1 SRS過程的原理95

3.5.2 SRS顯微成像技術96

3.5.3 SRS成像在生物分子成像中的應用97

3.6 多光子激發在其他成像技術中的應用98

3.6.1 多光子光片顯微成像98

3.6.2 多光子超分辨99

第4章 飛秒激光對細胞分子信號的調控101

4.1 飛秒激光刺激產生活性氧自由基102

4.2 飛秒激光對細胞內鈣存儲的調節114

4.3 飛秒激光對腦神經信號的成像與調控127

4.4 飛秒激光調控的細胞分子信號通路與應用133

第5章 精密細胞手術140

5.1 飛秒激光細胞轉染技術的原理與發展140

5.1.1 轉基因技術簡介140

5.1.2 飛秒激光與細胞膜的相互作用142

5.1.3 飛秒激光轉基因技術及其發展過程143

5.1.4 飛秒激光轉基因技術在基因工程中的應用144

5.2 飛秒激光對線粒體的精密消蝕與可控刺激150

5.2.1 飛秒激光對生物組織的精密消蝕與可控刺激150

5.2.2 飛秒激光對細胞的精確手術——切割線粒體152

5.3 飛秒激光對細胞骨架和細胞器的精密切割154

5.4 飛秒激光對神經的精密切割與再生誘導157

5.5 飛秒激光細胞融合159

5.5.1 細胞融合技術簡介159

5.5.2 激光細胞融合技術160

5.5.3 飛秒激光對細胞的融合161

第6章 飛秒激光在醫學上的應用164

6.1 激光在醫學檢測中的應用165

6.1.1 光學相干斷層掃描成像技術165

6.1.2 光聲成像系統醫學檢測166

6.2 激光在醫學治療中的應用167

6.2.1 光遺傳學治療167

6.2.2 光熱治療法168

6.2.3 光控納米載體藥物釋放168

6.2.4 激光誘導的組織焊接與再生169

6.3 飛秒激光在醫學治療中的應用180

6.3.1 多光子光動力治療180

6.3.2 飛秒激光近視矯正手術184

6.3.3 其他基於飛秒激光的外科手術188

第7章 飛秒激光生物光子學的發展趨勢192

7.1 飛秒激光生物光子學應用趨勢192

7.2 飛秒激光生物光子學的展望195

參考文獻197 ^[1]