飞秒激光生物光子学

本书主要介绍了基于飞秒激光技术的生物光子学领域的部分研究工作，特别是基于飞秒激光的成像方法、精密手术和刺激方法、分子调控方法等，并简要介绍了飞秒激光在实际临床医学中的应用。在尽量涵盖基本技术原理、研究领域的基础上，本书较为深入地探讨了飞秒激光作为一种物理方法，对细胞和生命系统在测量、刺激过程中所带来的变化和机制。由于任何测量手段对被观测系统都是一种扰动，因此本书从物理、生物和分子的不同角度探讨了飞秒激光在研究过程中与生命系统相互作用的物理与生物过程，希望引起读者对这个本质问题的重视。特别是生命系统，它是一种非常精密而脆弱的、易受到扰动而变化的复杂系统，对这个系统的观测、调控都比对客观世界的研究复杂、艰难很多。本书介绍了飞秒激光一系列技术思路和研究进展，希望能以此为基础，提炼整理出背后的研究思路，为此领域的初学者提供参考。本书适合生物光子学领域的学生、教师参考，可作为生命科学、生物医学工程、光学工程等学科的高年级本科生和研究生教学参考书。

第1章飞速发展的生物光子学1
1.1生命科学与光学的交叉与相互促进1
1.2生物光子学简介10
1.3飞秒激光的技术与特点15
1.4飞秒激光生物光子学20
第2章光与生物介质相互作用的基本原理23
2.1细胞与组织的基本结构与功能23
2.1.1细胞的基本结构与功能23
2.1.2组织的基本结构与功能28
2.2单光子过程：吸收与散射30
2.2.1光与生物组织相互作用分析30
2.2.2单光子吸收32
2.2.3散射过程37
2.3多光子过程：多光子吸收与高阶非线性40
2.4紧致聚焦的飞秒激光脉冲的生物物理特性42
2.4.1飞秒激光与生物组织的相互作用42
2.4.2飞秒激光应用于生物组织的特点45
第3章多光子荧光显微成像49
3.1荧光显微成像原理49
3.2多光子荧光显微成像的基本原理56
3.2.1几种主要的非线性过程58
3.2.2影响成像质量的因素60
3.2.3多光子荧光成像63
3.2.4谐波成像68
3.3深层组织荧光显微成像及其应用72
3.3.1多光子荧光在组织成像中的应用72
3.3.2脑科学与神经成像77
3.4相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）成像89
3.4.1CARS过程的原理90
3.4.2CARS显微成像技术91
3.4.3CARS成像在细胞成像中的应用92
3.4.4CARS成像在组织成像中的应用93
3.5受激拉曼散射（SRS）成像94
3.5.1SRS过程的原理95
3.5.2SRS显微成像技术96
3.5.3SRS成像在生物分子成像中的应用97
3.6多光子激发在其他成像技术中的应用98
3.6.1多光子光片显微成像98
3.6.2多光子超分辨99
第4章飞秒激光对细胞分子信号的调控101
4.1飞秒激光刺激产生活性氧自由基102
4.2飞秒激光对细胞内钙存储的调节114
4.3飞秒激光对脑神经信号的成像与调控127
4.4飞秒激光调控的细胞分子信号通路与应用133
第5章精密细胞手术140
5.1飞秒激光细胞转染技术的原理与发展140
5.1.1转基因技术简介140
5.1.2飞秒激光与细胞膜的相互作用142
5.1.3飞秒激光转基因技术及其发展过程143
5.1.4飞秒激光转基因技术在基因工程中的应用144
5.2飞秒激光对线粒体的精密消蚀与可控刺激150
5.2.1飞秒激光对生物组织的精密消蚀与可控刺激150
5.2.2飞秒激光对细胞的准确手术――切割线粒体152
5.3飞秒激光对细胞骨架和细胞器的精密切割154
5.4飞秒激光对神经的精密切割与再生诱导157
5.5飞秒激光细胞融合159
5.5.1细胞融合技术简介159
5.5.2激光细胞融合技术160
5.5.3飞秒激光对细胞的融合161
第6章飞秒激光在医学上的应用164
6.1激光在医学检测中的应用165
6.1.1光学相干断层扫描成像技术165
6.1.2光声成像系统医学检测166
6.2激光在医学治疗中的应用167
6.2.1光遗传学治疗167
6.2.2光热治疗法168
6.2.3光控纳米载体药物释放168
6.2.4激光诱导的组织焊接与再生169
6.3飞秒激光在医学治疗中的应用180
6.3.1多光子光动力治疗180
6.3.2飞秒激光近视矫正手术184
6.3.3其他基于飞秒激光的外科手术188
第7章飞秒激光生物光子学的发展趋势192
7.1飞秒激光生物光子学应用趋势192
7.2飞秒激光生物光子学的展望195
参考文献197