2017慕尼黑上海光博会于2017/3/14—2017/3/16在上海新国际博览中心举办,作为亚洲最大的激光、光学、光电行业盛会，从底子研究到财富应用，慕尼黑上海光博会引领行业成长趋势，囊括世界顶尖激光光电技术，汇聚国内外最新最尖端产品，致力于推动业界各分支领域的创新与商业发展，汇聚来自世界各地科研及工业领域的专家学者，探讨前沿工业热点和科研难题，吸引了全球的瞩目！
在此，大医编在第一时间为您深度解读展会中有关生物光子学及医学工程的展览内容和核心技术，以及就近年来光技术在医疗方面的最新应用做一解读。
一，关于生物光子学的医学解读与应用
光学与光子学基础研究的发展,特别是激光光电子技术的进步, 产生了许多基于光学的新的生物学研究技术和方法。光学仪器与方法除了对内科与外科的应用之外，它们对生物学的基础研究与发现有巨大贡献。许多新方法强烈依赖于激光技术的进步，灵敏探测器的发展，光学元件的提高以及高级图像处理硬件与软件的开发。就通常意义上讲,生物光子学就是用光子来研究生命的科学，涉及生物学应用的光子技术有许多方面。
概括地讲，生物光子技术可以分为三大类，即:显微成像技术、非成像的测量分析技术和细胞操纵技术。
显微成像技术
1，激光扫描共焦显微术
激光扫描共聚焦显微镜是光学显微镜与激光、计算机和数字图象处理相结合的光学显微成像技术。在共聚焦扫描装置中, 照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的,激发光聚焦在标本上而发射光聚焦在针孔上。另外, 还可通过计算机控制显微镜载物台上的微量步进马达使显微镜上下步进移动, 从而实现对细胞或组织切片进行类似CT断层扫描的无损伤连续光学切片,然后经过计算机的三维重构, 能够从任意角度观察标本的三维剖面或整体。
激光优于自然光或灯光：
①普通显微镜使用自然光或灯光,均是由多种波长组合的混杂光,产生了显微摄影的色差问题,激光是波长单一的光,没有色差问题；
② 激光位相一致, 方向性好, 无散射现象, 而自然光或灯光是混杂光，不可避免地带来这些方面的缺点。激光扫描共聚焦显微镜：其物镜为数值孔径(NA) 值很高的荧光镜头, 即其光学显微镜的分辨率很高。
总起来看, 激光加上共聚焦, 在物镜NA 值一样的条件下, 共聚焦激光扫描显微镜分辨率提高1.4 倍。不仅如此,激光扫描共焦显微术的影像是由许多点摄影集合而成的, 每个点均恰在精确的焦点上。利用计算机进行图像处理, 使用紫外或可见光激发荧光探针, 从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像, 不仅可对活的或固定的细胞及组织进行无损伤的”光学切片”进行单标记或双标记细胞及组织标本的荧光定性定量分析,被形象地称为显微CT；还可在亚细胞水平上观察诸如Ca2+、pH值、膜电位等生理信号及细胞形态的变化,以及离体观测基因表达的规律,成为生物化学、细胞生物学、发育生物学形态学﹑神经科学﹑药理学﹑遗传学等领域新一代强有力的研究工具。此外在应用荧光光漂白恢复,光漂白中的荧光丢失研究蛋白分子的运动以及荧光共振能量转移技术研究蛋白质分子之间的相互作用方面具有独特的优势。
2，双光子荧光显微术
1931 年首次预言光强足够高时可同时吸收两个光子，一直到激光器发明之后，双光子吸收的理论才得以用大量实验证明。由于采用长波长激发,更是可以获得比单光子激发更深的成像深度, 更低的光毒性与光漂白, 因而成为近年来生命科学研究的重要手段,也因此成为光学显微技术研究的热点。
3，显微操纵—光镊技术
光对物体有作用力是麦克斯韦早在1873 年在电磁理论中就给出预言的,但直到1960 年激光发明后,才有可能利用聚焦的强激光光束来研究电磁辐射的压力作用。A.长期从事光与物质相互作用时力学效应的研究，这种力学效应的根源是来自于光与微粒相互作用时的动量传递。早在1969 年，他就首次实现了激光驱动微米粒子的实验,此后他又发现微粒会在横向被吸入光束（微粒折射率大于周围介质）在对这二种现象研究的基础上，他又利用相对传播的二束激光实现了双光束光阱，在这方面的系列研究最终导致1986 年光镊的发明。生物细胞多为透明的球状体,其折射率通常大于周围介质的折射率。分析结果表明: 光场强度分布不均匀所产生的合力将使该球体被趋向光场内较亮的地方。如: 聚焦的高斯光束在其焦斑处可形成一个三维的约束势阱。粒子若落在势阱中,则处于一种稳定的状态。如果没有外界强干扰, 粒子不会偏离这个势阱。当移动光斑时,粒子也将随之移动。
4，总结
共焦激光扫描显微术使得深度分辨的显微成像成为现实，可以用来收集三维信息。双光子技术不仅增强了荧光显微术的能力，而且对细胞内部实现空间局域化的光化学展示新的可能性。近场显微术作为一种非成像技术，允许显微术具有几十纳米的分辨率，远远小于光衍射极限。流动血细胞计数术，它基于激光和光学技术，已成为标准的临床频繁使用的研究工具。光镊在分子的搬动中涉及的力的研究以及细胞与细胞中分子的操纵中找到其应用。作为定量化验的荧光技术其应用将会增长，作为更其定量的测量技术已产生。生物光子学使生物学研究、生物医学研究、临床诊断和医疗技术大为改视可以预期, 生物光子学在世纪的科学发展中将占有异常重要的地位,而且由于其多学科交叉性等特点,其发展迅猛,具有远大的前景。
二，量子点及其在生物光子学中的应用
量子点(半导体纳米微晶体) 作为一种新型荧光探针应用到生物光子学中，已经引起了国内外科学工作者的极大关注。
量子点的基本介绍及其与生物的关系
量子点( dots , 通常缩写为QDs)又可称为半导体纳米晶体( ), 是由Ⅳ族、Ⅱ-Ⅵ 族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的纳米颗粒, 其中研究较多的主要是CdE (E =S , se , Te) 。
量子点是一个直径大约为2 ～ 8nm (大约为200～ 10000 个原子)的球体, 因此它在三维上都受到了量子限制。
在生物现象的研究中, 荧光染料由于它们使用上的方便以及高探测灵敏度, 因而具有很高的价值。在量子点出现以前, 通常是用有机荧光染料对细胞和生物分子进行荧光标记的。但是这些有机荧光染料却有着很大的缺陷:激发光谱窄;发射光谱很宽, 且不对称;荧光谱峰(即半高峰宽, FWHM , ～100nm)有时还有很长的拖尾, 造成谱峰之间的重叠, 限制了可同时应用的荧光探针数目;易发生光漂白和光解, 光解产物对生物分子往往有杀伤作用;此外, 每种有机荧光染料与生物分子的连接都需要特定的方法;对测量的光学系统亦有严格要求。
然而量子点可以克服上述的缺陷, 作为有机荧光染料合适的替代物:量子点具有很宽的吸收谱,因此可以用各种不同波长的激光进行激发.在实际应用中可以使用多个量子点对细胞和生物分子进行荧光标记, 并采用单个激发光源实现同时探测。光稳定性好, 几乎不会发生光漂白作用, 因此可以用于长时间的生物荧光探测。荧光的量子效率高, 即使在溶液中也能发出明亮的荧光信号。荧光寿命长(大约为20 ～ 50ns), 可以将荧光信号从其他荧光剂发出的背景荧光中区分开来, 提高探测的灵敏度。
量子点在生物光学上的应用
1998 年, 和Nie 两个研究小组分别发表了量子点可作为生物探针, 并且适用于活细胞体系的具有突破性意义的论文。量子点在生物光子学上的应用主要有:
三，LED在皮肤医疗领域的应用
LED具有体积小,响应速度快、寿命长、可靠性高、功耗低等优点,并且可在低电压、小电流的条件下工作, 易于实现系统固体化。最近十年,LED的发展极为迅速,开放了各种波长的LED并广泛用于各行业中。近年来,LED在生物医学方面的应用也正日益扩大并呈良好的发展前景。其应用主要包括:
LED一pDT技术治疗皮肤癌等皮肤疾病
LED治疗皮肤损伤, 促进皮肤修复
LED在美容方面的应用, 包括: 去除痊疮、修复敏感性皮肤、嫩肤丈促进胶原层增厚、收缩毛孔、美白) 及除皱( 抚平细小皱纹) 等。
LED皮肤治疗是一项新技术, 它以其波长的变化范围大,光束面积大、仪器的成本低、价格便宜、省电、操作简单、治疗过程温和、副作用小等优点受到越来越多人青睐。研究表明,LDE光与低强度激光的生物刺激作用效果相同,其治疗效果不比目前流行的光子嫩肤、注射BOTx0、紧肤等差,而且有无创伤、起效快等优点。低强度激光的生物刺激作用及其作用机制已经获得广泛的研究。可以参考这些研究结果,摸索LDE的应用领域及波长、能量等参数的选择。
四，结语
生物学或生命科学是激光光电子学及其技术的重要应用领域.从发展来看,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.激光光电子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面,由此所形成了所谓的生物医学光子学的新兴学科门类,被科学界所认同和重视.目前虽然仅具雏形,但由于其多学科交叉性等特点,其发展迅猛,前景远大.因此,当前应当深入研究包括光在组织中的传输规律与生物组织光学模型、医学光谱技术、生物组织光学成像术等光诊断和光治疗技术及其作用机理.这里大有可为,其中的重大成果将比拟于X射线的发明与CT技术的发明在人类文明史上所起的推动作用,所带来的新一轮生物医学技术革命有可能创造出高新技术产业.
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