飞秒激光生物光子学

对生命科学的探知总是令人们欲罢不能，因未知而神秘，它浩渺如宇宙、具体如她是一个世界人们无法拖累为而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。本书文字严谨，可以看出作者对于这一交叉领域科学工作的科研态度。

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。

贺号，主要集中于生物光子学的研究，使用飞秒激光对细胞内的信号和细胞功能进行精确的刺激与调控，新型成像系统的研究，以及在在体动物上的应用。目前以第一作者或通信作者发表SCI论文20余篇，其中两篇发表于Nature Photonics，两篇文章获得Nature Photonics专题报道；参与编写中/英文学术专著3部；获国家自然科学基金支持，兼任中国光学学会生物医学光子学会专家委员会委员，获评日本学术振兴会JSPS Oversea Fellowship，受邀作为东京大学Global Science Course (GSC) Lectureship，受邀参加日本内阁资助的ImPACT重大研究计划。

目 录
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
3.4.1 CARS过程的原理 90
3.4.2 CARS显微成像技术 91
3.4.3 CARS成像在细胞成像中的应用 92
3.4.4 CARS成像在组织成像中的应用 93
3.5 受激拉曼散射（SRS）成像 94
3.5.1 SRS过程的原理 95
3.5.2 SRS显微成像技术 96
3.5.3 SRS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 飞秒激光对细胞的精确手术——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

前    言
生物光子学是一门交叉性、前沿性极强的新兴学科，近年来，在激光技术的推动和生命科学及医学发展的促进下，取得了一系列突破性成果。生物光子学涉及光学、激光技术、生命科学等较多领域，方向繁杂，全面阐述较为困难，且很难进行有效的逻辑梳理和内容组织。飞秒激光是近年来发展较快、较为新型的激光技术，具备一系列特有的光学特性，在生物光子学的应用中呈现出巨大的潜力和独特的特征。目前，国内外还没有书籍对以飞秒激光技术为核心的生物光子学领域进行梳理、总结。
飞秒激光具有一系列独特的性质，使得基于飞秒激光技术的生物光子学呈现出一定的独立性。本书试图以飞秒激光为切入点，根据笔者的研究经验与研究方向，研讨和阐述基于飞秒激光技术的一系列生物光子学问题，探讨最前沿的应用研究——飞秒激光在脑科学、细胞的信号通路与功能中的调控，以及在临床医学领域的主要科研突破与实际应用，对由飞秒激光技术推动的生物光子学领域中涉及的基本理论、基本方法、最新研究进展等进行全面总结和系统分析。由于研究范围和对领域内诸多方向理解的限制，本书对一些新兴进展缺少涉及，对一些过往领域缺少认知，对一些研究进展的理解也可能存在疏漏。且本领域的技术发展较快，一些研究进展与结论也在不断刷新，随着时间的推移，可能会出现与本书中的某些结论不完全一致的情况，请广大读者进行批判性的阅读。
本书侧重于介绍基于飞秒激光技术的生物光子学理论的核心技术。这些技术在生命科学和医学上的实质性应用解释了相关生物医学问题的主要脉络和潜在的发展前景。本书着重阐述飞秒激光技术是如何解决相关生命科学的具体问题和医学需求的。
全书共7章。
第1章对生物光子学的主要领域进行简要介绍，并建立基本的概念与框架。
第2章在解释光与生物学样本相互作用基本过程的基础上，对飞秒激光的主要非线性过程进行了阐述。
第3章着重介绍飞秒激光在生物光子学领域最主流、最重要的应用，即多光子荧光显微成像技术及其在肿瘤和神经科学领域的重要进展。
第4章探讨飞秒激光对细胞分子信号的调控这一全新的应用领域。
第5章综述飞秒激光在精密细胞手术中的应用。
第6章简单介绍飞秒激光在医学上的应用，并列举三个临床应用。
第7章对飞秒激光生物光子学的未来发展趋势进行分析和展望。
本书是在我国飞秒激光领域的专家和前辈，天津大学王清月教授的敦促、指导下完成的。本书在撰写过程中，得到了诸多师长、前辈、同行们的多方面帮助。天津大学超快激光研究室的全体成员、上海交通大学生物医学工程学院的同事们都对本书提出了宝贵意见。特别感谢天津大学王清月教授、胡明列教授，上海交通大学魏勋斌教授，深圳大学屈军乐教授，福建师范大学李步洪教授，浙江大学钱骏教授等对本书的诸多指导。感谢王艺森、王胤涛、王劭阳、程攀、唐莞屹、胡宇豪、王海鹏、田晓莹、赵小惠、余正英等学生所做的资料整理和校对工作。本书在撰写过程中参考了大量国内外已发表的文献、著作，在此向原作者表示衷心感谢，向他们富有开创性的研究工作致敬。
本书可以作为生物医学工程、光学工程等专业的教学参考书及相关研究领域的工具书。由于笔者水平有限，成书过程较为仓促，加之生物光子学领域又始终在迅猛发展，因此错误和遗漏之处在所难免，恳请同行、老师和同学们批评指正。