第1章 绪论 1
1.1 生物光子学——一个新的前沿学科 1
1.2 多学科的教育培训和研究的介绍 3
1.3 为基础研究和生物技术发展提供的机会 4
1.4 本书的范围 5
第2章 有关光与实物（Matter）的基础知识 10
2.1 光的本性 11
2.1.1 光的双重特征（二象性） 11
2.1.2 作为波的光的传播 13
2.1.3 光的相干性 14
2.1.4 作为粒子的光（光子） 17
2.1.5 旋光性（Optical Activity）和双折射 17
2.1.6 各种光源 18
2.2 实物的量子态 18
2.2.1 入门概念 18
2.2.2 原子的量子态 21
2.2.3 分子的量子态：分子能级的划分 23
2.2.4 分子的电子能态 24
2.2.5 有机分子成键 29
2.2.6 共轭有机分子 30
2.2.7 分子的振动能态 32
2.3 分子间作用效应 34
2.4 三维结构和立体异构 35
本章重点 38
参考文献 39
第3章 生物学基础 42
3.1 概述 43
3.2 细胞结构 44
3.3 各种类型的细胞 49
3.4 化学成分 50
3.5 决定生物大分子三维结构的因素 57
3.6 其它重要的细胞组分 60
3.7 细胞过程 61
3.8 蛋白质的分类和功能 67
3.9 组织中的细胞 69
3.10 组织的类型和功能 71
3.11 肿瘤和癌 72
本章重点 73
参考文献 74
第4章 光－物相互作用的基础知识 76
4.1 光与单个分子的相互作用 77
4.1.1 光－分子相互作用的性质 77
4.1.2 吸收和发射的Einstein模型 78
4.2 光与体（bulk）物的相互作用 80
4.3 激发态的跃迁过程 82
4.4 各种类型的光谱 85
4.5 电子能级吸收光谱 87
4.6 电子能级发射光谱 91
4.7 振动能级光谱 94
4.8 利用手性介质旋光性（Optical Activity）的光谱术 98
4.9 荧光相关光谱（FCS，Fluorescence Correlation Spectroscopy） 102
本章重点 104
参考文献 106
第5章 激光原理，当前的激光技术以及非线性光学 109
5.1 激光原理 110
5.1.1 激光：新的光源 110
5.1.2 激光形成的原理 111
5.1.3 激光器的分类 114
5.1.4 生物光子学中一些重要的激光器 117
5.2 当前的激光技术 120
5.3 光的定量描述：辐射度 121
5.4 强激光束中的非线性光学过程 122
5.4.1 非线性光学过程的机理 122
5.4.2 通过二阶非线性光学过程产生频率转换 123
5.4.3 二阶过程的对称要求 125
5.4.4 通过三阶非线性光学过程产生频率转换 126
5.4.5 多光子吸收 127
5.5 时间分辨能力研究 129
5.6 激光安全 131
本章重点 133
参考文献 134
第6章 光生物学 136
6.1 光生物学—生物光子学的核心 137
6.2 光与细胞的相互作用 137
6.2.1 细胞中的光吸收 138
6.2.2 光致细胞过程 139
6.2.3 外光敏剂引起的光化学过程 142
6.3 光与组织的作用 143
6.4 生物高聚物中的光过程 149
6.4.1 人体的眼睛和视觉 150
6.4.2 光合作用 154
6.5 活体光激发 158
6.5.1 自由空间传播 158
6.5.2 光纤传导系统 158
6.5.3 关节臂传导 160
6.5.4 空管波导 161
6.6 活体光谱分析 162
6.7 光学活检 162
6.8 单分子探测 166
本章重点 167
参考文献 169
第7章 生物成像：原理和技术 174
7.1 生物成像：一种重要的生物医学方法 175
7.2 光学成像概述 177
7.3 透射显微术 179
7.3.1 简易显微镜 179
7.3.2 复合显微镜 179
7.3.3 克勒（Kohler）照明 181
7.3.4 数值孔径和分辨力 182
7.3.5 光学像差和不同种类的物镜 184
7.3.6 相位相称显微镜 184
7.3.7 暗场显微镜 185
7.3.8 微分干涉对比显微镜（DIC） 185
7.4 荧光显微镜 187
7.5 扫描显微镜 188
7.6 倒置和正立显微镜 188
7.7 共聚焦显微镜 189
7.8 多光子显微术 191
7.9 光学相干层析成像 192
7.10 全内反射荧光显微术 195
7.11 近场光学显微术 198
7.12 频谱和时间分辨成像 200
7.12.1 频谱成像 200
7.12.2 带通滤波器 201
7.12.3 激发波长选择 201
7.12.4 声光调谐滤波器 201
7.12.5 局部分光术 202
7.13 荧光共振能量转移（FRET）成像 202
7.14 荧光寿命成像显微术（FLIM） 203
7.15 非线性光学成像 205
7.15.1 二次谐波显微术 205
7.15.2 三次谐波显微术 206
7.15.3 相干反斯托克斯拉曼散射显微术 207
7.16 光生物成像的未来走向 209
7.16.1 多功能成像 209
7.16.2 4Pi成像 209
7.16.3 复合显微镜 209
7.16.4 小型显微镜 209
7.17 某些成像设备的商用资源 210
本章重点 210
参考文献 212
第8章 生物成像的应用 222
8.1 使用荧光团作为生物成像探测标 223
8.1.1 内源荧光团 223
8.1.2 外源荧光团 224
8.1.3 有机金属合成荧光团 230
8.1.4 近红外和红外荧光团 231
8.1.5 双光子荧光团 232
8.1.6 无机nm颗粒 235
8.2 绿色荧光蛋白 235
8.3 细胞器成像 237
8.4 微生物成像 239
8.4.1 共聚焦显微镜 239
8.4.2 近场成像 240
8.5 细胞成像 242
8.5.1 探测细胞的离子环境 242
8.5.2 胞内pH值测量 243
8.5.3 对药物细胞相互作用进行光学追踪 243
8.5.4 核酸成像 245
8.5.5 利用FRET/FLIM技术进行细胞间相互作用的探测 251
8.6 组织成像 255
8.7 活体成像 258
8.8 未来发展方向 265
8.9 商业上可用的光学成像附件 266
本章重点 266
参考文献 269
第9章 光学生物传感器 276
9.1 生物传感器：导言 277
9.2 光学生物传感器原理 278
9.2.1 生物识别 279
9.2.2 光学转换 280
9.2.3 荧光传感 281
9.2.4 荧光能量转移传感器 282
9.2.5 分子信标 284
9.2.6 生物传感的光学几何结构 286
9.3 生物识别剂的支撑和固定 286
9.3.1 固定 287
9.4 光纤光学生物传感器 291
9.5 平面波导生物传感器以及表面等离子波生物传感器 294
9.6 倏逝波生物传感器 297
9.7 干涉型生物传感器 299
9.8 表面等离子波生物传感器 301
9.9 一些最近的新颖传感方法 304
9.10 今后的方向 308
9.11 商业可用的生物传感器 309
本章重点 310
参考文献 311
第10章 基因组学和蛋白质组学中的微阵列技术 319
10.1 微阵列—快速复杂分析的工具 320
10.2 DNA微阵列技术 324
10.2.1 点型阵列 324
10.2.2 低聚核苷酸阵列 326
10.2.3 其他微阵列技术 328
10.3 蛋白质微阵列技术 330
10.4 细胞微阵列技术 335
10.5 组织微阵列技术 338
10.6 微阵列的一些应用实例 339
10.7 远景趋势 342
10.8 制造微阵列的公司 342
本章重点 344
参考文献 345
第11章 流式细胞分析术 352
11.1 一种临床、生物检测和科学研究的工具 353
11.2 流式细胞分析术基础知识 356
11.2.1 基本步骤 356
11.2.2 流式细胞仪的组成 357
11.2.3 光学响应（Optical response） 363
11.3 流式细胞分析术中所使用的荧光剂 365
11.4 数据处理和表示 367
11.5 应用举例 374
11.5.1 免疫表型（immunophenotyping） 374
11.5.2 DNA分析 377
11.6 未来方向 382
本章重点 385
参考文献 387
第12章 光活化治疗：光动力疗法 390
12.1 光动力疗法：基本原理 391
12.2 光动力疗法中的光敏剂 394
12.2.1 卟啉衍生物 394
12.2.2 二氢卟酚（Chlorins）及菌绿素（Bacteriochlorins） 396
12.2.3 苯并卟啉（Benzoporphyrin）衍生物 398
12.2.4 5－氨基酮戊酸（ALA） 398
12.2.5 德克萨斯卟啉 399
12.2.6 酞菁染料（Phthalocyanines）和萘菁染料（Naphthalocyanines） 399
12.2.7 阳离子光敏剂 401
12.2.8 树枝状光敏剂 402
12.3 光动力疗法的应用 404
12.4 光动力作用的机理 406
12.5 光动力疗法中的光辐射 408
12.5.1 光源 408
12.5.2 激光的剂量 409
12.5.3 光传输 410
12.6 双光子光动力疗法 410
12.7 当前的研究及未来的方向 412
本章重点 414
参考文献 416
第13章 激光辅助组织工程 419
13.1 组织工程和光活化作用 420
13.2 激光辅助组织的造型和重建 422
13.3 激光辅助组织熔接 426
13.4 激光辅助组织再生 427
13.5 飞秒激光外科 429
13.6 未来的发展方向 431
本章重点 431
参考文献 433
第14章 激光光镊和光剪 435
14.1 新的光学生物显微操控工具 436
14.2 光镊的原理 439
14.3 光镊系统的设计 442
14.4 非高斯型光阱 445
14.5 动态全息光镊（dynamic holographicoptical tweezers） 448
14.6 光剪 449
14.6.1 激光光压捕获法（LPC） 451
14.6.2 激光捕获显微分离法（LCM） 451
14.7 几种典型应用 452
14.7.1 单DNA分子的操控 452
14.7.2 分子马达（Molecular Motors） 456
14.7.3 蛋白质—蛋白质相互作用 456
14.7.4 在基因组和蛋白质组学的应用 458
14.7.5 在植物生物学上的应用 459
14.7.6 在生殖医学上的应用 459
14.8 发展趋势 461
14.8.1 激光操控技术 461
14.8.2 单分子生物功能 461
14.9 商用的激光微操控工具 462
本章重点 462
参考文献 463
第15章 生物光子学中的纳米技术：纳米生物光子学 469
15.1 生物科学、纳米技术以及光子学的交叉学科 470
15.2 纳米化学 472
15.3 用于生物显像的半导体量子点 476
15.4 用于生物传感的金属纳米颗粒和纳米杆（nanorod） 480
15.5 上转换的纳米团 480
15.6 用于体外生物分析的PEBBLE纳米传感器 482
15.7 用于光学诊断以及靶向治疗的纳米诊所 485
15.8 未来的研究方向 487
本章重点 488
参考文献 489
第16章 光子学生物材料 493
16.1 光子学与生物材料 493
16.2 生物衍生材料 495
16.3 生物仿生材料 505
16.4 生物模板 507
16.5 用细菌作为光子应用聚合材料的生物合成器 509
16.6 未来方向 512
本章重点 513
参考文献 514