對生命科學的探知總是令人們欲罷不能，因未知而神秘，它浩渺如宇宙、具體如她是一個世界人們無法拖累為而本書較為深入地探討了飛秒激光作為一種物理方法，對細胞和生命繫統在測量、刺激過程中所帶來的變化和機制。本書文字嚴謹，可以看出作者對於這一交叉領域科學工作的科研態度。

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床醫學中的應用。在盡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，對細胞和生命繫統在測量、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繫統都是一種擾動，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繫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。特別是生命繫統，它是一種非常精密而脆弱的、易受到擾動而變化的復雜繫統，對這個繫統的觀測、調控都比對客觀世界的研究復雜、艱難很多。本書介紹了飛秒激光一繫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。

賀號，主要集中於生物光子學的研究，使用飛秒激光對細胞內的信號和細胞功能進行精確的刺激與調控，新型成像繫統的研究，以及在在體動物上的應用。目前以第一作者或通信作者發表SCI論文20餘篇，其中兩篇發表於Nature Photonics，兩篇文章獲得Nature Photonics專題報道；參與編寫中/英文學術專著3部；獲國家自然科學基金支持，兼任中國光學學會生物醫學光子學會專家委員會委員，獲評日本學術振興會JSPS Oversea Fellowship，受邀作為東京大學Global Science Course (GSC) Lectureship，受邀參加日本內閣資助的ImPACT重大研究計劃。

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 緊致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 光聲成像繫統醫學檢測 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

前 言

生物光子學是一門交叉性、前沿性極強的新興學科，近年來，在激光技術的推動和生命科學及醫學發展的促進下，取得了一繫列突破性成果。生物光子學涉及光學、激光技術、生命科學等較多領域，方向繁雜，全面闡述較為困難，且很難進行有效的邏輯梳理和內容組織。飛秒激光是近年來發展較快、較為新型的激光技術，具備一繫列特有的光學特性，在生物光子學的應用中呈現出巨大的潛力和獨特的特征。目前，國內外還沒有書籍對以飛秒激光技術為核心的生物光子學領域進行梳理、總結。

飛秒激光具有一繫列獨特的性質，使得基於飛秒激光技術的生物光子學呈現出一定的獨立性。本書試圖以飛秒激光為切入點，根據筆者的研究經驗與研究方向，研討和闡述基於飛秒激光技術的一繫列生物光子學問題，探討最前沿的應用研究——飛秒激光在腦科學、細胞的信號通路與功能中的調控，以及在臨床醫學領域的主要科研突破與實際應用，對由飛秒激光技術推動的生物光子學領域中涉及的基本理論、基本方法、最新研究進展等進行全面總結和繫統分析。由於研究範圍和對領域內諸多方向理解的限制，本書對一些新興進展缺少涉及，對一些過往領域缺少認知，對一些研究進展的理解也可能存在疏漏。且本領域的技術發展較快，一些研究進展與結論也在不斷刷新，隨著時間的推移，可能會出現與本書中的某些結論不完全一致的情況，請廣大讀者進行批判性的閱讀。

本書側重於介紹基於飛秒激光技術的生物光子學理論的核心技術。這些技術在生命科學和醫學上的實質性應用解釋了相關生物醫學問題的主要脈絡和潛在的發展前景。本書著重闡述飛秒激光技術是如何解決相關生命科學的具體問題和醫學需求的。

全書共7章。

第1章對生物光子學的主要領域進行簡要介紹，並建立基本的概念與框架。

第2章在解釋光與生物學樣本相互作用基本過程的基礎上，對飛秒激光的主要非線性過程進行了闡述。

第3章著重介紹飛秒激光在生物光子學領域最主流、最重要的應用，即多光子熒光顯微成像技術及其在腫瘤和神經科學領域的重要進展。

第4章探討飛秒激光對細胞分子信號的調控這一全新的應用領域。

第5章綜述飛秒激光在精密細胞手術中的應用。

第6章簡單介紹飛秒激光在醫學上的應用，並列舉三個臨床應用。

第7章對飛秒激光生物光子學的未來發展趨勢進行分析和展望。

本書是在我國飛秒激光領域的專家和前輩，天津大學王清月教授的敦促、指導下完成的。本書在撰寫過程中，得到了諸多師長、前輩、同行們的多方面幫助。天津大學超快激光研究室的全體成員、上海交通大學生物醫學工程學院的同事們都對本書提出了寶貴意見。特別感謝天津大學王清月教授、胡明列教授，上海交通大學魏勛斌教授，深圳大學屈軍樂教授，福建師範大學李步洪教授，浙江大學錢駿教授等對本書的諸多指導。感謝王藝森、王胤濤、王劭陽、程攀、唐莞屹、胡宇豪、王海鵬、田曉瑩、趙小惠、餘正英等學生所做的資料整理和校對工作。本書在撰寫過程中參考了大量國內外已發表的文獻、著作，在此向原作者表示衷心感謝，向他們富有開創性的研究工作致敬。

本書可以作為生物醫學工程、光學工程等專業的教學參考書及相關研究領域的工具書。由於筆者水平有限，成書過程較為倉促，加之生物光子學領域又始終在迅猛發展，因此錯誤和遺漏之處在所難免，懇請同行、老師和同學們批評指正。