生物醫學光子學更多融合創新技術的不斷出現，其應用前景被看好

作者：王斯佳 張鎮西 西安交通大學生命科學與技術學院生物醫學分析技術與儀器研究所

進程

光子產生於宇宙大爆炸之初，地球上的一切生物都依賴於光，人類對光進行科學研究可追溯到17世紀初望遠鏡和顯微鏡的發明。

1888年，德國物理學家赫茲證明了光是一種電磁波；1905年，德國物理學家愛因斯坦提出光量子假說解釋光電效應。人類因此認識到光的波粒二象性，光學分為量子理論和波動理論兩個分支。而1960年美國研製成功第一台紅寶石激光器，讓人類掌握了研究光子的工具，光子學應運而生。

光子學的研究對象為光子的產生、傳輸、控制、探測和與物質的相互作用，包括光物理與超快現象、光量子通訊、激光技術與器件、光電功能材料與器件、生物光子學、太赫茲技術等許多分支學科。

生物醫學光子學是光子學茂密枝幹上的重要分支，是利用光子學方法和技術解決在醫學、生物以及生物技術領域問題的基礎應用科學，其發展可分為幾個時期：

• 早期科學家利用光學顯微鏡進行生物學研究，1674年，荷蘭科學家安東尼·列文虎克利用顯微鏡首次觀察到了細胞結構；
• 19世紀30年代，德國植物學家施萊登和動物學家西奧多·施旺通過顯微鏡觀察創立了細胞學說；
• 19世紀70年代，法國化學家路易斯·巴斯德和德國醫學家羅伯特·科赫通過顯微鏡觀察創立了疾病的微生物理論。

20世紀三大科學技術中，量子理論、信息技術、基因科學均涉及光子學與生命科學，後二者交叉融合，形成了嶄新的前沿學科——生物醫學光子學。

1903年，芬森醫生因其利用光療治療皮膚病的突出貢獻而獲得了諾貝爾生理和醫學獎；1932年，玻爾在國際光線療法會議上發表了著名的《光與生命》的講演，開啟了人類探索光與生物相互作用的歷史；1953年塞爾尼克教授因為發明了相襯顯微鏡及其在活細胞成像中的重要應用而被授予諾貝爾物理獎；美國生物學博士Britton Chance首次利用光學方法闡釋生物化學的作用機制，被譽為生物醫學光子學的開拓者。

研究領域

生物醫學光子學所研究的光子並不局限於紫外、可見光和紅外的頻譜範圍，它還包括從伽瑪射線、X射線、微波及無線電波等，核磁共振(MRI)和正電子發射(PET)等形式的輻射能量。

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生物學領域

生物醫學光子學在生物學領域，主要研究生物組織結構與功能、生物分子水平的機理、監測分子結構與功能，涉及分子光子學（分子影像）、生物超微弱發光、光鑷與微操作、超分辨成像、分子診斷（含生物晶元、基因測序、PCR等）。這些研究取得了一系列重要成果：2008年，錢永健、下村脩、查爾菲等人因為綠色熒光蛋白及其在分子標記和分子成像方面的應用獲得諾貝爾化學獎；2014年白齊格、赫爾、莫爾納等人憑藉在超分辨顯微鏡及其在生物學方面的應用獲得諾貝爾化學獎。

2008年諾貝爾化學獎：錢永健、下村脩、查爾菲等人因為綠色熒光蛋白及其在分子標記和分子成像方面的應用

2014年諾貝爾化學獎：白齊格、赫爾、莫爾納等人在超分辨顯微鏡及其在生物學方面的應用

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醫學領域

生物醫學光子學在醫學領域，主要研究實現宏觀和微觀下的疾病探測、診斷和治療、涉及活體診斷與成像（醫學光譜診斷、OCT、散斑、DOT、光聲、雙光子、內窺鏡、X光，CT、PET等）、光治療與保健（光動力、光熱、強激光、弱激光治療、光子嫩膚與美容、射線刀等）。

1901年第一個諾貝爾物理獎授予了發現X射線的德國著名物理學家倫琴。基於X射線的CT已成為普遍採用的人體分子影像設備。1903年Niels Finsen因發明紫外線輻射治療皮膚結核病而獲得諾貝爾醫學獎，開創了現代光學治療方法。

成果轉化與市場前景

生物醫學光子學的科研成果具有原始性創新，相關產業可以在短時間內形成巨大的市場。

以光學相干斷層成像為例，1991年首次實現OCT對離體視網膜成像，1995年第一款眼科商用OCT誕生，2000年其已成為眼科診斷「金標準」之一；1998年Illumina公司成立採用熒游標記的方法進行基因測序，將全基因組測序成本降到1000美元左右，現市值超過百億美元；301醫院顧瑛院士將光動力療法應用到鮮紅斑痣的治療中；上海皮膚病醫院王秀麗教授利用光動力療法治療尖銳濕疣等，在短短几年間已得到廣泛應用；華中科技大學駱清銘教授顯微光學切片斷層成像(MOST)方法已經被美國腦科學計劃採用為重要的研究手段。

總體來說，生物醫學光子學起步雖晚，更多融合創新性技術將不斷出現，其應用前景廣闊，能夠產生巨大的社會效益和經濟效益。

國內發展

國外非常重視生物醫學光子學的發展和教育。早在1996年，德國Springer出版社就出版了由Markolf H. Niemz教授編著的《Laser-Tissue Interactions Fundamentals and Applications》的第一版專著。

1999年西安交通大學出版社出版了該書的中文翻譯版（《激光與生物組織的相互作用——原理及應用》張鎮西等譯、蔣大宗校）。這部教材成為國內該領域研究的首部教科書和經典之作。

國內首部翻譯出版的生物醫學光子學教科書

我國也早在2000年11月在北京舉行的第152次香山科學會議「生物醫學光子學與醫學成像若干前沿問題」上，確定生物醫學光子學為國家重點發展和資助的研究方向。2003年第217次香山科學會議「生物分子光子學」專題討論了基因組時代光子學技術的重要地位和作用。

國內科研高校的多個生物醫學光子學科研團隊，正在進行該領域的研究，已經取得了一些非常好的成果，一些成果目前正在嚮應用轉化，如下圖所示。

國內著名科研團隊

生物醫學光子學已經成為國際光學學科的重要發展方向之一，隨著現代激光與光電子技術的不斷發展以及全社會醫療保健需求的不斷增長，生物醫學光子學將獲得新的高速發展。

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