光與生物組織體的相互作用

我們的生活處處離不開光，我們眼中的世界之所以五彩繽紛，是因為不同物體對不同的光波具有選擇性的吸收、散射、透射和反射的結果。在自然界中，天空之所以是藍色是因為空氣分子和微粒對入射的太陽光進行選擇性散射的結果。我們的組織體同樣也會對光有反射、吸收、散射等作用。當把一束光射向手指，我們之所以能夠看到手指是因為光在手指表面發生了漫反射，同時我們會在手指背面的不同的方向上隱約地看到有光透過，說明光被組織體散射而改變了方向。在陽光燦爛的天氣里，我們會感受到曬在身上的暖暖陽光，也是因為組織體對光有吸收作用，

我們看到，在上面的現象中，光在傳播過程中與媒質相互作用而使光的性質發生了某些變化，此時光作為信息的載體分別反映了物質對光的吸收，散射和反射等能力，而吸收、散射、反射等現象正是光和物質相互作用的結果。

基本介紹

• 中文名：光與生物組織體的相互作用
• 所屬學科：生物學

基本形式

光和生物組織體相互作用的幾種表現形式或現象，包括吸收、反射、折射、散射、發光、光化學、光聲等現象。吸收是光和生物組織體相互作用的一種基本形式，其結果光強隨著光在組織中傳播距離的增加而不斷減小，未被吸收的光經組織體邊界出射，就得到了透射光。而組織體的巨觀或微觀的不均勻性可導致光傳播方向的改變，這一作用結果產生了反射、折射和散射現象。雖然研究光在組織體中傳播時一般可以忽略組織的偏振效應，但偏振光的偏振狀態隨組織體的不同或光傳播距離的不同而改變的現象確實存在，例如，當偏振光入射到組織如眼組織，單層細胞，皮膚表層等時，可以通過測量偏振光經組織後偏振度的改變來獲得組織和細胞的結構信息。

上述的巨觀現象都是通過微觀的物理變化產生的，利用分子能級圖來解釋發生在組織體內部的各種微觀物理過程，從而將巨觀的現象和物質結構聯繫起來。我們知道，分子的能級比原子的能級要複雜得多，除了電子態外，原子在分子中的不同自由度決定了分子具有不同的振動能級，因此分子的每一個電子能態通常包含有若干個可能的振動能級。在組織體內部，不同能級之間的躍遷對應著不同的物理過程。當具有合適能量的光入射到組織體上時，光吸收可能使電子向上躍遷到不同電子激發態的不同振動能級上，當然也有可能使分子實現不同的振動能級之間的躍遷；而電子從高能級到低能級的衰變過程中也可採用無輻射躍遷的方式向周圍發出熱而將多餘的能量消耗掉，從而形成了光熱、光聲、光電導等現象；對於某些組織體，電子從最低激發態的最低振動能級開始的向下躍遷過程還可能採取發出一個光子但不改變其自旋的過程，所發生的光子即為螢光；對於某一類具有受激虛態的物質，處於基態某振動能級上的分子與入射光子碰撞後獲得能量躍遷到受激虛態，如果分子從受激虛態向下躍遷時回到了電子基態中的其他振動能級時，此時不但會觀察到和入射光同頻率的光（瑞利散射）也會同時觀察到比入射光頻率大和小的光，稱其發生了拉曼散射。

從上面的介紹可見，儘管光和生物組織體相互作用的形式很多，但影響光在組織體中傳播的三個基本物理過程是反射（折射）、散射以及吸收，，對於某一種生物組織體這三個過程以哪個為主，取決於生物組織的類型和入射光的波長，光學參數就是用來定量地描述生物組織體在某一波長下具有某種光學行為能力的量，除了用折射率描述反射和折射外，我們將引入吸收係數和散射係數來分別描述組織體對光的吸收和散射能力。