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تحميل كتاب الفيزياء الحيوية والطبية pdf ـ biological and medical physics, biomedical engineering

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كتاب الفيزياء الحيوية والطبية  الهندسة الطبية الحيوية
Lorenz Pavesi
Philippe M. Fauchet
(Eds.)
المحتويات
Contents
1 Light Conversion in Photosynthetic Organisms
S. Frigerio, R. Bassi, and G.M. Giacometti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Chloroplast Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Pigments and Light Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Photosynthetic Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.1 Photosystem II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.2 Photosystem I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.3 Cytochrome b6f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.4 ATP Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Cyclic Phosphorylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Photoinhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Exploiting Photosynthesis for Biofuel Production
C. Govoni, T. Morosinotto, G. Giuliano, and R. Bassi . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Biological Production of Vehicle Traction Fuels: Bioethanol
and Biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 Bioethanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 Biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Biofuels Still Present Limitations Preventing
Their Massive Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Hydrogen Biological Production by Fermentative Processes . . . . . . . 19
2.2.1 Hydrogen Production by Bacterial Fermentation . . . . . . . . . 20
2.3 Hydrogen Production by Photosynthetic Organisms . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Cyanobacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Eukaryotic Algae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Challenges in Algal Hydrogen Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Oxygen Sensitivity of Hydrogen Production . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 Optimization of Light Harvesting in Bioreactors . . . . . . . . . . 25
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
X Contents
3 In Between Photosynthesis and Photoinhibition:
The Fundamental Role of Carotenoids and Carotenoid-Binding
Proteins in Photoprotection
G. Bonente, L. Dall’Osto, and R. Bassi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 When Light Becomes Dangerous for a Photosynthetic Organism . . 29
3.2 Acclimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 State 1–State 2 Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Carotenoids Play a Fundamental Role in Many Photoprotection
Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5 Analysis of Xanthophyll Function In Vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.6 Nonphotochemical Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.7 Feedback Deexcitation of Singlet-Excited Chlorophylls: qE . . . . . . . 39
3.8 ΔpH - Independent Energy Thermal Dissipation (qI) . . . . . . . . . . . . 40
3.9 Chlorophyll Triplet Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.10 Scavenging of Reactive Oxygen Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.11 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Non-Linear Microscopy
D. Mazza, P. Bianchini, V. Caorsi, F. Cella, P.P. Mondal, E. Ronzitti,
I. Testa, G. Vicidomini, and A. Diaspro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Chronological Notes on MPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Principles of Confocal and Two-Photon Fluorescence Microscopy . . 49
4.3.1 Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.2 Confocal Principles and Laser Scanning Microscopy . . . . . . . 50
4.3.3 Point Spread Function of a Confocal Microscope . . . . . . . . . 52
4.4 Two-Photon Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5 Two-Photon Optical Sectioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6 Two-Photon Optical Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.7 Second Harmonic Generation (SHG) Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5 Applications of Optical Resonance to Biological Sensing
and Imaging: I. Spectral Self-Interference Microscopy
M.S. ¨ Unl¨u, A. Yalc. in, M. Doˇgan, L. Moiseev, A. Swan, B.B. Goldberg,
and C.R. Cantor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1 High-Resolution Fluorescence Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Self-Interference Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3 Physical Model of SSFM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.1 Classical Dipole Emission Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4 Acquisition and Data Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4.1 Microscope Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4.2 Fitting Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Contents XI
5.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5.1 Monolayers of Fluorophores on Silicon Oxide Surfaces:
Fluorescein, Quantum Dots, Lipid Films . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5.2 Conformation of Surface-Immobilized DNA . . . . . . . . . . . . . . 79
5.6 SSFM in 4Pi Configuration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6 Applications of Optical Resonance to Biological Sensing
and Imaging: II. Resonant Cavity Biosensors
M.S. ¨ Unl¨u, E. ¨ Ozkumur, D.A. Bergstein, A. Yalc. in, M.F. Ruane,
and B.B. Goldberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.1 Multianalyte Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 Resonant Cavity Imaging Biosensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.1 Detection Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.2 Experimental Setup, Data Acquisition, and Processing . . . . 90
6.2.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2.4 Spectral Reflectivity Imaging Biosensor . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3 Optical Sensing of Biomolecules Using Microring Resonators . . . . . 94
6.3.1 Basics on Microring Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.3.2 Setup and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.3 Data Analysis and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7 Biodetection Using Silicon Photonic Crystal Microcavities
P.M. Fauchet, B.L. Miller, L.A. DeLouise, M.R. Lee, and H. Ouyang . . 101
7.1 Photonic Crystals: A Short Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.1.1 Electromagnetic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.1.2 One-Dimensional and Two-Dimensional PhC. . . . . . . . . . . . . 103
7.1.3 Microcavities: Breaking the Periodicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1.4 Computational Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.2 One-Dimensional PhC Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2.1 Preparation and Selected Properties of Porous Silicon . . . . . 107
7.2.2 Sensing Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.3 One-Dimensional Biosensor Design and Performance . . . . . 111
7.2.4 Fabrication of One-Dimensional PhC Biosensors . . . . . . . . . . 112
7.3 Selected Biosensing Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.3.1 DNA Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.3.2 Bacteria Detection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.3.3 Protein Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.3.4 IgG Detection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.4 Two-Dimensional PhC Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.4.1 Sample Preparation and Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.4.2 Sensing Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4.3 Selected Biosensing Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
XII Contents
7.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8 Optical Coherence Tomography with Applications
in Cancer Imaging
S.A. Boppart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.2 Principles of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.3 Optical Sources for Optical Coherence Tomography . . . . . . . . . . . . . 133
8.4 Fourier-Domain Optical Coherence Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.5 Beam Delivery Instruments for Optical Coherence Tomography . . . 135
8.6 Spectroscopic Optical Coherence Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.7 Applications to Cancer Imaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.7.1 Cellular Imaging for Tumor Cell Biology . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.7.2 Translational Breast Cancer Imaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.8 Optical Coherence Tomography Contrast Agents . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.9 Molecular Imaging using Optical Coherence Tomography. . . . . . . . . 145
8.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9 Coherent Laser Measurement Techniques
for Medical Diagnostics
B. Kemper and G. von Bally . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.2 Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.2.1 Double Exposure Subtraction ESPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.2.2 Spatial Phase Shifting (SPS) ESPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
9.3 Endoscopic Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) . . . . . 156
9.3.1 Proximal Endoscopic ESPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9.3.2 Distal Endoscopic ESPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9.4 Microscopic (Speckle) Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
9.5 Digital Holographic Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.5.1 Principle and Measurement Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.5.2 Nondiffractive Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
9.5.3 Resolution and Numerical Focus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9.5.4 Digital Holographic Phase Contrast Microscopy
of Living Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.6 Discussion and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
10 Biomarkers and Luminescent Probes in Quantitative
Biology
M. Zamai, G. Malengo, and V.R. Caiolfa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.1 Fluorophores and Genetic Dyes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.1.1 Small Organic Dyes and Quantum Dots . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.1.2 Fluorescent Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Contents XIII
10.2 Microspectroscopy in Quantitative Biology: Where and How . . . . . . 183
10.2.1 Fluorescence Correlation Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
10.2.2 Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
10.2.3 Glossary of Molecular Biology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
11 Fluorescence-Based Optical Biosensors
F.S. Ligler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
11.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
11.2 Biological Recognition Molecules and Assay Formats . . . . . . . . . . . . 200
11.3 Displacement Immunosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
11.4 Fiber Optic Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
11.4.1 Fiber Optics for Biosensor Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
11.4.2 Optrode Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
11.4.3 Evanescent Fiber Optic Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
11.5 Bead-Based Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
11.6 Planar Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
11.7 Critical Issues and Future Opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
12 Optical Biochips
P. Seitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
12.1 Taxonomy of Optical Biochips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
12.1.1 Basic Architecture of Optical Biochips . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
12.2 Analyte Classes for Optical Biochips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
12.2.1 DNA (DNA Fragments, mRNA, cDNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
12.2.2 Proteins (Antigens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
12.2.3 Specific Organic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
12.2.4 Cell Gene Products (cDNA, Proteins) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
12.2.5 Tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
12.3 Optical Effects for Biochemical Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
12.3.1 Spectral Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
12.3.2 Phase Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
12.3.3 Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
12.3.4 Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
12.3.5 Raman Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
12.3.6 Nonlinear Optical (NLO) Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
12.4 Preferred Sensing Principles for Optical Biochips . . . . . . . . . . . . . . . . 224
12.4.1 Evanescent Wave Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
12.4.2 Fluorescence Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
12.5 Readout Methods for Evanescent Wave Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
12.5.1 Angular Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
12.5.2 Wavelength Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
12.5.3 Grating Coupler Chirping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
12.6 Substrates for Optical Biochips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
12.7 Realization Example of an Optical Biosensor/Biochip: WIOS . . . . . 231
XIV Contents
12.8 Outlook: Lab-on-a-Chip Using Organic Semiconductors . . . . . . . . . . 232
12.8.1 Basics of Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
12.8.2 Organic LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
12.8.3 Organic Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
12.8.4 Organic Photodetectors and Image Sensors . . . . . . . . . . . . . . 234
12.8.5 Organic Photovoltaic Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
12.8.6 Organic Field Effect Transistors and Circuits . . . . . . . . . . . . 235
12.8.7 Monolithic Photonic Microsystems Using Organic
Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
12.9 Conclusions and Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
13 CMOS Single-Photon Systems for Bioimaging Applications
E. Charbon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
13.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
13.2 Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
13.3 Lifetime Imaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
13.4 Time-of-Flight in Bio- and Medical Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
13.5 System Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
13.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
14 Optical Trapping and Manipulation for Biomedical
Applications
A. Chiou, M.-T. Wei, Y.-Q. Chen, T.-Y. Tseng, S.-L. Liu,
A. Karmenyan, and C.-H. Lin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
14.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
14.2 Theoretical Models for the Calculation of Optical Forces . . . . . . . . . 252
14.2.1 The Ray-Optics (RO) Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
14.2.2 Electromagnetic (EM) Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
14.3 Experimental Measurements of Optical Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
14.3.1 Axial Optical Force as a Function of Position
along the Optical Axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
14.3.2 Transverse Trapping Force Measured by Viscous Drag. . . . . 257
14.3.3 Three-Dimensional Optical Force Field Probed
by Particle Brownian Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
14.3.4 Optical Forced Oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
14.4 Potential Biomedical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
14.4.1 Optical Forced Oscillation for the Measurement
of Protein–Protein Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
14.4.2 Protein–DNA Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
14.4.3 Optical Trapping and Stretching of Red Blood Cells . . . . . . 269
14.5 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Contents XV
15 Laser Tissue Welding in Minimally Invasive Surgery
and Microsurgery
R. Pini, F. Rossi, P. Matteini, and F. Ratto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
15.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
15.2 Laser Welding in Ophthalmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
15.2.1 Laser Welding of the Cornea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
15.2.2 Combing Femtosecond Laser Microsculpturing
of the Cornea with Laser Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
15.2.3 Laser Closure of Capsular Tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
15.3 Applications in Microvascular Surgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
15.4 Potentials in Other Surgical Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
15.4.1 Laser Welding of the Gastrointestinal Tract . . . . . . . . . . . . . . 291
15.4.2 Laser Welding in Gynaecology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
15.4.3 Laser Welding in Neurosurgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
15.4.4 Laser Welding in Orthopaedic Surgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
15.4.5 Laser Welding of the Skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
15.4.6 Laser Welding in Urology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
15.5 Perspectives of Nanostructured Chromophores for Laser Welding . . 293
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
16 Photobiology of the Skin
A.P. Pentland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
16.1 Basics of Skin Structure: Cell Types, Skin Structures,
and Their Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
16.2 Effects of Light Exposure on Skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
16.3 Sun Protection and Sunscreens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
16.4 Phototherapy: Use of Light for Treatment for Skin Disease . . . . . . . 311
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
17 Advanced Photodynamic Therapy
B.C. Wilson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
17.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
17.2 Basic Principles and Features of “Standard PDT” . . . . . . . . . . . . . . . 316
17.3 Novel PDT Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
17.3.1 Two-Photon PDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
17.3.2 Metronomic PDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
17.3.3 PDT Molecular Beacons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
17.3.4 Nanoparticle-Based PDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
17.4 PDT Dosimetry Using Photonic Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
17.5 Biophotonic Techniques for Monitoring Response to PDT . . . . . . . . 330
17.6 Biophotonic Challenges and Opportunities in Clinical PDT. . . . . . . 331
17.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
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