تحميل كتاب الفيزياء الحيوية والطبية الهندسة الطبية الحيوية
كتاب الفيزياء الحيوية والطبية pdf
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
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
يمكنكم أيضاً تحميل :
كتاب الأساسيات في الفيزياء الحيوية والطبية بالعربي pdf
كتاب الفيزياء العامة وتطبيقاتها في المجال الحيوية والطبي pdf
كتاب الأساسيات في الفيزياء الحيوية والطبية بالعربي pdf
كتاب الفيزياء العامة وتطبيقاتها في المجال الحيوية والطبي pdf
تحميل كتاب download a book
تعليقات