生物光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

光是一種電磁波，它具有波動(dòng)和微粒的雙重性。與其它所有的波一樣，光波也具有波長(zhǎng)，波長(zhǎng)用λ表示。光波最常用的單位是納米(nm)。把光波波長(zhǎng)按照從短到長(zhǎng)的順序進(jìn)行排列就得到了光譜。光譜中隨著波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)依次出現(xiàn)ґ射線、x射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波等。

 

可見光就是不需借助任何儀器設(shè)備，用肉眼就可以觀察到的光，波長(zhǎng)范圍約在380nm～760nm之間，我們現(xiàn)在所說的透光率也是針對(duì)可見光而言，透光率就是指可見光的通過率。當(dāng)所有可見光一起入射到眼睛時(shí)，我們就感知為白色，可見光中波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光進(jìn)入眼睛就會(huì)被感知為紅色，波長(zhǎng)較短的光進(jìn)入眼睛就會(huì)被感知為紫色，當(dāng)光波長(zhǎng)從760nm到380nm逐步減短時(shí)，依次就是紅橙黃綠青藍(lán)紫7種顏色，我們就能看到五顏六色的世界。

近紅外光(NIR)是介于可見區(qū)和中紅外區(qū)間的電磁波，不同文獻(xiàn)中對(duì)其波長(zhǎng)范圍的劃分不盡相同，美國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)（ASTM）規(guī)定為780～2526nm。NIR常被化分為短波近紅外(SW-NIR)和長(zhǎng)波近紅外(LW-NIR),其波段范圍分別為700-1100 nm和1100-2500 nm。

化學(xué)發(fā)光是某種物質(zhì)分子吸收化學(xué)能而產(chǎn)生的光輻射。任何一個(gè)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)都包括兩個(gè)關(guān)鍵步驟，即化學(xué)激發(fā)和發(fā)光。因此，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)要成為發(fā)光反應(yīng)，必須滿足兩個(gè)條件：第一：反應(yīng)必須提供足夠的能量（170～300KJ／mol），第二，這些化學(xué)能必須能被某種物質(zhì)分子吸收而產(chǎn)生電子激發(fā)態(tài)，并且有足夠的熒光量子產(chǎn)率。

熒光是一種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)某種常溫物質(zhì)經(jīng)某種波長(zhǎng)的入射光（通常是紫外線或X射線）照射，吸收光能后進(jìn)入激發(fā)態(tài)，并且立即退激發(fā)并發(fā)出比入射光的的波長(zhǎng)長(zhǎng)的出射光（通常波長(zhǎng)在可見光波段）；而且一旦停止入射光，發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失。具有這種性質(zhì)的出射光就被稱之為熒光。在日常生活中，人們通常廣義地把各種微弱的光亮都稱為熒光

生物發(fā)光可分兩類：一類是被動(dòng)發(fā)光，另一類是主動(dòng)發(fā)光，光是一種能量，主動(dòng)發(fā)光是對(duì)能量的一種消耗。1885年，杜堡伊斯在實(shí)驗(yàn)室里提取出螢火蟲的熒光素和熒光素酶，指出螢火蟲的發(fā)光是一種化學(xué)反應(yīng)�；瘜W(xué)發(fā)光的物質(zhì)有兩種能態(tài)，即基態(tài)和激發(fā)態(tài)，前者能級(jí)低而后者能級(jí)很高。一般地說，在激發(fā)態(tài)時(shí)分子有很高并且不穩(wěn)定的能量，它們很容易釋放能量重新回到基態(tài)，當(dāng)能量以先于形式釋放時(shí)，我們就看到了生物發(fā)光。

光和顏色是一起出現(xiàn)的，沒有光也就沒有顏色。不透明物體的顏色是因?yàn)榉瓷涔舛鴣�，透明物體的顏色是因?yàn)橥干涔舛鴣恚患t色鏡片可以讓紅色波長(zhǎng)的光通過，其它顏色的光被反射或吸收；綠色鏡片可以讓綠色波長(zhǎng)的光通過，其它顏色的光被反射或吸收。

光的基本單位

1．發(fā)光強(qiáng)度(光度,I)

點(diǎn)光源在某一方向上的發(fā)光強(qiáng)度,即是發(fā)光體在單位時(shí)間內(nèi)所射出的光量,也簡(jiǎn)稱為光度,常用單位為燭光(cd,坎德拉),一個(gè)國(guó)際燭光的定義為以鯨魚油脂制成的蠟燭每小時(shí)燃燒120格冷(grain)所發(fā)出的光度,一格冷等于0.0648克。 

2.光通量(φ)

點(diǎn)光源或非點(diǎn)光源在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的能量,其中可產(chǎn)生視覺者(人能感覺出來的輻射通量)即稱為光通量.光通量的單位為流明(簡(jiǎn)寫lm),1流明(lumen或lm)定義為一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)燭光的光源在單位立體弧角內(nèi)所通過的光通量,由于整個(gè)球面面積為4πR2,所以一流明光通量等于一燭光所發(fā)出光通量的1/4π,或者說球面有4π,因此按照流明的定義可知一個(gè)cd的點(diǎn)光源會(huì)輻射4π流明,即φ(流明)=4πI(燭光),假定△Ω為很小的立體弧角,在△Ω立體角內(nèi)光通量△φ,則有△φ=△ΩI

3.光密度即光吸收值

也叫吸光度指的某一物質(zhì)或溶液對(duì)光的吸收程度,濃度越高,則對(duì)光的吸收越多,吸光度越大,在一定范圍內(nèi)吸光度和濃度成正比,常用于測(cè)量濃度