生物医学光子学已成为多学科交叉和高速发展的领域，也是生命科学和医学成像等重要学科前沿领域研究的重要组成部分。生物医学光子学作为一门新兴的交叉学科，近年来的发展已经渗透到生物物理、生物化学、分子生物学和细胞生物学等生命科学的前沿领域，成为与人类医疗健康息息相关的重要研究手段。目前的一些研究热点也得到了高度关注和迅速发展。《中国激光》在2018年第2期、第3期适时推出“生物医学光子学”专题栏目，得到了本领域专家学者的积极响应。本专题共收到投稿94篇，最终接收综述论文31篇、研究论文17篇。论文内容涵盖了生物医学光子学的各个领域，包括基础研究、应用研究和探索性研究三个方面。这些论文学术思想先进，内容新颖。特别要指出的是，一些综述论文不但结构紧凑，内容充实，而且从分子的角度介绍了分子光子学的理论、光化学作用、光物理过程，以及光和生物、物质的相互作用及工程手段、方法等。同时也很好地总结和展望了我国该领域科研工作者目前关注和研究的重点成果，可以说是生物医学光子学专业的基础性论文，可读性很高，适合许多相关领域的研究人员阅读，以帮助他们加深对该学科的了解。综合这些论文的观点，我们可以将目前生物医学光子学的发展趋势归纳为以下四个方面。

植入式电子信息设备已成为生物科学研究及医疗临床应用不可缺少的工具。以植入式光电子器件与系统为主题，介绍了面向生物医疗的各种植入式无源器件和有源器件的材料制备、工艺集成和可植入化策略，分类介绍了植入式光电子器件的能量信息传输方式；并从生物医学的研究和应用入手，介绍了具有代表性的植入式光电子系统。较为全面地阐述了现有的方法和技术，并结合实际应用和生物相容等需求，分析总结了各种技术方案的特点及其未来的发展趋势和面临的挑战。

拉曼光谱分析技术可以在分子水平上研究物质分子结构和生化组成信息，具有快速、准确、无创(或低创)等优点，已成为临床早期癌症检测和组织病理生理分析的重要工具。近年来，激光技术、光纤探测器件和光电检测技术的发展，不仅极大促进了新型拉曼光谱分析仪器与技术的研发，更进一步扩展了其临床应用的广度和深度，彰显出其独特的科学内涵与应用价值。对临床拉曼光谱分析技术的理论基础进行了阐述，归纳总结了临床快速拉曼光谱分析集成系统设计思路。在此基础上，以作者相关研究工作为例，探讨了拉曼光谱分析技术在临床癌症早期检测与病理分析中的应用特点，为推动相关基础研究及技术创新提供有益参考。

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢障碍性疾病，是21世纪人类最需要重点解决的健康问题之一。因为降糖类药物的使用剂量需要根据血糖水平随时进行调整，所以血糖监测成为了糖尿病护理最重要的组成部分。经过半个多世纪的研究，大量的葡萄糖传感器被开发出来，不同的检测方法相继得到发展。通过梳理整个血糖监测系统的发展过程，阐述各类葡萄糖传感器的技术方案和特点，针对研究现状及存在问题进行总结讨论，并对未来的机遇与将要面对的挑战进行了展望。

介绍了并行谱域光学相干层析成像（PSD-OCT）技术，重点报道了丁志华课题组在PSD-OCT的方法与系统研制方面取得的研究进展，包括基于全局优化的大视场PSD-OCT系统、基于复干涉信号与相位信息的真伪缺陷识别方法及基于空间光谱编码与重叠数据互相关算法的运动伪影校正方法。利用所建立的PSD-OCT系统，可实现玻璃表面及内部缺陷的检测，避免伪缺陷的误判。通过引入空间光谱编码单元，该系统还可校正非受控运动。

生物组织的黏性和弹性在许多疾病发生和发展的过程中会发生改变，因此检测生物组织黏弹性对疾病诊疗具有重要意义。基于此，介绍了基于激光散斑技术的生物组织黏弹性测量方法。从弹性波调制下的激光散斑衬比变化，布朗运动下的光强自相关函数和低频交变应力作用下的散斑位移3个方面，分别介绍生物组织黏弹性激光散斑检测的理论基础和研究现状。

激光散斑衬比血流成像技术是在动态光散射理论及近似模型的基础上，通过分析散斑强度空间或时间起伏特性，实现活体组织中血流成像的技术。该技术具有成像面积大、速度快、分辨率高等优点，在生物医学成像研究及临床诊断中应用广泛。研究人员针对激光散斑成像技术的理论模型、成像方法与应用进行了大量研究。综述了近年来激光散斑成像方法及应用方面的主要进展，并针对提高激光散斑衬比成像分辨率、对比度、成像深度和定量能力进行了讨论。同时对该方法在眼科、微循环、脑科学、皮肤科及术中监测等各领域的应用进行了总结。

光动力治疗是基于微创的新型肿瘤治疗方法，利用光敏剂吸收外源可见-近红外光光能促使光敏剂与分子氧反应，产生高活性光化学产物——活性氧物质，诱导肿瘤细胞凋亡或坏死，具有低免疫原性、低成本、高选择性等特点，已成为癌症治疗基础研究与临床转化的新热点。然而，实体肿瘤内微环境因子导致的光动力治疗效果下降及肿瘤细胞耐受等问题，阻碍了光动力治疗的发展与临床医学应用。随着纳米技术与生物医学工程等交叉领域的快速发展，以及对肿瘤微环境的深入研究，利用肿瘤微环境因子设计的智能响应性纳米载体用于癌症的诊断与协同治疗近年来受到广泛关注。基于此，综述了肿瘤环境响应的智能化纳米载体系统在肿瘤光动力治疗中的最新研究进展，为肿瘤的光动力治疗提供参考与新的研究思路。

细胞定量相位测量与恢复方法采用免标记非干预式的检测手段，实现静态及动态生物样本空间形态的定量重构，为细胞动力学过程中复杂生物物理信息的可视化检测提供了实现条件。重点介绍同步相移式、数字全息式和流体聚焦式等新型动态生物细胞相位检测技术，同时简要综述同轴干涉与离轴干涉式的传统静态细胞相位检测技术的发展。对各种方法的采样速率、成像分辨率、细胞检测精度等关键参数进行比较，阐明不同测量方法适用的生物信息检测类型及应用领域，同时介绍动态与静态细胞相位检测中对应各类相位恢复方法的特点与发展。

双光子荧光寿命成像技术在对生物组织进行高分辨三维成像的同时能获得生物组织的生化特性信息，实现结构和功能的精细定量表征，为生物组织的非侵入、无标记、活体成像提供了一种强有力的工具。该技术在肿瘤检测方面具有广阔的临床应用前景，已成为当前生物医学领域研究的热点之一。首先简要介绍了双光子荧光寿命的概念和常用检测方法；其次，结合课题组开展的胃癌和神经胶质瘤诊断等相关研究成果，详细介绍了双光子荧光寿命成像技术在消化道肿瘤、脑肿瘤及皮肤癌等肿瘤检测方面的最新研究进展；最后展望了该技术在未来临床应用中的潜在优势和可能面临的挑战。

光学相干层析成像（OCT）可以实现生物组织内部微观结构的实时、高分辨率、三维成像，在临床诊疗与基础科学研究领域得到了广泛的应用。近年来，得益于光源与探测技术的发展，傅里叶域OCT已经成为OCT的主流模式，尤其推动了OCT微血管造影等功能成像技术的发展。以傅里叶域OCT为重点，回顾了OCT的工作原理，阐述了系统主要的性能参数及其影响因素，介绍了傅里叶域OCT在成像量程、成像速度以及功能成像方面的现状并对OCT的研究作了展望。

生物体产生的生物磁场信号携带有重要的生物电生理和病理信息，通常用超导量子干涉器件探测这些生物磁。随着原子磁力计发展到飞特斯拉水平，作为一种超灵敏磁场探测器，超灵敏原子磁力计在生物磁的测量和研究中扮演一个非常重要的角色。简要介绍了生物磁场信号来源及其特性，超灵敏原子磁力计的物理机制和分类，以及超灵敏原子磁力计在心磁、脑磁和神经科学等生物磁场测量领域的应用，展望了超灵敏原子磁力计在生物医学领域的应用与发展。

稀土上转换发光纳米颗粒（UCNPs）可将近红外光转化为紫外可见光，能有效解决光动力抗菌疗法（PACT）中组织穿透深度小、治疗效率低的问题。综述了基于稀土上转换发光纳米平台的光动力抗菌疗法的研究进展，并对新型联合抗菌平台的开发及其在临床上的应用进行了展望。

多光子显微(MPM)技术通过探测由飞秒激光与生物组织内在成分相互作用而产生的双光子激发荧光和二次谐波等光信号，可实现对组织的无损、非标记成像。MPM具有对组织微结构灵敏度度和可实现高空间分辨成像、对生物组织杀伤性低和成像深度深、能够获取组织的生化信息等优点，在疾病诊断中具有很大的应用潜力。简要介绍MPM的基本原理，总结其在消化道肿瘤、皮肤疾病，以及角膜疾病诊断中的应用，并对MPM的发展前景进行展望。

呼吸气体分析技术在疾病诊断和代谢监测方面无创性、实时性的优势使其成为一个颇具前途的研究领域，也是未来新型诊断仪器的发展方向。目前大多呼吸生物标志物的检测和定量分析均采用气相色谱-质谱联用技术。近几年来，激光光谱技术和激光光源的发展加速推进了呼吸气体分析研究的进展。与质谱技术相比，激光光谱技术不但具有高灵敏度、高选择性的优点，而且具有低成本、实时性及即时检测（POCT）的功能特点。目前，在已确定的35种呼吸生物标记物中，研究人员采用可调谐半导体激光吸收光谱、光腔衰荡光谱以及光声光谱技术进行了多种呼吸生物标记物人体呼吸气体实验，其相应生物标记物的光谱“指纹”涵盖了从紫外到中红外的光谱范围。

超分辨定位成像是一种代表性的超分辨成像技术，弱光探测器是该技术不可或缺的组成部分。和传统的串行输出EMCCD相机相比，并行输出sCMOS相机具备成像视场大、成像速度快和读出噪声低等优点，为超分辨定位成像带来了新的机遇，可在视频速率成像和大视场成像中取得明显成效。基于sCMOS相机的超分辨定位成像技术面临着高速相机带来的海量数据，需要解决数据传输、存储和计算等多环节的问题。从超分辨成像技术及相机的发展着手，讨论了基于sCMOS相机的超分辨定位成像技术的发展现状以及面临的机遇与挑战。

高光谱成像技术（HSI）是将成像技术和光谱技术相结合的多维信息获取技术，具有图谱合一的重要特征。通过HSI获得的空间分辨光谱成像提供了关于组织生理学，形态学和组成的诊断信息。HSI是医学应用的新兴成像模式，在生物医学领域，特别是在疾病诊断和图像引导手术中，具有极广阔的应用前景。介绍了HSI的基本原理、系统的基本构成及特点，总结和阐述了近年来HSI在生物医学领域的发展及其在疾病诊断和手术指导中的应用进展。指明该技术领域今后的重点研究方向，并对其发展前景进行了分析和展望。

疾病诊断、食品安全监测和环境污染检测等领域常涉及细菌等微生物的即时检测，光学显微镜是常用于检测和分析这些微小样品的工具。无透镜显微成像技术是将样品与电荷耦合元件（CCD）或互补金属半导体氧化物（CMOS）芯片等光检测器紧密接触、无需光学元件、直接对样品进行成像的技术，较传统显微装置具有结构简单、体积小巧、操作简便、价格低廉等优点，已被应用于微小组织结构检查、细胞形态数量分析、微生物检测等领域。根据成像原理，无透镜显微成像技术可分为阴影成像、荧光成像及数字全息成像三类。分别阐述了三种无透镜显微成像技术的成像原理和物理结构，并综述了无透镜显微成像技术在即时检测中的应用，最后展望了无透镜显微成像技术的发展。

光学相干层析技术(OCT)能对生物样品进行高分辨、无损的结构成像。通过分析信号中相位或强度的变化，可将成像样品中的运动组织和静态组织区分开，进而提取样品的流场信息；总结了多种血管中血流形态信息的测量方法。OCT不需要注入其他辅助试剂即可对皮肤或眼睛的血管部位成像，逐渐成为临床上血管微循环测量的有力手段。对傅里叶OCT(FD-OCT)中基于强度或相位原理的血管检测和流场测量的6种典型方法进行综述，包括相位多普勒分辨、相位多普勒方差、基于强度的相位多普勒方差、散斑方差、分频幅去相干血管造影和光学微血管造影。在解决相位稳定、流速测量、信噪比、实时性等问题上，每种方法都有各自的优缺点。通过进一步理解成像原理,介绍了一系列的优化造影方法。最后，对这些技术的发展和应用进行了展望。

激光光热治疗被认为是有潜在应用价值的肿瘤微创/无创治疗技术，具有快速、微创、毒副作用小等优点，因而受到了广泛关注。为提高光热治疗效果，研究人员对不同类型的光热治疗剂进行了研究。相比于无机纳米材料，基于有机材料的光热治疗剂具有更理想的生物相容性和生物降解性能，更容易实现临床应用，因此近年来发展迅速。对典型的有机光热治疗剂（包括包裹近红外染料的纳米胶束、基于蛋白结构的光热治疗剂、卟啉脂质体和聚合物近红外吸收材料）在近年来的研究进展进行阐述，介绍了它们各自的优势和存在的问题，最后对本领域的研究方向进行思考和探讨。

为实时检测活细胞中乳腺癌易感基因1（BRCA1）的信使核糖核酸（mRNA)的表达量，设计并成功制备出一种新型金纳米荧光分子信标。 研究了该信标的特异性、灵敏度、稳定性和毒性，并通过激光共聚焦和流式细胞术技术检测了该信标的荧光恢复强度,实现了对人胃癌细胞BGC823和其耐药细胞BGC823/DDP中BRCA1 mRNA表达量的检测。利用逆转录-聚合酶链反应（RT-PCR）技术，验证了该信标用于检测细胞中BRCA1 mRNA表达量的可靠性。结果表明，该信标具有优良特性，能可靠检测出肿瘤细胞中BRCA1 mRNA的表达水平。

偏振频域光学相干层析成像(FD-PS-OCT)可以通过测量样品的偏振特性实现某些疾病的早期诊断。偏振参数的测量精度关系到疾病诊断的准确性。在FD-PS-OCT中，正交的两路干涉信号即使仅存在很小的光谱错位，也可能导致偏振参数计算结果产生较大的误差。光谱校准是提高偏振参数测量精度的前提，而在进行光谱校准之前，有必要明确光谱错位对偏振参数计算精度的影响。通过理论分析和仿真计算，深入分析了光谱错位与偏振参数计算误差之间的关系。在此基础上，提出了一种光谱校准方法，该方法通过判断已知样品延迟量和快轴方位角的误差大小来实现光谱缩放和平移的校准。最后进行了波片测量实验，验证了该方法的有效性，证明了误差分析的正确性。

研究细菌的生长规律，快速获取细菌在生长过程中浓度、结构、化学组分等特征参数的变化，能够为环境评估、微生物研究等领域的细菌快速检测提供依据。采用紫外-可见光分光光度法测定水体常见大肠埃希氏菌（大肠杆菌）在生长过程中240~900 nm波段的透射光谱，基于Mie散射理论对测量得到的可见光波段的透射光谱进行解析，得到细菌的浓度和大小等信息；以核酸、发色团氨基酸吸收特性为基础，根据细菌紫外吸收光谱计算了细菌的核酸含量。结果表明：通过透射光谱反演出的参数能够反映细菌在生长过程中浓度、大小和化学组分的变化，这些变化表明大肠杆菌在适宜的生长条件下经历了不同的生长时期，符合细菌生长规律。多波长透射光谱技术可以对细菌在生长过程中进行动态跟踪检测，获得细胞形态学和化学组分信息，为研究细菌多参数测量提供了一种新方法。

使用355 nm纳秒脉冲激光对斑马鱼体表条纹进行消融处理，通过分析色素细胞簇的再生过程研究斑马鱼体表图案的形成及再生机制。结果表明：斑马鱼体表的黄色素细胞簇能够促进周围一定区域内黑色素细胞的再生，该区域限于稍远于紧邻黄色条纹的位置,但在半个条纹宽度以内；这种促进作用具有方向特异性，即黄色素细胞更多地促进其本身条纹纵向处的黑色素细胞再生，但不促进其本身条纹横向处的黑色素细胞再生。这一结果可为理解斑马鱼自主形成周期性条纹提供新的实验支持。

扩散拉曼层析成像(DRT)结合了拉曼光谱的分子指纹特性和扩散光学层析成像的深度分辨能力，是一种新型的无标记在体三维光学成像技术。提出一种基于蒙特卡罗光子输运模型的DRT可行性研究方法，该方法应用互易原理建立了快速有效的拉曼数据模拟器，可对实验条件下不同信噪比的拉曼测量数据进行客观模拟，同时结合扩散荧光层析线性成像原理，实现多波段下薄层组织的拉曼光谱分析。通过开展178个波段下5种物质成分的薄层组织模型的模拟重建研究，表明线性DRT图像重建方法能有效构建多种成分浓度的三维空间分布。

构建高转换效率的纳米探针是推动光声(PA)分子成像发展的关键。传统光声探针的设计思路是使探针在组织光学窗口波段的光吸收系数最大化，而对探针的光声转换性质的研究却未得到足够重视。以金纳米球为例，讨论了在热膨胀机制介导的光声效应中纳米探针的微观光声转换机制，使理性设计高转换效率探针成为可能。通过理论分析和有限元分析发现，由于小尺寸效应，纳米探针不再满足热禁闭条件，在激光脉冲范围内即有热量从球体向周围介质扩散，从而使得纳米探针本身及其周围介质的热膨胀对光声信号均有贡献。

以波长为720 nm处的散射光强I720为评估光学参数，探讨了激光热毁损过程中用远中心处双点光学参数实时评估近中心处热毁损效果的可行性。首先，对离体猪肝进行激光热毁损实验，实时采集距离毁损中心4，8，12 mm处的I720，当8 mm处的I720上升至初值的6倍时停止加热，共进行20组实验（A组），构建加热时间、8 mm和12 mm处I720上升倍数与4 mm处I720上升倍数的数学模型；然后，分别以4 mm处I720上升至初值的3、4、5、6倍为停止加热的条件，重复上述热毁损实验和实时数据采集，每种条件下各进行10组实验，共40组（B组）；最后，对B组实验的样本进行切片分析，建立I720上升倍数与毁损效果的对应关系。实验表明，利用加热时间、8 mm和12 mm处I720上升倍数估算4 mm处I720上升倍数的准确率可达90%以上。可用远离加热中心的双点光学参数实时评估近中心处激光热毁损效果。

利用表面增强拉曼光谱（SERS）和静电富集（EP）相结合的技术，实现了水环境中磺胺甲基嘧啶、丁胺卡那霉素、恩诺沙星和环丙沙星的有效富集和快速痕量探测。实验结果表明，与非静电富集SERS探测相比较，磺胺甲基嘧啶和丁胺卡那霉素的特征峰强度提高了大约10倍，恩诺沙星和环丙沙星的特征峰强度提高了2~3倍；4种抗生素的最低检测浓度分别为1.9×10-8，1.7×10-8，5.5×10-8 ，6.0×10-8 mol·L-1；当被检测目标的浓度较低时，特征峰强度与探测浓度具有良好的线性关系。EP-SERS技术可有效提高水环境中抗生素的检测灵敏度。

利用等离子体成像、散射光检测技术综合研究了聚焦的纳秒激光在去离子水和24 nm粒径的金纳米球溶液中的光致击穿现象。随着激光能量的增加，强击穿过程中产生的明亮等离子体区域增大，且沿轴向逐渐产生多个明亮等离子体区域，即多点击穿；同时，产生的明亮等离子体区域沿光轴方向的延伸具有不对称性，低浓度的金纳米球溶液中更加明显。弱击穿通常只发生在激光能量比较低的情况中，激光能量到达一定阈值时，只出现强击穿。低浓度的金纳米球溶液能显著降低光致击穿所需的最低能量；而金纳米球浓度增加，光致击穿所需能量增加。与去离子水中相比，金纳米球溶液中的光致击穿更容易获得亚微米尺度的空化气泡，且产生的空泡尺寸更加稳定。

黑磷（BP）纳米片可淬灭荧光染料的荧光，基于这一特性，合成了可特异性识别人乳腺癌细胞MCF7的脱氧核糖核酸（DNA）适体，并用荧光染料5-羧基荧光素(FAM)将其标记。当BP纳米片与该适体混合时，其荧光被淬灭。而当MCF7细胞存在时，DNA适体由于可以识别该细胞并与之结合，会从BP纳米片上脱离,从而实现荧光恢复。恢复的荧光强度与细胞数量呈线性关系。实验结果表明,利用BP纳米片检测乳腺癌细胞具有高效、特异、灵敏的优势，这一方法可以推广至其他肿瘤细胞的检测。