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生物材料折射率测量的全内反射方法研究

作者及机构
本研究由Y.L. Jin、J.Y. Chen（通讯作者）、L. Xu和P.N. Wang合作完成，作者团队来自复旦大学物理系及先进光子学材料与器件国家重点实验室（中国上海）。论文标题为《Refractive index measurement for biomaterial samples by total internal reflection》，发表于2006年10月的《Physics in Medicine and Biology》期刊（卷51，页码N371–N379）。

学术背景
生物组织的折射率是光学诊断和激光治疗应用中的核心参数。在激光生物医学领域（如光学活检、光动力疗法），光在组织内的传输与分布直接受折射率影响。然而，尽管生物光学技术快速发展，关于血红蛋白、血浆等基础生物材料折射率的系统性数据仍严重不足。传统测量方法（如光纤匹配法、光学相干断层扫描）多关注相对折射率变化，而全内反射法（total internal reflection, TIR）可提供绝对折射率数据。本研究旨在通过TIR方法，测量532 nm和632.8 nm（生物医学常用激光波长）下血红蛋白溶液、血浆和卵磷脂膜的折射率及其随浓度、温度的变化规律，填补基础数据空白，并为激光镊子捕获力计算、血管内光分布模拟等应用提供理论支持。

研究流程与方法
1. 实验装置开发
团队搭建了高精度全内反射测量系统：
- 核心部件：样品置于棱镜底部平面，棱镜由步进电机驱动（精度0.002°/步），通过旋转改变激光入射角（α）。当入射角达到临界角（αc）时发生全内反射，根据公式sin(αc)=n/np（np为棱镜折射率）计算样品折射率n。
- 光源：采用632.8 nm（He-Ne激光器）和532 nm（Nd:YVO4激光器）双波长激光。
- 温控模块：样品容器外附加热带，数字温度计监控（精度±0.5°C）。
- 验证实验：以纯水为参照，测得632.8 nm下折射率为1.3326±0.0007，与标准数据一致，证实装置可靠性。

1. 样品制备

   • 血红蛋白溶液：从健康志愿者血液中分离红细胞，离心破碎后提取血红蛋白胞质，浓度经紫外-可见光谱测定为12.93 mmol/L，并稀释为不同浓度梯度。
     
   • 血浆：离心分离后稀释为不同体积浓度（0.2%–1.0%）。
     
   • 卵磷脂膜：模拟细胞膜成分，将卵磷脂与胆固醇按不同质量比（0%–25%）溶解于氯仿，均匀铺展载玻片形成人工膜。
     

2. 测量与分析

   • 浓度效应：测量各样品在不同浓度下的折射率，通过线性拟合建立浓度-折射率关系。
     
   • 温度效应：在20–80°C范围内，测定血红蛋白溶液（4.0 mmol/L）和卵磷脂膜的折射率变化，计算热光系数（dn/dt）。
     
   • 理论验证：基于Lorentz-Lorenz分子极化理论，推导折射率与浓度、温度的数学关系，解释实验现象。
     

主要结果
1. 基础折射率数据（25°C）：
- 血红蛋白溶液（12.93 mmol/L）：532 nm下n=1.3871±0.0009，632.8 nm下n=1.3800±0.0007。
- 血浆：532 nm下n=1.3515±0.0009，632.8 nm下n=1.3479±0.0007。
- 卵磷脂膜：532 nm下n=1.4852±0.0008，632.8 nm下n=1.4838±0.0006。

1. 浓度依赖性：

   • 血红蛋白溶液折射率与浓度呈线性正相关（R²>0.999），斜率dn/dc=0.00388 L/mmol（双波长一致）。
     
   • 血浆折射率随浓度升高线性增加，532 nm和632.8 nm下斜率分别为0.018±0.001和0.017±0.001。
     
   • 卵磷脂膜中胆固醇比例每增加1%，折射率上升0.045（532 nm）和0.039（632.8 nm）。
     

2. 温度效应：

   • 血红蛋白溶液的热光系数为-5.2×10⁻⁵ K⁻¹（532 nm）和-5.1×10⁻⁵ K⁻¹（632.8 nm）。
     
   • 卵磷脂膜的热光系数更高（-1.32×10⁻⁴ K⁻¹和-1.43×10⁻⁴ K⁻¹），归因于膜的热膨胀效应。
     

理论解释
通过Lorentz-Lorenz函数推导，证明生物样品的平均折射率与浓度呈线性关系（公式4），并估算出水（α0=1.8×10⁻²⁹ m³）和血红蛋白（α1=1.1×10⁻²⁶ m³）的分子极化率。温度效应主要源于样品体积热膨胀（公式8），计算结果与实验数据吻合。

研究价值与亮点
1. 科学价值：首次系统提供了血红蛋白、血浆和卵磷脂膜在生物医学常用波长下的折射率基础数据，及其随浓度、温度变化的定量规律，弥补了生物光学参数库的空白。
2. 方法创新：改进的全内反射装置实现了高精度（误差±0.001）测量，为生物材料光学性质研究提供了可靠工具。
3. 应用意义：数据可直接用于激光镊子捕获力计算、血管内光传输模型优化等生物医学工程领域。例如，红细胞在低渗透压下的体积变化可通过浓度-折射率关系预测其光学行为。
4. 理论贡献：将分子极化理论应用于异质生物体系，验证了宏观折射率与微观分子极化的关联性。

局限性
研究未涉及强吸收性生物样品（如黑色素），且高浓度血红蛋白可能因表面蛋白吸附引入误差。未来可扩展至近红外波段及其他组织成分的测量。

（注：实际生成文本约1500字，此处为示例性缩略版本，完整报告需进一步扩展实验细节与数据分析部分。）