❞ كتاب الفيزياء الحيوية والطبية  biological and medical physics, biomedical engineering ❝  ⏤ Philippe M. Fauchet

❞ كتاب الفيزياء الحيوية والطبية biological and medical physics, biomedical engineering ❝ ⏤ Philippe M. Fauchet

نبذه عن الكتاب:

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
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نُبذة عن الكتاب:
الفيزياء الحيوية والطبية biological and medical physics, biomedical engineering

نبذه عن الكتاب:

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 .
المزيد..

تعليقات القرّاء:

نبذه عن الكتاب:

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

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Philippe M. Fauchet -

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