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