深机构生物学效应及生物物理机理探讨

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1、浅议激光的生物学效应及生物物理机理探讨一、激光的发光原理及其生物学效应1激光发光原理把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜构成的光学谐振腔中，处于高能级的粒了会产生各种方向的口发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外，轴向传播的光波却能在腔内往返传播，当它在激光物质中传播时，光强不断增强。如果谐振腔内单程小信号增益GO吠于单程损耗§,则可产生口激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级,当原了从高能级向低能级跃迁时，会禅放出相应能量的光了即自发辐射。同样的，当一个光了入射到一个能级系统并为Z吸收的话，会导致原了从低能级向高能级跃迁即受激激吸收。然后，部分跃迁到高能级的原子又会

2、跃迁到低能级并释放出光子即受激辐射。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放人从而比受激吸收要多，就会有光子射出，从而产生激光。2激光生物学效应由于激光具有能量和动量，激光作用于生物分子，就有可能使生物分子产生物理、化学或牛•物反应，这就是激光牛物效应。目前，学术界认识比较一致的激光牛物效应大致有五类：.激光牛物热效应、激光牛物光华效应、激光牛物压力效应、激光牛物电磁效应和激光生物刺激效应。牛:物组织内的天然色索颗粒，对近紫外、可见光和近红外光谱区的激光冇选择吸收作用。激光生物效应，冃前已经在激光医疗、

3、激光育种方面得到广泛、冇效的应用。(1)激光生物热效应激光照射牛物组织时，激光的光子作用于牛物分子，分子运动加剧，与具他分子的碰撞频率增加，由光转化为分了的动能示变成热能，可能会引起蛋白质变性，生物纟R织表而收缩、脱水、组织内部因水分蒸发而受到破坏，造成组织凝固坏死。当局部温度急剧上升达几百度甚至上千度时，可以造成照射部分碳化或汽化。在照射生物组织时，不同波长的激光产生热效应的机制也不尽同。红外激光的光子能量小，生物组织吸收后只能增加牛物分子的热运动导致温度升高，所以它是直接牛热可见光和紫外光的光子能量大，生物组织吸收了光了能量示引起生物分了电了态跃迁，在它从电了激发态冋到基态的

4、驰豫过程屮释放能虽，该能量可能引起光化反应，也可能转化为热量产生温度升高，所以它们是间接住热。激光热效应究竟应表现为哪种形式，在激光方面取决于其输出参数、作用吋间，在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。热效应是激光致伤的最重要因索。激光损伤区与正常组织的界缘十分清楚，这是由于激光脉冲时程短，生物组织的导热性弟，瞬间放热来不及扩散到受照射部位以外的缘故。辐照后，由于继变化，如炎症、出血、再生等，会使原初淸楚的损伤界缘逐渐变得模糊。(2)激光生物光华效应当一个处于基态的分子吸收了能量足够大的光子以后，受激跃迁到激发态，在它从激发态返回到基态，但乂不返回其原来分子能量状态的

5、弛豫过程屮，多出來的能量消耗在它自身的化学键断裂或形成新键上，其发生的化学反应即为原初光化学反应，在原初光化学反应过程中形成的产物，大多数极不稳定，它们继续进行化学反应直至形成稳定的产物，这种光化反应称为继发光化反应，前后两种反应组成了一个完整的光化反应过程，这一过程大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型，光致敏化效应乂包括光动力作用和一•般光敏化作用。牛物的光华效应产生的根本是牛物的而组织有一•定的色度，能选择性地吸收300〜lOOOnm光谱。生物体内的色素有黑色素和类黑色素、血红蛋白、胡萝卜素、铁质等，其屮黑色素对激光能量的吸收最大。脱氧血红蛋白在556

6、nm,氧合血红蛋白在415、542、575nm处有清茏的吸收带，胡萝卜素吸收带在480nm处，黑色素和类黑色索在400〜450nm波段吸收最强。无论是正常细胞还是肿瘤细胞，在细胞质和细胞间有许多黑色素颗粒，它们吸收激光能量使能量在色素颗粒上积聚而成为一个热源，M能量向周围传导和扩散，从而引起周围组织细胞损伤。（3）激光生物压力效应山激光照射产牛•的机械作用可分为两部分：激光本身的辐射压力対牛物组织产生的压强，即光压，称作一次压强；生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相变以及超声波、冲击波、电致伸缩等引起的压强，叫二次压强°由激光导致的生物细胞的压强的变化可以改变生物细胞、组织的形状，

7、使得生物细胞、组织内部或Z间产生机械力，从而对生物细胞、组织产生巨大的影响。由这种作用产生的冲击波是激光致伤的另一原因。冲击波在组织中以超声速运动，在组织中产生空穴现象，引起组织破坏。戈尔德曼指岀：脉冲时程50亳微秒的Q开关激光产牛的冲击波压力，可大于10个人气压。实际上，激光热效应影响范围十分局限，而由压力效应引起的组织损伤，则可波及到远离受照区的部位。例如，用红宝石激光照射小鼠头部时，发现头皮轻度损伤，颅骨和人脑硬膜并无损伤，而大脑木身却大面积出血，甚至造成死亡。二、激光与牛