激光的生物學(xué)效應(yīng)及生物物理機理探討
論文關(guān)鍵詞：激光 激光生物效應(yīng) 激光與生物分子
論文摘要：本文主要簡介了激光與生物組織相互作用所產(chǎn)生的生物效應(yīng)，概述激光與生物分子相互作用機理研究現(xiàn)狀。為提高和發(fā)展激光技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用，有必要對激光的生物學(xué)效應(yīng)及生物物理機理進(jìn)行研究。
一、激光的發(fā)光原理及其生物學(xué)效應(yīng)
1激光發(fā)光原理
把一段激活物質(zhì)放在兩個互相平行的反射鏡構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中，處于高能級的粒子會產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外，軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播，當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時，光強不斷增強。如果諧振腔內(nèi)單程小信號增益G0l大于單程損耗δ，則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運動狀態(tài)可以分為不同的能級，當(dāng)原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應(yīng)能量的光子即自發(fā)輻射。同樣的，當(dāng)一個光子入射到一個能級系統(tǒng)并為之吸收的話，會導(dǎo)致原子從低能級向高能級躍遷即受激激吸收。然后，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出光子即受激輻射。這些運動不是孤立的，而往往是同時進(jìn)行的。當(dāng)我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，就會有光子射出，從而產(chǎn)生激光。
2激光生物學(xué)效應(yīng)
由于激光具有能量和動量，激光作用于生物分子，就有可能使生物分子產(chǎn)生物理、化學(xué)或生物反應(yīng)，這就是激光生物效應(yīng)。目前，學(xué)術(shù)界認(rèn)識比較一致的激光生物效應(yīng)大致有五類：.激光生物熱效應(yīng)、激光生物光華效應(yīng)、激光生物壓力效應(yīng)、激光生物電磁效應(yīng)和激光生物刺激效應(yīng)。生物組織內(nèi)的天然色素顆粒，對近紫外、可見光和近紅外光譜區(qū)的激光有選擇吸收作用。激光生物效應(yīng)，目前已經(jīng)在激光醫(yī)療、激光育種方面得到廣泛、有效的應(yīng)用。
（1）激光生物熱效應(yīng)
激光照射生物組織時，激光的光子作用于生物分子，分子運動加劇，與其他分子的碰撞頻率增加，由光轉(zhuǎn)化為分子的動能后變成熱能，可能會引起蛋白質(zhì)變性，生物組織表面收縮、脫水、組織內(nèi)部因水分蒸發(fā)而受到破壞，造成組織凝固壞死。當(dāng)局部溫度急劇上升達(dá)幾百度甚至上千度時，可以造成照射部分碳化或汽化。在照射生物組織時，不同波長的激光產(chǎn)生熱效應(yīng)的機制也不盡同。紅外激光的光子能量小，生物組織吸收后只能增加生物分子的熱運動導(dǎo)致溫度升高，所以它是直接生熱可見光和紫外光的光子能量大，生物組織吸收了光子能量后引起生物分子電子態(tài)躍遷，在它從電子激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的馳豫過程中釋放能量，該能量可能引起光化反應(yīng)，也可能轉(zhuǎn)化為熱量產(chǎn)生溫度升高，所以它們是間接生熱。激光熱效應(yīng)究竟應(yīng)表現(xiàn)為哪種形式，在激光方面取決于其輸出參數(shù)、作用時間，在生物組織方面則取決于其光學(xué)、熱學(xué)特性等諸多因素。
熱效應(yīng)是激光致傷的最重要因素。激光損傷區(qū)與正常組織的界緣十分清楚，這是由于激光脈沖時程短，生物組織的導(dǎo)熱性差，瞬間放熱來不及擴散到受照射部位以外的緣故。輻照后，由于繼變化，如炎癥、出血、再生等，會使原初清楚的損傷界緣逐漸變得模糊。
（2）激光生物光華效應(yīng)
當(dāng)一個處于基態(tài)的分子吸收了能量足夠大的光子以后，受激躍遷到激發(fā)態(tài)，在它從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)，但又不返回其原來分子能量狀態(tài)的弛豫過程中，多出來的能量消耗在它自身的化學(xué)鍵斷裂或形成新鍵上，其發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)即為原初光化學(xué)反應(yīng)，在原初光化學(xué)反應(yīng)過程中形成的產(chǎn)物，大多數(shù)極不穩(wěn)定，它們繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)直至形成穩(wěn)定的產(chǎn)物，這種光化反應(yīng)稱為繼發(fā)光化反應(yīng)，前后兩種反應(yīng)組成了一個完整的光化反應(yīng)過程，這一過程大致可分為光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四種主要類型，光致敏化效應(yīng)又包括光動力作用和一般光敏化作用。生物的光華效應(yīng)產(chǎn)生的根本是生物的而組織有一定的色度，能選擇性地吸收300～1000nm光譜。生物體內(nèi)的色素有黑色素和類黑色素、血紅蛋白、胡蘿卜素、鐵質(zhì)等，其中黑色素對激光能量的吸收最大。脫氧血紅蛋白在556nm,氧合血紅蛋白在415、542、575nm處有清楚的吸收帶,胡蘿卜素吸收帶在480nm處，黑色素和類黑色素在400～450nm波段吸收最強。無論是正常細(xì)胞還是腫瘤細(xì)胞，在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞間有許多黑色素顆粒，它們吸收激光能量使能量在色素顆粒上積聚而成為一個熱源，其能量向周圍傳導(dǎo)和擴散，從而引起周圍組織細(xì)胞損傷。
（3）激光生物壓力效應(yīng)
由激光照射產(chǎn)生的機械作用可分為兩部分：激光本身的輻射壓力對生物組織產(chǎn)生的壓強，即光壓，稱作一次壓強；生物組織吸收強激光造成的熱膨脹和相變以及超聲波、沖擊波、電致伸縮等引起的壓強，叫二次壓強。由激光導(dǎo)致的生物細(xì)胞的壓強的變化可以改變生物細(xì)胞、組織的形狀，使得生物細(xì)胞、組織內(nèi)部或之間產(chǎn)生機械力，從而對生物細(xì)胞、組織產(chǎn)生巨大的影響。由這種作用產(chǎn)生的沖擊波是激光致傷的另一原因。沖擊波在組織中以超聲速運動，在組織中產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，引起組織破壞。戈爾德曼指出：脈沖時程50毫微秒的Q開關(guān)激光產(chǎn)生的沖擊波壓力，可大于10個大氣壓。實際上，激光熱效應(yīng)影響范圍十分局限，而由壓力效應(yīng)引起的組織損傷，則可波及到遠(yuǎn)離受照區(qū)的部位。例如，用紅寶石激光照射小鼠頭部時，發(fā)現(xiàn)頭皮輕度損傷，顱骨和大腦硬膜并無損傷，而大腦本身卻大面積出血，甚至造成死亡。
二、激光與生物分子相互作用機理研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)八十年代以來，由前蘇聯(lián)、匈牙利等國的專家提出了不少假說，其中常見的有下列4種：生物電場假說(前蘇聯(lián)伊柳辛提出);色素調(diào)節(jié)假說(前蘇聯(lián)伽馬列亞于1981年提出);細(xì)胞膜受體假說(前蘇聯(lián)普魯哈丘科夫于1980年提出):偏振刺激假說(梅斯特1977年提出)。另外一個假說是:由孤子狀態(tài)進(jìn)入混沌狀態(tài)假說。美國Englander(1980年)、日本的Jomosa(1984年)。
中國的肖家鑫(1987年)用孤子理論對DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等遺傳功能作出過解釋。劉頌豪(1991年)也提出了生物學(xué)過程中的孤子現(xiàn)象。云南理工大學(xué)的周凌云對“由孤子狀態(tài)進(jìn)入混沌狀態(tài)假說”的進(jìn)一步發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。激光生物物理學(xué)家王惠文在其所著的《激光與生命科學(xué)》一書中介紹了周凌云的研究成果:“周凌云(1993)提出，在弱激光的作用下，DNA分子系統(tǒng)可進(jìn)入‘無序’的混沌狀態(tài)，并根據(jù)DNA分子動力學(xué)方程(Sine一Gordon方程)的分析結(jié)果，可以解釋DNA的真實遺傳，從而導(dǎo)出含激光一DNA分子動力學(xué)的運動方程，以及激光的電場相互作用對DNA分子系統(tǒng)的動力學(xué)效應(yīng)。通過含激光與DNA相互作用運動方程的M.Inikov方法或知DNA系統(tǒng)即使在弱激光的作用下，也有可能由原來的孤立子運動狀態(tài)進(jìn)入混沌狀態(tài)。從而導(dǎo)致其構(gòu)象隨時間‘無規(guī)則’地演化產(chǎn)生遺傳變異’。但由于激光的生物刺激和誘變等效應(yīng)作用機理的復(fù)雜性，特別是弱激光與生物分子的相互作用機理，目前尚未得出完善的科學(xué)解解釋。
激光與生物組織的相互作用很復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。激光生物效應(yīng)分類還沒有明確的界限，如在光化效應(yīng)中光熱效應(yīng)也起了很大的作用，電磁作用也產(chǎn)生熱效應(yīng)和機械作用等，激光熱作用、光化作用和機械作用通常是同時發(fā)生的，所以相互作用的分類并不是絕對的，但各種作用之間也確存在著一些差別。如每種效應(yīng)都具有典型的激光及典型現(xiàn)象等。激光與生物組織的相互作用是一個多種因素決定的復(fù)雜過程，激光的參數(shù)(如波長、功率、激光模式等)、生物組織的性質(zhì)(如密度、彈性、熱導(dǎo)率、比熱、熱擴散率、反射率、吸收率、不均勻性和層次結(jié)構(gòu))以及生物體狀態(tài)等對激光的生物效應(yīng)都有影響。激光對生物組織的作用具有有利和不利兩個方面，要想利用激光,最首要的任務(wù)是認(rèn)識并理解激光與生物組織的相互作用機理，然后才能加以應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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