激光的生物學(xué)效應及生物物理機理探討

　論文關(guān)鍵詞：激光　激光生物效應　激光與生物分子

論文摘要：本文主要簡(jiǎn)介了激光與生物組織相互作用所產(chǎn)生的生物效應，概述激光與生物分子相互作用機理研究現狀。為提高和發(fā)展激光技術(shù)在此領(lǐng)域的應用，有必要對激光的生物學(xué)效應及生物物理機理進(jìn)行研究。

一、激光的發(fā)光原理及其生物學(xué)效應

1激光發(fā)光原理
把一段激活物質(zhì)放在兩個(gè)互相平行的反射鏡構成的光學(xué)諧振腔中，處于高能級的粒子會(huì )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往返傳播，當它在激光物質(zhì)中傳播時(shí)，光強不斷增強。如果諧振腔內單程小信號增益G0l大于單程損耗δ，則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時(shí)，會(huì )釋放出相應能量的光子即自發(fā)輻射。同樣的，當一個(gè)光子入射到一個(gè)能級系統并為之吸收的話(huà)，會(huì )導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(huì )躍遷到低能級并釋放出光子即受激輻射。這些運動(dòng)不是孤立的，而往往是同時(shí)進(jìn)行的。當我們創(chuàng )造一種條件，譬如采用適當的媒質(zhì)、共振腔、足夠的外部電場(chǎng)，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，就會(huì )有光子射出，從而產(chǎn)生激光。
2激光生物學(xué)效應
由于激光具有能量和動(dòng)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，這就是激光生物效應。目前，學(xué)術(shù)界認識比較一致的激光生物效應大致有五類(lèi)：.激光生物熱效應、激光生物光華效應、激光生物壓力效應、激光生物電磁效應和激光生物刺激效應。生物組織內的天然色素顆粒，對近紫外、可見(jiàn)光和近紅外光譜區的激光有選擇吸收作用。激光生物效應，目前已經(jīng)在激光醫療、激光育種方面得到廣泛、有效的應用。
（1）激光生物熱效應
激光照射生物組織時(shí)，激光的光子作用于生物分子，分子運動(dòng)加劇，與其他分子的碰撞頻率增加，由光轉化為分子的動(dòng)能后變成熱能，可能會(huì )引起蛋白質(zhì)變性，生物組織表面收縮、脫水、組織內部因水分蒸發(fā)而受到破壞，造成組織凝固壞死。當局部溫度急劇上升達幾百度甚至上千度時(shí)，可以造成照射部分碳化或汽化。在照射生物組織時(shí)，不同波長(cháng)的激光產(chǎn)生熱效應的機制也不盡同。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(dòng)導致溫度升高，所以它是直接生熱可見(jiàn)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(guò)程中釋放能量，該能量可能引起光化反應，也可能轉化為熱量產(chǎn)生溫度升高，所以它們是間接生熱。激光熱效應究竟應表現為哪種形式，在激光方面取決于其輸出參數、作用時(shí)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。
熱效應是激光致傷的最重要因素。激光損傷區與正常組織的界緣十分清楚，這是由于激光脈沖時(shí)程短，生物組織的導熱性差，瞬間放熱來(lái)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(huì )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
當一個(gè)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(lái)分子能量狀態(tài)的弛豫過(guò)程中，多出來(lái)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)反應即為原初光化學(xué)反應，在原初光化學(xué)反應過(guò)程中形成的產(chǎn)物，大多數極不穩定，它們繼續進(jìn)行化學(xué)反應直至形成穩定的產(chǎn)物，這種光化反應稱(chēng)為繼發(fā)光化反應，前后兩種反應組成了一個(gè)完整的光化反應過(guò)程，這一過(guò)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(lèi)型，光致敏化效應又包括光動(dòng)力作用和一般光敏化作用。生物的光華效應產(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。生物體內的色素有黑色素和類(lèi)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(lèi)黑色素在400～450nm波段吸收最強。無(wú)論是正常細胞還是腫瘤細胞，在細胞質(zhì)和細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(gè)熱源，其能量向周?chē)鷤鲗Ш蛿U散，從而引起周?chē)�組織細胞損傷。
（3）激光生物壓力效應
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(chēng)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。由激光導致的生物細胞的壓強的變化可以改變生物細胞、組織的形狀，使得生物細胞、組織內部或之間產(chǎn)生機械力，從而對生物細胞、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(dòng)，在組織中產(chǎn)生空穴現象，引起組織破壞。戈爾德曼指出：脈沖時(shí)程50毫微秒的Q開(kāi)關(guān)激光產(chǎn)生的沖擊波壓力，可大于10個(gè)大氣壓。實(shí)際上，激光熱效應影響范圍十分局限，而由壓力效應引起的組織損傷，則可波及到遠離受照區的部位。例如，用紅寶石激光照射小鼠頭部時(shí)，發(fā)現頭皮輕度損傷，顱骨和大腦硬膜并無(wú)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狀

20世紀八十年代以來(lái)，由前蘇聯(lián)、匈牙利等國的專(zhuān)家提出了不少假說(shuō)，其中常見(jiàn)的有下列4種：生物電場(chǎng)假說(shuō)(前蘇聯(lián)伊柳辛提出);色素調節假說(shuō)(前蘇聯(lián)伽馬列亞于1981年提出);細胞膜受體假說(shuō)(前蘇聯(lián)普魯哈丘科夫于1980年提出):偏振刺激假說(shuō)(梅斯特1977年提出)。另外一個(gè)假說(shuō)是:由孤子狀態(tài)進(jìn)入混沌狀態(tài)假說(shuō)。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的復制、轉錄等遺傳功能作出過(guò)解釋。劉頌豪(1991年)也提出了生物學(xué)過(guò)程中的孤子現象。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(shuō)”的進(jìn)一步發(fā)展作出了貢獻。激光生物物理學(xué)家王惠文在其所著(zhù)的《激光與生命科學(xué)》一書(shū)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分子系統可進(jìn)入‘無(wú)序’的混沌狀態(tài)，并根據DNA分子動(dòng)力學(xué)方程(Sine一Gordon方程)的分析結果，可以解釋DNA的真實(shí)遺傳，從而導出含激光一DNA分子動(dòng)力學(xué)的運動(dòng)方程，以及激光的電場(chǎng)相互作用對DNA分子系統的動(dòng)力學(xué)效應。通過(guò)含激光與DNA相互作用運動(dòng)方程的M.Inikov方法或知DNA系統即使在弱激光的作用下，也有可能由原來(lái)的孤立子運動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入混沌狀態(tài)。從而導致其構象隨時(shí)間‘無(wú)規則’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作用機理的復雜性，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雜，有待進(jìn)一步研究。激光生物效應分類(lèi)還沒(méi)有明確的界限，如在光化效應中光熱效應也起了很大的作用，電磁作用也產(chǎn)生熱效應和機械作用等，激光熱作用、光化作用和機械作用通常是同時(shí)發(fā)生的，所以相互作用的分類(lèi)并不是絕對的，但各種作用之間也確存在著(zhù)一些差別。如每種效應都具有典型的激光及典型現象等。激光與生物組織的相互作用是一個(gè)多種因素決定的復雜過(guò)程，激光的參數(如波長(cháng)、功率、激光模式等)、生物組織的性質(zhì)(如密度、彈性、熱導率、比熱、熱擴散率、反射率、吸收率、不均勻性和層次結構)以及生物體狀態(tài)等對激光的生物效應都有影響。激光對生物組織的作用具有有利和不利兩個(gè)方面，要想利用激光,最首要的任務(wù)是認識并理解激光與生物組織的相互作用機理，然后才能加以應用。

參考文獻：
[1]周炳琨，高以智等.激光原理[M].第五版.北京：國防工業(yè)出版社，2007.14-23
[2]李海濤，楊繼慶.激光生物效應及醫學(xué)應用研究[J].第四軍醫大學(xué)報,2007，28(14).
[3]楊繼慶，劉魯偉，文峻.激光生物組織熱作用的影響因素［J］.激光雜志,2005，26(5)：94.

論文相關(guān)查閱：畢業(yè)論文范文、計算機畢業(yè)論文、畢業(yè)論文格式、行政管理論文、畢業(yè)論文       

【激光的生物學(xué)效應及生物物理機理探討】相關(guān)文章：

我國高校生物學(xué)科中英雙語(yǔ)教學(xué)存在問(wèn)題及對策探討11-25

磁場(chǎng)生物效應的國內進(jìn)展03-29

生物學(xué)專(zhuān)業(yè)論文提綱03-30

生物學(xué)論文提綱范文02-19

生物學(xué)論文致謝語(yǔ)12-02

生物學(xué)專(zhuān)業(yè)論文致謝03-27

生物學(xué)的論文開(kāi)題報告03-27

上市公司股份回購財富效應探討12-11

生物學(xué)知識巧妙地記12-04