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1、第23卷 第2期河北大学学报(自然科学版)Vol.23No.22003年 6月JournalofHebeiUniversity(NaturalScienceEdition)Jun.2003学科综述激光与生物组织的相互作用及主要应用李新华,怀素芳(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002) 摘 要:激光在生物学和医学中应用的主要机理是激光的能量必须转化为其他形式,构成生物组织的分子和原子能够吸收激光的能量,而最终把它转化成其他能量形式.简介了激光与生物组织相互作用所产生的激光生物效应,概述了激光在生物学和医学研究中的最新进展和发展动
2、向.关键词:激光;生物组织;相互作用;应用中图分类号:Q631文献标识码:A文章编号:1000-1565(2003)02-0198-06光是地球上一切生命的主要能量来源,没有光不可能产生和存在生命物质.光在生命的起源与进化,生物结构形态变异和功能发展中起着不可缺少的作用.由于激光具有其他任何光源所不可能有的优异特性,自然和生命物质结下了不解之缘.由于激光的出现大大改变了人类对自然界的认识能力,为人们认识和改造自然,特别是为探索生命物质提供了一种强有力而又特别精确灵敏的工具,并使生命科学的许多领域取得了突破性的进展,甚至派生出新的学科或学科分支
3、.1 激光生物效应激光生物效应一般是指激光作用于生物物质可能产生的物理的、化学的或生物的反应,激光生物效应的不同,既取决于激光本身,也取决于生物体的特性,大致可分为以下几种:1.1 激光生物热效应激光作用于生物体会使其局部温度升高,称为激光生物热效应.生物体生热机制视光子能量而定,低能量光子可引起生物体直接生热,而高能量光子多经过一些中间过程使生物体生热,故生热的途径有2种,其一为吸收生热,生物分子吸收激光特别是红外激光光能,本身运动动能增加,温度升高.其二为碰撞生热,生物分子吸收激光光能跃迁到某一激发态,在返回到原来的能态或其他低能态时与周
4、围其他生物分子发生多次碰撞,同样使周围分子运动动能增加温度升高.激光生物热效应的对外表现为生物体局部温度升高、汽化、切开、凝固等.1.2 激光生物光化效应激光生物光化效应又称激光生物光化反应,是指在激光的作用下,使生物物质产生理化反应,或使其反应定向及加剧等.生物物质所以能生长发育、修复和繁育等,其中生化反应是主要因素之一.激光生物光化反应可分为原初光化反应和继发光化反应两个阶段,当生物分子吸收一个或多个光子能量以后,受激跃迁到某一激发状态,在它返回到基态又不返回到原来的能量状态的驰豫过程中,多出来的能量消耗在本身化学键断裂或形成新键上所发生
5、的化学反应称为原初光化反应.通常在此过程中形成大多具有高度化学活性的中间产物,这些极不稳定的中间产物继而进行化学反应直至形成稳定产物,这种光化反应称为继发光化反应. 收稿日期:2002-12-10 作者简介:李新华(1944-),男,河北宁晋人,河北大学副教授,主要从事激光与物理方面研究.第2期李新华等:激光与生物组织的相互作用及主要应用·199·1.3 激光生物机械效应当生物组织吸收激光能量时,可近似地把生物组织当作单相水样溶液,可能发生2种现象:如果能量密度超过某一阈值,就会产生蒸发并伴有机械波;若能量密度低于该阈值,就只产生机械波而无蒸
6、发.另外激光可通过电场与生物物质起作用,可产生电致伸缩,自聚集,自俘获及受激布里渊散射等现象.这些现象可伴生机械作用.1.4 激光生物电磁场效应高功率密度激光作用于生物组织会引起生物组织变化,这是因为激光是电磁波.激光与生物组织相互作用实质上是电磁场与生物组织相互作用,在这种作用中主要是电场起作用.激光的电场强度与激光的功率密度有关.高功率密度激光作用于生物组织,有可能在生物组织内产生光学谐波,发生电致伸缩,导致喇曼散射等,可使生物组织电系统发生变化.1.5 激光生物刺激效应激光作用于生物组织,在不引起不可逆损伤时,会引起生物体的某些应答性反
7、应,这种效应叫作激光生物刺激效应.生物体对这种刺激的某些应答性反应可能是兴奋,也可能是抑制,由激光和生物体两者性质而定.由实验得知,这种刺激可引起机体的免疫功能,血液循环、血红蛋白合成、糜蛋白酶活性及白细胞噬菌作用等的应答性反应,在合适的条件下,这种应答性反应是有益的,它有利于生物的生存和延续.激光作用于生物组织可产生多种效应,严格地说各种效应没有明确的界限,哪种效应为主,由激光和生物体两者决定,它可能是单一的,更多的则是综合的.就效应的分类来说也并非绝对的,大致可分为以上5种.2 激光生物技术生物技术是个相当广泛的概念,一般认为构成生物技术
8、的主体是基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等.激光生物技术起步较晚,但发展很快,已取得了不少成果.2.1 基因工程基因工程是指基因转移,DNA裁剪和基因定位等.激
