激光的生物学效应包括(浅议激光的生物学效应及生物物理机理探讨)

论文：本文主要介绍了激光与生物组织相互作用产生的生物效应，并总结了激光与生物分子相互作用机制的研究现状。为了提高和发展激光技术在这一领域的应用，有必要研究对激光的生物效应和生物物理机制。

首先，激光发光的原理及其生物效应

1激光发射原理

当活性物质被放置在由两个相互平行的反射镜组成的光学谐振腔中时，高能级的粒子将产生不同方向的自发辐射。其中，非轴向传播的光波从谐振腔中快速逃逸，但轴向传播的光波可以在谐振腔中来回传播。当它在激光材料中传播时，光强持续增加。如果谐振器中的单向小信号增益G0l大于单向损耗，就会产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级。当原子从高能级跃迁到低能级时，具有相应能量的光子将被释放，即自发辐射。类似地，当光子入射到能级系统上并被它吸收时，它将导致原子从低能级到高能级的跃迁，即受激吸收。然后，一些已经转变到高能级的原子将转变到低能级并释放光子，即受激辐射。这些运动不是孤立的，而是经常同时进行的。当我们创造一个条件，例如使用适当的介质，共振腔和足够的外部电场，受激辐射被放大到超过受激吸收，光子将被发射，从而产生激光。

2激光的生物效应

因为激光有能量和动量，所以当激光作用于生物分子时，它们有可能发生物理、化学或生物反应。这是激光的生物效应。目前，学术界公认的激光生物效应有五种：激光生物热效应、激光生物亮度效应、激光生物压力效应、激光生物电磁效应和激光生物刺激效应。生物组织中的天然色素颗粒，对近紫外、可见光和近红外光谱区激光都有选择性吸收。激光生物效应在激光医疗和激光育种中得到了广泛而有效的应用。

(1)激光的生物热效应

当激光照射生物组织时，激光的光子作用于生物分子，分子运动增强，与其他分子的碰撞频率增加。光转化的动能变成热能，这可能导致蛋白质变性、生物组织的表面收缩和脱水，以及由于水的蒸发导致的组织的内部损伤，导致组织的凝结和坏死。当局部温度急剧上升到几百度甚至几千度时，受照射的部分可能会碳化或蒸发。当照射生物组织时，不同波长的激光产生热效应的机理是不同的。红外激光的光子能量很小，被生物组织吸收后只能增加生物分子的热运动，导致温度升高。因此，它直接产生热量。可见光和紫外光的光子能量很大。在吸收光子能量后，生物组织引起生物分子的电子态跃迁，并在其从电子激发态到基态的弛豫过程中释放能量。这种能量可能引起光化学反应，或者转化可能产生温度上升的热量，因此它们间接产生热量。激光热效应的形式取决于它在激光中的输出参数和作用时间，以及它在生物组织中的光学和热学特性。

热效应是激光损伤的最重要因素。激光损伤区域和正常组织之间的边界非常清楚，这是由于生物组织的短激光脉冲时程，导热性差，并且对于瞬时热释放来说太晚而不能扩散到照射区域之外。照射后，由于炎症、出血和再生等后续变化，原来清晰的损伤边界将逐渐变得模糊。

(2)激光生物亮度效应

当处于基态的分子吸收具有足够能量的光子时，它被激发跃迁到激发态。在弛豫过程中，当它从激发态回到基态但没有回到它原来的分子能态时，额外的能量被消耗在它自己的化学键断裂或形成新的键上，它的化学反应就是原来的光化学反应。在最初的光化学反应中形成的大多数产物是极其不稳定的。它们继续进行化学反应，直到形成稳定的产物。这种光化学反应被称为随后的光化学反应，它构成了一个完整的光化学反应过程。这一过程大致可分为四种主要类型：光降解、光氧化、光聚合和光敏化。生物亮度效应基本上是生物性的，组织具有一定的色度，可以选择性吸收300 ~ 1000 nm的光谱。生物体中的色素包括黑色素和类黑素、血红蛋白、胡萝卜素、铁等。其中，黑色素对对激光能量的吸收最大。脱氧血红蛋白在556nm处有清晰的吸收带，氧合血红蛋白在415、542和575nm处，胡萝卜素在480nm处，黑色素和类黑素在400 ~ 450 nm处有最强的吸收带。无论是正常细胞还是肿瘤细胞，细胞质和细胞之间都有许多黑色素颗粒。它们吸收激光能量，在色素颗粒上积累能量，成为热源，其能量被传递并扩散到周围环境，从而对周围的组织和细胞造成损伤。

(3)激光生物压力效应

激光照射产生的机械作用可分为两个部分：激光本身的辐射压力，即对，生物组织产生的压力，即光压力，称为主压力；由生物组织吸收强激光引起的压力，如热膨胀和相变、超声波、冲击波和电致伸缩，称为二次压力。激光引起的生物细胞压力的变化会改变生物细胞和组织的形状，并在生物细胞和组织内部或之间产生机械力，这将对对的生物细胞和组织产生很大的影响。这种作用产生的冲击波是激光损伤的另一个原因。冲击波在组织中以超音速运动，在组织中引起气穴现象并造成组织损伤。戈尔德曼指出，在脉冲时程50 毫微秒由调Q激光器产生的冲击波压力可以大于10个大气压。事实上，激光热效应的影响范围非常有限，压力效应引起的组织损伤会扩散到远离照射区域的位置。例如，当用红宝石激光照射小鼠的头部时，发现头皮轻微受损，而颅骨和大脑的硬脑膜没有受损，但大脑本身大面积出血，甚至导致死亡。

二、激光与生物分子相互作用机制的研究现状

20世纪80年代以来，前苏联， 匈牙利等国的专家提出了许多假说，其中常见的有四种：生物电场假说(前苏联伊刘欣提出)；色素调节假说(1981年由前苏联迦玛列拉提出)；细胞膜受体假说(1980年由苏联和普鲁哈丘科夫提出)和极化刺激假说(1977年由梅斯特提出)。另一个假说是孤子态的：进入混沌态假说。美国的英格兰人(1980)和日本的乔莫萨(1984)。

中国的肖家鑫(1987)用孤子理论解释了DNA复制和转录的遗传功能，对刘颂豪(1991)也提出了生物过程中的孤子现象。云南理工大学的周凌云对对孤立子态进入混沌态假说的进一步发展做出了贡献。激光生物物理学家王惠文，在他的著作《激光与生命科学》中介绍了周凌云的研究成果：“周凌云(1993)提出在弱激光作用下，DNA分子系统可以处于无序的混沌状态，并根据DNA分子动力学方程(Sine-Gordon方程)的分析结果，可以解释DNA的真正遗传，从而推导出包含激光-DNA分子动力学的运动方程和对DNA分子系统由于激光电场相互作用而产生的动力学效应。”即使在弱激光的作用下，用包含激光与脱氧核糖核酸相互作用运动方程的伊尼科夫方法也有可能将孤子的原始运动状态转变为混沌状态。从而导致其构象随时间不规则地进化并产生遗传变异。然而，由于激光生物刺激和诱变机制的复杂性，特别是弱激光与生物分子的相互作用机制，目前还没有完善的科学解释。

激光与生物组织的相互作用非常复杂，需要进一步研究。激光生物效应的分类没有明确的界限。例如，光热效应在光化学效应中也起着很大的作用，电磁效应也产生热效应和机械效应。激光热效应、光化学效应和机械效应通常同时发生，因此相互作用的分类不是对，效应，而是各种效应之间的差异。例如，每种效应都有典型的激光和典型的现象。激光与生物组织之间的相互作用是一个由多种因素决定的复杂过程。激光器的参数(如波长、功率、激光模式等。)，生物组织的性质(如密度、弹性、热导率、比热、热扩散率、反射率、吸收率、异质性和层次结构)和对激光的生物效应都有影响。激光对在生物组织中的作用有利也有弊。使用激光，最重要的任务是在应用前了解和理解激光与生物组织的相互作用机制。