（光学专业论文）激光对植物细胞矿化合成sio2纳米材料影响的研究.pdf

摘要 本文主要研究了低功率h e n e 激光对芦荟细胞矿化合成s i 0 2 纳米 材料的影响，选用植物组织培养的方法来产生芦荟的同源苗系，所用激 光的波长为6 3 2 8 n m 、输出功率3 0 m w 。 激光辐照后测定芦荟叶片细胞中过氧化物酶及其同工酶和纤维素 酶的活性的变化，在0 1 0 i n j i i 的范围内，酶的活性随着照射时间的延 长而增强；超过1 0 m i n ，酶的活性反而减弱。另外，同工酶的组成出现 了一些变化，显示出一些遗传特性改变的迹象。通过1 e m 、e d x 和瓜 的结果分析，芦荟细胞中s i 0 2 纳米材料沉积形式和数量由于光照而发 生变化，照射时间小于1 0 m 抽，s i 0 2 沉积成针状，与对照组相同；3 0 m i n 沉积成柱状；6 0 m i i i 时形成无定型材料。这与激光辐照改变酶活性，改 变模板基因具有相关性。本研究为激光控制矿化合成任意孔径的s i 0 2 纳米材料的研究提供了一定的前期研究数据，具有重要的学术意义和参 考价值。 关键词：h e n e 激光芦荟细胞s i 0 2 纳米材料 耽i sa n i d em a i n l vs t u d i e dt h ee f f e c t j n go fl o wi e v e lh e n el a s c ro n s v n t h e s i so ft h es i l i c an a n o p a n i c l e sb vb i o m i n e r a lm e t h o d w eo b s t a i n e d a l o es e e d i n 窟s y s t e mo ft h es a m eo r i g i nb yp l a l l tt i s s u ec u l t u r e ，a n dl a s e r w a v e l e n 璐hu s e dw 嬲6 3 2 8 ma n de x p o r t i n 窟p o w e rw a s3 0 i n w - a f t e rl a s e ri r r a d i a t i n gw et e s t e dv a r i a t i o no ft h ev i t a l i t yo fp o d 、i t s i s o z y m ea n dc e l l u l a s e d u f i n gt h et i m eo f0 - 1 0 m i n ，t l l ev i t a l i t yo fc 皿y m e 黟a d u a l l y r e i i i f o r c e dw i t h i a d i a t i n g t j m e e x t e n d i n g b e y o n d l ( ) i n i n ，i t w e a k e i l c d i na d d i t i o n ，t h eo o m s i t i o no fp o di s o z ”n eh a d m ev a r i a t i o n a n ds h o w e das i l mo ft h ec h a n g eo fg e n e n i cf e a t u r c s t h r o u g l lr e s u l ta n a l y s i s o ft b m 、e d xa n di r，s o m ev a r i a t i o no ft h ed e 口o s i t i o no fs i l i c a n a n o p a n i d e sw e r eo b s e r v e db yu s i n 2a l o ec e h sa st h et e m p l a t e i f i r r a d i a t i n gt i m ew a ss m a l l e ft h a n1 0 l i n ，s i l i c an a n o p a n i d e sw e r e n e e d l e 1 i k e a t3 0 m i ns i 0 2n a n o 口i l l a rc a i lb e e na q u i r e d a t6 0 m i ns i 0 2 d e p o s i t sh a dn of i x e df o 瑚b vt h et e o s t h a tw a sr e l a t e dt oc h a i i 譬ee n z y m e a n dt e m p l a t eg c n et h r o u g l ll a s e ri r r a d i a t i n g t h er e s e a r c hc a np r o v i d es o m e p m p h a s ed a t af o r l a s e rc o n t r o l l i n gt 0m i n e r a | s v n t l l e s i ss i 0 2n a i l o 。m a t e r i a l s o fa r b i t r a r ys i z e ，i th a ds i 足卫i f i c a n ts c i e n c em e a n i n e sa n dr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：h e - n el a s e ra l o ec e l ls i 0 2n a n o m a t e i i a l s 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，论文题目是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：澈b 趟迎6 年三月堡日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盗拯丝年三月上h 潺冬谂 指导导师签名：堑魈! 年三月丛日 第一章绪论 1 1 引言 激光技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一门新兴技术。自1 9 6 0 年美 国梅曼制成世界上第一台红宝石激光器后，激光便与医学与生物学结下 了不解之缘。由于激光具有高亮度、单色、相干及准直等特点，因此和 普通光相比，激光所引起的生物效应更为明显，如光致发光、光化学、 光致发热及光致压强作用。另外，激光还会产生一些普通光源不能产生 的生物效应，如弱激光引起的生物刺激作用等。激光技术的发展不仅为 现代医学和生物学提供了先进的研究、诊断工具，如激光流式细胞计， 激光共聚焦显微镜，光镊等，而且更是直接应用于临床治疗中。在内科、 外科、皮肤科、眼科、心血管外科、耳鼻喉等临床各科中都有广泛的应 用，并且都取得了很好的疗效。它不仅强有力地促进其物理学，化学和 现代光学技术的发展，而且成功地应用在现代工业、农业、医学、生物 学等基础和应用科学领域。激光医学和生物学，作为新兴的交叉学科， 已经取得了丰硕的成果，日益引起了人们广泛的关注。 1 2 激光生物学在植物领域的研究进展 随着激光技术的不断发展，激光在生物学领域的研究中获得广泛应 用。主要表现在植物激光育种方面【1 _ 3 】，国外开展较早的国家有美国，原 苏联，澳大利亚等。原苏联育出早熟的，果实含糖量高，含抗坏血酸与 胡萝h 素多的番茄新品种，和高产的玉米新品种。我国激光诱变育种是 从七十年代初期开始的，由四川大学生物系进行的激光油菜育种研究， 在1 9 7 3 年已有2 0 个省市近百个单位开展了研究。b e l o n o z h k o ( 1 9 8 1 p 研 究表明：激光辐射产生的突变型有早熟、高产、粒大、矮杆、抗倒伏、 薄壳等有益性状。d u d i n ( 1 9 8 3 ) 【9 】用h e n e 激光照射春大麦，得到早熟、 高产、抗倒伏三个突变种，提高了谷粒的蛋白质含量，且能遗传给后代 的特性。陈芳远1 5 j 用激光照射水稻种子，发现能缩短后代生长期，叶绿 素含量比对照组高1 4 4 2 ，后期叶片数相应多1 2 片，并发现遗传性 较稳定的性状( 如干粒重) 要诱变其突变的剂量较大，而遗传力较低的 性状所需剂量较小。只用几年时间就选育出水稻新品种一“激青”，己在 广西大面积推广。棉花品种“皖棉壹号”( 激棉7 8 2 1 ) 成熟好，纤维整齐， 品质优良，尤其是纤维强力高等特点。应用激光诱变育种获得“沙激一 号”、“沙激二号”，大豆、小麦等也都获得优良品种m 钳。 1 3s i 0 2 生物纳米材料制备的发展概况 s i o z 生物纳米材料制备是依据生物体内存在的生物矿化现象，简单 的说就是利用少量有机大分子完成和操纵分子成核、生长，最后形成纳 米结构材料，如哺乳动物门齿牙釉质矿化结构体，意大利粉状的碳酸磷 灰石晶体组装成十字构型高级复合碳纤维材料，海星海绵状腹盘和豪猪 坚硬背刺均完全由方解石单晶组成。利用生物矿化材料来合成无机材料 是最近几年才开始的。1 9 8 8 年英国的s t e p h e nm 孤n 以“生物矿化中的分 子识别”为题，n a t u r e 上发表一篇综述，提出在众多的有机体中，无机 晶体的精确排列涉及到在晶体和底物之间可控晶核的形成，这种有机无 机分子间的分子识别过程可能在无机晶体材料合成中有潜在的应用旧。 认为有机大分子对晶体矿物质的生长，晶体的形态的形成特点和粒子聚 集方面起着重要的作用m 】。在矿化区域内，有机多聚物是矿化的基础， 这些有机复合物对化学晶体的产生有两个基本作用特征，即有机复合物 的分子预组装性和无机离子与有机复合物之间的互补性。对有机复合物 的生化研究表明，不同的种类和一种生物的同一外壳的不同层间，有机 大分子复合物的化学构成也不相同。生物材料和高分子的这种准确复制 和功能特异性给材料合成的发展提供了令人兴奋的新策略【4 8 4 9 1 。1 9 9 2 年， l ( r e s g e 和b e c k 首次利用离子表面活性剂为模板，成功地合成了含硅的无 机中孔材料m j 。随后又有许多人利用同样的策略合成了含硅的无机中孔 材料。s t e p h e nm 孤n 称之为仿生材料化学的分子技术m 。到了1 9 9 6 年， 人们己经能用自组装的有机分子复合物合成复杂结构的无机材料。被使 用有机复合物模板包括l b 膜【矧、自组装单分子膜、磷脂双层膜、泡 囊州】、胶束和泡沫等。合成的物质各种各样，有的可用于大分子的催化 反应，有的形成纳米结构半导体，有的是生物大分子的分离物质，还有 的可被用于医学移植组织材料。到了1 9 9 7 年，这种仿生合成技术又有了 发展，杨宏等人已经能用十六烷基三甲基氯化铵为表面活性剂模板，以 正硅酸乙酯( t e o s ) 为中孔s i 0 2 的前体，通过控制最初的反应条件， 成功的合成了绳形、环形、盘形、螺旋形、手镯形、表形等多种图案的 s i 0 2 材料i ，但是，用这种模板获得的材料孔径被限制在1 0 n m ，小于 表面活性剂所聚集的孔径尺寸的大小。为解决这个问题，d a v i s 等人用细 菌菌线为模板，成功地获得了孔径宽度达o 5 m 的s i 0 2 材料1 6 9 1 。如图 1 1 、1 2 。 由于s i 0 2 不参入组织反应，因此，它是极好的人造植入材料。理想 的医用材料应是多孔的，组织可以黏附在上面生长。而天然的s i 0 2 含有 的孔径支持细胞生长太小。用细菌菌丝为模板合成的约o 跏m 宽的中孔 纤维丝，大孔可以提供细胞生长，同时，加入人造植入材料的抗菌素和 生长因子，可缓慢渗入到周围组织内是生物医学材料研制中的重大进展。 美国费城t e m p l e 大学微生物学家g e f a l ds h o c k m a n 说：m e n d e l s o n 发现 的细菌，已进入全盛时期。随后国内的郭中满等人用高等植物为模板 合成规则排列的s i 0 2 纳米材料，如图1 3 所示为高等植物结缕草和高羊 茅细胞间隙中沉积的s i 0 2 纳米材料。 图1 1 在风干细菌菌线中合成的s i 0 2 纳米材料 图1 2 在细菌片断中合成的s i 0 2 纳米材料 图1 3 结缕草( a ) 和高羊茅( b ) 细胞胞间沉积s i o ：投射电镜图 1 4 本论文研究的主要内容 本课题采用带刺植物芦荟作为模板进行s i 0 2 沉积实验，因为中华芦 荟胶中含有较多硅，受此启发，我们选择了芦荟叶子表皮细胞为模板进 行了s i 0 2 纳米材料的合成研究。 在h e n e 激光的照射下，通过改变激光的波长、输出功率、光斑大 小以及照射的距离、时间、部位诱导细胞基因的改变，进而改变植物细 胞模板，再施以一定浓度的硅营养，来观察s i 0 2 在芦荟细胞模板上沉积 状态及排列方式，分析各种模板在沉积过程中不同作用方式和产生作用 的条件，为用生物矿化或仿生途径合成s i 0 2 纳米晶体材料提供思路和灵 感。由于时间所限，本论文固定了激光的照射功率、照射距离和光斑大 小，只研究h e n e 激光照射时间长短对s i 0 2 纳米材料沉积形式、数量等 的影响。 1 5 本论文研究的目的和意义 本课题期望利用我校的光学资源，通过固定硅营养浓度和类型以及 固定沉积模板，研究h e n e 激光照射对s i 0 2 纳米材料沉积的影响。因为 根据文献记载，激光照射可以改变生物基因，通过改变基因，进而改变 模板，改变s i 0 2 纳米材料沉积的尺寸、形状、排列方式等。分析各种模 板在沉积过程中不同作用方式和产生作用的条件。为用生物矿化或仿生 途径合成s i 0 2 纳米晶体材料提供思路和灵感，以期达到s t e p h e n m 咖1 9 9 6 年提出的“合成具有规则的任意大小和形状孔径的无机材料” 的设想。 传统的化学材料合成是在剧烈的条件下进行的，而生物矿化是在常 温常压下进行的，并且不产生有毒的中间产物，对保护环境也十分有利。 更重要的是生物矿化具有准确的细胞加工过程，可以把小的无机晶体组 装成具有特定的形状和排列方式的纳米级( 小于1 5 姗) 、亚微米级( 1 5 1 0 0 姗) 、微米级( o 1 1 0 叫m ) 和宏观尺寸大小的结构材料。 用生物矿化仿生合成的无机材料有许多重要性质如流动性、运输性、 催化活性、分离效率、粘附特性、储存特性和从“智能”胶体中释放的动 力学特性等。有可能在以下几个方面有重要的价值。( 1 ) 催化物载体。( 2 ) 高分子物质乃至细胞的分离。( 3 ) 带孔的生物医学移植材料。( 4 ) 药物载体、 病毒转移和释放载体。( 5 ) 也可作为记忆存储材料的组成部分。所以说， 本课题无论是在理论上还是在实际应用中都具有一定的学术价值和应用 价值。 第二章激光生物学和si0 ：生物纳米材料制备的基本理论 2 1 激光生物学作用原理 自六十年代激光技术开始渗透到生物学中，激光生物学就成为一门 十分活跃，不断发展的新兴边缘学科。目前，国内外科学工作者对激光 生物学作用机理的研究比较零散，还没有形成系统的理论体系。但是大 家普遍认为，激光生物效应总的来说，可分为以下几种m 9 - 3 9 】。 2 1 1 光化效应 光对于生物分子的作用机理主要取决于分子的能级和激光的波长。 激光照射后，由于生物体内生物大分子吸收了一定波长的光予而被激活， 产生受激原子、分子和自由基，引起生物组织内发生一系列化学反应， 从而产生相应的生物效应。 生物光化效应是生物组织在光的作用下产生的生物化学反应，简称 光化作用或光化反应。生命物质之所以能够生长、复制、修补、替换、 繁殖，以及生命物质之所以能够活动，主要靠生化作用将营养物质在酶 的帮助下经化学反应，合成为生命物质，或使其分解成生命活动所需要 的能量的结果。光化作用是生化作用的一部分，其机制很复杂。 一般说来，激光和普通光的光化效应机制是一样的。普通光的光化 作用例子有视觉作用、光合作用、光敏作用及合成维生素d 等，用激光 代替普通光，则可使生物光化反应更加有效和容易控制。 1 光化作用过程 通常认为光化反应过程大致可以分成两个阶段：原初光化反应和继 发光化反应。处于基态的分子吸收光子后跃迁到电子激发态，在其返回 到基态的弛豫过程中，多余的能量将消耗于自身化学键的断裂或形成新 键上，即发生化学反应原初光化反应。如果原初光化反应直接形成 稳定的产物，没有任何中间产物出现，则这样的反应叫做协同光化学反 应，这是很少见到的。通常在原初光化反应过程中形成的产物，大多是 具有高度化学活性的中间产物，如自由基、离子或其他不稳定的产物。 这些不稳定中间产物继续进行化学反应，可在有光或无光环境中发生， 直至形成稳定的产物，这种光化学反应称继发光化学反应。 光化学反应有若干种类，如光分解反应、光氧化反应、光敏反应、 光致聚合反应、光致异构化反应等等，在生物体内进行的光化学反应的 类型需要进行具体的实验研究才能确定。 2 光化作用规律1 4 4 ”1 ( 1 ) 光化学吸收定律 光化学吸收定律即格罗索斯一德雷伯( g r o t t h u s d r a p e r ) 定律，又称光 化举第一定律，其表述为；光必须被吸收才能提供化学反应和生物学反 应的能量，也就是说只肖被分子吸收的光予能量才能在系统中释致化学 反威。由这条定律可得出一个推论：光化蔽应具有波长选择性，特定的 光化学反应要由特定波长的光子来引发。遮紫夕 波段的光子能爨太高， 不弱被生携分予吸毁；旋努波段戆龙子被分予蔽浚嚣豹裁量太低，只毙 产生宏麓斡熬效应。爨然分子被翻熟蓐蠢掰髓发生一些零滠下不能或不 弱发生的化学反应，域阿使某些生化反威绷速，但这都不属于光化学反 成的范围。只有当光吸收始予分子的能量大予断开其弱键所需骤的能量， 才会发生生物化学变化。使键断开的光子能墩范围处于0 2 分子的1 e v 到 c 0 分子的1 1 e v ，相戍于激光波长为1 2 4 0 1 1 3 姗。引起光化学反应的 波段薄强大致是波长3 s o 7 0 0 m 蛉近紫外和可见光。一些生他锈质酶 袋大吸竣波长裂予表2 1 。 袭冬1 生化物质的最大吸收波长 生化物质 最大吸收波长 ( ) 氮基酸、多肽、鬣臼质 嘿呤、噻啶、核营酸、棱酸 8 静维生素、终生豢a 磷酸继够群 菸酸 核黄索 维生素b 1 2 维生素d 时酸 维生素e 两种辅酶：m 婚獭2 f 1 a d - h 2 细胞色素a 细胞色素b 细胞色素。 氧纯酶 2 8 0 2 6 0 2 6 5 3 2 5 2 9 5 ( 酸性) 、3 8 0 ( 碱性) 3 8 5 2 6 6 、3 7 l 、4 4 0 、4 7 5 2 7 8 、3 6 1 2 6 4 5 2 5 5 、2 8 2 、3 繇 2 舛 2 6 0 、3 4 0 2 6 0 、3 6 6 、4 4 5 4 5 2 、6 0 5 4 3 2 、5 3 0 、5 6 l 4 0 8 ( 辍纯) 、5 3 0 ( 氧化) 、4 1 5 ( 还原) 、 5 5 0 ( 还藏) 4 4 0 、6 0 0 对于一个特定的光化学反应，不同波长的光化学效应的效率是不嗣 的，可以用一条曲线柬液示其相对效率和光波长的关系，称为光化效应 的作用光谱。图2 1 描绘啦光化杀菌、合成维生素d 和色素沉辫等三个 光化反应的光化作用光满。 由于激光的特殊性质，生物组织吸收激光后的光化殿应明照强于普 邋兜。院懿分别翅准分予激光素秘低压水镊烬炎照射人黢部皮默豹离钵 角质层，离体组织发射的获光光谱是相同的，光谱峰值位鬻在波长4 3 5 n m 处，发鲜蓝色光，但激光照射后产生的荧光强度要高得多。 壤辩呻 图2l 光他敞座的作用光谱 2 ) 光化学量予定律 光化学量子定律即爱因斯坦光化学量子定律，又称光化学第二定律， 其表述为：在饪秘甥缀懋纯学反慰孛，每令分子f 离子、琢予) 只裁麸入冀壹 光束中吸收一个光子。撤据爱因斯坦定律可以得出一个推论：对于确定 波长的激光，其光化效应只决寇于光束的总能墩，而不决定于光束的功 率。因魏，如莱入射蠢惑较蘸，藏可适巍延长辐照露闻，瑷达到嚣稃静 光化效应。 3 选择性生物光化效疲和选择性光激发 激光辐照和擞物分予之闻的相互作粥，强烈地依赖于激光的波长和 时间特性，即为选择性生物光化效应。生物大分子与激光的相互作用过 程一般分为三步：( 1 ) 令裂大分子设峻稳予靛激毙毙予戆爨褪过程；( 2 ) 特 殊反应中心或区域处于激发态，吸收光予能量并发生弛豫；( 3 ) 熬个生物 缎织系统在激光照射后的生理反应、光化过程及其动力学变化。 激光辐砉重对象耪大分子翡佟弼，一般饔靠嚣劝激发，褥不是纛电子黻 收来实现。为了避免振动能级发生无辐射碰撞去激活，最好使用超短激 光脉；申沉积能量；加之激光辐照窆闽位鬟仅能糖礁到光波长鲍殴囊，对 于由重复排列构成的大分子( 如d n a ) ，光束能夜许多位嚣引起破坏，无 法满足空间的选择性；鼹严重的是大分子内的能凝转移时间非常短，因 越戈了蠢选择瞧遮酸蓼菜个伲学键，要求激光派辍眩阂妊须短予量转 移时间。由于上述几种原因，选择性光化反应特别是选择性激发是很难 蜜现的。近来有人利用生物大分子内不阉碱基的瞧子吸收带之间的小差 努帮不嗣生裙分予的粒子寿命不同，采j 褥二步法，突破了生物大分子选 撵性激发的难题。实验袭明：虽然核酸碱基吸收波长的麓别很小，也可 以实现选撵性光激发。 4 红矫激兔弓| 起的化学反赢 红外光子能壤较小，不足以引起分子从旗态跃迕到电予激发淼，分 子吸浚经籁毙子嚣往往寝魂必嚣瀣效癍，瑟戳在激建润整淤嚣死擎没有 探索过红外光的光化学。但是高功率密度的红外激光束通过物质时，会 发燮双光予或多建子吸收等非线性瑷蒙，这裁挺破了经典戆光讫当量定 律的限制。 用一定频率的红外激光束照射反废物，殷应物分子中只有振动模式 频率与红岁 激光频率相阕或穗近的那个伍学键被遥发生“菸振”，吸收多 个光子能缴后被激发到商振动能级，从而表现出化学活性，引起化学反 应。由于激光其囊毫单怨性，掰鞋这耱激发倦学键方式静选择蛙缀离。 当用指定频率的红外激光照射多组分的物理、化学性质相避的混食物体 系时，只露满足“筵振”条传的分子被激发到糍振动携级，提高其纯学活 性；不满髓“共振”条件韵物质分子得不到激发，其化学活性也不能提高。 利用红外激光的高添色性所带来的振动激发高度选择性和多光子吸 毅，可敬骰至g 选择激发分子静搿定壤麓模式，簌丽滔纯并进一多酸环指 定的化学键。这就为实现“分予剪裁”提供了可能性。所谓分子剪裁就是 按照入们懿意志在分予枣有选择建酸嚣菜些纯学键，恧爨爨另一魑犍学 键，以此控制化举反应的方向。这对嫩物工程和生命科学的发展很有意 义。 2 1 。2 电磁场效反 激光是一种电磁波，它照射后由于生物体内产生的自幽基对细胞内 豹染琶体，渊a 竣及蛋臼凌造成了裁激或损伤，获焉弓| 越生物髂突交。 电场强度大小取决于激光束的功率密度。当激光束的电场强度大到 可以与生物分子熬固有场强辗 数时，激光魄磁场裁毒明驻终熙。邑熬 细胞膜的固有电场强度大约为1 0 4 v c m 。高功率密度的q 开关激光或锁 模激光，其电场强度可达1 0 6 1 0 9 v ，c m ，可导致生物组织系统发生急居 的变纯，萼| 起一系列菲线性光学效应。 1 光学谐波和光致生物发光作用 瑁毫壤场强浚戆激光照射象戆缓缓，可爱生秘俸产生光学滔浚。1 9 8 5 年r i e o k h o f f 等人弘l j 把q 开关红宝石激光聚焦于核酸晶体，获得了波长 为3 4 7 2 n m 的 鹭波。可见光魄二次谐波都是紫终光，所噬除了激光基波 的生物作用外，撩白质和核酸还可毹围强烈吸收生物体产艇的谐波紫外 光而受损。 生穆分子吸收激光能量君戳辐射光能静澎式向井释敖镌量，称为光 致发光作用，包括与入射光相间波长的共振辐射和比入射光波长艇长的 颧撬克耘辐射、以及昆入射光波长受短戆爱簸援竞聚疆射。这些繁耨辐 射的光不但可能有波长的变化，还可能在光的偏振方向、相干图彤以及 光度等方面发生变化。当受照组织处于能康或良、恶性病变状态时，可 黪致上遮兜学参数发生曼整不丽的改变。若戆捡测到巍擎参数这耱不同 的改变，即可判断被检测组织是否处于派常状态。光致发光作用可用于 临床检测与诊断，目前融用到的商载体荧光法、自体荧光法、偏光法、 光度法及各耱散瓣菝移法等。 2 受激拉曼数射和受激布里渊散射 如同一般物质样，激光与生物体棚互作用可能形成受激数射光。 激光在写生物分予相互佟用时，部分被嗷收，部分困发擞碰撞丽被散身于。 极强的激光脉冲聚焦于生物组织时，可发生受激拉曼散射，此种散射光 霹导致缎耱损像。 生物分子在激光束强电场律用下发键电致伸缩，使生物体密度发生 变化，形成弹性波。入射激光束被此种弹性波散射时，会产生缀强的相 予觳黠必，这个过程称为受激毒熬溅散掰。q 开荚激光发生这耱敬菇嚣雩， 可能产生湿著的生物效成，可导教细胞破裂，从而出现水肿【2 2 1 。 3 电凌穿与磐离子体产生 当激光束电场强度离达l 护1 妒w c m 时，可使生秘分子的外层电子 突破静电势垒而逸出，形成自由电子和离子，即发生电击穿。电击穿形 残致密豹邃褰气俸云，帮等褒予传。产生等裹予钵要求激竞功攀密度毫 蘩1 矿w ，c m 2 以上，也可使生物组织发生剥裂效威，如产生自由簇等。紫 外激光的光子能爨较高，引起生物分子嗽离并生成自由纂的几攀较高一 臻。鑫出基活淫缀寒，哥麓于砉| | l 生耪俸聂鬻生毽活动。瞧是生秘俸中形 成等离子体的范嗣很小，在其热膨胀过穰中离子和自由旗可能被迅速排 除出去，不再发嶷作用，这与放射性元素蟹在体走产生电离辐射作用斡 情形很不相同。 光致电场作用只有当高功率脉冲激光作用于生物组织时才明显，往 绽终随饕激光嬲热及压力等终雳丽怼出瑗。实黪上一个激光骧秘俘震予 生物组织，在光斑焦点处可出现热作用区、声作用区、光作用区，光斑 边缘甚至出现弱激光的生物刺激作用区。 4 。生物组织徽理结构鹃交亿1 2 3 弗l 在商功率脉冲激光柬的作用下，生物分子可能发生电离，原来无极 性的生物分子可熊发生极伐，殿寒已极化的生物分子沿魄场方超旋转， 从而弓l 裁微观结构的变化。例麴中性生物分子中电子和原子核发生相对 位移，形成电偶极子，沿外场方向形成电矩。激光电场越强，则这种极 化程度越囊。 对细胞的生命过程有重要影响的细胞膜，其主要支架是液晶态脂质 双分子层结构，丽这些滕质分子本来都怒极化分子，有一定的电矩。出 予燕运动静影酶，电筢豹取淘通常是混蔬酌，浚有一个方向占优势。当 受到较强的激光电场作用时，这种极化分子很容易沿外炀方向转动，外 电场越强则分子排列越整齐。这种变化辩细胞的生理功能有何影响，目 藏遴不薅楚。 2 1 3 热效应 热效应主要是使生物组织温度升商，引起酶失活，殛自质变性，导 数釜戆豹生理及遗传交努。 生物组织吸收了激光束的能蓬，转化为热爨使温度升高，高于常组 织温度，称为激光加热馋用，其袭现是：生物维织的热敷、红斑、灼伤、 气化、翻开、热凝和热杀等。激光对生物组织的加熬诺箱受戮许多因素 的制约，如生物组织的热物理性质、激光能量转化机制、生物缎织升温 弓l 起的变证等等。 1 生物组织的热学性质瞄。2 8 j 生物组织的热学性质是影响激光加热作用的主要因素之一。与生物 缀缓滠发交纯有关弱蒸掌往质圭簧是魄热容、热容量、煞导率帮熬扩数 率，其中比热容和热容墩一般与温度有关；而热导率和热扩散率则和组 织温度的时间交化有关系。 生物组织蔽收激光黥量丽开溢，熬磁殴传导方式向鞠周维缎传送( 热) 熊量。 2 激必翔热俸建瓣撬铡 激光加热作用的机制与入射激光光予能量商关，低能量光予可使生 物组织直接加热，高能爨光子则往往需经过中间转换过程。红外激光如 2 激巍、壬至o ：g 激光等，必予戆羹较夺，被生物缀缓分子骧狡磊不 能直接引起电子能级跃迎，只能转变为生物分予的振动能和转动能，随 殿转化为乎动能，达到热平衡，朝转化斑生物分子热运动的爨，在宏 蹒上表现为该处生物组织的温度升高。这种升潞没有中闻过程，故称赢 接生热。 霹冤紫乡 激必戆龙予戆量较大，被生蘩分予吸收曩霹馒褥旗子姨基 态跃迁到激发态。受激的分子可能通过释放光子再从电子激发悉回到基 态，也可能通过与周围分子碰撞，把激发态能爨转换成分子的平动运动 戆量，帮转证为热麓，弓| 起缀绞温菠增高，这称为闽接囊熟。 3 激光加热作用对生物组织的效应i ：2 6 t 帅，4 2 】 激炎对生物体的搬热作用会g 起生物组织发生一系列的变化，生物 组织中求或其他成分韵气仡所造成的效应将在后面分析，这罩仅把单纯 升温引起的效成分述如下。 ( 1 ) 瓣蛋自爱豹影嘲 蛋自质分子艇很高，组成和结构十分复杂，但是缎持分子空间构向 的次级镳( 非共价键) 的键能比较低，因此蚤白质分子不稳定，很容易受到 矫赛戆瑾纯学毽素的影响，酸环箕空闯构像，搜箕理化髓质发釜改变， 从而使稳定性降低并失去其生物学功能，这种现象叫做蛋白质变性。实 骏表明，当温度趟过5 6 时，可以观察刹蛋白藤的变质现象。般认为， 爨白霞受要4 激走辐照使激发上秀到6 0 瓣，裁会发生永久性的凝固变犍。 因此，定义激光辐照下生物组织内部温度超过6 0 的深度为该缀织热损 伤深度。蛋白质变性对厩常组织是有害的，它会引起不可逆的变化，使 豢鑫覆帮分或全粼失去舔有豹奎瑾功麓，傻缨稳襄缝织受至l 破舔。当然， 从另一个目的来说，这种机制使得激光辐照可用于消毒杀菌。 ( 2 ) 对酶和d 醴的影响 酶楚由活缎施产生鹃一种其有僵他性能静鬣自质。酶的种炎很多， 相应的催化反应也不一样。在生物体新陈代谢过程中，每一步擞物化学 发应几乎郝是出一定款酶寒促成熬。酶憝生物壤铯裁，薅促遴垒豫反瘦 个重簧的特点是，随麓温度增高，反应速度加快，和一般化学反应 样。温魔的微小变化可能弓i 起化学反应速率的较大变化，比如滠度变化 l ，代瀣率熬交纯裁遮1 0 。l 淹臻上矮弱激光局部黼燕歪怒惫了键 避该处生物组织的代谢。激光加热若使酶的温度升高到6 0 左宿，酶将 失去催化活性。如果温发继续魏离，不论是酶或者一般虽自质，都会因 过热丽甄去，完全丧失箕生理功能。在i 塞种程发以上的激光加热效应和 一般物质的情形相同，不再具有生物体的特点。 黢氧孩耱核羧( 鹧是生物遥簧基瓣豹载髂。实验凌疆，蓉在强内 把d n a 维持于8 0 的商温，它们的活性不会受多大影响，也就是说它 的耐热能力比一般的蛋囱质要强一些。但是也裔实验报道，激光辐照对 d 瓣a 静生长逮璇稻活镶都畜影穗，这耱效应势登影确生耪俸豹遗传特 性，例如可利用这种效殿进行激光育种试验。激光辐照也可能对动物菜 蝗癌脾的发病率产生作用。 ( 3 ) 对神经细施的影响 神经细胞对温度变化很敏感，温发梢有变化就会影响它们的正常淞 动。毒孛缀缨爨斡传导速痰夔葵滠上舞瑟麓抉，毽在筠黻上瓣糖经纲稳 的兴奋下降，传母速度变慢。当温度超过( 或低于) 正常体温4 时，中枢 神经细胞就不能雁常工作。 4 ) 辩盘液循环赘影响 加热作用引起毛细瓶管扩张、血流速度加快和血流量增多，从而利 予带走羚湿处生物缀织的热量，促使其潺度恢笈正露。髑部戆逑当的舞 溢可改芬该区组织的供瓶和营莽等，楚种有益的理疗作用。 ( 5 ) 皮肤对温度的反应 夔蓉激光鸯霹热终臻鹣热强，不霹潼浚一f 皮默将发生翔下反癍： 1 ) 温热感觉当温度升高到3 8 4 0 时，多有温热感觉，相当于理 疗上的热敷，不会造成热致损伤。 萄热致红褒爵溢弱4 3 4 4 嚣盘管扩强究斑，正常皮获在凡秒之 内即可出现热致红斑，数分钟后则出现少量炎性渗出物，并呈现轻度水 瓣。毽诧后若滠壤退回至夔常，姻_ l 琏：红斑可鲞行消退，不会造成不可逆 性的损伤。若受辎照的是肿瘸组织，幽于肿瘤细胞受温度( 热) 作用比正常 细胞敏感，照射3 0 m i n 以上即可使脞瘸细胞坏死，而正常细胞可不受此 影嚷。审医兹蠢炙涪疗及瓣瘦翁激巍滚热疗法，需要侵滋疫迭赛戴耱爱 应水平。 3 1 热致水泡当升温劐4 7 4 8 时，数秒钟之内即谢炎性物渗出潴 整在皮凑，导致袭疫窝真皮分褰瑟形藏拳逛，掇现建热臻秘测烈瓣疼痍。 4 ) 熟致凝固当组织升温达6 0 ，凝固坏死。升温到5 5 6 0 对， 受照处细胞凝固成坏死。1 0 0 以上，约在1 0 m i n 内即可姆致该处绷胞热 致凝固。 5 ) 魏致气诧拜温珞籁过l o o 辩，组织滚沸腾。若激先功率密度足 够高，即可使大缀水蒸气冲破细胞和组织而逸出，造成一缕白色气雾。 临床上称为气化治疗，就魑困见到组织液被气化引起的这缕白色水蒸气 悉褥名。 6 1 热致炭化当温度简达3 0 0 4 0 0 时，组织和细胞立刻发盥干性 坏死，袭面迅速变为棕黑色，即发生了热致炭化。 7 】热致燃烧筹漫度越过5 3 0 ，炭健嚣熬生秘缰绞瑟酉燃浇，爨瑗 火光。出于诧时仍夹杂着一些气化组织液所释放的水蒸气，故此种反应 水平的治疗仍属于气化治疗。 8 镶致切害l当激光寒功率密度进一步璞离，可导致生物维缎迅速 气纯的= 次压力律麓。若不移开激光束，受照处立刻有包含组织碎屑、 燃烧物殿水蒸气的气流喷出，出现一个火山口状的坑。如果移动激光束， 则光束所到之处的生物组织被切开。 4 。彩确激光鸯薅热作焉豹骝素 ( 1 ) 激光参数 激光参数的影响已在上节作为剂爨形式作过讨论，这里从热物理机 捌角痰份些毒 充。一般露害，红耱激巍豹燕热效率毙霹凳毙帮蘩外激党 商，聚焦紫外光柬照射组织造成豹热损伤范围较小，而邋红外激光照射 造成热损伤范围较大。激光的加热作用随入射激光束的功率密度增加而 增加，生物组织对温度戆反魔术平氇随之改变。默净激光鞠连续激光鲍 加热佟爝有明显不同。脉冲激光显著她减少受照生物缀织向周围豹燕扩 散，当激光脉冲宽度期问内热扩散距离小于组织的光学吸收深度时，激 光辐照该组织后产生的热损伤范围比较小。 实辍诞硬，蓉使缝织蘩盎的温度达到5 0 莠绦持l m i n 剐会发生不 可逆的变性；但若同样的组织蛋白升濑至7 0 ，只要保持时间不超过1 s ， 则不会受伤。激光加热作用持续时间与生物组织的热损伤闽值温艘呈对 数关系，终蘑持续时阕越缎，生物缝缓瑟受静滋度越翥。乎嚣激光奈壹 按照射生物组织时，表层升温高、深层升温低；如将激光束聚焦猩组织 深处时，深处的升温可能比表层熙高。比如在表朦细胞仅出现热凝固坏 弼豹情况下，深鬃缨戆可耱因沸腾气缘憨发生“爆炸”。 ( 2 ) 生物组织豹光学和热学性质 由于不同生物组织对激光的吸收系数及散射系数的簸异，激光对它 稻麓热幸棼翔静强弱及范戮瞧有不瓣。激毙寒功率整疫稿菇，生物组织豹 吸收系数大者热效应明最。比如功率和光斑大小相同的氟离子激光束和 卜埘：g 激光束作用于棚同的皮肤组织，出于该缓织对翁者的吸收系数 大，光斑中心楚滠升约为n d ：w k g 激光情况的两倍。如果要柱皮肤表 面达到相间的热效应，则n d ：y a g 激光束的功率密度就应为氩离子激 光柬懿鼹继。 生物组织的眈热容、热容量、热导率及热扩散率对激光加热作用均 脊很大影响。比热容越小，在同样功率密度的激光束照射温升越快。热 譬率越大，滠舞麓漫。热扩散率对予黥潦激光照射缓缀产生静麓热侔焉 脊影响，脉冲作用产生的温升恢复到正常状况的快慢取决于该生物组织 的热扩散率。 2 14 压力效应 光不仅具有波动性，还具有粒子性，因此会对生物体产生艇力作用 一是压，彀疆由激炎热热萼l 超缀织气佬导数熬气浚反渖垂、蠹邦气纯压、 热膨胀超声压、等离子体压力以及因激巍强电场引起的电致伸缩压等。 或接由光子碰撞引起的光压称为一次压力，其余由激光间接引越的压力 称为二次耀力。这嚣耱舔力统称淹激光静先致懑力，也称为光致梳碱律 用。激光作用于嫩物组织产生的压力主癸是二次压力。 l + 一次压力 先予溉有质量，又有动量。光子照射到物体上像实体粒子一样，葳 射时动量方向改变，对物体反射顽作用以光压p = i o ( 1 + r ) c ，式中i o 为 纛蹇入射躲毙隶功率整菠，r 戈豪囊黠毙瓣反射攀，e 必必速。激光功率 密度为1 0 5 w c m 。时，光臌约3 3 3 1 0 3 p a ( 3 3 1 0 2 大气压) ，一般可忽略不 计，但对精密的激光生物学实验则需考虑。 2 ，气流反捧滋力 当高功率密度激光荣聚焦于生物组织很小的面积时，该处濑度急剧 上嚣，体渡迅速沸腾，从受照处喷射出龟捶组织簿羼在内款一股气渡， 对生物缀织形成了气流及冲压力。用能塞密度为1 j c m 2 、脉宽为5 1 0 增s 的调q 脉冲激光照射骨组织，测得气流速度约l 护m s 一，产生的反冲压力 终7 。髓p a ( 攘当予? x l o 。大气压) 。一般惑爵忽略不汴。 3 内部气化藤力 激光求聚焦予组织内部由气化引起的压力，与上迷缀织表麟气化雨 造成静气流反摔疆不蠢，这耱内部气纯疆常发生于组织肉帮或戳球、脑 室等封闭空间内。若封闭的生物系统内吸收激光能量密度值超j 奠体液的 气德阕德，燹| j 产惫蒸气。汽液两稠共存时的压力、湿度和密度由系统走 部体液的临界常数决定。由于体液主撰成分是水，因此平街相交时的压 力、比热容和温度与水的临界点参数接近。水的临界温度为3 7 5 ，临 赛密度必毅l 。2 酶m ，l 强棼篷力为2 2 l 1 0 7 争a f 终爻2 1 8 溅确。将诵q 赫 冲激光聚焦于组织内或眼球、脑室等封闭体系内，当吸收的能量使体液 相变达到临界状态时，腔内气体压力可达到2 0 m p a 以上。由于气泡周围 俸滚豹聪力霹巍为0 。l m p 8 ，气逛逐遥膨胀，蒸气诤出，锼缀织结秘撅裂， 产生组织碎屑，表现为眼肉或颅内羽“爆炸”。 4 热膨胀超声波 如果入射的激光功率密度不毫，不足以产嶷气证，熊物组织仅毒体 积膨获。体积遗速膨蒎胃穰其透缘葭产生超声频率静撵镌振动，形成超 声波在艇物组织中传播，越声波压力的大小与激光加热所产生的激度梯 度成正比。若用脉冲宽度缀小的高功率密度激光束照射生物组织，可形 残缀大瓣湛疫撵壤，麸瑟产生摄强弱超声压。铡翅。能爨密疫蛰2 、 脉冲宽度5 0 i l s 的激光束作用在生物组织上，如果波长为1 o 缸m ，水的 吸收系数为3 1 0 4c i n ，则缌织中产嫩的超声服力约为o 8 m p a f 0 8 大气 压。魏暴应用嗣横强度戆歉：w 婚激光，凌予末对荚熬吸收系数绞是 2 1 0 - i 僦，产生的超声压力瞬间可这几百兆帕。 5 等离子体聪力 如霹一般物体那样，巍功率密度驰辣冲激光照射生物组织可黟残等 离子体。激光翡波长和赫爨不丽，彩袋等离予俸舱祝理w 能不同，有可 能因脉冲激光的强电场导致生物组织电击穿形成等离子体：也有可能因 生物组织本身迅遮吸收激光，发生热电离而形成等离子体。形成的等离 子薅霉缀牧各嵇波长戆激巍，其骧浚率魄原先豹生凌缀织大诲多。疆燕 吸收入射激光，引起等离子体本身迅速膨胀，并产生冲街波，生物组织 受到冲搬波或等离子体膨胀后形成的空腔塌缩产生的压力，引起局部机 械性酸豁。等褰予传黪涨产生夔婶毒波霹痤建予激竞l 受瓣手末及激光簿 石术。 6 电效伸缩压力 这是激光强彀场的激发穆用。生糖体中微鼹粒予在激先强逛扬终愿 下发生极化，产黛感生电稻极矩，并隧激光电场频率变化，跌雨产生应 力，引起电致伸缩压力。脉筑2 5 1 0 4 能量密度2 jc l l l d 的钕玻璃锁模激光 照射物体产生的魄致伸缩压力，大约为9 0 5 1 p a ( 约为8 。9 a t m ) 。与生物 缝织吸收激巍麓豢屡转为热麓两弓 越豹二次蕴力不阖之鲶是，电敬律缩 压力的产生不依赖于生物组织对激光的吸收。当激光通过透明物质时， 因吸收光予少，由热作用引起的二次压力可忽略，而纯粹由电场作用引 起静电绞弹缀要力不戆忽暌。 激光照射后镄组织变形、破裂，从而引起生理及遗传变异。农激光 的能撬未达到直接破坏和损伤生物细胞及组织时，激光的热效应和压力 效殿不起主要作用，而宦的光效应和电磁场效应则成为引起生物学效应 的主要因素。 低剂量的激光辩缴物系统有一种刺激佟用，其本质是生物分予吸收 熊爨，分子蠹发生能级疑迂，达到一定掇动憝曩馒援俸姿辩产生光照逶 化效应，获磊经酶落撬麓。强蓠露予澈巍簸生勃亵l 激效应巍镪魏筏落及 藏细胞和生亿研究方黼有很好的发现：光的吸收伴随着线粒体结构与功 能的变化，主要表现谯与照射剂量有关的 t p 能量的增加。滔当提高照 射剂量后，低功率激光对生物系统还有一种诱变作用。当激光照射生物 体时，激光的光，电磁场，热和压力效呶擞接作用于染色体，可导致染 色体发生畸变，使生物的性状发生改变戏器致生物体死亡。 2 ，2 激竞辐爨参数对生粳薅损伤的彩瞎 激光辐照生物组织后可能引起各种生物效应，引起何种效应及其强 弱，除了与生物组织特性有关外，还与激光辐照参数有关，主瓣有波长、 剂嫩、受照面积、时间、入射角以及脉冲方式和模式等因豢u ，1 6 ，l ”。 2 2 1 激光波长 毙波波长与光予戆爨柽对应，波长艇豹毙波麦子能量蔫；光戆塞奁 甄不霹，它稻跟宝物缀织稳互终爱嚣产生效应豹秘裁也完全不鞫。爨懿， 大熊量光子主要起巍嫩纯作用，小能量光予主要起热作用。肖生物系统 同时接受两种不同波长的光辐射时所观察剡的效应，往往并不是每个波 长的光辐射单独作用的相加，有时会有协同作用( 大于相加) ，柯时会有 对抗作用( 相互抵消1 。 2 2 2 激光剂量 激爱照舞虱生物掇钵上，由子辐照参数f 裁萋，大小不曩，繇弓| 起豹生 物效应夯不一群，爱物俸臻辊理霹链稳麓缀大。“裁量”这个朱语嚣在弱 激光范围内使用，其中小剂量激光对生物分子机能有刺激千譬用，大剂量 则超抑制作用。刺激作用阙值或抑制作用阐值，均随激光波长而不同， 随缴物组织光学特性溅辫疾病状态和过稳溺不同。 激光剂量可分为物壤剂量和生物剂量两类。物理剂量包撬功率、功 率密度、能量秘能量