弱激光生物刺激效应的机理研究

1、弱激光生物刺激效应的弱激光生物刺激效应的机理研究机理研究Low level laser弱激光生物刺激效应的机理研究弱激光生物刺激效应的机理研究v激光的医学应用激光的医学应用v弱激光生物效应弱激光生物效应v弱激光调节血红蛋白活性的机理分析弱激光调节血红蛋白活性的机理分析v弱激光提高生物酶活性的一种物理模型弱激光提高生物酶活性的一种物理模型v进一步工作进一步工作 Low level laser一、激光的医学应用一、激光的医学应用1、激光的产生、激光的产生受激吸收、自发辐射和受激辐射受激吸收、自发辐射和受激辐射产生激光的条件产生激光的条件激光的产生激光的产生2、激光器的分类、激光器的分类3 3、医用

2、激光系统的主要特征、医用激光系统的主要特征4 4、激光的医学应用、激光的医学应用5、激光医学发展展望、激光医学发展展望Low level laser一、激光的医学应用一、激光的医学应用1、激光的产生、激光的产生激光激光(laser): Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（1）受激吸收、自发辐射和受激辐射）受激吸收、自发辐射和受激辐射 按照原子的量子理论，光和原子的相互作用可能引起受激吸收、按照原子的量子理论，光和原子的相互作用可能引起受激吸收、自发辐射和受激辐射三种跃迁过程。自发辐射和受激辐射三种跃迁过程。 受激吸收受

3、激吸收：原来处于低能态：原来处于低能态E1的原子，受到频率为的原子，受到频率为 的光照射的光照射 时，若满足时，若满足 原子就有可能吸收光子向高能态原子就有可能吸收光子向高能态E2跃迁，这种过程称为跃迁，这种过程称为 受激吸收受激吸收，或称为原子的光激发。，或称为原子的光激发。12EEhE1E2h受激吸收Low level laserv自发辐射自发辐射 处于高能态的原子不是稳定的。在没有外界的作用下，激发处于高能态的原子不是稳定的。在没有外界的作用下，激发态原子会自发地向低能态跃迁，并发射出一个光子，光子的能量态原子会自发地向低能态跃迁，并发射出一个光子，光子的能量为为 ，这称为，这称为自发辐

4、射自发辐射。普通光源的发光就属于自发辐射普通光源的发光就属于自发辐射。 由于发光物质中各个原子自发地、独立地进行辐射，因而各个光子的由于发光物质中各个原子自发地、独立地进行辐射，因而各个光子的位位相、偏振态和传播方向之间没有确定的关系。相、偏振态和传播方向之间没有确定的关系。12EEhE1E2h自发辐射v 受激辐射受激辐射 处于高能态的原子，如果在自发辐射以前受到能量为处于高能态的原子，如果在自发辐射以前受到能量为12EEh的外来光子的诱发作用，就有可能从高能态跃迁到低能态，同时发射一个的外来光子的诱发作用，就有可能从高能态跃迁到低能态，同时发射一个与外来光子频率、位相、偏振态和传播方向都相同

5、的光子，这一过程称为与外来光子频率、位相、偏振态和传播方向都相同的光子，这一过程称为受激辐射。受激辐射。 在受激辐射中，一个入射光子的作用会得到两个状态全同的光子，如在受激辐射中，一个入射光子的作用会得到两个状态全同的光子，如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射，这样继续下去，就能得到大果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射，这样继续下去，就能得到大量的特征相同的光子，这就实现了光放大。量的特征相同的光子，这就实现了光放大。E1E2h受激辐射hLow level laser（2）产生激光的条件：有实现粒子数反转的激活介质；满足阈值条）产生激光的条件：有实现粒子数反转的激活介质；满足阈值条件的

6、谐振腔。件的谐振腔。 A 激活介质激活介质 激光是通过受激辐射来实现光放大的光。激光是通过受激辐射来实现光放大的光。 对光放大过程来说，受激吸收和受激发射是相互矛盾的。吸对光放大过程来说，受激吸收和受激发射是相互矛盾的。吸收过程光子数减少，而辐射过程则使光子数增加。因此，光通过收过程光子数减少，而辐射过程则使光子数增加。因此，光通过物质时光子数是增加还是减少，取决于那个过程占优势，这又决物质时光子数是增加还是减少，取决于那个过程占优势，这又决定于处于高、低能态的原子数。定于处于高、低能态的原子数。v 正常分布：正常分布：在正常状态下，处于高能态的原子数远远小于处于低在正常状态下，处于高能态的原

7、子数远远小于处于低能态的原子数，这种分布称为能态的原子数，这种分布称为正常分布正常分布。 正常分布下，受激吸收过程占优势，不可能实现光放大正常分布下，受激吸收过程占优势，不可能实现光放大。v粒子数反转：粒子数反转：要使受激辐射占优势，必须使处在高能态的原子数要使受激辐射占优势，必须使处在高能态的原子数大于低能态的原子数，这种分布与正常分布相反，称为大于低能态的原子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数反粒子数反居分布居分布，简称，简称粒子数反转粒子数反转。Low level laserv实现粒子数反转的条件实现粒子数反转的条件 （1）要实现粒子数反居分布，一定要有实现粒子数反居分）要实现粒子数

8、反居分布，一定要有实现粒子数反居分布的物质，称为布的物质，称为激活介质激活介质，这种介质必须具有适当的能级结构。，这种介质必须具有适当的能级结构。 （2）必须从外界输入能量，使激活介质有尽可能多的原子吸）必须从外界输入能量，使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态。这一能量供应过程称为收能量后跃迁到高能态。这一能量供应过程称为“激励激励”，又称，又称为为“抽运抽运”或或“泵浦泵浦”。激励的方法一般有光激励、气体放电激。激励的方法一般有光激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等。励、化学激励、核能激励等。基态E1E3E2激发态亚稳态抽运无辐射跃迁（能量转移给晶格）三能级系统 处于激发态的

9、原子是不稳定的，平均寿命约为10-8秒。有些物质存在着比一般激发态稳定的多的能级，其寿命可达到10-31秒的数量级。这种受激态称为亚稳态。具有亚稳态的物质就有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。 产生激光的工作物质有三能级和四能级系统。Low level laser B 光学谐振腔光学谐振腔 工作物质激活后，为得到激光提供了必要的条件，但是还不可能得工作物质激活后，为得到激光提供了必要的条件，但是还不可能得到方向性和单色性很好的激光。到方向性和单色性很好的激光。激发态原子激发态原子 基态基态自发辐射受激辐射 在实现了粒子数反转分布的工作物质内，初始诱发工作物质在实现了粒子数反转分布的工作物质内

10、，初始诱发工作物质原子发生受激辐射的光子来源于自发辐射，而原子的自发辐射是原子发生受激辐射的光子来源于自发辐射，而原子的自发辐射是随机的，所辐射的光的相位、偏振态、频率和传播方向都是互不随机的，所辐射的光的相位、偏振态、频率和传播方向都是互不相关，也是随机的。相关，也是随机的。无谐振腔时受激辐射的方无谐振腔时受激辐射的方向是随机的向是随机的Low level laserM M1 1M M2 2M M1 1M M2 2M M1 1M M2 2全反射镜部分反射镜谐振腔对光束方向的选择性 谐振腔可以将其它方向和频率的光子抑制住，而使某一方向和频率的光子享有最优越的条件进行放大。 最常用的是平行平面腔

11、。偏离轴线方向的光子逸出腔外 沿轴线方向的光子，在腔内来回反射，产生连锁式放大 在一定条件下，从部分反射镜射出很强的光束-激光Low level laser一、激光的医学应用一、激光的医学应用（3）激光的产生）激光的产生 将在泵浦源激发下处于粒子数反转状态的工作物质置于将在泵浦源激发下处于粒子数反转状态的工作物质置于光学谐振腔内，如图所示。光学谐振腔内，如图所示。激光工作物质泵浦源谐振腔光在谐振腔内振荡，抑制自发发射，增强受激发射，不断获得光放大，这时从谐振腔轴线方向透射出来的光就是激光。激光主要是受激发射产生的，所以是相干的。Low level laser2、激光器的分类、激光器的分类 （按

12、工作物质分类）（按工作物质分类） 激激光光器器气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器半导体激光器半导体激光器染料激光器染料激光器 气体激光器，按工作物质的性质又分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。波谱范围广，能连续输出，单色性、方向性比其它类型的激光器好。且制造方便、成本低、可靠性高。常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石。体积小、功率大、使用方便，但工作物质较贵，结构制造复杂。半导体激光器的种类很多。不同类型的工作物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不同结构，都可构成不同类型的激光器。光谱结构复杂，单色性差，但其重量轻、耗电省。利用有机染料分子独特的光谱结构，可以得到在一定范

13、围内连续可调的激光。Low level laser激光类型 波 长 典型脉冲 持续时间激光类型 波 长典型脉冲持续时间 氩离子 氪离子 氦氖二氧化碳 染料激光器二极管激光器 红宝石激光器 Nd: YLF Nd: YAG Ho: YAG Er: YAG 变频晶体488/514nm531/568/647nm 633nm 10.6m450900nm670900nm 694nm 1053nm 1064nm 2120nm 2940nm720800nm 连续 连续 连续 连续或脉冲 连续或脉冲 连续或脉冲 1250s100ns250s100ns250s100ns250s100ns250s50ns100s

14、XeCI XeF KrF ArF Nd:YLF Nd:YAG自由电子激光Ti:蓝宝石 308nm 351nm 248nm 193nm 1053nm 1064nm8006000nm7001000nm20300ns1020ns1020ns1020ns30100ps30100ps210ps10fs100fs3 3、医用激光系统的主要特征、医用激光系统的主要特征注：Nd: YAG 掺钕钇铝石榴石 Nd: YLF 掺钕氟锂钇 Low level laser4 4、激光的医学应用、激光的医学应用 激光因为其激光因为其方向性强、亮度高、单色性和相干性好的方向性强、亮度高、单色性和相干性好的特点特点, ,在激

15、光器发明后的第二年便被应用到医学上，现在已在医学诊在激光器发明后的第二年便被应用到医学上，现在已在医学诊断和治疗方面得到了广泛的应用。断和治疗方面得到了广泛的应用。 如：如：光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；膜成形术； 激光治疗前列腺良性增生；激光美容术；激光纤维激光治疗前列腺良性增生；激光美容术；激光纤维内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光关节镜内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；激光

16、在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。 到目前为止，激光在医学中比较成熟的主要应用领域仍然是到目前为止，激光在医学中比较成熟的主要应用领域仍然是在眼科。如采用在眼科。如采用Nd:YAGNd:YAG对青光眼进行手术、准分子激光治疗近对青光眼进行手术、准分子激光治疗近视眼的手术等。视眼的手术等。 牙科是第二个引入激光技术的领域。在这一领域虽然进行牙科是第二个引入激光技术的领域。在这一领域虽然进行了一些研究，但大部分的理论和实验结果尚不尽人意，因而激了一些研究，但大部分的理论和实验结果尚不尽人意，因而激光在牙科的临床应用的探讨仍在进行之中

17、。光在牙科的临床应用的探讨仍在进行之中。 目前，临床激光研究的主要精力集中于对各种肿瘤的治疗。目前，临床激光研究的主要精力集中于对各种肿瘤的治疗。如光动力疗法（如光动力疗法（photodynamic therapy PDTphotodynamic therapy PDT）等。）等。 Low level laser激光医学激光医学临床治疗医学测量和诊断显微外科手术 激光治疗视网膜裂孔、眼底病变、矫正屈光不正，清除血管堵塞物，激光结合光敏药物治疗恶性肿瘤，激光美容等。 激光多普勒流速计可以用非接触地法测量血流速度；激光流式细胞计技术能对大量细胞的多项指标进行快速测定；激光光谱分析法大大提高了分辨率

18、、灵敏度；激光全息、激光透照等有独特的检查效果。 激光聚焦照射并摧毁活细胞体内的某个区域；激光诱导细胞融合；激光裁剪DNA生物大分子等。Low level laser5、激光医学发展展望、激光医学发展展望激光医学并不限于一个或几个学科，它几乎与所有的学科都有激光医学并不限于一个或几个学科，它几乎与所有的学科都有关，可以预期将来有更大的应用前景。关，可以预期将来有更大的应用前景。对激光医学的新进展应谨慎看待。原因是：并不是每一个激光对激光医学的新进展应谨慎看待。原因是：并不是每一个激光治疗疾病的报道都能在其他的医疗机构重现；同样的效应对某治疗疾病的报道都能在其他的医疗机构重现；同样的效应对某种疾

19、病的治疗是有效的，而对另一种疾病的治疗则可能是灾难种疾病的治疗是有效的，而对另一种疾病的治疗则可能是灾难性的。性的。 国内外激光医学领域开始对激光医疗过程及其相应的治疗机国内外激光医学领域开始对激光医疗过程及其相应的治疗机理进行研究，试图从理论上对各种治疗过程及相应的治疗效应理进行研究，试图从理论上对各种治疗过程及相应的治疗效应进行解释，因而形成了激光与生物组织相互作用机理研究的学进行解释，因而形成了激光与生物组织相互作用机理研究的学科，进而发展成为生物医学光子学学科领域。科，进而发展成为生物医学光子学学科领域。Low level laser二、弱激光生物效应二、弱激光生物效应1、激光生物学效

20、应的分类、激光生物学效应的分类激激光光生生物物效效应应光化学效应光化学效应热作用热作用光蚀除作用光蚀除作用等离子体诱导蚀出作用等离子体诱导蚀出作用光致破裂作用光致破裂作用生物大分子吸收光子的能量受激活，产生受生物大分子吸收光子的能量受激活，产生受激原子、激原子、 分子和自由基，引起体内一系列化分子和自由基，引起体内一系列化学反应。（如光化学治癌、皮学反应。（如光化学治癌、皮 肤鲜红癍痣的肤鲜红癍痣的治疗等）治疗等）主要是利用激光的热量达到温热、凝结、汽化、主要是利用激光的热量达到温热、凝结、汽化、碳化和熔融效应。碳化和熔融效应。由紫外光产生的切除作用，它是高能量的紫外由紫外光产生的切除作用，它

21、是高能量的紫外激光直接打断分子键的作用。（准分子激光治激光直接打断分子键的作用。（准分子激光治疗屈光不正）疗屈光不正）高功率激光产生等离子蚀除的现象。高功率激光产生等离子蚀除的现象。高功率激光器产生的机械分裂和切割作用。高功率激光器产生的机械分裂和切割作用。激光医学中主要应用激光生物效应中的光和热作用。激光医学中主要应用激光生物效应中的光和热作用。 弱激光的刺激作用，有人认为是光化学作用，其作用时间和功率密度弱激光的刺激作用，有人认为是光化学作用，其作用时间和功率密度与化学作用差不多。与化学作用差不多。Low level laser2 2、弱激光的生物刺激作用、弱激光的生物刺激作用（1 1）弱

22、激光（）弱激光（low level laserlow level laser）：）： 照射不会对生物组织直接造成不可逆损伤的激光称为弱激光。照射不会对生物组织直接造成不可逆损伤的激光称为弱激光。（2 2）弱激光刺激作用）弱激光刺激作用 弱激光照射可以影响机体免疫功能，对神经组织和功能有刺激弱激光照射可以影响机体免疫功能，对神经组织和功能有刺激作用，还可以引起生物机体内一系列其他的生物效应。作用，还可以引起生物机体内一系列其他的生物效应。 激光生物刺激作用具有如下特点：激光生物刺激作用具有如下特点： (a) (a) 刺激或抑制刺激或抑制：激光照射小剂量起刺激作用，而大剂量反而：激光照射小剂量起刺

23、激作用，而大剂量反而起抑制作用；大小剂量的划分则随生物的结构和机能的不同而不起抑制作用；大小剂量的划分则随生物的结构和机能的不同而不同。同。 (b) (b) 积累作用积累作用：小剂量：小剂量He-NeHe-Ne激光有积累作用，即以一次大剂量激光有积累作用，即以一次大剂量照射或将该剂量分成小剂量多次照射，所起的生物效应一样大。照射或将该剂量分成小剂量多次照射，所起的生物效应一样大。 (c) (c) 抛物线效应抛物线效应：即照射次数有阀值，效应不随次数正比增大，：即照射次数有阀值，效应不随次数正比增大，有一极大值，达极大值后，再增加照射次数，刺激作用反而减弱，有一极大值，达极大值后，再增加照射次数

24、，刺激作用反而减弱，甚至变成抑制作用。甚至变成抑制作用。 Low level laser3 3、弱激光刺激作用的机理、弱激光刺激作用的机理 对弱激光刺激作用的机理研究，人们提出了很多假说，主要有对弱激光刺激作用的机理研究，人们提出了很多假说，主要有（1 1）GurvichGurvich生物场理论生物场理论 这种理论认为，完整机体的组织和器官的联系并不限于体液这种理论认为，完整机体的组织和器官的联系并不限于体液的作用和神经系统的控制机制。由于每一细胞、组织、器官及其的作用和神经系统的控制机制。由于每一细胞、组织、器官及其周围都存在着生物场，从而使高级水平的结构（机体、器官）能周围都存在着生物场，

25、从而使高级水平的结构（机体、器官）能够对低级水平的结构（组织、细胞）施加正常的影响。够对低级水平的结构（组织、细胞）施加正常的影响。 （2 2） MesterMester的线偏振光定向电场力改变细胞膜的构想假说的线偏振光定向电场力改变细胞膜的构想假说 这种理论认为，细胞膜是类脂双分子层结构，而类脂分子是这种理论认为，细胞膜是类脂双分子层结构，而类脂分子是电偶极子。当用线偏振光照射细胞时，线偏振光的电场力强迫类电偶极子。当用线偏振光照射细胞时，线偏振光的电场力强迫类脂分子极化方向沿着偏振光的电场方向重新排列，结果改变了细脂分子极化方向沿着偏振光的电场方向重新排列，结果改变了细胞膜上类脂双分子层的

26、构象，从而影响到了与细胞膜有关的每一胞膜上类脂双分子层的构象，从而影响到了与细胞膜有关的每一个过程，如细胞的能量代谢、免疫过程的和酶的反应等。个过程，如细胞的能量代谢、免疫过程的和酶的反应等。 另外还有另外还有LnyushinLnyushin的的生物等离子体学说、光色素吸收激光能生物等离子体学说、光色素吸收激光能量调节生命过程假说、细胞膜受体作用导致细胞的光照活化效应量调节生命过程假说、细胞膜受体作用导致细胞的光照活化效应假说等，但是没有一种假说能得到普遍接受假说等，但是没有一种假说能得到普遍接受。Low level laser三、弱激光调节血红蛋白活性的机理分析三、弱激光调节血红蛋白活性的机

27、理分析1 1、选题思路：、选题思路： 激光血管内照射（激光血管内照射（ILIBILIB）是采用弱激光照射循环血的一种方法，）是采用弱激光照射循环血的一种方法，它开始于上世纪它开始于上世纪8080年代，现已广泛应用于对神经系统，心血管疾年代，现已广泛应用于对神经系统，心血管疾病，肺炎及各科感染疾病的治疗。这种方法可有效降低过氧化脂病，肺炎及各科感染疾病的治疗。这种方法可有效降低过氧化脂（LPOLPO）浓度，明显提高超氧化物岐化酶）浓度，明显提高超氧化物岐化酶(SOD)(SOD)，谷胱甘肽过氧化，谷胱甘肽过氧化物酶物酶(GSHPX)(GSHPX)，及过氧化氢酶，及过氧化氢酶(CAT)(CAT)的活

28、性，增强机体清除自由基的活性，增强机体清除自由基能力，清除脑缺氧局部产生的大量自由基，抗脂质过氧化，改善能力，清除脑缺氧局部产生的大量自由基，抗脂质过氧化，改善局部脑组织的功能。局部脑组织的功能。 但是对激光血管内照射的治疗作用的机理研究，尤其是弱激光但是对激光血管内照射的治疗作用的机理研究，尤其是弱激光对血液中蛋白质活性的调节方面的研究并不深入，而弄清激光对对血液中蛋白质活性的调节方面的研究并不深入，而弄清激光对血液中蛋白质活性调节的生物物理机制有助于对治疗方法和医疗血液中蛋白质活性调节的生物物理机制有助于对治疗方法和医疗仪器的改进，为此对其机理进行了一些物理分析。仪器的改进，为此对其机理进

29、行了一些物理分析。Low level laser2 2、血液中蛋白质活性的自然调节、血液中蛋白质活性的自然调节 蛋白质是氨基酸的多聚体，其中执行酶学功能的称为酶。蛋白质的激蛋白质是氨基酸的多聚体，其中执行酶学功能的称为酶。蛋白质的激活与抑制如图活与抑制如图1 1所示：所示： (a) stimulation (b) restraint (a) stimulation (b) restraint 图图1 1 蛋白质分子的激活与抑制蛋白质分子的激活与抑制 Fig.1 The activation and restraint of protein moleculesFig.1 The activati

30、on and restraint of protein molecules 无活性形式的蛋白质底物分子不能直接参与生物化学反应，它必须先与激无活性形式的蛋白质底物分子不能直接参与生物化学反应，它必须先与激活物结合，引起其形状改变，即变构，使其形状与酶的活性位点形状接近互补，活物结合，引起其形状改变，即变构，使其形状与酶的活性位点形状接近互补，变为活性形式的底物。而活性形式的底物也可以同抑制物进行结合，通过变构，变为活性形式的底物。而活性形式的底物也可以同抑制物进行结合，通过变构，使底物分子变得无活性。使底物分子变得无活性。 生物通过释放一定量的激活因子或抑制因子从而达到对生物化学反生物通过释放

31、一定量的激活因子或抑制因子从而达到对生物化学反应的控制。应的控制。 Low level laser 3 3、激光的作用、激光的作用 3. 1 3. 1 血液在弱激光照射时的拉曼散射吸收血液在弱激光照射时的拉曼散射吸收 图2 弱激光照射时血液的拉曼散射吸收 Fig.2 The Raman scattering absorption ofblood irradiating by low level laser当频率为 的单色弱激光在血管内照射时，它与蛋白质分子相互作用，部分被吸收，部分向各个方向散射，散射光立刻分裂为若干不同波长的谱线，如图2所示 vLow level laser 瑞利散射线瑞利散

32、射线 瑞利散射线是属于弹性散射，其频率与入射光频率相同瑞利散射线是属于弹性散射，其频率与入射光频率相同 斯托克斯线斯托克斯线 血管内蛋白质分子接受光子的部分能量时，血管内蛋白质分子接受光子的部分能量时， 频率较低（频率较低（ ） 反斯托克斯线反斯托克斯线 蛋白质大分子给予光子以部分能量时谱线出现蛋白质大分子给予光子以部分能量时谱线出现 频率较高（频率较高（ ） 斯托克斯线和反斯托克斯线的光频率都与入射光的频率不同，散射斯托克斯线和反斯托克斯线的光频率都与入射光的频率不同，散射光与入射光频率之差（光与入射光频率之差（ ）称为）称为拉曼位移拉曼位移 一般来说，斯托克斯线和反斯托克斯线发生的几率应相

33、同，但由于在一般来说，斯托克斯线和反斯托克斯线发生的几率应相同，但由于在常温下大量蛋白质分子处于基态或低能态，故常温下大量蛋白质分子处于基态或低能态，故斯托克斯线发生的几率远斯托克斯线发生的几率远高于反斯托克斯线高于反斯托克斯线。 也就是说也就是说血液中有许多蛋白质大分子吸收了部分光能被激发，分子的血液中有许多蛋白质大分子吸收了部分光能被激发，分子的振动和转动能级发生了从低能级向高能级的跃迁。振动和转动能级发生了从低能级向高能级的跃迁。 vvvvhEvLow level laser3.2 3.2 激光的光压作用激光的光压作用 由于激光的光压作用，部分光子的动能将传递给蛋白质分子，使其动由于激光

34、的光压作用，部分光子的动能将传递给蛋白质分子，使其动能增加，平均速率变大能增加，平均速率变大。计算方法如下：设激光的频率为。计算方法如下：设激光的频率为。当蛋白质。当蛋白质的反射率为的反射率为时，则在每时，则在每s s照射到某个蛋白质分子上的照射到某个蛋白质分子上的N N 个光子中，有个光子中，有 个被吸收个被吸收, ,而而N N 个被反射，所以作用于此分子的压力为个被反射，所以作用于此分子的压力为: : 假设此分子的质量为假设此分子的质量为m m，f f 为分子所受的阻力，则由光压可以得到此蛋白为分子所受的阻力，则由光压可以得到此蛋白质分子在照射一秒的情况下获得的加速度为：质分子在照射一秒的

35、情况下获得的加速度为： 由此加速度以及光照时间，可以求得分子动能的增加量。由此加速度以及光照时间，可以求得分子动能的增加量。chNchNcNhP)1 (2)1 (N1mfchNmfPa/)1 (Low level laser 4 4、机理分析、机理分析 由前面的讨论可知在激光的照射下，血液中的蛋白质大分子由前面的讨论可知在激光的照射下，血液中的蛋白质大分子的总能量的总能量E E增加了，其中增加了，其中E E= =E ET T+ +E ER R+ +E EV V ，E ET T、E ER R、E EV V分别为分子的平分别为分子的平动动能、转动动能和振动动能。动动能、转动动能和振动动能。4 4、

36、1 1 蛋白质分子平动动能增加的情形蛋白质分子平动动能增加的情形 对血管中蛋白质分子之间的碰撞进行粗略的估算。对血管中蛋白质分子之间的碰撞进行粗略的估算。 用分子运动论可以推算出每用分子运动论可以推算出每s s 碰到单位立体角内血管壁上的蛋白碰到单位立体角内血管壁上的蛋白 质分子数为质分子数为 。 8vnLow level laser 为计算方便，令一个蛋白质分子贴在血管壁上，它在血管壁为计算方便，令一个蛋白质分子贴在血管壁上，它在血管壁上的投影面积为上的投影面积为S S，则每，则每s s在单位立体角内向它撞来的其他分子数在单位立体角内向它撞来的其他分子数 为为 。 因此，由于光压作用在光照因

37、此，由于光压作用在光照t t秒钟内的情形下蛋白质分子的速率秒钟内的情形下蛋白质分子的速率增加为增加为 即有即有 所以在弱激光照射时单位立体角内与某个蛋白质分子碰撞的其所以在弱激光照射时单位立体角内与某个蛋白质分子碰撞的其 他蛋白质分子个数从他蛋白质分子个数从 增加到增加到 血液中蛋白质分子的运动加剧，分子之间发生碰撞的几率增大。血液中蛋白质分子的运动加剧，分子之间发生碰撞的几率增大。8Svnatvvt_0_0_vvtSnv_081Snvt_81Low level laser 因此：因此：(1)(1)酶与底物碰撞结合的几率增加酶与底物碰撞结合的几率增加。如：磷酸化酶与底。如：磷酸化酶与底物蔗糖，

38、琥珀酸脱氢酶与底物琥珀酸盐等。物蔗糖，琥珀酸脱氢酶与底物琥珀酸盐等。这样如同激活了糖代这样如同激活了糖代谢及线粒体呼吸链所需的这几种酶，促进了糖的利用和三磷酸腺谢及线粒体呼吸链所需的这几种酶，促进了糖的利用和三磷酸腺苷（苷（ATPATP）的产生。）的产生。 (2)(2)蛋白质底物分子和酶原与激活因子结合的速率加快，数量蛋白质底物分子和酶原与激活因子结合的速率加快，数量增多，明显地提高了超氧化物岐化酶增多，明显地提高了超氧化物岐化酶(SOD)(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶(GSHPX)(GSHPX)及过氧化氢酶及过氧化氢酶(CAT)(CAT)的活性，增强了机体清除自由基的能的

39、活性，增强了机体清除自由基的能力力。 (3)(3)血液中各种分子的运动加剧有助于血液粘度下降，使血液血液中各种分子的运动加剧有助于血液粘度下降，使血液处于低凝态处于低凝态。试验表明向血液中注光，可以激活血液中的多种酶，。试验表明向血液中注光，可以激活血液中的多种酶，这些酶可以消融、分解血液中过多的脂肪，从而起到降低血脂的这些酶可以消融、分解血液中过多的脂肪，从而起到降低血脂的作用。另外，向血液注光，血液中的葡萄糖的某些分子键在光子作用。另外，向血液注光，血液中的葡萄糖的某些分子键在光子作用下断裂，启动葡萄糖醇解的化学过程，产生作用下断裂，启动葡萄糖醇解的化学过程，产生ATPATP能量，红细胞能

40、量，红细胞获得足够的能量，其变形能力随之增加，降低红细胞及血小板的获得足够的能量，其变形能力随之增加，降低红细胞及血小板的凝聚性，使得血粘度及血流变指标明显好转。凝聚性，使得血粘度及血流变指标明显好转。 Low level laser4. 2 4. 2 转动动能增加的情形转动动能增加的情形 在小剂量照射情况下在小剂量照射情况下，对底物分子和酶原而言，激活因子在其，对底物分子和酶原而言，激活因子在其4 4 立体角内出现的几率是平均的，无论是转动还是静止，在单立体角内出现的几率是平均的，无论是转动还是静止，在单位时间内底物分子和酶原的结合点得到激活因子的几率相同，所位时间内底物分子和酶原的结合点得

41、到激活因子的几率相同，所以以转动对蛋白质（包括酶）的活性无影响转动对蛋白质（包括酶）的活性无影响。 但当大剂量激光照射时，底物分子和酶原转动过快，可能甩掉但当大剂量激光照射时，底物分子和酶原转动过快，可能甩掉刚刚结合，但结合不牢的激活因子，从而出现蛋白质的活性被抑刚刚结合，但结合不牢的激活因子，从而出现蛋白质的活性被抑制的现象制的现象。酶与底物在弱激光照射下的作用过程也同蛋白质与激酶与底物在弱激光照射下的作用过程也同蛋白质与激活因子一样活因子一样。 实验证明：激光照射小剂量起刺激作用，而大剂量反而起抑实验证明：激光照射小剂量起刺激作用，而大剂量反而起抑制作用；照射次数有阈值，效应不随次数正比增

42、大，有一极大值，制作用；照射次数有阈值，效应不随次数正比增大，有一极大值，达到极大值之后，再增加照射次数，刺激作用反而减弱，甚至变达到极大值之后，再增加照射次数，刺激作用反而减弱，甚至变成抑制作用。成抑制作用。 Low level laser4. 3 4. 3 振动动能增加的情形振动动能增加的情形 某蛋白质分子与其它分子的结合是靠它的结合位点用电荷作用、某蛋白质分子与其它分子的结合是靠它的结合位点用电荷作用、疏水作用、氢键、范德华力中的一种或几种的吸引来解决的，当疏水作用、氢键、范德华力中的一种或几种的吸引来解决的，当振动动能增加时，这些结合位点将发生更大范围的振动，故其引振动动能增加时，这些

43、结合位点将发生更大范围的振动，故其引力范围也必将扩大，更易于吸住旁边飞过的激活因子，使无活性力范围也必将扩大，更易于吸住旁边飞过的激活因子，使无活性的蛋白质底物和酶原激活，也使酶更迅速地通过结合位点引力范的蛋白质底物和酶原激活，也使酶更迅速地通过结合位点引力范围的扩大，捕捉到它催化的参于生化反应的蛋白质。同样，围的扩大，捕捉到它催化的参于生化反应的蛋白质。同样，当大当大剂量照射时，振动过快可能甩掉结合不牢的激活因子，使蛋白质剂量照射时，振动过快可能甩掉结合不牢的激活因子，使蛋白质的活性被抑制的活性被抑制 . . Low level laser5.5.结论结论 (1)(1)小剂量弱激光照射时，酶

44、与底物碰撞结合的几率增加，蛋白小剂量弱激光照射时，酶与底物碰撞结合的几率增加，蛋白质底物分子和酶原与激活因子结合的速率加快，血液中多种酶的质底物分子和酶原与激活因子结合的速率加快，血液中多种酶的活性被激发。活性被激发。 (2)(2)大剂量照射时，虽然蛋白质分子间的相遇几率增大了，但由大剂量照射时，虽然蛋白质分子间的相遇几率增大了，但由于转动与振动加剧到蛋白质分子间不能牢固结合的地步，生物的于转动与振动加剧到蛋白质分子间不能牢固结合的地步，生物的活性反而被抑制。从能量的观点很好地解了释这种现象，也较好活性反而被抑制。从能量的观点很好地解了释这种现象，也较好的解释了弱激光对血红蛋白活性的调节。的解

45、释了弱激光对血红蛋白活性的调节。 但弱激光在血管内的作用是很复杂的，有多种反应在同时进行但弱激光在血管内的作用是很复杂的，有多种反应在同时进行和相互制约，而且不同波长的激光对生物的作用也是有差别的，和相互制约，而且不同波长的激光对生物的作用也是有差别的，这些还需要做更进一步的研究。这些还需要做更进一步的研究。 Low level laser四、弱激光提高生物酶活性的一种物理模型四、弱激光提高生物酶活性的一种物理模型1 1、模型的建立、模型的建立 1.1 1.1 问题的提出问题的提出 激光血管内照射几个方面的生物学效应，每一方面都与激活酶活性密激光血管内照射几个方面的生物学效应，每一方面都与激活

46、酶活性密不可分，可以说提高酶活性是生物学效应的微观基础，也就是激光血管不可分，可以说提高酶活性是生物学效应的微观基础，也就是激光血管内照射的微观基础。内照射的微观基础。 酶是执行酶学功能的蛋白质，氨基酸是蛋白质分子的基本单位。两酶是执行酶学功能的蛋白质，氨基酸是蛋白质分子的基本单位。两个氨基酸分子结合在一起释放出一个水分子，靠肽键结成一个长链，组个氨基酸分子结合在一起释放出一个水分子，靠肽键结成一个长链，组成了蛋白质的一维结构。成了蛋白质的一维结构。 对于蛋白质来讲，其活性和功能的能量供给主要由附着在蛋白质分子对于蛋白质来讲，其活性和功能的能量供给主要由附着在蛋白质分子上的三磷酸腺苷（上的三磷

47、酸腺苷（ATPATP）分子所发生的水解反应时所释放的能量，但能）分子所发生的水解反应时所释放的能量，但能量是如何传递到生物组织和细胞核内的量是如何传递到生物组织和细胞核内的DNADNA，引起肌肉的收缩和，引起肌肉的收缩和DNADNA的复的复制？它是通过一个非平衡态过程而被使用，还是通过平衡过程而转化为制？它是通过一个非平衡态过程而被使用，还是通过平衡过程而转化为满足经典热力学关系？一种可能的能量传递机制是，这个能量可以转变满足经典热力学关系？一种可能的能量传递机制是，这个能量可以转变为蛋白质分子内的振动激发。以此为基础，可以建立蛋白质分子的振动为蛋白质分子内的振动激发。以此为基础，可以建立蛋白

48、质分子的振动模型。模型。 Low level laser1.2 1.2 模型建立模型建立 蛋白质分子并不是准一维的分子链，而是由蛋白质分子并不是准一维的分子链，而是由螺旋，螺旋，片，球片，球状等空间组态连成的复杂的三维结构。为了简单起见，可以用适状等空间组态连成的复杂的三维结构。为了简单起见，可以用适当的方法把其分成很多小段，使每段可近似看成是准一维分子链。当的方法把其分成很多小段，使每段可近似看成是准一维分子链。在此分子链上，由于氨基酸分子的相似性，可以将其看作质量均在此分子链上，由于氨基酸分子的相似性，可以将其看作质量均为为m m的谐振子，而把肽键看作为倔强系数为的谐振子，而把肽键看作为倔

49、强系数为k k的弹性振子。的弹性振子。 设在某个时刻，某一谐振子与相邻谐振子之间的位置如图设在某个时刻，某一谐振子与相邻谐振子之间的位置如图1 1所示所示: : 图1 相邻谐振子的位置fig.1 The position of neighbor harmonic vibratorLow level laser 并假定某时刻从左到右三个谐振子距其平衡位置的位移依次为并假定某时刻从左到右三个谐振子距其平衡位置的位移依次为x x1 1、x x2 2、x x3 3, , ,则它们的运动方程为：则它们的运动方程为： 设设 具有复数形式具有复数形式 （i=1,2,3i=1,2,3）)(21212xxkdt

50、xdm)()(3212222xxkxxkdtxdm)(23232xxkdtxdm（1）tiiieAxixLow level laser代入方程（代入方程（1 1），并且注意到，求导算符），并且注意到，求导算符 相当于相当于(i)(i)2 2= =2 2，消去公共因子，消去公共因子e eitit ，经移项并整理，得，经移项并整理，得i i 的线性的线性齐次联立代数方程组齐次联立代数方程组2dtd0)(212AmkAmk0)2(3221AmkAmkAmk0)(322AmkAmk（2）由方程由方程(2)(2)有解的条件可以得到谐振子振动的圆频率有解的条件可以得到谐振子振动的圆频率为为mk21mk32

51、2023也就是说，谐振子的振动有三种模式。也就是说，谐振子的振动有三种模式。 Low level laser将三个将三个分别代到方程（分别代到方程（2 2），则得到每个运动模式振幅之间的比例关系），则得到每个运动模式振幅之间的比例关系 对于对于1 1： 对于对于 2 2： 对于对于 ：31AA02A23121AAA321AAA3（3） 由此可见，对于由此可见，对于1 1代表的振动模式，中间谐振子不动，代表的振动模式，中间谐振子不动，而两侧谐振子相对运动；而两侧谐振子相对运动； 对于对于2 2代表的振动模式，两侧谐振子相对静止，它们整代表的振动模式，两侧谐振子相对静止，它们整体与中央振子作相对运

52、动；体与中央振子作相对运动； 对于对于3 3代表的振动模式，则是整个分子的刚形平动，并代表的振动模式，则是整个分子的刚形平动，并非内部的振动模式。非内部的振动模式。Low level laser模式1模式2刚形平动 图2 几种振动模式fig.2 some vibration modelsLow level laser 这里讨论的是中央分子的运动，只能是模式这里讨论的是中央分子的运动，只能是模式2 2，中央谐振子以频率，中央谐振子以频率作简谐振动，根据量子力学计算结果，该谐振子能级可表示为：作简谐振动，根据量子力学计算结果，该谐振子能级可表示为： mk3)21( nEn n=0,1,2,3, n

53、=0,1,2,3,相邻能级间隔为相邻能级间隔为= = 。 假设假设L L，D D分别为激光频率以及在双键作用下谐振子的振动分别为激光频率以及在双键作用下谐振子的振动频率，由上面的讨论可知频率，由上面的讨论可知 mkD3而在单键作用下，根据振动规律有：而在单键作用下，根据振动规律有： kxFxmF即即 得到得到s s是单键作用下谐振子的振动频率，是单键作用下谐振子的振动频率， 0 xmkxmkSSD3Low level laser 所以所以 肽键能为肽键能为8484125KJ/mol, He-Ne125KJ/mol, He-Ne激光器所发光子激光器所发光子能量为能量为1 1.9 94eV4eV。

54、为了取平均值附近又利于计算，我们取。为了取平均值附近又利于计算，我们取键能为键能为108 KJ/mol 108 KJ/mol ，单个键能，单个键能1.125(eV)1.125(eV)，所以，所以 即即 （5 5） 也就是说，这种情况下，激光频率与双键作用下的振动也就是说，这种情况下，激光频率与双键作用下的振动频率相同。频率相同。3125. 1/94. 1/SLSL3SD3（4）Low level laser2 2 对模型的讨论对模型的讨论 根据上面的结果，我们可以作如下讨论：根据上面的结果，我们可以作如下讨论： 1 1、从振动的观点看、从振动的观点看 （1 1）如果是）如果是He-NeHe-N

55、e激光入射，由于有激光入射，由于有 ，所以对于氨基，所以对于氨基酸分子的实际振动，策动力频率等于固有频率，发生共振现象，酸分子的实际振动，策动力频率等于固有频率，发生共振现象，此时，氨基酸分子振动振幅达到最大。此时，氨基酸分子振动振幅达到最大。（2 2）由于氨基酸分子、肽键的差异，也有可能）由于氨基酸分子、肽键的差异，也有可能 ，此时，此时 氨基酸分子不是以固有频率振动，而是以策动力频率振动，振动氨基酸分子不是以固有频率振动，而是以策动力频率振动，振动频率增强。频率增强。（3 3）若）若 ，此时氨基酸分子以固有频率振动，但策动力到来，此时氨基酸分子以固有频率振动，但策动力到来时，振动加强一次，

56、而后又回到固有频率，频率依然是加强的。时，振动加强一次，而后又回到固有频率，频率依然是加强的。 综合所述，当有弱激光照入时，氨基酸分子的振动有的振幅综合所述，当有弱激光照入时，氨基酸分子的振动有的振幅达到最大，有的频率增强，这样酶的活性就会得以显著提高。达到最大，有的频率增强，这样酶的活性就会得以显著提高。 DLDLDLLow level laser2 2、从能级跃迁观点看、从能级跃迁观点看 当氨基酸分子振动时，由于病变导致活性降低，一般都处于能级较低当氨基酸分子振动时，由于病变导致活性降低，一般都处于能级较低的状态。的状态。 从计算结果可以看出，其能级之间隔从计算结果可以看出，其能级之间隔 , ,而而 根据能级跃迁规律，当吸收一个光子时，如果原来氨基酸分子处在根据能级跃迁规律，当吸收一个光子时，如果原来氨基酸分子处在基态，就会跃迁到第一激发态；若原来在第一激发态，则会跃迁到基态，就会跃迁到第一激发态；若原来在第一激发态，则会跃迁到第二激发态第二激发态，总之，会向上跃迁一个能级。，总之，会向上跃迁一个能级。由于每个能级向上由于每个能级向上跃迁一个能级，原来跃迁一个能级，原来“冻结冻结”在