生物光子学报告.doc

光与生物组织间的作用摘要：生物光子学，是由生命科学和物理科学这两者交叉融合所形成的一门新兴的交叉学科。本文主要介绍生物光子学中光与生物间的相互作用，更偏重与激光与生物之间的相互作用，例如激光生物热效应、激光生物光化效应、激光生物机械效应、激光生物电磁场效应、激光生物刺激效应等。激光对生物体的作用是医学应用的物理基础，所以本文还介绍了其在生物医学中的应用—激光治疗。正文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。而在光与生物组织间的作用又以激光最为激烈，各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。一、激光与生物组织之间的相互作用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,故生热的途径有两种，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。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.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,可能发生两种现象: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。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。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.。二．激光在生物医学中的应用对生物体应用激光的优点有以下四个方面：首先，人们日常工作生活在表现为光的电磁场中，除特殊情况外光对生物体的害处是很少的。其次，在医学上利用激光在大气中直线传播的特性，可以非接触地对生物体应用，又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部；第三，利用激光的高度的方向性，将其会聚成极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测定成为可能。最后，光与生物体进行着极其多种多样的相互作用，至今被利用的还只是很少的一部分，还需要今后开发更加多种多样的新的应用。 Laser～Tissue Interaction:Photon Migration and Heat TransferZHU Dan ZENG Shao-qun LUO Qing-ming GONG Hui(Institute for Biomedical Photonics,State Key Lab forLaser Technology,Hu