紫外激光与组织的相互作用出现新惊喜

2008/6/23/09:46 来源：激光世界

    激光手术付诸应用已经有很多年了，但令人惊讶的是仍然有一些基础的激光与组织相互作用的研究没有完成。美国范德堡大学的研究人员最近完成了一系列实验，通过将激光在生物组织和水中进行的相同实验相比较，对显微手术过程中紫外（UV）激光能量与组织相互作用时产生的现象提出了新的看法。  

    这项实验由范德堡大学物理学副教授Shane Hutson与博士后Xiaoyan Ma共同完成，Hutson说：“这是首次在活体组织中对紫外激光的等离子体动力学进行研究，过去人们只是在水中进行实验，由于生物系统主要由水构成，所以我们一直认为活体组织中的实验结果应该与水中的实验结果是一样的，但我们却发现了数目惊人的不同之处。”  

    Hutson和Ma分别在可见光和近紫外波段，将在水中与在活体果蝇胚胎中进行激光显微手术过程中的等离子体动力学和空泡动力学进行了比较。[1]通过倒置共焦显微镜，利用调Q Nd:YAG激光器（脉宽4ns）的二次和三次谐波（波长分别为532nm和355nm），他们在任意用户定义的位置，用单脉冲或多脉冲切断厚生物样品，同时还获得了样品截面的荧光图像。  

    Hutson说他的研究小组经常用这个系统产生紫外微光束，帮助他们进一步研究细胞生物学机制。通过产生一个近衍射极限的紫外光点，并引入计算机控制的光束转向，研究人员可以记录紫外手术前、手术中、以及手术后的高分辨率、定时间隔拍摄的果蝇胚胎图像序列。Hutson表示，这为激光手术的形态形成过程和组织对激光能量的响应情况提供了独特视角。他们惊奇地发现，三次谐波的实验结果与二次谐波的实验结果有相当大的差别。事实上，他们发现近紫外波长在组织中的实际表现，要优于之前以水中的实验为基础、对在组织中进行实验的假设。  

    Hutson说：“近来对近紫外激光及其在外科手术中应用的研究并不多，诸如准分子之类的远紫外激光器在角膜组织中表现很好，但是在其他组织中也许不必使用准分子激光，可以尝试使用近红外固态激光器的三次或四次谐波。”  

    更多紫外惊喜 
 
    Hutson表示，还有其他发现也让他们倍感惊喜，例如组织的弹性如何改变等离子体形成的阈值等。通过伸展和吸收能量，生物基质抑制微爆炸的生长。这将使爆炸比在水中小得多，从而减少了在切开肉体时激光光束所引起的损伤。尽管研究人员已经预测到了这种结果，但是实际结果比预想的更明显。  

    另外一个意想不到的差别是个体等离子体气泡的起源。要产生一个这样的气泡，需要的仅仅是一些自由电子。这些自由电子从激光束中拾取能量，开始进行级联过程产生一个气泡，气泡一直生长到包含无数自由电子。随后，这个等离子体气泡的塌陷引起微爆炸。在纯水中，很难得到初始的少数电子，水分子必须在释放任何电子之前吸收几个光子。  

    Hutson说：“但是在生物系统中有一个普遍存在的分子——NADH （还原型辅酶），细胞利用这种酶来提供和吸收电子，结果表明，这种分子能吸收近紫外波段的光子。当这种分子暴露在强度非常低的紫外激光下时，便产生种子电子。这意味着在含有大量NADH的组织中，利用紫外激光进行有效切割，并不需要人们所想象的那么大的功率。”  

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