激光等离子体效应对细胞烧蚀特性研究韩敬华，张新刚，蔡晓唐，段涛，冯国英，杨李茗，张亚筠，王绍朋，李世文发表于光谱学与光谱分析第32卷，第8期 2012年8月1激光医学随着激光技术的迅速发展，激光手术在医学领域得到越来越广泛的应用。2研究激光作用于生物体的机理及其烧蚀效果对指导激光医学实践具有重要的意义。3实验目的研究对比在激光直接辐照、聚焦表面以及激光等离子体辐照三种辐射方式下，洋葱表皮细胞的烧蚀特征并基于激光辐射的热力学特性对细胞的温升以及相变过程进行分折。4激光简介激光聚焦表面 激光等离子体激激光直接辐射5激光直接辐射激光是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为 。方向性强 单色性好 相干度高能量密度大6激光聚焦表面激光通过凸透镜能很好地会聚于一点，这个过程叫做聚焦。聚焦后激光能量密度会更大。7激光等离子体激光等离子体是应用了激光特性与等离子技术相结合的一种新型发射激光的方法。特点：光热温度均匀、光的发散角呈360 8激光等了离子体的形成等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。在激光烧蚀固体靶的过程中，当激光功率密度达到一定的阈值，便会产生等离子体。9激光等离子体的形成 第一步，当激光照射在金属表面，表面附近的电子和金属晶格吸收能量，电子与金属晶格的温度上升很快，最终发生金属的气化、爆炸等现象。第二步，烧蚀的初始产物与激光在靶面附近相互作用，导致溅射出的物质进一步加热、电离等，就会在金属靶表面形成原子、分子、离子、团簇等共存的激光等离子体。10实验概括选用鲜嫩洋葱磷叶，取其小片表皮作为实验材料。分别采用激光直接辐照、聚焦表面以及激光等离子体辐射等作用方式，对洋葱表皮细胞进行杀伤破坏实验。11实验结果（a）未经辐射洋葱表皮细胞（b）激光直接辐射洋葱表皮细胞（c）激光聚焦辐射洋葱表皮细胞（d）激光等离子体辐射洋葱表皮细胞12未经辐射洋葱表皮细胞a)是没有经过辐射的洋葱表皮细胞显微镜下细胞轮廓清晰呈长方形交错排列细胞大小均匀有比较明显的细胞间隙细胞壁表面光滑。13激光直接辐射洋葱表皮细胞b)是激光直接辐射下洋葱表皮细胞的形貌。没有发现明显的烧蚀痕迹，但细胞壁表现出皱缩，为激光烧蚀下细胞失水所导致。一般情况下，这会伴随着大量细胞质壁分离的现象出现。14激光聚焦辐射洋葱表皮细胞c)是激光聚焦到洋葱表皮上时烧蚀的形貌。高强度激光辐照下细胞内水分流失严重，细胞卷曲变形，细胞壁破坏严重，部分细胞破碎，但仍具有较清晰的细胞轮廓。在高温下一般细胞器会受到严重损伤，特别是在高温下，细胞内的蛋白质及核酸物质发生变性，维持细胞正常生命活动的生理生化途径被破坏，引发细胞大面积功的能性死亡。15激光等离子体辐射洋葱表皮细胞d）当激光聚焦到表皮前3mm时，产生激光等离子体使细胞完全破碎，产生了大范围的圆盘状的损伤区域，载玻片上仅残留细胞碎片。16将图（c）中的皱褶结构进行剥离观察期烧蚀边缘，如上图所示，可以看到烧蚀边缘非常光滑，且有层状的皱褶结构，说明激光聚焦到表层时，吸收激光脉冲能量很集中，细胞沿着激光作用路径脱水严重。17将激光聚焦到表皮3mm位置时，产生激光等离子体，其作用后的细微结构与聚焦辐射后的洋葱表皮细胞大不相同。如上图所示，烧蚀边缘非常粗糙，内部有网状的去除部分。另一类是重叠结构，部分边缘向内翻转，并在载玻片上有残余的粘贴部分。这一现象源于洋葱表皮细胞在等离子体压强冲击作用下，发生了断裂和翻卷。18实验分析由以上分析可见，虽然入射激光的能量不变，但是辐射方式的不同也会导致细胞烧蚀形貌特征的截然不同，以下结合光辐射的热力学过程对该现象进行研究。本实验从激光等离子体热效应、辐射效应以及冲击波效应三方面分析。19热效应激光等离子体产生后，会对后续激光进行强烈吸收，使激光脉冲能量大部分沉积于其中。激光等离子体作为二次热源，介于激光和表层之间有利于表层的温升及后续的相变。20辐射效应激光等离子体产生后，对后续脉冲能量的吸收使其具有高温高压效应，高温的离子会对外辐射。激光等离子体的辐射电离效应远强于入射激光，而且表皮细胞对激光等离子体的辐射光吸收比对激光辐射的吸收更多，因而导致皱褶的范围远大于聚焦半径，换言之，就是激光等离子体的辐射效应要远强于激光聚焦照射21冲击波效应高温高压等离子体以超声吸收波的形式沿逆着入射方向进行传播而形成激光等离子体冲击波，对作用的靶材料进行高压冲击。22激光等离子体冲击波聚焦中心压强最强，集中的高温高压效应可以使洋葱表面充分断裂去除，从而使细胞发生不规则裂解，细胞内材料粘附于玻璃表面，同时断裂边缘材料向外冲击然后覆盖外围洋葱表层，进而形成双重结构。随着半径的增加，激光等离子体的压强迅速减小，洋葱表皮层的压力断裂效应也逐渐不明显。23实验结论实验发现：直接辐射对细胞杀伤效果很不明显;聚焦辐射会引起焦点附近细胞的断裂以及脱水；激光等离子体辐照作用下，细胞会呈现大面积的去除，断裂边缘粗糙，且细胞层有叠加现象。24实验结论采用激光等离子体辐照的方式可以大大增强对细胞的去除效率，实现操作面的瞬间球面损伤，为激光治疗提供一个新的思路。此外可以通过光学调焦，以实现损伤半径的精确控制，进而达到对细胞的定点杀害或大面积杀害，从而缩短治疗时间，减少因过量辐照而对人体产生的副作用。2526