氦氖激光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地管理與服務(wù)中心 許奕

新鄉(xiāng)市動(dòng)物檢疫站 王方明

河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 李納川 劉大兵

一、氦氖激光簡介

（一）氦的理化性質(zhì)

氦，元素符號He，原子序數(shù)2，原子量4.002 602（氦-4），元素名來源于希臘文，原意是“太陽”的意思。氦有兩種天然同位素，分別為氦-3 和氦-4。自然界中存在的氦基本上是氦-4，相對原子質(zhì)量為4.003。氦氣是一種稀有氣體，無色、無味。它在水中的溶解度非常低，是已知?dú)怏w中最小的，其密度為0.17 847 g/L，是密度第二小的氣體。

氦的惰性表現(xiàn)在其極難形成化合物，這是因?yàn)楹ぴ觾?nèi)層的原子核到外層的電子層距離很小，并且達(dá)到了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。它的這種性質(zhì)決定了氦氣的用途主要是作為保護(hù)氣體、氣冷式核反應(yīng)堆的工作流體和超低溫冷凍劑等。

（二）氖的理化性質(zhì)

氖，元素符號Ne，原子序數(shù)10，核外電子排布式為1s22s22p6，屬于穩(wěn)定的8 電子構(gòu)型。同時(shí)氖原子較小，原子核對電子的束縛力較強(qiáng)，導(dǎo)致氖元素的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。

氖氣是一種無色的稀有氣體，熔點(diǎn)為-248.6℃，沸點(diǎn)為-246.08 ℃，密度為0.899 94 g/L，溶解度為10.5 ml/L，第一電離能是2372 kJ/mol。其在大氣層中分布非常稀少，只占到六萬五千分之一。由于氖極其穩(wěn)定，至今仍沒有發(fā)現(xiàn)一種確認(rèn)存在的化合物，只有一些報(bào)道稱發(fā)現(xiàn)了不穩(wěn)定的陽離子和未經(jīng)證實(shí)的水合物。

氖元素通電后會(huì)發(fā)出橙黃色的光。在所有稀有氣體中，氖的放電能力是最強(qiáng)烈的。生活中常用到的試電筆就是利用這種特性制作而成的。人們在試電筆中空部分沖入氖氣，如果有電流從電筆一端經(jīng)過，氖氣則會(huì)發(fā)出亮光，從而證明被檢驗(yàn)電路通電良好。

（三）氦氖氣體激光器原理

激光器是指能發(fā)射激光的裝置。按工作介質(zhì)來分，激光器可分為固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器四大類。隨著研究的深入，又出現(xiàn)了自由電子激光器。氣體激光器按照激勵(lì)方式不同，可以分為化學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、光激勵(lì)和氣動(dòng)激勵(lì)等。其中電激勵(lì)方式最常用。最常見的氣體激光器有氦-氖激光器、銅蒸氣激光器、二氧化碳激光器、氦-鎘激光器和氬離子激光器等。氦氖激光器是由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的伊朗籍學(xué)者佳萬(Javan)博士及其團(tuán)隊(duì)于1961年發(fā)明的，其工作物質(zhì)為以氦、氖兩種氣體按一定比例的混合物。

氦氖激光器是第一種研制成功的氣體激光器，也是最常用的一種。其單色性好，相干長度可達(dá)數(shù)十米乃至數(shù)百米。因?yàn)橹圃旆奖恪r(jià)格低廉、性能可靠，氦氖激光器被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)治療、育種、建筑測量、準(zhǔn)直指示、照排印刷、激光陀螺等多個(gè)領(lǐng)域。氦氖激光器由激光放電管、諧震腔和激勵(lì)電源三部分組成，可以產(chǎn)生632.8 nm、1152 nm、3391 nm 等不同波長的激光，其中使用最多的是632.8 nm 紅光波長的激光。

氦氖激光器的工作原理為：放電電子與氦原子發(fā)生碰撞，把氦原子從基態(tài)激發(fā)到壽命更長的亞穩(wěn)態(tài)；受激發(fā)的氦原子通過碰撞將氖原子從基態(tài)變成激發(fā)態(tài)；隨著碰撞事件越來越多，被激發(fā)的氖原子數(shù)量不斷累積直至產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；不同能態(tài)之間的氦氖轉(zhuǎn)化受激輻射產(chǎn)生632.82 nm 或其他波長的光。但是這種變化也有缺點(diǎn)，氖原子激發(fā)態(tài)會(huì)迅速衰減到基態(tài)，氦氖激光器的輸出功率就受到了限制，因?yàn)槟试拥母吣芗墪?huì)隨電流變大而飽和。

二、氦氖激光在植物種植方面的應(yīng)用

（一）植物育種方面

DNA 是生物體遺傳物質(zhì)的有效載體。DNA 通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程將其所攜帶的遺傳信息表達(dá)為蛋白質(zhì)。氦氖激光照射植物后，破壞了植物原本的DNA 有序狀態(tài)，干擾了DNA 的結(jié)構(gòu)和分型，以及遺傳信息的表達(dá)，從而使DNA 發(fā)生突變或產(chǎn)生新性狀的表達(dá)。人們可以通過篩選，將想要的性狀從隨機(jī)的突變或表達(dá)中選出，并通過多代選育將我們想要的突變或表達(dá)固定下來。

激光育種操作方法簡單，使用成本低廉，對外界環(huán)境污染小，是一種很重要的農(nóng)業(yè)育種方法，被廣泛應(yīng)用。我國從20 世紀(jì)70 年代起，開始對油菜、大豆、小麥、水稻、甜菜等農(nóng)作物開展激光誘變育種試驗(yàn)，已經(jīng)取得了許多優(yōu)良的品種。研究表明，通過氦氖激光照射和選種育種，可以提高甜菜的產(chǎn)量和含糖量，顯著提高西紅柿的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢和活力指數(shù)，提高大豆的發(fā)芽率等。

20 世紀(jì)80 年代，河南省開始運(yùn)用氦氖激光育種技術(shù)進(jìn)行油菜育種試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在一定時(shí)間內(nèi)，照射氦氖激光能使油菜種子出苗率增加，并使其成熟期提前1～3 d。通過照射氦氖激光選出的早熟株系，在第二代時(shí)依舊能夠保持早熟性狀，在第一代、第二代植株性狀表現(xiàn)較好的株系，在第三代表現(xiàn)依然很好。

20 世紀(jì)90 年代，河北省高智才團(tuán)隊(duì)采用氦氖激光對葡萄進(jìn)行激光誘變育種。其試驗(yàn)結(jié)果表明，同一個(gè)葡萄品種，在不同誘變時(shí)間的處理下，獲得優(yōu)質(zhì)突變的效果不同。激光照射5 min 以下的處理，其芽無變化；激光照射40 min 以上的處理，其芽枯死；激光照射15～35 min 之間的處理，試驗(yàn)效果最好，是出現(xiàn)優(yōu)質(zhì)突變比較適宜的范圍。

八一農(nóng)墾大學(xué)左春英團(tuán)隊(duì)經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，不同激光輻照劑量在輻照過程中產(chǎn)生不同的活化效應(yīng)；激光輻照會(huì)使DNA、RNA 和蛋白質(zhì)活性提高，使DNA處于不同程度的易突變狀態(tài)，繼而發(fā)生一系列如斷鍵、聚合等物理化學(xué)變化，導(dǎo)致DNA 及RNA 產(chǎn)生變化，從而引起細(xì)胞分裂和細(xì)胞代謝變化，最終引起生物性狀變化。

（二）植物生長方面

氦氖激光能夠通過提高植物自身的生理代謝能力來抵御逆境脅迫。激光主要通過壓力、熱、電磁場等對植物體產(chǎn)生作用。低功率的激光，因?yàn)楫a(chǎn)生的壓力以及熱效應(yīng)較小，基本通過電磁效應(yīng)及光效應(yīng)對植株產(chǎn)生影響。在一定照射時(shí)間內(nèi)，氦氖激光可以使植株內(nèi)的酶或蛋白質(zhì)產(chǎn)生新的排序，從而激活或提高其生理活性，進(jìn)而加強(qiáng)植株的抗逆能力。

有研究表明，適宜的氦氖激光輻照處理能加速植物的新陳代謝，促進(jìn)植株生長。使用較低劑量的氦氖激光照射處理小麥幼苗時(shí)，可以同時(shí)提供一定量ATP分子，不僅可以修復(fù)紫外線照射對小麥葉綠體產(chǎn)生的負(fù)面生理影響，而且能對小麥的氣孔調(diào)節(jié)產(chǎn)生一定的有益影響。

據(jù)最新研究發(fā)現(xiàn)，受適度干旱脅迫的小麥幼苗經(jīng)短時(shí)間氦氖激光照射之后，可以減輕膜的損傷，增高酶的活性，有效增強(qiáng)植物體清除活性氧的能力。

三、氦氖激光在畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）動(dòng)物臨床免疫方面

氦氖激光為632.8 nm 的紅色激光，屬于低強(qiáng)度激光，能夠很好地穿透肉體組織，可用于照射動(dòng)物，有刺激、消炎、鎮(zhèn)痛和擴(kuò)張血管等作用，可以產(chǎn)生治療效果。照射氦氖激光已成為一種常見的動(dòng)物臨床免疫手段，主要用于消炎止痛，促進(jìn)皮膚黏膜潰瘍愈合和穴位治療。創(chuàng)傷皮膚的愈合一般會(huì)經(jīng)過止血、消炎、肉芽組織形成和組織重塑四個(gè)過程。照射氦氖激光可以促進(jìn)傷口處健康細(xì)胞的生殖，促進(jìn)生長因子釋放，加速膠原沉積、清除自由基、消炎鎮(zhèn)痛等一系列作用。在肌體出現(xiàn)面積較大的創(chuàng)傷時(shí)，氦氖激光可以提供很好的治療和輔助作用。

新的研究證實(shí)，氦氖激光照射后的治療機(jī)理是對生物體產(chǎn)生光化學(xué)作用。照射后，激光可以使機(jī)體產(chǎn)生重要的生物效應(yīng)。對氦氖激光反應(yīng)最大的細(xì)胞結(jié)構(gòu)是線粒體。在氦氖激光照射后，線粒體的過氧化氫酶活性增加，可以加快細(xì)胞的新陳代謝，提高糖元含量，增加蛋白的合成和三磷酸腺苷的分解，促使新的細(xì)胞產(chǎn)生，促進(jìn)傷口和潰瘍的愈合。新細(xì)胞產(chǎn)生的同時(shí)，白血球的吞噬作用也能得到提高，從而增強(qiáng)了動(dòng)物的免疫功能。

（二）畜牧養(yǎng)殖方面

氦氖激光照射在畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。首先，在動(dòng)物生長初期對仔豬、雛雞、羔羊等牲畜進(jìn)行氦氖激光照射，可以提高其成活率。通過照射，不僅可以幫助動(dòng)物幼崽御寒，而且可以改善動(dòng)物幼崽的血液循環(huán)，促進(jìn)其生長發(fā)育，減少死亡。其次，在禽類動(dòng)物的養(yǎng)殖過程中，使用氦氖激光照射可以起到鎮(zhèn)靜作用，降低禽類動(dòng)物對環(huán)境刺激的敏感性，減少或制止禽類動(dòng)物的互啄、爭斗等行為，減輕運(yùn)動(dòng)量和損傷。夜間對雞進(jìn)行照射，可以制止其快速移動(dòng)，易于捕捉。另外,紅光照射可以延遲雞的性成熟，增加雞的產(chǎn)蛋量，并降低蛋的受精率。使用氦氖激光照射，還可以延長小母豬的性成熟時(shí)間。