本论文对由激光和超声引起的生物样品的多种效应进行了研究,包括：血红蛋白配合物光解反应的热力学和动力学参量的研究,以及激光协同聚焦超声辐照生物组织的增强热效应的研究。在第一章绪论中,对相关研究进行了概述,然后在第二至第五章分别对它们进行了详细的研究和讨论,并在第六章进行了总结。血红蛋白是一种重要的携氧功能蛋白,对其与配合物的结合和解离过程中的分子结构变化、能量变化的研究,有助于了解血红蛋白与配体分子的结合和解离机制。而血红蛋白配合物光解动力学热力学参量的测量,对研究蛋白质结构与功能有着重要的意义。在第二章中,利用闪光光解法和光声量热法,对五种哺乳动物(人、牛、猪、马、兔)的碳氧血红蛋白(HbCO)在光解反应中的热力学动力学参量(包括光解量子产率、焓变和结构体积变化)进行了测量。在光声量热法(PAC)实验中使用了两种压电换能器。其中,PVDF薄膜传感器用来检测光解反应的成对复合过程(其持续时间约44ns),而中心频率为1.5MHz的PZT压电换能器主要用来检测三级结构弛豫过程(其持续时间约700ns)。两种换能器测量得到的结果,再结合闪光光解法测量得到的光解量子产率,以及相关的理论计算,可以分别得到光解过程中两个瞬态过程对应的焓变和结构体积变化。结果表明,对于不同的哺乳动物,其血红蛋白配合物光解参量存在微小的差异。为了研究生存环境对血红蛋白配合物光解参量的影响,对高原生物(斑头雁)及其低海拔同类(鸡、鹅)的HbCO光解反应也进行了同样的研究。斑头雁作为一种典型的高原生物,长期生活在氧稀薄的环境中,预计它的血红蛋白对氧的亲和力应高于其低海拔同类。对斑头雁血红蛋白配合物光解反应的研究,对于进一步研究蛋白质的结构和功能有着重要的意义。实验测量得到的结果表明,斑头雁血红蛋白配合物的光解动力学热力学参量要远低于其低海拔同类,可能说明斑头雁的血红蛋白配合物的解离能(结合能)较低,因此说明各物种血红蛋白光解参量的差异与各物种生存环境的差异有关。在第三章中,为了分析不同物种的HbCO光解热力学动力学参量差异的可能原因,对各物种的血红蛋白分子结构差异做了比较和分析。首先对血红蛋白的各级结构,与配体结合和解离的构象变化做了详细介绍。然后具体分析了五种哺乳动物不同的氨基酸序列、四级结构以及亚基间的盐桥和氢键结构,并阐述它们之间的差异对光解参量可能产生的影响。五种哺乳动物的氨基酸序列中约有20%的残基不同；而盐桥分析表明兔和人的HbCO中盐桥的对数多于猪、牛、马；此外,五种动物的Hb中所包含的氢键也存在差异,兔的差异尤其的明显。这些差异都可能引起哺乳动物的Hb光解热力学动力学参量的差异。同时,对斑头雁和其低海拔同类的血红蛋白结构也进行了相似的分析比较,结果表明,斑头雁与其低海拔同类(鹅)的氨基酸序列相比较有四个残基不同,这些变异位于蛋白质表面,很容易对光解反应产生影响。考虑到斑头雁的HbCO中盐桥对数与其低海拔同类没有明显差异,因此对HbCO光解前后盐桥的变化进行了分析,结果表明,斑头雁的HbCO光解时盐桥的变化要远低于其低海拔同类。这些差异可能导致斑头雁的光解焓变和结构体积变化要远低于其低海拔同类。聚焦超声的热效应一直是近年来研究的热点,本论文对中等强度聚焦超声在生物样品引起的热效应以及激光协同超声作用时热效应的增强进行了实验和理论研究。在第四章中,研究中心频率为1.3MHz的聚焦超声辐照猪的新鲜的肝脏、肾脏、心脏和脂肪样品上产生的热效应,并进一步使用脉冲宽度8ns、重复频率10Hz的短脉冲激光协同超声作用增强热效应。激光与超声共焦处的温度变化由直径为130μm的热电偶测量,同时使用带宽2-16MHz的接收换能器检测加热过程中产生的谐波和空化信号,以进一步研究激光增强超声热效应的机制。作为比较,对一些已经热损坏的生物样品和仿生样品也进行了相似的研究。结果表明,激光增强的热效应在具有生物活性的新鲜生物样品上更容易出现。当超声强度增强超过一定值(约为1.25MPa)后,热效应和低频宽带噪音信号异常增强,且频谱加宽,表明样品中可能出现空化效应。而脉冲激光的协同作用可以有效的增强超声空化效应,产生更多的宽带噪音成分,增加声散射和吸收,进而增加样品上的热效应。在新鲜生物样品中,激光的作用会导致一些具有生物活性的物质发生化学和生化变化,引起生物组织中的微环境和微结构发生瞬态变化,更有利于为空化提供成核位点。因此,在新鲜生物样品中更容易出现激光增强的空化效应。在第五章中,基于有限振幅声波的非线性传播方程(Westervelt方程)和生物传热方程(Pennes方程)对聚焦超声热效应进行了理论研究,利用COMSOL Multiphysics 5.1进行了相应的数值计算,可以得到聚焦超声引起的生物样品和仿生材料的温度变化。考虑到超声声压较低时,样品中不会有空化效应的出现,通过拟合使计算结果在低声压处与实验结果基本吻合。当超声声压高于空化阈值(1.25MPa)时,理论计算的温度升高小于实验测得的结果,两者温度的差异可能是空化效应引起的。为计算空化增强的热效应,对单一空化泡振荡引起的温度变化进行了相应计算,并通过与实验结果的拟合,估计样品中空化泡的数目。结果表明,在超声声压高于1.25MPa的作用下,新鲜生物样品和仿生材料中都有空化泡出现。随着超声声压的增强,样品中的空化泡数目增加。进一步通过比较激光协同超声作用和超声单独作用的实验结果,可以估算出激光协同作用引起的空化微泡数,这一数目随声压的增强而增强,并且激光增强效应在新鲜生物样品中更为明显。因此,激光与超声的协同作用可以有效的提高在组织上的加热效率,即激光的协同作用可以降低所需的超声强度,为超声治疗提供一些辅助的方法。在第六章中,对全文进行总结,并提出今后工作的展望。