Воздействие терагерцового излучения на биообъекты

Воздействие терагерцового излучения на биообъекты

 

 

Москва Национальный Исследовательский Университет «МЭИ»

Аннотация

Работа выполнена студентом группы ЭР-16-12 Эверсковой Анастасией Михайловной по дисциплине специальные вопросы биофизики в соответствии с учебным планом специальности «Биотехнические системы и технологии» НИУ «МЭИ». В работе рассмотрены механизмы воздействия волн терагерцового диапазона на биообъекты. Работа содержит 10 страниц, 2 литературных источника и 4 иллюстрации.

 

Введение

В настоящее время наблюдается особый интерес специалистов к освоению и применению волн терагерцового диапазона (ТГц) в биомедицинской физике. Терагерцовым излучением называют электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами (от Гц до Гц).

Известно, что в ТГц диапазоне лежат спектры многих органических молекул: например, белки ДНК. При помощи данного излучения можно управлять химическими реакциями. Все это свидетельствует о возможности управления характером химических процессов.

В данной работе кратко изложено воздействие терагерцового излучения на биообъекты: рассмотрено влияние температуры и концентрации на характеристику поглощаемой мощности.

 

1. Влияние терагерцового излучения на биообъекты

Организм человека – сложная и хорошо защищенная от внешней среды система. Известно, что электрические характеристики биологических тканей и жидкостей сильно зависят от содержания в них воды: скелетные мыщцы и жировая ткань человека составляют почти половину его массы, содержание воды в которых составляет 60-80% [1]. Электрические характеристики воды не могут не сказаться на конечных результатах исследований, так как она является сильным поглотителем коротковолнового электромагнитного излучения.

Терагерцовые волны позволяют управлять направлением трансмембранного транспорта в клетке,так как они не повреждает ее, в отличие от других волн, например, рентгеновских; улучшают введение в клетки различных биологически активных соединений и фармакологических препаратов. Приведенные выше свойства ТГц волн дают возможность их использования в таких направлениях как медицинская диагностика, системы безопасности [3], поскольку эти волны способны находить различия в плотности тканей, позволяют получить детальное изображение всех частей тела под одеждой.

Для расчета мощности электромагнитных полей внутри организма, необходимо знать комплексную диэлектрическую проницаемость биологических тканей и жидкостей [1]. Электрической характеристикой среды является комплексная диэлектрическая проницаемость Ее составляют мнимая и действительная части .

 

 

2.1. Постановка задачи

Пользуясь моделью двухуровневой системы, найти зависимость удельной поглощенной мощности в среду, содержащее такое вещество, от частоты.

Исследовать влияние концентрации и температуры на спектральные характеристики.

 

2.2. Исходные данные:

- приведенная постоянная Планка

Дж/К - постоянная Больцмана

Кл м – дипольный момент

м – резонансная длина волны

м/с – скорость света

Вт/м – поток мощности

Гн/м – магнитная постоянная

Ф/м – электрическая постоянная

- частота столкновений

- частота столкновений при Т =300К

рад/с – частота квантового перехода

 

2.3. Решение задачи

Решение задачи начнем с нахождения разности населенностей двух энергетических уровней. По условию нам известно, что , а отношение населенностей верхнего и нижнего уровней мы можем выразить через фактор Больцмана: [2]. Таким образом, составим систему уравнений при T =300K):

 

Найдем значения и :

Затем найдем разность населенностей:

Запишем выражение для комплексной диэлектрической проницаемости:

Характеристическое сопротивление среды:

Для упрощения нашей задачи, пренебрегаем отражением.

Запишем в общем виде выражение для потока мощности:

Примем, что , то напряженность электрического поля:

Необходимо записать выражения для поглощенной мощности. Но перед этим учтем, что коэффициент убывания амплитуды . Получаем:

Построим график зависимости поглощенной мощности (рисунок 1) от расстояния (при том, зависимость нормированная; при T =300К):

0.2 0.4 0.6 0.8 0.5 z, м Рис. 1

 

Рассмотрим зависимость поглощенной мощности в среду от расстояния (рис.2) с учетом температурной зависимости (зависимость нормированная):

0.2 0.4 0.6 0.8 0.5 z, м Рис. 2 T =300K T =150K

 

 

По зависимости, изображенной на рис.2, замечаем, что при уменьшении температуры, поглощаемая мощность уменьшается.

Рассмотрим зависимость поглощенной мощности в среду от расстояния (рис.3) с учетом концентрации (зависимость нормированная):

0.2 0.4 0.6 0.8 0.5 z, м Рис. 3 2

 

 

По зависимости, изображенной на рис.3, замечаем, что при увеличении концентрации, поглощаемая мощность уменьшается.

 

 

Заключение

В результате проделанной работы была решена задача по прохождению электромагнитной волны через вещество, получены зависимости поглощенной мощности от расстояния 1) при разных температурах; 2) при разных концентрациях; рассмотрен механизм действия электромагнитной волны на биообъект.

 

Оглавление

Введение……………………………………………………………………….3

Влияние терагерцового излучения на биообъекты…………………………4

Постановка задачи…………………………………………………………….4

Исходные данные……………………………………………………………..4

Решение задачи…………………………………………..................................5

Заключение………………………………………………................................8

 

 

Список литературы

1. Лобов Г.Д. Взаимодействие электромагнитных полей с биообъектами – М.: Издательство МЭИ, 2011

2. Волькенштейн М.В. Биофизика – М.: Издательство Наука, 1988

3. Рытик А.П. Эффекты воздействия терагерцового излучения на биологические объекты – Саратов:2006