Люминесценция. ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

1. Различные виды люминесценции. Фотолюминесценция.

Правило Стокса.

Все виды самосвечений, кроме свечения нагретых тел, называют холодным свечением или люминесценцией. Под люминесценцией понимают собственное свечение вещества, возникающее под влиянием внешних воздействий. Примером люминесценции может служить свечение при электрическом разряде в газах, при некоторых химических процессах (гниение органических веществ, окисление фосфора), свечение светлячков, морских микроорганизмов, а также некоторых веществ под действием УФ-излучения. Это излучение имеет длительность, значительно превышающую период (10^-15 с) излучаемых световых волн. Люминесценция происходит одновременно с тепловым излучением и лежит в оптическом диапазоне.

В зависимости от рода возбуждения различают несколько видов люминесценции.

Люминесценция, вызванная заряженными частицами – ионолюминесценция; электронами – катодолюминесценция (свечение экрана электроннолучевой трубки); ядерным излучением – радиолюминесценция; рентгеновским и γ-излучением – рентгенолюминесценция; фотонами видимого и УФ-излучения – фотолюминесценция; электрическим полем – электролюминесценция, частным случаем которого является свечение газов при электрическом разряде. Люминесценцию, сопровождающую экзотермические реакции (реакции, идущие с выделением энергии), называют хемилюминесценцией. К ней относятся, в частности, биолюминесценция – свечение организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности (грибы, бактерии, насекомые).

Рассмотрим подробно фотолюминесценцию, под которой подразумевается вторичное свечение вещества, происходящее под действием ультрафиолетового или коротковолновой части видимого излучения. Фотолюминесценцию иногда просто называют люминесценцией и подразделяют на флуоресценцию (кратковременное послесвечение τ=10^-9-10^-3 с) и фосфороресценцию (длительность послесвечения до нескольких секунд и долей часа). Начальным актом фотолюминесценции является поглощение кванта света hν извне и возбуждение атома или молекулы. На рис.1 изображены электронные уровни тирозина и электронные переходы в нём. Если молекула поглощает квант света, то электроны внешних оболочек с основного энергетического уровня S₀ переходят на более высокий энергетический уровень, например, (1) или (2). При этом электронные оболочки остаются в синглетном состоянии (все электроны спарены и суммарный спиновый момент равен нулю), хотя молекула становится возбуждённой. Величина энергии поглощённого кванта равна разности энергии двух уровней, между которыми осуществляется электронный переход: hν_ПОГЛ=Е₂-Е₀, т.е. переход электрона с основного синглетного уровня на возбуждённый синглентный уровень будет соответствовать поглощению света. Таких возбуждённых синглентных уровней молекула может иметь несколько ( , , ).

Время нахождения молекулы в возбуждённом состоянии является величиной порядка 10^-9-10^-7 с. Электронная энергия возбуждённой молекулы может расходоваться в результате протекания нескольких процессов. Может передаваться другой молекуле (миграция энергии), может быть использована для увеличения тепловой энергии молекулы. Во всех этих случаях электрон возвращается на основной уровень S₀, либо на какой-либо уровень, лежащий ниже данного возбуждённого уровня. Переходы, которые сопровождаются превращением энергии в тепло, называется безизлучательным (5).

Кроме того, может наблюдаться процесс свечения молекулы, сопровождающийся переходом электронов с возбуждённых уровней на основной S₀ – люминесценция. Переход электронов с возбуждённых уровней на основной начинается вначале с промежуточного перехода с верхних возбуждённых уровней на самый нижний возбуждённый уровень ( ; ). Избыточная электронная энергия переходит при этом в тепло. Следующий этап перехода с нижнего возбуждённого уровня на основной уровень S₀ (3), при этом высвечивается квант люминесценции, энергия которого всегда будет меньше энергии поглощённого кванта на величину Е_ТЕПЛ, т.е. hν_ЛЮМ=hν_ПОГЛ-Е_ТЕПЛ, т.е.n_ЛЮМ< n_ПОГЛ, а l_ЛЮМ >l_ПОГЛ. Эта зависимость носит название закона (правила) СТОКСА: длина волны света, испускаемого при люминесценции (рис.2) всегда больше длины волны света, который её вызвал (правило смещения СТОКСА). Интенсивность люминесценции оценивается с помощью квантового выхода люминесценции: , где n - количество квантов люминесценции; N - количество поглощённых квантов в единицу времени.

Так как люминесценция всегда наблюдается при переходе с нижнего возбуждённого уровня на основной, то её интенсивность не будет зависеть от того, на какой уровень был заброшен электрон при поглощении света.

Люминесценция, которая наблюдается при переходе электрона с , называется флуоресценцией и наблюдается только непосредственно во время освещения объекта.

У некоторых веществ свечение наблюдается после выключения света, оно обусловлено переходом с триплетного уровня на основной Т®S₀. Триплетный уровень - это такой уровень, на котором имеется два не спаренных электрона и их суммарный спиновый момент может принимать одно из трёх значений: +1; 0; -1. Уровень Т расположен несколько ниже , его называют запрещённым уровнем, так как сюда электрон не может перейти с уровня S₀, однако, он может попасть сюда с возбуждённого синглетного уровня. Его путь . При переходе часть его энергии переходит в тепло. При этом спин электрона меняется на противоположный, в результате чего два электрона становятся не спаренными, а молекула превращается в бирадикал. Продолжительность жизни молекулы в триплетном состоянии от 10^-3с до нескольких секунд. Люминесценция, которая сопровождается переходом электронов с Т на S₀, называется фосфоресценцией. Так как , то λ_ФОСФ>λ_ФЛЮР. Пример: в молекуле тирозина переходу (1) соответствует максимум в спектре поглощения на длине волны λ_m=217нм. Переходу (2) - λ_m=275 нм. Максимум в спектре флюоресценции наблюдается при λ_m=304 нм (3). Фосфоресценции соответствует переход Т→S₀ (4), при этом излучается квант с λ_m=387 нм.

2. Фотолюминесцентный качественный и количественный анализ биологических систем.

Явление люминесценции лежит в основе метода обнаружения и определения содержания химических компонентов в смеси. Этот метод называется люминесцентным анализом. Наличие того или иного компонента (качественный анализ) определяют по окраске люминесцентного излучения, так как максимуму спектра люминесценции соответствует определённый цвет. Количество вещества (количественный анализ) определяют по интенсивности люминесцентного излучения. При люминесцентном анализе для возбуждения молекул вещества чаще всего используется УФ-излучение.

Люминесцентный анализ применяется в самых различных отраслях науки и практики. Отличительной чертой люминесцентного анализа является возможность обнаружить наличие ничтожно малого количества вещества до – 10^{-9 г. Большая часть органических соединений (кислоты, алкалоиды, красители) дают при поглощении УФ-излучения характерное свечение. Например, никотин даёт темно-фиолетовое свечение. Люминесцентный анализ чувствителен, не требует разделения смеси, его можно проводить в биологических средах, тканях и других многокомпонентных системах. На основе люминесценции в санитарно-гигиенической практике применяется метод проверки качества и сортировка пищевых продуктов (используется для обнаружения начальной стадии порчи продуктов), сортировка и проверка качества фармакологических средств, растительного волокна (тканей), кожи, обнаружение в них суррогатов или фальсификаций. Фотолюминесценцию дают ткани живого организма, особенно ногти, зубы, непигментированные (седые) волосы, склера, роговая оболочка и особенно хрусталик глаза, а так же другие ткани. Люминесцентный анализ используется для контроля за чистотой реактивов и воды.}

В криминалистике облучение УФ-излучением позволяет обнаружить невидимые следы крови, причём свечение крови человека отличается от свечения крови животных и птиц.

По цвету свечения различают живые и мёртвые клетки. Наличие адреналина в крови человека определяется по его характерному зелёно-жёлтому свечению. Люминесцентный анализ применяется и при диагностике заболеваний, особенно кожных (дерматомикозы животных) и других болезней. Так поражённые грибком волосы, чешуйки кожи под УФ-облучением дают ярко-зелёное люминесцентное свечение. Во многих случаях в качестве диагностического приёма пользуются введением в организм люминесцентных красок, которые адсорбируются в тех или иных тканях. Эти ткани затем исследуют под действием УФ-излучения. Например, в вену человека вводят раствор флюоресцила и через несколько секунд наблюдают яркую возбуждаемую ультрафиолетом зелёную люминесценцию губ и глаз. Этим методом определяется циркуляция крови в области тела с пониженным кровообращением. Проницаемость капилляров можно определить, вводя подкожно люминесцентные красящие вещества. На рис.3 показана схема люминесцентного (флуоресцентного) анализа. УФ-излучение от ртутной лампы (РЛ) направляется на объект (ОБ) и возбуждает его люминесценцию. Свет люминесценции поступает в приёмник (ПР) – глаз, фотоэлемент, фотопластинка, фотоумножитель, где регистрируется. Чтобы видимый свет источника не накладывался на свет люминесценции, применяют светофильтр СФ, пропускающий к объекту только невидимые глазом УФ-лучи.

Люминесцентный анализ можно подразделить на макроанализ и микроанализ. Во втором случае наблюдение проводится при помощи микроскопа. В люминесцентной микроскопии препараты, способные люминесцировать, изучаются под микроскопом при УФ-освещении и использовании соответствующих светофильтров. По виду свечения микропрепаратов, приготовленных из продуктов питания, можно распознать виды возбудителей инфекционных заболеваний: туберкулёза, сальмонеллёза, сибирской язвы.

Следует отметить, что если квантовый выход люминесценции больше 1%, то такие соединения легко обнаруживаются люминесцентным методом. Высоким квантовым выходом обладает триптофан в белках, витамин А, В₆, Е, многие лекарственные вещества. Легко обнаруживаются люминесцентным методом канцерогенные углеводороды в воздухе городов, дыме сигарет и т.д.

Некоторые соединения, не обладающие собственной флюоресценцией, после специальной химической обработки дают продукты с высоким квантовым выходом. Этим методом определяют морфин, героин и другие наркотики, витамины С, Д, В₁₂ и др.

3. Индуцированное излучение атомов.

Излучение одного атома чрезвычайно мало, большого числа атомов крайне неупорядочено. Поиски управления излучением атомов или молекул для получения мощных потоков когерентного излучения привели к созданию мазеров – молекулярных усилителей, затем лазеров (квантовых генераторов). Именно эти вопросы являются основными в квантовой электронике, которая изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем.

Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники. Эйнштейн доказал, что кроме двух явлений (поглощения и испускания) для атома существует ещё одно – вынужденное или индуцированное излучение, сущность которого заключается в следующем. Фотон света, пролетая мимо возбуждённого атома, превращает его в невозбуждённый атом (если энергия фотона совпадает с энергией возбуждённого атома), который излучает новый фотон. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распространяться два одинаковых фотона: один – первичный, внешний, а второй – вторичный, излучаемый. Два фотона, пролетая в свою очередь мимо других возбуждённых атомов, переведут их также в нормальное состояние с излучением ещё двух фотонов.

Число вынужденных переходов, совершённых в секунду, будет зависеть от числа фотонов, попадающих в вещество. Кроме того, вынужденный переход будет определяться заполненностью или заселённостью соответствующих энергетических уровней. При таком излучении происходит лавинообразное увеличение числа фотонов, т.е. усиление света. Такое излучение и называется индуцированным. Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном излучении (когерентном усилении). Существование индуцированного излучения было предсказано Эйнштейном теоретически. Его следовало проверить экспериментально.

В атоме «населённость» нижних уровней в соответствии с распределением Больцмана намного больше, чем верхних. Вторичные фотоны, возникающие в результате индуцированного излучения, а также многие фотоны внешнего воздействия будут поглощаться атомами, расположенными на более низких уровнях. В результате поглощение будет больше, чем излучение и усиление света не произойдёт. Чтобы осуществить усиление света, необходимо кроме внешнего воздействия, подобрать такую активную среду, в которой число возбуждённых атомов было бы больше числа невозбуждённых атомов, т.е. распределение в атоме электронов должно быть обратным больцмановскому (инверсия населённости). В качестве активных сред могут использоваться плазма, некоторые газы и их смеси, кристаллические тела, стёкла, жидкости, многие полупроводниковые материалы. По мере распространения света в такой среде интенсивность его будет возрастать.

4. Оптические квантовые генераторы (лазеры).

Явление вынужденного излучения используется в оптических квантовых генераторах (лазерах). Первый такой генератор в диапазоне СВЧ был сконструирован в 1955 году независимо друг от друга советскими учёными Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым и американским учёным И. Таунсом. За эти работы им была присуждена Нобелевская премия. В 1969 году был создан первый генератор видимого диапазона с рубином в качестве рабочего вещества.

Рассмотрим принцип получения индуцированного излучения на примере рубинового лазера, главной частью которого является рубин – кристалл окиси алюминия Al₂O₃ с примесью трехвалентных ионов хрома Cr³⁺ (0,03 – 0,05%). В качестве внешнего воздействия, или так называемой накачки, используется импульсная ксеноновая лампа (ИЛ), спирально расположенная вокруг рубинового стержня. Плазма, возникающая в результате разряда в импульсной лампе, излучает мощный поток света, который поступает в глубину рубинового стержня. Из всего потока света полезными являются лишь зелёные лучи (λ=560 нм). Они возбуждают атомы хрома (рис.4), переводя их с уровня 1 на уровень 3. На этом уровне многие атомы хрома долго не задерживаются, а переходят на более низкий уровень 2, расположенный близко к уровню 3. Этот переход безизлучательный (тепловое излучение). В результате такого перехода повышается температура кристаллической решётки рубина. Возбуждённые атомы могут переходить с уровня 1 на уровень 3 за время t=10^-6; с 3 на 2 (t=10^-8); с 2 на 1 (t=10^-3).

Как видно, самое большое время требуется для перехода атомов с уровня 2 на уровень 1, поэтому уровень 2 будет наиболее заселённым возбуждёнными атомами. Этот уровень называется метастабильным (неустойчивым или временно устойчивым). Если фотон внешнего воздействия пролетает мимо возбуждённого атома, находящегося на уровне 2, то атом перейдёт на уровень 1, излучив фотон красного света (λ=694,3 нм). Возникает когерентное индуцированное излучение.

Кристалл рубина имеет удлинённую цилиндрическую форму со строго параллельными отшлифованными торцами (представляет зеркальный резонатор). Передний торец его полупрозрачен, а задний не прозрачен. Длина рубинового стержня ограничена. Использование стержня длиной более 30 см не представляется возможным, т.к. усложняется накачка атомов и фокусировка излучения. Поэтому для увеличения пути фотонов их заставляют многократно отражаться от зеркальных торцовых поверхностей. Поток фотонов, движущийся параллельно оси кристалла, выходит через полупрозрачный торец, фокусируется линзой и направляется на мишень в виде остронаправленного когерентного луча. Оптический квантовый генератор на рубине работает в импульсном режиме. Энергия генерации за время одного импульса накачки достигает 1000 Дж.

Наряду с кристаллическими лазерами широкое распространение получили газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется газ. Достоинством таких лазеров является непрерывность режима излучения. Первый газовый лазер представлял кварцевую трубку, заполненную смесью газов гелия и неона. Возбуждение газа проводилось с помощью высокочастотного (ВЧ) генератора с частотой в несколько десятков мегагерц (в трубку были вмонтированы электроды). Излучающими в нём были атомы неона. Атомы гелия играли вспомогательную роль. На рис.5 изображена упрощённая схема энергетических уровней атомов гелия и неона. При электрическом разряде часть атомов неона с основного уровня 1 переходит на возбуждённый уровень 3. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 и 2. Для создания инверсии населённости необходимо увеличить населённость уровня 3 и уменьшить на уровне 2. Внесение в смесь гелия создаёт такие условия. Первый возбуждённый уровень гелия совпадает с уровнем 3 неона. Возбуждённые атомы гелия при неупругих соударениях с невозбуждёнными атомами неона переводят их в возбуждённое состояние, а сами возвращаются в исходное состояние. В результате этого удаётся добиться преимущественного заселения верхних уровней рабочего газа-неона. Верхние уровни (2, 3) обладают сложной структурой, они состоят из множества подуровней. Поэтому гелий-неоновые лазеры могут работать на многих длинах волн в области видимого и инфракрасного излучения. Так, красным гелий-неоновым лазером излучается (переход 3→2) длина волны 632,8 нм. Вследствие того, что при однократном прохождении луча в активной смеси он усиливается незначительно, применяют внешние отражающие пластины в виде резонаторных зеркал. Создаются условия для самовозбуждения и поддержки генерации. Отражающие пластины могут располагаться и внутри газового лазера. Если торцы трубки имеют вид стеклянных пластин, расположенных под углом Брюстера, то выходящий лазерный луч будет не только высокомонохроматичным и узконаправленным, но и поляризованным.

5. Основные свойства лазерного излучения,

биофизический механизм его действия,

применение в биологии и медицине.

Лазеры за короткий срок со времени их создания нашли широкое применение в биологии и медицине. Применение лазеров основано на свойствах его излучения: строгая монохроматичность (Δλ≈0,01 нм), когерентность, узкая направленность (лазерный луч обладает свойством малой расходимости), энергоёмкость. В общем случае расходимость луча оптического квантового генератора определяется явлением дифракции и зависит от диаметра стержня активного вещества: , где θ – угловая расходимость луча (в радианах); λ – длина волны излучения; D – диаметр стержня.

Высокая когерентность лазерного луча позволила осуществить принципиально новый метод фотографирования – получение трёхмерного изображения, которое было названо голографическим (от греческого слова holos – весь). Когерентность, узкая направленность и высокая концентрация энергии лазера позволяют использовать его в различных областях науки и техники.

Указанные выше свойства лазерного излучения дают возможность сфокусировать его на весьма мелкие биологические структуры и использовать лазер как исследовательский и микрохирургический инструмент на клеточном уровне. Большой диапазон интенсивности излучения позволяют изменить характер воздействия на биологические объекты от стимулирующего и терапевтического (10^-3 Вт/см²) до взрывного, сопровождающегося тепловыми (коагуляция), электромагнитными и акустическими процессами и ионизацией (10⁷ Вт/см²).

В биологической и медицинской практике производятся исследования по изучению поглощения лазерного излучения тканями человека, животных и растений. Биологическое действие лазера установлено достоверно. Причём отмечено, что возникающие эффекты обусловлены характерными свойствами этого излучения. Поглощаясь в биологических тканях, значительная часть излучения лазера переходит в теплоту. В биологических тканях поглощение происходит избирательно, т.к. входящие в состав тканей структурные элементы имеют различные показатели поглощения и отражения излучения. Термический эффект лазерного излучения зависит как от интенсивности светового потока, так и от степени поглощения его тканью. Поражение ткани при мощном лазерном облучении сходно с ожогом, возникающем под действием токов высокой частоты, но только с резкой границей поражённого участка. Наиболее чувствительны к повышению температуры ферменты, которые при значительном тепловом воздействии разрушаются первыми, биохимические реакции затормаживаются, что может привести к гибели клетки. Биологические ткани, как известно, состоят из различных структур, в них могут происходить процессы многократного отражения излучения лазера как на микроскопическом, так и на макроскопических уровнях. При этом не исключается вероятность изменения длины волны излучения в сторону её увеличения. В результате полного многократного отражения излучения лазера в определённых участках ткани произойдёт резкое повышение плотности энергии излучения и температуры. Тепловой эффект излучения лазера имеет свою специфичность. При действии излучения лазера перепад температур в очагах нагрева происходит очень быстро. В результате в жидких компонентах клеток и тканей возникает ударная волна, действующая на ткани и органы и приводящая к их повреждению.

Основными областями применения лазеров в медицине является хирургия, офтальмология, онкология. В хирургии применяются СО₂-лазеры мощностью 30-100 Вт, работающие в непрерывном режиме. Свойства лазерного луча разрушать биологические ткани, совмещённые с коагуляцией белка, позволяет проводить некоторые бескровные рассечения. Лазерный скальпель перед традиционным скальпелем имеет ряд преимуществ. Основными проблемами хирургии является боль, кровотечение и стерильность. Эти проблемы решаются при использовании лазера очень просто: лазерное излучение, в отличие от обычного скальпеля, не может внести инфекцию, оно стерилизует рассекаемые ткани, даже если они уже инфицированы нагноением; потери крови не происходит, поскольку кровеносные сосуды мгновенно закупориваются свернувшейся кровью. Существенно, что лазерный скальпель не оказывает на ткань механического давления, что снижает ощущение боли. Кроме того, с помощью современных эндоскопов и гибких световодов (волоконная оптика) лазерное излучение может вводиться во внутренние полости, благодаря чему становятся возможными остановка внутреннего кровотечения и испарение нагноений без вскрытия органов. Для целей хирургии созданы установки «Скальпель-1» (Р=30 Вт) и «Ромашка-1» (Р=100 Вт).

В офтальмологии используются импульсные рубиновые лазеры (длительность импульсов 30-70 нс; Е=0, 1 – 0,3 Дж), которые позволяют без нарушения целостности глаза осуществлять ряд сложных операций: безоперационное лечение отслойки сетчатки, приваривание её к сосудистой оболочке (для этой цели используется прибор – офтальмокоагулятор); лечение глаукомы посредством прокалывания отверстия лазерным лучом, размеры которого 50-100 нм, для оттока внутриглазной жидкости; лечения некоторых видов катаракт. Для лечения глаукомы были созданы лазерная офтальмологическая установка «Ятаган-1» на основе рубинового лазера.

Используется лазерное излучение и для уничтожения клеток злокачественных опухолей. При разрушении злокачественных опухолей используется свойство неоднородного поглощения лазерного импульсного излучения различными тканями, гистологическими структурами или клетками. Например, некоторые пигментированные опухоли (меланома) поглощают лазерное излучение гораздо интенсивнее, чем окружающие ткани. При этом в микроскопических объемах ткани молниеносно выделяется тепло с образованием ударной волны, распространяющейся в жидкой среде со скоростью порядка 1500 м/с. При импульсном воздействии высокоэнергетического лазерного излучения на глубине 4-5 мм температура повышается до 55-60⁰С. При использовании лазеров, работающих в непрерывном режиме, температура повышается до 100⁰С. Для воздействия на опухоли используется сфокусированное лазерное излучение (d=1,5-3 мм). При этом на поверхности объекта I=200-900 Вт/см². Установлено, что лазерное излучение имеет ряд преимуществ перед используемой для лечения рака кожи рентгенотерапией, в частности, существенно снимается число сеансов облучения (до 4 на курс лечения) и в несколько раз уменьшаются затраты. С помощью менее интенсивного излучения можно подавлять рост раковых клеток (лазерная терапия). Для этой цели используется специальная лазерная установка «Пульсатор-1» или аргоновые лазеры мощностью до 1 Вт.

ЛЕКЦИЯ №26