Механизмы действия лазерного излучения на биологические ткани.

Лазерное излучение, так же как и обычный свет, может отражаться, поглощаться, рассеиваться, переизлучаться биологической средой, и каждый из этих процессов несет информацию о микро- и макроструктуре этой среды, движении и форме отдельных ее составляющих. Видимый и УФ свет могут оказывать фотобиохимическое действие. Яркими примерами этого являются фотосинтез растений и бактерий, а также механизм зрения [П. 1 — П. 3, 1]. Высокоинтенсивное световое излучение УФ, видимого и ИК диапазонов длин волн оказывает разрушающее (деструктивное) действие на биологические объекты. Необходимые интенсивности можно создать и не только с помощью лазеров. Существуют, например, фотокоагуляторы тканей глаза на основе мощных ксеноновых ламп [П. 22, П. 32].

Таким образом, процессы, характеризующие виды взаимодействий лазерного излучения с биообъектами, можно разделить на три группы. К первой относятся все невозмущающие взаимодействия (по крайней мере, в пределах погрешностей измерений не оказывающие заметного действия на биообъект), ко второй — процессы, в которых проявляется фотохимическое действие, и к третьей — процессы, 36.Применение лазерного излучения (НИЛИ, ВИЛИ)

. Благодаря своим уникальным свойством лазерное излучение стало использоваться в самых различных областях науки и техники. Лазерный луч можно использовать при прокладке туннелей, при укладке трубопроводов. С его помощью можно испарять самые тугоплавкие материалы, получить тончайшие отверстия в кости, керамике, сверхтвердых сплавах, полупроводниках. Высокая направленность излучения лазеров используется в радиолокации, лазерные дальномеры обеспечивают высокую точность измерения расстояний.Лазерный луч используется для передачи информации в космической среде. Лазерный луч позволяет производить хирургические операции на паренхиматозных органах. Операции при помощи лазерного луча кратковременны, безболезненны и дают возможность получить тонкие швы. Офтальмологи используют лазер для “приваривания” отслоившейся сетчатки к лежащей под ней сосудистой оболочке. С помощью лазерного луча возможно разрушение дентины при лечении зубов, приваривание зубных протезов непосредственно в полость рта, устранение повреждений голосовых связок, удаления шейных позвонков.В лазеротерапии применяют световые потоки низкой интенсивности, не более 100 мВТ/см2, что сопоставимо с интенсивностью излучения Солнца на поверхности Земли в ясный день. Поэтому его называют низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ). НИЛИ стимулирует метаболическую активность клетки, оказывает действие на процессы жизнедеятельности и регенерации (восстановления), приводит к увеличению содержания в ядрах клеток человека ДНК и РНК, оказывает антимутагенный эффект, активизирует синтез ДНК и ускоряет восстановительные процессы в клетках, подвергнутых радиации. Это позволяет использовать НИЛИ в онкологии, на вредных производствах, в военной медицине. НИЛИ стимулирует выработку универсального источника энергии АТФ в митохондриях, повышает эффективность работы дыхательной цепи митохондрий. Происходят перестройки в мембранах митохондрий, оказывается антиоксидантный эффект. При лазерной терапии изменяется соотношение насыщенных и ненасыщенных липидов, вязкость липидной компоненты мембран, что отражается на структурных перестройках в мембране, ее функциональном состоянии, активности мембрано-связанных ферментов. НИЛИ вызывает активацию энергосвязывающих процессов в патологически измененных тканях с нарушением метаболизма, повышение активности важнейших ферментов, снижения потребления кислорода тканями с повышением активности митохондрий, обогащением их энергией, усиление интенсивности гликолиза в тканях.

37.Спектрофотометрия. Спектрофотометрия - область измерительной техники, разрабатывающая методы и приборы для определения спектральных характеристик объектов. В медико-биоло­гических исследованиях очень большоезначение имеет анализ молекулярных и атомных спектров поглощении. С помощью спектрофотометров в различных биологических пробах опре­деляют содержание ферментов, гормонов, белков, витаминов, многих неорга­нических веществ, анализируют ка­чественный и количественный состав мазков крови и т. Д.В основе спектрофотометрии лежит регистрация степени ослабления монохроматиче­ского пучка света при его прохожде­нии через вещество (закон Бугера—Ламберта— Бера.Закон Бугера-Ламберта-Бе­ра справедлив лишь для плоскопараллельного пучка монохроматическо­го света и при выполнении ряда условий. На практике часто прихо­дится сталкиваться с отклонениями от этого закона. К числу причин отклонения могут быть отнесены физико-химические свойства анализируемого вещества или раствора (диссо­циация, флюоресценция и др.), инструментальные факторы (например: отсутствие должной степени монохроматичности пучка света), факторы обусловленные неоднородностью изучаемого объекта в пучке света (особенно отчетливо проявляется при микроспектрофотометрии объектов)Важным принципом спектрофотометрии является принцип оптических плотностей, в соответствии с которым величина оптической плотности смеси соединений, подчиняющихся закону Бугера-Ламберта-Бера и не вступающих в хим. взаимодействие друг с другом, равна сумме оптических плотностей этих соединений.Количественный анализ пробы, со­держащей одно вещество, включает следующие операции: 1) регистра­цию полного спектра поглощения ве­щества (D измеряют как функцию длины волны ), выбор аналитиче­ской длины волны (), приго­товление 6-7 эталонных (стандарт­ных) растворов, охватывающих весь ожи­даемый диапазон концентраций оп­ределяемого вещества и измерение оптической плотности этих растворов при . Затем строят график зависи­мости величины оптической плотности от концентрации. Наиболее точные результаты дают измерения оптической плотности в диапазоне 0,05-1,50. Оптическая плотность анализируемого раствора во всех случаях измеряется относительно раствора срав­нения (прямой спектрофотометрический метод). В качестве раствора срав­нения может быть использован чистый растворитель или раствор, содержащий все компоненты анализи­руемого раствора, за исключением определяемого вещества. В ряде случаев в качестве раствора сравнения целесообразно использовать раствор определяемого вещества известной концентрации (обычно более низкой, чем в анализируемых пробах). При проведе­нии такого рода измерений говорят о дифференциальной спектрофотометрии.Нередко проводят регистрацию производных спектров поглощения. Производную спектрофотометрию применяют в основ­ном в качественном анализе при идентификации мало поглощающих примесей, установлении структуры органических соединений и.т.д.Спектрофотометрия проводится в инфракрасной (ИК), УФ и видимой областях спектра.К приборам, работающим в видимой области, относятся также спектрофотометры комбинационного рассеяния, которые изучают колебательные энергетические уровни молекул. Они могут быть использованы для определения связей в белках, числа спаренных и неспаренных оснований в нуклеиновых кислотах.Спектрофотометрия микрообъектов или микроспектрофометрия - относительно самостоятельная область исследова­ния. Микроспектрофотометры, как и микроспектрофлуориметры, обычно пред­назначены для работы в видимой области спектра, реже в УФ-области выполняются по однолучевой схеме. Для регистрации распределения поглощающего вещества по площади микрообъекта используют различного рода сканирующие уст­ройства: систему оптических зондов, перемещающиеся по заданной прог­рамме предметные столики, телеви­зионную (электронную) развертку изображения. Приборы сканирующей конструкции снабжаются микро­компьютерами, которые автоматически обра­батывают получаемую информа­цию и позволяют анализировать форму микрообъектов. Например, при автоматическом анализе мазков кро­ви. Скоростной ана­лиз флуоресцентных характеристик индивидуальных клеток крови, ок­рашенных соответствующими краси­телями проводится в проточных микрофлуориметрах. Наметилась тенденция к разработке узкоспециализированных микроспектрофотометров и микроспектрофлуориметров, предназна­ченных для работы в условиях клинических лабораторий.Атомарные спектры поглощения изучают с помощью пламенных спектрофотометров. Атомно-абсорбционные методы дают возможность определения прак­тически всех элементов периодиче­ской системы и отличаются высокой избирательностью и чувствительностью (до ).

Приборы для спектрального ана­лиза комплектуются электронными устройствами обработки и управле­ния, блоками автоматической подачи проб, самописцами, блоками цифровой печати, устройствами автоматической развертки спектра, позволяют опре­делять по одной пробе несколько элементов

Спектрофотометрия широко применяется в биологических исследованиях. Она используется для количественного определения самых разнообразных биологических соединений: ферментов, витаминов, гормонов, белков и других азотистых веществ, нуклеииовых кислот, углеводов, спиртов, альдегидов, фенолов, кетонов, органических кислот, липидов, пигментов, ряда неорганических веществ (например,натрия, калия, кальцин, железа. цинка, хлора, серы) и др.

Приборы. Основными узлами спектрофотометров обычно являют­ся: источник излучения; монохроматор, предназначенный для выделе­ния из спектра излучения источника узких спектральных интервалов; приемник излучения; отсчетное устройство. Спектрофотометры подразделяются на однолучевые и двухлучевые, нерегистрирующие и ре­гистрирующие. Распространенные в медицинских лабораториях однолучевые нерегистрирующие спектрофотометры представляют собой достаточно простые и дешевые приборы с опти­кой из оптического стекла или квар­ца. Использование кварцевой опти­ки дает возможность проводить из­мерения в области 200 - 1100 нм, ох­ватывающей ультрафиолетовый, ви­димый и ближний инфракрасный участки спектра. Исследуемый об­разец и эталон последовательно вво­дят в световой пучок. Результаты сравнения пучков в величинах про­пускания (в %) или оптической плотности (D) указываются на стре­лочном или цифровом приборе.

Источником света спектрофотометров обычно служит водородная лампа (для работы в области спектра 220—320 нм ) или лампа накаливания (для работы в области спектра 320 - 1100 нм ). Луч света через систему зеркал попа­дает на диспергирующую призму, которая разлагает его, образуя спектр.

38. Рассеяние света. При прохождении через вещественную среду световая волна постепенно ослабляется. Это происходит в связи с рассеянием и поглощением света. Рассеяние света происходит в неоднородных средах при условии, что размеры неоднородностей соизмеримы с длиной волны света. Если неоднородность среды образована посторонними частицами, беспорядочно распределенными в массе среды, то рассеяние света называют явлением Тиндаля, а среды – мутными, например мелкий туман, дым, различные взвеси и эмульсии и т.п. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей проходит сквозь запыленную атмосферу: свет рассеивается на пылинках и весь пучок становится видимым при наблюдении с любой стороны.

Длина волны света при рассеянии не изменяется, а интенсивность рассеянного света тем выше, чем меньше размеры этих неоднородностей сравнительно с длиной волны. Интенсивность рассеяния зависит также от длины волны света: короткие волны рассеиваются значительно сильнее, чем длинные. Можно считать, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна примерно второй степени длины волны для более крупных и третьей степени – для более мелких частиц. Поэтому, например, мелкодисперсный туман имеет синий цвет, а состоящий из более крупных капелек – белый.Рассеяние света может происходить также и в однородной среде на мгновенных неоднородностях плотности вещества, образующихся в связи с тепловым движением атомов и молекул, например в чистом газе в процессе теплового движения молекулы в различные моменты сближаются в одних точках объема газа и разреживаются в других. Этот вид рассеяния называется молекулярным рассеянием. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света:

; (закон Рэлея).

В связи с этим, например, свечение неба наблюдается сине-голубым, а прямое солнечное излучение приобретает желто-красный оттенок, особенно при восходе и заходе Солнца, когда это излучение проходит более длинный путь в атмосфере.При рассеянии света в однородных жидкостях и кристаллах в рассеянном свете кроме падающей волны частотой , отличающейся от нее на определенную величину , характерную для молекулярной структуры данного вещества:

.Этот вид молекулярного рассеяния называется комбинационным рассеянием света и имеет значение для изучения структуры вещества.При рассеянии света энергия сохраняет свою электромагнитную природу. При поглощении света она переходит в другие виды внутренней энергии, при этом в веществе могут происходить различные явления: повышение интенсивности теплового движения (тепловой эффект), возбуждение и ионизация атомов и молекул, активация молекул (фотохимический эффект) и т.п.

39. Поглощение света. Закон Бугера. Закон поглощения в однородной среде для параллельного пучка монохроматического света был установлен Н. Бугером:

В каждом последующем слое среды одинаковой толщины поглощается одинаковая часть потока энергии падающей на него световой волны, независимо от его абсолютной величины.

Определим на основании этого закона интенсивность световой волны, прошедшей слой среды толщиной d, если падающая на поверхность среды волна имеет интенсивность . Для этого выделим на расстоянии х от поверхности слой среды толщиной dx (рис.1, а).

Убывание интенсивности волны вследствие поглощения света этим слоем по закону Бугера пропорционально величине и толщине слоя dx:

где - коэффициент пропорциональности. Уравнению можно придать вид

.

Решая это уравнение, получим , или для слоя толщиной x = d будет .

График изменения интенсивности света в зависимости от толщины, слоя среды, который проходит свет, показан на рис.1,б (экспоненциальная кривая).Коэффициент пропорциональности называется показателем поглощения и характеризует поглощательную способность вещества. Он зависит от его природы и состояния, а также от частоты (длины волны ) света.У металлов показатель поглощения весьма высок (рис.2.а).Это объясняется наличием в металлах свободных электронов, вынужденные колебания которые легко возбуждаются и имеют значительную амплитуду. Падающая на поверхность металла световая волна быстро расходует свою энергию и потому проникает на самую глубину. У диэлектриков показатель поглощения в общем невелик, однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волны, в которых показатель поглощения резко возрастает (рис.2.б). Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и значительное поглощение света происходит только при резонансных колебаниях, т.е. при частотах световой волны, близких к собственным (или кратным им) частотам колебаний электронов диэлектрика. Это явление объясняет, например, линейчатые спектры поглощения газов в атомарном состоянии.Любое вещество поглощает и отражает электромагнитное излучение. Вещества, поглощающие излучение с длинами волн 400 – 800 нм (видимый диапазон) окрашены. Характер и величина поглощения и отражения света зависят от природы вещества и его концентрации в растворе.

40. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Оптическая плотность и коэффициент пропускания вещества. Закон независимости коэффициента поглощения от концентрации анализируемых веществ в растворе называется законом Бугера-Ламберта-Бера. Если пропустить через раствор пучок света интенсивностью , то после прохождения через этот слой его интенсивность уменьшится до I. Отношение характеризует пропускание света или прозрачность среды (потерями на отражение и рассеяние света пренебрегаем). Пропускание отнести к толщине слоя в 1 см, поэтому можно определить как коэффициент пропускания. Для светового потока, поглощенного веществом, характерной величиной является оптическая плотностьD. Связь между пропусканием и оптической плотностью устанавливается соотношением:

Оптическая плотность может принимать любые положительные значения (от 0 до ), но современные приборы позволяют измерять лишь . Изменение интенсивности I монохроматического света после прохождения его через слой поглощенного вещества d и концентрацией С выражается следующим образом:

- закон Бугера-Ламберта-Бера;где k – коэффициент поглощения (ослабления), состоящий из двух компонентов, коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния , ,

С – концентрация исследуемого вещества,

d – толщина слоя.

Иногда этот закон записывается в виде: Коэффициенты k и связаны между собой соотношением: Исходя из (1) получаем: ; (2)

Отсюда: k = D / Cd Если светопоглощение раствора подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера, то оптическая плотность раствора прямопропорциональна концентрации вещества в растворе. В этом случае график зависимости оптической плотности выражается прямой линией, идущей из начала координат. Если же соотношение (1) не выполняется, то прямолинейный характер зависимости нарушается. Из закона Б-Л-Б непосредственно вытекает, что: 1. Отношение интенсивности светового потока, прошедшего через слой раствора к интенсивности светового потока не зависит от абсолютной интенсивности падающего света.2. Интенсивность светового потока уменьшается в геометрической прогрессии, в то время как толщина слоя, через который проходит свет, растет в арифметической прогрессии: