6 лекция Погл света.. Лекция. Взаимодействия света с веществом. Люминесцения. Фотобиологические процессы. План лекции. Поглощение света Закон БугераБера ламберта. Оптическая плотность раствора
 Скачать 181.5 Kb.
|
|
6 лекция. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ. ЛЮМИНЕСЦЕНИЯ. ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. План лекции.
Цель лекции: изучить поглощение света в веществе, явление люминсценции и хемилюминесценции. Ознакомление с фотобиологическими процесами под действием света. Рассмотрение физических основ применение ультрафиолетовых лучей в медицине. При прохождении света через вещество часть световой энергии расходуется на возбуждение атомов или молекул, в результате световая энергия уменьшается. Этот процесс называют поглощением света. Поглощение света по сути уменьшение его интенсивности при прохождении через вещества вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии. Рассмотрим закономерности уменьшения интенсивности света в однородной среде вследствие поглощения (рис.1). Рис.1 Предполагаем, что при прохождении монохроматического света, через тонкий слой dl вещества изменение интенсивности света dI будет пропорционально толщине этого слоя и интенсивности подающего света I: dI = -k IdI где k- коэффициент пропорциональности, характеризующий поглощающую способность данной среды и называется натуральным показателем поглощения. Его величина зависит от длины волны света , но не зависит от его интенсивности. Знак минус означает, что интенсивность света уменьшается. Решения выше полученного уравнения имеет вид:  e-klгде I0 - интенсивность падающего света, I- интенсивность света после прохождения слоя вещества толщиной l. Данное выражения называется законном поглощения света Бугера. Если логарифмируем формулу Бугера, то получим ln(I0/I) = -kl. При l=1/kполучим I=I0/e. Следовательно натуральный показатель поглощения k есть величина, обратная толщине такого слоя, который ослабляет интенсивность света в «е» раз. Рассмотрим поглощения света растворами. При прохождения света через растворами фотоны света взаимодействует как с молекулами растворителя так и с молекулами растворенного вещества и натуральный показатель поглощения будут прямо пропорционально концентрации раствора С: k=  , где натуральный молярный показатель поглощения, зависящий от вида растворенного вещества, длины волны света и не зависящий от концентрации раствора С. Данное выражение называется законом Бера. Данный закон предполагает, что поглощающая способность молекул не зависит от концентрации вещества. Однако при высокой концентрации раствора расстояние между молекулами растворенного вещества уменьшается и начинает сказываться их взаимодействие. При этом закон Бера не выполняется. Заменив в законе Бугера показателя на его значение  , получим закон Бугера –Бера –Ламберта: e-∙l∙ СВ лабораторной практике это уравнения записывают в виде степени с основанием 10  - ∙С∙l или в логарифмической форме: lg(I0/I) = ∙С∙l, где = /2,3 молярны показатель поглощения. Величину D = lg(I0/I) называют оптической плотности растора, тогда закон Бугера-Бера –Ламберта будут имееть следующий вид D = ∙С∙l. Законы поглощения используется в фотометрии и спектроскопии, в методах основанных на поглощения света в веществах. Спектром поглощения называют зависимость поглощения света вещества от его частоты D =f() или длины волны D =f(). Наибольшей простотой отличается спектры одноатомных разреженных газов или паров металлов. В этом случае атомы вещества расположены далеко друг от друга и практически не взаимодействуют между собой. Кванты света взаимодействуют с отдельными атомами и спектр поглощаемых волн определяется из условии h = EK –Ei . Энергетические уровни отдельного атома отстоят друг от друга достаточно далеко, поэтому спектры газов состоят из отдельных линий и называются линейчатыми (рис. 2). Спектры газов состоящих из многоатомных молекул, значительно сложнее атомных, что обусловлено большим разнообразием движений и взаимодействием между атомами вещества. Поэтому их спектры поглощения состоят из широких полос, разделенных широкими промежутками, их называют полосатыми (рис.3). У плотных газов, жидких и твердых тел частицы взаимодействуют между собой сильнее, чем у одноатомных и многоатомных газов, следовательно, расстояние между сосенными энергетическими уровнями столь малы, что отдельные уровни неразличимы. Спектры таких тел являются непрерывными с наличием максимумов и минимумов (рис.4). Рис.2 Рис.3 Рис.4 Люминесценцией называют свечение тел, которое не может быть объяснено их тепловым излучением. Например, в видимой области спектра тепловое излучение становится заметным только при температуре 103 -104К, люминесценция наблюдается при любой температуре. Поэтому люминесценцию называют холодным свечением. Одной из причин, вызывающих люминесценцию, является внешнее излучение, которое возбуждает молекулы тела. Внешними излучениями могут быть видимый свет, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и т.д. После прекращения процесса облучения люминесцентное свечение не прекращается тотчас же, а продолжается некоторое время. Это последействие отличает люминесценцию от таких явлений, как отражение и рассеяние света. В физике принято следующее определение люминесценции: люминесценция – излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего периода световых колебаний(10-15 с). Вещества, способные превращать поглощенную ими энергию в люминесцентное свечение, называют люминофорами. Люминесценция-результат квантовых переходов в возбужденных атомах, молекулах, кристаллах. По виду возбуждения различают следующие типы люминесценции:
Как уже отмечалось, выше люминесценция продолжает и после прекращения внешнего возбуждения люминофора. По длительности остаточного свечения различают: флуоресценция и фосфоресценция:
Теперь рассмотрим механизм возникновения некоторых видов люминесценции. 1) Фотолюминесценция начинается с возбуждения атома или молекулы фотонами внешнего излучения в некоторой частотой . В результате атом переходит с основного энергетического уровня 1 на один из возбужденных уровней 2. Далее возможен три варианта.
2) Хемилюминесценция. Люминесценция, возникающая в химических реакциях, при которых происходит выделение энергии, называется хемилюминесценцией. При этом происходит превращение химической энергии в световую. При хемилюминесценции свет испускается либо непосредственно продуктами реакции, либо другими компонентами, которые передается возбуждение. Яркость хемилюминесценции пропорционально скорости реакции Хемилюминесценция, которая возникает в биологических объектах, называется биохемилюминесценцией. Биохемилюминесценция присуща самым разнообразным видам живых существ (около 250). Механизм биохемилюминесценции определятся реакциями окисления, например реакциями свободных радикалов липидов. Люминесценция в медицине и биологии используется для качественного и количественного анализа веществ. Поглощение света биологическими системами может сопровождаться специфическими фотохимическими реакциями, которые дают начало различных фотобиологическим процессам. Фотобиологические процессы- процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологическими функциональными молекулами и заканчиваются соответствующей реакцией в организме или тканях. К фотобиологическим процессам относятся:
Все фотобиологические процессы протекают по следующей схеме:
Физическое воздействие ионизирующей радиации не может быть непосредственной причиной лучевой болезни и смерти человека. Основной механизм биологического воздействия радиации обусловлен химическими процессами, протекающими в клетках после облучения. Организм млекопитающего состоит примерно на 75% из воды. При дозе 6 Гр происходит ионизация примерно 1015 молекул воды в 1 см3 ткани. Эта цифра миллион миллиардов представляется очень большой, но она означает, что ионизируется приблизительно 1 из 10 миллионов молекулы воды, т.е. около 5 мг воды во всем организме человека. Если такое количество воды удалить из тела, то человек не получил бы никакого вреда, т.к. при одном выходе из организма выводится больше количество воды. Однако ионизированные молекулы воды не выводится из ткани живого организма. Превращение вещества под действием ионизирующих излучений называют радиолизом. Рассмотрим механизмы радиолиза воды, ионы воды нестабильны, каждый из них разлагается примерно по следующей схеме:  h + Н2О = Н2О* OH + H или h + Н2О = Н2О+ + е-; Н2О+ + Н2О OH + H3О+ ; е- + Н2О Н2О- ; е- + О2 О2- ;О2- + Н+ НО2…………………….. ………………………………………. Наиболее реакционными являются три типа радикалов, образующихся при радиолизе воды: е-, Н и ОН. Взаимодействие органических молекул RH с этими радикалами может привести к образованию радикалов органических молекул, например: RH + OH R + H2O; R + O2 RO2 . RO2 + RH ROOH + R и т.д.Взаимодействие молекул органических соединений непосредственно с ионизирующими излучениями может образовать возбужденные молекулы, ионы, радикалы и перекиси: h + RH RH* R + H ; h + RH RH+ + e- . Из приведенных реакции ясно, что эти высокоактивные в химическом отношении соединения будут взаимодействовать с остальными молекулами биологической системы. В результате реакций окисления они разрушают белки живых клеток, вызывают химическую модификацию молекул, необходимых для нормального функционирования клеток. Процессы ионизации и химические взаимодействия продуктов ионизации происходит в клетке за миллионы доли секунды. Биохимические изменения в ней, обусловленные образованием новых, чуждых молекул, начинаются сразу после облучения, но не завершается за короткое время. Одни следствия таких изменений проявляются уже через несколько секунд после облучения, другие могут привести к гибели клетки или ее раковому перерождению через десятилетия. Одним из первых следствий облучения становится нарушение самой сложной функции клетки- деления. В связи с этим в первую очередь нарушаются функции органов и тканей организма, в которых происходит деление, образование новых клеток. Различают 3 основных вида последствии ионизирующей радиации на живой организм: острое поражение, отдаленные последствия и генетические последствия. Острое поражение. Таким поражением называют повреждение живого организма, вызванное большими дозами радиации и проявляющееся в течение нескольких часов или дней после облучения. Первые признаки общего острого поражения организма взрослого человека обнаруживаются пир дозе примерно с 0,5-1,0 Зв(50-100 бэр). Эту эквивалентную дозу можно считать пороговой для общего острого поражения при однократном облучения. Когда человек получает такую дозу, у него начинаются нарушения в работе кроветворной системы. При эквивалентных дозах облучения всего тела 3-5 Зв (300-500 бэр) около 50% облученных умирают в течение 1-2 месяца от лучевой болезни, причем главной смерти становится поражение костного мозга, приводящее к резкому снижению количества лейкоцитов в крови. При дозах облучения 10-50 Зв(100-5000 бэр) смерть наступает через 1-2 недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте в результате гибели клеток слизистой оболочек. При дозе 100 Зв (10 000 бэр) человек умирает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы. При одинаковых дозах облучения биологические последствия их действия на взрослый и растущий организм существенно различаются. Объясняется это тем, что наиболее сложная функция живой клетки- функция размножения –раньше других нарушается под действием радиации. Делящиеся клетки гибнут или утрачивают способность к делению при таких малых дозах облучения, при которых основные жизненные функции обычных клеток существенно не нарушаются. Отдаленные последствия облучения. В опытах на животных и при наблюдении за здоровьем жертв атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки было установлено, что общее облучения живого организма может иметь не только близкие (лучевая болезнь), но и отдаленные последствия. Значительная часть повреждений клеток, вызванных радиацией, необратима, причем эти повреждения увеличивают вероятность возникновения различных заболеваний, в том числе раковых. От момента облучения до смерти от лейкоза проходит в среднем 10 лет. Вероятность возникновения ракового заболевания растет пропорционально дозе облучения. Эквивалентная доза облучения 1 Зв(100 бэр) в среднем приводит к 2 случаям лейкоза, 10 случаям рака щитовидной железы, 10 случаям рака молочной железы у женщин, 5 случаям рака легких на 1000 облученных. Раковые заболевания других органов под действием облучения возникает значительно реже. На основании приведенных данных можно оценить вероятность ракового заболевания для взрослого человека, получившего эквивалентную дозу облучения 0,01 Зв(1 бэр) составляет 210-4 -310-4 . Генетическое последствия облучения. Облучение человека может принести вред его потомкам. Известно, что вся информация о строении организма будущего ребенка и программа его развития записаны в генах двух половых клеток родителей. Гены, представляющие собой молекулы или части молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты(ДНК), входят в сложные структуры, называемые хромосомами. В каждой из родительской клеток, в результате соединения которых зарождается новый организм, имеется по 46 хромосом, содержащих около 100 000 генов. Разрушение одной молекулы ДНК или утрата какой-то части в половой клетке организма называется мутацией. Мутация приводит к тому, что потомок чем то отличается о своих родителей. Пока достоверных количественных данных о генетическом влиянии на человека различных доз облучения пока нет. Риск появления наследственных дефектов у детей пир облучения их будущих родителей оценивается по результатам экспериментов на животных. Такие данные нельзя считать полностью верным к применении к человеку, но можно принять в качестве оценочных. Согласно этим данным, хроническое облучения родителей с эквивалентной дозой 1 Зв (100 бэр) на поколение за 30 лет приведет к появлению 2 случаев серьезных генетических заболевании на 1000 новорожденных. Если такой уровень облучения будет воздействовать постоянно на родителей на протяжении многих поколении, то число генетических жертв увеличится до 15 на 1000 новорожденных. Эти числа можно сравнить с известными статическими данными об общем числе детей, рождающихся с генетическими дефектами: такие дефекты имеют около 10% новорожденных, а 2% детей рождаются с серьезными генетическими нарушениями. Следовательно, если несколько поколении людей окажутся облученными эквивалентной дозой 1 Зв за 30 лет,это приведет в существенному увеличению числа неполноценных детей и поставит человечества под угрозу генетического вырождения. Рассмотрим один из видов фотобиологического процесса вызванного ультрафиолетовым (УФ) излучением. УФ излучением называют электромагнитное излучение с длиной волны от 180 до 400 нм, находящееся между видимым фиолетовым и рентгеновским частями спектра. По биологическому действию на организм и в зависимости от длины волны УФ спектр делят на три зоны: Зона А 400 – 320 нм –длинноволновые УФ излучение (ДУФ); Зона В 320-280 нм- средневолновое (СУФ); Зона С 280- 180 нм- коротковолновое (КУФ). Из этих волн наибольшую проникающую способность имеет ДУФ излучение. В то же время КУФ –лучи превосходят другие виды излучений в энергетическом отношении, т.е. кванты(фотоны) имеет максимальную энергию. В целом УФ характеризуется малой проникающей способностью, поглощаясь в основном поверхностными слоями кожи. Под действием УФ лучи происходит образование свободных радикалов ароматических и серосодержащих белков и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот. Для триптофана реакция имеет вид:   *. *. *. *. АН + h AH* AН+ + e- А + H+ + е- *. Образующийся в первый момент катион-радикал АН+ является сильной кислотой, поэтому он легко диссоциирует с образованием нейтрального радикала А. Сольватированный электрон (окруженный молекулами растворителя электрон) также является частицей с очень высокой реакционной способностью и может вступать в химические реакции. Например, е- реагирует с цистином белков, что приводит к разрыву дисульфидного мостика в белке и появлению свободного радикала цистеина. Все эти свободные радикалы играют важную роль в возникновении повреждении тканей и при УФ ожогах. Сольватированные электроны могут, взаимодействуя с О2 вызывать появление супероксидрадикала со всеми описанными выше последствиями. Под действием УФ могут быть повреждена барьерный и другие функции мембраны, что приведет к гибели клетки. Это свойства УФ лучей широко используется в медицине для обработки операционных и перевязочных отделов. Помимо бактерицидного действия УФ облучение способствует улучшению ионного состава воздуха, снижению количества сероводорода и двуокиси углерода. Исследование последних лет показали перспективность УФ аутогемотерапии, т.е. облучение крови с целью стимуляции защитных свойств организма и при различных внутренних болезнях(перитонит, сепсис, остеомиелит и др.). Под действием УФ лучи с длиной волны от 280 до 3154 нм в организме образуется витамин Д, который способствует всасыванию из кишечника и усвоению кальция, входящего в состав костей и выполняющего ряд существенных физиологических функций. При недостатке витамина Д кальция, входящий в состав пищи, не усваивается и потребность в нем восполняется за счет кальция костей, а это ведет к рахиту. Для получения УФ лучей пользуется не нагретыми телами, а другими источниками- кварцевыми или люминесцентными источниками излучения. Источники УФ излучения подразделяются на две группы: интегральные, излучающие весь спектр УФ и на селективные, излучающие лучи какой либо части УФ спектра. Источником интегрального потока дуговая ртутно-кварцевая трубчатая горелка типа ДРТ мощностью 100-125 Вт (ДРТ-100, ДРТ-100-2, ДРТ-125) . Селективным источником ДУФ лучей служит газоразрядная лампа ЛУФ -153. Ее использует в качестве источника излучения в аппаратах и установках, использующихся для PUVA-терапии (Р-псорален,UVA– ультрафиолетовое излучение зоны А) : ОУК-1, ОУГ-1, ОУН-1, УФО-1500, УФО-2000 и др. Для получения коротких УФК лучей ипользуется дугове бактерицидные лампы трез видов: ДБ-15, ДБ-30, ДБ-60 Контрольные вопросы:
|