Люминесценция. Оптические квантовые генераторы и их использование в медицине. Радиоспектроскопия. ЭПР и ЯМР

1. Спонтанное и индуцированное излучение атомами и молекулами.

Атомы, молекулы, ионы представляют собой квантовые системы, в которых электроны находятся на разных энергетических уровнях. В соответствие с принципом минимума энергии электроны размещаются, начиная от ближнего к ядру энергетического уровня (К-уровень). Такой уровень является нижним энергетическим уровнем, а затем заполняют остальные уровни, более далекие от ядра (высшие энергетические уровни).

Основное энергетическое состояние атома – это состояние, при котором, электроны расположены вокруг ядра в соответствие с принципом минимума энергии. В таком состоянии атомы могут находиться длительное время, поэтому в веществе большинство атомов находится именно в основном состоянии (распределение Больцмана).

Однако возможен скачкообразный переход с одного уровня на другой и атом переходит в возбужденное состояние. Для такого перехода атому необходимо сообщить энергию, равную разности энергий электронов на двух уровнях: E = E2 - E1. Время пребывания в возбужденном состоянии очень короткое - 10-8 c Переход атомов из возбужденного состояния в основное сопровождается излучением фотона энергии (в идеальном случае hν = E2 - E1).

Переход атома из возбужденного состояния может носить самопроизвольный (спонтанный) и индуцированный характер. Излучение, которое при этом возникает, соответственно называется спонтанным и индуцированным. При самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное процесс носит случайный характер, т.е. случайны и время перехода и направление излучения фотона. Примером спонтанного излучения может служить люминесценция.

2. Люминесценция.

Люминесценция – спонтанное излучение тела, избыточное при данной температуре тела над тепловым излучением, длительность которого значительно превышает период световых волн. Период световых волн составляет 10-15, а длительность люминесценции как минимум - 10-10 c.

Вещества, которые могут люминесцировать, называются люминофорами. Для этого необходимо с помощью какой-либо энергии перевести их атомы в возбужденное состояние. А затем они некоторое время светятся.

В зависимости от способов возбуждения люминесценции существуют: фотолюминесценция, рентгенолюминесценция, радиолюминесценция, катодолюминесценция, электролюминесценция, хемилюминесценция, триболюминесценция.

По длительности свечения: флуоресценция (10-8) и фосфоресценция (10-3 и более).

Впервые люминесценцию количественно описал Стокс: длина волны люминесцентного излучения всегда больше, чем длина волны света, который вызвал люминесценцию. Спектр люминесценции сдвинут относительно спектра вызвавшего его света в сторону больших длин волн.

Объяснить закон Стокса можно на основе квантовой теории: энергия кванта, вызвавшего возбуждение, при поглощении его веществом, частично переходит в другие энергии hν0 = hν + ΔE. Поэтому hν < hν0, а λ > λ0.

Иногда возникает антистоксовская люминесценция, при которой λ < λ0. Это происходит если внешний квант поглощается уже возбужденной молекулой.

Основной энергетической характеристикой люминесценции является ее энергетический выход η - отношение энергии, которая люминофором излучается, к энергии, которую люминофор поглощает: η = E/E0.

Согласно закону Вавилова энергетический выход люминесценции сначала возрастает пропорционально возрастанию длины волны возбуждающего света, а потом резко падает:

Это объясняется так: η = E/E0 = hv/(hv0) = λ/λ0. То есть энергетический выход пропорционален длине волны возбуждающего света. Резкий спад энергетического выхода до нуля объясняется слишком маленькой энергией фотонов при больших длинах волн.

Применение люминесценции. Существует два направления применения люминесценции:

1. люминесцентный анализ – метод определения различных веществ по характерному для них свечению. Позволяет выявить вещества массой 10-10 г.

Существует люминесцентный макроанализ (позволяет выявлять различные вещества в макрообъектах) и микроанализ (используют люминесцентный микроскоп. В таком микроскопе имеются 2 светофильтра, первый – выделяет от источника света только сине-фиолетовый или УФ свет, которые заставляют изучаемые объекты светиться, а второй – перед объективом, пропускает только люминесцентное свечение, которое и видит исследователь).

2. Создание осветительной и регистрирующей аппаратуры (лампы дневного света, экран осциллографа).

3. Лазеры. Примером индуцированного излучения может служить лазерное излучение. (Напомним, что индуцированное излучение – такое излучение ЭМ волн, которое возникает при вынужденном переходе атома из возбуждённого состояния в основное).

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии подействовать фотоном энергии, то он поглотиться атомом уже не сможет (нет уровней, на которые может перейти электрон). В таком случае энергия внешнего фотона приводит к вынужденному переходу электрона на нижний энергетический уровень, который для данного электрона будет основным. При таком переходе образуется 2 фотона. При этом фотон, который появился вследствие индуцированного перехода, является точной копией фотона, инициировавшего переход атома из возбужденного состояния в основное. Он имеет ту же энергию и то же направление, что и вторичный фотон.

Учитывая, что в веществе много атомов, с помощью специальных приёмов можно получить лавину одинаковых вторичных фотонов и этим процессом можно управлять.

Эти специальные приёмы такие: 1. необходимо, чтобы как можно больше атомов в веществе находились в возбуждённом состоянии (т.е. с заполнением преимущественно высших энергетических уровней). Вещество, в котором большинство атомов находится в возбуждённом состоянии, называют веществом с инверсной заселенностью энергетических уровней. Инверсия в веществе достигается применением 1. мощного внешнего источника энергии.

2. Специальных веществ, для которых легче получить инверсную заселённость энергетических уровней. В их атомах есть, так называемые, метастабильные энергетические уровни, которые также являются высшими по отношению к основным уровням, однако время пребывания на них электронов относительно велико (10-2 - 10-4 с). Возможность существования таких уровней обусловлена тем, что переход электрона с такого уровня в основное состояние с излучением фотона маловероятен (запрещен правилами перехода).

3. Приспособления, которое обеспечит многократное прохождение фотонов через вещество с инверсной заселённостью энергетических уровней, вызывая как можно больше индуцированных переходов.

Все эти специальные приёмы были объединены в устройстве, которое носит название лазер.

Лазер – прибор для получения мощного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн путем индуцированных переходов в квантовой системе.

Активная среда – это вещества, в которых создана инверсная заселенность энергетических уровней атомов. В роли активных сред используют кристаллы диэлектриков, полупроводники, жидкие растворы органических красителей, газовые смеси. Иногда их называют рабочим веществом лазера.

Инверсное состояние вещества активной среды создают 2 путями. Первый из них – используют вещества, атомам которых присущи метастабильные уровни (это способствует накоплению электронов на данном уровне). Второй – с помощью внешних факторов обеспечить максимальный переход атомов на высшие энергетические уровни.

Возбуждение активной среды называют накачкой (чаще всего оптическая накачка специальной газоразрядной лампой или с помощью газового электрического разряда). Накачка обеспечивает инверсную заселенность атомов и появление первичных фотонов. Вследствие спонтанных переходов электронов на низшие энергетические уровни появляются первичные фотоны, под действием которых образуют вторичные.

Оптический резонатор – система из 2 зеркал, имеющих общую оптическую ось, служащая для фокусировки вторичных фотонов. Для этого активную среду помещают между зеркалами резонатора. Фотоны движутся вдоль его оси, многократно пересекая активную среду вследствие многократного отражения от зеркал. При этом они приводят к появлению все большего числа индуцированных фотонов и образованию интенсивного, узко направленного потока фотонов (светового луча), который при определенной мощности пучка выходит из резонатора.

Путем изменения длины резонатора и коэффициента отражения зеркал обеспечивается получение монохроматического светового излучения.

В зависимости от природы активной среды различают такие типы лазеров: кристаллические, жидкостные, полупроводниковые, химические, газовые.

По режиму работы: импульсные и непрерывного действия. Отличаются также по форме, внешнему виду, размерам, системе накачки и т.д.

Прототип первого лазера был создан в 1954 году советскими учеными Прохоровым, Басовым и американским ученым Таунсом. Активной средой был аммиак. За это они получили в 1964 году Нобелевскую премию.

В 1960 году заработал первый рубиновый оптический квантовый генератор. В роли активной среды использовался рубин – оксид алюминия с небольшими примесями хрома, которые являются активными элементами. Накачка осуществлялась с помощью света мощной импульсной ксеноновой лампы. Такой лазер излучает красный свет с λ = 0, 69 мкм в импульсном режиме.

Газовые лазеры используются наиболее часто. Активная среда – газ или смесь газов. К этому типу также относятся лазеры на парах металлов - Pb, Cu, Au, Cr, Mn. Накачка осуществляется с помощью электрического разряда и химических реакций. Типичным представителем газовых лазеров является – гелий-неоновый лазер. (1960 г.)

Основной структурный элемент такого лазера– газоразрядная трубка из кварца, заполненная гелием и неоном в соотношении 10:1 и имеющая 2 впаянных электрода, к которым подсоединен блок питания. Резонатором служат полупрозрачное плоское зеркало и сферическое зеркало. Накачка осуществляется электрическим разрядом.

Выбор смеси гелия и неона обусловлен тем, что возбужденные энергетические уровни атомов гелия (E12, E13) близки к основным, но высшим энергетическим уровням неона (E4, E5) и наличием у неона метастабильных уровней.

Соотношение атомов гелия и неона подобрано так, чтобы обеспечить инверсную заселенность атомов неона (активного вещества), т.е. гелий является вспомогательным веществом.

При включении источника питания в лазере происходит электрический разряд, и газовая смесь ионизируется. Электроны, которые появляются при этом, ускоряются электрическим полем. Когда на своем пути они встречают новые молекулы, то передают им энергию в результате электронного удара. В результате этого электроны атомов гелия и неона переходят на высокие энергетические уровни. Кроме того, электроны атомов неона переходят на высшие энергетические уровни под действием неупругих столкновений с атомами гелия. Поскольку атомы гелия лишаются энергии, то переходят в основное состояние без излучения энергии. Этот процесс называют резонансной передачей энергии, и он возможен вследствие совпадения энергетических уровней подобранных атомов.

Также необходимо постоянная разгрузка уровня , что достигается подбором диаметра газоразрядной трубки, при котором электроны, расположенные на этом уровне, передавали бы энергию стенкам, а сами безызлучательно переходили на низшие энергетические уровни.

В атоме неона существует три рабочие перехода: с уровня 5 на 3 (λ = 0, 63 мкм, с 5 на нестойкий промежуточный (меду 5 и 4) уровень 6 ( λ = 3, 39 мкм и с 4 на 3 (λ = 1, 15 мкм). Путем подбора резонаторов усиливают только красный цвет (λ = 0, 63 мкм), а инфракрасные лучи рассеивают.

Основные свойства лазерного излучения: когерентность, монохроматичность, поляризованность (угол Брюснера), высокая мощность (при непрерывной генерации – от 10-3 до 600кВт, при импульсном режиме - от 108 до 1012Вт), узкая направленность пучка.

4. Первичные механизмы и биологическое действие лазерного излучения.

Под биологическим действием понимают совокупность структурных, функциональных, биофизических и биохимических изменений, которые возникают в организме под действием лазерных лучей.

В соответствие с законами квантовой оптики на атомно-молекулярном уровне происходят: поглощение света; возникновение внутреннего фотоэффекта, электрическая диссоциация ионов, возбуждение атомов и молекул, миграция энергии возбуждения; появление первичных фотопродуктов.

На клеточном уровне: изменение активности клеточных мембран; активация ядерного аппарата клеток и систем ДНК-РНК-белок; активация окислительно-восстановительных реакций, процессов фотосинтеза и различных ферментативных систем, усиление образования макроэргов – АТФ, усиление митотической активности клеток и активация их пролиферации.

На тканевом (организменном) уровне: снижение рецепторной чувствительности, снижение длительности фаз воспалительного процесса, отека, и напряжения тканей; усиление поглощения тканями кислорода, увеличение скорости кровотока, увеличение числа функционирующих коллатералей, активация транспорта веществ через сосудистую стенку.

Наиболее чувствительными к действию ЛИ являются мембраны клеток. Под влиянием красного цвета выявлены изменения проницаемости мембран для потенциалобразующих ионов, изменение липидного состава мембран, концентрации универсального регулятора клеточного метаболизма – цАМФ, числа рецепторов лимфоцитов и т.д.

Биологическое действие зависит от поглощенной дозы лазерного излучения, которая, в свою очередь, зависит от 1). условий применения (интенсивности, частоты, спектрального состава, режима - импульсного или непрерывного – импульсный режим чаще характеризуется механическим действием, а непрерывный - тепловым, когерентности, монохроматичности, поляризованности) и 2). биофизических особенностей ткани (отражающей и поглощающей способности, теплоемкости, акустических и механических свойств). Чаще всего поглощается на глубине 2мм.

Действие любого излучения на организм в зависимости от поглощенной дозы можно представить следующим образом:

1. высокие дозы - разрушающее действие; 2. средние дозы – угнетающее действие; 3. малые дозы – стимулирующее действие, 4. Очень маленькие – отсутствие действия.

Поэтому применение должно базироваться на следующих основных принципах: 1. рациональный подбор мощности излучения в зависимости от задач (достаточность действия). 2. выбор рационального способа воздействия (применяют такие способы: контактный, дистанционный, внутрисосудистый, внутриполостной, внутриорганный для органов с полостями и для патологических полостей). 3. индивидуализация (учитывать особенности пациента, в частности степень пигментации его кожи).

Лазерная диагностика: для диагностики используется эффекты очень слабого лазерного излучения. Основана на регистрации слабых вторичных излучений, которые возникают в тканях под действием ЛИ. Например, если в вену ввести гематопорфирин (фотосенсибилизатор), то через несколько дней здоровые клетки от него освобождаются, а опухолевые – накапливают. Если на ткань подействовать синим ЛИ, то опухоль начинает светиться.

Ангиоскопия для диагностики атеросклеротического поражения сосудов. Бляшки содержат окрашенные вещества – каротиноиды, под действием ЛИ они флюорисцируют. В стоматологии – для диагностики трещин эмали зубов.

Получение голографических изображений внутренних органов, сформированных отражением лазерных лучей с использованием световодов.

Терапия: Очень ценные свойства ЛИ для терапии и хирургии – дозируемость и локальность действия ЛИ.

Используют низкоинтенсивное ЛИ (0, 1-1 Вт/см2).

Такое ЛИ имеет противовоспалительное, нормализующее микроциркуляцию, противоотековое, тромболитическое, аналгитическое, десенсибилизирующее действие. Также лазерное излучение способствует увеличению уровня кислорода в тканях, стимуляции регенерации тканей, усилению метаболизма, иммунологических процессов.

Чаще всего применяют в комплексе с другими методами терапии. Например, в сочетании с лекарственными препаратами ЛИ позволяет снизить дозы лекарств, т.к. само действует стимуляции клеточных процессов + концентрируют лекарства в больной зоне (предположительно за счет улучшения микроциркуляции в органе). Считают наиболее эффективным действие на БАТ (с учетом собственной частоты колебаний биологических структур. Например, для терапии органов кровообращения необходимо использовать импульсный режим с частотой сердечных сокращений, а для купирования боли – 20000Гц и т.д.)

Магнитолазеротерапия применяется для лечения ожогов, стенокардии.

Лазерная хирургия. При интенсивности ЛИ равной 5-10 Вт/см2 большая часть энергии ЛИ превращается в тепловую. Нагревание ткани от 37 до 600 не вызывает структурных изменений в ткани, от 60 до 100 - приводит к фотокоагуляции, закипанию воды, переход ее в пар и разрыву клетки. После превышения температуры 300-4000 ткань чернеет, обугливается и начинает дымить. Свыше 500 – ткань горит и испаряется (фотоабляция, фоторазрушение).

Нагревание материала происходит быстро, тепло не передается на соседние области и концентрируется в зоне облучения. Это позволяет использовать взрывную волну для разрушения опухолей. Больше всего разрушаются пигментированные клетки, поскольку характеризуются максимальным коэффициентом поглощения. Поэтому часто в патологические ткани перед их разрушением вводят красители, увеличивающие поглощающую способность этих тканей.

Часто используют световоды, которые позволяют делать операции с помощью лазеров без разреза.

Лазерный скальпель:

1. бескровный разрез из-за фотокоагуляции;

2. надежность в работе (не сломается об косточку).

3. прозрачный, что расширяет поле зрения хирурга,

4. абсолютная стерильность (луч + убивает микробы вследствие высокой температуры).

5. локальность.

6. аналгетический эффект. Рана быстро заживает. Особенно применяют в офтальмологии – лазерная микрохирургия глаза (приваривают отслоившуюся сетчатку, разрушают внутриглазные опухоли, глаукому, обеспечивая отток внутриглазной жидкости через микроотверстие).

5. Радиоспектроскопмя. ЭПР. ЯМР. ЯМР-томография.

Индуцированные излучения также могут возникать при переходе электронов между энергетическими подуровнями, а также микрочастицами ядер (протонами, нейтронами) между их энергетическим уровнями. Для того чтобы осуществить такие переходы, необходимо:

1. создать в атомах эти энергетические подуровни;

2. вызвать переход микрочастиц с нижних энергетических подуровней на высшие подуровни.

С высших подуровней микрочастицы могут переходить в основное состояние самопроизвольно с излучением энергии, количество которой равно разности энергии между подуровнями. Однако индуцированный переход будет сопровождаться более мощным излучением, поскольку излучаемые фотоны одинаково направлены и их излучение происходит одновременно. Поэтому возможен следующий шаг:

3. вызвать обратный переход микрочастиц на основной энергетический уровень.

Энергетические подуровни электронов в атомах получают помещением их в постоянное магнитное поле. При этом происходит, так называемое, расщепление Зеемана. Расщепляются на подуровни энергетические уровни только тех электронов, которые обладают собственным магнитным моментом. Разность энергий между подуровнями: ΔE = gμEB→ , где g множитель Ланде (для каждого вида атомов свой), μE - магнетон Бора (μE = eh/(4πm)), B→ - магнитная индукция внешнего магнитного поля.

Переход электронов с основного подуровня в обычном состоянии маловероятен. Для того чтобы он произошёл, на атом с расщёплёнными подуровнями действуют переменным электромагнитным полем радиодиапазона, направленным перпендикулярно по отношению к постоянному магнитному полю. Такой диапазон частот обусловлен величиной разности энергий между подуровнями. Он находится в радиодиапазоне. Причём для каждого вида атомов эта частота имеет своё значение. Оно должно совпадать с частотой энергии перехода и потому называется резонансной частотой. Таким образом: ω = gE.

То же, что было выше сказано про электроны характерно и для микрочастиц ядра. Разница состоит в том, что именно микрочастицы ядра должны обладать собственным магнитным моментом (это бывает в ядрах с нечётным числом протонов, нейтронов или протонов и нейтронов. Ядра с чётным числом протонов и нейтронов магнитным моментом не обладают), разность энергий между подуровнями вычисляется по формуле: ΔE = gμЯB→ , эта разность значительно меньше, чем разность для электронов, соответственно частота переменного электромагнитного поля, которое будет вызывать переходы между подуровнями, хотя и находится в радиодиапазоне, но меньше по величине (для протонов около 43 МГц).

Указанные явления для электронов и ядер называются соответственно:

Электронный парамагнитный резонанс – явление избирательного (резонансного) поглощения атомами парамагнетиков, электроны которых обладают собственным магнитным моментом и находящимися в постоянном магнитном поле энергии переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона.

Ядерный магнитный резонанс – явление избирательного (резонансного) поглощения атомами, ядра которых обладают собственным магнитным моментом, находящимися в постоянном магнитном поле энергии переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона.

Указанные процессы (связанные с вынужденными переходами микрочастиц между энергетическими уровнями, вызванными электромагнитным излучением радиодиапазона) рассматриваются в области физики, называемой радиоспектроскопией.

Для того чтобы осуществить радиоспектроскопию используют радиоспектрометр. Исследуемое вещество помещают между полюсами постоянного магнита (достигают расщепление уровней на подуровни). Затем действуют переменным электромагнитным полем радиодиапазона, плавно изменяя его частоту. Регистрируют интенсивность прошедшего через вещество переменного электромагнитного излучения радиодиапазона, прошедшего через вещество. На резонансной частоте интенсивность такого излучения падает, поскольку эти волны поглощаются, обеспечивая переход электрона на высший подуровень.

Резонансная частота зависит, прежде всего, от вида атомов, из которого состоит вещество, а также от количества и вида атомов, с которым данный атом связан в сложное соединение, поскольку атомы в веществе взаимодействуют между собой электрическими и магнитными полями. Поэтому с помощью радиоспектроскопии по спектрам поглощения радиоволн можно исследовать качественно и количественно химический состав веществ. В частности, метод электронного парамагнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса сыграл большую роль в изучении химического состава и биофизических особенностей нативных биомембран, поскольку для этого мембрану не надо разрушать, а достаточно ввести парамагнитную метку в состав белков и липидов.

С помощью метода ЭПР впервые были исследованы механизмы действия ионизирующих (радиоактивных) излучений на живые организмы. Изучая магнитное поле, мы с Вами выяснили, что живые организмы состоят в основном, из диамагнетиков. Т.е. эти вещества не будут поглощать электромагнитное излучение радиодиапазона, используемого в ЭПР. Под действие радиации происходит образование возбуждённых молекул, ионов и свободных радикалов, которые обладают парамагнитными свойствами. В результате для их качественного и количественного изучения возможно применение метода ЭПР.

Особое значение приобрёл метод ЯМР в медицине. В 1952 г. Пёрсел и Блох получили Нобелевскую премию по медицине, создав первый ЯМР - томограф. ЯМР томография - это неинвазивный диагностический метод исследования внутреннего состояния организма, основанный на явлении ядерного магнитного резонанса. Основным сигналом при этом является, в основном, протонный резонанс молекул воды, содержание которой в организме наиболее велико. Также диагностическим признаком является время угасания сигнала в результате процессов релаксации. В последние годы предложено метод называть просто магнитно-резонансной томографией, чтобы не травмировать психику пациента словом «ядерный».

Суть метода такая же, как в ЯМР-радиоспектроскопии. Тело пациента помещают в постоянное магнитное поле (расщепление энергетических подуровней). Действуют переменным электромагнитным излучением (вынужденный переход протонов ядер на высшие энергетические уровни). Но отличие в том, что анализируют спектры излучения, которые возникают при переходе из высших энергетических уровней на низшие, причём, чтобы получить мощный сигнал излучения направление постоянного поля меняют на противоположное. В таком случае протонами синхронно излучается энергия перехода, что способствует формированию более мощного сигнала.

В различных тканях содержание воды неодинаково. Поэтому и сигнал, который будет регистрироваться от них, будет различным по интенсивности. Так, воздух и твердые ткани не дают ЯМР-сигнала (потому кости, лёгкие, просвет кишечника и др. будут выглядеть на томограммах тёмными), а мягкие ткани в зависимости от содержания воды – более или менее светлыми. Это позволяет получать контрастные изображения структуры внутренних органов.

В ЯМР томографии получают изображения поперечных сечений тела человека с заданным шагом измерений. Чтобы сформировать изображение одного поперечного сечения производят накопление ЯМР сигналов от данного слоя, полученных под различными углами по отношению к излучателю-приёмнику ЭМ волн. Затем соответствующие компьютерные программы интегрируют их, формируя одно изображение. В результате такой метод обладает высокой разрешающей способностью.

Достоинства:

1). неинвазивный;

2). безопасный, т.к. не применяется радиоактивное излучение. Поэтому можно многократно исследовать состояние детей и других возрастных групп, а также беременных, наблюдая динамику состояния во времени или выздоровления в процессе терапии.

3). высокая разрешающая способность (особенно при использовании контрастных веществ).

Недостатки:

1. нельзя применять, если в организме находятся ферромагнетики (в т.ч. кардиостимуляторы, хирургические зажимы, металлические пломбы), что может исказить ЯМР-сигналы или вызвать нарушения состояния пациента.