книги / Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами. Воздействие ионизирующего и оптического излучения

чае может быть использован как ускоритель электронов (бетатрон, синхротрон), так и ускоритель тяжелых частиц (синхрофазотрон).

Следует, однако, отметить, что использование в терапевтичес­ ких целях ускорителей заряженных частиц, при всех их несомнен­ ных достоинствах, является крайне дорогостоящим методом лече­ ния и уже поэтому не может быть рекомендовано к широкому применению.

Применение позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).

ПЭТ основана на явлении распада позитрона на два у-кванта с энергией 511 кэВ каждый, разлетающихся примерно под углом 180° друг к другу. Наиболее эффективный метод прижизненной визуализации распределения радиофармпрепаратов, излучающих позитроны, - это расположение вокруг пациента большого числа раздельных сцинтилляторных приемников, причем каждый при­ емник подключается к электронной схеме регистрации двойных совпадений с расположенным напротив (с другой стороны пациен­ та) приемником. При этом можно определить линию, на которой происходит аннигиляция. Наибольшее применение ПЭТ находит при неврологических исследованиях и изучении процессов мета­ болизма головного мозга, поэтому большинство систем рассчита­ но для томографии черепа и имеют небольшой диаметр кольца рабочей зоны. Пространственное разрешение в реконструирован­ ном изображении составляет 6 мм при толщине сечения 6,3 мм.

Применение рентгеновских и у-лазеров. Рентгеновские и у-лазеры позволяют получить высокую яркость источников, моно­ хроматичность, коллимированность, когерентность и время экспо­ зиции от 0,1 до нескольких миллисекунд [28]. Это дает улучшение чувствительности и разрешения в компьютерной томографии и рентгеновской флюороскопии. Дифференциальное поглощение может использоваться для улучшения контраста при количествен­ ном изучении распределения тяжелых элементов в различных жи­ вых органах.

Рентгеновская дифракция при больших интенсивностях может оказаться полезной для изучения физиологии и контроля мышеч­ ных сокращений.

Особую роль рентгеновские лазеры играют в рентгеновской микроскопии. Они могут помочь в ответах на следующие вопросы:

а) каково расположение растворенных ферментов в цитоплаз­ ме, т. е. являются ли они свободно плавающими или связаны с ци­ тоскелетом?

б) присутствуют ли белковые агрегированные структуры в жи­ вых клетках?

81

3

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО, ВИДИМОГО И ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

СБИООБЪЕКТАМИ. ПОНЯТИЕ

ОФОТОБИОЛОГИИ И ФОТОМЕДИЦИНЕ

Втретьей главе рассмотрен оптический диапазон, понимаемый в расширенном смысле (включая ультрафиолетовую, видимую и инфра­ красную области). Особое внимание уделяется физике взаимодействия, биологическому ответу живых организмов на оптическое воздействие, дается понятие о фотобиологии и фотомедицине. Излагаются меха­ низмы преобразования энергии оптического излучения биообъектами различного системного уровня.

3.1.ПОГЛОЩЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ СВЕТА ВЕЩЕСТВОМ

При прохождении света через вещество изменяются его интен­ сивность, поляризация, фаза и другие характеристики вследствие его поглощения и рассеяния частицами вещества.

Поглощением называется ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество за счет превраще­ ния световой энергии в другие ее виды. Поглощение монохроматического парал­ лельного пучка света однородно погло­ щающими средами описывается законом Бугера - Ламберта - Бера (рис. 3.1).

Выделим из слоя среды / с концентра­ излучения через слой цией поглощающих частиц с бесконечно

тонкий подслой dl. Если на dl падает свет

интенсивностью /, то после прохождения расстояния dl она уменьшается, т. е. dl < 0 и

83

Поскольку к9= const, то после интегрирования имеем

In- ^ - = k'cl.

^ВЫХ Заменяя натуральные логарифмы десятичными ( к ^ 2 уЪк*\ полу­ чаем

коэффициентом поглощения. Если с выражают в молях на литр, а толщину слоя в сантиметрах, то коэффициент поглощения назы­ вают молярным коэффициентом поглощения и обозначают . Наиболее распространенная форма закона Бугера - Ламберта - Вера имеет вид

лярный коэффициент поглощения, л-моль-см *; с - концентра­ ция вещества, моль/литр; / - длина слоя, см. Молярный коэффициент поглощения выражает вероятность того, что дан­

ная молекула поглотит квант света при ее взаимодействии с фото­ ном. Формула (3.3) фактически позволяет рассчитать поглощен­ ную веществом энергию света.

Этот закон был открыт в 1729 г. французским физиком и море­ плавателем П. Бугером (Р. Bouguer), изучавшим прохождение све­ та через атмосферу и цветные стекла. Спустя 30 лет, уже после смерти П. Бугера, И.Г. Ламберт придал закону современную фор­ му, подтвердив приоритет Бугера. Еще позднее А. Бер применил закон к светопоглощению растворов, связав его с концентрацией поглощающего вещества.

СИ . Вавилов экспериментально доказал, что закон (3.3) спра­ ведлив в широких пределах изменения интенсивности (примерно

84

в 1020 раз). Нарушение закона возможно лишь при напряженно­ стях поля в электромагнитной волне, сравнимых с внутриатомны­ ми и внутримолекулярными значениями. Такие поля реализуются, например, в лазерном излучении. В биообъектах поглощающее вещество распределено неравномерно. Результаты измерения го­ ворят о соблюдении закона поглощения в тканях, однако прямая проверка закона как зависимости от концентрации поглощающего вещества в тканях не может быть выполнена, так как концентра­ ция остается неизвестной экспериментатору.

Если поглощающих сред несколько, то

**10°'43. Вводят также натуральный показатель поглощения ве­ щества а п = г^с. Тогда характерная глубина проникновения излу­

чения 1а = 1/ а п.

Зависимость оптической плотности и молярного коэффициента

где а - сечение поглощения молекулы (эффективная площадь, при попадании фотона в которую происходит его захват молекулой),

85

глощающих кванты света. Следовательно, интенсивность света, прошедшего слой толщиной / , может быть выражена формулой

С учетом отражения и рассеяния поглощенная энергия опреде­ ляется выражением

Д/ = (1 - р* ) ( / 0 - / ВЬ1Х) * (1 - р*)/00 ~ e{a"+m*)l),

где р* - коэффициент отражения; т - натуральный показатель

рассеяния, т. е. величина рассеяния на единицу длины (см. ниже). Интенсивность люминесценции, вызванной поглощением про­

ходящего через среду света, можно рассчитать как

'л = V o (l- 1 0 - e*cl).

^число излученных квантов

Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распро­ странения света и проявляющееся как несобственное свечение ве­ щества. Оно обусловлено суперпозицией излучений, возникающих при вынужденных колебаниях электронов в атомах рассеивающей среды под действием падающего света. Рассеяние происходит в оптически неоднородной среде. Уменьшение интенсивности при рассеянии описывается по законам, аналогичным закону Бугера,

/ ( / ) = / 0 <гт \

где т - натуральный показатель рассеяния. При совместном дей­ ствии поглощения и рассеяния

Здесь р. = т + а п - коэффициент экстинкции (ослабления), кото­ рый очевидным образом можно связать с оптической плотностью.

В мутных средах (суспензиях), т. е. средах, где интенсивность света падает не только за счет поглощения, но и за счет рассеяния, измеренная оптическая плотность будет равна Dmu =Dn +Dpacc.

86

Зависимость интенсивности рассея­ ния от длины волны падающего излу­ чения А. имеет вид

I = KX~S*,

где К зависит от размеров и формы рас­ сеивающих частиц, от разницы показа­

в зависимости от размера частиц а. Ес­

вая 2), 2А (кривая J) [32]

ли а < 0,2А,, то 5*= 4 и рассеяние назы-

*

вается рэлеевским, если а - А,, то S « 2 . При увеличении размера

частицы распределение света становится асимметричным: основ­ ная энергия идет в направлении падающего света. На частицах, значительно больших X, свет не рассеивается, а преломляется и отражается по законам оптики (рис. 3.3).

Рассеяние света в мутных средах (дым, туман, взвеси, эмуль­ сии) на частицах, размеры которых малы по сравнению с длиной волны X, называется явлением Тиндаля. Пусть свет падает на сре­ ду вдоль оси х. При прохождении света через мелкодисперсную мутную среду в рассеянном свете (направление А на рис. 3.4) пре­ обладает коротковолновый (сине-голубой) свет, а в проходящем (направление Б) - длинноволновый (желто-красный). Этим объяс­ няется голубой цвет неба и желто-красный цвет заходящего и восходящего Солнца.

87

Если размер частиц а больше длины волны падающего света, то наблюдается эффект Ми: интенсивность рассеяния света вперед

а » X спектральные составы рассеянного и падающего света прак­ тически совпадают. Этим объясняется белый цвет облаков.

3.2. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

ПРИ ПЕРЕХОДАХ МЕЖДУ СИНГЛЕТНЫМИ И ТРИПЛЕТНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ МОЛЕКУЛЫ

После поглощения кванта энергии атом или молекула оказывают­ ся в возбужденном состоянии, в котором не могут находиться вечно из-за его неравновесное™. Энергия неминуемо будет потеряна.

На диаграмме Яблонского (рис. 3.5) показаны переходы, воз­ можные между уровнями энергии с одинаковой и разной мультиплетностью.

Колебательная

50 и S i - состояния одинаковой мультиплетности: So - основное состояние, 51 - самый нижний колебательный подуровень, соответствующий термичес­ ки равновесному состоянию; Т\ - возбужденное триплетное состояние; S и Т - состояния разной мультиплетности

88

Время, в течение которого проходит тот или иной процесс (т. е. время, в течение которого молекула находится в состоянии с дан­ ной энергией), называется временем жизни уровня или процесса. Время жизни процессов, указанных на рис. 3.5, следующее: по­

Внутренняя конверсия и интеркомбинационная конверсия

(см. В2) - безызлучательные процессы, во время которых элек­ тронная энергия молекулы переходит в колебательную (тепло­ вую). Внутренняя конверсия возможна только между уровнями одинаковой мультиплетности, а ИКК - только между уровнями разной мультиплетности.

Флуоресценция - излучательный процесс между состояниями одинаковой мультиплетности. Между спектрами поглощения и спектрами испускания для простых молекул обычно существует зеркальное соответствие (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Зеркальное соответствие между спектрами поглоще­ ния и спектрами испускания для простых молекул:

1 - поглощение; 2 - флуоресценция

Фосфоресценция - излучательный переход между состояниями

различной мультиплетности. Поскольку время жизни фосфорес_о

ценции составляет от 10 с до нескольких минут, триплетные со­ стояния часто играют центральную роль в органической фотохи­ мии, так как имеют более высокую вероятность вступить в фотохимическую реакцию. Кванты излучения фосфоресценции имеют, как правило, меньшую энергию (а следовательно, боль­ шую длину волны), чем флуоресценции.

Флуоресценция и фосфоресценция имеют различное происхо­ ждение (излучательный переход с различных по мультиплетности уровней), энергию, длину волны, а также время жизни.

89

3.3.ПОНЯТИЕ О ФОТОБИОЛОГ ИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Кфотобиологическим относятся процессы, начинающиеся с поглощения света одним из биологически важных соединений и заканчивающиеся определенной физиологической реакцией орга­ низма.

Излучения, охватывающие видимую и УФ-части спектра, осо­ бенно эффективно индуцируют химические реакции. Такие хими­ ческие реакции молекул, возбуждаемых оптическим излучением, называются фотохимическими. Они являются основой фотобиологических процессов.

Выделяют два типа реакций:

1) протекающие только иод действием света;

2 ) усиливающиеся под действием света (коэффициент усиле-

ния может составлять 10 3... 105 ).

Вторичные реакции протекают без участия светового воздей­ ствия, например загар.

При поглощении кванта света может происходить множество физических и химических явлений, при которых энергия кванта рассеивается. Квантовый выход реакции г|р показывает, какая

часть молекул, поглотивших свет, вступила в реакцию: т)р < 1. В цепных реакциях r|p «1 (взрывной характер). Сумма всех первич­

ных квантовых выходов должна равняться единице: ^ т | р| = 1- В

/

определенном спектральном диапазоне Tip = const, т. е. квантовый

выход не зависит от длины волны поглощаемого света.

Вещества, участвующие в поглощении света и играющие до­ минирующую роль в фотопроцессах, называются пигментами. В свою очередь, части молекул с сопряженными двойными связями, способные поглощать свет, называются хромофорами.

Классификация пигментов:

1) пигменты, участвующие в прямых (первичных) фотохими­ ческих реакциях, например зрительный пигмент родопсин, регуля­ торный пигмент фитохром;

2 ) пигменты, имеющие косвенную связь с фотобиологическими процессами, например гемоглобин, миоглобин, каталаза, цитохром. Они являются фотоакцепторами. Гемоглобин имеет различные полосы поглощения. Его взаимодействие с квантом

90