Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Люмiнесценцiя
|
|
Теплове випромінювання у видимій частині спектра спостерігають при нагріванні тіла до температури 500—600 °С. Проте поряд із цим у природі існує велика кількість речовин, які, одержавши певну кількість енергії, здатні випромінювати світло в холодному стані.
Випромінювання світла різними речовинами, яке не зумовлене їхнім нагріванням до високої температури, називається холодним свіченням речовин, або люмінесценцією. Речовини, які випромінюють світло в холодному стані, одержали назву люмінофорів.
Люмінесцентне випромінювання виникає після того, як атоми чи молекули люмінофора одержали ззовні деяку кількість енергії. На відміну від звичайних речовин (не люмінофорів), ця енергія не перетворюється на теплову енергію (і тому температура люмінофорів не підвищується), а зосереджується в електронних оболонках їхніх атомів чи молекул. Отже, ця енергія є надлишковою порівняно з тепловою енергією люмінофорів і випромінюється у вигляді світлових квантів упродовж деякого проміжку часу. Тривалість післясвічення залежить від природи люмінофора й може змінюватися в широких межах — від мільйонних часток секунди до кількох годин і навіть діб.
Залежно від способу, яким спричинюється холодне свічення речовин, розрізняють кілька видів люмінесценції.
1. Хемілюмінесценція виникає за рахунок енергії, яка вивільнюється під час хімічних реакцій. До неї, зокрема, належить і свічення багатьох біологічних об’єктів — біолюмінесценція. Так, білий фосфор, повільно окиснюючись у повітрі, інтенсивно випромінює холодне світло. Холодне світло випромінюють багато видів комах і морських риб, деякі види грибів, шматочки гниючої деревини й окремі види бактерій. Колонії таких бактерій виявлені на голові глибоководних риб. Бактерії використовують рибу як транспортний засіб, а риби освітлюють у такий спосіб собі дорогу в морських глибинах.
2. Електролюмінесценція — холодне свічення, що виникає під дією електричного поля. Цей вид люмінесценції, зокрема, спостерігається під час коронного й тліючого розрядів у газах.
3. Катодолюмiнесценцiя — свiчення, збуджене ударами електронiв.
4. Фотолюмінесценція — холодне свічення, що виникає під час опромінювання люмінофорів видимими, ультрафіолетовими й рентгенівськими променями. Її можна спостерігати при опромінюванні сульфіду цинку, платиносиньородистого барію, гасу, вілеміту, деяких органічних барвників та багатьох інших речовин.
5. Радіолюмінесценція — виникає під дією радіоактивного випромінювання
Розрізняють два види фотолюмінесценції: флюоресценція й фосфоресценція. Флюоресценція — це короткочасне холодне свічення, тривалість якого не перевищує 10-3 с. Фосфоресценція — це тривале холодне свічення тіл, у яких час післясвічення сягає від кількох секунд до кількох діб. Принципового розходження між цими видами люмінесценції немає, вони різняться тільки тривалістю післясвічення.
Незалежно вiд способу збудження люмiнесцентне випромiнювання має ряд особливостей, а саме:
а) люмiнесцентне випромiнювання триває деякий час пiсля усунення причин, що його викликає (це дозволяє вiдрiзняти люмiнесценцiю вiд розсiяного або вiдбитого випромiнювань).
б) кожна речовина має певний, характерний саме для нього, спектр люмiнесценцiї.
3. Механізм виникнення люмінесценції. Закони і характеристики люмінесценції.
Усі спроби пояснити явище люмінесценції, виходячи з електромагнітної теорії світла, виявилися безуспішними. Згідно з цією теорією, видиме випромінювання тіл може виникати лише при високих температурах і, отже, холодного свічення в природі не може бути. Але квантова теорія Бора це явище пояснює так.
Припустимо, що атом люмінофора має 5 енергетичних рівнів (мал. 3.1.). У разі поглинання фотона атом переходить у збуджений стан. Однак цей стан нестійкий, і атом переходить у більш стійкий стан, випромінюючи при цьому надлишок енергії у вигляді світлового кванта. Так виникає холодне свічення тіл.
Процес випромінювання холодного світла може йти прямо: електрони відразу переходять зі збудженого стану в основний. У цьому випадку молекула люмінофора випромінює квант такої самої енергії, який вона поглинула. У деяких люмінофорів процес випромінювання може мати каскадний характер: атоми поступово переходять із найвищого енергетичного рівня на нижчі, поки не опиняться на першому рівні (мал. 3.1).
Величина випромінюваних квантів D E 2, у більшості випадків менша, але інколи буває й тотожна енергії D E 1, поглинутого кванта:
або 
звідки l2 ³ l1
Таким чином було експериментально встановлено правило Стокса:
Довжина світлових хвиль, що випромінюються люмінофором, завжди більша або дорівнює довжині світлових хвиль, що падає на нього.
У більшості випадків деяка частка енергії поглинутих квантів, перетворюється на внутрішню енергію люмінофора, й тому, як правило, атоми люмінофорів випромінюють кванти світла меншої енергії, ніж поглинають. Але в деяких випадках мінесценція може відбуватися і всупереч правилу Стокса (антистоксове випромінювання). Це пояснюється тим, що в деяких люмінофорів атоми можуть одержувати енергію не лише за рахунок квантів, які поглинаються, а й від сусідніх атомів унаслідок їхнього коливального руху. Маючи надлишкову енергію, такі атоми переходять на вищі енергетичні рівні, й тому енергія квантів, що випромінюються ними, виявляється більшою від енергії поглинутих квантів.
4. Хемілюмінесценція у діагностиці.
Дослідження, виконані акад. С.І. Вавиловим, показали, що спектральний склад люмінесцентного випромінювання є індивідуальним для кожної речовини. Завдяки цій обставині він розробив методи люмінесцентної мікроскопії й заклав основи люмінесцентного аналізу — визначення хімічного складу різних речовин за спектром їхнього люмінесцентного випромінювання.
Для цього речовину опромінюють ультрафіолетовими променями. Люмінесцентне випромінювання, яке при цьому виникає, вивчають за допомогою спеціального люмінесцентного мікроскопа (мікроаналіз) або спостерігають неозброєним оком (макроаналіз) залежно від розмірів досліджуваного об’єкта. Люмінесцентний аналіз набув широкого застосування в медико-біологічних дослідженнях, гігієні та судовій медицині.
Під дією ультрафіолетових променів випромінюють холодне світло різні тканини людського організму (нігті, зуби, склера, кришталик) і багато мікроорганізмів (бактерії прокази, дифтериту, туберкульозна паличка тощо). Це дає змогу за допомогою люмінесцентного аналізу проводити важливі мікробіологічні дослідження якщо звичайна мікроскопія виявляється менш ефективною. У гігієні методом люмінесцентного аналізу визначають міру придатності багатьох продуктів харчування. Цим же методом визначають ступінь чистоти лікарських препаратів, наявність вітамінів чи отрути в продуктах харчування.
5. Спонтанне та індуковане випромінювання.
В усіх теплових і люмінесцентних джерелах світла випромінювання енергії атомами відбуваються мимовільно: атоми переходять зі збудженого в основний стан самі по собі, тобто спонтанно. Кожен атом випромінює фотони незалежно від усіх інших, тому спонтанне випромінювання є некогерентним, тобто не узгодженим у часі.
У процесі випромінювання світла беруть участь мільярди атомів. Виявляється, що за певних умов цю неймовірно величезну кількість атомів можна змусити випромінювати світло узгоджено: всі вони будуть одночасно випромінювати світлові кванти з однаковими довжинами хвиль.
Нехай на атом падає фотон (мал. 5.1, а) енергія якого дорівнює різниці енергій E 2 – E 1, атома в нормальному й збудженому станах. Якщо атом не збуджений, тобто перебуває на першому енергетичному рівні E 1 то падаючий на нього фотон просто поглинається атомом, і він переходить на рівень E 2. Але якщо атом уже перебуває в збудженому стані (на рівні E 2), то падаючий на нього фотон не поглинається атомом, а спричинює перехід атома зі збудженого стану в нормальний. При цьому атом випромінює ще один фотон. Новонароджений (вторинний) фотон має таку саму енергію й поширюється в тому самому напрямі, що й первинний фотон (мал. 5.1, б). Зіткнувшись із двома іншими атомами, які теж перебувають у збудженому стані, ці два фотони спричинять появу ще двох вторинних фотонів, які, своєю чергою, спричинюватимуть народження все нових фотонів. За дуже короткий проміжок часу виникає лавина фотонів. Усі вони мають однакову енергію, а отже, й однакову довжину світлової хвилі і будуть рухатися в одному напрямі.
Це явище називають вимушеним (індукованим) випромінюванням світла. Його теоретично завбачив у 1916 р. А. Ейнштейн. Вимушене випромінювання отримало своє практичне втілення в оптичних квантових генераторах, або лазерах.
6. Лазери та їх види.
Оптичними квантовими генераторами, або лазерами, називають пристрої, що створюють когерентні електромагнітні хвилі в оптичному діапазоні на основі вимушеного випромінювання. Залежно від застосовуваного робочої речовини розрізняють кристалічні, газові та рідинні лазери. Розглянемо принцип дії кристалічного (рубінового) лазера (мал.. 6.1).
|
Робочою речовиною є синтетичний рубін-окис алюмінію Аl2О3 з дуже малою (0,05%) домішкою окису хрому Сr2O3. З рубіна виготовляють циліндричний стрижень 1 (діаметром до 2см і довжиною до 50см). Строго паралельні торці стрижня ретельно відполіровані і посріблені настільки, що один з них повністю дзеркальний, а інший частково прозорий - пропускає близько 10% випромінювання. Рубіновий стрижень оточений спіральною імпульсною лампою 2, вміщеній в відображаючий кожух 3. Лампа дає яскраві спалахи синьо-зеленого світла при розрядах конденсатора 4, з'єднаного з індукційною котушкою 5. В генеруванні лазерного світла (променя 6) беруть участь тільки іони хрому.
Гелій-неоновий лазер може працювати на 30 довжинах хвиль в області видимого та інфрачервоного діапазонів. Найчастіше використовуються гелій-неонові лазери, що випромінюють червоне світло з довжиною хвилі 632,8 нм. Потужність таких лазерів невелика, вона не перевищує 100 мВт.
7. Властивості, біологічна дія лазерного випромінювання.
Лазерне випромінювання має практично цінні властивості. Розглянемо найважливіші з них.
1. Лазерне випромінювання поширюється в навколишньому середовищі у вигляді вузького паралельного пучка променів. Кут розходження лазерного пучка променів не перевищує 14". Завдяки цьому лазерний промінь можна сфокусувати у світлову пляму діаметром усього 10 мкм і таким способом сконцентрувати світлову енергію на крихітній ділянці поверхні. У межах світної плями густина енергії лазерного променя сягає 108 кВт/см2; його яскравість у 100 млн разів перевищує яскравість сонячного світла. Досягти такої густини енергії світлового променя за допомогою системи лінз, дзеркал і призм неможливо. Неможливо в такий спосіб сфокусувати сонячне світло в промінь завтовшки 10 мкм і, спрямувавши його на об’єкт, віддалений усього на 1 км, підпалити його. Але лазерне випромінювання за допомогою лінз можна сфокусувати в надзвичайно вузький пучок променів і послати із Землі на Місяць, тобто на відстань 384 000 км.
2. Лазерне випромінювання є майже монохроматичним. Ширина спектральних ліній досягає 10–7нм. Це пояснюється тим, що в разі переходу з метастабільного в основний стан атоми робочої речовини лазера випромінюють фотони однакової енергії, тому лазерне випромінювання відбувається практично на одній довжині хвилі.
3. Лазерне випромінювання відзначається високим ступенем когерентності. Атоми робочої речовини лазера переходять з метастабільного на основний рівень майже одночасно, тому вони випромінюють світлові хвилі з однаковими фазами.
4. Лазери є найпотужнішими джерелами світла. Нині сконструйовані лазери, які здатні давати спалахи світла, в яких за 10-12с випромінюється енергія в кілька джоулів, і вона може бути сконцентрована на поверхні площею, меншою ніж 100 мкм2.
Перераховані властивості лазерного випромінювання швидко отримали широке застосування в наукових дослідженнях, техніці й медицині.
Газові лазери великої потужності (до сотні кВт) використовують для зварювання, різання й плавлення металів. З їхньою допомогою в металургії одержують надчисті метали, які виплавляють у вакуумі.
Висока когерентність лазерного випромінювання може бути використана для високоякісної передачі інформації великого обсягу в радіомовленні й телебаченні. За допомогою газового лазера одночасно можна передавати кілька тисяч телевізійних програм. Висока монохроматичність лазерного випромінювання використовується для точних вимірювань. Лазери з частотою, яку можна змінювати в певних межах, істотно підвищили точність спектроскопічних вимірювань і чутливість спектрального аналізу аж до спостереження спектрів окремих атомів. Лазерні локатори дають змогу визначати міру забрудненості атмосферного повітря на різних висотах. З їхньою допомогою виконані особливо точні вимірювання багатьох астрономічних констант, отримані важливі дані про атмосфери планет і будову їхніх поверхонь.
Біологічна дія лазерного випромінювання.
Термічний ефект. При поглинанні лазерного випромінювання речовиною значна частина енергії електромагнітного поля переходить в теплоту. У біологічної тканини поглинання відбувається вибірково, так як входять до складу тканин клітини, ферменти, гормони і пігменти мають різні показники поглинання і відбиття світла. Термічний ефект лазерного випромінювання залежить як від інтенсивності світлового потоку, так і від ступеня його поглинання тканиною.
Ураження тканини при потужному лазерному опроміненні схоже на опіки, які виникають під дією струмів високої частоти, але тільки з більш різкою границею ураженої ділянки. Це пояснюється спрямованістю світлового пучка і короткочасністю лазерного імпульсу. Найбільш чутливі до підвищення температури ферменти, які при термічному ударі руйнуються першими. Так як вони служать прискорювачами біохімічних реакцій, то при руйнуванні ферментів ці реакції загальмовуються, а це може призводити до загибелі клітин.
Ударний ефект. У місці падіння лазерного променя в тканини виникає теплове об'ємне розширення, внаслідок чого з'являються механічні напруги. У рідких компонентах клітин і тканин під дією різко зростаючого тиску утворюється ударна хвиля, що поширюється з надзвуковою швидкістю. Ударна хвиля, розповсюджуючись у внутрішніх тканинах, може пошкоджувати їх без будь-яких зовнішніх проявів.
Електричні явища. При попаданні атомів і молекул в електромагнітне поле під дією електричної складової хвилі утворюються електричні диполі, це призводить до зміни електричних параметрів речовини, наприклад до зменшення електроопору, до збільшення діелектричної проникності. Зменшення електроопору можна пояснити тим, що при достатньо великих напруженостях електричного поля відбувається іонізація атомів і валентні електрони переходять у вільний стан. Під дією лазерного випромінювання у водних розчинах утворюються радикали ОН– і НО2–, що володіють високою реакційною здатністю, наприклад з ними пов'язують різні патологічні процеси в організмі тварин. Передбачається, що вони обумовлюють хімічні мутації, виникнення деяких форм раку, біологічне старіння.
8. Застосування лазерів у медицині.
Всі лазери, які використовуються в медицині, умовно поділяються на 2 види: низькоінтенсивні (інтенсивність не перевищує 10 Вт/см2, найчастіше становить близько 0,1 Вт/см2) - терапевтичні і високоінтенсивні - хірургічні з інтенсивністю 102 - 106 Вт / см2.
Низькоінтенсивні лазери – це такі, які не викликають помітного деструктивної дії на тканини безпосередньо під час опромінення. У цих випадках лазери є просто зручними монохроматичними джерелами світла, що забезпечують точну локалізацію і дозованість впливу. Прикладами може служити використання світла гелій-неонових лазерів для лікування трофічних виразок, ішемічної хвороби серця та ін, а також криптонових та ін лазерів для фотохімічного пошкодження пухлин в фотодинамічній терапії.
Поглинання будь-якого випромінювання призводить до виділення деякої кількості енергії у вигляді тепла, яке розсіюється від збуджених молекул в навколишній простір. Інфрачервоне випромінювання поглинається головним чином водою і викликає в здебільшого теплові ефекти. Тому випромінювання високоінтенсівних інфрачервоних лазерів викликає помітну негайну теплову дію на тканини. Під тепловим впливом лазерного випромінювання в медицині розуміють в основному випаровування (різання) і коагуляцію біотканин. Це стосується різних лазерів з інтенсивністю від 1 до 107 Вт/см2 і з тривалістю опромінення від мілісекунд до декількох секунд. До них відносяться, наприклад, газовий С02-лазер (з довжиною хвилі 10,6 мкм).
Поряд з нагріванням тканини відбувається відведення частини тепла за рахунок теплопровідності і струму крові. При температурах нижче 40 ° С незворотні пошкодження не спостерігаються. При температурах 60 ° С і вище починається денатурація білків, коагуляція тканин і некроз. При 100 - 150 ° С викликається зневоднення і обвуглювання, а при температурах понад 300 ° С тканину 
випаровується.
|
Якщо зменшувати тривалість впливу (10–9–10–6с) і збільшувати інтенсивність (вище 106 Вт/см2), то розміри зон обвуглювання та коагуляції стають мізерно малими. Такий процес називають фотоабляція (фотовидалення) і використовують для пошарового видалення тканини. Фотоабляція виникає при щільності енергії 0,01-100 Дж/см2.
Деякі важливі області застосування лазерiв у медицинi:
1. Безкровна хiрургiя. Розтинаючи тканину, лазерний промiнь викликає коагуляцiю бiлка, запобігаючи капiлярній кровотечі.
2. Офтальмологiя. Лазерний промiнь використовують для приварювання вiдшарованої сiтківки та для лiкування глаукоми – захворювання, пов’язаного з пiдвищенням тиску всерединi ока. “Протикаючи” лазерним променем мiкроотвiр в склерi, створюють вiдтік рiдини, в результатi чого тиск всерединi ока зменшується.
3. Мiкрохiрургiя. Використання лазерного променя дозволяє вибiрково руйнувати клiтковi органели.
4. Гастроскопія. На основi гелiй-неонового лазера з використанням волоконної оптики створено гастроскоп – прилад, який дозволяє формувати голографiчне (об’ємне) вiдтворення внутрiшньої порожнини шлунка.
1. Що таке люмінесценція? Назвіть основні види люмінесценції.
2. Поясніть природу люмінесценції на основі квантової теорії Бора.
3. Сформулюйте правило Стокса. Обгрунтуйте це правило математичним розрахунком.
4. Поясніть будову й принцип дії люмінесцентної лампи. У чому полягає її схожість і відмінність від ртутної лампи?
5. Поясніть принцип люмінесцентного аналізу. Де його застосовують у медицині?
6. У чому полягає явище вимушеного (індукованого) випромінювання?
7. Як виникає індуковане випромінювання?
8. Поясніть принцип дії та будову рубінового лазера.
9. Назвіть основні властивості лазерного випромінювання.
10. Окресліть сферу застосування лазерів у техніці й медицині.
Резонансні методи квантової механіки. ЯМР-томографія.
1. Ефект Зеємана. Резонансні методи квантової механіки.
2. Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) і його медико-біологічні застосування .
3. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР)
4. Дослідження МР томографії та пристрій МР томографа
1. Ефект Зеємана. Резонансні методи квантової механіки.
У наш час, поряд з традицiйними методами оптичної спектроскопiї, у бiологiї та медицинi стали широко використовуватись методи магнiтної спектроскопiї, якi дозволяють одержати цiнну iнформацiю про будову органiчних молекул, природу мiжмолекулярних взаємодiй, характер молекулярних рухiв. В основi цих методiв лежить один i той же принцип – поглинання енергiї системою парамагнiтних частинок при iндукованих високочастотним електромагнiтним випромiнюванням переходах мiж енергетичними рiвнями, на якi розщеплюються рiвнi енергiї системи у зовнiшньому магнiтному полi.
На контур з струмом, поміщений в магнітне поле, діє момент сили. При стійкій рівновазі контуру його магнітний момент збігається з напрямком вектора магнітної індукції. Таке положення займає контур з струмом, наданий себе. Істотно інакше орієнтуються в магнітному полі магнітні моменти частинок. Розглянемо це питання з позиції квантової механіки.
Проекція моменту імпульсу електрона на деякий напрям приймає дискретні значення. Щоб виявити ці проекції, необхідно якимось чином виділити напрямок Z. Один з найбільш поширених способів – завдання магнітного поля, в цьому випадку визначають проекцію орбітального моменту імпульсу, проекцію спина, проекцію повного моменту імпульсу електрона і проекцію моменту імпульсу атома на напрямок вектора магнітної індукції В.
Для атома отримуємо такі значення проекцій магнітного моменту ртz на напрям вектора магнітної індукції:
(1.1)
де mБ = еh/(4pт) — магнетон Бора, т — маса електрона, mJ — магнітне квантове число, g – множник Ланде (g-фактор), для заданого рівня енергії атома він залежить від квантових чисел L, J, S. Знак «–» у (25.1) обумовлений негативним зарядом електрона.
Енергія атома в магнітному полі з урахуванням того, що за відсутності поля енергія атома дорівнює Е0, визначається формулою
(1.2)
Оскільки магнітне квантове число може приймати 2 J +1 значень від + J до J, то з (25.2) випливає, що кожен енергетичний рівень при приміщенні атома в магнітне поле розщеплюється на 2 J +1 підрівнів. Це схематично показано на рис. 25.1 для J = 1/2. Різниця енергій між сусідніми підрівнями дорівнює
(1.3)
Розщеплення енергетичних рівнів призводить і до розщеплення спектральних ліній атомів, поміщених в магнітне поле. Це явище називають ефектом Зеемана.
Запишемо вираз (25.2) для двох підрівнів Е1 і Е2, утворених при накладенні магнітного поля:
де Е01 и Е02 — енергетичні рівні атома в відсутності магнітного поля. Використовуючи (1.4), отримуємо вираз для випромінюваних атомом частот:
(1.5)
где n0 – частота спектральної лінії в відсутності магнітного поля;
Dn – розщеплення спектральної лінії в магнітному полі.
З (1.5) видно, що Dn залежить від магнітного квантового числа, множника Ланде та магнітної індукції поля. Якщо g1 = g2 = g то
Згідно з правилами відбору для магнітного квантового числа, маємо
(1.6)
Це відповідає трьом можливим частотам:
тобто в магнітному полі спектральна лінія розщеплюється і перетворюється на триплет. Таке розщеплення називається нормальним або простим ефектом Зеемана. Він спостерігається в сильних магнітних полях або при g1= g2.
У слабких магнітних полях при g1 ¹ g2 існує аномальний еффект Зеемана, і розщеплення спектральних ліній значно більш складне.
У атома, поміщеного в магнітне поле, спонтанні переходи між підрівнями одного і того ж рівня маловірогідні. Однак такі переходи здійснюються індуковано під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Необхідною умовою є збіг частоти електромагнітного поля з частотою фотона, відповідного різниці енергій між розщепленими підрівнями. При цьому можна спостерігати поглинання енергії електромагнітного поля, яке називають магнітним резонансом. Залежно від типу частинок - носіїв магнітного моменту - розрізняють електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) і ядерний магнітний резонанс (ЯМР).
2. Електронний парамагнітний резонанс і його медико-біологічні застосування.
ЕПР відбувається в речовинах, що містять парамагнітні частинки: молекули, атоми, іони, радикали, які мають магнітний момент, зумовлений електронами.
Магнітний резонанс спостерігається, якщо на частинку одночасно діють постійне поле індукції Врез і електромагнітне поле з частотою n. Виявити резонансне поглинання можна двома шляхами: або при незмінній частоті плавно змінювати магнітну індукцію, або при незмінній магнітної індукції плавно змінювати частоту. Технічно більш зручним виявляється перший варіант.
Одне з медико-біологічних застосувань методу ЕПР полягає у виявленні та дослідженні вільних радикалів. Так, наприклад, спектри ЕПР опромінених білків дозволили пояснити механізм утворення вільних радикалів і у зв'язку з цим прослідкувати зміни первинних і вторинних продуктів радіаційного ураження.
ЕПР широко використовують для вивчення фотохімічних процесів, зокрема фотосинтезу. Досліджують канцерогенну активність деяких речовин.
З санітарно-гігієнічною метою метод ЕПР використовують для визначення концентрації радикалів в повітряному середовищі.
Спеціально для вивчення біологічних молекул був запроваджений метод спін-міток, сутність якого полягає в тому, що з молекулою досліджуваного об'єкта пов'язується парамагнітне з'єднання з добре відомою структурою. По спектрах ЕПР знаходять положення такої спін-мітки в молекулі. Вводячи мітки в різні частини молекул, можна встановити розташування різних груп атомів, їх взаємодії, вивчати природу і орієнтацію хімічних зв'язків і виявляти молекулярний рух. Приєднання до молекули не однієї, а кількох спін-міток, наприклад двох, дозволяє отримати відомості про відстані мічених груп і їх взаємної орієнтації.
Використовуються також і спінові зонди - парамагнітні частинки, які нековалентно пов'язані з молекулами. Зміна ЕПР-спектра спінових зондів дає інформацію про стан оточуючих його молекул.
Використовуючи метод ЕПР, бiологи та медики, якi працюють в областi теоретичної та клiнiчної медицини, можуть розв’язати такі основні задачі:
1. Виявити та iдентифiкувати промiжнi сполуки вільнорадикальної природи у рiзних метаболiчних реакцiях.
2. Виявити та iдентифiкувати вiльнi радикали, що виникають у бiологiчних тканинах пiд дiєю проникаючої радiацiї.
3. Дослiджувати обмiннi процеси в ракових клiтинах i у тканинах, що пiдлягали гiпоксiї.
4. Дослiдити структуру та функцiї бiологiчних мембран за допомогою методу спiнових мiток. Цей метод заслуговує особливої уваги.
3. Ядерний магнітний резонанс.
Вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти речовиною в постійному магнітному полі, обумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер, називають ядерним магнітним резонансом.
Хіміки й біохіміки широко використовують метод ЯМР для дослідження структури від найпростіших молекул неорганічних речовин до найскладніших молекул живих об'єктів, а також при вирішенні багатьох завдань, пов'язаних з протіканням хімічних реакцій, вивченням структур вихідних речовин і отриманих у результаті реакцій продуктів. Однією з переваг цього аналізу є те, що він не руйнує об'єктів дослідження, як це відбувається, наприклад, при хімічному аналізі.
Дуже цікаві можливості для медицини може дати визначення параметрів спектру ЯМР в багатьох точках зразка. Поступово, пошарово проходячи весь зразок (скануючи), можна отримати повне уявлення про просторовий розподіл молекул, що містять, наприклад, атоми водню або фосфору (при магнітному резонансі від протонів або ядер фосфору відповідно).
Все це здійснюється без руйнування зразка, і тому можна проводити дослідження на живих об'єктах. Такий метод називають ЯMP-інтроскопією або магніто-резонансною томографією (МРТ). Він дозволяє розрізняти кістки, судини, нормальні тканини і тканини із злоякісною патологією. ЯМР-інтроскопія дозволяє розрізняти зображення м'яких тканин, наприклад, відрізняє зображення сірої речовини мозку від білого, пухлинних клітин від здорових, при цьому мінімальні розміри патологічних «включень» можуть становити частки міліметра. Можна очікувати, що ЯМР-інтроскопія стане ефективним методом діагностики захворювань, які пов'язані із зміною станів органів і тканин.
Частота електромагнітних хвиль, що викликають переходи між енергетичними станами при ЕПР і ЯМР, відповідає радіодіапазону. Тому обидва цих явища відносяться до радіоспектроскопії.
МРТ будується за перевипроміненням радіохвиль ядрами водню (протонами), що містяться в тканинах тіла, відразу ж після отримання ними енергії від радіохвильового сигналу, яким опромінюють пацієнта. Таким чином, контрастність тканин відображає особливості «внутрішніх», ядерних структур речовини, і вона залежить від ряду таких факторів, як будова речовини, взаємодія між молекулами, молекулярний рух (дифузія, кровоток), що дозволяє не тільки диференціювати на зображенні патологічні та здорові тканини, але і дає можливість спостерігати відображення функціональної діяльності окремих структур. Вибираючи форму опромінюючого радіохвильового сигналу або імпульсної послідовності, можна виділити вплив на тканинну контрастність одного якого-небудь параметра, і одна і та ж тканина на одній МРТ може вийти світлою, а на іншій – темною.
4. Дослідження МР томографії та пристрій МР томографа
Пацієнта поміщають всередину великого магніту, де є досить сильне постійне (статичне) магнітне поле, орієнтоване в більшості апаратів вздовж тіла пацієнта. Під впливом цього поля ядра атомів водню в тілі пацієнта, які представляють собою маленькі магнітики, кожен зі своїм слабким магнітним полем, орієнтуються певним чином щодо сильного поля магніту. Додаючи слабке змінне магнітне поле до статичного магнітному полю, вибирають область, зображення якого треба отримати.
Потім пацієнта опромінюють радіохвилями, причому частоту радіохвиль підлаштовують таким чином, щоб протони в тілі пацієнта могли поглинути частину енергії радіохвиль і змінити орієнтацію своїх магнітних полів щодо направлення статичного магнітного поля. Відразу ж після припинення опромінення пацієнта радіохвилями протони стануть повертатися в свої початкові стану, випромінюючи отриману енергію, і це перевипромінювання буде викликати появу електричного струму в прийомних котушках томографа. Зареєстровані струми є МР сигналами, які перетворюються комп'ютером і використовуються для побудови МРТ. Відповідно етапам дослідження основними компонентами якого МР томографа є:
– Магніт, який створює постійне (статичний), так зване зовнішнє, магнітне поле, в яке поміщають пацієнта
– Градієнтні котушки, що створюють слабке змінне магнітне поле в центральній частині основного магніту, зване градієнтним, яке дозволяє вибрати область дослідження тіла пацієнт
– Радіочастотні котушки - передавальні, використовувані для створення збудження в тілі пацієнта, і прийомні - для реєстрації відповіді порушених ділянок
– Комп'ютер, який керує роботою градієнтної і радіочастотної котушок, реєструє виміряні сигнали, обробляє їх, записує в свою пам'ять і використовує для реконструкції МРТ.
Будь-яке М/поле характеризується індукцією М/поля, яку позначають В. Одиницею виміру є 1 Тл (тесла).
У МРТ залежно від величини постійного магнітного поля розрізняють кілька типів томографів:
- Зі надслабким полем 0,01 Тл - 0,1 Тл
- Зі слабким полем 0,1 - 0,5 Тл
- З середнім полем 0,5 - 1.0 Тл
- З сильним полем 1,0 - 2,0 Тл
- З надсильним полем > 2,0 Тл
Протипоказання і потенційні небезпеки.
До теперішнього часу не доведені шкідливі ефекти використовуються в МРТ постійних або змінних магнітних полів. Але:
1. Будь-який феромагнітний об'єкт піддається впливу сильних магнітних сил, і розташування будь-якого феромагнітного об'єкту в місці, де його переміщення може бути небезпечним для пацієнта, є абсолютним протипоказанням до застосування МРТ.
2. Найбільш важливими і небезпечними об'єктами є внутрішньочерепні феромагнітні кліпси на судинах і внутрішньоочні феромагнітні сторонні тіла. Найбільша потенційна небезпека, пов'язана з цими об'єктами – важке кровотеча.
3. Наявність кардіостимуляторів є абсолютним протипоказанням для МРТ. На функціонування цих приладів може вплинути магнітне поле, і, більше того в їх електродах можуть індукуватися електричні струми з можливим нагріванням ендокарда.
4. Передані радіочастотні хвилі завжди викликають нагрівання тканин. Для запобігання небезпечного нагріву максимально допустима енергія, що випромінюється на пацієнта, регулюється міжнародними рекомендаціями. Перші три місяці вагітності деякими авторами розцінюються як абсолютне протипоказання для МРТ через ризик нагріву плоду. Протягом перших трьох міс. плід оточений відносно великим об'ємом амніотичної рідини і має вкрай обмеженими можливостями для відводу надлишкового тепла.
| <== предыдущая | | | следующая ==> |
| Открывается доступ к двум крепежным отверстиям и регулировочным винтам | | | Характеристика организационно-правовых форм |
Date: 2015-05-19; view: 1795; Нарушение авторских прав