Материал: В.П.Олейник ОВФПсБО учебное пособие

2.7. Действие электромагнитных излучений оптического диапазона

Оптическое излучение (свет) – излучение квантов (фотонов) электромагнитного поля, энергетическое воздействие которого на вещество в основном определяется механизмами поглощения и рассеяния. В зависимости от длины волны выделяют три диапазона оптического излучения: инфракрасное (ИК) излучение (1000…0,76 мкм), видимый свет (0,76…0,4 мкм), ультрафиолетовое излучение (УФИ) (0,4…0,01 мкм). Отличительной особенностью оптического излучения от радиочастотного является его дискретность, т. е. излучение электромагнитных волн происходит не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Это связано со свойством квантовых систем (атомов, молекул) изменять свое энергетическое состояние скачкообразно, поглощая или излучая квант электромагнитного излучения

hν = Wi – Wк ,

где ν – частота излучения, Wi и Wк - энергетические уровни системы, подчиняющиеся правилам отбора. Кванты оптического диапазона излучения называют также фотонами.

Ряд важных явлений взаимодействия оптического излучения с биосредами удобно рассматривать с феноменологических позиций, не затрагивая базовые квантовые механизмы.

Поглощение света – ослабление интенсивности света при прохождении через вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды. В случае однородной среды и монохроматического из-

лучения поглощение описывает закон Ламберта – Бугера – Бера

Iℓ = I0 e-кℓ ,

где ℓ – протяженность среды, I0 и Iℓ – интенсивности излучения на входе в среду и выходе из нее, к – натуральный показатель поглощения. Поскольку в биосредах квантовыми системами, поглощающими энергию, являются молекулы с концентрацией n, а пространственной характеристикой области взаимодействия – эффективное сечение молекул Sэф , то натуральный показатель поглощения можно представить в виде к = n Sэф . Если рассматривать всю совокупность молекул, входящих в вещество, очевидно, что параметры n, Sэф являются функциями частоты или длины волны падающего излучения, поэтому

к = к(λ).

Важное значение закон поглощения имеет для исследований биожидкостей и растворов биосред. Предположим, что молекулы, поглощающие фотоны, находятся в растворителе, который прозрачен для выбранного монохроматического излучения. Тогда концентрация вещества поглотителя n = СNА, где NА - число Авогадро, С – молярная концентрация, при этом показатель к = nSэф = СNАSэф = æ' С. Величина NАSэф = æ' – натуральный молярный показатель поглощения, характеризующий эффективное сечение поглощения всех молекул

35

одного моля растворенного вещества. Используя введенную величи-

ну, закон поглощения для растворов принимает вид

Iℓ = I0 e- æ' С ℓ , или Iℓ = I0 10 - æ С ℓ,

где æ =0,43 æ'.

На основе закона поглощения оптического излучения разработано несколько методов исследований.

Концентрационная колориметрия – метод определения кон-

центрации вещества в окрашенном растворе. Основывается на определении концентрации вещества из выражения С = (lg (I0 / Iℓ )/æℓ при условии наличия табличных сведений о æ для λ=const.

Спектроскопические исследования химического состава био-

сред основаны на зависимостях к = к(λ) и æ = æ (λ).

Оптическая плетизмография – метод исследования кровена-

полнения органов и тканей на основе зависимости lg (I0 / Iℓ ) = Ф(ℓ). Следующее важное явление взаимодействия оптического излу-

чения с веществом – это рассеяние света, т. е. процесс преобразования света веществом, сопровождающийся изменением направления распространения и интенсивности и проявляющийся как несобственное свечение вещества. Причинами рассеяния света являются оптические неоднородности, которые разделяют на два вида.

Неоднородности первого вида – мелкие частицы в однородном прозрачном веществе. Среды с такой неоднородностью получили название мутных сред, а сам процесс – явления Тиндаля. Если размеры неоднородностей отвечают условию d ≤ (0,1…0,2)λ, то интенсивность

рассеяния Iрас ~ 1/λ4, для частиц большего размера d > 0,2λ – Iрас ~1/λ2. Многие биологические жидкости, взвеси биосред, аэрозоли (пар, ту-

ман, дым) относят к мутным средам.

Неоднородности второго вида возникают в чистом веществе изза статистического отклонения молекул от равномерного распределения (например, флуктуации плотности при неравномерном нагревании). В общем случае интенсивность рассеянного излучения может быть описана функцией Iрас = Ф(α, λ), где α – угол между направлением падающего излучения и рассеянного. Метод качественного исследования размеров неоднородностей, их концентрации по характеру рассеивания биопробами оптического излучения заданного спектра получил название «нефелометрия».

Явление вращения плоскости поляризации плоскополяризован-

ного оптического излучения при прохождении через биосреду также может быть рассмотрено с феноменологических позиций. Сущность этого явления состоит в том, что некоторые оптически прозрачные вещества обладают свойством изменять (вращать) положение плоскости поляризации монохроматического излучения, как схематически показано на рис. 2.13. Такие вещества получили название оптически активных сред. Угол поворота плоскости поляризации находят из выражения α = α0 С ℓ, где α0 - удельное вращение плоскости поляриза-

36

ции веществом при заданной длине волны излучения λ, ℓ – оптический путь излучения, С – концентрация оптически активной среды.

E

Рис. 2.13. Поворот плоскости поляризации излучения

Большинство биосред и их растворов являются оптически активными средами, поэтому рассмотренное явление нашло свое применение в медицинских лабораторных исследованиях для определения концентраций веществ по углу поворота плоскости поляризации (метод поляриметрии). Частотная дисперсия угла поворота плоскости поляризации используется в методе спектрополяриметрии. Этот метод по полученной зависимости α = α(λ) позволяет определить концентрации нескольких оптически активных веществ в растворе.

Квантовый механизм взаимодействия оптического излучения с веществом позволяет дополнить рассмотренные выше явления. Основными элементами этого механизма являются атомные или молекулярные спектры излучения и поглощения.

Атомными спектрами называются спектры как излучения, так и поглощения, которые возникают при квантовых переходах между энергетическими уровнями свободных или слабовзаимодействующих атомов. К атомным относятся оптические спектры, которые обусловлены квантовыми переходами между энергетическими уровнями внешних электронов (с энергиями фотонов порядка нескольких электронвольт), что соответствует энергиям квантов ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областей спектра. Примером атомных спектров могут служить спектры водорода как неотъемлемого вещества в составе биосред: спектральная серия Лаймана (УФИ), серия Бальмера (ближнее УФИ и видимое излучение), серия Пашена (ИК-излучение). Как метод исследования состава вещества получил распространение атомный спектральный анализ с использованием спектров как излучения (эмиссионный спектральный анализ), так и поглощения (абсорбционный спектральный анализ). В биологических исследованиях атомный спектральный анализ применяют для определения микроэлементов в тканях организма, атомов металлов в

37

продуктах, атомов некоторых химических элементов в целях судебной медицины.

Молекулярные спектры – это спектры испускания и поглощения, возникающие при квантовых переходах с одного энергетического уровня на другой. Сложность молекулярных спектров по сравнению с атомными обусловлена большим числом квантовых состояний, реализуемых в молекуле. Это энергетические уровни, определяемые состоянием электронных оболочек (Wэл), колебательным (Wкол) и вращательным (Wвр) движениями молекул. Поэтому частота излучения или поглощения молекулы при переходах между энергетическими уровнями W’ и W’’ имеет многокомпонентную структуру:

ν =1/h·(W’-W’’) = 1/h·[(W’эл- W’’эл)+(W’кол - W’’кол)+(W’вр - W’’вр)] = =1/h·(∆Wэл+∆Wкол+∆Wвр),

причем справедливо неравенство ∆Wэл>>∆Wкол >>∆Wвр , которое характеризует три вида молекулярных спектров.

Если выполняется условие ∆Wэл=0; ∆Wком=0; ∆Wвр≠0, то спектр называется вращательным и лежит в области СВЧ- и дальнего

ИК-диапазонов (λ=0.1 …1мм). Если ∆Wэл=0; ∆Wкол≠0; ∆Wвр≠0, то имеет место колебательно-вращательный спектр в ближнем ИК-диапазоне.

Если ∆Wэл≠0; ∆Wком≠0; ∆Wвр≠0, то образуется электронно- колебательно-вращательный спектр, наблюдаемый в видимой и ульт-

рафиолетовой областях излучения.

Специфичность и индивидуальность спектров отдельных молекул лежит в основе качественного и количественного спектрального анализа. Молекулярные спектры позволяют исследовать не только строение молекул, но и характер межмолекулярного взаимодействия.

Молекулярные спектры поглощения (рис. 2.14) дают информацию о биологически функциональных молекулах и используются в биохимических и биофизических исследованиях.

Рис. 2.14. Молекулярные спектры поглощения

Фотолюминесценция – это избыточное над тепловым излучение тела при данной температуре, имеющее длительность, значительно превышающую период (10-15 с) излучаемых световых волн, и возникающее при воздействии на вещество излучения оптического

38

диапазона. Фотолюминесценция подразделяется на флуоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоренцию (сравнительно длительное послесвечение). Начальным этапом любой люминесценции является возбуждение атома или молекулы фотоном с энергией. В наиболее простом случае квантовая система возвращается в исходное энергетическое состояние с излучением фотона света той же частоты. Это явление называют резонансной флуоресценцией, которое наблюдается в парах и газах и возникает через 10-8 с после действия первичного излучения.

Для биологически функциональных молекул характерна фотолюминесценция, соответствующая закону Стокса: спектр люминесценции сдвинут в область длинных волн относительно спектра, вызвавшего эту фотолюминесценцию. Схема энергетических переходов для флуоресценции со смещением спектра излучения показана на рис. 2.15, а. Отличительной особенностью фосфоренции является большая длительность свечения (от долей секунд до нескольких часов), сохраняющегося после прекращения облучения. Это объясняется наличием метастабильных энергетических состояний, в которых может находиться квантовая система (рис. 2.15, б).

3

Безызлучательный переход

2

1

б

Рис. 2.15. Схемы энергетических переходов для фотолюминесценции

Фотолюминесценция в медицине используется для исследований межмолекулярного взаимодействия в биотканях, проницаемости

39