Индукцияланған сәулелену. Лазер.

Атом ішіндегі үрдістерге байланысты люминесценция бөлінеді:

а) спонтанды, б) еріксіз, в) рекомбинациялы.

Спонтанды люминесценция кезінде сәулелену қозудың ізінше тікелей орындалады. Атомның қозған деңгейден негізге деңгейге өтуі біртұтас және баспалдақты (сурет 1,б) болуы мүмкін (сурет 1,а). Біртұтас өту кездегі сәулелену резонансты деп аталады. Баспалдақты жағдайда кейбір деңгейлер сәулеленумен сүйемелденбейді, яғни сәулелену болмайды (сурет 1, в).

Белгілі бір заттарда фотондардың сәулелену жолымен энергетикалық деңгейлерден негізгі деңгейге өту ықтималдығы аз болатын деңгейлер болады, яғни осы деңгейлерден өту баяу және біртіндеп жүреді, сол себепті қозған атомдар осы деңгейлерде жеткілікті ұзақ кідіруі мүмкін. Осындай деңгейлер метастабильді (тұрақты) деп аталады. Ќозу үрдісі кезінде осы деңгейде атомдар көп шоғырланады.

Метастабильді деңгейден негізгі деңгейге өту атомдарға қандай да бір энергетикалық әсер ету арқылы үдетілуі мүмкін, мысалы осындай толқын ұзындықты сәуле кванттарымен әсер ету. Осы кездегі жасанды сәулелену еріксіз (индукцияланған) деп аталады, ал құбылыстың өзі еріксіз люминесценция деп аталады. Индукцияланған сәулеленуді қолдануға негізделген құрал оптикалыќ кванттыќ генератор деп аталады. Оның ағылшынша қысқаша айтылуы- лазер. Ол Light Ampluficaation by Stimulated Emission Radiation сөйлемінен қысқартылып алынған. Бұл индукцияланған сәуле шығарудың көмегімен жарықты күшейту дегенді білдіреді.

1960 жылы жұмыстық заты рубин болып табылатын көрінетін диапазондағы алғашқы оптикалық кванттық генератор жасалды, мұнда импульсті сәулелену алынған және атомдардың қозуы арнайы лампы арқылы орындалады.

Лазердің кең тараған түрі газды (гелий- неонды) лазер.

Құралдың негізгі бөлігі кварц түтігі, ол жоғары қысымды газ қоспасымен толтырылған (мысалы, неон және гелиймен) тұрады (сурет 2).

Т үтіктің ұштарында қатаң түрде параллель айналар (З) орналасады (біреуіжартылай мөлдір), осы айналар резонаторды құрайды.Түтікшенің сыртына орналасқан электродтар (Э) мен жоғары қысымды генератордың арқылы газда әлсіз разряд пайда болады. Осы кезде гелий атомдары қозып, Е деңгейіне өтеді (сурет 3).

Серпімсіз соқтығысу кезінде олар энергиясын неон атомдарына береді, неон атомдары жақын орналасқан метастабильді R деңгейде шоғырланады, осы деңгейден

а ралыќ S деңгейге өту кезінде толқын ұзындығы 632,8 нм болатын еріксіз сәулелену туындайды. Интерференция салдарынан тек бір толқын ұзындық үшін ғана қажетті шағылу коэффициентін жасау үшін резонатордың айналары көп қабатты болып жасалады. Газды лазердің еріксіз сәуле шығаруы жоғары когерентті, монохроматты, жазық поляризациялаған, жоғары бағытталған, жоғары қуатты болып табылады.

Лазер инфрақызыл, көрінетін диапазондардағы 30- ға дейінгі толқын ұзындықтағы сәулелерді сәулелендіре алады.

Лазер сәулесінің биологиялық ұлпаларға әсер ету механизмі.

Лазер сәулесінің биологиялық ұлпалармен әсерлесуінің сипатына қарай оның фотобиологиялық әсерін үш түрге бөлуге болады:

1) фотодеструктуралық әсері, осы кезде жарықтың жылулық, гидродинамикалық, фотохимиялық әсерінен ұлпалардың құрылымы бұзылады (деструкция). Лазермен әсерлесуінің осы түрі лазерлі хирургияда қолданылады.

2) фотофизикалыќ және фотохимиялық әсері, осы кезде биоұлпалармен жұтылған жарық оның атомдары мен молекулаларын қоздырады, фотохимиялық және фотофизикалық реакцияларды тудырады. Осы лазер сәулесі терапиялық сәуле ретінде қолданылады.

3) ауытқушылық тудырмайтын әсері, осы кезде биосубстанция жарықпен әсерлесу кезінде өзінің қасиеттерін өзгертпейді. Яғни жарықтың шашырауы, шағылуы, өтуі сияқты әсерлері. Осы үшінші түрі диагностикада (лазерлі спектроскопия) қолданылады.

Фотобиологиялық эффектілер лазер сәулесінің параметрлеріне байланысты:

* толқын ұзындығына,

* жарық энергиясы ағынының интенсивтілігіне,

* биоұлпаларға әсер ету уақытына.

Лазерлі терапияда 100 мВт/ см² – тан артық болмайтын интенсивтілігі төмен жарық ағыны қолданылады. Бұл ашық күнгі Жер бетіндегі Күн сәулесінің интенсивтілігіндей. Сондықтан оны төменгі интенсивті лазер сәулесі (ТИЛС) деп атайды.

Ультракүлгін, көрінетін, инфрақызыл диапазондағы жарық фотобиологиялық активті болып саналады. Фотобиологиялық үрдістердің негізіне жарықтың әсерінен пайда болатын фотохимиялық және фотофизикалық реакциялар жатады.

Фотофизикалық реакциялар обьектіні түрлі дәрежеге (0,1- 0,3⁰ С аймағында) дейін қыздырумен, биоұлпаларда жылудың таралуымен анықталады. Биомембраналарда температураның айырмашылығы айқын білінеді, бұл жјне иондарының қарсы ағысына, ақуыз арналарының ашылуына, молекулалар мен иондар тасымалының артуына әкеліп соғады.

Фотохимиялық реакциялар жарықты жұтатын заттың атомдарындағы электрондардың қозуымен анықталады. Молекулалық деңгейде осындай үрдістерге жатады: заттың фотоионизациясы (заттың иондануы), оның қалпына келуі, фотототығу, молекулалардың фотодиссоциациясы, фотоизомеризация (молекулалардың қайта құрылуы).

Лазер сәулесі жасушадағы бояғыш (пигмент) заттармен таңдамалы жұтылады. Меланин (қара- қоңыр түсті) пигменті (ағзадағы бояғыш зат) күлгін жарықты жақсы жұтады, порфирин қызыл жарықты жақсы жұтады.

Ерекше пигменттері болмайтын түрлі молекулалық құрылымдар да лазер энергиясын жұтады. Су спектрдің көрінетін жарығын және қызыл бөлігін жұтады. Бұл мембранадағы су қабатының құрылымдық ұйымдасуын өзгертеді, мембрананың термолабильді арналарының қызметін өзгертеді.

Ағзаның биологиялық құрылымдарының меншікті электромагниттік өрістері мен еркін зарядтары болады. Олар лазер сәулесінің әсерінен қайтадан үлестіріледі.

Бірінші реттік химиялыќ реакциялар кезінде бос радикалдар пайда болады, биосубстраттарда тотығу үрдісі басталады.

ТИЛС:

-жасушаның метаболизмді белсенділігін арттырады,

- тіршілік жіне регенерация (қалпына келу) үрдістеріне әсер етеді,

- адам жасушаларындағы ядроларда ДНЌ мен РНЌ-ң мөлшерін арттырады,

- ќарсы мутагендік (мутация тудыратын заттар немесе тұқым қуалайтын өзгергіштік) эффект тудырады,

- ДНЌ синтезін белсендіреді,

- радиацияға ұшыраған жасушаларда қалпына келу үрдістерін үдетеді. Бұл ТИЛС-н онкологияда, зиянды өндірісте, әскери медицинада қолдануға мүмкіндік береді.

Сонымен ќатар ТИЛС:

-митохондриялардағы АТФ энергиясының өндірілуіне түрткі болады,

- митохондрияның тыныс алу тізбегінің жұмыс істеу тиімділігін арттырады.

Лазерлі терапия кезінде қаныққан және қанықпаған липидтердің қатынасы, мембрананың липидті құраушысының тұтқырлығы өзгереді, бұл мембранада құрылымының қайта құрылуына, оның функциялық күйіне, мембранамен байланысқан ферменттердің белсенділігіне әсер етеді.

ТИЛС маңызды ферменттердің белсенділігінің артуын, олардың энергиямен байытылуын, митохондрияның активтілігінің артуымен ұлпалардың оттегіні пайдалануының төмендеуін, олардың энергиямен байытылуын, ұлпалардағы гликолиз интенсивтілігінің күшеюін тудырады.

Екінші реттік эффектілер бейімделу мен компенсаторлы (ағзаның зақымдануы мен науқас кезінде пайда болады және ондай реакциялар бұзылған реакциялардың қайта қалпына келуіне бағытталған) реакциялардың жиынтығы болып табылады. ТИЛС-і орталық жүйке жүйесінде дисбалансты (ағзаға керекті заттардың кірісі мен шығысы арақатынасының бұзылуы) жояды. Лазер сәулесі дозасының түрткі беруші және жоюшы эффектілері бар, бұл лазерді әлсізденген науқастар үшін, педиатрияда, созылмалы аурулар кезінде таңдап қолдануға мүмкіндік береді.

Зат жарық квантын жұтқан кезде төменгі энергетикалық деңгейдегі электронның бірі жоғарғы энергетикалық деңгейге өтіп, атом не молекуланы қозған (синглетті не триплетті) күйге өткізеді. Сыртқы фотоэффект кезінде электрон фотонды жұтып, затты тастап кетеді. Бірақ жарықтың биообьектімен әсері кезінде осы көрініс аз айқындалған. Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде (ағза ұлпалары) электрон фотонды қармап алып, затта қалады және аса жоғарғы энергетикалық деңгейлерге өтеді (синглетті не триплетті). Осы ішкі фотоэффект деп аталады. Оның негізгі көріністері- жарықтың әсерінен жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі (фото өткізгіштік құбылысы), сәулелендірілетін обьектінің түрлі бөліктері арасында потенциалдар айырмасының пайда болуы (фото ќозғаушы күштің – фотоЭЌК-ң пайда болуы). Осы құбылыстар заряд тасымалдаушылар- өткізгіштік электрондар мен кемтіктердің пайда болуымен анықталады. Сәулелендірілетін обьектінің біраз атомдары мен молекулаларының қозған күйге өтулері нәтижесінде осы заттың диэлектрлік өтімділігі өзгереді (фотодиэлектрлік эффект).

Фотоөткізгіштік концентрациялық және қозғалмалы болып бөлінеді. Концентрациялық фотоөткізгіштік заряд тасымалдаушылардың концентрациясы өзгерген кезде пайда болады. Ал қозғалғыштық фотоөткізгіштік салыстырмалы аз энергиясы бар фотондарды жұтқан кезде пайда болады және электрондардың өткізгіштік аймағының шекарасында өтулерімен байланысты. Осындай өтулер кезінде заряд тасымалдаушылар саны өзгермейді, бірақ бұл олардың қозғалғыштығын өзгертеді. Электрондық қозған күйлердің пайда болуы жасуша мембранасының энергетикалық белсенділігінің, сұйық кристалды құрылымның пішінінің өзгеруіне, ағзаның сұйық ортасының құрылымының бұзылуына, фотолиз өнімдерінің түзілуіне, ортаның қышқылдығының (рН-ѕ) өзгеруіне әкеліп соғады.Осылар биофизикалық және биохимиялық үрдістер кешенінің жүруіне түрткі болады.

Жасушаның барлыќ ќызметіне тура және маңызды қатынасатын биомембраналардың энергетикалық белсенділігінің артуы биологиялыќ үрдістердің өзгеруіне, химиялыќ және электрохимиялыќ потенциалдың градиентіне ќарама- ќарсы бағытта жүретін мембрана арқылы заттың тасымалының артуына әкеліп соғады, негізгі биоэнергетикалық үрдістерді күшейтеді, әсіресе тотығу фосфорлану. Төменгі энергиялы лазер сәулесінің әсерінен жасуша мембранасының липидті қос қабатты пішіні өзгереді, бұл липидтер бастарының бағытының өзгеруіне әкеліп соғады. t =+ 37 ⁰С-ќа жаќын кезде, липидті қос қабат фазалық алмасу нүктесіне жақын болады, өте орнықсыз күйде болады, сол себепті лазермен әсер еткендегі қосымша энергия жасуша мембранасының фазалық алмасуын ынталандырады, өйткені ол сұйық кристалды болып табылады. Зақымдалєан ұлпаға лазер сәулесімен әсер ету жасуша ішіндегі ісікті кішірейтеді, бұл ұлпалардағы қан ағысының артуымен, зат тасымалының жеделденуімен байланысты.

Лазерлі терапияны дербес әдіс түрінде де, дәрімен емдеумен (гормонды емдеумен, физиотерапия әдістерімен) комплексті түрде де жүргізуге болады. ТИЛС-і емдеу үрдісі кезінде дәрілік заттарға сезімталдыќты өзгертуі мүмкін.

ТИЛС-ң биообьектіге өту жолында ең бірінші тері жамылғысы жатыр. Терінің оптикалыќ диапазондағы электромагниттік толқындарды шағылыстыру мен өткізу коэффициенті түрлі себептерге байланысты: әсер ету бөлігінің салқындауына, жынысына, жасына, сәуленің түсу бұрышына, тері жамылғысының түсі мен реңденуіне.

Жарық энергиясын жұтқан кезде түрлі физикалық үрдістер жүреді, олардың негізгілері ішкі және сыртқы фотоэффект, молекулалар мен түрлі комплекстердің электролиттік диссоциациясы болып табылады.

ТИЛС-і тек атомдыќ- молекулалыќ және жасушалыќ деңгейде ғана әсер етіп ќоймайды, сонымен ќатар мүшелер деңгейінде де әсер етеді:

- рецепторлы сезімталдыќтың төмендеуі;

- ќабыну фазасының ұзаќтылығының кемуі;

- ісіктердің кішіреюі;

- ўлпалардың оттегіні жұтуының артуы;

- ќанаєысы жылдамдығының артуы;

- ќантамырының ќабырғасы арќылы зат тасымалының жеделденуі;

Клиникалыќ эффектілерді де тудырады:

- ќабынуға ќарсы;

- ауырсыздандыру;

- регенераторлы (ќалпына келуі);

- иммунды реттеуші;

- жергілікті ќанайналымды жаќсарту;

- бактерицидті.