118.Спектроскопы, спектрографы, монохроматоры, спектро­фотометры и их применение в медицине.

Спектральные приборы служат для разложения по частотам (или по длинам волн) электромагнитного излучения оптического диапазона.

Любой спектральный прибор имеет входной коллиматор, диспергирующий элемент и выходной коллиматор (регистрирующую камеру). Спектральные приборы различаются по способу регистрации спектра (визуальные, фотографические, фотоэлектрические), по способу спектрального разложения излучения (призменные, дифракционные, интерференционные), по области спектра, в которой они применяются (для инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой областей), по назначению (для эмиссионного анализа, исследования комбинационного рассеяния и др.). Конструкция и оптическая схема прибора определяются совокупностью всех перечисленных признаков, но в наибольшей степени первым из них, по которому прибор и получает название.

Приборы для визуального наблюдения спектров называются спектроскопами. Они используются в видимой (380-760 нм) области в соответствии со спектральной чувствительностью глаза. Приборы с фотографической регистрацией спектров – спектрографы – применяются в видимой и ультрафиолетовой областях в соответствии с чувствительностью фотоматериалов. Приборы с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками излучения, называемые спектрометрами или спектрофотометрами, позволяют анализировать излучение от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области.

Основные характеристики спектральных приборов – угловая и линейная дисперсии, разрешающая способность (или разрешающая сила) и дисперсионная область.

Дисперсия. Угловой дисперсией прибора называется величина

D_угл = d/d,где d - угол между лучами с длинами волн  и  + d. Дисперсия характеризует степень изменения угла отклонения светового пучка, выходящего из прибора, при изменении длины волны. Для количественной характеристики возможности прибора разделять две близкие спектральные линии вводят величину, называемую разрешающей способностью:

R = / d_min,где d_min – наименьшая разность длин волн – предел разрешения – двух спектральных линий, которые могут быть разрешены прибором;  - длина волны, соответствующая центру провала интенсивности в суммарном спектре.

В спектральных приборах в качестве дисперсионных элементов часто используются или дифракционные решетки или призмы. В зависимости от требуемой спектральной области применяют призмы из следующих материалов: для ультрафиолетовой области – из кварца, для видимой области – из стекла, для инфракрасной области – из NaCl, LiF, KBr.

119. Люминесценция, ее виды. Характеристики люминесценции (спектр, длительность, квантовый выход). Законы Вавилова и Стокса. По Вавилову С. И.: Люминесценция есть свечение вещества, являющееся избыточным над тепловым излучением этого вещества при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период излучаемых световых волн.По способу возбуждения молекулы люминесценцию различают:1. Люминесценция, вызванная заряженными частицами:а) ионолюминесценция - ионамиб) катодолюминесценция - электронами;в) радиолюминесценция - ядерным излучением.2. Люминесценция, вызванная квантами рентгеновского излучения - рентгенолюминесценция; оптического излучения - фотолюминесценция.3. Люминесценция, вызванная электрическим полем - электролюминесценция.4. Люминесценция, сопровождающая химическую реакцию, называется хемилюминесценцией. К ней относится биолюминесценция - видимое свечение организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности.По внутриатомным процессам различают люминесценцию:а) спонтанную;б) вынужденную;в) рекомбинационную.При спонтанной люминесценции излучение происходит непосредственно вслед за возбуждением. переход атома или молекулы с метастабильного энергетического уровня на основной может инициироваться квантом излучения той же энергии, что и инициированный переход. Вызванное при этом излучение называется вынужденным (индуцированным или стимулированным). . Рекомбинационной называется люминесценция, происходящая в результате рекомбинационных процессов, например, при рекомбнации электронов и ионов в газах, электронов и дырок в полупроводникахФотолюминесценция делится на флуоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесвечение) (не менее 10^-3 сек). Спектр люминесценции в целом и его максимум всегда оказывается в области более длинных волн по сравнению со спектром поглощенного излучения, способного вызвать эту люминесценцию. Это правило называется правилом Стокса.Энергия падающего фотона h₀ расходуется на излучение (h₁) и безизлучательные процессы (A) внутри вещества:h₀ = h₁ + A. Полнота преобразования поглощенной энергии в энергию излучения характеризуется выходом люминесценции. Различают:1.энергетический выход В_Э люминесценции - отношение энергии люминесценции W_Л к поглощенной энергии Wп: В_Э ; 2) квантовый выход B_К люминесценции - отношение числа квантов..N_Л, излученных веществом, к числу N_П поглощенных квантов: .

120. Люминесцентный анализ. Люминесцентные метки и зонды. Медицинское применение люминесцентных методов исследования.Определение природы и состава вещества по спектру его люминесцентного излучения, называется люминесцентным анализом. Люминесцентный анализ позволяет обнаруживать люминесцентные вещества в количестве до 10^-10 г. Люминесцентный анализ используют для обнаружения начальной стадии порчи продуктов, сортировки фармакологических препаратов и диагностики некоторых заболеваний. В некоторых случаях по характеру свечения можно отличить патологически измененные ткани. Характерное свечение дают бактериальные и грибковые колонии. В связи с этим люминесцентный анализ применяется при диагностике многих заболеваний, особенно в области дерматологии.При люминесцентной микроскопии исследуются естественные препараты, имеющие собственную флуоресценцию или окрашенные флуоресцирующими красками. Источником света являются лампы ртутные высокого и сверхвысокого давления и применяются два светофильтра, один из которых расположен перед конденсатором и выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой находящийся после объектива, выделяет свет люминесценции.

121.Поглощение света и его законы. Коэффициент пропускания света и оптическая плотность. Показатель поглощения Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.Поглощение кванта света происходит при его неупругом столкновении с молекулой (атомом), приводящем к передаче энергии фотона веществу, и является случайным событием.Вероятность поглощения кванта света образцом вещества толщиной l оценивается величиной коэффициента поглощения 1  Т, равного отношению интенсивностей поглощенного света I_п = I₀  I к интенсивности падающего I где I — интенсивность прошедшего света, — коэффициент пропускания. формула выражает закон поглощения света Бугера. Коэффициент k_ называют натуральным показателем поглощения, его величина обратна расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз Эта формула выражает закон Бугера—Ламберта—Вера. В лабораторной практике этот закон обычно выражают через показательную функцию с основанием 10: Закон Бугера—Ламберта—Бера используют для фотометрического определения концентрации окрашенных веществ.В количественном анализе обычно определяют оптическую плотность (D) раствора, представляющую десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания

.

122.Регистрация спектров поглощения биологических объектов. Фотоколориметрия и спектрофотометрия Для количественных оценок необходимо знать величины экстинкций () форм гемоглобина на определенных длинах волн. Величина экстинкции равна поглощению (оптической плотности) определенного вещества, взятого в концентрации 1 моль (при l=1см). Учитывая, что оптическая плотность разбавленных растворов гемоглобина определяется формулой: где с – концентрация гемоглобина в молях,  - экстинкция Ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в окрашенном растворе (концентрационная колориметрия) разработан на основе закона Бугера-Ламберта-Бера В этих методах измеряют световые потоки, прошедшие через раствор, коэффициент пропускания или оптическую плотность. Нижние границы концентраций, определяемых с помощью колориметров, в зависимости от рода вещества составляют 10^-3 ¸ 10^-8 моль/л. Приборы, используемые в концентрационной колориметрии, имеют общее название - колориметры; их подразделяют на субъективные (визуальные) и объективные (фотоэлектроколориметрические). ФЭК используют в клинической практике, в частности, для измерения насыщения крови кислородом, то есть для определения количества оксигемоглобина. Соответствующие приборы называют оксигемометрами или оксигемографами.

123. Рассеяние света.Нефелометрия Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозмож­ным направлениям.Необходимое условие для возникновения рассеяния света — наличие оптических неоднородностей, т. е., в частности, областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.Рассеяние света возникает на оптических неоднородностях среды. Различают два основных вида таких неоднородностей:1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии и т. п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным, например рассеяние света в атмосфере.Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают показательной функцией I = I₀е ^–mlПри совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией I = I₀е ^–l — показатель ослабления (натуральный). Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т. д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т. д. Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы — нефелометрами.комбинационное рассеяние. Это явление заключается в том, что в спектре рассеяния помимо несмещенной линии, соответствующей частоте падающего света, появляются новые линии, частоты которых  представляют собой комбинацию частоты падающего света ₀ и частот _i. (i = 1, 2, ...) колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул: = ₀ ± _i. С помощью метода комбинационного рассеяния определяются собственные частоты колебаний молекулы; он позволяет также судить о характере симметрии молекулы. Спектры комбинационного рассеяния настолько характерны для молекул, что с их помощью осуществляется анализ сложных молекулярных смесей.

124. Вынужденное излучение, его особенности. Условия усиления света. вынужденное, или индуцированное — возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний. , когда система находится в тепловом равновесии с окружающей средой (наиболее часто встречающаяся ситуация), большая часть молекул находится в основном состоянии. Поэтому фотоны будут сталкиваться, главным образом, с невозбужденными молекулами и будет происходить поглощение света. Для отдельной частицы равновероятны вынужденное поглощение, если частица находится в основном состоянии и вынужденное излучение, если частица возбуждена .Поэтому даже если число возбужденных частиц в веществе равно числу невозбужденных («высокая» температура), усиления падающей электромагнит­ной волны не будет. На самом деле в обычном состоянии вещества («низкая» температура ) условия для усиления волны не выполняются, т. е. волна при прохождении среды поглощается.Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положительной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируемого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми возбужденными атомами. Для реализации такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обычно из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превращая ее в генератор когерентного вынужденного излучения. 125 .Оптические квантовые генераторы(лазеры). Характеристики лазерного излучения Принципиальное устройство оптического квантового генератора (лазера) Он состоит из активного вещества 1 (кристаллического стержня или трубки с газом), системы накачки 2 (на рис.4 - это две импульсные газоразрядные лампы) и двух зеркал 3, 4, образующих резонатор. Как правило, коэффициент отражения одного из зеркал равен 100% (оно называется глухим), второго (выходного) - меньше 100%.4. Этот луч существует до тех пор, пока накачка поддерживает инверсию в активной среде. Благодаря резонатору создается не только значительное усиление света, он также формирует направленное излучение и монохроматизирует его. Обычно активная среда заполняет цилиндрическую трубку, либо представляет собой цилиндрический стержень. Ясно, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра, все выйдут наружу. Как правило, энергетические уровни активной среды обладают сложной структурой и лазер способен излучать несколько длин волн в соответствующем диапазоне. Зеркала резонатора делаются многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения только для одной длины волны, благодаря чему генерируется строго монохроматическое излучение. основные свойства лазерного излучения. Во-первых, лазерный луч обладает высокой направленностью (малой расходимостью). Угол расходимости лазерного луча составляет обычно несколько угловых минут, это значительно меньше, чем расходимость например, прожекторного луча. Величина угла расходимости ограничена определенными техническими причинами и дифракционными явлениями. Во-вторых, лазерное излучение в высокой степени монохроматично. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает некоторым набором частот. Этот набор частот минимален для лазера. В-третьих, свет, испускаемый квантовым генератором, обладает высокой степенью когерентности. Лазеры - устройства, характеризующиеся самой разной мощностью излучения: от 1 мВт до десятков кВт. Такой диапазон изменения этой величины недоступен никаким другим источникам света. В зависимости от режима работы ОКГ делятся на непрерывные и импульсные. В импульсном режиме возможно введение в активную среду без ее изменения значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Поэтому импульсные лазеры более мощные, чем непрерывные

126. Биофизические основы действия лазерного излучения на организм.использование низкоинтенсивных лазеров в медицине.использование высокоинтенсивного лазерного излучения в медицине. При взаимодействии лазерного излучения с биотканью происходят процессы отражения, поглощения и рассеяния света. Поверхность биологической ткани отражает от 20 до 50 % лазерного излучения. Энергия поглощенного лазерного излучения трансформируется в биологической ткани в другие виды энергии. Лазерное излучение способно разрушать слабые ионные и ион-дипольные связи в молекулах и комплексах и создавать свободные ионы. Возрастание концентрации свободных носителей - электронов- косвенным образом влияет на величины диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости биоткани.В основе молекулярного механизма биологической активности низкоинтенсивного лазерного излучения лежат фотохимические эффекты взаимодействие излучения с биомолекумами и более сложными структурными компонентами клетки и явления, приводящие к изменению пространственной структуры макромолекул, мембран. Согласно имеющимся данным, низкоинтенсивному лазерному излучению, присущи следующие терапевтические эффекты: трофикорегенераторный, противовоспалительный, противоотечный, анальгетический, иммунномодулирующий, десенсибилизирующий и бактерицидный. Лазеры используются при лечении деструктивных форм острого холецистита, хронических неспецифических заболеваний легких (бронхиты, пневмония, бронхиальная астма), остеоартроза, постравматической артропатии, трофической язвы, атеросклероза, язвенной болезни желудка, хронических гепатитов, а также в целях воздействия на метаболические и репаративные процессы для профилактики послеоперационных осложнений. Высокоинтенсивное лазерное излучение используется для коагуляции ткани (например, в области глазного дна) и для проведения хирургических операций ( операций на печени, удалении опухолей и лечении гипертрофии простаты). Установка “Ромашка -1” предназначена для проведения бескровных операций на внутренних органах и поверхностях тела острофокусированным лазерным лучом, а также для лечения инфицированных ран методом испарения гнойных некротических масс расфокусированным лазерным излучением. Она особенно эффективна при проведении желудочно-кишечных и нейрохирургических операций, при поверхностных операциях в ожоговой и гнойной хирургии

127.Электронный парамагнитный резонанс и его медико-биологические применения У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Однако такие переходы осуществляются индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.ЭПР происходит в веществах, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами. Наиболее распространен ЭПР на частицах с чисто спиновым магнитным моментом (в зарубежной литературе такую разновидность ЭПР иногда называют электронным спиновым резонансом). ЭПР был открыт Е. П. Завойским в 1944 г. В первых опытах наблюдалось резонансное поглощение в солях ионов группы железа. Завойскому удалось изучить ряд закономерностей этого явления. Форма и интенсивность спектральных линий, наблюдаемых в ЭПР, определяются взаимодействием магнитных моментов электронов, в частности спиновых, друг с другом, с решеткой твердо­го тела. Для поглощения энергии необходимо, чтобы у атомов вещества была большая населенность нижних подуровней, чем верхних. В противном случае будет преобладать индуцированное излучение энергии.При электронном парамагнитном резонансе наряду с поглощением энергии и увеличением населенности верхних подуровней происходит и обратный процесс — безызлучательные переходы на нижние подуровни, энергия частицы передается решетке.Процесс передачи энергии частиц решетке называют спин-решеточной релаксацией, он характеризуется временем . Уширение линий ЭПР зависит также от взаимодействия спинов электронов (спин-спиновое взаимодействие) и от других взаимодействий парамагнитных частиц. Разные типы взаимодействия влияют не только на ширину линии поглощения, но и на ее форму.Поглощенная при ЭПР энергия, т. е. интегральная (суммарная) интенсивность линии, при определенных условиях пропорциональна числу парамагнитных частиц. Отсюда следует, что по измеренной интегральной интенсивности можно судить о концентрации этих частиц.Имеется два характерных типа расщепления для спектра ЭПР.Первое — электронное расщепление — возникает в тех случаях, когда молекула или атом обладают не одним, а несколькими электронами, вызывающими ЭПР. Второе — сверхтонкое расщепление — наблюдается при взаимодействии электронов с магнитным моментом ядра.Современная методика измерения ЭПР основывается на определении изменения какого-либо параметра системы, происходящего при поглощении электромагнитной энергииПрибор, используемый для этой цели называют ЭПР-спектрометром. Он состоит из следующих основных частей— электромагнит, создающий сильное однородное магнитное поле, индукция которого может плавно изменяться; 2 — генератор СВЧ-излучения электромагнитного поля; 3 — специальная «поглощающая ячейка», которая концентрирует падающее СВЧ-излучение на образце и позволяет обнаружить поглощение энергии образцом (объемный резонатор); 4 — электронная схема, обеспечивающая наблюдение или запись спектров ЭПР; 5 — образец; 6 — осциллограф.Одно из медико-биологических применений метода ЭПР заключается в обнаружении и исследовании свободных радикалов. ЭПР широко используют для изучения фотохимических процессов, в частности фотосинтеза. Исследуют канцерогенную активность некоторых веществ. С санитарно-гигиенической целью метод ЭПР используют для определения концентрации радикалов в воздушной среде.

128. Ядерный магнитный резонанс. ЯМР-интроскопия(магнито-резонансная томография) Магнитный момент ядра, помещенного в магнитное поле, может принимать лишь дискретную ориентацию. Это означает, что энергии ядра будут соответствовать подуровни, расстояние между которыми зависит от индукции магнитного поля. Если в этих условиях на ядро воздействовать электромагнитным полем, то можно вызвать переходы между подуровнями. Чтобы осуществить эти переходы, а также поглощение энергии электромагнитного поля, необходимо выполнение условия, аналогичногоh = g_я_яВ, где g_я — ядерный множитель Ланде.Избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер, называют ядерным магнитным резонансом.ЯМР можно наблюдать при выполнении условия лишь для свободных атомных ядер. При этом происходит «химический сдвиг», который возникает в результате влияния локального (местного) магнитного поля, создаваемого внутри атома электронными токами, индуцированными внешним магнитным полем. В результате такого «диамагнитного эффекта» возникает дополнительное магнитное поле, индукция которого пропорциональна индукции внешнего магнитного поля, но противоположна ему по направлению. Поэтому полное эффективное магнитное поле, действующее на ядро, характеризуется индукциейВ_эф = (1  )В,где  — постоянная экранирования, по порядку величины равная 10^-6 и зависящая от электронного окружения ядер.Если два или несколько ядер в молекуле экранированы по-разному, т. е. ядра в молекуле занимают химически не эквивалентные положения, то они имеют различный химический сдвиг. Спектр ЯМР такой молекулы содержит столько резонансных линий, сколько химически не эквивалентных групп ядер данного типа в ней имеется. Интенсивность каждой линии пропорциональна числу ядер в данной группе.В спектрах ЯМР различают два типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдают узкие линии, и это называют ЯМР высокого разрешения.Химики и биохимики широко используют метод ЯМР для исследования структуры от простейших молекул неорганических веществ до сложнейших молекул живых объектов, а также при решении многих задач, связанных с протеканием химических реакций, изучением структур исходных веществ и получающихся в результате реакций продуктов.. Интроскопия (от лат. intro – внутри и «скопия») – визуальное наблюдение предметов или процессов внутри оптических непрозрачных тел, в непрозрачных тел, в непрозрачных средах (веществах).Достоинством метода ЯМР-томографии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра. В отличие от рентгеновской томографии ЯМР-томография позволяет получить изображение исследуемого объекта в любом сечении.