Применение лазерного излучения. Нили, вили

Первичные химические реакции сопровождаются появлением свободных радикалов, запуском процессов окисления биосубстратов. НИЛИ стимулирует метаболическую активность клетки, оказывает действие на процессы жизнедеятельности и регенерации (восстановления), приводит к увеличению содержания в ядрах клеток человека ДНК и РНК, оказывает антимутагенный эффект, активизирует синтез ДНК и ускоряет восстановительные процессы в клетках, подвергнутых радиации. Это позволяет использовать НИЛИ в онкологии, на вредных производствах, в военной медицине.

НИЛИ стимулирует выработку универсального источника энергии АТФ в митохондриях, повышает эффективность работы дыхательной цепи митохондрий. Происходят перестройки в мембранах митохондрий, оказывается антиоксидантный эффект. При лазерной терапии изменяется соотношение насыщенных и ненасыщенных липидов, вязкость липидной компоненты мембран, что отражается на структурных перестройках в мембране, ее функциональном состоянии, активности мембрано-связанных ферментов.

НИЛИ вызывает активацию энергосвязывающих процессов в патологически измененных тканях с нарушением метаболизма, повышение активности важнейших ферментов, снижения потребления кислорода тканями с повышением активности митохондрий, обогащением их энергией, усиление интенсивности гликолиза в тканях.

Вторичные эффекты представляют собой комплекс адаптационных и компенсаторных реакций. НИЛИ устраняет дисбаланс в ЦНС. Доза лазерного излучения определяет стимулирующий или угнетающий эффекты, что дает возможность избирательно применять лазер для ослабленных больных, в педиатрии, при хронических заболеваниях.

При поглощении веществом кванта света один из электронов, находящийся на нижнем энергетическом уровне на связывающей орбитали, переходит на верхний энергетический уровень и переводит атом или молекулу в возбужденное (синглетное или триплетное) состояние. При внешнем фотоэффекте электрон, поглотив фотон, покидает вещество. Однако, эти проявления при взаимодействии света с биообъектом выражены весьма незначительно, поскольку в полупроводниках и диэлектриках (ткани организма такими являются) электрон, захватив фотон, остается в веществе и переходит на более высокие энергетические уровни (в синглетное или триплетное состояние). Это и есть внутренний фотоэффект, основными проявлениями которого являются электропроводимости полупроводника под действием света (явление фотопроводимости) и возникновение разности потенциалов между различными участками освещаемого биообъекта (возникновение фотоэлектродвижущей силы - фотоЭДС). Эти явления обусловлены фоторождением носителей заряда – электронов проводимости и дырок. В результате перехода в возбужденное состояние части атомов или молекул облучаемого вещества происходит изменение диэлектрической проницаемости этого вещества (фотодиэлектрический эффект).

Фотопроводимость бывает концентрационной, возникающей при изменении концентрации носителей заряда, и подвижной. Последняя возникает при поглощении фотонов с относительной низкой энергией и связана с переходами электронов в пределах зоны проводимости. При таких переходах число носителей не изменяется, но это изменяет их подвижность. Образование электронных возбужденных состояний приводит к изменению энергетической активности клеточных мембран, к конфирмационным изменениям жидкокристаллических структур, к структурной альтерации жидких сред организма, к образованию продуктов фотолиза, к изменению pH среды, что в свою очередь является пусковым моментом целого комплекса биофизических и биохимических процессов.

Повышение энергетической активности биологических мембран, которые принимают прямое и очень важное участие во всех функциях клетки, приводит к изменению биоэлектрических процессов, к увеличению активности транспорта веществ через мембрану, идущего в направлении, противоположном градиенту химического и электрохимического потенциала, усиливает основные биоэнергетические процессы, в частности, окислительное фофсфорилирование. Под действием низкоэнергетического лазерного излучения изменяется форма двойного липидного слоя клеточной мембраны, что приводит к переориентировке головок липидов. Поскольку вблизи t = + 37C двойной липидный слой находится в непосредственной близости к точке фазового перехода, т.е. в очень неустойчивом состоянии, поэтому дополнительная энергия, полученная при лазерном воздействии, инициирует фазовый переход клеточной мембраны, т.к. она имеет жидкокристаллическую структуру. Воздействие лазерным излучением на поврежденную ткань приводит к уменьшению внутриклеточного отека, что связано с повышением кровотока в тканях, активации транспорта вещества.

Лазерная терапия может проводиться как самостоятельный метод, так и в комплексе с медикаментозным лечением (с гормональным, с методами физиотерапии). НИЛИ может изменить в процессе лечения чувствительность к лекарственным средствам.

Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров химических превращений. Эти процессы включают следующие стадии: поглощение света тканевым фотоакцептором и образованием электронно-возбужденных состояний миграции энергии электронного возбуждения, первичный фотофизический акт и появление первичных фото продуктов промежуточной стадии, включающей перенос заряда, образование первичных стабильных химических продуктов, физиолого-биохимические процессы, конечный фотобиологический эффект.

Первыми на пути проникновения НИЛИ в биообъект лежат кожные покровы. Коэффициент отражения и поглощения кожей электромагнитных волн оптического диапазона зависит от различных причин: охлаждения участка воздействия, пола, возраста, угла падения, цвета и пигментации кожных покровов.

При поглощении световой энергии возникают различные физические процессы, основными из которых являются внешний и внутренний фотоэффекты, электролитическая диссоциация молекул и различных комплексов.

НИЛИ производит действие не тол на атомно-молекулярном и клеточном, но и на огранном уровне:

- понижение рецептативной чувствительности;

- уменьшение длительности фаз воспаления;

- уменьшение отеков и напряжения тканей;

- увеличение поглощения тканями кислорода;

- повышение скорости кровотока;

- активация транспортных веществ через сосудистую стенку.

Возникают и клинические эффекты:

- противовоспалительный;

- обезболивающий;

- регенераторный;

- денсенсибилизирующий;

- иммунокоррегирующий;

- улучшения регионального кровообращения;

- бактерицидный и бактериостатический.

 

Благодаря своим уникальным свойством лазерное излучение стало использоваться в самых различных областях науки и техники. Лазерный луч можно использовать при прокладке туннелей, при укладке трубопроводов. С его помощью можно испарять самые тугоплавкие материалы, получить тончайшие отверстия в кости, керамике, сверхтвердых сплавах, полупроводниках.

Высокая направленность излучения лазеров используется в радиолокации, лазерные дальномеры обеспечивают высокую точность измерения расстояний.

Лазерный луч используется для передачи информации в космической среде. Лазерный луч позволяет производить хирургические операции на паренхиматозных органах. Операции при помощи лазерного луча кратковременны, безболезненны и дают возможность получить тонкие швы. Офтальмологи используют лазер для “приваривания” отслоившейся сетчатки к лежащей под ней сосудистой оболочке. С помощью лазерного луча возможно разрушение дентины при лечении зубов, приваривание зубных протезов непосредственно в полость рта, устранение повреждений голосовых связок, удаления шейных позвонков.

 

37. Спектрофотометрия - область измерительной техники, разрабатывающая методы и приборы для определения спектральных характеристик объектов. В медико-биоло­гических исследованиях очень большоезначение имеет анализ молекулярных и атомных спектров поглощении. С помощью спектрофотометров в различных биологических пробах опре­деляют содержание ферментов, гормонов, белков, витаминов, многих неорга­нических веществ, анализируют ка­чественный и количественный состав мазков крови и т. д.

В основе спектрофотометрии лежит регистрация степени ослабления монохроматиче­ского пучка света при его прохожде­нии через вещество (закон Бугера—Ламберта— Бера.

Закон Бугера-Ламберта-Бе­ра справедлив лишь для плоскопараллельного пучка монохроматическо­го света и при выполнении ряда условий. На практике часто прихо­дится сталкиваться с отклонениями от этого закона. К числу причин отклонения могут быть отнесены физико-химические свойства анализируемого вещества или раствора (диссо­циация, флюоресценция и др.), инструментальные факторы (например: отсутствие должной степени монохроматичности пучка света), факторы обусловленные неоднородностью изучаемого объекта в пучке света (особенно отчетливо проявляется при микроспектрофотометрии объектов).

Важным принципом спектрофотометрии является принцип оптических плотностей, в соответствии с которым величина оптической плотности смеси соединений, подчиняющихся закону Бугера-Ламберта-Бера и не вступающих в химическое взаимодействие друг с другом, равна сумме оптических плотностей этих соединений.

Количественный анализ пробы, со­держащей одно вещество, включает следующие операции: 1) регистра­цию полного спектра поглощения ве­щества (D измеряют как функцию длины волны ), выбор аналитиче­ской длины волны (), приго­товление 6-7 эталонных (стандарт­ных) растворов, охватывающих весь ожи­даемый диапазон концентраций оп­ределяемого вещества и измерение оптической плотности этих растворов при . Затем строят график зависи­мости величины оптической плотности от концентрации. Наиболее точные результаты дают измерения оптической плотности в диапазоне 0,05-1,50. Оптическая плотность анализируемого раствора во всех случаях измеряется относительно раствора срав­нения (прямой спектрофотометрический метод). В качестве раствора срав­нения может быть использован чистый растворитель или раствор, содержащий все компоненты анализи­руемого раствора, за исключением определяемого вещества. В ряде случаев в качестве раствора сравнения целесообразно использовать раствор определяемого вещества известной концентрации (обычно более низкой, чем в анализируемых пробах). При проведе­нии такого рода измерений говорят о дифференциальной спектрофотометрии.

Нередко проводят регистрацию производных спектров поглощения. Производную спектрофотометрию применяют в основ­ном в качественном анализе при идентификации мало поглощающих примесей, установлении структуры органических соединений и.т.д.

Спектрофотометрия проводится в инфракрасной (ИК), УФ и видимой областях спектра.

К приборам, работающим в видимой области, относятся также спектрофотометры комбинационного рассеяния, которые изучают колебательные энергетические уровни молекул. Они могут быть использованы для определения связей в белках, числа спаренных и неспаренных оснований в нуклеиновых кислотах.

Спектрофотометрия микрообъектов или микроспектрофометрия - относительно самостоятельная область исследова­ния. Микроспектрофотометры, как и микроспектрофлуориметры, обычно пред­назначены для работы в видимой области спектра, реже в УФ-области выполняются по однолучевой схеме. Для регистрации распределения поглощающего вещества по площади микрообъекта используют различного рода сканирующие уст­ройства: систему оптических зондов, перемещающиеся по заданной прог­рамме предметные столики, телеви­зионную (электронную) развертку изображения. Приборы сканирующей конструкции снабжаются микро­компьютерами, которые автоматически обра­батывают получаемую информа­цию и позволяют анализировать форму микрообъектов. Например, при автоматическом анализе мазков кро­ви. Скоростной ана­лиз флуоресцентных характеристик индивидуальных клеток крови, ок­рашенных соответствующими краси­телями проводится в проточных микрофлуориметрах. Наметилась тенденция к разработке узкоспециализированных микроспектрофотометров и микроспектрофлуориметров, предназна­ченных для работы в условиях клинических лабораторий.

Атомарные спектры поглощения изучают с помощью пламенных спектрофотометров. Атомно-абсорбционные методы дают возможность определения прак­тически всех элементов периодиче­ской системы и отличаются высокой избирательностью и чувствительностью (до ).

Приборы для спектрального ана­лиза комплектуются электронными устройствами обработки и управле­ния, блоками автоматической подачи проб, самописцами, блоками цифровой печати, устройствами автоматической развертки спектра, позволяют опре­делять по одной пробе несколько элементов

Спектрофотометрия широко применяется в биологических исследованиях. Она используется для количественного определения самых разнообразных биологических соединений: ферментов, витаминов, гормонов, белков и других азотистых веществ, нуклеииовых кислот, углеводов, спиртов, альдегидов, фенолов, кетонов, органических кислот, липидов, пигментов, ряда неорганических веществ (например,натрия, калия, кальцин, железа. цинка, хлора, серы) и др.

Рассеяние света.

При прохождении через вещественную среду световая волна постепенно ослабляется. Это происходит в связи с рассеянием и поглощением света. Рассеяние света происходит в неоднородных средах при условии, что размеры неоднородностей соизмеримы с длиной волны света. Если неоднородность среды образована посторонними частицами, беспорядочно распределенными в массе среды, то рассеяние света называют явлением Тиндаля, а среды – мутными, например мелкий туман, дым, различные взвеси и эмульсии и т.п. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей проходит сквозь запыленную атмосферу: свет рассеивается на пылинках и весь пучок становится видимым при наблюдении с любой стороны.

Длина волны света при рассеянии не изменяется, а интенсивность рассеянного света тем выше, чем меньше размеры этих неоднородностей сравнительно с длиной волны. Интенсивность рассеяния зависит также от длины волны света: короткие волны рассеиваются значительно сильнее, чем длинные. Можно считать, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна примерно второй степени длины волны для более крупных и третьей степени – для более мелких частиц. Поэтому, например, мелкодисперсный туман имеет синий цвет, а состоящий из более крупных капелек – белый.

Рассеяние света может происходить также и в однородной среде на мгновенных неоднородностях плотности вещества, образующихся в связи с тепловым движением атомов и молекул, например в чистом газе в процессе теплового движения молекулы в различные моменты сближаются в одних точках объема газа и разреживаются в других. Этот вид рассеяния называется молекулярным рассеянием. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света:

; (закон Рэлея).

В связи с этим, например, свечение неба наблюдается сине-голубым, а прямое солнечное излучение приобретает желто-красный оттенок, особенно при восходе и заходе Солнца, когда это излучение проходит более длинный путь в атмосфере.

При рассеянии света в однородных жидкостях и кристаллах в рассеянном свете кроме падающей волны частотой , отличающейся от нее на определенную величину , характерную для молекулярной структуры данного вещества:

.

Этот вид молекулярного рассеяния называется комбинационным рассеянием света и имеет значение для изучения структуры вещества.

При рассеянии света энергия сохраняет свою электромагнитную природу. При поглощении света она переходит в другие виды внутренней энергии, при этом в веществе могут происходить различные явления: повышение интенсивности теплового движения (тепловой эффект), возбуждение и ионизация атомов и молекул, активация молекул (фотохимический эффект) и т.п.