Лекция ВВ3 (1050245), страница 2
Текст из файла (страница 2)
|
Таблица 2 [7] Название излучения | Диапазон длин волн, нм | Энергия излучений, эВ | Излучение как инструмент исследования структуры и свойств молекул | |
| Методы исследований | Получаемая информация | |||
| Ионизирующее | 0.03 и меньше, -лучи | больше 40*103 | Рентгеноструктурный анализ | Изучение структуры молекул, расположения атомов в кристалле, формы молекул, измерение межатомных расстояний |
| 0.03 –10, рентгеновские лучи | 40-0.12·103 | Лучевая ультрамикрометрия | определение размеров макромолекул, фагов, вирусов, внутреннего строения бактериальных спор, размеров генов, конформации белков, ДНК и ДНП | |
Радиационно-химические | исследование процессов радиолиза молекул | |||
| Ультра- фиолетовое | 10-400 | 120 – 3 | Спектроскопия в ультрафиолетовой и видимой области. | Изучение переходов валентных электронов, электронной структуры, молекулярных колебаний и вращения молекул, внутреннего вращения Исследование фотохимических процессов |
| Видимое | 400-760 | 3 – 1.7 | Лазерная спектроскопия, исследования электронновращательных спектров | |
| фотохимические | ||||
| Инфра-красное | 0.76-200·103 | 2 – 0.006 | Инфракрасная спектроскопия | колебание атомов внутри молекул |
| Радиочастоты | 0.2-10·106 | 6·10-3-1.2·10-4 | Микроволновая спектрометрия | Вращение поляризованных молекул и групп |
| микроволновые излучения | 1-15·107 | 1.2·10-4-6.2·10-6 | Спектроскопия ЭПР | резонанс неспаренных электронов, исследование радикалов, ион-радикалов и парамагнитных центров |
| 1.5–30·108 | 6.2·10-6-4.1·10-7 | Спектроскопия ядерного магнитного резонанса; диэлектрическая спектроскопия; методы электропроводности | резонансное поглощение ядерными спинами, характеристика химического окружения атомов и молекул, изучение строения молекул по химическим сдвигам и спин-спиновому расщеплению сигнала; определение диэлектрической проницаемости и проводимости биологических систем, исследование свойств надмолекулярных структур и межмолекулярных взаимодействий | |
| 3–100·109 (УВЧ) | 4.1·10-7-1.2·10-8 | |||
| 0.1– 10·1012 (ВЧ) | 1.2·10-8 -1.2·10-10 | |||
| более 1013 (НЧ) | ниже 1.2·10-10 | |||
Таблица 3 [7]
| Название излучения | Предмет исследования | Биологическое действие излучений | |
| Некоторые особенности действия | Эффект облучения | ||
| Ионизирующее | Радиобиология | Ионизирующая радиация обладает высокой проникающей способностью, фотоны излучения поглощаются всеми атомами и молекулами независимо от их химической структуры и локализации в клетке | Образование ионов, радикалов, возбужденных и сверхвозбужденных атомов и молекул, образуются стабильные пораженные структуры; первичные радиационно–химические изменения усиливаются во времени за счет метаболических процессов и приводят в зависимости от дозы, способа и времени облучения к нарушению всех биохимических и физиологических процессов в клетке и организме. |
| Ультрафиолетовое Видимое Инфракрасное | Фотобиология | Избирательное поглощение сравнительно невысокой энергии квантов строго зависит от молекулярной структуры вещества | Эффект определяется фотохимическими реакциями с участием возбужденных молекул (или других, по которым передается энергия); в зависимости от типа молекул–рецепиентов и условий облучения реакции носят либо полезный приспособительный характер (фототаксис, фотосинтез, зрение), либо приводят к разрушению и денатурации структур (бактерицидное действие, фотодинамический эффект и др.) |
| Радио- частоты (микроволновые излучения) | Электромагнитная биология | Область - дисперсии электропроводности; энергия электромагнитного поля поглощается за счет колебания ионов и релаксации дипольных молекул, в значительной мере переходит в тепловую; в дециметровом диапазоне возможно избирательное поглощение молекулами воды в биомембранах, а также резонансное поглощение водородными атомами; релаксация внутриклеточных органелл Максвелла – Вагнера ( - дисперсия электропроводности) и дипольных молекул белка; релаксация зарядов на мембранах ( - дисперсия электропроводности) | поглощение энергии электромагнитного поля может приводить к разрыву водородных и межмолекулярных связей, нарушению гидрофобного белок – липидного взаимодействия в биомембранах, изменению гидратации молекул, внутримолекулярным перестройкам, денатурации; в зависимости от интенсивности воздействия тепловой эффект может вызывать повреждения структур, нарушение физиологических процессов и даже гибель клеток и организма; в области УВЧ-диапазона возможно избирательное поглощение энергии дипольными молекулами белка и поляризация надмолекулярных структур. |
§4. Особенности лазерного излучения.
Лазерное излучение возникает в результате индуцированных переходов между уровнями энергии частиц среды, обладающей инверсной населённостью этих уровней (т.е. при бóльшей концентрации частиц на верхнем уровне по сравнению с нижним). Излучение, создаваемое обычными источниками света (тепловыми, люминесцентными и т.п.), отличается от лазерного тем, что основной вклад в излучение дают спонтанные переходы с возбуждённого уровня, тогда как в лазере преобладает индуцированное излучение. Этим объясняются уникальные особенности лазерного излучения по сравнению с излучением традиционных источников.
Именно лазерные источники обладают высокой степенью когерентности (индуцированное излучение по самому смыслу своего существования состоит из идентичных фотонов). Это означает, что лазерное излучение характеризуется исключительно высокой степенью монохроматичности (следующей из временной когерентности), позволяющей реализовывать рекордные значения спектральной плотности (до 1012 Вт/Гц, что в 106 раз превышает аналогичную величину при термоядерном взрыве). Возможность получения высоких уровней мощности лазерного излучения (до 1012 Вт) и сосредоточения значительной энергии в импульсе (до 104 Дж) позволяет вызвать многофотонные и другие нелинейные процессы в биосреде, локальный тепловой нагрев, быстрое испарение, гидродинамический удар и т.д. Однако интерес представляют не только уникальные возможности в плане деструкции среды. Высокая монохроматичность позволяет
-
проводить спектральный анализ с разрешением на много порядков выше, чем разрешение обычных спектрометров;
-
осуществлять возбуждение определенных молекул в смеси;
-
применять голографические и интерференционные методы когерентной диагностики биообъектов.
В свою очередь, высокая пространственная когерентность позволяет добиться уникальной пространственной сосредоточенности излучения в малых телесных углах и тем самым обеспечить немыслимую для обычных источников направленность, позволившую уже в первые годы после создания лазеров провести локацию Луны с измерением деталей профиля лунной поверхности, недоступных никаким другим способам локации. С помощью такого локатора можно без труда фиксировать присутствие на поверхности Луны космонавта, шествующего с черным зонтом радиусом в 1 метр. Для большинства лазеров расходимость лазерного пучка (угол ) составляет несколько тысячных радиана (рис.В6), что позволяет получить размер пятна в фокусе порядка длины волны излучения с глубиной резкости порядка . За счёт этого становится возможной лазерная микроскопия. В некоторых случаях возможно сосредоточение энергии пучка в слое до 0.01 мкм, что позволяет проводить «внутриклеточную хирургию». Малая расходимость лазерного пучка необходима также для обеспечения локальности исследований и эффективной транспортировки излучения по гибким световодам, чего традиционные (некогерентные) источники обеспечить не могут.
Кроме того, возможность управления фазовыми соотношениями в лазерном излучении позволяет создавать сверхкороткие импульсы длительностью до отдельных периодов световой волны (~ 10-14 с). Это особенно важно для биомедицинских применений, поскольку даёт возможность изучать очень быстрые первичные фотопроцессы прямыми, а не косвенными методами, а также многоступенчато возбуждать высокие энергетические состояния молекул за время много меньшее, чем время релаксации любого промежуточного состояния.
Рис. В6 [9]
Наличие перестраиваемых лазеров во всей области от УФ до ИК позволяет селективно возбуждать практически любые состояния биомолекул и отдельных ее фрагментов.
7
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
