Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 42
Текст из файла (страница 42)
В качестве светочувствительных БС используются фитохром, зрительный родопсин, хлорофиллсодержащие белки внутриклеточных мембран (хроматофоров) фотосинтезирующнх бактерий, называемые реакционными центрами и осуществляющие светочувствительный высокоэффективный и строго направленный перенос электронов по цепи кофакторов вдоль длинной оси макромолекулы на расстояние более 30 нм, а также бактериорадопснн (Бр), который выделяют из клеток в виде белкового липидного 216 комплекса — пурпурных мембран (ПМ), синтезируемых галобактериями.
В них под действием света осуществляется векторный трансмембранный перенос протона. ПМ состоят на 3/4 из бактериорадопсина и на !!4 — из кислых липидов. Максимум поглощения бактериорадопсина приходится на длину волны 570 нм. ПМ обладают чрезвычайно высокой устойчивостью и цветовой лабильностью — между различными спектральными формами пигмента происходят обратимые переходы в результате внешних воздействий: освещения, изменения влажности, рН среды, присутствия электрического поля.
В связи с этим Бр представляет собой перспективную основу для разработки различных устройств, способных под действием солнечного света генерировать электрический ток, разлагать воду на Н2 и 02, очищать растворы солей, выполнять регуляторные функции. Одна из основных задач при использовании ПМ вЂ” ориентировать макромолекулы в нужном направлении, чтобы суммировать эффект переноса заряда, Описаны различные способы осуществления данной цели: центрифугирование; ориентирование на межфазной границе воздух7вода; ориентирование в магнитном, электрическом поле, их комбинациях и т. д. Анализ методик показывает, что электрофоретическое осаждение и последующее высушивание ПМ на электропроводяшей подложке позволяют получить препараты, в которых молекулы Бр упорядочены в максимальной степени.
Под действием света такие высокоориентированные мембранные структуры генерируют электрический потенциал от 1О до 11 В при толщине образца около 10 мкм. Для формирования организованных молекулярных ансамблей широко используется модификация метода послойного нанесения мономолекулярных пленок на твердые подложки, предложенного Ленгмюром. Эта модификация позволяет получать монослой смешанного состава (метод Ленгмюра — Блоджета), а также формировать «сверхрешетки», чередуя слои разного химического состава. Существенным недостатком препаратов Бр является малая доля молекул пигмента, вовлекаемая в электроиндуцированный переход (< 1О ',4), а также невысокая контрастность электрохромной кзапнсн» (близкое расположение отрицательных н положительных экстремумов в дифференциальном спектре электронндуцированного продукта Бр).
Реализованный в искусственных системах КПД преобразования света составляет около 10, что примерно на четыре порядка 217 ниже по сравнению с нативными ПМ. Это указывает на значительные возможности усовершенствования фотопреобразовательных устройств на основе Бр. Если бы коэффициент преобразования энергии в искусственных системах удалось приблизить к 3...5 %, что характерно для нативных ПМ, то эффективность такой системы нс уступала бы современным полупроводниковым материалам (при существенно меньшей стоимости). При реализации функциональных возможностей Бр в полной мере фотоуправляемое коммутирующее устройство такого типа может характеризоваться рекордным быстродействием, компактностью и экономичностью, поскольку электронные процессы в Бр, по-видимому, сопряжены с оптическими переходами в пикосекундном масштабе времени. Квантовый выход этих переходов достаточно высок (приблизительно 0,3).
Обычные размеры мембранных фрагментов в препаратах Бр составляют около 0,5 мкм. Возможно дальнейшее уменьшение размера единичного триггер- ного элемента до одной молекулы Бр (приблизительный объем 3 50 нм ) или даже ее части (имеются данные о протекании фотоэлектрических процессов в частично деструктурированных молекулах Бр). Сообщалось также об использовании препаратов Бр для создания биочипов как основы биокомпьютера. Оптические свойства Бр используют при создании фотохромных материалов типа «Биохром».
Пленки «Биохром» представляют собой двухмерные кристаллы, обладающие нелинейными свойствами, что позволяет использовать их для генерации второй гармоники лазерного излучения. Наличие нелинейных свойств и фотоиндуцированной анизотропии дает возможность записывать с помощью материала «Биохром» динамические голограммы с дифракционной эффективностью 5...10 %. На основе пленок «Биохром» созданы фотографические материалы, лежащие в основе разработки технологии оптических дисков для записи информации в ЭВМ.
Материал «Биохром» позволяет записывать информацию в постоянную и оперативную память (постоянная нли обратимая запись) с высоким пространственным разрешением (> 5 10 линий/мм) при фоточувствительно- 3 2 сти 10 Дж/см и высокой степенью цикличности (до 104 циклов запись — стирание). Возможны различные варианты записи: в поляризованном и неполяризованном свете, битовая запись, голограммы н т. д. Характеристики элемента памяти на основе пленок Ленгмюра — Блоджета из бактериорадопсина следующие; объем памяти — 25 Мбайт, время доступа — 40 нс (предел до 5 нс) при оптическом ХУ-сканировании, На тонких пленках ориентированных ПМ (толщиной < 50 нм) можно достичь разрешения между активными элементами памяти в 6 нм и даже 3 нм.
Техническая проблема состоит в том, как электрическим путем считывать информацию, записанную оптическим способом, с таким же высоким разрешением, Другое практическое применение Бр основано на использовании его фотохимических свойств. Фотодиоды, в которых в качестве фоточувствительного слоя применена пленочная структура Бр, обладают пикосекундным разрешением, Такие фотодиоды сохраняют рабочие характеристики и крутизну фронта при температурах вплоть до абсолютного нуля.
Интенсивно идет поиск других органических молекул для создания молекулярных компьютеров. Есть надежда, что молекулярные блоки памяти обеспечат плотность хранения данных в таком компьютере, немыслимую для полупроводниковых микросхем. По прогнозу специалистов, плотность размещения молекулярных элементов в трехмернои схеме может составить 10 10 ...10 мм что в!О раз выше, чем в нервных волокнах, возможно, что и скорость передачи информации будет в 10 раз больше. С азвитием молекулярной электроники возникают широкие возможности развития новых технологий не только в физике для создания эффективных преобразователей солнечной энергии, моделирования процесса фотосинтеза, разработки нового класса приемников изображения, принцип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза, но и в экологии, промышленности, медицине.
Стоит отметить, что в марте 2002 г. на совместном заседании Совета безопасности, Президиума Госсовета, Совета при Президенте РФ по науке и высоким технологиям как важное перспективное направление развития науки особо выделены наноматериалы и нанотехнологии. 2!8 Звуковое давление р зависит от скорости и колеблющихся частиц среды: р/о =рс~ р= реп, (5,1) 13 = 4с1 Р1 / сзр2. с =,/К /Р, 2 221 220 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН С БИООБЪЕКТАМИ В пятой главе изложены основные сведения о взаимодействии акустических волн /включал инфразвук, слышимый звук и ультразвук/ с биообьектами и о применении звука в медицинской текнике. 5.1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ВИОСРЕДАХ Акустические воздействия на биообъекты не являются самостоятельным видом полей в отличие от электромагнитных.
Однако волновой характер процессов и вполне определенные диапазоны частот, соответствующих собственным колебаниям биообъекта, позволяют изучать явления, связанные с передачей энергии от одних видов колебаний к другим, и тем самым обнаруживать новые уникальные особенности взаимодействий. Условимся считать, что в биотканях (за исключением костной ткани) звуковые волны распространяются так же, как в жидкостях. Скорость продольных волн при этом приблизительно равна где К вЂ” адиабатический объемный модуль упругости биосреды; р— среднее значение плотности биосреды.
Диапазон скорости ультразвука колеблется от 400 до 1200 м/с в легких и от 2550 до 4300 мlс — в костях. Для мягких тканей средняя скорость, значение которой часто используется при конструировании ультразвуковой аппаратуры, составляет приблизительно 1540 м/с ч= 6 гы Практически скорость звука в биотканях слабо зависит от частоты, за исключением костной ткани, Скорость звука является функцией температуры, причем температурный коэффициент скорости положителен для тканей и органов, не содержащих жир, и отрицателен для жировой ткани. Из всех мягких тканей лишь в жире скорость звука меньше, чем в воде 116], где р — плотность среды; с — скорость распространения звуковои волны в среде. П оизведение рс называется удельным акустическим импедан- Р сом, для плоской волны его называют также волновым сопр отивлением.
Оно определяет условие отражения и преломления волн на границе среды. Законы отражения и преломления звуковой волны аналогичны законам отражения и преломления света. Пусть плоская волна падает перпендикулярно границе раздела, обозначим ее интенсивность в первой среде /и интенсивность преломленной (прошедшей) волны во второй среде — /2. апишем выражение для коэффициента проникновения звуковои волны: 1 /1//2 Рэлей показал, что р = 4(с1Р1 /с2Р2)/11с1Р~ /с2Р2) + 1) .
Из формулы Рэлея (5.1) при с1Р1 = с2Р2 получим при равенстве волновых сопротивлений двух сред звуковая волна при нормальном падении пройдет границу раздела без отражения. Если с1р~ » сзр2,то с е оваИз уравнения (В2) вводной части видно, что / — ш, следовательно, можно получить ультразвук значительной интенсивности при сравнительно небольшой амплитуде колебаний. Для УЗ-импульса, излучаемого стандартным диагностическим УЗ-сканером, максимальное продольное смешение частиц в среде, вызванное волной, составляет 8 1О м, максимальная скорость частиц, колеблющихся в УЗ-волне — около 0,5 м/с, а максимальное скорение в 3 1О раз превышает ускорение свободного падения, что говорит о наличии существенных сил, действующих на частицы в биотканях при их облучении ультразвуком. Сжатия и разрежения, создаваемые при этом, приводят к образованию совокупности разрывов в сплошной жидкости — кавитации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
