157

ВВЕДЕНИЕ

Практически все живые организмы на Земле подвержены воздействию света. Более того, можно сказать, что и сама жизнь стала активно развиваться только тогда, когда появился фотосинтез – процесс продукции органических соединений из неорганических за счет энергии светового излучения Солнца. В ходе эволюции даже неспособные к фотосинтезу живые существа научились использовать оптическое излучение с самыми разными целями. Кроме того, у них развились механизмы защиты от неблагоприятного действия света.

Биологическими эффектами светового (оптического) излучения занимается специальный раздел биологии - фотобиология. Однако, любой фотобиологический эффект на начальных стадиях является процессом чисто физическим. Поэтому начальные стадии фотобиологических процессов (от момента поглощения кванта излучения молекулой-акцептором в живой ткани и до момента формирования стабильного активного соединения, ответственного за последующие физиологические сдвиги) – предмет рассмотрения специального раздела биофизики, который называется фотобиофизикой или, иногда, квантовой биофизикой.

Поскольку изучение первичных стадий фотобиологических процессов неизбежно связано с применением так называемых спектральных (или оптических) методов исследования, знание этих методов необходимо для любого ученого, занимающегося данными вопросами.

Определение 1:

Оптическими (спектральными) методами исследования называется группа методов, основанных на изучении поглощения и/или испускания электромагнитного излучения оптического спектрального диапазона молекулами в составе изучаемого объекта.

Определение 2:

Термином «спектр» в фотофизике принято обозначать зависимость какой-либо измеряемой величины от длины волны (частоты, энергии или волнового числа) фотонов, действующих на объект или испускаемых объектом. Термин «спектральный анализ» подразумевает измерение и изучение различных спектров исследуемого объекта.

Сейчас спектральные (оптические) методы исследования применяются не только в фотобиологических экспериментах. Без преувеличения можно сказать, что данная группа методов является одной из базисных в современной физико-химической биологии и медицине в целом. Вместе с тем, нередко случается, что оптические методы исследования в биологии и медицине используются некорректно. Причина этого состоит в том, что изначально эти методы разрабатывались для изучения относительно простых объектов. При их применении для исследования сложных в физико-химическом и структурном отношении биологических систем требуется учитывать ряд обстоятельств, связанных с особенностями этих объектов. Если тот или иной оптический метод используется при изучении биологических образцов, особенности таких объектов необходимо знать и учитывать.

Следует также заметить, что квалифицированное применение спектральных методов исследования требует наличия определенных знаний в области квантовой механики, поскольку взаимодействие квантов оптического излучения с молекулами определяется правилами именно этой части физической науки.

Таким образом, в данном разделе будут рассмотрены следующие вопросы:

1. Взаимодействие фотонов оптического излучения с молекулами, его квантово-механические основы и последствия.

2. Законы поглощения света веществом. Спектрофотометрический анализ. Некоторые специальные методы спектрофотометрического анализа. Особенности поглощения света в биологических объектах.

3. Вторичное излучение света молекулами объекта. Люминесцентный анализ и особенности его использования для исследования биологических объектов.

4. Биофизические основы некоторых фотобиологических процессов. Применение оптического излучения в медицине.

1. Взаимодействие фотонов оптического излучения с молекулами. Квантово-механические основы и последствия.

1.1. Основные характеристики оптического излучения

Световое (оптическое) излучение представляет собой поток фотонов (квантов). Фотон проявляет как свойства частицы (например, обладает импульсом), так и свойства волны (может характеризоваться частотой и длиной волны, способен к дифракции и интерференции). Следует заметить, что массой покоя фотон не обладает, поэтому существует только во время движения. Перемещение фотонов всегда осуществляется только со световой скоростью. В вакууме эта скорость (стандартно обозначается с) составляет примерно 310⁸ м/с. В иных средах скорость движения фотонов всегда меньше с.

Основной качественной (т.е. отличающей один тип излучения от другого) характеристикой оптического излучения является энергия 1 фотона (1 кванта). Данная энергия может быть рассчитана по формуле:

(1)

где Е_ф – энергия фотона (измеряется в Дж/квант, внесистемная единица измерения – электрон-вольт); h – постоянная Планка, (6,62610^-34 Дж•с);  - частота излучения (измеряется в Гц, 1 Гц = 1/с = с^-1); с – скорость света;  - длина волны излучения (измеряется в метрах).

Определение 3:

Электрон-вольтом (эВ) называется кинетическая энергия, приобретаемая электроном при его разгоне в статическом электрическом поле напряженностью 1 В/м на расстоянии в 1 м. 1 эВ = 1,6021910^-19 Дж.

Энергия фотона определяет тот вид взаимодействий, который будет изменяться в молекулах и атомах после его поглощения (Табл. 1). Для того, чтобы произошло такое изменение, необходимо, чтобы энергия поглощенного фотона была равна или была больше энергии соответствующего взаимодействия. Отсюда вытекает следующее правило: чем больше энергия фотона (меньше его длина волны), тем большее число взаимодействий в атомах и молекулах он способен изменить, и тем больше потенциальных хромофоров содержится для него в веществе.

Например, самыми сильными (энергонасыщенными) из известных типов взаимодействий являются ядерные, связывающие друг с другом нуклоны в ядрах атомов. Для того чтобы изменить характер межнуклонного взаимодействия, требуется чрезвычайно большая энергия. Однако имеются фотоны и с такой энергией. Правда, это излучение (жёсткое -излучение) не относится к оптическому диапазону и не будет здесь подробно рассматриваться. Энергия жестких -квантов такова, что они способны вызывать возбуждение нуклонов в ядрах атомов и инициировать ядерные реакции. Таким образом, потенциальным хромофором для этих фотонов служат ядра атомов, имеющиеся в любом веществе.

Нужно заметить, что на практике величина Е_ф как характеристика качества излучения применяется достаточно редко, обычно в тех случаях, когда требуется оценить вероятность индукции того или иного квантового события конкретными квантами или, например, требуется рассчитать энергию конкретных взаимодействий, меняющуюся под влиянием излучения. Но из уравнения (1) следует, что величину Е_ф можно легко определить, используя волновые характеристики фотона – его длину волны  или частоту . При этом (см. уравнение (1)) от частоты фотона () Е_ф зависит прямо пропорционально, а от его длины волны  - обратно пропорционально. Последнее не всегда удобно, поэтому была введена ещё одна величина, характеризующая энергию фотона и связанная с ней прямо пропорционально. Это так называемое волновое число.

Определение 4:

Волновым числом v называется величина 1/. Измеряются волновые числа в см^-1.

Именно величины , v и, несколько реже,  обычно применяются для описания качества (т.е. энергии) фотонов на практике.

Поскольку интервал изменения величин , v и  (и, соответственно, Е_ф) бесконечен, его принято разбивать на отдельные участки, которые обозначаются как спектральные диапазоны. Хотя границы этих спектральных диапазонов достаточно условны и несколько отличаются в разных источниках, сами диапазоны выбраны таким образом, чтобы фотоны каждого конкретного диапазона после поглощения веществом влияли на конкретный тип взаимодействий в атомах и молекулах. В таблице 1 приведены типы молекулярных процессов, которые меняются после поглощения квантов излучений спектральных диапазонов, относящихся к оптической области спектра.

Таблица 1. Типы молекулярных процессов, изменяющихся после поглощения квантов излучения различных спектральных диапазонов оптической области спектра.

Ультрафиолетовый спектральный диапазон принято разбивать на следующие поддиапазоны: вакуумное ультрафиолетовое излучение (10-180 нм, в табл. - Вак); коротковолновое ультрафиолетовое излучение или УФС излучение (180-270 нм, в табл. – УФС); средневолновое ультрафиолетовое излучение или УФВ излучение (270-340 нм, в табл. УФВ) и длинноволновое ультрафиолетовое излучение или УФА излучение (340-380 нм, в табл. – УФА).

Публикуется с модификациями по: Эммануэль Н.М., Сергеев Г.Б. (ред.). Экспериментальные методы химической кинетики. М.: «Высшая школа», 1980, с. 6.

Спектральный диапазон	Инфракрасный			Видимый	Ультрафиолетовый
	Дальний	Средний	Ближний		УФА	УФВ	УФС	Вак
Молекулярные процессы	Вращение молекул	Колебания молекул		Электронные переходы в молекулах

10⁶

10⁵

10⁴

2000

1000

400

200

100

Длина волны излучения (); нм

Измерение ослабления или испускания света объектом дает количественный результат в тех случаях, когда имеется возможность количественно описать излучение. Для такого описания используются такие величины, как интенсивность, поток и доза излучения.

Интенсивность излучения

(англ.- fluence rate, франц. – debit de dose, нем. – Dosisleistung, далее для обозначения этой величины нами будет применяться буква J).

Определение 5:

Интенсивностью излучения называется его количество, попадающее на единицу площади объекта (или испускаемое единицей площади объекта) за единицу времени.

Поскольку фотоны представляют собой просто порции энергии, количество излучения в системе СИ измеряется в энергетических единицах (джоулях, Дж). Отсюда ясно, что системной единицей измерения для J будет служить Дж/м²/с. С учетом того, Дж/с равен 1 ватту (Вт), J можно также измерять также в Вт/м².

В фотохимических и фотобиологических исследованиях, однако, часто удобно рассматривать не энергию излучения, поглощённую объектом, а количество его квантов, участвующих в индукции изучаемых фотохимических процессов. В таких случаях квант можно представить как одну из взаимодействующих друг с другом молекул. Это, в свою очередь, позволяет применить для описания рассматриваемой фотохимической реакции известные принципы химической кинетики. Поэтому в фотохимических и фотобиологических исследованиях количество излучения нередко выражается в несистемных единицах – числом квантов или эйнштейнов.

Определение 6.

1 эйнштейн равен числу Авогадро (6,023  10²³ моль^-1) квантов. Эйнштейн, таким образом, представляет собой 1 моль фотонов.

Для перехода от несистемных единиц измерения количества излучения (квант или эйнштейн) к системным (Дж) требуется знать качественный состав этого излучения, т.е. знать энергию (длину волны, частоту или волновое число) каждого из его квантов, поскольку энергетическое содержание числа квантов или количества эйнштейнов зависит от вышеуказанных характеристик света. Например, энергия 1 эйнштейна фотонов с длиной волны 300 нм составляет 399 Дж, а энергия 1 эйнштейна фотонов с длиной волны 400 нм – только 299 Дж.

В случае применения несистемных единиц измерения количества излучения величина J будет выражаться в квант/м²/с или в эйнштейн/м²/с.

Поток излучения

(иногда обозначается также как «лучистый поток» или «мощность излучения»; англ.- radiant flux, radiant power; франц. – flux energetique; нем. – Strahlungsfluss. Далее для обозначения этой величины нами будет применяться буква Ф).

Определение 7:

Потоком излучения Ф называется его количество, попадающее за единицу времени на некоторую площадь S (или испускаемое за единицу времени с некоторой поверхности S).

Из определения 7 вытекает, что расчёт потока излучения Ф требует знания площади S, для которой он рассчитывается. Если величина S известна, тогда поток излучения Ф может быть вычислен по формуле:

(2)

Системными единицами измерения потока излучения Ф являются Дж/с, или, что то же самое, Вт. Несистемные единицы – квант/с или эйнштейн/с.

Нужно заметить, что, поскольку рассматриваемая (освещенная или испускающая свет) площадь S у объекта при оптических измерениях остается, как правило, постоянной, в применяемых для описания характеристик объекта формулах величины интенсивности излучения J и потока излучения Ф часто (но не всегда) бывают взаимозаменимы.

Доза излучения

(иногда обозначается также как «энергетическая экспозиция», «количество облучения»; англ.- fluence, dose, radiant exposure; франц. – exposition energetique, dose; нем. – Bestrahlung, Dosis. Далее для обозначения этой величины будет применяться буква Д).

Определение 8:

Дозой излучения Д называется общее его к0личество, попавшее на объект за все время действия света.

Согласно определению (8) величина Д может быть рассчитана по формуле:

(3),

где t – время воздействия излучения на объект (или время его рассмотрения).

Системной единицей измерения величины Д является Дж, а несистемными – квант или эйнштейн.

На практике, однако, величиной Д пользуются редко. Гораздо удобнее применять дозу излучения, приходящуюся не на весь рассматриваемый объект (площадь S которого может быть и неизвестна), а на единицу его поверхности. Именно эту величину далее мы и будет называть дозой излучения. Обозначим ее Е. Величина Е может быть рассчитана по формуле:

(4)

Системной единицей измерения величины Е будет, таким образом, Дж/м², а несистемными – квант/м² или эйнштейн/м².

В ряде случаев бывает полезно знать не то, сколько излучения попало на поверхность изучаемого объекта, а то, сколько излучения было им поглощено. Поэтому введены понятия экспозиционная и поглощенная дозы излучения. Ранее упомянутые величины Д и Е – это экспозиционные дозы, характеризующие количество энергии излучения, попавшее на поверхность объекта. Для того же, чтобы рассчитать поглощенные дозы (Д_п и Е_п), следует пользоваться следующими формулами:

(5)

(6)

В формулах (5) и (6) J и Ф – интенсивность и поток выходящего из объекта непоглощенного излучения, а J₀ и Ф₀ – интенсивность и поток попадающего на этот объект света.