Закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в длинновол­новую область относительно спектра поглощения того же соеди­нения.

На рис. 24.10приведены спектры поглощения и флуоресцен­ции антрацена. Причина сдвига спектров заключается в том, что электронный переход при поглощении происходит с нижнего ко­лебательного уровня основного состояния на любые колебатель­ные уровни возбужденных электронных уровней (рис. 23.16).При этом часть энергии возбуждения молекул переходит в теп­ло (направленные вниз волнистые стрелки), и они оказываются на нижнем колебательном уровне нижнего возбужденного элек­тронного состояния. Излучение происходит только с такого уров­ня на любые колебательные подуровни основного состояния. Дли­на стрелок, изображающих поглощательные и излучательные переходы в молекуле, пропорциональна энергии поглощенных или излученных фотонов. Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул:

Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул.

Форма спектра люминесценции (правило Каши) и квантовый выход люминесценции (закон Вавилова) не зависят от длины волны возбуждения люминесценции.Причина этого в том, что излучение люминесценции происходит всегда с нижнего колеба­тельного уровня нижнего возбужденного электронного состояния, независимо от того, на какой уровень молекула была возбуждена после поглощения. Спектр фотолюминесценции по форме совпада­ет со спектрами других типов люминесценции данного вида моле­кул, т. е. форма спектра люминесценции не зависит от способа воз­буждения молекулы.

Спектральное положение полосы флуоресценции (как и длин­новолновой полосы поглощения) зависит от длины системы со­пряженных двойных связей l: чем больше l, тем большей длине волны соответствует максимум флуоресценции l_mах. Кроме того, на положение l_mах (а также на квантовый выход) флуоресценции некоторых молекул могут сильно влиять свойства окружающей среды. Так, например, для диметиламинохалкона в гептане (ди­электрическая проницаемость гептана e = 1,9) l_mах = 436 нм, а в воде (e = 81) l_mах = 560 нм. Чувствительность параметров флу­оресценции молекул к особенностям среды (диэлектрической про­ницаемости, вязкости и др.), в которой они оказались, использу­ется в биологии и медицине.

Если флуоресцирующие молекулы вводятся в исследуемую систему как индивидуальные вещества, которые затем сами в со­ответствии со своими свойствами распределяются в ней, то такие молекулы называют флуоресцентными зондами. Примером применения флуоресцентных зондов может служить внутривен­ное введение пациентам флуоресцеина. Этот краситель не токси­чен, обладает очень высоким квантовым выходом флуоресценции (около 90%). Он с током крови разносится по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Флуоресцеин возбуждают не­видимым глазом ближним УФ-светом (365 нм) и наблюдают его зеленую флуоресценцию. По скорости появления флуоресценции в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением.

В других случаях флуоресцирующие красители ковалентно связывают с какими-либо молекулами и затем вводят их в иссле­дуемую систему. Такие молекулы называют флуоресцентными метками. Примером может служить использование флуорес­центно-меченых антител. Если добавить такие антитела к суспен­зии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых находятся специфические к данному анти­телу антигены. Возникает яркая флуоресценция определенных клонов клеток, хорошо видная в люминесцентных микроскопах, в которых в отличие от обычных источников света, как правило, используют ртутные лампы высокого и сверхвысокого давлений и применяют два светофильтра. Один из них, расположенный перед конденсором, выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой, находящийся между объективом и окуляром, выделяет свет люминесценции. Подсчет таким образом меченных флуоресцирующих клеток используется в иммунологических исследованиях крови.

На основе фотолюминесценции созданы источники света, спектр которых больше соответствует дневному свету, чем у ламп накаливания. Это имеет значение как для производственных це­лей, так и для гигиенических. В таких люминесцентных лам­пах, называемых лампами дневного света, происходит электри­ческий разряд в парах ртути при низком давлении (электролю­минесценция). На внутренней поверхности лампы, сделанной из обычного стекла (рис. 24.11), нанесен тонкий слой люминофора, который фотолюминесцирует под воздействием излучения паров ртути.

Изменяя состав люминофора, мож­но подобрать наиболее подходящий спектр фотолюминесценции. На рис. -24.12 показан один из возможных спектров, интенсивные линии соот­ветствуют спектру паров ртути, излу­чение которых частично проходит че­рез люминофор.

§ 24.7. Хемилюминесценция

Хемилюминесценцией называют свечение, сопровождаю­щее химические реакции. Наличие такого свечения означает, что энергия, которая выделяется на одной из стадий химического процесса, протекающего в системе, оказывается достаточной для образования одного из продуктов реакции в электронно-возбуж­денном состоянии (обозначается звездочкой):

А + В -> Р* + другие продукты

Р* -> Р + hv (хемилюминесценция)

Среди огромного разнообразия химических реакций лишь еди­ничные сопровождаются излучением в видимой или ультрафиоле­товой областях спектра, которое удается измерить. Наиболее изу­чены следующие типы процессов, сопровождающихся свечением.

Биолюминесценция — яркое, видимое простым глазом свече­ние некоторых бактерий, простейших, ракообразных, червей, моллюсков, рыб. Хорошо известна биолюминесценция светляков. Биолюминесценция обусловлена определенными ферментативны­ми реакциями.

Хемилюминесценция в системах, содержащих активные фор­мы кислорода: пероксид водорода, супероксидный и гидроксидный радикалы, синглетный (электронно-возбужденный) кислород.

Хемилюминесценция сопровождает реакции цепного (свободнорадикального, пероксидного) окисления органических соедине­ний. Основной вклад в слабую хемилюминесценцию (раньше ее называли сверхслабым свечением) тканей, гомогенатов, раство­ров и суспензий полиненасыщенных жирных кислот дает свече­ние, сопровождающее пероксидное окисление липидов.

Хемилюминесценция при реакциях свободных радикалов, об­разовавшихся при действии физических факторов подразделя­ется на следующие виды: радиохемилюминесценция (при воздей­ствии ионизирующего излучения); фотохемилюминесценция (после облучения видимым или УФ-светом); электрохемилюми-несценция (при пропускании электрического тока через раство­ры); сонолюминесценция (при воздействии ультразвука); трибо-люминесценция (при перемешивании растворов) и др.

При облучении (или освещении) веществ в твердой фазе (как ча­стный случай — при облучении биологических объектов, суспен­зий или растворов, замороженных жидким азотом) подвижность свободных радикалов резко ограничивается. Их реакции и сопутст­вующая хемилюминесценция активируются при нагревании и раз­мягчении среды. Такое свечение называют термолюминесценцией.

Измерение характеристик хемилю-минесценции — удобный метод конт­роля за течением химических реак­ций, сопровождающихся свечением, и, следовательно, может использо­ваться для изучения кинетики и меха­низма реакций. Регистрация хемилю-минесценции в ряде случаев является наиболее чувствительным методом об­наружения свободных радикалов.

На рис. 24.13 показана хемилюминесценция плазмы крови при выведении в нее ионов двухвалент­ного железа. Железо инициирует пероксидное окисление липидов. Кванты хемилюминесценции излучаются триплетными возбуж­денными кетонами, образующимися при рекомбинации пероксид-ных свободных радикалов (обозначены жирными точками)

Хемилюминесценция фагоцитирующих клеток крови при до­бавлении к ним различных образцов промышленной пыли значи­тельно различается: по характеру кривых свечения клеток можно оценивать токсичность пыли. Токсичная пыль активирует фер­ментативную систему клеток, вырабатывающую супероксидные О^*₂ и гидроксильные ^*ОН радикалы и другие активные формы кислорода. Активность фагоцитирующих клеток также резко ме­няется при ишемической болезни сердца, инфаркте и других за­болеваниях, поэтому хемилюминесценция этих клеток использу­ется как диагностический метод.

§ 24.8. Лазеры и их применение в медицине

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независи­мо друг от друга. Казалось, что источники света — возбужденные частицы и генераторы радиоволн — имеют мало общего. Лишь с се­редины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики — квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генера­ции электромагнитных колебаний с использованием вынужденно­го излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике.

Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов — лазеров.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализа­ции трех фундаментальных физических идей: вынужденного из­лучения (1), создания термодинамически неравновесной инверс­ной населенности энергетических уровней атомов (2) и использо­вания положительной обратной связи (3).

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции (см. § 24.5—24.6). Такое излучение является спон­танным процессом (рис. 24.14, а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излуче­ние — вынужденное, или индуцированное (рис. 24.14, б) — возни­кает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии (23.31). 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.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех от­ношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерент­ном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

В обычных условиях вынужденное излучение маловероятно. На рис. 24.15 показано «заселение» молекулами энергетических уровней, описываемое распределением Больцмана (24.24). На рисунке «длина» каждого уровня пропорциональна числу частиц, имеющих соответствующую энергию (Е_о — основное состояние, Е _1, Е₂, ..., — возбужденные состояния, N — общее число частиц, N_i — число частиц на i-ом уровне энергии). Видно, что при «ни­зких» температурах количество возбужденных молекул чрезвы­чайно мало, при повышении температуры оно увеличивается, при «высокой» температуре практически все энергетические уровни будут заселены одинаково. В любом случае, 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 (рис. 24.14, в), и вынужденное излучение, если частица возбуждена (рис. 24.14, б). Поэтому даже если число возбужден­ных частиц в веществе равно числу невозбужденных («высокая» температура на рис. 24.15), усиления падающей электромагнит­ной волны не будет. На самом деле в обычном состоянии вещества («низкая» температура на рис. 24.15) условия для усиления вол­ны не выполняются, т. е. волна при прохождении среды поглоща­ется.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых, вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вы­нужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < 0 К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной среде интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное по­глощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера (24.3) kl < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения. Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе со­стояние с отрицательной температурой долго не существует.

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.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконст­руирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басо­вым и А. М. Прохоровым и американскими — Ч. Таунсом и др.¹. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном из­лучении молекул аммиака, то генератор был назван молекуляр­ным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения — лазер² с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан га­зовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие создан­ных в настоящее время лазеров можно классифицировать по ви­дам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полу­проводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом — «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полу­проводниковых лазерах — электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазе­ра. Рубин — это кристалл окиси алюминия А1₂О₃, содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг³⁺. Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с по­мощью импульсных источников света большой мощности.

В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, располо­женные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 24.16). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хоро­шо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптиче­ского отражателя заключается в том, что свет, вышедший из од­ного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, по­падает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 24.17, а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с ос­новного уровня 1в короткоживущее возбужденное состояние З³. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанно­го излучательного перехода относительно мала. Поэтому происхо­дит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных усло­виях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и со­провождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резо­наторе лазера есть два зеркала (см. рис. 24.16), одно из которых имеет коэффициент отражения интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), дру­гое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на не­го излучения (R < 100%).

Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверх­ности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отра­жаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь на­ибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зер­кало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, са­марий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24.17, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживу-щим уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2'.

Очень распространенным газовым лазером является гелий-не-оновАй, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в со­отношении 10 : 1 и давлении около 150 Па. Излучающими явля­ются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24.17, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населен­ность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. За­селение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При элект­рическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни око­ло 10^-3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с не­возбужденным атомом неона происходит передача энергии, в ре­зультате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона вре­мя жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного пере­хода его атомов в основное состояние при соударениях со стенка­ми разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверс­ная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазера (рис. 24.18) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера (§ 20.2) расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зер­кала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупроз­рачное (коэффициент отражения R < 100%). Таким образом, пу­чок вынужденного излучения выходит наружу через полупроз­рачное зеркало. Это лазер непрерывного действия. Так как уровни 2 и 3 неона обладают сложной структурой (на рис. 24.17, в не показано), то гелий-неоновый лазер может работать на 30 дли­нах волн в области видимого и инфракрасного диапазонов.

Зерка­ла резонатора делают с многослойными покрытиями, и вслед­ствие интерференции создается необходимый коэффициент отра­жения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной вол­ны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превы­шает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: вы­сокая монохроматичность (Dl»0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность — около десятков сантиметров), ско­рости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их примене­ние в голографии (см. § 19.8). На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изо­бражение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атома­ми и молекулами (см. § 24.3).

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматоло­гии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологиче­ского материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделя­ются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превыша­ет 10 Вт/см², чаще всего составляет около 0,1 Вт/см²) — тера­певтические и высокоинтенсивные — хирургические. Интенсив­ность наиболее мощных лазеров может достигать 10¹⁴ Вт/см², в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 10²— 10⁶ Вт/см².

Низкоинтенсивные лазеры — это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спект­ра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим све­том, полученным от обычных, некогерентных источников (см. § 24.9). В этих случаях лазеры являются просто удобными моно­хроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лече­ния трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обыч­ными источниками света, а также в природе при действии солнеч­ного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии⁴,сформулирован­ном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию.Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически не­возможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осу­ществилось, то выражение (23.31) приобрело бы вид:

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехо­да молекулы из энергетического состояния Е_к в состояние с энер­гией E_t. He происходит также поглощения фотонов электронно-воз­бужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики.

Поэтому кон­центрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглоще­ние ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится воз­можным двухфотонное поглощение. Например, облучение рас­творов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излуче­нием с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации мо­лекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импуль­са 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 10⁶ Вт/см² приводило к электронным переходам, пока­занным на рис. 24.19, завершавшимся ионизацией молекул.

При пикосекундных импульсах (рис. 24.19, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме

а при наносекундных (рис. 24.19, б) — по схеме

В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при l < 315 нм, видимый свет нуклеиновые кис­лоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсив­ным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в элек­тронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 24.20).

Поглощение любого излучения приводит к выделению некото­рого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от воз­бужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в ос­новном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсив­ных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное теп­ловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интен­сивностью от 1 до 10⁷ Вт/см² и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, напри­мер, газовый СО₂-лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазер (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лaзep — наиболее широко исполь­зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осу­ществляется на переходах ионов неодима (Nd³⁺), введенных в кристаллы Y₃A1₅O₁₂ иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С необратимые повреждения не наблюда­ются. При температурах 60 °С и выше начинается денатурация белков, ко­агуляция тканей и некроз. При 100— 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свы­ше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высоко­интенсивного сфокусированного лазе­ра, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температур­ный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях происходит обуглива­ние и коагуляция (рис. 24.21). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуля­ции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного СО₂-лазера (l = 10,6 мкм) с мощностью около 2 • 10³ Вт/см² пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10^-9—10^-6 с) и уве­личивать интенсивность (выше 10⁶ Вт/см²), то размеры зон обуг­ливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01—100 Дж/см².

При дальнейшем повышении интенсивности (10¹¹ Вт/см² и вы­ше) возможен еще один процесс — «оптический пробой». Это яв­ление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напря­женностью внутриатомных электрических полей) материя иони­зуется, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается также в проз­рачных средах, например в воздухе.

¹ В 1964 г. Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу за эти работы
была присуждена Нобелевская премия.

2 2 Название «лазер» является аббревиатурой от англ. Light Amplifica­
tion by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вы­
нужденного излучения).

3 3 На этой редуцированной схеме представлены только те уровни и пе­реходы между ними, которые существенны для генерации лазерного из­лучения. На самом деле схема электронных уровней гораздо сложнее. На схеме не отражена ширина энергетических уровней. Так, короткоживу-щий уровень 3 является широким и поглощает большую часть спектра излучения лампы накачки.

⁴ Фотохимия изучает химические реакции, протекающие под дейст­вием света.

§ 24.9. Фотобиологические процессы. Понятия о фотобиологии и фотомедицине

Фотобиологическими называют процессы, которые начина­ются с поглощения квантов света молекулами, а заканчива­ются физиологической реакцией организма.

К фотобиологическим процессам относятся фотосинтез, зре­ние, загар и эритема кожи, фотопериодизм и многие другие.

Условно всякий фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий:

1) 1) поглощение кванта света молекулой;

2) 2) внутримолекулярные процессы размена энергии;

3) 3) межмолекулярные процессы переноса энергии электрон­но-возбужденного состояния (важны в некоторых фотобиологических процессах);

4) 4) первичный фотохимический акт, сопровождающийся образованием короткоживущих, нестабильных фотопродуктов, в него молекула вступает из нижнего синглетного S₁ или триплетного Т₁ возбужденных состояний;

5) 5) реакции нестабильных фотопродуктов, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов;

6) 6) биохимические реакции с участием фотопродуктов;

7) 7) физиологический ответ на действие света.

Первые три стадии фотобиологических процессов одинаковы для фотохимических реакций и фотолюминесценции. Поэтому законы фотохимии имеют свои аналогии с законами люминесцен­ции (см. § 24.6). Первичный фотохимический акт заключается в
химических изменениях молекулы (например, присоединении или отдаче электрона или водорода).

Особенностью биологического действия ультрафиолетового и видимого излучения (200—750 нм)¹ является ярко выраженная зависимость биологического эффекта от длины волны излучения. Бактерицидные эффекты вызываются волнами в диапазоне 200— 315 нм, покраснение (эритема) кожи наиболее эффективно вызы­вается излучением с длиной волн 280—315 нм, зрительный эф­фект — 400—750 нм (видимый диапазон), лечение желтухи ново­рожденных — фиолетовым светом (около 400 нм). При фотосинте­зе растения и фотосинтезирующие бактерии используют весь диапазон солнечного ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли (коротковолновая граница солнечного света, проходящего через атмосферу Земли, ~ 285 нм), видимого света, и даже ближнего инфракрасного излучения (иногда до 1000 нм).

Ме­няя длину волны, можно избирательно инициировать те или иные фотобиологические процессы². Дело в том, что разные фотобиоло­гические процессы начинаются с поглощения квантов света раз­ными молекулами, в свою очередь положение полосы поглощения молекулы зависит от ее химической структуры (см. § 24.4).

Важной характеристикой воздействия света на биологические объекты является спектр фотобиологического действия — за­висимость биологического эффекта от длины волны дейст­вующего света. Спектры действия позволяют определить, какая область спектра наиболее эффективно вызывает биологический процесс, а также определить природу молекул, ответственных за поглощение света в данном процессе.

Рассмотрим количественно начальные этапы этого процесса: поглощение света и первичную фотохимическую реакцию.

По аналогии с рассуждениями § 24.1, введем понятие эффектив­ного сечения поглощения молекулой фотона s. Отличие от вывода закона Бугера—Ламберта—Бера заключается, по крайней мере, в следующем: во-первых, будем учитывать уменьшение числа акти­вируемых молекул, так как воздействие света вызывает их хими­ческие превращения; во-вторых, рассмотрим достаточно тонкий слой разбавленного раствора, это позволит считать интенсивность света I₀ постоянной и одинаковой по всей толщине слоя раствора.

Элементарное уменьшение концентрации dn молекул под дей­ствием света пропорционально:

— — концентрации п молекул;

— — эффективному сечению поглощения s;

— — времени облучения dt;

— — интенсивности света 1₀³:

Здесь знак «-» означает уменьшение числа молекул со временем.

Коэффициент (j_х называют квантовым выходом фотохимической реакции. Этот коэффициент показывает, какая часть молекул, которые поглотили фотоны, вступила в фотохимическую реак­цию. Разделим переменные и проинтегрируем (24.27):

где п₀ — начальная концентрация молекул, a n_i — концентрация молекул в момент i. Получаем

или

Здесь I_ot = D_o6 — доза облучения, a sj_x = s_х — эффективное се­чение молекулы для фотохимического превращения, оно пропор­ционально вероятности такого взаимодействия фотона с молеку­лой, в результате которого произойдет фотохимическая реакция.

Для нахождения s_х строят график зависимости ln n0/ni = f(D_o6) и

по наклону прямой [см. (24.28)] определяют эту величину (рис. 24.22, б). Можно найти s_х непосредственно на дозовой кривой фо­толиза⁴ вещества (рис. 24.22, а)

где D_o6._37% — доза облучения, при которой концентрация вещест­ва уменьшилась в е раз, другими словами, осталось неразрушен­ными 37% молекул.

В фотохимии спектром действия называют зависимость s_х(l). Эту зависимость можно найти, используя связь s_х = sj_x. Дело в том, что квантовый выход фотохимических реакций (подобно квантовому выходу флуоресценции, см. § 24.6) в растворах не за­висит от длины волны действующего света, т. е. j_х(l) = const. Фи­зически это означает, что независимо от энергии возбуждения hv молекула сначала израсходует часть этой энергии, пока не перей­дет в нижнее возбужденное состояние (см. § 24.6 и рис. 23.16), и только после этого сможет начать фотохимическое превращение. Учитывая это, можно заключить, что спектр действия j_х(l) и спектр поглощения (см. § 24.4) — зависимость s(l) — имеют оди­наковый вид, так как различаются только постоянным множите­лем j_х. Такая особенность позволяет, сопоставляя спектр дейст­вия фотохимической реакции со спектрами поглощения содержа­щихся в объекте соединений, определить, какое из них поглощает фотоны, вызывающие фотохимические превращения.

Описанная методика определения спектров действия может быть применена к исследованию бактерицидного действия света. Сходство процессов при фотолизе молекул в растворе и при фото­инактивации бактерий в суспензии заключается в следующем. Под действием поглощенного кванта молекула либо совсем не из­менится, либо превратится в фотопродукт, т. е. возможны только два исхода, причем вероятность фотолиза определяется кванто­вым выходом j_х. Точно так же при поглощении кванта бактерией она либо останется живой, либо погибнет. Концентрацию жизне­способных бактерий можно определить подобно концентрации не­разрушенных молекул в растворе. Вероятность гибели бактерии при поглощении кванта определяется квантовым выходом бакте­рицидного эффекта и (так же как при фотолизе молекул) не зави­сит от длины волны действующего света. Поэтому если в формулы (24.27)—(24.29) вместо концентрации молекул подставить кон­центрацию бактерий, то можно найти о_х для бактерицидного эф­фекта и построить спектр действия. Так, например, было установ­лено, что кривая гибели бактерий под действием УФ-излучения (спектр фотобиологического действия) подобна спектру поглоще­ния нуклеиновых кислот, представляющему широкую неструкту­рированную полосу в диапазоне длин волн 200—315 нм с макси­мумом при 260 нм. Это дало основание сделать вывод, что гибель бактерий обусловлена повреждением именно нуклеиновых кис­лот. На этом основано использование в медицине для обеззараживания помещений ртутных бактерицидных ламп, излучающих монохроматический свет с длиной волны 254 нм, что соответству­ет максимуму спектра действия бактерицидного эффекта.

Сложнее дело обстоит в случае таких процессов, как эритема кожи. Эритема заключается в расширении кровеносных сосудов кожи, что видно по ее покраснению. Зависимость степени покрас­нения от дозы характеризуется наличием пороговой дозы (мини­мальной эритемной дозы, МЭД), вызывающей едва различимое глазом покраснение. Подпороговые дозы эритему не вызывают совсем. При увеличении дозы облучения степень покраснения растет пропорционально логарифму дозы. Здесь отсутствуют ко­личественные показатели, подобные числу разрушенных молекул или погибших клеток, которые можно было бы использовать для расчета s_х. Выход из положения был найден при введении сле­дующего предположения. Если облучать кожу разными длинами волн и при этом подбирать каждый раз дозу так, чтобы возникаю­щий эффект (степень покраснения) был одинаков, то можно ду­мать, что одинаковая степень покраснения (стандартный эффект) является результатом одинаковых фотохимических поврежде­ний. В качестве стандартного эффекта обычно выбирают мини­мальное покраснение, вызываемое МЭД. Величина МЭД являет­ся функцией длины волны действующего света. По аналогии с (24.29) было предложено определять величину эритемной эффек­тивности как 1/МЭД. Предполагается, что 1/МЭД пропорци­ональна s_х, подобно 1/-D_o6;37% из выражения (24.29). Спектры действия эритемы представлены на рис. 24.23, кривая 1измере­на через 8 часов после облучения, 2 — через 24 часа и 3 — че­рез 10 суток. Выяснилось, что динамика развития, длительность существования и степень покраснения кожи сильно зависят от длины волны действующего света.

На этом основании в медицине весь диа­пазон УФ-излучения принято подраз­делять на три области: УФ-А (320— 400 нм), УФ-В (280—320 нм) и УФ-С (l < 280 нм). УФ-А-излучение наиме­нее эффективно. УФ-В-излучение способно вызывать наиболее интен­сивную и длительную эритему, пере­ходящую при дозах более 10 МЭД в эдему (ожог кожи). УФ-С-излучение может вызвать только умеренное по­краснение, ни при каких дозах не

переходящее в эдему. Регистрация спектров действия эритемы по­катала, что данная реакция кожи является следствием суммиро­вания двух или трех фотохимических процессов, каждый из которых по-разному зависит от длины волны действующего света. В случае других сложных фотобиологических процессов мож­но для регистрации спектров действия использовать величину биологической эффективности света (БЭС), обратную дозе облу­чения, вызывающей стандартный биологический эффект D_{o6 ст}

Изучение спектров действия показало, что УФ-В-излучение наиболее эффективно вызывает не только эритему, но также пиг­ментацию и рак кожи, кроме того, оно подавляет Т-клеточное зве­но иммунитета и вызывает многие другие эффекты у человека и животных. Отсюда понятно внимание, уделяемое состоянию озо­нового слоя атмосферы. Озон является естественным светофильт­ром, определяющим коротковолновую границу солнечного излу­чения, достигающего поверхности Земли. В ясный полдень на эк­ваторе на высоте моря коротковолновая граница проходит вблизи 285 нм. Суммарно УФ-В-излучение составляет менее 1,5% энер­гии солнечного света, но обусловливает наиболее острые фотоби­ологические эффекты. Уменьшение озонового слоя резко увели­чивает количество УФ-В-излучения, что крайне опасно для жи­вых организмов.

Сопоставление спектров действия со спектрами поглощения содержащихся в биологическом объекте молекул позволяет опре­делить, какие молекулы поглощают фотоны, запускающие иссле­дуемый фотобиологический процесс. Такие фотобиологические процессы, как зрительный эффект, фотомутагенез, фотоканцеро­генез, эритема и др., индуцируются под действием света, погло­щаемого нормально содержащимися в объекте молекулами, на­пример, зрительными пигментами, нуклеиновыми кислотами, белками и др. В некоторых случаях наблюдается резкое повыше­ние светочувствительности биологических систем в результате попадания в них экзогенных (посторонних) молекул, способных поглощать ультрафиолет или видимый свет. Вещества, повышаю­щие чувствительность биообъектов к свету, называют фотосенси­билизаторами, а инициируемые ими фотобиологические процес­сы — фотосенсибилизированными. Форма спектра действия тако­го процесса совпадает со спектром поглощения соответствующего фотосенсибилизатора.

Определение вида молекул, поглотивших свет, существенно потому, что свойства электронно-возбужденных молекул сильно отличаются от свойств тех же молекул в основном (невозбужден­ном) состоянии. Благодаря такому изменению свойств молекул и инициируются фотобиологические процессы.

Молекула (М) обязательно избавляется от избыточной энергии, расходуя ее либо в физических процессах, либо в фотохимических реакциях. Основные пути расходования энергии возбужденных мо­лекул (М*) показаны на рис. 24.24. Может произойти безызлуча-тельный переход энергии в тепло, либо излучение квантов люми­несценции с возвращением молекулы в основное состояние (§ 24.6).

Все многообразие фотохимических реакций электронно-воз­бужденных молекул сводится к фотоизомеризации или переносу электрона между возбужденной молекулой и субстратом.

Фотоизомеризация — это изменение пространственной структуры молекул,осуществляющееся в электронно-возбуж­денном состоянии.Известно, что у органических молекул, нахо­дящихся в основном состоянии, невозможно вращение их частей вокруг двойных связей. Такие молекулы имеют плоскую цис- или торакс-конфигурацию (рис. 24.25). Это связано с особенностями перекрывания p-орбиталей при образова­нии второй связи (см. рис. 23.15, б). Для того чтобы повернуть две части молекулы вокруг двойной связи, нуж­но уменьшить области перекрывания p-орбиталей, для этого нужно затратить значительную энергию (кривая с индек­сом S_o на рис. 24.26), такой процесс са­мопроизвольно произойти не может. Наименьшую энергию молекула имеет при перекрывании p-орбиталей, поэто­му p-орбитали называют связывающи­ми. При поглощении фотона и переходе в возбужденное состояние молекула сразу после перехода сохраня­ет плоскую конфигурацию основного состояния. Но возбужденные p*-орбитали (S₁ или Т₁ состояния на рис. 24.26) являются разрых­ляющими: наименьшую энергию имеет конфигурация, в которой p-связь разрывается и две части молекулы поворачиваются вокруг s-связи на 90°. При возвращении молекулы в основное состояние она может претерпеть цис-тпранс- или транс-цис-изомеризицию; цис-транс-фотоизошеризащш пигмента ретиналя принадлежит ве­дущая роль в зрительной рецепции (см. § 24.10).

К фотохимическим превращениям молекулы, поглотившей фотон, приводят резкие изменения ее донорно-акцепторных свойств. Ввозбужденной молекуле освобождается электронная вакансия на верхней заполненной орбитали (S_o на рис. 23.16), в результате чего молекула становится акцептором электрона, спо­собным вступать в реакции фотовосстановления с подходящими донорами. Примером такой реакции может служить открытая А. А. Красновским (1948) реакция фотовосстановления хлоро­филла. Это открытие имело фундаментальное значение в позна­нии процесса фотосинтеза. Наряду с этим в возбужденной молеку­ле появляется электрон на сравнительно высоко расположенной нижней свободной орбитали (S₁ или Т₁ на рис. 23.16). В результа­те этого молекула становится донором электрона и легко вступает в реакции фотоокисления. Так, возбужденные ароматические аминокислоты триптофан и тирозин способны отдавать электрон молекулам среды, что приводит к их ионизации.

Если рядом с возбужденной молекулой находится подходящий акцептор, то энергия может быть перенесена на него. Электрон­но-возбужденный акцептор может либо сам химически модифицироваться или вступить в реакцию с субстратом. Подобные реак­ции могут быть отнесены к фотосенсибилизированным.

Механизмы фотосенсибилизированных реакций крайне раз­нообразны. Практически удобно классифицировать их на два ви­да: нуждающиеся в присутствии кислорода и не нуждающиеся в нем. Фотобиологические эффекты, для осуществления кото­рых требуется участие трех составляющих — света, кислорода и фотосенсибилизатора — принято называть фотодинамическими эффектами, а соответствующие фотосенсибилизаторы — фото­динамическими. Фотодинамические эффекты инициируются фо­тосенсибилизаторами из триплетного электронно-возбужденного состояния T₁ (см. рис. 23.16).

Более детальная классификация фотосенсибилизированных ре­акций основана на природе реакционно-способных фотопродуктов, непосредственно реагирующих с субстратом. Рассмотрим этот воп­рос на примере псораленов — фотосенсибилизаторов растительно­го происхождения, повышающих чувствительность биообъектов к УФ-А-излучению.

В реакциях типа I происходит перенос электрона (или водоро­да) между электронно-возбужденным фотосенсибилизатором и субстратом, сопровождающийся образованием свободных радика­лов, которые взаимодействуют с молекулярным кислородом.

В реакциях типа II происходит перенос энергии от фотосенси­билизатора, находящегося в триплетном электронно-возбужден­ном состоянии T₁ на молекулярный кислород по схеме:

состояния фотосенсибилизатора;

— перенос энергии и образование синглетного

электронно-возбужденного молекулярного кислорода. Образую­щийся при этом синглетный кислород ¹О₂ взаимодействует с суб­стратом, окисляя последний:

¹О₂ + субстрат -> окисленный субстрат.

В реакциях типа II фотосенсибилизатор работает подобно ката­лизатору и в реакции не расходуется. Субстратами фотоокисле­ния служат молекулы ДНК, белков, ненасыщенных липидов и другие.

В реакциях типа III участвуют электронно-возбужденные мо­лекулы псораленов, предварительно в темноте встроившиеся в двуспиральную ДНК. При этом они ковалентно присоединяются к тимину, повреждая либо одну из нитей двуспиральной ДНК, ли­бо образуя межнитевую сшивку в двуспиральной молекуле ДНК. Реакции типов I—IIIмогут осуществляться только в том слу­чае, если субстрат облучается в присутствии фотосенсибилизато­ра. Это связано с коротким временем жизни реакционно-способ­ных фотопродуктов. Так, время жизни синглетных и триплетных электронно-возбужденных состояний молекул составляет, соот­ветственно, около 10^-9 и 10^-6 с, синглетного кислорода — около 10^-6 с, свободных радикалов — микро- или миллисекунды. Невоз­можно фотомодифицировать субстрат, сначала отдельно облучив фотосенсибилизатор, а затем после выключения света добавив к нему субстрат.

Модификация субстрата путем добавления к нему предвари­тельно облученных фотосенсибилизаторов возможна в реакциях типа IV. При облучении растворов фотосенсибилизаторов в при­сутствии кислорода в них образуются относительно стабильные продукты фотоокисления, имеющие время жизни от нескольких секунд до нескольких дней. Эти продукты фотоокисления при столкновениях с молекулами субстрата реагируют с ними, давая биологически активные конечные продукты.

Фотохимические реакции, инициируемые светом в тканях че­ловека и животных, могут иметь как положительные, так и отри­цательные последствия. Раздел медицины, посвященный лечеб­ному применению или патологическим последствиям действия оптического излучения, называется фото медициной.