ЖАРЫҚТЫҢ ЗАТТАРМЕН ӘРЕКЕТІ. ЛЮМИНЕСЦЕНИЯ. ФОТОБИОЛОГИЯЛЫҚ ПРОЦЕСТЕР.

Жарық ағыны зат арқылы өткенде, оның энергиясының бір бөлігі ортаның атомдары немесе молекуларын қоздыруға жұмсалады, нәтижесінде жарық энергиясы азаяды. Бұл құбылысты жарықтың жұтылуы деп атайды, шын мәнінде жарықтың жұтылыу деп жарық сәулесінің бір ортамен тарау барысында жарық энергиясының энергияның басқа түріне ауысуы нәтижесінде жарық интенсивтілігінің төмендеуін атайды.

Енді жарықтың интенсивтілігінің азаю (кему) заңдылығын қарастырайық (1сурет).

1 сурет

Қалыңдығы dl болатын жұқа қабаттан монохроматты жарық өткенде оның бастапқы интенсивтілігін кемуі dI, жарық сәулесі өткен қабат қалыңдығына dl, түскен жарықтың бастапқы интенсивтілігіне I пропорционал болын делік. Осы шамалар арасындағы байланысты мына түрдегі дифферциалдық теңдеу арқылы өрнектейік:

dI = -k_l Idl,

мұндағы k_l- ортаның жарықты жұту қабілетін сипаттайтын пропорционалдық коэффициент, оны жұтылудың натуралды көрсеткіші деп атайды, ол жарық толқынының ұзындығына l тәуелді, бірақ интенсивтілігіне тәуелсіз. Теңдеудегі минус таңбасы жарық интенсивтілігінің азаятындығын (кемитіндігін) көрсетеді. Бұл теңдеудің шешімі мына түрде жазылады:

e^-k_l^l

мұндағы I₀ – түскен сәуле (бастапқы сәуле) интенсивтілігі, I- зат қалыңдығы l қабаттан өткен сәуле интенсивтілігі. Бұл жарықтың жұтылу немесе Бугер заңы деп аталады.

Егер Бугер өрнегін логарифмдесек ln(I₀/I) = -k_ll өрнегі келіп шығады, мұндағы l=1/k_l тең деп алсақ, онда соңғы өрнек мына түрге келеді I=I₀/e. Мұнан k_l физикалық мәні келіп шығады: жұтылудың натураль көрсеткіші сан жағынан жарықтың жұтылуын «е» есе азайтатын қабат қалыңдығына кері шамаға тең.

Енді жарықтың ертіндіде жұтылуын қарастырайық. Жарық толқыны ертінді арқылы өткенде, оның фотондары еріткіштің де, еріген заттың да молекулаларымен әрекеттеседі, энергиясының бір бөлігін орта молекулаларының күйін өзгертуге жұмсайды, нәтижесінде жарық интенсивтілігі кемиді, жарық жұтылады. Жарықтың ертіндіде жұтылуын сипаттайтын жұтылудың натураль көрсеткіші c_l ертінді концентрациясына тура пропорционал екендігін ғалым Бер анықталды: k_l= c_lС. Мұндағы жұтылудың натуралды молярлы көрсеткіші, ол еріген зат түріне, жарықтың толқын ұзындығына тәуелді, бірақ ерітінді концентрациясына тәуелсіз. Бұл тұжырымды Бер заңы деп атайды. Концентрациясы жоғары ертінділер үшін бұл заңы орындалмайды, өйткені жоғары концентрациялы ерітіндіде молекулалар арасы жақындап, олардың өз ара әрекеттесуі орын алады да жарықтың жұтылуында өзгерістер байқалады. Енді Бугер өрнегіндегі коэффициент орнына Бер өрнегін қойсақ:

e^-c_l^{∙l∙ С}

Бұл өрнек жарық жұтылуының Бугер-Бер-Ламбер заңы деп аталады.

Лабораториялық зерттеулерде Бугер-Бер-Ламбер өрнегін бұл түрде қолданбайды, оның орнына негізі 10 болатын дәрежелі өрнек түрінде жазады:

I =I₀×10^{-e ∙С∙l}

Бұл өрнекті логарифмдейік, сонда ол мына түрге келеді: lg(I₀/I) =e∙С∙l,мұндағы e= c/2,3 жұтылудың молярлы көрсеткіші Соңғы өрнектегі lg(I₀/I) = D деп белгіліп және ол шаманы ертіндінің оптикалық тығыздығы деп атайық, сонда Бугер-Бер –Ламберт заңы мына түрге келеді D =e ∙С∙l.

Жарықтың заттарда жұтылу құбылысы фотометрия мен спектрофотометрия деп аталатын әдістерде қолданылады.

Жұтылу спектрі деп заттың жарықты жұтуының жарық жиілігіне D =f(n) немесе оның толқын ұзындығына D =f(l) тәуелділігін атайды.

Бір атомды сиретілген газ бен металл буының жұтылу спектрі қарапайым болып келеді. Бұл күйдегі заттардың атомдары бір бірінен өте алшақ жатқандықтан, оларда өз ара әсерлесу байқалмайды. Заттан өткен жарық кванты жеке атомдармен әрекеттеседі, жұтылу спектріне сәйкес келетін толқындар hn = E_K –E_i шартына сәйкес анықталынады. Әр атомға сәйкес келетін энергетикалық деңгейлердің арасы бір бірінен ұзақ, сондықтан олардың спектрлері бір бірінен алшақ жатқан жеке жеке сызықтардан тұрады, мұндай спектрлерлі сызықты деп атайды(2 сурет).

Молекуласы көп атомды газдардың жұтылу спектрлері сызықтың спектрлардан күрделі болып келеді. Өйткені, зат құрамындағы атомдардың өз ара әректтесуі мен қозғалысы күрделі, сондықтан мұндай заттардың жұтылу спектрлері бір ібірінен алшақ оранласқан жолақтар түрінде болады. Мұндай спектрларды жолақ спектр деп атайды (3 сурет).

Бір және көп атомды газдармен салыстырғанда тығыздығы жоғары газдар мен қатты денелерді құрайтын бөлшектердің өз ара әрекеттесуі күшті, сол себепті олардың бөлшектеріне сәйкес келетін энергетикалық деңгейлерінің арасы өте жақын болып келеді, кей деңгейлер бір бірімен беттесіп кеткен. Максимум және минимумдардан тұратын мұндай спектрларды тұтас деп атайды (4 сурет).

	DD

2 сурет 3 сурет 4 сурет

Жарық шығару себебі жылулық құбылысқа жатпайтын, кез келген температурада байқалатын жарық түрін люминесценция деп атайды. Көру аймағында жататын жылулық жарықтар 10³ -10⁴ К температудан басталады. Сол себепті люминесценция жарығын «суық жарық» деп те атайды. Люминесценция жарығының пайда болу себептерінің бірі ретінде, дене молекуласын қоздыратын сыртқы жарық көзінің әсерін атайды. Мұндай жарық көздеріне көрінетін сәуле, ультракүлгін сәулесі, рентген т.б. сәулелер жатады. Денеге әсер етуші сәуле өз әсерін тоқтатқан мезгілде люминесценция құбылысы бірден тоқтамайды, ол біраз уақыт сәулененуін жалғастыра береді, люминесценция құбылысын сәуленің шағылуы мен шашыру құбылысынан ерекшелелігі осында.

Жұтылған энергиясын люминесценттік жарық шығаруға жұмсайтын заттарды люминофорлар деп атайды.

Кристалл атомдарының, молекулаларының қозығу нәтижесінде кванттық орын ауыстыруы дененің люминестенттік жарық шығаруының басты себебі.

Дене атомдарын, молекулаларын қоздыру себептеріне байланысты люминесценция мынадай түрлерге бөлінеді:

· Фотолюминесценция- жарық (көрінетін сәуленің қысқа аймағы, УК сәуле) әсерінен атомдардың қозуы нәтижесінде пайда болады;

· Рентгенолюминесценция- рентген және гамма сәулелері әсерінен атомдардың қозуы нәтижесінде пайда болады (рентген аппаратының экраны, радиация индикаторлары);

· Катодолюминесценция- электрондар ағыны әсерінен атомдардың қозуы нәтижесінде пайда болады (кинескоп, осциллограф, монитор);

· Электролюминесценция- электр өрісі әсерінен атомдардың қозуы кезінде пайда болады(электр разрядымен газ молеккласын қоздыру-газ разрядты лампа);

· Хемилюминесценция- химиялық реакция әсерінен молекулалардың қозуы кезінде пайда болады;

· Биолюминесценция - биохимиялық реакциялар әсерінен биологиялық жүйенің қозуы кезінде пайда болады;

· Сонолюминесценция - ультрадыбыс әсерінен атомдардың қозу кезінде пайда болады.

Жоғарыда атап өткендей, люминесценция құбылысы сыртқы әсер тоқталса да жалғаса береді, қалдық сәулелену ұзақтығына байланысты люминесценция: флуоресценция және фосфоресценция деген түрлерге бөлінеді:

· Флуоресценцияда қалдық сәулелену ұзақтығы 10^-9 – 10^-8 с.

· Фосфоресценцияда сәулелену ұзақтығы 10^-4 – 10⁴ с.

Енді люминесценцияның кей түрлерінің пайда болу механизімін талдайық.

1) Фотолюминесценция құбылысы жиілігі n жарықтың фотондарының зат атомдарын немесе молекулаларын қоздыру нәтижесінде байқалады. Нәтижесінде, зат атомы қозбаған негізгі энергетикалық 1 күйден, қозған 2 күйге көшеді, ары қарай процесс 3 түрлі жолмен жүруі мүмкін.

1. Қозған күйдегі атом немесе молекула жиілігі жұтқан жарық жиілігіне n_л = n фотон шығарып бұрыңғы негізгі күйге қайта келеді. Мұндай люминесценция резонансты деп аталады (5 сурет).

2. Қозған күйдегі атом немесе молекула өзін қоршаған орта атомдары немесе молекулаларымен әрекеттесіп, сәуле шығармай төмен жатқан қозған күйдегі 2^/ энергетикалық деңгейге орын ауыстырады. Онан соң, ол жиілігі төмен n_л < n фотон шығарып негізгі күйге көшеді. Мұндай люминесценция стоксты деп аталады (6-сурет).

3. Қозған күйдегі атом немесе молекула өзін қоршаған орта атомдары немесе молекулаларымен әрекеттесіп, жоғары энергетикалық деңгейде жатқан 3^/ қозған жаңа күйге орын ауыстырады. Онан соң, ол жиілігі жоғары n_л > n фотон шығарып негізгі күйге көшеді. Мұндай люминесценция антистоксты деп аталады ( 7-сурет).

5 сурет 6 сурет 7 сурет

2) Хемилюминесценция. Химиялық реакцияда бөлінген энергия нәтижесінде байқалатын люминесценцияны хемилюминесценция деп атайды. Бұл кезде химиялық энергияның жарық энергиясына ауысуы орын алады және бөлінетін жарық не реакцияға түскен заттардан немесе зат құрамындағы қозған денеден шығады. Хемилюминесценция жарығының интенсивтілігі химиялық реакция жылдамдығына пропорционалды. Биологиялық жүйелерде байқалатын хемилюминесценция түрін биохемилюминесценция деп атайды. Биохемилюминесценция тірі жанулар мен жәндіктер әлеміне тән құбылыс, қазігіт таңда оның 250 тарта түрі кездеседі. Биохемилюминесценция құбылысы тотығу реакциясы нәтижесінде, мысалы, липидтердің еркін радиклдар реакциясында байқалады.

Люминесценция құбылысы медицина мен биологияда заттардың құрамына санды және сапалы талдау жүргізуде қолданылады.

Биологиялық жүйлерде жарықтың жұтылуы ол жүйелерде ерекеше фотохимиялық реакциялар жүруімен қабаттасып келеді, өз кезегінде бұл реакциялар фотобиологиялық процестердің басы болуы мүмкін. Фотобиологиялық реакциялар деп – биологиялық жүйенің молекулалары жарық квантын жұтуымен басталып, ағза немесе ұлпаның сәйкес жауап реакциясымен аяқталатын құбылысты атайды. Фотобиолгиялық реакцияларға мыналар жатады:

· Фотосинтез - күн сәулесі энергиясының әсерінен органикалық молекулардың синтезделуі;

· фототаксис- күн сәулесіне немесе оған қарсы жаққа қарай тірі жәндіктің (мысалы, бактериялар) қозғалуы;

· фототропизм- сәулеге немесе оған қарсы бағытқа қарай жапырақтың, шөп діңгегінің бұрылуы;

· фотопериодизм- тірі жәндіке «жарық-қараңғы» циклымен әсер ету арқылы оның сөткелік және жылдық циклын реттеу;

· көру- көзге түскен жарық энергиясын нерв импульсіне айналдыру;

· тері күйінің жарық әсерінен өзгеруі: эритема, эдема, күнге күй, пигментация, терінің күйуі, тері рагы;

Барлық фотобиологиялық процестер мына ретпен жүреді:

· жарық квантын жұтқан молекуланың қозуы;

· бірінші реттік фотохимиялық реакциялар нәтижесінде пайда болған заттардың жарықсыз химиялық реакцияларға түсуі;

· екінші реттік химиялық реакциялар;

· ұлпа немесе ағзаның физиологиялық жауабы.

Енді ультракүлгін сәулесінің тірі ағзаларға әсерін қарастырайық. Ультракүлгін сәулесі (УК) оптикалық диапазонның ең қысқа аймағы 180 нм ден 400 нм дейінгі аралықты алып жатыр. УК сәулені биологиялық әсерлерін байланысты 3- аймаққа бөледі:

· 400-320 нм, ұзын толқынды УК (ҰУК) «А» аймақ деп аталады;

· 320-280 нм, орта толқынды УК (ОУК) «В» аймақ деп аталады;

· 280-180 нм, қысқа толқынды УК (ҚУК) «С» аймақ деп аталады.

Осы аймақтардағы ҰУК сәулесінің фотонының энергиясы төмен болғанымен оның денеге терең ене алатын қаблеті жоғары, ал ҚУК сәулесіне сәйкес келетін квантың энергиясы басқаларынан көп, бірақ денеге ену қаблеті төмен. Жалпы УК сәуле квантының энергиясы басқа сәулелер квантына салыстырғанда жоғары болғандықтан, оның биологиялық денелерге тигізетін әсер инфрақызыл (ИҚ) және көрінетін жарықпен (КЖ) салыстырғанда өзгеше болады. Кез келген сәуле, мейлі ол ИҚ, УК немесе КЖ болсын биологиялық денемен әсерлескенде түрлі дәрежеде жұтылады.

Осы жерде мына мәселеге тоқтала кеткен жөн. Ұлпада жұтылған сәуле энергиясы энергияның басқа түріне, жылу мен химиялық түрлерге айналады, бұл процесс ағзада жалғасын одан ары тауып, фотобиологиялық процестерге ұласады. Инфрақызыл (ИҚ) және көрінетін жарық(КЖ) энергиялары негізінен жылуға айналса, УК сәуленің энергиясы фотобиологиялық процестерді жүргізуге ықпал етеді.

УК сәуленің квантарының энергиясы жоғары болғандықтан оны жұтқан ұлпаның атомдары мен молекулалары қозған күйге көшеді, кейде мұндай кванттар әсерінен электрондар атомнан ажырап, соның салдарынан дене молекуласының құрылымында өзгерістер орын алады. Осының әсерінен белок молекулаларындағы әлсіз байланыстар бұзылып, еркін радикалдар пайда болады, күрделі молекуллар қарапайымға ыдырайды. Нәтижесінде биологиялық белсенді: ацетилхолин, гистамин, т.б. заттар пайда болады. Ал УК сәулесінің үлкен дозасы әсерінен нуклейн қышқылында құрылымдық өзгерістер байқалады, жасуша мутатциясы орын алып. Сонымен УК сәулесін жұту нәтижесінде ағза ұлпаларында жүретін атомдық және молекулалық құрылымдық өзгерістер жасушаның, ұлпаның, ағза мүшелерінің өмір сүруінің бұзылуына себеп болады. Сонымен қатар УК сәулесінің витамин жасаушы да қаблеті бар екендігі анықталды. Тері қабатындағы 7-дегридрохолестерин, эргостерин т.б. витаминге жақын заттар 280-310 нм аралықтағы УК сәуле әсерінен «Д» витаминіне айналады. УК сәулесінің мұнанда басқа көптеген әсерлері бар екендігін де қарастыру қажет.

Енді ультракүлгін сәуле әсерінен ақуыз молекуласының құрылымының өзгеруін қарастырайық. УК сәуленің әcерінен ароматты күкірт құрамды ақуыздар мен пиримидин негізді нуклейн қышқылдарының еркін радикалды пайда болады. Мысалы, триптофанға УК әсер еткенде мына түрдегі реакция жүреді:

АН + hn AH^* AН⁺ + e^- А + H⁺ + е^-

мұндағы АН – триптофан молекуласы, hn - УК сәуле кванты, AH⁺ - пайда болған аралық катион- радикал, A- нейтрал радикал, e^- сольватарлы электрон. Пайда болған бөлшектер өте реакцияшыл болып келеді, мысалы e^- сольватарлы электроны цистин ақуызымен әсерлесіп, оның дисульфидті байланысын бұзып, цистеин еркін радикалын пайда етеді. Бұл еркін радикалдар мембрананың өткізгіштік қабілетін бұзады, терінің күйуіне алып келеді және т.б. құбылыстар орын алады.

УК сәулені кварцты-сынапты, газразрядты шамдар арқылы өндіреді. Өндірілетін УК сәуленің құрамына сәйкес мұндай шамдар: интегралдыжәне селективтіболып бөлінеді. Интегралды шам УК сәуленің барлық спектрін, ал селективті- тек белгілі бір аймағын ғана шығарады. Интегралды УК жарық көзіне ДТР-100 Вт - ДТР-1000 Вт типті шамдары жатады, ал селективті УК жарық көзіне ЛУФ-153 шамы жатады, ол 320-400 нм аралықтағы, ал ЛЗ-153 шамы 310-320 нм жарық толқындарын өндіреді. Мұнан басқа ОУК-1, УУД-1, УФО-1500, т.б. шамдар да қолданылады. Жеке бөлмелерді, аураханалардағы палаталарды залалсыздандыруда селективті УК сәуле шығаратын, электр доғалы бактерицитті ДБ-15, ДБ-30 және ДБ-60 . шамдары пайдаланылады, олар 200-280 нм аралықтағы УК толқындарды таратады.

Соңғы кездері кварц ыдыс арқылы аққан қанға УК сәулемен әсер ету арқылы емдеу шараларын өткізілуде. Мұндай сәуле әсерінен қанның формалы элементерінің функционалды белсенділігі артуы нәтижесінде, ағзадағы қабыну процестерінің әсерінен эритроциттердің мембрана қабатына жабысқан бөгде заттардан тазаруы жүреді. Мұндай емдік шаралар УФОК, МД-73М,ЛК-5И, «Изольда», т.б құралдар арқылы орындалады. УК сәулесін ағзаның түрлі инфекциялық ауруларға қарсы тұруын күшейтуде, балаларда рахит кеселін болдырмауда, тері ауруларын емдеуде, ағзаның иммундік жүйесін қалпына келтіруде қолданды.