Лекція 4 тема: Елементи квантової біофізики

Основні положення квантової механіки. Випромінювання і поглинання енергії атомами, молекулами. Люмінесценція. Види, основні закономірності, властивості. Закон Стокса. Хемілюмінесценція, надслабке свічення. Застосування люмінесценції та хемілюмінесценції в медицині.

Резонансні методи квантової механіки. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР), електронний парамагнітний резонанс (ЕПР), їх застосування в медицині (ЯМР-томографія тощо). Лазери, принцип дії та застосування в медицині.

Квантова механіка – теорія, що встановлює спосіб описання та закони руху мікрочастинок(елементарних частинок - електронів, ядер, атомів, молекул)

Електрон – елементарна частинка, що рухається зі швидкістю світло, володіє хвильовими властивостями та має енергію ε=h∙ν, де ν – частота світлової хвилі, h = 6,626∙10^-34 Дж∙с – стала Планка.

В залежності від типу частинок – носіїв магнітного моменту – розрізняють ядерний магнітний резонанс(ЯМР) та електронний парамагнітний резонанс(ЕПР).

Ядерний магнітний резонанс(ЯМР) – явище вибіркового поглинання електромагнітних хвиль певної частоти, речовиною, яка знаходиться в магнітному полі, внаслідок переорієнтації магнітних моментів ядер. ЯМР був відкритий у 1946 році. Методи ЯМР є універсальними засобами для вивчення хімічного складу і структури твердого тіла і рідин.

З медичної та біологічної позицій ЯМР цікавий можливістю неінвазивних(без проникнення в організм) вимірювань характеристик біотканин. Перше ЯМР-зображення тіла людини було отримане в 1977 році Дамадьяном. Основним компонентом апаратів для ЯМР-досліджень є магніт. Тому при таких дослідженнях необхідно дотримуватись безпеки. Протипоказами для ЯМР-діагностики є:

1) наявність кардіостимуляторів в організмі людини;

2) виникнення аварії – екстреного відключення магнітної системи, оскільки виникнення великих струмів може призвести до зупинки серця;

3) наявність будь-яких імплантованих металевих елементів(пластин, кріплень), оскільки можуть виникнути пошкодження біотканин та кровотечі. Прикладом застосування ЯМР є:

1) ЯМР-томографія – рентгенологічний метод дослідження об’єкту з отриманням зображення будь-якого шару, засноване на визначенні у мозковій речовині щільності ядер водню(протонів) та реєстрація їх деяких фізичних характеристик, зокрема часу релаксації. Метод дозволяє отримати не тільки анатомічні, а і фізико-хімічні дані. Перевагами є невикористання іонізованого випромінювання(на відміну комп’ютерної томографії), можливість отримання „зрізів” мозку в різних площинах, зображення має більшу контрастність, відсутність артефактів(процес або утворення, не властиве об’єкту, що вивчається, в нормі, таке, що виникає в ході його дослідження) на межі кісток та речовин мозку.

Протипокази для ЯМР-томографії:

1) абсолютні – наявність трахеостемічної трубки або дихальної трубки у реанімованих хворих, металічних тіл в порожнині черепа(скалки, операційні кліпси), металічних тіл в орбіті, очному яблуці;

2) відносні – наявність вентрікулоперітоніального шунта, штучних клапанів серця.

Електронний парамагнітний резонанс(ЕПР) – резонансне поглинання радіохвиль, обумовлене квантовими переходами між магнітними підрівнями парамагнітних атомів та іонів, відбувається у речовинах з парамагнітними частинками: молекули, атоми, іони, радикали з магнітним моментом, спостерігається в спектрах НВЧ. Був відкритий С.К.Завойським у 1944 році. Використовують для вивчення фотохімічних процесів, зокрема фотосинтезу, для вивчення концентрації вільних радикалів у повітрі. За допомогою ЕПР визначають мікров’язкість ліпідного шару мембран.

Люмінесценція – це надлишкове над тепловим випромінювання тіла при даній температурі, тривалість якого значно більша ніж період коливань світлових хвиль (Т=10^-15 с) та виникає внаслідок дії на речовину різними випромінюваннями. Як правило спостерігається у видимій або ультрафіолетовій областях спектру при будь-яких температурах, тоді як теплове випромінювання виникає при температурі в декілька сотень градусів. Тому люмінесценцію часто називають холодним світінням. Люмінесцентну речовину називають люмінофором, вона може бути газом, твердим тілом, рідиною. Люмінесценцію класифікують за трьома ознаками:

1. за природою процесів, що її викликають;