BÀI 6 sinh lý quanh sinh học

BÀI QUANG SINH HỌC Mục tiêu: Trình bày nội dung hai thuyết chất ánh sáng tác động ánh sáng lên thể sống sơ lược quang học mắt Giải thích nguyên lý chung sửa tật khúc xạ Vận dụng kiến thức quang sinh học để giải thích cảm thụ ánh sáng mắt với ánh sáng có bước sóng khác Trình bày nguyên lý hoạt động số thiết bị quang học dùng y – sinh học A Tác động ánh sáng với thể sống I Bản chất ánh sáng Sóng ánh sáng 1.1 Thuyết sóng điện từ chất ánh sáng Năm 1865 Mazwell kết luận ánh sáng sóng điện từ, thuyết nêu sau: ”Ánh sáng truyền theo điểm đặc trưng hai véc tơ cường độ điện trường véc tơ cường độ từ trường Hai véc tơ ln vng góc với vng góc với phương truyền sóng” E = E0 cos( t +  ) (4.1) H = H cos( t +  ) (4.2) Vận tốc sóng truyền v = .f : bước sóng f: tần số sóng : tần số góc t: thời gian : pha ban đầu Hình Giả sử trục toạ độ Oxyz, O có ánh sáng truyền tới có vectơ E , H thay đổi theo quy luật trên, ánh sáng truyền phương Ox, biểu diễn biến thiên E mặt phẳng xOy, H mặt phẳng yOz E0 H biên độ dao động vectơ cường độ điện trường từ trường,  tần số góc  pha ban đầu Khi ánh sáng truyền tới điểm M cách O khoảng x cường độ điện trường E cường độ từ trường H thay đổi theo quy luật: x H = H Cos  ω(t- ) +  v  (4.3) Ở v vận tốc lan truyền ánh sáng môi trường chứa điểm O M Khi ánh sáng truyền đến mắt ta có thành phần điện trường gây cảm giác sáng, cịn thành phần từ trường khơng gây cảm giác sáng Ta xét tương tác ánh sáng với nguyên tử, phân tử vật chất ta cần quan tâm đến thành phần điện trường Biểu thức: x E = E0 Cos  ω(t- ) +  v  = 2f  : bước sóng ánh sáng  (4.4) f: tần số ánh sáng E véc tơ cường độ điện trường Ánh sáng truyền chân không với vận tốc c = 300.000 km/s Cường độ trung bình điểm sóng điện từ là: 0 = 8,84.10-12 I = 0 c E02 E0 cường độ điện trường c vận tốc ánh sáng Dựa vào số đo bước sóng người ta quy ước sóng điện từ chia thành thang sóng điện từ bảng sau: Bảng Thang sóng điện từ Bước sóng Loại sóng Tia hồng ngọai Từ 3.103cmđến 10- 1cm Từ 10- 1cm đến 0,76  m Ánh sáng trông thấy Từ 0,76  m đến 0,39  m Tia tử ngoại Từ 0,39  m đến 10-2  m Tia X Từ 10-2  m đến 10-5  m Tia gam ma Nhỏ 10-5  m Sóng vơ tuyến Đối với sóng ánh sáng nhìn thấy, chùm ánh sáng có bước sóng xác định gây nên cảm giác màu sắc định Bảng cho ta quan hệ tương đối màu đơn sắc bước sóng Bảng Quan hệ tương đối màu đơn sắc bước sóng Bước sóng (  m) Mầu sắc Đỏ 0,76 đến 0,63 Da cam 0,63 đến 0,60 Vàng 0,60 đến 0,57 Lục 0,57 đến 0,50 Lam 0,50 đến 0,45 Chàm 0,45 đến 0,43 Tím 0,43 đến 0,39 1.2 Sự hấp thụ, tán sắc, tán xạ ánh sáng ❖ Lượng tử ánh sáng Thuyết lượng tử ánh sáng Planck đưa ra, sau Einsteine, Dirac, DeBroglie bổ xung khẳng định: - Năng lượng ánh sáng không nhận giá trị tuỳ ý (liên tục) mà nhận giá trị gián đoạn xác định - Phần nhỏ lượng ánh sáng  = hf gọi photon, lượng tử ánh sáng hay lượng tử lượng Trong h = 6,625.10-34Js gọi số Planck - Phơton có khối lượng tĩnh chân không - Năng lượng photon E = mc2 h - Xung lượng photon P = mc = Với m khối lượng động lượng λ phụ thuộc vào vận tốc  bước sóng ánh sáng Biểu thức diễn tả quan hệ tính chất hạt tính chất sóng photon II Các tác động ánh sáng lên thể sống Một số trình quang sinh 1.1 Quang hợp Quang hợp loại phản ứng tạo tích luỹ lượng nhóm phản ứng sinh lý chức Quang hợp hiệu ứng gây ánh sáng có khử CO2 tạo O 2và Hydratcacbon CO2 + H2O + nhf → (CH2O) + O2 Tổng hợp glucose 6CO2 + 6H2O + hf → C6H12O6 + 6O2 Ở số loài vi sinh vật nguồn hydro nước mà chất khác ete, acid hữu cơ, vô hợp chất có chứa lưu huỳnh q trình quang hợp không thải oxy Xucinat + CO + hf → (CH2O) + fumarat 2H2S + CO2 + hf → (CH2O) + H2O + 2S Quá trình quang hợp dạng chung có dạng sau: CO2 + 2H2A + hf → (CH2O) + H2O + 2A Năng lượng cần cho phản ứng 112Kcal/mol hay 4,9 eV cho phân tử Sự quang hợp xảy với ánh sáng có bước sóng 7000A0 cần photon Trong thực tế cần photon hiệu suất đạt khoảng 37% 1.2 Sinh tổng hợp vitamin tạo sắc tố Trong chuỗi tự nhiên phản ứng sinh tổng hợp dần đến tạo thành tế bào sắc tố vitamin có tồn phản ứng quang hố Trong phản ứng lượng ánh sáng cần thiết để cung cấp lượng cho phản ứng Các men góp phần thực giai đoạn định trình sinh tổng hợp chất Trong trường hợp tổng hợp sắc tố, tổng hợp vitamin D cần có tham gia lượng tử ánh sáng Trong ánh sáng mặt trời có tia tử ngoại tác động đến da tạo sắc tố chậm hay nâu da Sự nâu da ngày sau tiếp xúc tác dụng tối đa vào khoảng 20 ngày biến dần sau khơng phơi nắng Sự tạo sắc tố phần da làm tăng sức chứa melamin da phơi bày da tác động ánh sáng mặt trời 1.3 Thông tin cảm thụ ánh sáng Ánh sáng mang thơng tin mơi trường bên ngồi cho sinh vật Ví dụ hoa hướng dương nở theo hướng mặt trời mọc, hàng loạt loài hoa nở thời gian định, vi khuẩn phản ứng chiếu ánh sáng vào Mắt quan cảm thụ ánh sáng hoàn chỉnh tạo xung động thần kinh giúp ta nhận thức mơi trường bên ngồi Phản ứng quang hoá phân huỷ sắc tố phát sinh xung động thần kinh truyền lên dây thần kinh thị giác để có cảm giác sáng Ở võng mạc có tế bào hình nón tế bào hình que Ở tế bào hình que có cảm thụ sắc tố Rodopxin phức chất protein có phân tử lượng khoảng 40.000, liên kết protein Retinal, đặc biệt tế bào que Scotopxin Ở tế bào nón có sắc tố cảm thụ Iotopxin liên kết phức Retinal protein, đặc biệt tế bào nón Fotopxin Khi ánh sáng tác dụng Rodopxin → Scotopxin + Retinal Iotopxin → Fotopxin + Retinal Người ta tính tốn 1photon ánh sáng nhìn thấy đủ để phân huỷ phân tử Rodopxin Khi có tác dụng ánh sáng, tia tử ngoại, nhiệt men transRetinal Opxin chuyển thành Retinal Opxin họăc thành sinh tố A dạng tự Este hoá để chuyển vào dự trữ lớp tế bào sắc tố biểu mô Trong bóng tối, phân tử Rodopxin phục hồi nhanh với phản ứng ngược lại qua nhiều giai đoạn trung gian tác dụng lượng hoá sinh, đồng thời xảy phản ứng phục hồi Retinal từ vitaminA este từ tế bào sắc tố biểu mô chuyển vào tế bào que Vitamin A có vai trị quan trọng vào q trình phối hợp sắc tố biểu mơ Trong bệnh làm giảm lượng hấp thụ vitaminA hay bệnh võng mạc làm cản trở tiếp xúc tế bào thần kinh thị giác với sắc tố biểu mô, tổng hợp Rodopxin bị giảm xuống nhiều chức thị giác bị ảnh hưởng Hiện người ta ghi dòng điện võng mạc khác tình trạng hoạt động khác tế bào cảm thụ ánh sáng Tia tử ngoại thể sống Tia tử ngoại sóng điện từ có bước sóng nhỏ bước sóng ánh sáng tím (0,40m) Tia tử ngoại phát sinh từ nguồn có nhiệt độ >30000C có nhiều ánh sáng mặt trời Tia tử ngoại có đầy đủ tính chất sóng điện từ, ngồi cịn có tính chất đặc trưng sau: - Tác dụng lên kính ảnh - Bị nước thuỷ tinh hấp thụ mạnh - Tác dụng sinh vật * Tác dụng tia tử ngoại với acid nucleic Khi chiếu tia tử ngoại vào thể sống, trung tâm hấp thụ tia tử ngoại loại acid nucleic gốc Purin Pirimidin hấp thụ bước sóng 260 nm Sự biến đổi quang hoá, quang oxy hoá, quang hydrat hoá quang nhị hố Tia tử ngoại có khả biến đổi khử tất chức acid nucleic Khi bị tổn thương tia tử ngoại phân tử ADN bị ức chế trao đổi thông tin khả hoạt động Do có lượng cao tia tử ngoại ảnh hưởng tất trình trao đổi chất, sinh lý chức mơi trường sinh vật Tia tử ngoại gây nên phản ứng quang sinh đẫn đến phá huỷ acid nucleic protid, làm hoạt tính men Vùng bước sóng từ 100nm đến 275nm làm thay đổi cấu trúc Protêin, lipit diệt trùng Vùng có bước sóng từ 275nm đến 320nm có tác dụng chống còi xương tạo sắc tố, thúc đẩy tạo thành biểu mơ, làm tốt q trình tái sinh Vùng có bước sóng từ 320nm đến 400nm tác dụng sinh vật yếu, gây phát quang số chất hữu Tác dụng tia tử ngoại với Protein Trong tế bào chứa các protein, tác dụng tia tử ngoại loại protein bị tổn thương mạnh Tác dụng tia tử ngoại lên phân tử protein polypeptit có hoạt tính sinh học men, khống chế hocmon, kháng sinh sau vài phút hấp thụ hoạt tính chúng giảm rõ rệt Protein hấp thụ sóng có bước sóng 200-400nm nhóm nhận chủ yếu tiptophan, tirozin, phenylelanin xistein Tia tử ngoại phá huỷ cấu trúc acid amin thơm, phá huỷ cấu hình phân tử protein làm đứt liên kết hydro Khi cường độ lượng tia tử ngoại lớn phá huỷ nhiều Tia tử ngoại ứng dụng y học điều trị bệnh còi xương Dưới tác động tia tử ngoại trung bình tổng hợp vitamin D phần sâu thượng bì, sau vitamin D gan giữ lại chuyển thành vitamin D3 (là chất chuyển hoá hoạt động) Vitamin D giúp cho thể hấp thụ khoáng hoá xương, thúc đẩy q trình khống hố xương với số vitamin Lượng vitamin D3 tổng hợp phơi nắng giảm theo độ tuổi phụ thuộc vào liều lượng, thời gian chiếu Tia tử ngoại dùng làm cho vết thương chóng lên sẹo, xương chóng liền, diệt khuẩn kính hiển vi tử ngoại nghiên cứu y sinh Ngồi tác dụng có lợi tia tử ngoại tần số lớn có tác hại cho thể - Gây hồng ban cấp độ + + + + Hồng ban màu hồng; Hồng ban màu đỏ tươi; Hồng ban tím, phù nề, đau; Tróc da (tạo phóng nước) - Tạo sắc tố chậm hay nâu da; - Tăng sừng: tia tử ngoại trung làm tăng trình phân bào Keratinocytes Ở người bị mụn trứng cá, tượng tăng sừng làm đọng chất bã, làm tăng mụn cồi(Comedons) đồng thời xuất nhiều hơn; - Sự lão hoá da; - Tác dụng ung thư da; + Ung thư da(tế bào đáy tế bào gai); + U sắc tố ác tính phơi bày ánh sáng dội đột ngột thời thơ ấu - Khởi phát hay làm nặng thêm bệnh ánh sáng Do tia tử ngoại có tác hại thể cần có biện pháp phịng tránh hữu hiệu để bảo vệ da tránh tác hại III Lý sinh thị giác Sơ lược mắt 1.1 Quang hình học mắt ❖ Cấu tạo mắt Mắt cấu tạo môi trường chiết quang ngăn cách mặt cầu khúc xạ tạo nên lưỡng chất cầu, xét quang hình học mắt máy ảnh Hình 5.4 - Giác mạc: lớp màng suốt, dày khoảng 1mm, bán kính cong khoảng 8mm - Củng mạc: màng cùng, bao quanh 3/4 phía sau mắt, trắng sữa ánh sáng không lọt qua - Màng mạch: nằm củng mạc chứa nhiều mạch máu để ni dưỡng mắt có nhiều sắc tố đen giữ cho bên nhãn cầu buồng tối - Thuỷ dịch: chất dịch suốt có chiết suất gần chiết suất nước 1,336 - Mống mắt: (lịng đen, nâu xanh) có lỗ trịn nhỏ bán kính thay đổi ánh sáng lọt qua gọi - Thủy tinh thể: chất dịch suốt có chiết suất chiết suất thuỷ tinh, bán kính cong trước khoảng 10mm, bán kính cong sau khoảng 8mm Độ tụ thuỷ tinh thể thay đổi được, thuỷ tinh thể thấu kính hội tụ, đóng vai trị vật kính máy ảnh - Dịch thủy tinh: chất dịch suốt có chiết suất thuỷ tinh, đóng vai trị buồng ảnh máy ảnh - Võng mạc: chứa tế bào hình nón hình que có điểm vàng nhạy với ánh sáng, có vai trị hứng ảnh (Phim) máy ảnh Dưới điểm vàng điểm mù nhạy với ánh sáng - Mí mắt: đóng vai trị cửa sập máy ảnh Ta coi hệ quang học lưỡng chất cầu tổng hợp gọi mắt ước lược Mặt khúc xạ có bề lồi quay phía trước bán kính cong mm, đỉnh cách giác mạc 2mm, quang tâm cách giác mạc7mm, cách võng mạc15 mm, chiết suất 1,33; tiêu cự lưỡng chất tổng hợp khoảng 20mm f= R: Bán kính cong n.R n −1 (4.8) n: Chiết suất môi trường Giác 15 mm mạc mm O mm Hình 5.5 Đường thẳng qua đỉnh mặt cầu quang tâm gọi trục chính, mắt nhìn góc mở đứng 1300, ngang 1600 khơng gian gọi thị trường mắt ❖ Sự điều tiết mắt Các vật quan sát có kích thước, vị trí khác nhiều trường hợp chúng vật di động, mắt có kích thước khơng thay đổi Muốn nhìn rõ vật ảnh vật phải lên võng mạc Theo công thức tổng quát áp dụng lưỡng chất cầu: n2 n1 n2 − n1 =D − = s s r D hội tụ, Do s' không đổi, thay đổi độ tụ D phải thay đổi hình ảnh võng mạc Nhờ bao quanh mắt mà mắt điều chỉnh độ cong thủy tinh thể, tức thay đổi độ tụ nhãn cầu để nhìn rõ vật (hiện võng mạc), trình gọi điều tiết mắt Như khả mắt tự thay đổi độ tụ để nhìn rõ vật gần gọi khả điều tiết mắt ❖ Cận điểm viễn điểm Cận điểm: điểm gần mà mắt nhìn rõ vật điều tiết tối đa - Mắt bình thường có cận điểm cách 20cm Viễn điểm: điểm xa mà mắt khơng cần điều tiết nhìn rõ thật Mắt bình thường viễn điểm vơ cực ❖ Điểm tương ứng Tuy vật cho hai ảnh hai võng mạc ta thấy ảnh ảnh nằm điểm tương ứng điểm nằm võng mạc mà ta để chống hai võng mạc lên sau cho điểm trục ngang dọc nhãn cầu trùng điểm trùng hình ảnh điểmnày nơtron thần kinh dẫn truyền não ta thấy hình ảnh ❖ Cảm giác thấy (cảm giác chiều sâu) Khi nhìn vật ta biết chiều sâu vật, biết điểm đứng trước điểm đứng sau, hay nói cách khác ta hình dung kích thước chiều (kích thước nổi) vạt nhờ vào yếu tố sau: Nhờ thu nhận độ căng thể mi qua thụ quan thể (vật gần thể mi tăng) nhờ so sánh kích thước (vật gần ảnh to) Do mắt nhìn vào vật góc độ khác nên hai ảnh hai võng mạc tương ứng không khớp vào hồn tồn, chênh lệch thơng qua dây thần kinh thị giác cho ta cảm giác thấy vật ❖ Góc trơng Góc mắt nhìn vật gọi góc trơng kí hiệu , góc trơng phụ thuộc vào khoảng cách từ vật tới mắt kích thước vật Góc trơng nhỏ mà mắt nhìn rõ vật gọi suất phân ly min Hình 5.6 ❖ Thị lực Đại lượng nghịch đảo suất phân ly gọi thị lực mắt: T=  (4.9) Thị lực mắt phụ thuộc vào  Min (phút) biểu thị bảng sau: Bảng 4.3 Thị lực mắt min T 0,1’ 0,2’ 0,5’ 1’ 2’ 5’ 10’ 100/10 50/10 20/10 10/10 5/10 2/10 1/10 Thị lực xác định T = (4.10) 3394,28 d l: khoảng cách từ vật tới mắt d: kích thước vật Có hai phương pháp đánh giá thị lực mắt: - Cố định kích thước vật thay đổi khoảng cách vật mắt; - Cố định khoảng cách từ vật tới mắt thay đổi kích thước vật Khả phân ly mắt phụ thuộc vào trạng thái sinh lý, bệnh lý, tính chất tế bào thần kinh cảm thụ ánh sáng mắt Thực nghiệm cho thấy điều kiện bình thường min = 1’, chiếu ánh sáng có độ rọi nhỏ, lớn vào mắt kiểm tra thị lực nhiều vùng khác võng mạc kết thấy tế bào nón phân ly tốt tế bào que Sự cảm thụ ánh sáng ❖ Thị trường mắt Thị trường khoảng không gian bao gồm điểm mà mắt nhìn thấy nhìn cố định vào điểm trục Kiểm tra thị trường nhằm mục đích đánh giá chức tế bào gậy võng mạc đường dẫn truyền thần kinh thị giác từ mắt đến vỏ não ❖ Thị trường mắt Võng mạc chứa tế bào cảm thụ lát mặt nhãn cầu, có cảm thụ 10 cận xa mắt bình thường, tuổi 45-50 tuổi khoảng cách nhìn rõ khoảng 3050cm, tuổi 60 trở lên thuỷ tinh thể có bán kính cong lớn mắt bình thường nên khơng nhìn rõ vật xa cần đeo kính hội tụ có tiêu cự nhỏ Ở tuổi 45 thường đeo kính có độ tụ +1điôp vừa Cứ già thêm tuổi độ tụ kính bổ trợ tăng thêm 0,5 điơp Mắt già đeo kính có độ tụ tổng cộng khơng q 3,5 điơp Với mắt cận già bán kính cong tăng lên độ tụ giảm cận nhẹ Mắt viễn già nặng già nhanh 2.4 Loạn thị Mắt có độ tụ khơng theo phương mặt cầu khúc xạ mắt khơng phải hồn tồn hình cầu, ảnh lên võng mạc ảnh nhoè Trường hợp độ cong mặt cầu khúc xạ thay đổi theo phương mắt mắc chứng loạn thị khơng Trường hợp giác mạc có sẹo hậu chấn thương đau mắt hột Cách sửa dùng chất dẻo suốt có chiết suất thuỷ tinh thể gián vào giác mạc Trường hợp độ cong mặt cầu khúc xạ thay đổi theo phương mắt mắc chứng loạn thị phân chia làm hai loại: Loạn thị theo qui tắc chiếm 85% tổng số trường hợp loạn thị Mắt loạn thị theo qui tắc tương đương với hệ quang học gồm lưỡng chất cầu ghép với thấu kính hội tụ có trục nằm ngang tương đương với hệ quang học gồm lưỡng chất cầu ghép với thấu kính phân kỳ có trục thẳng đứng(H.5.10 a) X' X' l- ì ng chÊt cÇu l- ì ng chÊt cÇu O O X X (a) (b) Hình 5.10 Loạn thị khơng theo qui tắc chiếm khoảng 15% trường hợp loạn thị Nó tương đương với hệ quang học gồm lưỡng chất cầu thấu kính trụ hội tụ có trục thẳng đứng, tương đương với hệ quang học gồm lưỡng chất cầu ghép với thấu kính trụ phân kỳ có trục nằm ngang (H.5.10b) ❖ Cách sửa tật loạn thị: Cần phối hợp thấu kính cầu trụ thích hợp; Có thể phẫu thuật laser trường hợp loạn thị 1điốp đến điốp 20 B Các thiết bị quang học dùng Y sinh học I Kính hiển vi Kính hiển vi dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt làm tăng góc trơng ảnh vật quan sát vật nhỏ Hiện có nhiều loại kính hiển vi quang học để sử dụng nghiên cứu y sinh Tuỳ theo yêu cầu nghiên cứu, tính chất đặc điểm đối tượng nghiên cứu mà người ta chế tạo kính hiển vi trường sáng, kính hiển vi trường tối, kính hiển vi tử ngoại, kính hiển vi phân cực… Kính hiển vi quang học trường sáng Cấu tạo: O F F δ O 2 Hình 5.11 - Vật kính: thấu kính hội tụ tiêu cự ngắn, dùng để tạo ảnh ảo lớn vật - Thị kính: thấu kính hội tụ tiêu cự ngắn dùng kính lúp Vật kính thị kính đặt đồng trục với nhau, khoảng cách chúng không đổi gắn hai đầu ống kính hình trụ - Bộ phận tụ sáng: Tập trung ánh sáng thường gương cầu lõm hệ thống bóng điện Nguyên tắc tạo ảnh: Khi sử dụng kính hiển vi cần điều chỉnh kính cho ảnh vật nằm khoảng thấy rõ mắt Hình 5.12 21 Nguyên tắc chung dựng ảnh sử dụng định luật truyền thẳng ánh sáng Để mắt đỡ phải điều tiết cần điều chỉnh vị trí vật tới vật kính cho ảnh vật nằm vô cực O F O F2 F ' Hình 5.13 ❖ Độ bội giác kính hiển vi G = D f f (5.11) f1 tiêu cự vật kính f2 tiêu cự thị kính Đ khoảng thấy rõ ngắn mắt  độ dài quang học kính ❖ Độ tương phản Độ tương phản khác cường độ sáng ảnh vật môi trường xung quanh phần khác ảnh Độ tương phản lớn ảnh rõ nét Kính hiển vi tử ngoại Nguyên lý cấu tạo giống kính hiển vi trường sáng, khác điểm sau: - Soi tiêu ánh sáng tử ngoại(Đèn thuỷ ngân) - Các thấu kính làm thạch anh thạnh anh khơng hấp thụ tia tử ngoại - Có lọc để tạo chùm tia đơn sắc bao gồm lăng kính phân tích, khe lọc lăng kính phản xạ tồn phần Khi nghiên cứu kính hiển vi tử ngoại phải chụp phim ảnh kính ảnh (H5.11) Ưu điểm kính hiển vi tử ngoại tia tử ngoại có bước sóng ngắn làm tăng suất phân ly kính, đồng thời làm tăng độ tương phản ảnh thành phần cấu trúc tế bào Protein, acid Nuclic hấp thụ mạnh tia tử ngoại 22 Hình 5.14 Vai trị kính hiển vi điện tử sinh học y học Do có khả phân ly lớn nhiều lần so với loại kính hiển vi quang học nên kính hiển vi điện tử dùng để nghiên cứu đối tượng vi mô khơng mức tế bào mà cịn mức phân tử acid nucleic, acid amin, protein Nhờ kính hiển vi điện tử quan sát số đại phân tử cấu tạo nên tế bào collagen tổ chức liên kết, phân tử actin, myosin tế bào cơ, số vi rút mà kính hiển vi quang học khơng thấy Phương pháp nghiên cứu kính hiển vi điện tử kết hợp với tự chụp hình phóng xạ khảo sát mối liên quan cấu trúc chức số tế bào sống II Máy phát lượng tử ánh sáng - laser LASER từ viết tắt cụm từ tiếng Anh - Light Amplitication by Stimulated Emission of Radiation - có nghĩa khuyếch đại ánh sáng xạ cưỡng nguyên lý hoạt động Laser nhà vật lý Townes (Mỹ) Baso (Liên Xô) đề xuất năm 1953 chế tạo lần so với nhà vật lý Mỹ Meiman vào năm 1960 Để hiểu dễ dàng nguyên tắc hoạt động Laser cần biết số khái niệm sau ❖ Sự hấp thụ, xạ tự phát xạ cưỡng Theo quan niệm lượng tử ion hay phân tử tương tác với ánh sáng hay tương tác với xảy q trình sau: Nguyên tử trạng E1 hấp 23 thu lượng chuyển lên trạng thái kích thích có lượng E2 trình gọi hấp thụ Nguyên tử trạng thái kích thích E2 sau khoảng thời gian ngắn (10-8s) tự động chuyển trạng thái có lượng E1 thấp phát photon có lượng hf=(E2-E1), q trình gọi xạ tự phát Khi dịch chuyển tự phát, hạt xạ không đồng thời độc lập nhau, pha photon xạ không liên quan với Hơn hướng chuyển photon xạ phân cực (hướng vectơ điện trường sóng điện từ) mang đặc trưng ngẫu nhiên, cịn tần số dao động khoảng xác định hệ thức bất định Như xạ tự phát không định hướng, không phân cực không đơn sắc Ngun tử trạng thái kích thích có lượng E2 bị tác dụng xạ ngồi có lượng hf=(E2-E1) bị cưỡng trở vị trí có lượng E1 đồng thời phát photon có lượng hf=(E2-E1), q trình gọi phát xạ cưỡng hay phát xạ cảm ứng Như phát xạ cưỡng xảy có tác dụng trường điện từ ngồi Tần số, độ phân cực pha xạ cưỡng nguyên tử phát trùng với đặc trưng xạ tác dụng lên nguyên tử Vì xạ cưỡng xạ kết hợp đặc điểm xạ cưỡng làm sở cho nguyên tắc hoạt động Laser ❖ Sự hấp thụ âm Bây ta khảo sát đầy đủ tương tác xạ với chất Để đơn giản ta giả thuyết nguyên tử có trạng thái lượng E1 E2 gọi N1 N2 số nguyên tử đơn vị thể tích ứng với trạng thái N1 N2 gọi mật độ định sứ nguyên tử mức lượng E1 E2 N1=N0 e − E1 kT N2=N0 e − E kT Phép tính cho thấy hệ số hấp thụ k công thức tỷ lệ với hiệu (N1N2) N1> N2 k > I < I0, tức mơi trường hấp thụ ánh sáng qua Nếu N2> N1 k < 0, I > I0 tức môi trường khuếch đại ánh sáng qua nó, trường hợp ta có mơi trường có hệ số hấp thụ âm  N1-N2=N1 1 −  N2 N1  E − E2    =N1 1 − e  kT    Vì E2 > E1 ta thấy trạng thái cân nhiệt độ cóN1> N2 có nhiệt độ I → N2 N1 Do trạng thái cân nhiệt độ hệ có K > nghĩa môi trường khuếch đại ánh sáng qua phải cách làm cho số nguyên tử trạng thái kích thích 24 N2> số nguyên tử trạng thái N1 Mơi trường có phân bố ngun tử gọi mơi trường có mật độ định xử đảo lộn Trong kỹ thuật Laser người ta gọi môi trường có tính chất mơi trường hoạt tính Vậy mơi trường hoạt động khơng phải mơi trường lạ mà môi trường thông thường trạng thái đặc biệt Quá trình chuyển hệ lên trạng thái có mật độ định xứ đảo lộn gọi "bơm" Có bơm hệ phương pháp quang học điện trường Hay phương pháp khác bơm phương pháp phát quang học nguyên từ thụ xạ chuyển lên trạng thái kích thích va chạm đàn hồi nguyên tử với electron chất khí phóng điện Nguyên tắc hoạt động Laser Muốn chế tạo Laser cần phải thực yếu tố sau: Tạo mơi trường hoạt tính (là mơi trường có mật độ định xứ đảo): để tạo môi trường hoạt tính cần phải chọn chất kích hoạt phương pháp kích thích bao gồm: a Kích thích va chạm điện tử b Kích thích va chạm khơng đàn hồi nguyên tử c Kích thích phân ly phân tử d Kích thích dịng ánh sáng (bơm quang học) e Sự phun hạt tải điện qua lớp tiếp xúc p - n phương pháp khác Bơm quang học ứng dụng cho chất kích hoạt trạng thái rắn Các phương pháp kích thích lại (trừ phương pháp cuối e) thường áp dụng cho chất khí Tạo hệ cộng hưởng: Để đảm bảo trường điện từ Để đảm bảo từ điện trường có tương tác hiệu dụng với chất kích hoạt Thực mối liên hệ phản hồi dương định hướng, phải chọn lọc tia sáng nghĩa phải cho ánh sáng phát truyền truyền lại mơi trường hoạt tính gần song song Bộ cộng hưởng thường bao gồm hệ gương đặt song song có gương có độ phản xạ 100% gương cịn lại có độ phản xạ 70 - 99% Như photon bay theo quang trục gương sản sinh vô số photon cưỡng Các photon bay theo trục gương Như nhờ hệ cộng hưởng mà môi trường hoạt động tạo thái photon, thái photon bay đến gương nửa suốt phần phản xạ lại môi trường hoạt động phần cịn lại truyền qua gương ngồi tạo thành chùm tia laser, phần photon bị phản xạ lại môi trường hoạt động tăng lên 25 chúng tới đập vào gương phản xạ tồn phần, phần gương bị hấp thụ, phần cịn lại bị phản xạ trở lại bay theo phương chùm ban đầu làm nảy sinh photon trình tiếp tục lặp lại trước Như hệ cộng hưởng khơng có khả làm laser hoạt động mà làm cho ánh sáng laser phát có hướng xác định Hệ số phản xạ gương bên suốt chọn cách thích hợp để trì hoạt động laser Hệ số chọn cho khuyếch đại xạ cưỡng luôn lớn giá trị gọi ngưỡng phát 100% Nguồn bơm Tỉa Laser Tính chất Laser: Laser có tính chất đặc biệt sau: - Độ định hướng cao Nhờ hệ cộng hưởng có tính cách lọc lựa chùm sáng song song với quang trục chùm sáng sau thoát hệ cộng hưởng chùm song song có góc mở bé - Tính đơn sắc cao: chùm sáng có màu (hay bước sóng) Đây tính chất đặc biệt mà khơng nguồn sáng có - Tính đồng photon chùm tia LASER - Có khả phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung lượng tia LASER cực lớn thời gian cực ngắn Các loại Laser Người ta thường phân loại Laser theo tính chất mơi trường vật tính, theo Laser phân loại sau: Laser rắn, laser lỏng, laser khí a) Loại rắn Có mơi trường hoạt tính thể rắn, ví dụ: YAC, Laser Rubi, Laser thủy tinh: Nd, Laser bán dẫn GaA Laser rắn có đặc tính sau: Nồng độ ion hoạt hóa mơi trường rắn lớn (1017 - 1020 cm3) giá 26 trị tuyệt đối mật độ đảo lộn lớn mơi trường khí, hệ số khuyếch đại cao Chất rắn có tính chất đồng tính quang học lớn so với khí gây tán xạ hạ thấp độ phẩm chất hệ cộng hưởng, góc mở (góc phân kỳ) thường lớn loại laser khác Có chồng chất vạch xạ tự phát vạch dãy phố rộng tương tác hẹ chất rắn làm mức hạt có độ rộng lớn Phương pháp kích thích để tạo độ đảo lộn laser chủ yếu bơm quang học phần đông laser rắn (trừ laser bán dẫn) chất cách điện nên khơng thể dùng dịng điện b) Laser lỏng Laser lỏng có mơi trường đặc tính chất lỏng có đặc điểm sau: Bức xạ có phổ tần số hẹp Mơi trường hoạt tính làm lạnh đối lưu, điều cho phép tăng cách đáng kể lượng xạ xung Để rao màu cho laser cách sử dụng dung mơi có màu làm mơi trường vật chất c) Laser khí Laser khí loại laser có mơi trường đặc tính chất khí có đặc điểm sau: Mật độ đảo lộn thành lập mức kích thích nguyên tử ion hay phân tử cô lập Trong điều kiện tương tác hạt môi trường cực tiểu, mức lượng có độ rộng hẹp (10-7 - 10-6m) Tính chất cho phép nói trước rằng, có vơ số sơ đồ dịch chuyển mức lượng khí khác để thành lập mật độ đảo lộn Mơi trường khí có tính chất quang học đồng tính lớn Mật độ khí nhỏ, nên mát tán xạ nhiễu xạ cực tiểu Điều cho phép dùng khoảng cách hai gương phản xạ lớn Vì laser khí có chùm xạ định hướng cao độ đơn sắc lớn Laser khí có nhược điểm là: mật độ hạt nhỏ so với mật độ hạt thể rắn Vì khó nhận đủ lượng nguyên tử kích thích để xạ ánh sáng thể rắn Do laser khí có kích thước lớn Laser khí hêli nêon (He - Ne): có nhiều ứng dụng y học, ta khảo sát hoạt động laser để hiểu rõ thêm chế phát laser Bộ phận chủ yếu laser khí hêli nêon phóng điện chất khí thủy tinh thạch anh bên có gắn điện cực nối với nguồn điện đầu đóng kín phẳng, song song lệch với trục ống góc góc Browster, mơi trường mật độ đảo lộn thực với nguyên tử 27 Ne thành phần vật chất, khí He đóng vai trị tích lũy lượng truyền cho Ne Khi cho dòng điện chạy qua chất khí, He, Ne xảy q trình sau: Va chạm không Va chạm điện tử loại i điện tử nguyên tử He, Ne nguyên tử chuyển trạng thái lên trạng thái kích thích tích tụ mức WHe, WHe,WNe, WNe He + e → He*+ e + E2 Ne + e → Ne*+ e + E2 Va chạm không đàn hồi loại nguyên tử với ngun tử khí phụ Khi ngun tử kích thích khí phụ He truyền lượng kích thích cho ngun tử khí Ne Tất nhiên có q trình ngược lại, làm giảm mật độ WNe Hiệu dụng trình va chạm không đàn hồi loại phụ thuộc vào E2: WNe - WKe He* + Ne → He + Ne* + E Sự khuếch tán điện tử nguyên tử đến thành bình chứa khí Trong trường WNe mức siêu bền khả chuyển hạt từ mức WNe mức WNe khuếch tán đến thành bình Như vậy, nhờ qui định va chạm nói trên, ta đạt đảo lộn mật độ mức Ne mức Do có tăng cường phát sinh số vạch Neon Hiện laser He, Ne hoạt động cho xạ với bước sóng 0,6328m; 1,523m; 3,3913m số vạch khác Hiệu ứng sinh học tia laser lên thể - ứng dụng ❖ Hiệu ứng kích thích sinh học (quang sinh học) Q trình kích thích sinh học bao gồm loại phản ứng quang hóa q trình quang nhiệt động lực học Hiệu ứng làm tăng nhanh làm chậm 28 lại trình sinh học xảy tổ chức sống tùy theo loại trình, loại laser, liều chiếu v.v khác Như laser He - Ne có tác dụng làm tăng tốc độ phân chia tế bào, kích thích chuyển hóa, tăng tiêu thụ oxy Tác dụng laser lên thể sống chia làm hai loại: loại phản ứng nhanh hay trực tiếp tính giây phút chiếu laser, thí dụ kích thích q trình hơ hấp tế bào loại phản ứng chậm hay gián tiếp với thời gian theo giới tính giờ, ngày thí dụ gia tăng trình phân chia tế bào Hầu hết hiệu ứng kích thích sinh học laser tuân theo quy luật Arndt Schalz: "Kích thích nhỏ sinh phản ứng, kích thích lớn kiềm hãm phản ứng, kích thích lớn làm tê liệt phản ứng" Laser sử dụng hiệu ứng kích thích sinh học chủ yếu loại laser có lượng thấp, laser He-Ne với bước sóng 632,8m cơng suất từ 0,5mW - 100mW ❖ Hiệu ứng quang động tổ chức Dưới tác dụng xạ nhiệt laser đạt tới nhiệt độ làm biến chất động vốn protein mô Hiệu ứng phụ thuộc vào yếu tố: - Bước sóng ánh sáng sử dụng - Đường kính chùm tia hội tụ - Thời gian chiếu - Đặc điểm cấu trúc tổ chức Hiệu ứng quang dùng việc phá huỷ tổ chức bệnh lý, điều trị số bệnh mắt, tai, mũi, họng, dùng kết hợp với nội soi điều trị chảy máu dày Laser dùng hiệu ứng thường có công suất từ 0,5W/cm2 100W/cm2 thời gian chiếu từ 1/1000 giây Như laser Argon, Caser, NdYag ❖ Hiệu ứng bay tổ chức Khi laser có cơng suất lớn hội tụ lên tổ chức sinh học, nhiệt độ vùng chiếu lên đến 2000C, 3000C Các tổ chức sinh học bị đốt cháy bay Thông thường trường hợp vùng chiếu để lại vùng biên bị hoại tử to nhỏ khác Hiệu ứng bay tổ chức xảy mật độ công suất laser đạt giá trị khoảng từ 500W/cm2 - 105W/cm2, thời gian chiếu từ 1/1000s đến 1s 29 Hiệu ứng bay tổ chức ứng dụng nhiều phẫu thuật, sử dụng lưỡi dao laser có ưu điểm giảm không cần thuốc tê-mê, vô khuẩn đường rạch, cầm máu tốt, chấn thương đường rạch thấp v.v Laser sử dụng hiệu ứng tiêu biểu laser CO2 có bước sóng 10,6m Hiện có nhiều hiệu ứng laser kỹ thuật, đời sống hàng ngày Các ứng dụng khai thác chủ yếu tính suất cao mật độ dịng lượng lớn chùm tia: thơng tin bưu điện, in ấn, đĩa nhạc, băng đĩa dùng cho máy tính, kính hiển vi dùng nguồn sáng laser để quan sát phần nhỏ tế bào chùm sáng nhỏ Laser có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Trong công nghiệp dùng để hàn cắt kim loại kiểm tra chất lượng thành phẩm đo đạt khoảng cách Trong lãnh vực khoa học, kỹ thuật - laser cho phép liên lạc từ xa, chụp ảnh toàn ký quân dùng làm vũ khí dùng làm thiết bị mục tiêu Trong y học laser có nhiều ứng dụng: dùng giải phẫu điều trị chữa bệnh, châm cứu, kích thích sinh học y học laser thường sử dụng dạng sau: Laser liệu pháp: phương pháp điều trị laser pháo nhân vật lý thể, người ta thường sử dụng laser Ha, Ne Dao mổ laser dùng để thay dao mổ vi phẫu thuật, đạt độ xác cao, gây viêm nhiễm chảy máu Loại laser dao mổ thường dùng CO2 công suất nhỏ 100W Máy hàn (quang đông) laser: thường sử dụng laser YAG: Nd laserAr Laser thường ghép nối với kính hiển vi ống nội soi để hàn bong võng mạc mắt, cầm máu chảy máu quan nội tạng Trong vi phẫu thuật, phẫu thuật tim, não, mắt, người ta dùng dao mổ laser: chùm laser tập trung cao độ có tiết diện nhỏ mật độ dịng lượng lớn đốt cháy tế bào, cắt đứt mô đồng thời hàn kín mạch máu nhỏ (tương tự dao động nhiệt hiệu cao hơn); phẫu thuật mắt chùm laser qua thể suốt tới võng mạc hàn gắn võng mạc bị cong khỏi lớp màng mạch (bệnh bong võng mạc) Người ta quan tâm đến tác dụng kích thích dinh dưỡng vận mạch chùm laser công suất yếu, có nhiều nghiên cứu ứng dụng loại vào điều trị vết loét, ổ dò, chống đau châm cứu Gần cịn có ứng dụng laser nghiêm pháp điều trị quang động lực (photodynamic therapy) PDT tức chiếu chùm tia laser có bước sóng thích hợp vào mơ quan để kích thích (hoạt hóa) hóa chất đưa vào trước Khi hóa chất trở nên có tác dụng diệt bào kiềm hãm phát triển tế bào Người ta tập trung nghiên cứu 30 phương pháp điều trị quang động lực để chữa bệnh ung thư Trong nghiên cứu người ta ý tới phương pháp chụp ảnh toàn cảnh (hologram), nguyên lý phương pháp Trong trình chụp phim chùm laser tới gương phản xạ phần chia làm chùm: chùm xuyên qua gặp đối tượng chiều phản xạ gặp chùm phản xạ từ gương phim, tạo ảnh mẫu giao thoa ánh sáng Lúc quan sát ta chiếu chùm laser lên phim khai thác (hiện hình), người ta quan sát thấy ảnh ảo chiều kết ảnh tạo tượng giao thoa III Máy quang phổ Khái niệm Máy quang phổ (Spectrophotometer), máy quang sắc (colorimeter) thiết bị dùng để định tính định lượng chất dựa nguyên lý hấp thụ phát xạ ánh sáng Trong phạm vi ta xét máy quang phổ hấp thụ mà Máy quang phổ có thang chia bước sóng liên tục gắn với hệ thống tự vẽ phổ (trên hình giấy) điều giúp việc định hướng lẫn 31 định lượng xác Cịn máy quang đơn sắc đơn giản thang chia bước sóng rời rạc, độ đơn sắc khơng cao Đối với phép đo địi hỏi độ xác vừa phải, bước sóng nằm vùng khả kiến người ta dùng máy quang sắc máy gọn, nhẹ, dễ sử dụng giá thành thấp Cấu tạo nguyên tắc hoạt động Các máy quang phổ có thành phần là: - Nguồn sáng - Bộ phận tán sắc (tạo tia đơn sắc) - Bộ phận đo quang điện Nguồn sáng đèn chiếu sáng có dài sóng tương đối rộng tùy theo bước sóng phép đo mà người ta sử dụng loại nguồn khác Thí dụ người ta thường dùng đèn halogen cho vùng khả kiến, đèn thuỷ ngân, v.v cho vùng tử ngoại Bộ phận tán lăng kính cách sử dụng để tạo tia có bước sóng khác Đối với máy quang sắc phận thường kính lọc Bộ phận ghi đo quang điện có khả biến ánh sáng thành điện khuếch tán lên (nếu cần) dẫn qua đồng hồ kim số từ xác định nồng độ thơng qua biến đổi cường độ (được phản ánh biến đổi điện) dựa cở xác định hấp thụ ánh sáng 32 33 34 ... thích sinh học (quang sinh học) Quá trình kích thích sinh học bao gồm loại phản ứng quang hóa q trình quang nhiệt động lực học Hiệu ứng làm tăng nhanh làm chậm 28 lại trình sinh học xảy tổ chức sống... phát sinh số vạch Neon Hiện laser He, Ne hoạt động cho xạ với bước sóng 0 ,63 28m; 1,523m; 3,3913m số vạch khác Hiệu ứng sinh học tia laser lên thể - ứng dụng ❖ Hiệu ứng kích thích sinh học (quang... CO2 tạo O 2và Hydratcacbon CO2 + H2O + nhf → (CH2O) + O2 Tổng hợp glucose 6CO2 + 6H2O + hf → C6H12O6 + 6O2 Ở số loài vi sinh vật nguồn hydro nước mà chất khác ete, acid hữu cơ, vô hợp chất có chứa