ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОБИОЛОГИИ Радиочувствительность чувствительность биологических объектов к

ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОБИОЛОГИИ Радиочувствительность — чувствительность биологических объектов к повреждающему воздействию ионизирующего излучения. Количественная оценка радиочувствительности производится путем измерения дозы ионизирующего излучения, вызывающей определенный эффект. Естественный радиационный фон - доза излучения, создаваемая космическими лучами и излучением природных радионуклидов, естественно распределенных в земле, воде, воздухе, других элементах биосферы, пищевых продуктах и организме человека Безопасным считается уровень радиации до 50 мк. Р/час Радиационные поражения могут быть: - соматическими, если радиационный эффект облучения проявляется у самого облученного лица; - генетическими - у его потомства. Наиболее опасны для организма нарушения в системе кроветворных органов и прежде всего в костном мозге. При этом в крови резко уменьшается количество лейкоцитов, тромбоцитов и эритроцитов.

В радиобиологии для сравнительной оценки радиочувствительности организмов используют понятие полулетальной дозы Это доза облучения, от которой в течение 30 суток погибает 50% особей, подвергшихся однократному облучению Вид живых организмов , зиверт человек 3 собака 3, 5 курица 6 лягушка 7 воробей 8 черепаха 15 улитка 100 дрозофила 600 Сине-зелёная водоросль 1000

Под действием ионизирующих излучений происходит химические превращения вещества – радиолиз. Радиолиз воды Образование радикалов органических молекул Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся клетки.

Биофизические основы действия ионизирующего излучения Процесс взаимодействия излучения с клетками можно разделить на четыре последовательных этапа или стадии 1. Физическая стадия- ионизация и возбуждение молекул биологической системы 2. Физико-химическая стадия- появление высокоактивных радикалов 3. Химическая стадия-Образование первичных повреждений ДНК из-за взаимодействия со свободными радикалами 4. Биологическая стадия-гибель клеток при изменении их свойств в результате мутаций.

Общие закономерности биологической стадии o Большие нарушения при малой поглощенной энергии. o Действия на последующие поколения через наследственный аппарат клетки. o Разные виды клеток обладают различной чувствительностью к излучению. o В первую очередь повреждаются делящиеся клетки, что особенно опасно для детского организма. o Характерен скрытый, латентный период.

Реакция организма человека на интенсивное, длительностью до нескольких минут, общее, однократное облучение, при дозе радиации больше 1 Гр/мин Степень лучевой болезни Лёгкая Эквива. Первичная лентная реакция доза, зиверт 1 - 2 Средняя 1, 5 - 3, 0 Тяжелая 3 - 6 Крайне тяжелая свыше 6 - 7 Скрытый период Исход болезни Слабость, головная Продолжительболь, тошнота, рвота ность 3 -5 недель. Выздоровление через 1 -2 месяца Эмоциональное возбуждение, переходящее в депрессию Выздоровление через 2 -3 месяца Осложнения могут привести к смертельному исходу Продолжительность 2 -3 недели Резкая слабость, Продолжительжажда, расстройство ность до 10 суток желудка, повышение температуры Выздоровление возможно при своевременном лечении через 510 месяцев Затемнение сознания, понос, высокая температура Смерть через 510 суток

ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ДЕТЕКТОР – устройство, регистрирующее ионизирующее излучение. ДЕТЕКТОР Действие детекторов основано на тех процессах, которые вызывают регистрируемые излучения в веществе. ТРЕКОВЫЕ или СЛЕДОВЫЕ позволяют наблюдать траекторию частицы. • камера Вильсона • пузырьковая камера • искровая камера • толстослойные фотоэмульсии

СЧЕТЧИКИ регистрируют появление частицы в заданном пространстве. • газоразрядные • сцинтилляционные • полупроводниковые ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ дают информацию об энергии или потоке ионизирующего излучения. • ионизационная камера непрерывного действия • фотоэмульсии

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В МЕДИЦИНЕ Методы радио диагностики основаны на введении в организм радио-фармацевтических препаратов (РФП) - химических соединений, содержащих в своей молекуле радиоактивный нуклид. Исследования проводят для исследования функции органа и получения изображения органа N – число гамма-квантов, регистрируемых за 1 секунду

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В МЕДИЦИНЕ АВТОРАДИОГРАФИЯ Метод радионуклидного исследования внутренних органов, основанный на визуализации распределения введенного в организм радиофармацевтического препарата (РФП). 35 Для визуализации распределения на исследуемый объект накладывают фотоэмульсию. S 32 Р

Позитронно-эмиссионная томография Позитронная эмиссионная томография ( ПЭТ), она же двухфотонная эмиссионная томография — метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами. Позитроны возникают при позитронном распаде радионуклида, входящего в состав радио-фармпрепарата (РФП), который вводится в организм перед исследованием. На сегодняшний день в ПЭТ в основном применяются позитрон-излучающие изотопы элементов второго периода периодической системы: • Углерод-11 (T½= 20, 4 мин. ) • Азот-13 (T½=9, 96 мин. ) • Кислород-15 (T½=2, 03 мин. ) • Фтор-18 (T½=109, 8 мин. ) Изображение, построенное по методу проекций максимальной интенсивности—Maximum intensity projection (MIP) исследования ПЭТ

ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ (ПЭТ) – АННИГИЛЯЦИЯ ПАРЫ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОН Преимущества ПЭТ перед другими диагностическими методами: • Высокая диагностическая точность • Одно исследование заменяет собой несколько различных видов диагностики • Отсутствие болевых или неприятных ощущений и вредных побочных явлений • Возможность охватить все органы в одном исследовании • Диагностика заболеваний на ранних стадиях • Исключение неэффективных или необязательных оперативных или медикаментозных методов лечения • Позитронно-эмиссионная томография практически безвредна

Тема: Взаимодействие света с веществом: поглощение и рассеяние

При прохождении света через вещество интенсивность сета может ослабляться в результате поглощения и рассеяния I 0 раствор I фотоэлемент Поглощение монохроматический свет I 0 I суспензия Светорассеяние фотоэлемент

I. Поглощение света Поглощением света называют уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через вещество, вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

Интенсивность света – интегральная характеристика (суммарная энергия фотонов в световом пучке): Ф –поток излучения (Вт) S – площадь, на которую падает излучение (

Закон поглощения света Бугера Основной закон, описывающий поглощение света, связывает интенсивности I света, прошедшего слой среды толщиной l, и исходного светового потока I 0. Не зависящий от I, I 0 и l коэффициент называется натуральным показателем поглощения (в спектроскопии — коэффициентом поглощения). Этот закон установил на опыте в 1729 П. Бугер. В 1760 И. Ламберт вывел его теоретически из простых предположений, что при прохождении слоя вещества интенсивность светового потока уменьшается на долю, которая зависит только от показателя поглощения и толщины слоя Физический смысл закона состоит в том, что показатель поглощения не зависит от I и l (это было проверено С. И. Вавиловым экспериментально с изменением I ~в 1020 раз).

Закон ослабления монохроматического света слоем вещества I I 0 l I I 0/e l=1/k l численно равен величине, обратной толщине слоя вещества, при прохождении через который интенсивность света ослабляется в е раз (приблизительно в 2, 7 раза)

Закон Бугера-Ламберта-Бера Описывает ослабление интенсивности света растворами Поскольку поглощение света связано со взаимодействием фотонов с атомами (молекулами) вещества, необходимо отразить в законе Бугера характеристики молекул. Введем допущения: § Рассеяние света не имеет места, ослабление интенсивности происходит только за счет поглощения света; § Концентрация поглощающих свет частиц мала; § Молекулы растворителя не поглощают свет

I- интенсивность прошедшего через образец света I 0 - интенсивность падающего на образец света n- количество 3 поглощающих свет молекул в единице объема, 1/см s - эффективное сечение поглощения (площадь в молекуле, при попадании в которую происходит поглощение фотона молекулой), см 2

Иллюстрация понятия s - эффективного сечения поглощения молекулы – некоторая площадь, при попадании фотона в которую происходит захват его молекулой. hν s 24

Поскольку поглощение света связано со взаимодействием фотонов с молекулами вещества, необходимо связать закон Бугера с характеристиками молекул: Используют чаще молярные концентрации: Пусть n – число частиц, поглощающих фотоны, в единице объема, - число Авогадро. Тогда Натуральный молярный показатель поглощения : c Физический смысл натурального молярного показателя поглощения заключается в том, что он равен суммарному эффективному сечению поглощения всех молекул одного моля вещества

Закон Бугера-Ламберта-Бера В лабораторной практике закон Бугера-Ламберта-Бера обычно выражают через показательную функцию с основанием 10: Молярный монохроматический показатель поглощения : , л/(моль см)

Коэффициент пропускания : 0≤T≤ 1

Коэффициент поглощения (K) Доля поглощённого света оценивается коэффициентом поглощения K: K = Iп/I 0 = (I 0 – I)/I 0, где I 0 - интенсивность падающего света, I - интенсивность прошедшего света, Iп = I 0 – I - интенсивность поглощенного света. Коэффициент поглощения связан с коэффициентом пропускания: К = 1 -Т Очевидно, что Т = 10 -ε Сl и К = (1 -Т) нелинейно зависят от концентрации вещества С, поглощающего свет (зависимость экспоненциальная) λ 28

Зависимость коэффициента пропускания Τ или коэффициента поглощения (1 – Т) от концентрации вещества в растворе (с) или толщины слоя раствора (l) носит нелинейный характер 29

Наряду с коэффициентом пропускания и поглощения вводят величину, называемую оптической плотностью, которая характеризует способность вещества поглощать свет и при этом линейно зависит от концентрации вещества, поглощающего свет (хромофора) в растворе. 30

Оптическая плотность: В англоязычной литературе оптическую плотность называют поглощательной способностью вещества (используют термин absorbance и обозначают A)

Условия выполнения Закона Бугера-Ламберта-Бера: - Использование монохроматического света - Равномерное распределение молекул вещества в растворе - При изменении концентрации вещества характер взаимодействия растворенных молекул не меняется - При измерении не происходят химические превращения молекул под действием света - Низкая интенсивность падающего на образец света

II. Рассеяние света Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям. Это когерентный процесс. При рассеянии не изменяется длина волны света (λ) и фаза волны. Рассеяние возникает на оптических неоднородностях среды. 33

Ослабление интенсивности света в результате рассеяния: I I 0 l I m - натуральный показатель рассеяния, зависит от длины волны света I 0 - интенсивность падающего на образец света I- интенсивность прошедшего через образец света l

Виды рассеяния света: а) Явление средах (рассеяние) Тиндаля - рассеяние в мутных Мутной называют среду с явно выраженными оптическими неоднородностями Неоднородности – мелкие инородные частицы в однородном веществе Примеры мутных сред: – дым (мельчайшие твердые частицы в газе) – туман (капли жидкости в воздухе, газе) – суспензия клеток – эмульсия (дисперсная система, состоящая из нерастворяющихся друг в друге жидкостей )

Явление (рассеяние) Тиндаля

б) молекулярное рассеяние – возникает в чистом веществе из-за отклонения молекул от равновесного распределения (флуктуации плотности) Пример: – рассеяние света в атмосфере (при отсутствии тумана или дыма)

Интенсивность рассеянного света ( Iрас ) зависит от длины световой волны ( l ) и размера ( ) оптических неоднородностей: х Интенсивность рассеянного света ( Iрас ) обратно пропорциональна длине волны ( l ) в степени n:

При молекулярном рассеянии или при рассеянии в мутных средах с неоднородностями, размеры которых х < 0, 2 l , выполняется Закон Рэлея: Интенсивность рассеянного света ( Iрас ) обратно пропорциональна длине волны ( l ) в четвертой степени (n=4) Такое рассеяние называют рассеянием Рэлея

Рассеяние Рэлея Синий свет: Красный свет: Голубой цвет неба днем Красный цвет неба на закате

Если размер оптических неоднородностей х то показатель степени >>l, В этом случае интенсивность рассеянного света практически не зависит от длины волны Iрас Спектр рассеяния зависимость интенсивности Тиндаля рассеянного света (Iрас) от длины (l) волны: Рэлея

Применения явления рассеяния I I 0 Iр Нефелометрия - Турбидиметрия Метод анализа растворов, мутных сред, основанный на изменении интенсивности прошедшего сквозь него света Измерение рассеянного света в коллоидных растворах для определения размеров частиц, макромолекул)

Поглощение света I I 0 l ослабление света: Рассеяние света I 0 l I ослабление света: k - показатель рассеяния Поглощение + рассеяние света

III. Спектры поглощения атомов и молекул Спектр поглощения – это зависимость оптической плотности D (или коэффициента поглощения К ) от длины волны света

Спектры поглощения атомов - линейчатые 1 2 3 4 1 – солнечный 2 – натрия 3 – водорода 4 – гелия

Молекулярные спектры - сплошные ДНК белок

В молекулах существует большое разнообразие энергетических уровней, чем в атомах, т. к. кроме движения электронов относительно ядер происходит колебательное движение ядер вместе с электронами и вращательное движение молекулы в целом Колебательные и вращательные движения молекул

В молекулах три типа энергетических уровней : электронные, колебательные, вращательные Энергия Евращ Еэл 2 Екол 1 Еэл 1 Еэл >> Екол >> Евращ Полная энергия в молекуле: Е = Еэл + Екол + Евращ принимают дискретные значения (квантуются)

В сложных многоатомных органических молекулах спектры поглощения зависят от количества сопряженных двойных связей s- электроны -образуют одинарную связь между атомами углерода (сигма- связь)

p- электроны -образуют молекулярную p-орбиталь

оптическая плотность (D) Молекулярные спектры Чем больше в молекулах сопряженных двойных связей, тем большую длину волны имеет максимум в спектре поглощения длина волны (l, нм)

Применение явления поглощения и рассеяния света в медицине Спектрофотометрический анализ – анализ растворов окрашенных веществ качественный: идентификация веществ по характерному максимуму в спектре поглощения , по соотношению максимумов поглощения количественный: Определение концентрации веществ по закону Бугера-Ламберта Бера

Концентрационная колориметрия метод определения концентрации окрашенных веществ. Измеряются потоки падающего и прошедшего через раствор монохроматического света, определяется оптическая плотность (D) раствора и на основании связи D = ε. C. l определяется концентрация раствора C. . Метод основан на использовании закона Бугера —Ламберта—Бера. 53

БЛОК-СХЕМА ПРОСТЕЙШЕГО КОЛОРИМЕТРА 2 1 4 3 5 D=f(C) С, Т=f(C) 1 - источник света, 2 - фильтр, 3 – кювета с окрашенным образцом, 4 – линза, 5 – шкала прибора

Колориметр 55

МЕТОД КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ КОЛОРИМЕТРИИ ДОСТОИНСТВА НЕДОСТАТКИ Доступность аппаратуры Метод не учитывает эффектов рассеяния света частицами вещества Точные результаты получают только для разбавленных растворов Исследование не Сложность анализа сопровождается разрушением многокомпонентных систем препаратов (неинвазивность) тщательной Высокая Необходимость очистки от примесей, искажающих воспроизводимость результат измерений Относительные результаты остаются неизменными при разных длинах волне

Метод нефелометрии Метод химического количественного анализа, основанный на измерении интенсивности рассеянного света. Первоначально применялся для анализа некоторых естественно мутных объектов (например, речной воды). Позже для определения концентрации растворённых веществ стали использоваться искусственные суспензии, например, для определения сульфатов в воде получают суспензию Ba. SO 4, интенсивность светорассеяния которой измеряют в нефелометре, а затем по калибровочному графику находят концентрацию ионов SO 2 -4. Метод применяется для определения нефтепродуктов в воде, при анализе фармацевтических, пищевых продуктов. Нефелометрический анализ пригоден для определения веществ в области концентраций 10 -5— 10 -4 % с точностью около ± 5%. Используют специальные приборы - нефелометры. Возможно использовать для этой цели специальные приспособления в фотоэлектрических колориметрах.