Tải bản đầy đủ

phat xa hap thu anh sang + quang sinh

SỰ PHÁT QUANG VÀ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA VẬT CHẤT
Sự hấp thụ photon bởi phân tử
PHỔ HẤP THỤ và PHỔ PHÁT XẠ
Xem them về các mức năng lượng của phân tử, nguyên tử trong giáo
trình thực tập.
• Phân tử đang ở mức năng lượng cơ bản thấp nhất hấp thụ photon ánh
sáng năng lượng E = hf thì nhảy lên mức năng lượng kích thích cao
hơn.
• Phân tử từ mức năng lượng kích thích cao trở về mức năng lượng
thấp hơn và về mức cơ bản thì giải phóng năng lượng dưới dạng các
photon tức là phát xạ

HUỲNH QUANG
Huỳnh quang là sự phát xạ ánh sang vùng nhìn thấy bởi một chất ngay lập tức
sau khi hấp thụ ánh sáng hoặc các bức xạ điện từ (sau hấp thụ 10-9 đến 10-7


giây) . Trong hầu hết các trường hợp, ánh sáng phát ra có bước sóng lớn hơn
(tức năng lượng thấp hơn) so với bức xạ mà chất đó hấp thụ. Ví dụ nổi bật nhất
của huỳnh quang xảy ra khi bức xạ hấp thụ là thuộc vùng tử ngoại,


Hình trên là các loại đá khoáng phát huỳnh quang các màu khác nhau (các bước sóng khác
nhau khi được chiếu tia tử ngoại

LÂN QUANG
Là sự phát quang của vật chất trong bóng tối, tức là ngay cả khi không được
chiếu sáng


Lân quang có được là do tồn tại mức năng lượng cấm triplet của phân tử vật
chất, bước chuyển từ mức cơ bản lên các mức này gần như không thể. Các
mức triplet này còn là siêu bền do phân tử của vật chất có thể tồn tại ở mức
năng lượng đó rất lâu (theo thước đo của cơ học lượng tử). Trên hình là các
mức triplet T1, T2. Thời gian phân tử ở trên các mức năng lượng siêu bền này
trước khi về mức năng lượng cơ bản có thể từ 10 -4 s - 10 giây, đôi khi đến hàng
giờ và thậm chí hàng ngày. Kiến thức về lân quang sẽ cần đến khi học về Tác
dụng quang động lực
LASER
Ánh sáng thường
 Ánh sáng của các nguồn sáng thường:
 Không đơn sắc: có nhiều bước sóng do tương ứng với vô số các bước
chuyển mức năng lượng có thể của phân tử cấu thành môi trường phát
xạ (xem hình minh họa sự phát xạ ở trên)


 Các tia sáng không đồng pha: mỗi photon truyền đi có tính chất sóng
điện từ nghĩa là ngoài bước sóng còn được đặc trưng bởi pha (phase).
Hình dung theo thuyết các mức năng lượng như sau, các phân tử khác
nhau từ mức năng lượng kích thích nhảy xuống mức thấp hơn vào những
thời điểm khác nhau.
 Phương truyền không đồng nhất: các photon phát ra theo phương
ngẫu nhiên bất kì
 Từ những tính chất đó, sự tập trung năng lượng của chùm sáng không

Ánh sáng đặc biệt
 Chùm sáng đặc biệt (kì vọng thu được) ngược lại sẽ có những tính chất
 Độ đơn sắc cao, gần như đơn sắc
 Đồng pha
 Đồng hướng
 Mục đích thu được chùm sáng như thế để tập trung năng lượng vào
những điềm nhỏ à tạo ra những hiệu quả đốt nóng phá hủy đặc biệt

Đồng pha, đẳng hướng
vs
Loạn pha, loạn hướng

Nguyên lý phát LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - khuếch đại ánh sáng
bằng sự phát xạ được kích thích (hay là sự phát xạ cảm ứng)
 Để thu được LASER
Tập trung (giam) các các nguyên tử, phân tử bị kích thích của vật chất trên
một mức năng lượng. Mức năng lượng này phải là mức siêu bền để có thời
gian tập trung nhiều phân tử.
Sau đó kích thích cho tất cả các phân tử được tập trung trên mức siêu bền
nói trên đồng loạt nhảy xuống một mức khác thấp hơn


 Kết quả của quá trình trên là đồng thời thu được: 1) các photon có cùng
một bước sóng do có được từ một bước chuyển giữa 2 mức năng lượng
xác định. 2) các photon đồng pha do bước chuyển của các điện tử xảy ra
đồng thời

Để thu được LASER ta cần một số điều kiện bắt buộc
1 – Môi trường tạo LASER (trong hình vẽ là “active medium” : không phải môi
trường vật chất nào cũng có các mức năng lượng siêu bền. Qua quá trình tìm
kiếm và dự đoán dựa trên cơ sở khoa học mới tìm ra được các môi trường tạo
LASER. Hồng ngọc (ruby) là vật chất đầu tiên có khả năng phát LASER
2 – Bơm năng lượng (trong hình vẽ “energy pump”) cấp năng lượng để các
nguyên tử, phân tử nhảy lên mức kích thích, thường là dùng năng lượng điện


3 – Bộ quang cộng hưởng gồm các tấm gương phản xạ (toàn phần và một
phần) để khuếch đại và đồng thời thu được chùm LASER định hướng
SỰ ĐẢO NGƯỢC MẬT ĐỘ CƯ TRÚ
 Việc tập trung nhiều điện tử trên mức năng lượng siêu bền (thí dụ mức
E1 trên hình trên) để chờ là phi tự nhiên. Tức là: ở điều kiện bình thường
trong một khối vật chất nhỏ (vi phân dV) số nguyên tử (hoặc phân tử)
cùng lúc ở mức năng lượng cao E1 nhiều hơn số nguyên tử (hoặc phân
tử) nằm ở mức năng lượng thấp E0 là KHÔNG THỂ. Nguyên tử, phân tử
luôn có xu hướng lập tức chuyển về mức thấp nhất có thể. Công thức
thống kê cho ta biết trong điều kiện bình thường, nhiệt độ vật chất là T, tỷ
số giữa số lượng phân tử ở mức cao NE cao và số lượng phân tử ở mức
thấp NE thấp như sau
 NE cao / N E thấp = exp (-∆E/kT)
 Trạng thái NE cao >> N E thấp được gọi là sự đảo ngược mật độ cư trú, được
thực hiện trong kĩ thuật LASER bằng bơm năng lượng. Bơm năng lượng
“bơm đẩy” các nguyên tử (hoặc phân tử) ở mức năng lượng cơ bản (số
lượng vượt trội trong thể tích dV) lên mức năng lượng cao hơn và tiếp
theo tự chuyển về mức siêu bền
SỰ PHÁT XẠ CẢM ỨNG
 Chiếu vào môi trường laser ánh sáng kích thích có năng lượng photon
đúng bằng chênh lệch bước chuyển Esiêu bền về Ecơ bản à kích hoạt sự
nhảy đồng loạt các nguyên tử (hoặc phân tử) đang ở mức năng lượng
cao siêu bền xuống mức năng lượng cơ bản.
 Khi các phân tử nhảy đồng loạt xuống nhờ photon kích thích thì các
photon phát ra à đó là sự phát xạ cảm ứng (LASER).
 Phát xạ cảm ứng lại tiếp tục đóng vai trò photon kích thích các phân tử
khác từ mức siêu bền nhảy xuống. Ánh sáng kích thích chỉ phải chiếu vào
thời điểm đầu tiên để kích hoạt LASER
Về cơ bản bằng cách như trên ánh sáng LASER được tạo ra.
Tại sao chùm LASER có tính chất đốt nóng cao và tập trung vào diện tích
rất nhỏ?


 Là một chùm sáng đơn sắc và đồng pha, nhờ hiện tượng chồng chập các
sóng điện từ mà LASER có tính kết hợp (chỉ bổ sung cho nhau chứ không
triệt tiêu nhau) à sự tập trung năng lượng cao
 Ngoài ra do chùm tia LASER có tính đẳng hướng và có thểntạo ra một
chùm tia rất mảnhàsự tập trung năng lượng vào một diện tích rất nhỏà
mật độ năng lượng caoà khả năng đốt nóng chính xác những vị trí nhỏ
Ứng dụng tính chất đốt nóng cao và tập trung vào một điểm nhỏ trong y
khoa
 Trong kĩ thuật LAZIK : Đốt một phần giác mạc để chỉnh các tật quang hình
của mắt giúp bệnh nhân bỏ kính hỗ trợ(nguy hiểm, nhiều tác dụng phụ)
 Đốt các vị trí trên võng mạc để tạo ra các vết sẹo, ngăn sự chảy máu
võng mạc ử bệnh tiểu đường và sự bong võng mạc. Bản chất là quá trình
làm đông máu bằng nhiệt của tia laser


QUANG SINH HỌC . CẢM THỤ ÁNH SÁNG Ở MẮT
Quang sinh học (photobiology)




Ngành khoa học nghiên cứu sự tương tác của bức xạ không ion hóa với các cơ
thể sống.
Ranh giới giữa bức xạ ion hóa và không ion hóa thường được cho là 10 keV,
năng lượng đủ để ion hóa nguyên tử oxi
Lĩnh vực nghiên cứu bao gồm tất cả các hiện tượng sinh học có sự tham gia
của bức xạ không ion hóa mà trong đó bức xạ không ion hóa gây nên các biến
đổi quang hóa hoặc/và quang lý trong các hệ sinh học, cuối cùng dẫn đến các
hiệu ứng quang sinh

Phân loại bức xạ không ion hóa
 Bức xạ không ion hóa được chia thành 3 nhóm chính:


1. Ánh sáng nhìn thấy (λ: 400 – 800nm), có ý nghĩa cho sự nhìn và nhiều quá
trình quang sinh khác
2. Bức xạ hồng ngoại (IF) ( λ >800nm), con người không cảm thụ được bằng thị
giác, làm nóng vật chất hấp thụ nó
3. Bức xạ tử ngoại (UV), (λ <400nm), con người không cảm thụ được bằng thị
giác, điều khiển một số phản ứng quang sinh và nhiều phản ứng quang hóa
quan trọng.
Bức xạ UV chia thành 4 vùng: (UV chân không) (100 – 200 nm), UV-C (200 –
280 nm), UV-B (280 – 315 nm) and UV-A (315 – 400 nm). Ta chỉ quan tâm UV
A, B và C
 toàn bộ UVC và một phần UVB bị hấp thụ bởi lớp ozone. Do đó phần chính của
bức xạ UV chúng ta bị chiếu là UVA và một lượng nhỏ UVB
 Bước sóng ngắn nhất của bức xạ mặt trời đến tới bề mặt trái đất khoảng
295nm. Nếu lớp ozon bị mỏng đi, bức xạ UV bước sóng ngắn sẽ đến trái đất
nhiều hơn và gây nên các tác dụng có hại nghiêm trọng lên con người, động
thực vật và các cơ thể sống khác.

Các quá trình quang sinh


Quá trình quang sinh là quá trình (chuỗi phản ứng) bắt đầu từ sự hấp thụ
photon bởi các chất hấp thụ ánh sáng đặc thù và kết thúc bằng các hiệu
ứng sinh học trong các mô hoặc cơ thể sinh vật.

Các giai đoạn của một quá trình quang sinh
1. Các phân tử chất đặc thù của quá trình quang sinh hấp thụ photon à hoặc chuyển
lên trạng thái kích thích hoặc biến đổi hình thái
2. Sự biến đổi này kích hoạt một chuỗi các phản ứng hóa học KHÔNG có sự tham
gia của ánh sáng và chất đặc thù nói trên (còn gọi là các phản ứng tối).
3. Kết quả của các phản ứng hóa học này là các hiệu ứng sinh học

Phổ tác dụng



Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc về lượng của hiệu ứng sinh học do ánh
sáng gây nên vào bước sóng của ánh sáng chiếu trong cùng điều kiện chiếu và
năng lượng bức xạ chiếu bị hấp thụ như nhau gọi là phổ tác dụng.
Thí dụ:

sự phụ thuộc số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt vào bước sóng bức xạ UV
chiếu

Sự phụ thuộc lượng sản phẩm quá trình quang hợp (oxi, ...) vào bước
sóng chiếu

Ý nghĩa của phổ tác dụng
So sánh phổ tác dụng với phổ hấp thụ của các phân tử thành phần trong đối tượng
khảo sát
• Nếu có loại phân tử mà phổ hấp thụ khá giống phổ tác dụng và các bước sóng
hấp thụ cực đại rất gần bước sóng tác dụng cực đại, ta có thể xác định được phân
tử đó đã đóng vai trò chủ yếu trong quá trình quang sinh khảo sát.


• Dựa vào phổ tác dụng và các bước sóng tác dụng cực đại ta còn xác định được
các phân tử loại khác có tham gia nhưng vai trò yếu hơn hoặc không tham gia
hoàn toàn

Tác dụng quang động lực (TDQĐL)
Khái niệm
Cơ chế TDQĐL
• Điều kiện cần thiết gây ra TDQĐL: Sự kết hợp chất hoạt hóa + ánh sáng +
O2. Chất hoạt hóa chính là yếu tố kích hoạt TDQĐL nên còn gọi là chất gây
nhạy sáng (photosensitizer – viết tắt PS) . Chất hoạt hoá phải có khả năng
lân quang
• Phân tử chất PS hấp thụ photon à nhảy lên trạng thái singlet kích thích à
xuống triplet tương đối bền.
• Phân tử PS từ triplet à trạng thái cơ bản, ∆E giải phóng ra KHÔNG biến
thành photon (lân quang) mà chuyển cho O2
1. O2 nhận ∆E hoặc nhảy lên trạng thái kích thích singlet
2. hoặc tham gia tạo các chất ROS (Reactive Oxygen Species) có khả năng oxi
hóa rất mạnh
• O2 singlet kích thích hoặc ROS sẽ oxi hóa (tức là phá hủy) các protein, ADN,
các enzyme,... à chức năng, mật mã thông tin của tế bào bị phá hủy
• Vì cơ chế trên mà phổ tác dụng của TDQĐL khá trùng với phổ hấp thụ của
chất hoạt hóa (đã được thực nghiệm chứng minh).
• TDQĐL là một quá trình quang sinh, các phân tử chất nền thực chất không
hấp thụ trực tiếp năng lượng từ bức xạ mà lại bị tổn thương.

Đọc thêm :




Ứng dụng tác dụng quang động lực để tiêu diệt một số tổ chức u lành và ác
tính. Tiêm chất gây nhạy sáng vào tổ chức u, chiếu ánh sáng có bước sóng
thích hợp của chất hoạt hóa đó vào khối u, khối u sẽ bị phá hủy bởi các chất oxi
hóa mạnh theo cơ chế trên. Ánh sáng dùng thường là ánh sáng hồng ngoại do
khả năng xuyên sâu hơn ánh sáng vùng nhìn thấy



Có một căn bệnh di truyền rất quái ác là PHOPHYRIA. Người bệnh bị hiện
tượng các sắc tố pophyrins tích kuyx trong da, xương và răng. Đây là chất gây
nhạy sáng, trong bóng tối người bệnh không sao nhưng ra ngoài nắng thì do
TDQĐL các chất oxi hóa cắn xé họ. Những người này vì thế sợ ánh sáng.
Ngoài ra họ còn bị thiếu máu nữa và phải truyền máu. Có lẽ cũng vì những
người bệnh này mà những câu chuyện thêu dệt về MA CÀ RỒNG xuất hiện, đó
là những kẻ hút máu, sợ ánh sáng, sợ tỏi. Thực ra một số chất trong tỏi có thể
làm trầm trọng thêm TDQĐL ở những người bệnh.
Nhưng cũng nhờ tìm cách chống bệnh này mà y học đã lợi dụng được chất
poryphin để dùng trong trị liệu = TDQĐL để chữa một số bệnh ngoài da và ung
thư



Tác dụng có hại của tia tử ngoại lên tế bào






UV có khả năng biến đổi ADN của các tế bào sống
Trong ánh nắng mặt trời hầu như chỉ có UVA và UVB. Cả UVA và UVB đều gây
nên các tổn thương, biến tính hoặc làm đứt gẫy ADN.
UVA xuyên sâu hơn UVB. UVA vào được lớp giữa của da (the dermis) , UVB vào
được đến lớp ngoài của da (the epidermis)
UVB nguy hiểm hơn và dễ gây ung thư da hơn UVA
Hiện tượng bắt nắng đen da là cách mà cơ thể bảo vệ bản thân khỏi tác động có
hại của UV. Bằng cách tăng lượng sắc tố nâu melanin trong da, các sắc tố đó sẽ
hấp thụ phần lớn UV chứ không phải ADN do đó bảo vệ ADN. Các sắc tố melanin
đó hấp thụ và biến năng lượng UV thành nhiệt, bản thân thì không bị phá hủy, do
đó có tác dụng « hứng đạn » cho ADN





UVC là vùng nguy hiểm nhất à ứng dụng để tiệt trùng
Từ phổ tác dụng tiệt trùng bằng tia UV ta thấy bước sóng 264 nm (thuộc UVC) là
bước sóng có tính chất tiệt trùng mạnh nhất, đây cũng là bước sóng hấp thụ cực
đại của ADN. Điều đó nói lên rằng nguồn gốc hiệu ứng phá hủy biến tính tế bào là
do chính ADN bị tổn thương trực tiếp bởi UV.

Tác dụng có lợi của UV – phản ứng quang tổng hợp vitamin D
Vitamin D3 được tổng hợp quang hóa trong da từ 7-dehydrocholesterol
7-dehydrocholesterol được tạo ra với số lượng lớn trong da các động vật có
xương sống, gồm cả người
• Chất béo này tác dụng với UVB ở bước sóng giữa 270 and 300 nm tạo thành
vitamin D, cực đại tổng hợp tại 295 - 297 nm
Đọc thêm :
Mèo phơi nắng và chất béo trên lông của nó biến thành vitamin D, nó liếm lông cũng
là liếm lấy vitamin D
Nếu chất dầu trên và trong da của chúng ta không có thì ánh nắng cũng không có
nguyên liệu để tổng hợp vitamin D. Xà phòng quá nhiều làm mất chất dầu của
da, phải chăng vì thế mà người Việt nam vẫn thiếu vitamin D mặc dù nhiều nắng?





Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×