www.biophys.dote.hu felhasználónév: hallgatok jelszó: geta5
Mi a Biofizika? 1. Fizikai módszerek alkalmazása biológiai rendszerek kutatására Pl. Rtg. diffrakciós kísérletek makromolekulák szerkezetének meghatározására 2. Kizárólag a biológiai rendszerekre érvényes fizikai elvek felfedezése Pl. Elektromos áramvezetés szabályozása ioncsatornák segítségével
A fizika lényeges szerepet játszik az orvosi diagnosztikai és terápiás módszerek fejlıdésében Diagnosztika: Pl. Képalkotó Módszerek a. 1895. W. C. Röntgen
Nagyon elterjedt! Erısen limitált diagnosztikai képesség (síkbeli vetület), ionizáló sugárzás, károsító hatás
b. ~1970. Computer Tomográfia (CT) Elektronikus digitális számítógépek fejlıdésével vált lehetıvé! Nagy térbeli felbontás, ionizáló sugárzás miatt károsító hatás, széleskörő diagnosztikai alkalmazhatóság
c. ~1980. Magmágneses Rezonancia Képalkotás (MRI) Elektronikus digitális számítógépek fejlıdésével vált lehetıvé!
3D kép, nincs ismert károsító hatás! Tumor mőtéti eltávolítása MRI alatt
A fizika szerepe a terápiás módszerek fejlıdésében Terápia: Pl.: a. Daganat roncsolás kobalt ágyúval
b. Szemmőtét lézer segítségével
A fizika szerepe az életminıség javításában Bioelektronika: törekvések az érzékszervek “pótlására” a. Hallás: cochlea implantátum
b. Látás: elektronikus eszközökhöz kapcsolt idegsejt hálózat
Elektromágneses sugárzás, a fény kettıs természete I.
A fény természete: terjedési sebesség vákuumban: c = 3 x 108 m/s más közegben: v = c/n, (λ= c/f) ahol n a közeg törésmutatója
XIX. szd. vége: elektromágneses hullám c-vel terjedı tranzverzális hullám, amelynek két komponense van, E és B (polarizálhatóság!) XX. szd. eleje: részecske (foton) E = hf, ahol h = Planck állandó = 6.63 x 10-34 Js
Interferencia, elhajlás: a fény hullám természete
λ=c/f
Fényelektromos jelenség: a fény részecske természete UV fény
elektronok
fémlemez
A kilépő elektronok száma arányos az UV fény intenzitásával, és az elektronok a megvilágítást követő 10-8 s-on belül kilépnek
A fény részecskék, fotonok formájában „üti ki” az elektronokat. A fotonok energiája : E = hf, ahol h = 6.63 x 10-34 Js, a Planck állandó A fotonok relativisztikus tömege: m = E / c2 = hf / c2 A fotonok impulzusa (lendülete): p = mc = hf / c = h / λ
Anyaghullámok 1924 de Broglie: elemi részecskékre is igaz a hullámszerű viselkedés! m tömegű és v sebességű részecske λ = h / mv hullámhosszú hullámként viselkedik
λ = h / mv
m, v
= pl. az elektronmikroszkópban nagy sebességű elektronokkal kisebb hullámhosszt, így jobb feloldóképességet lehet elérni, mint a fénymikroszkóppal
Milyen összefüggés van a frekvencia és a hullámhossz illetve a frekvencia és az energia között EM hullámok esetén? Soroljuk fel az elektromágneses spektrumot alkotó EM hullámok fajtáit csökkenő hullámhossz szerint. Melyek ezek közül ionizáló sugárzások?
Az elektromágneses spektrum: Elnevezés Rádióhullám
Hullámhossz Frekvencia < 10 km > 30 kHz
Hosszúhullám (LW) Középhullám (MW) Rövidhullám (KW) Ultrarövid hullám (URH) Deciméteres hullám Centiméteres hullám Milliméteres hullám Mikrohullám
< 10 km < 650 m < 180 m < 10 m 10 cm - 1 m 1 cm - 10 cm 1 mm - 1 cm 300 µm - 30 cm
> 30 kHz > 650 kHz > 1,7 MHz > 30 MHz 300 MHz- 3 GHz 3 - 30 GHz 30 - 300 GHz 1 GHz - 1 THz
Infravörös sugárzás (Hősugárzás) Távoli infravörös Közepes infravörös Közeli infravörös
< 1,0 mm < 1,0 mm < 50 µm < 2,5µm
> 300 GHz > 300 GHz > 6,00 THz > 120 THz
Fény Vörös Narancs Sárga Zöld Kék Ibolya Ultraibolya sugárzás (UV) Lágy UV-sugárzás Kemény UV-sugárzás röntgensugárzás Gamma-sugárzás
< 780 nm 640 - 780 nm 600 - 640 nm 570 - 600 nm 490 - 570 nm 430 - 490 nm 380 - 430 nm < 380 nm < 380 nm < 200 nm < 1 nm < 10 pm
> 384 THz 384 - 468 THz 468 - 500 THz 500 - 526 THz 526 - 612 THz 612 - 697 THz 697 - 789 THz > 789 THz > 789 THz > 1,5 PHz > 300 PHz > 30 EHz
Műszaki felhasználás
Foton-energia > 2,0 · 10-29 J -28
J
-27
J
-26
J
-25
J
-24
J
-23
J
-25
J
> 4,3 · 10 > 1,1 · 10 > 2,0 · 10 > 2,0 · 10 > 2,0 · 10 > 2,0 · 10 > 6,6 · 10
Hosszúhullámú rádió Középhullámú rádió Rövidhullámú rádió Rádió, TV, radar, mágnesrezonanciás-tomográfia Mágnesesrezonancia-tomográfia, mobiltelefon, TV Rádiócsillagászat, távközlés, műholdas TV Rádiócsillagászat, távközlés Mikrohullámú sütő, radar IR-spektroszkópia
-22
> 2,0 · 10
J
-21
> 4,0 · 10 J > 8,0 · 10-20 J -19
> 2,6 · 10
J
Távközlés, Adatátvitel Világítás, Színmérés, Fényességmérés DVD, CD
Blu-ray Disc -19
J
-19
J
-19
J
-16
J
orvosi diagnosztika, Röntgen-szerkezetanalízis,
-14
J
orvosi diagnosztika, terápia
> 5,2 · 10 > 5,2 · 10 > 2,0 · 10 > 2,0 · 10 > 2,0 · 10
fertőtlenítés, UV-fény, spektroszkópia fluoreszcencia, foszforeszcencia
Hımérsékleti sugárzás Minden test bocsát ki elektromágneses sugárzást, melynek spektruma és intenzitása a hőmérsékletétől függ. Legintenzívebben az „abszolút fekete test” sugároz, ami egy olyan test, mely minden ráeső sugárzást elnyel. Stefan-Boltzmann-törvény: A feketetest sugárzás spektruma
P = σ T4, azaz a test által időegységenként kisugárzott energia (teljesítmény) a hőmérséklet 4. hatványával arányos. (2x akkora hőmérséklet 16-szoros sugárzási teljesítményt jelent)
Wien-féle eltolódási törvény: λmaxT = állandó, azaz a hőmérséklet növelésével a spektrum csúcsa a rövidebb hullámhosszak felé tolódik. (vörös izzás → fehér izzás)
Atommodellek Rutherford-modell: - Z rendszámú mag töltése +Ze - a mag tömege ≈ az atom tömege - a mag mérete R = R0 A1/3, ahol R0 = 1,4 × 10-5 m - az elektronok a mag körül keringenek körpályán a Coulomb-erő hatására Hibái: az elektronok a magba zuhannának, nem magyarázza a vonalas színképet Bohr-modell: - az elektronok csak megengedett, stacionárius pályákon keringhetnek - az így keringő elektronok nem sugároznak ki energiát - mindegyik állapothoz (pályához) egy adott energia tartozik - elektronátmenet esetén az energiakülönbség foton formájában távozik: hf = E2- E1
Atomi energiaszintek A legegyszerűbb fényelnyelő és kibocsátó rendszer az atom. Diszkrét energiaszintekkel rendelkezik (kvantummechanika)!
Ε2 − Ε1 = ∆E = hf
A H atom elektron-átmeneteinek a megnyilvánulása a színkép (spektrum)! Lymann (UV), Balmer (látható), Paschen (infrav.), Brackett (infrav.), Pfund (infrav.) sorozatok. Az atomok elektron-átmeneteinek energiaszintjei távol vannak egymástól, ezért színképük vonalas.
vonalas spektrum
Spektroszkópia Emisszió, abszorpció és fluoreszcencia (vagy szórás) mérésére szolgáló elrendezések Egyszerő spektrométer mőködési elve:
Molekulák energiatartalma és elektromágneses spektruma: Az atomokhoz képest többlet energia tárolási lehetıségek! a. Vibráció az atomokat összekötı tengely mentén
b. Rotáció egy kitőzött tengely körül Eredmény: vibrációs és rotációs energia szintek megjelenése az elektromágneses spektrumban, amelyek újabb átmeneteket tesznek lehetıvé
Molekulák: az individuális atomokhoz képest többlet energiatárolási lehetıségek a. Vibrációs és rotációs energiaszintek, infravörös
Következmény: a sok egymáshoz közel eső/átfedő energiaszint sávokat hoz létre, ezért a molekulák spektruma sávos (folytonos) szerkezetű folytonos molekula spektrum
Intenzitás
b. Rotációs energiaszintek, mikrohullám ∆E v > ∆E r
450 500 550 600
hullámhossz [nm]
Fluoreszcencia molekuláris elektronátmeneteket kísérő fényemisszió – a fluorofór molekula gerjesztett állapotból történő visszatérése – foton Abszorpció(1) eredményeként jön létre a folyamat – gerjesztett szingulett állapothoz vezet, S1 – S1 állapotból gyors (< ns) relaxáció (2) következik – melyet spektrálisan a vörös hullámhossztartomány (3) felé eltolt fényemisszió követ (Stokes féle eltolódás) • a Stokes féle eltolódás teszi a fluoreszcenciát érzékeny spektroszkópiás technikává
Jablonski diagram Átmenetek a fluoreszkáló molekula energiaszintjei között
Gerjesztést követő gyors relaxáció az S1 legalsó szintjére, ahonnan az egyik lehetséges relaxációs út a fluoreszcencia.
internal Belső konverzió conversion
Gerjesztett Excited Singlet Manifoldállapot szingulett
S2
TriplettExcited állapotTripletKis •
•
•
S1
kisc k-isc
knr k k' nr f fluoreszcencia fluorescence
valószínűséggel történik átmenet a Manifold szingulett és triplett állapotok között (intersystem crossing), mivel az elektron spinjének T1 átfordulásával jár. Ezért a T1→S0 átmenet kis valószínűségű, így a foszforeszcencia élettartam jóval hosszabb a fluoreszcencia élettartamnál.
kp
phosphorescence
foszforeszcencia
S0
Singlet Ground State szingulett alapállapot
A fluoreszkáló molekula gerjesztési és emissziós spektruma
Normalizált fluoreszcencia intenzitás Normalized Fluo. Intensity ill. Abszorbancia
Stokes eltolódás ECFP chromophore
1.00
434 nm exc.
500 nm det.
0.80
emissziós spektrum
gerjesztési spektrum 0.60
Tryptophan 0.40
0.20
0.00 250
300
350
400
450
Wavelength [nm] Hullámhossz [nm]
500
550
600
Fluoreszcencia mérése
gerjesztési szűrő
emissziós szűrő
A fényforrás által kibocsátott sok hullámhosszból a gerjesztési szűrővel kiválasztjuk a fluorofór gerjesztéséhez szükséges hullámhosszt (pl. kék), ami elnyeli azt, és hosszabb hullámhosszú fluoreszcens fényt (pl. zöld) bocsát ki. Az emissziós szűrő a fluoreszcenciát átengedi, így az detektálható, míg a rövid hullámhosszú, szóródott gerjesztő fényt nem engedi át. A fluoreszcenciát sötét háttérnél detektáljuk, ezért jóval érzékenyebb a hagyományos fényelnyelésen alapuló detektálási módszereknél.
Fluorofórok néhány alkalmazása • immunofluoreszcencia sejten belüli vagy sejtmembránban található fehérjék megjelölése fluorofórhoz csatolt antitestek segítségével
• ion szenzitív festékek (koncentráció mérések) -K+, Na+, Ca2+ ionokra specifikus festékek -pH indikátorok
• membránpotenciál • DNS festékek
Fluoreszcencia mérése
•Spektrofluoriméter – excitációs és emissziós spektrum felvétele – oldatok vizsgálata (küvettában)
•Fluoreszcens mikroszkóp – fluoreszcencia eloszlás – biológiai rendszerek (sejtek stb.) vizsgálata.
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (fényerősítés sugárzás stimulált emissziója révén)
A LÉZERSUGÁRZÁS ALAPVETİ ISMÉRVEI: Hagyományos fényforrás Időbeli inkoherencia Térbeli inkoherencia Polikromatikus fény Kis energia sűrűség Nem poláros fény Spontán emisszió
Időbeli koherencia
LÉZER
Térbeli koherencia
Indukált emisszió
Monokromatikus fény (kis sávszélesség) Nagy energia sűrűség (Polarizált fény)
Spontán és indukált emisszió, populáció inverzió Spontán emisszió gerjesztés
E2 E fény áram mozgási E1
E2
N2 db gerjesztett részecske
gerjesztést követően véletlenszerű spontán relaxáció és fényemisszió
E=hf
E1 N1 db alapállapotú részecske
Indukált emisszió gerjesztés
E2 E fény áram mozgási
gerjesztést követően megfelelő E = hf energiájú foton hatására összehangolt relaxáció és fényemisszió E1
N2
E2
E=hf E=hf
N1
E1
A fényerősítéshez szükséges a populáció inverzió létrehozása: N2>N1, azaz több molekula van gerjesztett állapotban, mint alapállapotban. Ez folyamatos energia pumpálással érhető el.
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR
LÉZER ANYAG
E3 E2 Pumpálás E1 E0 Visszacsatoló tükör 99,9 % visszaverés
Kicsatoló tükör 90 - 99 % visszaverés
A lézerek orvosi alkalmazásai
Nagy teljesítmény d ia g n o sz tika
Kis teljesítmény áramlási citometria laser nefelometria labor diagnosztika korrelációs spektr. mikroszkópiák endoszkópia klinikai diagnoszt. laser doppler fotodinamikus diag.
koaguláció (60-90 C)
hyperemizálás laserthermia
te rá p ia
lágy laser therapia
laser sebészet
fotodinamikus thr.
vágás, vaporizáció (100-150 C) excisió (300 C)
A röntgensugárzás
Rendkívüli jelentősége van az orvosi diagnosztikában. Ennek felhasználásával készülnek a hagyományos röntgenfelvételek és a 3-D képalkotást lehetővé tevő komputer tomográfiás (CT) felvételek Előállítása: röntgencsőben
67 keV karakterisztikus sugárzás
célatom
intenzitás
A röntgensugárzás keletkezése: fékezési és karakterisztikus röntgensugárzás
elyuk
foton λ (nm) (E
ütközés az atommaggal: max. E
távoli kölcsönhatás: alacsony E
karakterisztikus sugárzás vonalas spektrummal vagy Auger elektron Auger elektron
fékezési sugárzás (Bremsstrahlung) folytonos spektrummal lyuk
intenzitás
A röngtensugárzás gyengülése anyagban
I = I0 e
−µ x
gyengítési tényező (cm-1)
rétegvastagság
1. 2. 3. 4.
fotoeffektus Compton-szórás párkeltés összes (1+2+3)
A röngtensugárzás diagnosztikai alkalmazása intenzitásának gyengülésén alapul. A röntgensugárzás gyengülését okozó mechanizmusok: fotoeffektus Compton-szórás párkeltés Az egyes mechanizmusok hozzájárulásának mértéke, és így a gyengítési tényező függ a röntgenfotonok energiájától.
fotonenergia (MeV)
fotoeffektus kötési E (keV) 100 keV belépő foton
66 keV fotoelektron
Mivel a rtg sugárzás elsősorban az anyag atomi elektronjaival lép kölcsönhatásba, a rtg sugárzás legerősebben a nagy elektronsűrűségű, tehát magas rendszámú elemekben gyengül (pl. ólom).
hf = A + ½ mv2
Compton - szórás
párkeltés belépő foton
belépő foton E = hf p = hf / c
Compton elektron E = ½ mev2 p = mev szórt foton E = hf’ p = hf’ / c
hf = mec2 = 0,511 MeV szétsugárzás
hf = mec2 = 0,511 MeV
ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK I. Milyen összefüggés van a frekvencia és a hullámhossz illetve a frekvencia és az energia között EM hullámok esetén? Soroljuk fel az elektromágneses spektrumot alkotó EM hullámok fajtáit csökkenő hullámhossz szerint. Melyek ezek közül ionizáló sugárzások?
ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK II. Mi a hőmérsékleti sugárzás ? Hogyan változik a hőmérsékleti sugárzás intenzitása és spektruma (a kibocsátott sugárzás hullámhosszának eloszlása) a hőmérséklet növelésével?
ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK III. Miben különbözik egymástól az atomok és a molekulák spektruma, és mi ennek az oka? Mit nevezünk fluoreszcenciának? Milyen kapcsolat van egy fluorofór molekula által elnyelt és kibocsátott fény spektruma között? Milyen felhasználási területei vannak a fluoreszcenciának a kutatásban / diagnosztikában?
ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK IV. Miben különbözik egy hagyományos és egy lézer fényforrás által kibocsátott fény? Milyen alkalmazási területei vannak a lézerfénynek a diagnosztikában és gyógyászatban?
ISMÉTLŐ KÉRDÉSEK V. Milyen sugárzás a röntgen sugárzás? Hogyan állítható elő röntgen sugárzás? Képes-e biológiai molekulák ionizációjára (károsítására) a rtg sugárzás? Milyen diagnosztikai képalkotó eljárások alkalmaznak rtg sugárzást? Milyen részecskékkel hat kölcsön a rtg sugárzás elsősorban az anyagban haladás során? Milyen anyagok nyújtanak hatékony védelmet a rtg sugárzás káros hatása ellen?
