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
I. A fény természete: Elektromágneses sugárzás, a fény kettıs természete terjedési sebesség vákuumban: c = 3 x 10 8 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 fémlemez elektronok 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 / c 2 = hf / c 2 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 m, v λ = h / mv = 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 Hullámhossz Frekvencia Foton-energia Műszaki felhasználás Rádióhullám < 10 km > 30 khz Hosszúhullám (LW) < 10 km > 30 khz > 2,0 10-29 J Hosszúhullámú rádió Középhullám (MW) < 650 m > 650 khz > 4,3 10-28 J Középhullámú rádió Rövidhullám (KW) < 180 m > 1,7 MHz > 1,1 10-27 J Rövidhullámú rádió Ultrarövid hullám (URH) < 10 m > 30 MHz > 2,0 10-26 J Rádió, TV, radar, mágnesrezonanciás-tomográfia Deciméteres hullám 10 cm - 1 m 300 MHz- 3 GHz > 2,0 10-25 J Mágnesesrezonancia-tomográfia, mobiltelefon, TV Centiméteres hullám 1 cm - 10 cm 3-30 GHz > 2,0 10-24 J Rádiócsillagászat, távközlés, műholdas TV Milliméteres hullám 1 mm - 1 cm 30-300 GHz > 2,0 10-23 J Rádiócsillagászat, távközlés Mikrohullám 300 µm - 30 cm 1 GHz - 1 THz > 6,6 10-25 J Mikrohullámú sütő, radar Infravörös sugárzás (Hősugárzás) < 1,0 mm > 300 GHz IR-spektroszkópia Távoli infravörös < 1,0 mm > 300 GHz > 2,0 10-22 J Közepes infravörös < 50 µm > 6,00 THz > 4,0 10-21 J Közeli infravörös < 2,5µm > 120 THz > 8,0 10-20 J Távközlés, Adatátvitel Fény < 780 nm > 384 THz > 2,6 10-19 J Világítás, Színmérés, Fényességmérés Vörös 640-780 nm 384-468 THz DVD, CD Narancs 600-640 nm 468-500 THz Sárga 570-600 nm 500-526 THz Zöld 490-570 nm 526-612 THz Kék 430-490 nm 612-697 THz Ibolya 380-430 nm 697-789 THz Blu-ray Disc Ultraibolya sugárzás (UV) < 380 nm > 789 THz > 5,2 10-19 J fertőtlenítés, UV-fény, spektroszkópia Lágy UV-sugárzás < 380 nm > 789 THz > 5,2 10-19 J fluoreszcencia, foszforeszcencia Kemény UV-sugárzás < 200 nm > 1,5 PHz > 2,0 10-19 J röntgensugárzás < 1 nm > 300 PHz > 2,0 10-16 J orvosi diagnosztika, Röntgen-szerkezetanalízis, Gamma-sugárzás < 10 pm > 30 EHz > 2,0 10-14 J orvosi diagnosztika, terápia
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 T 4, 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: λ max T = 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 = R 0 A 1/3, ahol R 0 = 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 = E 2 - E 1
Atomi energiaszintek A legegyszerűbb fényelnyelő és kibocsátó rendszer az atom. Diszkrét energiaszintekkel rendelkezik (kvantummechanika)! Ε 2 Ε 1 = E = hf
A H atom elektron-átmeneteinek a megnyilvánulása a színkép (spektrum)! vonalas spektrum Lymann (UV), Balmer (látható), Paschen (infrav.), Brackett (infrav.), Pfund (infrav.) sorozatok. Az atomok elektron-átmeneteinek energiaszintjei távol vannak egymástól, ezért színképük vonalas.
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 b. Rotációs energiaszintek, mikrohullám E > v E r Következmény: a sok egymáshoz közel eső/átfedő energiaszint sávokat hoz létre, ezért a molekulák spektruma sávos (folytonos) szerkezetű folytonos molekula spektrum Intenzitás 450500 550600 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, S 1 S 1 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 Gerjesztett Excited Singlet szingulett Manifoldállapot Átmenetek a fluoreszkáló molekula energiaszintjei között S1 k nr Belső konverzió internal conversion S2 k -isc k isc k k' f nr fluoreszcencia fluorescence k p Triplett állapot phosphorescence foszforeszcencia Excited Triplet Manifold T1 Gerjesztést követő gyors relaxáció az S1 legalsó szintjére, ahonnan az egyik lehetséges relaxációs út a fluoreszcencia. Kis valószínűséggel történik átmenet a szingulett és triplett állapotok között (intersystem crossing), mivel az elektron spinjének átfordulásával jár. Ezért a T1 S0 átmenet kis valószínűségű, így a foszforeszcencia élettartam jóval hosszabb a fluoreszcencia élettartamnál. S0 szingulett alapállapot Singlet Ground State
A fluoreszkáló molekula gerjesztési és emissziós spektruma Stokes eltolódás 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 ECFP chromophore 500 nm det. 434 nm exc. gerjesztési spektrum emissziós spektrum Tryptophan Normalizált fluoreszcencia intenzitás Normalized ill. Abszorbancia Fluo. Intensity 250 300 350 400 450 500 550 600 Hullámhossz Wavelength [nm] [nm]
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 +, Ca 2+ 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 koherencia LÉZER Időbeli inkoherencia Térbeli inkoherencia Polikromatikus fény Kis energia sűrűség Nem poláros fény Spontán emisszió Térbeli koherencia Indukált emisszió Monokromatikus fény (kis sávszélesség) Nagy energia sűrűség (Polarizált fény)
E2 E fény áram mozgási gerjesztés Spontán és indukált emisszió, populáció inverzió E2 Spontán emisszió N 2 db gerjesztett részecske E = h f gerjesztést követően véletlenszerű spontán relaxáció és fényemisszió E1 E1 N 1 db alapállapotú részecske gerjesztést követően megfelelő E = hf energiájú foton hatására összehangolt relaxáció és fényemisszió E2 E1 E fény áram mozgási Indukált emisszió gerjesztés N 1 E2 E1 E = h f N 2 E = h f A fényerősítéshez szükséges a populáció inverzió létrehozása: N 2 >N 1, azaz több molekula van gerjesztett állapotban, mint alapállapotban. Ez folyamatos energia pumpálással érhető el.
LÉZER ERŐSÍTŐ ÉS LÉZER OSZCILLÁTOR E3 Pumpálás E0 E2 E1 LÉZER ANYAG Visszacsatoló tükör 99,9 % visszaverés Kicsatoló tükör 90-99 % visszaverés
A lézerek orvosi alkalmazásai Kis teljesítmény áramlási citometria laser nefelometria labor diagnosztika korrelációs spektr. mikroszkópiák endoszkópia klinikai diagnoszt. laser doppler fotodinamikus diag. lágy laser therapia hyperemizálás laserthermia dia gnosz tika te rá pia laser sebészet fotodinamikus thr. Nagy teljesítmény koaguláció (60-90 C) 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
A röntgensugárzás keletkezése: fékezési és karakterisztikus röntgensugárzás célatom e - 67 kev karakterisztikus sugárzás lyuk intenzitás ütközés az atommaggal: max. E távoli kölcsönhatás: alacsony E foton λ (nm) E karakterisztikus sugárzás vonalas spektrummal vagy Auger elektron fékezési sugárzás (Bremsstrahlung) folytonos spektrummal Auger elektron lyuk
A röngtensugárzás gyengülése anyagban intenzitás I = I 0 e µ x A röngtensugárzás diagnosztikai alkalmazása intenzitásának gyengülésén alapul. gyengítési tényező (cm -1 ) rétegvastagság 1. fotoeffektus 2. Compton-szórás 3. párkeltés 4. összes (1+2+3) fotonenergia (MeV) A röntgensugárzás gyengülését okozó mechanizmusok: fotoeffektus Compton-szórás párkeltés Az egyes mechanizmusok hozzájárulásának mértéke, és így a gyengítési tényező függ a röntgenfotonok energiájától.
100 kev belépő foton hf = A + ½ mv 2 fotoeffektus kötési E (kev) 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). Compton - szórás párkeltés belépő foton belépő foton E = hf p = hf / c Compton elektron E = ½ m e v 2 p = m e v szórt foton E = hf p = hf / c hf = m e c 2 = 0,511 MeV szétsugárzás hf = m e c 2 = 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?