Отличие рассеяния света от люминесценции

При прохождении через образец света с энергией, превышающей расстояние от ВЗМО до НСМО (от валентной зоны до зоны проводимости в случае полупроводника), свет интенсивно поглощается электронами, переводя их в возбужденное состояние. Электроны затем могут переходить обратно в основное состояние с испусканием квантов света, создавая люминесцентный фон. Поглощение света образцом происходит даже при энергиях, меньше запрещенной зоны. Это обусловлено участием в нем колебаний атомов и наличии примесей (в кристаллах), принимающих или отдающих часть световой энергии. Свет с малой энергией (ближний ИК) практически не поглощается образцом, поэтому и люминесценции образца не наблюдается.

Рассеяние света обеспечено воздействием электромагнитного поля на колебания атомов (ионов) друг относительно друга. Оно имеет место даже в том случае, когда реального возбуждения электронной системы не происходит. В простейшем случае это можно представить как виртуальный процесс быстрого поглощения и испускания кванта света с рождением или поглощением фонона.

Рисунок 14 – Иллюстрация процессов взаимодействия света в зависимости от области работы лазера

Задание по лабораторной работе

1. Требуется включить установку (совместно с преподавателем):

- подключить питание спектрографа, камеры, включить компьютер и лазер;

- запустить программное обеспечение.

2. Задать параметры измерения

- установить значение температуры матрицы -60 ◦C;

- установить многопроходный режим и задать диапазон сканирования 750-1200 нм;

- задать время экспозиции 20секунд и ширину входной щели 1000 мкм.

3. Налить в кювету воды, установить кювету под пробником КР, так чтобы лазерное излучение было сфокусировано на поверхности.

4. Прописать спектр и сохранить.

5. Получить от преподавателя второе исследуемое вещество и прописать его спектр.

6. Приготовить несколько смесей (5-8), смешивая воду и вещество в различных пропорциях, и получить их спектры.

7. Построить при помощи Mathcad на одном графике зависимости интенсивности света от волнового числа в см^-1 для различных смесей.

8. Выявить области расхождения спектров и предложить параметр для оценки относительной концентрации.

9. Построить график зависимости этого параметра от относительной концентрации.

10. Рассчитать погрешность определения этого параметра и оценить пригодность его для оценки концентрации.

Вопросы для контроля

1. Зачем требуется фильтр в канале регистрации для подавления длины волны лазера?

2. В чём отличие рассеяния света от люминесценции?

3. Чем отличаются упругое и неупругое рассеяния?

4. Почему интенсивности анти-стоксовых линий в КР спектре меньше по сравнению с интенсивностью стоксовых линий?

5. На что влияет время экспозиции?

6. Почему в ИК диапазоне люминесценция обычно меньше?

7. Объясните суть комбинационного рассеяния?

8. Почему оно значительно слабее релеевского?

9. Если при релеевском рассеянии, рассеяние происходит мгновенно (без задержки), на той же длине волны, что же тогда меняется в фотоне?

10. Почему спектр КР строиться, беря за ноль длину волны лазера?

11. Почему от единиц длины волны «нм» переходят к см^-1?

12. Чем метод комбинационного рассеяния отличается от метода ИК –спектроскопии? Если и там и там можно зарегистрировать, например, колебательный переход 3000см^-1?

13. 4000см^-1 это сколько в нм. И на какой длине волны будет наблюдаться при использовании лазера 785 нм?

Лабораторная работа №3: Взаимодействие лазерного излучения с биотканями

Теоретические основы

При взаимодействии лазерного излучения с биологическими тканями имеют место различные эффекты, возникающие при прохождении света через неоднородную (так называемую, мутную) среду. Часть падающего на биообъект лазерного излучения отражается от него (обратное рассеивание), что происходит из-за несоответствия коэффициентов преломления света тканями и окружающей их средой. Проникающее в ткани лазерное излучение подвергается многократному рассеиванию (рассеивание вперед или прямое рассеивание) и поглощению различными биологическими структурами. При этом могут возникать и другие эффекты, связанные со вторичным излучением (флуоресценция и фосфоресценция) или возникновением волн сдавления и упругого удара, когда на ткани воздействуют мощным электромагнитным полем лазерного излучения.

Поглощение световой энергии тканями является ключевым моментом и от него непосредственно зависит выраженность последующих процессов. Само поглощение света основывается на фотобиологическом эффекте и определяется комплиментарностью его длины волны поглощающим субстанциям в биотканях. Для ИК-лазерного излучения усиливаются колебательные процессы в молекулах воды, в результате чего возрастает температура в тканях.

Рисунок 15 - Взаимодействие высокоэнергетического лазерного излучения с биотканями

Высокое содержание воды в тканях организма (70-80% от веса органов) во многом объясняет тот факт, что при воздействии СО2-лазерного излучения на биоткани преобладают термические эффекты, на использовании которых преимущественно и основывается применение лазеров в хирургической практике. На рисунке 15 воспроизведены фотоэффекты и температурные параметры, при которых происходит денатурация белков, коагуляция и испарение тканей. Степень выраженности фототермического действия, равно как и морфологических изменений в тканях, зависит от энергетических параметров лазерного излучения. При слабой концентрации световой энергии, а также в глубоких слоях тканей, где интенсивность лазерного воздействия резко ослабевает, преобладают фотохимические реакции, обусловливающие эффект фотоактивации клеток.

Первичный акт поглощения фотонов, равно как и последующие акты межмолекулярного переноса энергии, а также фототермические и фотохимические изменения тканей, занимают доли секунды. Биологический ответ организма на лазерное воздействие формируется за более длительный временной период от секунд до часов. Достижение же конечного лечебного результата занимает несравнимо более длительный промежуток времени, исчисляемый днями.

В зависимости от плотности мощности/энергии различают следующие три вида эффектов взаимодействия лазерного излучения с биотканью: фотохимические эффекты при относительно малых значениях плотности мощности/энергии, тепловые эффекты при средних значениях плотности мощности/энергии и фотомеханические (нелинейные) эффекты при очень высоких значениях плотности энергии и очень коротком времени доставки излучения, которое может обеспечить только импульсный лазер. При увеличении плотности энергии излучения, доставляемого в течение короткого интервала времени, излучение наиболее эффективно воздействует на облучаемый объем, что приводит к взрывообразному удалению материала (фотоабляции). При превышении плотности энергии приблизительно до 10⁷-10⁸ Вт/см², что могут обеспечить только мощные импульсные лазеры при очень короткой длительности импульса (в диапазоне наносекунд), возникает нелинейный эффект, при котором воздействие сильного электрического поля приводит к ионизации газа и образованию плазмы. Поглощение лазерного излучения плазмой приводит к ее нагреванию и расширению. В результате происходит разрушение молекулярных связей, приводящее к фрагментации биоткани.

Рисунок 16 - Эффекты взаимодействия лазерного излучения с биотканью

В настоящее время большинство эффектов взаимодействия с биотканью в медицине относится к так называемым тепловым эффектам. В ходе таких процессов электромагнитная энергия трансформируется после поглощения лазерного излучения тканью в тепло. В зависимости от температуры нагревания биоткань подвергается различным структурным изменениям. До температуры 43°C все изменения ткани являются обратимыми. При температурах в диапазоне между 43° и 60°C происходит денатурация ферментов и ослабление мембран. При температурах в диапазоне между 60°C и 100°C происходит коагуляция (денатурация протеина), сопровождающаяся некрозом ткани. При 100°C происходит выпаривание воды биоткани, биоткань обезвоживается. При температуре приблизительно 150°C происходит обугливание (карбонизация) ткани, а при температуре более 300°C - выпаривание твердых тканей, и становится возможным их рассечение.

Рисунок 17 - Спектры поглощения основных хромофоров биоткани

Необходимо учитывать тот факт, что эффект взаимодействия лазерного излучения с биотканью также зависит от длительности теплового воздействия на биоткань. На рис. 5. показана зависимость между температурой воздействия, продолжительностью нагрева и необратимыми повреждениями биоткани. Так, при кратковременном нагревании (1 секунда) до 70°C биоткань разрушается в той же степени, что и при нагревании в течение 10 секунд до температуры 58°C.

Рисунок 18 – Зависимость между температурой воздействия, продолжительностью нагрева и необратимыми повреждениями биоткани

Воздействие высокоэнергетического лазерного излучения непосредственно зависит от оптического проникновения света в ткани и тепловой диффузии. Вообще глубина проникновения света в ткани является функцией длины волны, что определяет выбор конкретного лазера для тех или иных лечебных воздействий.

Распределение тепловой энергии в объеме ткани (ее тепловой разогрев) существенно влияет на структурные изменения в тканях (рисунок 19а).

Рисунок 19 - Пример воздействие на биоткани СО₂-лазерного излучения: А - оптическое проникновение и тепловая диффузия, Б - зоны структурных изменений

При температуре больше 400°С происходит термическое удаление (выгорание) ткани, сопровождающееся испарением их жидкой и карбонизацией (обугливанием) твердой фаз. При температуре больше 800°С подвергшийся лазерному воздействию участок полностью выгорает, что выражается в разъединении (или разрезе) ткани. Глубина разреза определяется скоростью перемещения границ слоя разрушения вглубь ткани.

От линии разреза до участка неизмененных тканей устанавливается градиент температур от 120°С на поверхности карбонизированного участка ткани до 37°С - температуры нативной ткани. В соответствии с тепловой диффузией формируются зоны обугливания и коагуляции. Будучи связанными с необратимыми изменениями тканей они в последующем образуют зону некроза (рисунок 19б). Образование зоны коагуляции играет исключительно важную роль в гемостазе по ходу лазерного разреза, с чем связано огромное преимущество лазерной хирургии, дающей возможность хирургу оперировать практически на сухом поле. При операциях на паренхиматозных органах для полного гемостаза необходимо формирование зоны коагуляции до 1000 - 1500 мкм (Е.И.Брехов, Ю.Г.Пархоменко, 1989). Увеличение зоны коагуляции естественно повлечет расширение зоны некроза. Без резкой границы зона коагуляции переходит в зону обратимых изменений (или отека), в которой преобладают реактивные изменения микрососудов. Ширина этой зоны колеблется от 200 до 500 мкм.

Тепловая диффузия в тканях существенно зависит от их теплопроводности и васкуляризации, так как тепло передается путем проводимости через ткань и путем конвекции через кровеносную систему. Уменьшить при лазерной хирургии теплопередачу путем конвекции позволяют специальные лазерные компрессионные инструменты, разработанные О.К.Скобелкиным (1975, 1989).

Как тепловая диффузия, так и зона теплового некроза существенно зависят от выбранных параметров лазерного излучения. Минимизировать зону некротических изменений можно за счет рационального подбора параметров импульсно-периодического режима. Глубина проникновения тепла в ткани тем меньше, чем короче время тепловой диффузии. Так, при времени воздействия излучения СО₂-лазера на ткани в течение 1 с глубина тепловой диффузии составляет порядка 720 мкм, при времени воздействия 0,01 с (10 мс) - 72 мкм, при времени воздействия 0,001 (1 мс) - 23 мкм, при времени воздействия 0,0001 с (100 мкс) - 7,2 мкм (G.M"uller, 1989).

В таблице 5 приведены различные виды лазерного удаления тканей, а также основные механизмы фотовоздействия, их обусловливающие, и те параметры лазерного излучения, от которых они непосредственно зависят.

Таблица 5 - Различные виды лазерного удаления биотканей для CO₂ лазера

Как видно из таблицы, повышение мощности лазерного излучения и концентрация лазерной энергии в короткие импульсы позволяет добиться снижения теплового воздействия на биоткани, а также получить нетермические эффекты по типу быстрого взрыва (фотоабляция) или оптического пробоя (фоторазрыв). Для усиления фототермического воздействия на ткани преимущественное значение имеет наращивание плотности мощности и энергетической плотности светового потока на единицу площади ткани.

Высокая концентрация световой энергии в лазерном луче достигается за счет его фокусировки в световое пятно. Это важнейший параметр лазерного излучения, регулируемый хирургом. В таблице 6 приведены значения плотности мощности лазерного излучения в фокальной точке при различных размерах светового пятна и разных уровнях мощности лазерного излучения. Фокальная точка расположена на расстоянии 20 мм от конца наконечника манипулятора.

Таблица 6 - Плотность мощности (кВт/см²) в точке фокусировки при непрерывном режиме излучения

Примечание: Для удобства работы в таблице даны округленные значения плотности мощности. Расчет плотности мощности (W) производится по формуле: W = P/S, где P - устанавливаемая выходная мощность в Вт; S - площадь пятна в см²; вычисляемая как площадь круга: S = π D²/4.

Выбор размеров светового пятна определяется не только создаваемой в зоне обработки тканей плотностью энергии, но и желаемым характером их разрушения, так как при более широком пятне на поверхности тканей будет формироваться больший по ширине дефект (рисунок 19).

На рисунке 20 также показано, что при удалении ткани на значительном участке формирование дефекта способом наложения "канавки за канавкой" лазерный луч проводится таким образом, чтобы каждая последующая канавка частично перекрывала ранее проложенную.

Рисунок 20 - Формирование дефекта на поверхности органа под воздействием лазерного хирургического излучения при различном диаметре светового пятна и разных способах ведения «канавки»

Нередко требуется обрабатывать ткани расфокусированным лазерным лучом. Для этого наконечник манипулятора отодвигается от поверхности биообъекта. При этом следует учитывать, что плотность мощности при расфокусировке уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от фокальной точки до облучаемой поверхности. На рисунке 21 показаны особенности воздействия на биоткани сфокусированного и расфокусированного луча СО₂-лазера (мощностью 10 Вт). При высокой плотности мощности в точке фокусировки (32х103 Вт/см²) (диаметр пятна 0,2 мм) имеет место быстрое удаление ткани в области воздействия и формирование разреза; при этом зона термического повреждения тканей ограничена. Применение импульсно-периодического режима с короткими импульсами позволяет минимизировать зону термического повреждения тканей.

Рисунок 21 - Воздействие на биоткани сфокусированным и расфокусированным лучом СО₂ лазера ЛХА «Ланцет» (мощность излучения 10 Вт, диаметр пятна 0,2 мм).

Увеличение размеров светового пятна до 0,3 и 0,5 мм осуществляется автоматически с пульта управления; достигаемые при этом параметры плотности мощности указаны в таблице 3. При расфокусировке лазерного луча до 0,7 мм в диаметре плотность мощности снижается до 2,6х103 Вт/см² (расстояние между пятнами пилотного излучения - 1 см). При такой мощности скорость испарения тканей снижается, однако наиболее эффективно используется тепловой разогрев тканей с четким формированием зоны коагуляции, величину которой можно варьировать, изменяя время контакта лазерного излучения с биотканями. При расфокусировке лазерного луча до 2 мм в диаметре плотность мощности составляет 320 Вт/см² (расстояние между пятнами пилотного излучения - 3 см). При таких параметрах лазерного излучения имеет место относительно слабое тепловое воздействие на биоткани, приводящее к формированию зоны коагуляции в самых поверхностных слоях. При расфокусировке лазерного луча до пятна с диаметром 6,8 мм (расстояние между пятнами пилотного излучения - 10 см) плотность мощности снижается до 27 Вт/мм², используемой для стерилизации поверхности ран.

В таблице 4 приведены параметры плотности мощности при различной степени расфокусировки излучения СО₂-лазера с исходным размером светового пятна 0,2; 0,3 и 0,5 мм. Следует отметить, что в конечном итоге степень расфокусировки лазерного излучения подбирается каждым хирургом в зависимости от желаемого результата опытным путем.

Таблица 7 - Диаметр пятна (мм) и плотность мощности (Вт/см²) при различной степени расфокусировки СО₂--лазерного излучения (исходная мощность 1 Вт)

Примечание: При увеличении мощности лазерного излучения от 1 до 20 Вт, указанные в таблице значения возрастают пропорционально установленной мощности.