Применение спектроскопии комбинационного рассеяния света в медицине

/

Министерство Образования РБ Белорусского Государственного Педагогического Университета имени Максима Танка

КУРСОВАЯ РАБОТА На тему: «Применение спектроскопии комбинационного рассеяния света в медицине»

Руководитель: Маскевич Сергей Александрович Минск 2010

Содержание Введение

1. Теория метода комбинационного рассеяния

2. Применение Рамановской спектроскопии для контроля лекарственных, наркотических и токсичных средств

3. Комбинационное рассеяние света как метод изучения вещества

4. Задача Заключение Список литературы

Введение

При распространении волн в материальной среде простейшая ситуация соответствует отсутствию какого-либо взаимодействия между волнами. При этом волны проникают одна сквозь другую без каких-либо изменений частоты, амплитуды и фазы соответствующих колебательных процессов.

Более сложная картина реализуется для взаимодействующих волн. В частности, для таких волн может быть осуществлен процесс амплитудной модуляции высокочастотных колебаний низкочастотными. В результате модуляции наряду с исходными волнами с высокой (w0) и низкой (W) частотами возникают комбинационные волны с частотами w0 — W и w0 + W. Именно это свойство волн было использовано создателями радиотелеграфа в конце XIX столетия. При этом несущей высокочастотной волной служила радиоволна, а низкочастотные волны соответствовали звуковому диапазону и представляли собой необходимую для передачи информацию.

Как известно, впервые беспроволочный телеграф на основе модуляции электромагнитных волн радиодиапазона (w0 ~ 1011 Гц) низкочастотными сигналами азбуки Морзе был осуществлен в 1895 году в опытах А. С. Попова. Аналогичные исследования проводились в то же время на Западе Ф. Брауном и Т. Маркони. В 1909 году за создание беспроволочного телеграфа они были удостоены Нобелевской премии.

Ф. Браун был профессором кафедры физики в Страсбургском университете, когда в 1899 году для продолжения своего образования, начатого в Новороссийском университете, в Страсбург прибыл Л. И. Мандельштам. Объектом исследования Л. И. Мандельштама стали акустические волны в твердых телах. Как выяснилось, такие волны существуют в материальных средах даже при отсутствии каких-либо внешних звуковых сигналов. В связи с этим Л. И. Мандельштам в 1926 году опубликовал работу, в которой рассмотрел вопрос о модуляции световых волн в твердых телах тепловыми (акустическими) волнами.

Опыты по исследованию рассеяния света в конденсированных средах были начаты с 1926 года в Москве Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом. Одним из объектов исследований был кристаллический кварц, в качестве источника возбуждающего излучения применялись интенсивные линии ртутной лампы, выделенные из спектра газового разряда с помощью абсорбционных светофильтров. В результате этих опытов было установлено, что действительно в спектре рассеянного света присутствует слабое излучение, частота которого сдвинута по отношению к частоте первичного, возбуждающего излучения. При этом оказалось, что в спектре имеется несколько симметричных относительно частоты w0 возбуждающего излучения спутников с частотами w0 — Wj (стоксов спутник) и w0 + Wj (антистоксов спутник). Выяснилось также, что наблюдаемые сдвиги Wj частоты w0 возбуждающего излучения на несколько порядков превышают характерные значения частот акустических волн, которые рассматривались как причина рассеяния света в теории Мандельштама. Впоследствии было установлено, что наряду с акустическими волнами вместе с волной возбуждающего излучения могут быть и многие другие типы волн, в частности волны оптических колебаний, характеризуемые встречным типом движения неэквивалентных атомов примитивной ячейки кристалла. Это и было причиной сдвига частоты возбуждающего излучения, наблюдаемого в опытах Ландсберга и Мандельштама. В дальнейшем такой тип рассеяния был назван ими комбинационным рассеянием света.

В то же время (в 1928 году) аналогичные опыты по изучению рассеяния света в жидкостях выполняли индийские физики Ч. Раман и К. Кришнан. В первых опытах индийские ученые использовали в качестве источника возбуждающего излучения солнечный луч. Применяя определенные комбинации абсорбционных светофильтров, они пришли к выводу, что в жидкостях происходит рассеяние света, сопровождаемое сдвигом частоты w' = w0 — W (w0 — частота возбуждающего излучения, w' - частота рассеянного света), а результаты своих экспериментов интерпретировали как проявление оптического аналога эффекта Комптона. Такое явление в дальнейшем было названо раман-эффектом. За открытие этого явления в 1930 г. Ч. Раман был удостоен Нобелевской премии.

Следует отметить, что термин «комбинационное рассеяние света» (КРС), предложенный Мандельштамом и Ландсбергом, имеет самостоятельное значение и широко используется в научной литературе.

Исследование нового вида рассеяния света, начиная с первых работ, сразу привлекло к себе внимание широких кругов научной общественности. Несомненно, открытие этого явления — одно из наиболее ярких научных достижений ХХ столетия.

1. Теория метода комбинационного рассеяния Монохроматический свет, падающий на образец, может быть отражен, поглощен или рассеян. Процесс рассеяния света может быть упругим (то есть происходить без обмена энергией между светом и веществом) и неупругим (то есть между светом и веществом может происходить перераспределение энергии).

Упругое рассеяние света называется Релеевским. Оно является преобладающим: в среднем, лишь один фотон из десяти миллионов рассеивается неупруго. При Релеевском рассеянии частота рассеянного света в точности равна частоте света падающего.

Неупругое рассеяние света называется комбинационным (КР), или Рамановским. При комбинационном рассеянии свет и вещество обмениваются энергией. В результате, частота рассеянного света может, как уменьшаться (при этом энергия переходит от света к веществу — это Стоксово рассеяние), так и увеличиваться (при этом энергия переходит от вещества к свету — это Анти-Стоксово рассеяние).

Рассеяние можно рассматривать как очень быстрый процесс поглощения и испускания фотона. При подобном поглощении фотона молекула не переходит в устойчивое возбужденное электронное состояние, если энергия фотона недостаточна для этого процесса. Она переходит в нестабильное возбужденное состояние, из которого она излучает фотон через очень короткое время.

При Релеевском рассеянии молекула поглощает фотон из нулевого колебательного уровня, и на него же переходит после излучения. При Стоксовом рассеянии молекула поглощает фотон из нулевого колебательного уровня, но после излучения переходит на первый, поглощая часть энергии фотона. Наоборот, при Анти-Стоксовом рассеянии молекула поглощает фотон из первого колебательного уровня, а после излучения переходит на нулевой, отдавая часть своей энергии излучаемому фотону.

В условиях теплового равновесия заселенность колебательных уровней подчиняется распределению Больцмана, то есть заселенность более высоких уровней уменьшается по экспоненциальному закону. Соответственно, первый уровень заселен в гораздо меньшей степени, чем нулевой, что приводит к гораздо меньшей интенсивности Анти-Стоксовых линий в КР спектре по сравнению с интенсивностью Стоксовых линий.

Как правило, под спектром КР понимают именно его более интенсивную, Стоксову часть. За «ноль» принимают частоту Релеевского рассеяния (то есть частоту источника излучения), а частоту линии в спектре вычисляют вычитанием частоты Стоксовой линии из частоты Релеевского излучения.

В общем случае процесс рассеяния света конкурирует с процессом его поглощения. При поглощении излучения молекула переводится в низшее возбужденное электронное состояние. Обратный переход в основное состояние может быть либо полностью безызлучательным, либо сопровождаться излучением света меньшей частоты. Такое излучение называется фотолюминесценцией. В зависимости от спиновой конфигурации возбужденного электронного состояния фотолюминесценцию подразделяют на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Линии фотолюминесценции значительно интенсивнее линий КР. Таким образом, при помощи спектрометра КР, оснащенным подходящим детектором, можно одновременно в одной точке получать спектр КР и спектр фотолюминесценции без каких-либо проблем.

Однако, в некоторых случаях спектр фотолюминесценции может накладываться на спектр КР, что является нежелательным эффектом. Ниже приведен условный спектр КР/фотолюминесценции окрашенного полимера, сильно флуоресцирующего в видимой и ближней ИК области при облучении светом в УФ (ультрафиолетовое) и видимом диапазонах. В подобных случаях, как правило, стараются подбирать частоту возбуждающего излучения таким образом, чтобы избежать появление интенсивной флуоресценции. Одним из вариантов является применение для возбуждения КР источников излучения в ближнем ИК диапазоне.

Условные спектры КР/фотолюминесценции окрашенного полимера, сильно флуоресцирующего в видимой и ближней ИК области при облучении светом в УФ и видимом диапазонах. По оси абсцисс отложена частота излучения

Условные спектры КР/фотолюминесценции окрашенного полимера, сильно флуоресцирующего в видимой и ближней ИК области при облучении светом в УФ и видимом диапазонах. По оси абсцисс отложена разница частоты КР и частоты возбуждающего излучения (в см-1)

Спектр КР большинства органических молекул состоит из линий, отвечающих деформационным и валентным колебаниям химических связей углерода © с другими элементами, как правило, водородом (H), кислородом (O) и азотом (N), а также характеристическим колебаниям различных функциональных групп (гидроксильнойOH, аминогруппыNH2 и т. д.). Эти линии проявляются в диапазоне от 600 см-1 (валентные колебания одинарных С-С связей) до 3600 см-1 (колебания гидроксильнойOH группы). Кроме того, в спектрах органических молекул в диапазоне 250−400 см-1 проявляются деформационные колебания алифатической цепи.

В отличие от ИК спектра, в котором проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением дипольного момента, в спектре КР проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением поляризуемости молекулы. Таким образом, ИК и КР являются не исключающими, а взаимно дополняющими спектрометрическими методами. Существуют спектрометры КР, позволяющие одновременно в одной точке получать спектры КР и ИК.

Спектры КР кристаллических решеток содержат линии, соответствующие рассеянию излучения на коллективных возбужденных состояниях решетки, которые в физике твердого тела рассматриваются как квазичастицы. Наиболее распространены КР-активные переходы с участием оптических и акустических фононов, плазмонов и магнонов.

Квазичастица — квант коллективного колебания или возмущения многочастичной системы, обладающий определённой энергией и, как правило, импульсом. Между квазичастицами и обычными частицами существует ряд сходств и отличий. Во многих теориях поля, например конформной теории поля, не делают вообще никаких различий между частицами и квазичастицами.

Фонон — квазичастица, введённая русским учёным И. Таммом. Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла. Концепция фонона оказалась очень плодотворной в физике твёрдого тела. В кристаллических материалах атомы активно взаимодействуют между собой, и рассматривать в них такие термодинамические явления, как колебания отдельных атомов, затруднительно — получаются огромные системы из триллионов связанных между собой линейных дифференциальных уравнений, аналитическое решение которых невозможно. Колебания атомов кристалла заменяются распространением в веществе системы звуковых волн, квантами которых и являются фононы. Спин фонона равен нулю (в единицах h). Фонон принадлежит к числу бозонов и описывается статистикой Бозе-Эйнштейна. Фононы и их взаимодействие с электронами играют фундаментальную роль в современных представлениях о физике сверхпроводников.

Акустический фонон характеризуется при малых волновых векторах линейным законом дисперсии и параллельным смещением всех атомов в элементарной ячейке. Такой закон дисперсии описывает звуковые колебания решетки (поэтому фонон и называется акустическим). Энергия акустических фононов обычно невелика (порядка от 1 см-1 до 30 см-1).

Оптические фононы существуют только в кристаллах, элементарная ячейка которых содержит два и более атомов. Эти фононы характеризуются при малых волновых векторах такими колебаниями атомов, при которых центр тяжести элементарной ячейки остается неподвижным. Энергия оптических фононов обычно достаточно велика (порядка 500 см-1) и слабо зависит от волнового вектора.

Плазмон — квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. Плазмоны играет большую роль в оптических свойствах металлов. Свет с частотой ниже плазменной частоты отражается, потому что электроны в металле экранируют электрическое поле в световой электромагнитной волне. Свет с частотой выше плазменной частоты проходит, потому что электроны не могут достаточно быстро ответить, чтобы экранировать его. В большинстве металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовой области спектра, делая их блестящими в видимом диапазоне. В легированных полупроводниках плазменная частота находится обычно в ультрафиолетовой области.

Поверхностные плазмоны (плазмоны, ограниченные поверхностями) сильно взаимодействуют со светом, приводя к образованию поляритонов. Они играют роль в поверхностном усилении КР, комбинационного рассеяния света (SERS) и в объяснении аномалий в дифракции металлов. Поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии, чтобы определять присутствие молекул на поверхности.

Магнон — квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. В кристаллах с несколькими магнитными подрешётками (например, антиферромагнетиках) могут существовать несколько сортов магнонов, имеющих различные энергетические спектры. Магноны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Магноны взаимодействуют друг с другом и с другими квазичастицами. Существование магнонов подтверждается экспериментами по рассеянию нейтронов, электронов и света, сопровождающемуся рождением или уничтожением магнона.

Концепция магнона была введена в 1930 г. Феликсом Блохом (Felix Bloch) для количественного объяснения феномена уменьшения спонтанной магнетизации в ферромагнетиках. При температуре абсолютного нуля ферромагнетик достигает состояния наименьшей энергии, в котором атомные спины (а так же и магнитные моменты) выстраиваются в одном направлении. По мере повышения температуры спины начинают отклоняться от общего направления, тем самым увеличивая внутреннюю энергию и уменьшая полную намагниченность. Если представить идеально намагниченный ферромагнетик как вакуумное состояние, то состояние при низких температурах, в котором идеальный порядок нарушен небольшим количеством перевёрнутых спинов, можно представить как газ из квазичастиц — магнонов. Каждый магнон уменьшает количество правильно выстроенных спинов на h и полный магнитный момент вдоль оси квантования на gh, где g — это гиромагнитное отношение.

2. Применение Рамановской спектроскопии для контроля

лекарственных, наркотических и токсичных средств Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света (Raman-спектроскопии).

Рамановская спектроскопия позволяет идентифицировать газы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и измерять их концентрацию путем анализа светового излучения молекул газа при их возвращении к исходному (невозбужденному) энергетическому состоянию после воздействия лазерным лучом. Пробы газа пациента поступают в измерительную камеру, где облучаются аргоновым лазером. В результате лазерного облучения молекулы газа переходят в возбуждённое состояние, но при обратном переходе в исходное (невозбужденное) состояние, молекулы газа излучают уже свет более низкой энергии и большей длины волны. Это явление известно в физике как «рамановский сдвиг».

Величина «рамановского» волнового сдвига для каждого газа является специфичной, что позволяет проводить идентификацию газов в пробе (например, какой ингаляционный анестетик используется). Концентрация газа определяется по интенсивности вторичного излучения. Также как и масс-спектрометрия метод рамановской спектроскопии позволяет определить концентрацию всех компонентов газовой смеси. Результаты масс-спектрометрии и рамановской спектроскопии в равной степени точны, несмотря на наличие принципиальных отличий в технологии. Преимущества рамановской спектроскопии заключаются в более быстром получении результатов и в возможности самокалибрования.

Основные преимущества Технология Рамановского рассеяния относится к колебательной молекуляр-ной спектроскопии. Колебания возникают в молекулах за счет смещения ядер от положения равновесия. Колебательные спектры регистрируют в форме инфракрасных спектров и спектров комбинационного рассеяния (Рамановских спектров).

Рамановский спектр возникает при облучении вещества монохроматическим светом ультрафиолетового или видимого диапазона. Под воздействием света молекулы вещества поляризуются и рассеивают свет. При этом рассеянный свет отличается от частоты исходного излучения на величину, соответству-ющую частоте нормальных колебаний молекулы. Индивидуальность этой характеристики обусловливает высокую селективность метода.

Возникновение Рамановского спектра можно представить следующим образом: квант падающего излучения взаимодействует с молекулой, находящейся в основном или возбужденном колебательном состоянии. Если взаимодействие является упругим, то энергетическое состояние молекулы не меняется, и частота рассеянного излучения будет такая же, как падающего (релеевская полоса Рамановского спектра). В случае неупругого взаимодействия происходит обмен энергий ей между квантом излучения и молекулой, за счет чего возникает рассеянное излучение, которое может быть большей или меньшей частоты (антистоксова и стоксова полоса соответственно). Таким образом, формируется Рамановский спектр.

Метод Раман-спектроскопии дает возможность получить индивидуальный спектральный отпечаток, уникальный по отношению к рассматриваемой молекуле или целой молекулярной структуре.

По сравнению с методом ИК-Фурье спектроскопии Раман-спектроскопия имеет существенные ключевые преимущества:

Рамановский спектр серы

* Метод Раман — спектроскопии может быть использован для анализа водных растворов, поскольку высокий абсорбционный эффект воды в отличии от ИК-Фурье метода не оказывает на него существенного влияние.

* Интенсивность спектральных линий в растворе прямо пропорциональна концентрации специфических соединений;

* Рамановский спектр не зависит от изменений температуры раствора;

* Метод Раманспектроскопии практически не требует пробоподготовки, применения реагентов, и не подвержен влиянию материала ячейки, например, стекла;

* Применение Рамановских спектрометров позволяет достигнуть высокого разрешения и чувствительности, недостижимых для ИК-Фурье спектрометрии.

Эти преимущества, связанные со специфической природой метода, делают Рамановскую спектрометрию мощным средством анализа и мониторинга химического состава. Каждое соединение имеет свой уникальный Рамановский спектр. В зависимости от применяемой аппаратуры, эта техника может быть использована для анализа твердых веществ, растворов, а также предоставлять информацию о физических характеристиках исследуемой среды, таких как кристаллическая решетка, ориентация, полиморфные формы и т. д.

Образ клетки, полученный с помощью Рамановского спектрометра.

3. Комбинационное рассеяние света как метод изучения вещества С помощью спектров КРС можно измерять частоты собственных колебаний молекул и кристаллов. Это открывает широкие возможности для идентификации веществ и исследования происходящих в них превращений под влиянием внешних воздействий. Приведем несколько примеров. Одно и то же вещество может иметь несколько модификаций, скажем, углерод бывает в форме графита, алмаза, аморфной фазы. Химический или спектральный анализы не дают возможности отличить эти фазы, но спектры КРС для них будут различаться, поскольку для комбинационного рассеяния важен не только химический состав вещества, но и его структура. C помощью КРС можно изучать процессы плавления кристаллов и кристаллизации жидкостей, исследовать химические реакции в растворах, фиксировать появление на поверхности твердых тел тонких пленок и характеризовать их структуру, и т. д. Изменение температуры, давления и других внешних факторов приводят к изменению симметрии решетки некоторых кристаллов (структурные фазовые превращения). Перестройка кристаллической решетки, естественно, приводит к изменению ее колебательного спектра, и КРС является тонким инструментом для анализа этих превращений.

4. Задача На рисунке 1. показана схема переходов, результатом которых является наличие в спектре комбинационного рассеяния (КР) красного и фиолетового спутников. Найдите собственную частоту колебаний ядер в молекуле серы ?₀ и коэффициент квазиупругой силы, если известно, что в колебательном спектре комбинационного рассеяния света красному и фиолетовому спутникам, ближайшим к несмещенной линии, соответствуют длины волн 346,6 и 330,0 нм. Чему равна длина волны возбуждения КР? спектра? Каково соотношение интенсивностей красного и фиолетового спутников при комнатной температуре? Ангармоничностью колебаний пренебречь.

Рисунок 1. — Схема возникновения стоксова (а) и антистоксова (б) спутников при комбинационном рассеянии

Решение Анализируя схемы, представленные на рисунке 1., видим, что частоты красного и фиолетового спутников связаны с собственной частотой колебаний соотношениями:

,(1)

где? частота света, возбуждающего КР. Аналогичные соотношения будут иметь место для волновых чисел, соответствующих линиям — спутникам:

.(2)

Из формул (2) можно получить:

.(3)

Учитывая, что, из (3) получим волновое число, соответствующее собственным колебаниям молекулы:

.

После вычислений найдем:

.

При этом частота рад/с.

Коэффициент квазиупругой силы связан с собственной частотой колебаний соотношением:

;.

где — масса атома серы.

В результате вычислений получим:

5,02 Н/см.

Волновое число возбуждающей линии найдем по формуле (2):

.

Исходя из этого

.

После вычислений получим:

338,1 нм.

На рисунке 1. видно, что красный спутник является результатом рассеяния света молекулами, которые находились в основном колебательном состоянии, а фиолетовый спутник — результатом рассеяния света возбужденными молекулами. Различие в интенсивности спутников обусловлено в основном различием в населенности состояний. Если не принимать во внимание влияние других факторов, то отношение интенсивностей фиолетового и красного спутников будет равно отношению населенностей. Поэтому с учетом формулы Больцмана получим:

.(4)

Принимая 300 K, после вычислений найдем:

0,031.

Ответ: 338,1; 0,031.

комбинационный рассеяние свет спектроскопия лекарственный

Заключение

В последние годы интенсивно изучаются особенности самого явления КРС. Исследователи подошли по существу к ряду новых явлений. К ним относятся: 1) резонансное КРС, состоящее в резком возрастании эффективного сечения рассеяния при приближении частоты возбуждающего излучения к полосе электронного поглощения вещества; 2) вынужденное КРС, состоящее в резком уменьшении ширины и увеличении интенсивности одной или нескольких линий КРС до значений, сравнимых с интенсивностью возбуждающего излучения; 3) гиперкомбинационное рассеяние света, состоящее в возникновении комбинационных спутников в области частоты второй оптической гармоники возбуждающего излучения; 4) гигантское КРС, состоящее в увеличении до 105−106 раз эффективного сечения рассеяния для ряда молекул, адсорбированных на шероховатой поверхности некоторых металлов; 5) когерентное антистоксово рассеяние, состоящее в резком увеличении интенсивности и угловой направленности сигнала рассеяния при возбуждении вещества одновременно двумя лазерными источниками света. Все эти явления открывают новые возможности для решения научных и практических задач и, несомненно, будут использованы в будущем.

В качестве одного из весьма перспективных направлений отметим так называемую микроскопию комбинационного рассеяния света, развиваемую в последние годы. Здесь работа идет по пути создания новых типов микроскопов, которые позволяют получать изображение микрообъектов «в свете» различных линий КРС. При этом можно различать такие детали микрообъектов, которые или вообще неразличимы, или плохо различимы в обычном микроскопе. В частности, с помощью различий в спектрах КРС открывается возможность отличать «здоровые» клетки от «больных» и устанавливать микроскопическую природу болезни; открываются возможности для получения данных об изотопическом составе веществ и микродефектах, а также о напряжениях в твердых телах. Большой интерес представляет направление, связанное с селективным разогревом в процессе вынужденного КРС колебательных степеней свободы твердых тел для катализа химических, биологических и даже ядерных процессов.

Таким образом, исследования комбинационного рассеяния света, начатые в XX столетии, прошли длинный путь от уникальных опытов в академических лабораториях до широкомасштабных экспериментов, имеющих большое практическое значение.

1. Ландсберг Г. С., Мандельштам Л. И. Новое явление при рассеянии света

2. В. Л. Гинзбург, И. Л. Фабелинский, «К истории открытия Комбинационного Рассеяния Света»

3. Гусева Е. В., Орлов Р. Ю. Спектроскопия комбинационного рассеяния света (Рамановская спектроскопия). Применение в минералогии и материаловедении

4. Гусева Е. В., Мельников Ф. П., Орлов Р. Ю., Успенская М. Е. Спектроскопия КР света для анализа газово-жидких включений

5. Сущинский М. М., Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов

6. Брандмюллер И., Мозер Г., Введение в спектроскопию комбинационного рассеяния света

7. Кольрауш К. «Спектры комбинационного рассеяния»