Lý sinh y học
PGS.TS. Trần Quang Huy
Email: huy.tranquang@phenikaa-uni.edu.vn
Chương 5: ÁNH SÁNG ĐỐI VỚI CƠ THỂ SỐNG
5.1 Bản chất vật lý của ánh sáng
5.2 Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống
5.3 Sinh tổng hợp sắc tố và vitamin
5.4 Mắt và dụng cụ bổ trợ
5.5 Ứng dụng của laze trong y học
5.1. Bản chất vật lý của ánh sáng
5.1.1 Thuyết sóng điện từ về bản chất ánh sáng
- Ánh sáng là bức xạ điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc 3x108 m/s v= λ.f
- Ánh sáng được chia làm 3 vùng:
+ Vùng tử ngoại: λ =200-400 nm (UVA, UVB, UVC)
+ Vùng khả kiến: 400-700 nm
+ Vùng hồng ngoại: 700 – 1000 nm
5.1.2 Thuyết lượng tử về bản chất ánh sáng -
Ánh sáng vừa có tính chất sóng (sóng, tần số…) vừa có tính chất hạt
(lượng tử ánh sáng hay photon) v= λ.f
Photon có khối lượng nhỏ hơn khối lượng điện tử khoảng 1 triệu lần
Mỗi photon mang một giá trị năng lượng:
E=hc/ λ (h = 6,626 x 10-34 J.s ->hằng số plank)
+ Ánh sáng tỉ lệ thuận với tần số và tỉ lệ nghịch với bước sóng. Cường độ
của một chùm sáng tỉ lệ với số photon phát ra trong một đơn vị thời gian
Năng lượng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn thì lớn hơn năng lượng ánh sáng có bước sóng dài
5.1.3 Hấp thụ ánh sáng và phát sáng
a) Hấp thụ ánh sáng
- Cường độ ánh sáng bị suy giảm sau khi đi qua môi trường vật chất có độ dày nào đó
- Định luật Bouguer-Lambert-Beer: Cường độ của một chùm sáng đơn sắc sau khi đi qua khỏi một lớp dung dịch có
chiều dày l, nồng độ C, sẽ bị giảm theo hàm mũ: I = I010-εɭC
ɛ = αlge: hệ số hấp thụ phân tử, hệ số này phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới với bản chất và nhiệt độ môi trường
- Mắt người có thể phân biệt được 300 màu sắc khác nhau, nhưng
chủ yếu hấp thụ 3 màu cơ bản: + Đỏ: λ = 600 nm + Xanh: λ = 550 nm + Chàm: λ = 450 nm
- Mỗi chất chỉ hấp thu cực đại ở một số bước sóng nhất định:
+ Quang phổ hấp thụ cực đại của protein: λ = 280 nm
+ Quang phổ hấp thụ cực đại của carotin: λ = 480 nm
+ Quang phổ cực đại của rodopxin: λ = 550 nm
b) Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát sáng
Phân tử sau khi hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên có mức năng lượng S1 hoặc
S2 đều có giá trị lơn hơn mức năng lượng ban đầu S0
Trong khoảng 10-8 s, phân tử ở mức năng lượng E2 phải giải phóng một phần năng lượng dư thừa
qua con đường thải nhiệt ra môi trường để trở về trạng thái kích thích có mức năng lượng thấp hơn là S1
Khi phân tử ở mức năng lượng S1 ->trở về mức năng lượng cơ bản S0 qua các con đường:
+ Tỏa nhiệt (đường 2, 3, 4)
+ Phát huỳnh quang (đường b)
+ Phát lân quang (đường c)
+ Vận chuyển năng lượng
+ Cung cấp năng lượng cho các phản ứng quang hóa
Hai dạng phát quang:
+ Thời gian kéo dài: 10-9 đến 10-8s + Sự phát huỳnh
quang chỉ xảy ra trong thời gian chiếu sáng mẫu vật, còn
khi ngừng chiếu sáng thì sự phát huỳnh quang sẽ tắt
+ Phổ lân quang luôn dịch chuyển về phía ánh
sáng có bước sóng dài hơn so với phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang
+ Sự phát lân quang kéo dài từ 10-4 - 10-2 s, lâu
hơn so với sự phát huỳnh quang + Khi đã tắt ánh
sáng chiếu nhưng sự phát lân quang vẫn xảy ra
5.2. Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống
- Tác dụng của ánh sáng đối với phản ứng sinh lý của sự sống
- Tác dụng quang động lực cơ bản lên hoạt động sống
-Tác dụng của tia tử ngoại và hồng ngoại lên cơ thể sống
- Bước sóng tia tử ngoại: 5.2.1 Tia tử ngoại 200 – 400 nm
+ Vùng sóng ngắn (UVC): < 280 nm => thay đổi cấu trúc protid, lipid và diệt trùng
+ Vùng sóng trung (UVB): 280 - 320 nm => chống còi xương, tạo sắc tố, thúc đẩy tạo biểu mô
+ Vùng sóng dài (UVA): 320 - 400 nm => tác dụng sinh vật yếu, gây phát quang một số chất hữu cơ
- Tử ngoại trị liệu là phương pháp vật lý trị liệu được
thực hiện bằng cách chiếu trực tiếp đèn tử ngoại
lên một vùng quy định với các công suất khác nhau.
- Tác dụng: điều trị cho trẻ em còi xương chậm lớn;
nâng cao sức đề kháng; điều trị
bệnh vảy nến, bệnh bạch biến. - Bước sóng tia hồng 5.2.2 Tia hồng ngoại ngoại: 700 nm– 1 mm
+ Hồng ngoại gần: 0,75 – 1,4 µm
+ Hồng ngoại bước sóng ngắn: 1,4 – 3 µm
+ Hồng ngoại bước sóng trung: 3 – 8 µm
+ Hồng ngoại bước sóng dài: 8 – 15 µm
+ Hồng ngoại xa: 15 µm – 1 mm - Chức năng: nhiệt nóng
- Tác dụng: giảm đau, giãn cơ, tăng cường lưu thông máu, ngoại vi. chống viêm; sưởi ấm.
+ Hỗ trợ điều trị một số bệnh cơ xương khớp như thoái hóa khớp; viêm khớp,
đau vai gáy, đau cột sống thắt lưng, đau thần kinh tọa, viêm gân; viêm cơ, giảm
co cứng cơ, làm nhanh liền sẹo vết loét...
5.3. Sinh tổng hợp sắc tố và vitamin
- Phản ứng sinh tổng hợp dẫn đến tạo thành trong tế bào các sắc tố và vitamin có tổn tại những phản ứng quang hóa
=> không có lượng tử ánh sáng, các chất này không tổng hợp được
- Năng lượng ánh sáng cần thiết để cung cấp năng lượng cho phản ứng chứ không dẫn đến dự trữ năng lượng
Ví dụ: Thiếu Vitamin D làm tăng nguy cơ nhuyễn xương, loãng xương và gãy xương; tim mạch, đái tháo đường;
rồi loạn chuyển hóa lipid máu…
- Có hai nguồn cung cấp Vitamin D chính cho cơ thể con người:
+ Từ ánh nắng mặt trời (nội sinh)
+ Từ chế độ ăn (ngoại sinh)
Ánh nắng mặt trời =>sản xuất vitamin D3; thức ăn =>vitamin D2. Nguồn chính của Vitamin D là tổng hợp ở da dưới ảnh
hưởng của bức xạ tia cực tím mặt trời B (UV-B): 80-90% và ~10-20% do chế độ ăn uống
5.4. Mắt và dụng cụ bổ trợ
5.4.1 Quang hình học của mắt
- Mắt: hình cầu, đường kính theo trục trước sau ~ 22 mm
- Cấu tạo: giác mạc, thủy dịch, lòng đen, thể thủy tinh, dịch thủy tinh, võng mạc
- Nguyên tắc hoạt động: như một máy chụp ảnh phim
+ Đồng tử: có bán kính thay đổi để điều chỉnh ánh sáng vào võng mạc
+ Võng mạc: lớp tế bào thần kinh thị giác (~ 7 tr tế bào nón và ~ 130 tr tế bào que)
+ Điểm vàng: tập trung các dây thần kinh thị giác. Nhìn thấy ảnh đúng điểm vàng
+ Thủy tinh thể: chiếp suất ~1,4, độ tụ 12-14 diop
Khi mắt nhìn một vật, ảnh thật của vật được tạo ra ở võng mạc. Ở võng mạc có điểm
rất nhỏ màu vàng là nơi nhạy sáng nhất gọi là điểm vàng V, điểm không nhạy cảm với
ánh sáng gọi là điểm mù
5.4.2 Các tật quang hình và dụng cụ bổ trợ chomắt
- Cận thị: nhìn gần => thấu kính phân kỳ - Lão thị: có cận điểm xa hơn và không rõ vật ở gần
=> thấu kính hội tụ thích hợp
- Viễn thị: nhìn xa => thấu kính hội tụ
- Loạn thị: ảnh hiện trên võng mạc bị nhòe => phối
hợp các thấu kính phù hợp 5.5.
Ứng dụng củ laze trong y học
5.5.1 Khái niệm về bức xạ cảm ứng
các hạt ở mức năng lượng cao
có thể chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn -> phát ra
photon có năng lượng tương ứng E= hf = Wcao -Wthấp
là sự chuyển dời mức
năng lượng của hạt dưới ảnh hưởng của trường bức xạ + Bức xạ cưỡng bức làm tăng số photon, tác dụng ngược lại
với sự hấp thụ và có khả năng khuyếch đại ánh sáng qua môi trường
+ Sự phóng photon cưỡng bức là nguồn gốc của chùm tia laser