SKRYPT WYKAAD WAAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE I MAGNETYCZNE MATERII ORAZ
ORGANIZMÓW ŻYWYCH
Pole magnetyczne
Stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające
moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest
przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia, w jakim znajduje się
obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego albo
obu. Pole magnetyczne jest polem wektorowym. Przyjęto umownie, że pole magnetyczne jest
skierowane od bieguna N do bieguna S magnesu. Pole magnetyczne można przedstawić graficznie za
pomocą linii sił pola. Są to linie, wzdłuż których ustawiają się igły magnetyczne umieszczone w polu
magnetycznym
Pole magnetyczne działa na poruszające się ładunki (prąd elektryczny) i charakteryzowane jest przez
wektory:
natężenia pola magnetycznego H
indukcji magnetycznej B
Oddziaływanie pola magnetycznego z pojedynczym ładunkiem opisuje wzór na siłę Lorentza.
gdzie:
q ładunek elektryczny cząstki (C),
E wektor natężenia pola elektrycznego ( V / metr),
B wektor indukcji magnetycznej (T),
v wektor prędkości cząstki (w m/s),
Siła Lorentza siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu
elektromagnetycznym
Indukcja magnetyczna- definiowana za pomocą siły F , która działa na cząstkę o ładunku q
B
poruszającą się w polu z prędkością v. Jednostką indukcji w układzie SI jest tesla (T).
gdzie:
F siła działająca na ładunek elektryczny w polu magnetycznym
q ładunek elektryczny
v prędkość ładunku
B wektor indukcji magnetycznej
Natężenie pola magnetycznego- H, wielkość wektorowa charakteryzująca pole magnetyczne,
natężenie pola magnetycznego związane jest z indukcją magnetyczną B równaniem:
H = B/ - I
o
gdzie:
I - wektor namagnesowania,
o - przenikalność magnetyczna próżni.
Natężenie pola magnetycznego wyraża się w układzie SI w [A/m]
Klasyfikacja magnetyków
Podstawą tego podziały jest wartość przenikalności magnetycznej
Diamagnetyki ( <1) - np. Zn, Au, Ag, P, umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym
magnesują się, przy czym zwrot wektora magnesowania, jest przeciwny do wektora natężenia
pola zewnętrznego (reguła Lenza). Do diamagnetyków należą m.in. wszystkie gazy szlachetne,
niektóre metale (cynk, złoto Zn, Au), niektóre niemetale (krzem, fosfor P).
Paramagnetyki ( >1 )- np. Al, 02 ,powietrze, pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego
następuje orientacja momentów magnetycznych wzdłuż kierunku przyłożonego pola. Większość
cząstek biologicznych ma właściwości diamagnetyczne, jednak na skutek działania wolnych
rodników , nabywają właściwości paramagnetycznych.
Ferromagnetyki ( e" 1) np. Fe, Ni, Co, zawierają domeny samorzutnego uporządkowania
momentów magnetycznych (lokalne pole).Pod wpływem zewnętrznego pola następuje sile ich
namagnesowanie. Ferromagnetyki to: żelazo, nikiel, kobalt
Działanie pola magnetycznego na organizmy żywe
Niejednorodne stałe pole magnetyczne (pol. NSPM) może powodować:
A) działanie magnetomechaniczne, porządkowanie dipoli lub wzbudzanie oscylacji w polu
magnetycznym struktur organizmu mających właściwości ferro-, dia- lub para-
magnetyczne.
B) działanie na poruszające się ładunki ; na transport jonów biologicznie aktywnych jonów
+ +
Ca2 oraz Na
C) działanie bioelektryczne i biochemiczne na błony i sieci neuronalne
D) Działanie bioenergetyczne (aktywacja procesów enzymatycznych i red-ox związanych z
przemianami ATP, pobudzanie metabolizmu komórkowego)
Pole magnetyczne zmienne indukuje prądy wirowe efekty rezonansowe w postaci otwierania i
zamykania kanałów jonowych (zwiększony wypływ wapnia z komórek nerwowych mózgu (indukcja pola
50-60 Hz)
Biomagnetyzm
Biomagnetyzm zajmuje się zjawiskami magnetycznymi w organizmach żywych koncentruje się na
kierunkach badań:
1. nanostruktur biomagnetycznych wprowadzanych do organizmu intencjonalnie, w celach
diagnostycznych lub leczniczych (kontrastowanie za pomocą NMR, lokalna terapia
magnetyczna, hipertermia)
2. magnetycznych właściwościach jonów i nanostruktur magnetycznych (jony Fe)
3. wpływie pól magnetycznych na organizmy żywe.
Odziaływanie pól o wysokiej częstotliwości : Hipertermia magnetyczna
Energia pochłonięta przez ciało powoduje wzrost temperatury który zależy od wartości energii
i zdolności termoregulacji. Metoda ta polega na wprowadzeniu do nowotworu cząstek magnetycznych
(albo przez układ krwionośny i naprowadzanie magnetyczne, albo przez zwykłe wstrzykniecie jedno lub
wieloigłowe), a następnie przyłożenie zmiennego pola magnetycznego o takiej amplitudzie i częstości,
żeby spowodować grzanie sie cząstek.
Wzrost temperatury zależy od właściwości cząstek (zwłaszcza składowej urojonej podatności
magnetycznej) oraz od amplitudy i częstości pola magnetycznego. Przy konkretnej terapii trzeba również
ocenić rodzaj i wielkość nowotworu. Na ogół wykorzystuje sie pola w zakresie częstości 100 1000 Hz.
Pojedynczy zabieg trwa ok. pół godziny, a zabiegi takie powtarza sie kilka-kilkanaście razy, przy czym
juz po jednorazowym zabiegu uzyskuje sie znaczne zmniejszenie aktywności metabolicznej nowotworu.
Hipertermia magnetyczna wykorzystuje dużą wrażliwość komórek nowotworowych na
podwyższenie temperatury (43-47C)
Gdy temperatura zostanie podniesiona do temperatury 45 55 C, mówimy o ablacji
magnetycznej.
Lokalna terapia magnetyczna
Nanocząstki magnetyczne z lekami wprowadza się do organizmu za pomocą:
gradientu pola magnetycznego
układu krwionośnego
cieczy magnetycznej wstrzykniętej w wybrane obszary
Cząstki utrzymuje się w zmienionych chorobowo tkankach, za pomocą pola
magnetycznego.
Nanocząstki magnetyczne jako nośniki leku tworzą z nim kompleks. Kompleks wprowadza się w
wybrane obszary zmienione chorobowo. Cząstki utrzymuje się w zmienionych chorobowo tkankach za
pomocą pola magnetycznego do końca terapii tj do czasu gdy wszystkie cząsteczki leku się uwolnią, a
następnie usuwa się je z organizmu, również za pomocą gradientu pola.
Inne zastosowanie to separacja immunomagnetyczna wiązanie szkodliwych molekuł np. trucizn
przez inne molekuły organiczne związane z nanocząsteczkami -ligandami magnetycznymi. Zasada taka
sama jak przy terapii magnetycznej wprowadzanie i utrzymywani cząstek za pomocą pola
magnetycznego. Obecnie tworzy się kompleksy metaloorganiczne w procesie chelatowania
kompleksy ferrioksaminy (chelator żelaza) wprowadzanie biopierwiastków do organizmu
Biomagnetyzm- magnetyczne właściwościach jonów i nanostruktur
Żelazo to najważniejszy pierwiastek magnetyczny. Jego stężenie w organizmach żywych jest ponad
stukrotnie większe niż innych pierwiastków. Występuje ono w trzech głównych formach:
1) jako żelazo metabolicznie aktywne ( hem; 3/4 całej zawartości żelaza), występujące w
hemoglobinie
2) jako żelazo transportowe, związane z białkami transferyny,
3) jako żelazo zmagazynowane w formie ferrytyny
Z e l a z o me t a b o l i c z n i e a k t ywn e ( h e m) znajduje sie w krwinkach czerwonych, a w
szczególności jest związane z białkami hemoglobiny (Hb).
Ferrytyna gromadzona jest głównie w takich organach, jak wątroba, śledziona, mózg i serce. Wykazuje
właściwości superparamagnetyczne, związane z fluktuacjami termicznymi- bada się związki pomiędzy
biogenicznymi związkami żelaza a występowaniem stanów chorobowych badano liofilizowane próbki
ludzkiego mózgu po namagnesowaniu w polu przy indukcji 0,1 Tesla w temp 3-400 K
Transferyna wykazuje dość silne właściwości magnetyczne, para atomów Fe3+ tworzy dipol
magnetyczny, wytwarzający pole magnetostatyczne co powoduje zwiększenie aktywności biologicznej
kompleksów transferryny.
Magnetoforeza w zawiesinach magnetycznych
Gradienty pola magnetycznego uzyskuje się za pomocą:
magnesów trwałych
elektromagnesów
domen magnetycznych
Domeny magnetyczne spontaniczne namagnesowane obszary w ferromagnetykach w których
występuje uporządkowanie momentów magnetycznych
Ściany domenowe są zródłem pól magnetycznych, które przyciągają cząsteczki magnetyczne. Jeśli
zostanie przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne, to domeny, których kierunek jest najbardziej
zbliżony do kierunku pola zaczną zwiększać swoją objętość kosztem innych domen - proces
namagnesowania
Przenikalność magnetyczna - zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany indukcji magnetycznej
pod wpływem natężenia pola magnetycznego. Im większe domeny tym łatwiej namagnesować materiał
w ich kierunku i tym większa jest przenikalność magnetyczna takiego materiału. Różną przenikliwość
mają ferromagnetyki czy para i diamagnetyki
Pole elektryczne
Polem elektrycznym nazywamy stan przestrzeni, w której na ładunek działa siła
Linie sił pola elektrycznego wytworzonego przez dwa ładunki różnych znaków. Do obrazowego
przedstawienia pola elektrycznego używa się linii sił pola elektrycznego. Są to linie, które w każdym
punkcie przestrzeni są styczne do wektora siły działającej w tym polu na dodatni ładunek próbny. Pole
elektryczne opisuje wektor natężenia pola elektrycznego E.
E = F/q
gdzie:
F -siła pola elektrycznego
q - wartość ładunku
Właściwości elektryczne i magnetyczne substancji w różnych stanach skupienia
Przenikalność elektryczna wielkość fizyczna charakteryzująca właściwości elektryczne środowiska,
oznaczana grecką literą (epsilon). Zależna jest od rozkładu przestrzennego ładunków związanych
w atomach lub cząstkach oraz od stopnia ich zdolności do wzajemnego przesuwania się w polu
elektrycznym
Konduktywność (przewodnictwo właściwe), to wielkość fizyczna charakteryzująca przewodnictwo
elektryczne materiału. O konduktywności substancji decydują: rodzaj i stężenie występujących w niej
ładunków swobodnych oraz warunki ich ruchu po przyłożeniu pola elektrycznego
Zachowanie atomów, cząsteczek i jonów pod wpływem pola elektrycznego- dielektryki
a) zachowanie się atomu w polu elektrycznym Atom jako
dielektryk- po umieszczeniu obojętnego atomu w polu
elektrycznym następuje przesunięcie geometrycznego środka
ładunku ujemnego powłok elektronowych względem dodatniego
ładunku jądra. W atomie powstaje indukowany dipol elektryczny a
samo zjawisko nosi nazwę polaryzacji elektronowej Przy
polaryzacji elektronowej atomy w dielektryku nie zmieniają swych
położeń, a jedynie ulegają deformacji ich powłoki. Na
przeciwległych końcach próbki pojawiają się różnoimienne ładunki
elektryczne.
b) Jeżeli dielektryk zbudowany jest z cząsteczek wówczas
pojawia się indukowany dipol cząsteczkowy, a tego typu
polaryzacja nazywa się polaryzacją atomową.
c) Jony różnych znaków mogą wypełniać jakąś przestrzeń
zamkniętą np. komórkę roślinną czy zwierzęcą. Błona komórkowa
uniemożliwia wyjście jonów poza komórkę. W polu elektrycznym
jony różnych znaków ulegają rozsunięciu i gromadzeniu się w
przeciwległych krańcach komórki. Ten rodzaj polaryzacji
nazywamy polaryzacją jonową- międzyprzestrzenną Biofizyka Podręcznik Dla Studenta Feliks
Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa
Przewodniki jonowe- Elektroosmoza
Elektroosmoza to zjawisko elektrokinetyczne polegające na przepływie cieczy przez przegrodę porowatą
pod wpływem przyłożonego napięcia do elektrod, zanurzonych w roztworze po obu stronach przegrody
Przewodnikami jonowymi mogą być ciecze oraz ciała stałe krystaliczne i bezpostaciowe.
Do ciekłych przewodników jonowych zaliczamy roztwory kwasów, zasad i soli, oraz sole i
wodorotlenki metali alkalicznych.
Ciałami stałymi o budowie krystalicznej, a przewodzącymi jonowo są halogenki metali alkalicznych
(KCl, NaCl, KBr, KI), a także halogenki niektórych innych metali (PbCl2)
Bezpostaciowymi ciałami stałymi o przewodnictwie jonowym jest np. szkło i mieszaniny różnych
tlenków w formie sprasowanej.
Przewodniki jonowe elektroforeza
ż Elektroforeza polega na ruchu naładowanych cząstek koloidowych względem nieruchomego
ośrodka dyspersyjnego pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.
ż Elektroforeza znajduje praktyczne zastosowanie w klinicznym badaniu składu białkowego
surowicy krwi.
Elektroforeza żelowa- Ośrodkiem w którym przemieszczają się cząstki jest żel; agarozowy,
poliakrylamidowy. Cząsteczki ruchliwsze (zazwyczaj mniejsze) oddalają się szybciej od miejsca
naniesienia próbki. Przebieg elektroforezy można monitorować nanosząc specjalne barwniki (tzw.
markery) o znanej mobilności elektroforetycznej.
Elektroforeza kapilarna- Rozdział mieszanin prowadzony jest w cienkiej i długiej kapilarze kwarcowej,
przypominającej z wyglądu światłowód. Kapilara ta wypełniana jest buforem i żelem. Do wlotu kapilary
przykładane jest wysokie napięcie elektryczne (do 30 kV). a wylotu zamontowany jest detektor, który
rejestruje wychodzenie z rurki kolejnych związków chemicznych
Przewodność elektryczna- Dyspersja
Dyspersja - zależność częstotliwościowa, przewodności i przenikalności elektrycznej występuje
dla wszystkich rodzajów tkanek
W polach o stałych i niskich częstotliwościach występują wszystkie rodzaje polaryzacji, ale dominuje
polaryzacja jonowa, która sprawia, się komórka staje się dużym dipolem elektrycznym. Na skutek
dużego oporu elektrycznego błony dochodzi do separacji jonów we wnętrzu komórki, zostaje
indukowany silny dipol. Z tego powodu wartość przenikalności elektrycznej ( tj wielkość
charakteryzująca właściwości elektryczne środowiska ) jest bardzo duża. Prawie wszystkie linie
prądu omijają komórkę.
Ze wzrostem częstotliwości efekt ten stopniowo maleje. Przy odpowiednio wysokich częstotliwościach
(około 20MHz) opór błony maleje zawiera praktycznie opór warstwy lipidowej i substancja
wewnątrzkomórkowa bierze udział w przewodzeniu prądu. Polaryzacja jonowa komórki całkowicie
zanika. Linie prądu przechodzą przez komórkę przenikliwość eklektyczna mała
Błona komórkowa jako elektryczny układ zastępczy
Podstawowe parametry obwodów elektrycznych opisujące przewodzenie sygnałów elektrycznych w
układach biologicznych to:
potencjał elektryczny,
natężenie prądu,
opór elektryczny
W obszarze o grubości około 1 m wokół błony istnieje warstwa ładunków ujemnych wewnątrz komórki i
warstwa ładunków dodatnich na zewnątrz.
Różnicę potencjałów pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną stroną błony można zmierzyć umieszczając
szklane mikroelektrody
Model elektryczny błony komórkowej błona jako kondensator
Błona komórkowa posiadająca po obu stronach ładunki przeciwnych znaków zachowuje się podobnie
jak kondensator. Przewodnictwo elektryczne całej błony komórkowej zależy od liczby otwartych kanałów
i oporu elektrycznego pojedynczego kanału:
G = N/R
gdzie:
G= przewodnictwo elektryczne błony
N= liczba otwartych kanałów
R- opór elektryczny pojedynczego kanału
Komórki są zródłem siły elektromotorycznej (SEM) powstającej na skutek wędrówki jonów
przez błonę.
Przesunięcia jonów wywołują powstanie różnicy potencjałów elektrycznych, wywołując
impuls prądu elektrycznego,
Wyróżnia się potencjały spoczynkowe i tzw. potencjały czynnościowe towarzyszące
impulsom prądu.
+ + -
Decydującą rolę w generowaniu zjawisk elektrycznych w komórkach odgrywają jony K , Na , Cl oraz
2+ + - +
Ca Stężenie jonów Na i Cl jest wyższe na zewnątrz komórki, natomiast stężenie jonów K i anionów
organicznych jest wyższe wewnątrz komórki.
Pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną stroną błony komórkowej panuje różnica potencjałów elektrycznych.
Istnienie tej różnicy wynika z faktu, że błony lipidowe występujące w komórkach są dobrymi
izolatorami
+
ż Błona komórkowa jest przepuszczalna tylko dla jonów K , osiągnięty w ten sposób potencjał
równowagi; jest to także potencjał spoczynkowy komórki.
+
Wartość potencjału błonowego Vk, przy którym jony K są w równowadze (potencjał
równowagi), można obliczyć z równania wyprowadzonego w 1888 roku przez Nersta
+
RT [K ]z
VK = ln
+
F [K ]w
gdzie:
-1 -1
R stała gazowa równa 8,314 JK mol
+
T temperatura(K); z stężenie jonów K znajdujących się po zewnętrznej stronie błony ; w -stężenie
+
jonów K wewnątrz
-1
F stała Faradaya równa 96485 Cmol
Współdziałanie pola magnetycznego i elektrycznego -Zjawisko Halla
Polega na wystąpieniu różnicy potencjałów w przewodniku, w którym płynie prąd elektryczny, gdy
przewodnik znajduje się w polu magnetycznym. Napięcie to, zwane napięciem Halla, pojawia się
między płaszczyznami ograniczającymi przewodnik.
Współdziałanie pola magnetycznego i elektrycznego Prądy wirowe
To prądy elektryczne tworzące się indukcyjnie w przewodniku pod wpływem zmian zewnętrznego
pola magnetycznego. Zmiana prądu w uzwojeniu, zmienia strumień przenikający rdzeń, indukując
w nim SEM. Pod jej wpływem płyną właśnie prądy wirowe.
Powstanie pola elektromagnetycznego promieniowanie elektromagnetyczne
Promieniowanie elektromagnetyczne
To fala elektromagnetyczna rozchodząca się w przestrzeni jako zaburzenie pola elektromagnetycznego.
Drgające pola magnetyczne i elektryczne (w płaszczyznach do siebie prostopadłych) przyczyniają się do
powstania fali elektromagnetycznej
Promieniowaniem elektromagnetycznym o różnej długości fali, są fale radiowe, mikrofale,
podczerwień, światło, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.
Widmo- to uporządkowany zbiór możliwych przejść energetycznych w atomach, cząsteczkach, lub
otrzymany eksperymentalnie obraz tych przejść
Mechanizmy powstawania widma:
Absorpcyjne - określa jaka część energii promieniowania została pochłonięta przez próbkę przy
danej długości fali
Emisyjne - określa ilość energii promieniowania wyemitowanego przez próbkę przy danej
długości fali
Rozpraszania - określa ilość energii promieniowania rozproszonego przez próbkę przy danej
długości fali
Promieniowanie elektromagnetyczne i jego zródła
Głównym zródłem naturalnego pola elektrycznego i magnetycznego jest Ziemia oraz
promieniowanie kosmiczne.
Sztuczne zródła:
odbiorniki TV i monitory komputerowe
kuchenki mikrofalowe
telefony bezprzewodowe i komórkowe
bramki w przejściach sklepów
pociągi, tramwaje, samochody
anteny nadawcze radiostacji
Czynniki wpływające na oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego
Odległość od zródła pola im dalej przebywamy od zródła, tym jego oddziaływanie jest
mniejsze
Natężenie pola elektromagnetycznego mniejsze natężenie pola elektromagnetycznego
słabiej wpływa na człowieka
Kształt zmian pola elektromagnetycznego w funkcji czasu kształt sinusoidalny
dobrze tolerowany przez człowieka kształt niesinusoidalny (skokowy)- znacznie gorzej
tolerowany
Sumaryczny czas oddziaływania różnych zródeł może okazać się nieobojętny dla
naszego organizmu.
Fala czy cząstka?
Promieniowanie elektromagnetyczne można traktować zarówno jako falę
elektromagnetyczną, bądz też jako strumień fotonów.
Zjawisko to nazywane jest dualizmem korpuskularno falowym.
Wpływ promieniowania elektromagnetycznego na komórki
Badając przewodnictwo komórki trzeba należy brać pod uwagę właściwości poszczególnych jej
elementów:
cytoplazma wykazuje cechy złożonego elektrolitu; przewodność cytoplazmy wynosi około
-1 -1 -1
5*10 m
błona komórkowa jest izolatorem, decyduje o tym warstwa lipidowa. Pojemność błony
-4 -6 -1 -1
komórkowej wynosi około 10 -10 * m
pozostałe elementy morfotyczne wykazują cechy półprzewodników
Działanie pól elektromagnetycznych na żywe organizmy
Działanie pola elektromagnetycznego na organizmy żywe można podzielić na:
skutki nie termiczne
skutki termiczne
Reakcje organizmu i poszczególnych organów zależą od:
ilości pochłoniętej energii
miejsca pochłonięcia energii
zakresu częstotliwości pola elektromagnetycznego
Skutki nietermiczne
bóle i zawroty głowy
zaburzenia pamięci
dolegliwości sercowe
szybkie zmęczenie
mogą być promotorami procesu nowotworowego
martwice tkanek
zmiany degeneracyjne w komórkach
W analizie wpływu pola elektromagnetycznego na tkanki ważna jest ocena głębokości wnikania pola
dla różnych zakresów częstotliwości oraz współczynnik absorpcji swoistej (ang. SAR; Specific
Absorption Rate).
gdzie:
1 - przewodność elektryczna
E - wartość szczytowa pola
- gęstość próbki.
współczynnik absorpcji swoistej (ang. SAR; Specific absorption rate) jest miarą szybkości, z jaką energia
jest pochłaniana przez ciało człowieka podczas gdy jest narażone na działanie fal radiowych pola
elektromagnetycznego. Jest definiowana jako moc absorbowana przez masę tkanek ciała ludzkiego, a
jej jednostką jest wat przez kilogram (W/kg)[2].
Skutki termiczne-diatermia
diatermia krótkofalową stosowane są pola magnetyczne i elektryczne o częstotliwości:
ż 13,56 i 27,12 MHz i odpowiednio długości fal 22,12 i 11,95 m
ż 40,68 MHz i długości fali 7,38m
Przegrzanie tkanek pod wpływem pola elektrycznego/magnetycznego o wysokiej częstotliwości.
Wyróżnia się:
I. metodę kondensatorową (wykorzystanie pola elektrycznego, przegrzewanie tkanek gorzej
przewodzących, kości)
II. metodę indukcyjną (wykorzystanie pola magnetycznego; skóra, tkanka tłuszczowa).
Przegrzanie zależy od :
układu linii sił pola
właściwości tkanek
stosunku wielkości zastosowanych elektrod do wielkości przegrzewanego obiektu
Stosując elektrody mniejsze i położone bliżej od obiektu można uzyskać przegrzanie
powierzchniowe.
Asymetryczne przegrzania elektrodami większymi (lub o niejednakowej wielkości) dalej oddalone
od obiektu przegrzanie głębokie
Zastosowanie diatermii krótkofalowej:
podostre i przewlekłe stany zapalne
zabieg przygotowujący tkanki do ćwiczeń
rozszerzenie naczyń krwionośnych
przyśpieszenie procesów wchłaniania tkankowego
przyśpieszenie komórkowej przemiany materii
wzrost liczby leukocytów w tkankach ogrzewanych
diatermia mikrofalową- stosowane są fale elektromagnetyczne
ż decymetrowe o częstotliwości 433,92 i 460,00 MHz) i długości fali 69,0 i 65,17 cm
ż centymetrowe o częstotliwości 2375,0 i 2425,o MHz długości fal 12,62 i 12,40 cm)
Wskazania do zastosowania diatermii mikrofalowej nie różnią się zasadniczo od wskazań w przypadku
diatermii krótkofalowej jednakże dodatkowo stosuje się ją w przypadku:
nerwobóli
zwyrodnienia kręgosłupa
w przewlekłych stanach zapalnych narządu rodnego
Przedstawione rodzaje diatermii mogą oddziaływać na tkanki w trojaki sposób:
w postaci pola elektrycznego wysokiej częstotliwości (A) jako kondensator
w postaci pola magnetycznego wysokiej częstotliwości zawartego wewnątrz zwojnicy (B)
w postaci fal elektromagnetycznych, emitowanych przez promiennik (C)
Zagrożenia wtórne działania pola elektromagnetycznego
W przypadku oddziaływania pola elektromagnetycznego na organizm istotne są także zagrożenia
wtórne, które przekazywane są przez instalacje metalowe, spełniające rolę przypadkowych anten.
Zagrożenia takie mogą powodować np.
obiekty radio-telewizyjne
instalacje metalowe stacji paliw
żurawie budowlane
Długotrwałe oddziaływanie pola elektromagnetycznego kumuluje się:
" działanie mutagenne (złamania chromosomów, nondysjunkcja)
" obniżenie płodności samic
" zaburzenia rozwoju zarodkowego u kręgowców
Pole elektromagnetyczne PEM
Pole elektromagnetyczne (PEM) rozumiane jest jako pole elektryczne, magnetyczne o częstotliwościach
od 0Hz do 300GHz. Sztuczne PEM wielokrotnie przekraczają poziomy naturalnego pola ziemskiego.
yródłami PEM są:
stacje i sieci elektryczne
stacje radiowo-telewizyjne
stacje przekaznikowe telefonii bezprzewodowej, a także same telefony
instalacje i urządzenia elektryczne używane w przemyśle, znajdujące się w budynkach
użyteczności publicznej i mieszkalnych
Urządzenia wytwarzające PEM dzielimy na:
1. Emitujące niepożądane PEM
wytwarzające i przesyłające energię elektryczną (generatory w elektrowniach, linie i stacje
elektroenergetyczne,
urządzenia, których elementy składowe emitują PEM (np. magnesy w głośnikach, silniki
w maszynach, układy wytwarzające obraz na ekranie monitora itp).
2. Emitujące PEM celowo - wykorzystują energię elektromagnetyczną.
łączność (telefonia przewodowa i komórkowa),
przemysł (piece indukcyjne, wanny galwaniczne itp.),
nauka (akceleratory, EPR, rozdzielanie cząsteczek itd.)
gospodarstwa domowe (kuchenki mikrofalowe czy alarmy mikrofalowe.
Wykorzystanie w medycynie:
elektrochirurgii (chirurgia naczyniowa, laryngologia)
diagnostyce (np. aparaty do obrazowania rezonansem magnetycznym, NMR, EPR)
fizykoterapii (aparaty do nagrzewania pojemnościowego, indukcyjnego, diatermie
mikrofalowe, aparaty do leczenia stałym i modulowanym polem magnetycznym).
Wpływ PEM na organizm człowieka
W przypadku pól elektrycznych głównymi biofizycznymi mechanizmami efektów biologicznych wydają
się być:
1. Działanie siły elektrycznej na cząstki obdarzone ładunkami
2. Indukowanie dodatkowego potencjału na błonach komórkowych.
Zamiana promieniowania elektromagnetycznego w ciepło
Proces wymiany ciepła:
przejmowanie ciepła z ośrodka cieplejszego
przewodzenie ciepła przez przegrodę
oddawanie ciepła do ośrodka cieplejszego
Rozpatruje się następujące trzy sposoby wymiany ciepła:
przewodzenie ciepła
konwekcja
promieniowanie
Wymiana ciepła przez promieniowanie odbywa się za pośrednictwem fal elektromagnetycznych
Następuje dwukrotna zamiana postaci energii, tj. cieplnej na elektromagnetyczną na powierzchni
ciała podczas jej pochłaniania i emisji.
Zdolność materiału do wypromieniowywania i pochłaniania ciepła charakteryzuje współczynnik
promieniowania C materiału (Co wsp. promieniowania ciała absolutnie czarnego = 5,77 W/m).
Urządzenia, w których następuje konwersja promieniowania słonecznego w ciepło nazywamy
kolektorami
Spektroskopia UV-Vis
Spektroskopia - dział nauki zajmujący się interpretacją widm powstających w wyniku oddziaływań
wszelkich rodzajów promieniowania na materię. W wyniku oddziaływań cząsteczki z promieniowaniem
następuje zmiana jej energii "E, co zgodnie z postulatem Bohra można zapisać równaniem:
"E= Ek-Ep=hv
Ek > Ep to "E>O ą następuje absorbowanie promieniowania przez cząsteczkę materii
Ek < Ep to "E
Ek i Ep- energia cząsteczki w stanach końcowym i początkowym
h- stała Plancka
Metoda ta wykorzystywana jest w :
analizie struktury związków organicznych
analizie ilościowej substancji
odróżnieniu układów wiązań sprzężonych od niesprzężonych
identyfikacji izomerów geometrycznych cis i trans
Foton- jest to najmniejsza ilość energii promienistej, która może zostać zaabsorbowana lub
wyemitowana. Inaczej kwant energii. Energia fotonu zależy od:
częstotliwości v
długości fali
hv = h * c/
hv = h * c/
h- stała Plancka
c- prędkość światła
- długość fali
Przejścia elektronowe w cząsteczkach
Całkowita energia cząsteczki jest sumą energii:
elektronowej
oscylacyjnej
rotacyjnej
E el>>E osc>> E rot
Stosunek wartości poszczególnych rodzajów energii jest w przybliżeniu następujący:
Ee : Eos : Erot = 1000 : 10 : 1
energia oscylacyjna - stanowi ją energia ruchu drgającego jąder. Drgania te to oscylacje wokół
położenia równowagi, mogą zachodzić na sposób zmiany długości wiązań lub też kątów między
wiązaniami. W trakcie oscylacji energia oscylacyjna przechodzi z postaci energii kinetycznej w energię
potencjalną i odwrotnie. Energia oscylacyjna dotyczy tylko cząsteczek, nie maja jej natomiast
pojedyncze atomy.
energia elektronowa - jest to energia kinetyczna i potencjalna związana z ruchami elektronów zarówno
w polu jądra jak i innych elektronów.
energia rotacyjna- jest energią kinetyczną z powodu rotacji obiektu i jest częścią jego całkowitej energii
kinetycznej
zmiany energii rotacji, powstają na skutek pochłonięcia kwantów promieniowania z
zakresu dalekiej podczerwieni
przejścia pomiędzy poziomami oscylacyjnymi powstają po pochłonięciu promieniowania
z zakresu bliskiej podczerwieni
zmiany energii elektronowej może wywołać tylko zaabsorbowanie promieniowania z
zakresu widzialnego i nadfioletu.
Przejścia elektronowe mogą być przypisane rożnym przejściom w zależności od zaangażowanych
orbitali, takich jak
Ą -> Ą* (w alkenach lub benzenie)
n ->Ą* (w keto grupach)
W zależności od symetrii orbitali molekularnych, przejścia są dozwolone (duża intensywność) lub
zabronione (mała intensywność).
Prawa absorpcji
Jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego o natężeniu Io pada na substancję, to tylko część
promieniowania przechodzi przez wiązkę, a pozostała część może ulegać:
odbiciu
rozproszeniu
absorpcji
I = I + I + I + I
o od r p
Io- natężenie światła padającego
Iod- odbitego
Ir- rozproszonego
Ip- pochłoniętego
I- przechodzącego
I prawo absorpcji
Spadek natężenia promieniowania zależy od warstwy absorbujących cząsteczek ośrodka, przez który
przechodzi wiązka promieniowania. Kolejne warstwy takich samych cząsteczek absorbują taką
samą część energii promieniowania, co można zapisać
dI- część natężenia padającego promieniowania I, która zostaje zaabsorbowana wskutek przyrostu
liczby cząsteczek absorbujących dn
Zamiast liczby cząsteczek absorbujących wygodniej jest wprowadzić długość drogi promieniowania
(grubość warstwy pochłaniającej) l :
Zatem natężenie przechodzącego promieniowania monochromatycznego zmniejsza się
wykładniczo z wzrostem grubości warstwy
-kl
I= I e
o
I-natężenie światła przechodzącego,
Io- padającego
e- podstawa logarytmu naturalnego,
k- współczynnik absorpcji,
l- grubość warstwy pochłaniającej,
c- stężenie cząsteczek absorbujących
II prawo absorpcji
Jeśli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to wiązka promieniowania
monochromatycznego, po przejściu przez jednorodny roztwór substancji absorbującej o stężeniu c,
ulega osłabieniu według równania:
-klc
I= I e
o
Ostatecznie:
Jeśli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania
monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalny do
stężenia roztworu c i do grubości warstwy absorbującej l.
II prawo absorpcji
Jeżeli w roztworze znajduje się mieszanina substancji o absorbancjach A1 & . An to absorpcja jest
addytywna; równa sumie absorbancji jej poszczególnych składników (tylko wtedy gdy poszczególne
składniki nie oddziałują ze sobą).
A= A1+A2+A3& +An =(1c1+ 2c2+ 3c3+& .+ ncn ) x I
-współczynnik absorpcji
C stężenie
I grubość warstwy absorbującej
Ważniejsze współczynniki opisujące prawa absorpcji
Współczynnik absorpcji a (absorpcja właściwa)- jest charakterystyczna dla danej
substancji w określonym rozpuszczalniku, zależy od długości fali. Określa absorpcję po
przejściu przez warstwę roztworu o stężeniu 1 g* dm-3 o grubości l=1cm. Współczynnik a
3 -1 -1
jest wielkością niezależną od stężenia. Jednostka: (dm *g *cm )
Molowy współczynnik absorpcji - jest znacznie bardziej użyteczny. Również jest
wartością stałą charakterystyczną dla danej substancji w danym rozpuszczalniku. Można go
-3
obliczyć z równania jeżeli stężenie c wyrażone jest w mol*dm
= A/l*c
A- absorbancja,
l- grubość warstwy pochłaniającej,
c- stężenie cząsteczek absorbujących
Odchylenia od prawa Bouguera-Lamberta-Beera
1. Dysocjacja- forma zdysocjowania oraz niezdysocjowana mają różne długości fali.
2. pH środowiska- dobrym przykładem jest fenoloftaleina, w zależności od pH związek może
mieć różną barwę i absorbować promieniowanie przy innych długościach fali
3. Sprzężenie- związki sprzężone a niesprzężone mogą absorbować promieniowanie przy różnych
długościach fal
4. Czas- wraz ze wzrostem czasu, związki mogą ulegać rozkładowi, zmieniać swoją barwę lub
tracić swoją aktywność. Może to powodować absorbowanie promieniowania przez cząstki przy
różnych długościach fal
5. Temperatura- wzrost temperatury może działać bardzo podobnie jak czas.
Chromofory
Absorpcja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie 200-800 nm (bliski) spowodowana jest
obecnością w cząsteczce pewnych ugrupowań nienasyconych ą chromoforów.
Są nimi układy zawierające wiązania podwójne, potrójne i sprzężone układy takich wiązań, a także
wiązania z heteroatomami.
Przyłączenie do pasma pochodzącego od chromoforu grupy nasyconej wpływa zarówno na położenie
jak i na intensywność maksimum absorpcji. Są to tzw. auksochromy (grupy elektrodonorowe) i należą
do nich np.:
> -OH > CH3 > OCH3
> NH2 > Cl, Br, J
W cząsteczce mogą występować także antyauksochromy tzw podstawniki drugiego rodzaju. Należę do
nim m.in. grupy:
> COOH > NO2
> CHO > COO3
" Auksochromy - obserwowane jest przesunięcie pasma w stronę fal dłuższych ą przesunięcie
batochromowe -> wzrost natężenia intensywności absorpcji pasma ą efekt hiperchromowy
" Przy antyauksochromach występuje przesunięcie w kierunku fal krótszych ą przesunięcie
hipsochromowe następuje spadek intensywności absorpcji ą efekt hipochromowy.
"
Przesunięcie Stokesa
Przesuniecie Stokesa (Stokes Shift) jest to przesuniecie maksimum pasma absorpcji względem pasma
emisji dla tego samego stanu wzbudzonego.
Postulaty Bohra
I postulat
Zamiast nieskończonej liczby orbit, które dozwolone są z punktu widzenia mechaniki klasycznej, elektron
może poruszać się tylko po takich orbitach, dla których orbitalny moment pędu L spełnia warunek:
L= n *h
n=1,2,3& .
h -stała Plancka podzielona przez 2Ą.
II postulat
Przy przejściu elektronu z jednej orbity na drugą atom zmienia się jego energia, wysyła promieniowanie
(foton).
E2 i E1 energie elektronu, odpowiednio, końcowa i początkowa, h stała Plancka, v- częstotliwość
fotonu.
Spektroskopia mikrofalowa (rotacyjna) MW
-1
Obejmuje obszar częstości od 3GHz do 300GHz czyli od 0.1 do 10 cm
Energia przejść rotacyjnych odpowiada obszarowi mikrofalowemu w widmie promieniowania
elektromagnetycznego
Pozwala bardzo dokładnie oznaczać długości wiązań oraz momentów dipolowych
cząsteczek.
Podstawy fizyczne Magnetycznego Rezonans Jądrowego (ang. Nuclear Magnetic Resonance)
rezonans magnetyczny jądrowy, Nuclear Magnetic Resonance (NMR), selektywne, rezonansowe
pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego (z zakresu fal radiowych) przez mające różny od
zera moment magnetyczny jądra atomowe ciał znajdujących się w stałym polu magnetycznym
rezonans paramagnetyczny elektronowy, ang. Electron Paramagnetic Resonance (EPR), fiz.
rezonansowe pochłanianie promieniowania o częstotliwości mikrofalowej przez substancje zawierające
cząstki mające stały moment magnetyczny (cząsteczki, rodniki, atomy, jony)
Spin jądrowy można sobie wyobrazić jako rotację jądra wokół własnej osi. Jest on związany z
wewnętrznym momentem pędu jądra.
Podstawą zjawiska NMR jest oddziaływanie spinów jądrowych z polami magnetycznymi:
stałym polem magnetycznym , które jest wytwarzane magnesami
zmiennymi polami magnetycznym i lokalnymi generowanymi przez sąsiednie jądra atomów
oraz związane z nimi elektrony.
Dodatkowym zjawiskiem, bez którego zjawisko NMR nie miałoby miejsca, jest tzw. precesja
Larmora, będąca ruchem wektora magnetyzacji wokół pola magnetycznego.
W zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji B wektor momentu magnetycznego cząstki naładowanej
wykonuje obrót spinu wokół wektora B (precesja Larmora)
Elektron orbitalny ma własności magnetyczne (jest dipolem magnetycznym ).
Energię cząstki mającej moment magnetyczny wylicza się
x x x
x x x
EJ = ł J h B
EJ = ł J h B
J liczba kwantowa momentu pędu
J liczba kwantowa momentu pędu
stała dla elektronu
stała dla elektronu
Pochłanianie rezonansowe energii zachodzi tylko wtedy gdy energia precesji spełnia warunek: hv =
hv =
x x
x x
delta E = ł h B I warunek rezonansu
delta E = ł h B I warunek rezonansu
Spektroskopia ta polega na wzbudzaniu spinów jądrowych znajdujących się w zewnętrznym polu
magnetycznym poprzez szybkie zmiany pola magnetycznego, a następnie rejestrację promieniowania
elektromagnetycznego powstającego na skutek zjawisk relaksacji, gdzie przez relaksację rozumiemy
powrót układu spinów jądrowych do stanu równowagi termodynamicznej.
Wyróżniamy dwa typy relaksacji:
T1 - odzwierciedla oddziaływanie spinów jądrowych z siecią
T2 - odzwierciedla oddziaływanie spinów jądrowych między sobą
WIDMO NMR wykres ilości kwantów energii promieniowania elektromagnetycznego pochłanianego
przez próbkę w funkcji częstotliwości tego promieniowania.
Do obserwacji rezonansu wykorzystuje się dwa rodzaje pola magnetycznego:
- pole stałe o indukcji B0 zródłem są magnesy
- zmienne pole B1 o częstości radiowej - wytwarzane przez generator o częstości radiowej
zasilający cewkę indukcyjną będącą elementem obwodu rezonansowego
NMR pozwala określić:
otoczenie chemiczne,
proporcje
ilości jąder w poszczególnych grupach,
rodzaj atomów sąsiadujących
kąty pomiędzy wiązaniami
procesy dynamiczne, oddziaływań międzycząsteczkowych, kinetyki i mechanizmów
reakcji
Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego /rezonansu elektronowego
spinowego
Rezonans paramagnetyczny- zjawisko polegające na zdolności substancji (zawierającej niesparowane
elektrony) umieszczonej w stałym polu magnetycznym oraz pod wpływem przyłożonego pola
elektromagnetycznego do pochłaniania energii tego pola a następnie emisji fal o tej samej częstotliwości
Podstawą EPR jest zjawisko Zeemana, związane z oddziaływaniem niesparowanego elektronu z
zewnętrznym polem magnetycznym.
Substancje zawierające centra paramagnetyczne mają stały moment magnetyczny. Gdy substancje te
umieścimy w stałym polu magnetycznym o indukcji B podstawowy jeden poziom energetyczny (B=0)
rozszczepia się na dwa podpoziomy zeemanowskie
W technice EPR używane jest relatywnie słabe pole magnetyczne (ok. 0,1 2,5 tesli) i częstotliwości
promieniowania z zakresu mikrofal (ok. 3 - 70 GHz)
WARUNEK REZONANSU
Jeżeli do zorientowanych spinów w stałym polu magnetycznym przyłoży się zmienne pole
elektromagnetyczne w postaci promieniowania mikrofalowego o odpowiedniej częstości rezonansowej v
to pochłonięcie kwantu energii spowoduje przejście elektronu na wyższy poziom energetyczny.
hv=gB
B
h-stała Plancka
v- częstotliwość promieniowania
g- współczynnik rozszczepienia spektroskopowego
-24 -1
B- magneton Bohra równy 9,273*10 J*T
Warunek rezonansu można otrzymać na dwa sposoby:
zmieniając częstotliwość zmiennego pola magnetycznego przy ustalonej indukcji pola
magnetycznego B
zmieniając pole magnetyczne przy ustalonej częstotliwości
W spektrometrach EPR wykorzystuje się ten drugi sposób.
Wykorzystanie:
metoda analityczna do badania polimerów, biopolimerów
badania rodników generowanych na drodze reakcji chemicznych, fotochemicznych
w badaniach procesów redoks z udziałem wolnych rodników, biorodników oraz stanów
trypletowych cząsteczek
w biologii i medycynie do oceny układów, które nie zawierają centrów paramagnetycznych.
Cel:
badanie mechanizmu działania leku, kontrola wydzielania leku, kontrola dawek, badanie
procesów metabolicznych o charakterze rodnikowym
Wykorzystanie w medycynie:
Spektrometria masowa jest nowoczesną techniką analityczną pozwalającą na pomiar
stosunku masy do ładunku elektrycznego danego jonu.
umożliwiaja wyznaczenie masy cząsteczkowej z dokładnością do 4 miejsca po przecinku dla
związków o masie do ok. 1000 Da i składu elementarnego próbki z rozdzielczością na
poziomie jednego elektronu
Spektroskopia masowa pomaga w diagnostyce chorób metabolicznych np:
kwasicy metylomalonowej,
kwasicy propionowej,
fenyloketonurii,
alkaptonurii,
Pozwala także: określić sygnaturę białek w tk. nowotworowych, identyfikować związki chemiczne z
ustaleniem ich struktury, składu pierwiastkowego czy izotopowego.
Pułapkowanie spinowe
Metoda EPR jest jedyną techniką umożliwiającą rejestrację wolnych rodników. Zwykle rodniki
charakteryzują się krótkim czasem życia, co uniemożliwia ich bezpośrednią detekcję.
W takich sytuacjach stosuje się metodę pułapkowania spinowego z zastosowaniem sond
spinowych.
Do najczęściej stosowanych pułapek spinowych należą:
NMP (2-nitrozo-2-metyloppropan, tetr nitozobutan)
NB (nitrobenzen)
TBNB (2,4,6-tri-tetr-butylonitozobenzen)
DMPO (N-tlenek 5,5-dimetylopirolin)
Widma paramagnetycznych adduktów są rozróżniane na podstawie stałych rozszczepienia
nadsubtelnego. Analizy widm dokonuje się przez porównanie stałych rozszczepienia nadsubtelnego z
widmen znanego spułapkowanego rodnika.
Znaczniki spinowe
Metodą EPR można badać cząsteczki nieparamagnetyczne przez przyłączenie do nich tzw.
znaczników spinowych. Są to stabilne rodniki, które pełnią funkcje grup dostarczających informacji o
badanej makrocząsteczce. Najczęściej stosowanymi znacznikami są nitroksydy
Możliwości laboratoryjne i diagnostyczne
ocena nasilenia reakcji wolnorodnikowych w ostrych białaczkach limfoblastycznych u
dzieci, w chorobie niedokrwiennej serca, miażdżycy, cukrzycy
oznaczanie witaminy C w różnych tkankach
oznaczanie produktów peroksydacji lipidów: MDA,
oznaczenie ilości glutationu
Literatura:
1.Biofizyka Podręcznik Dla Studenta - Feliks Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Wyklad 13 Elektryczność i magnetyzm Prąd elektryczny
Wyklad 12 Elektryczność i magnetyzm Prawo Gaussa
Właściwości elektro fizyczne materiałów szczotkowych stosowanych w elektronarzędziach
136 Wlasciwosci magnetyczne materii
Skrypt Wykład WPŁYW CZYNNIKÓW FIZYCZNYCH NA ORGANIZM
Wyznaczanie ladunku wlasciwego elektronu metoda magnetronowa
OBWODY ELEKTRYCZNE i MAGNETYCZNE wyklad 1
Wykład 1 Rola i zadania inżynieri materiałowej
Materialy z Chemii Organicznej
Klucz Odpowiedzi Do Sprawdzianu Elektrycznosc I Magnetyzm
OBWODY ELEKTRYCZNE i MAGNETYCZNE w5
,Elektryczność i magnetyzm, energia potencjalna
Laboratorium Elektroenergetyki zajęcia 2 materiały informacyjne
Wyklad 7 Moment bezwładności bryły sztywnej oraz Ruch postępowy, a obrotowy
SKRYPT WYKŁAD PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE A NOWOTWORZENIE ZMIANY W STRUKTURZE DNA
Wyklad VII i VIII Inwestycje materialne
więcej podobnych podstron