Alapfogalmak A fny s rokonai Elektromgneses sugrzsok gamma

Alapfogalmak

A fény és rokonai Elektromágneses sugárzások gamma sugárzás röntgen ultraibolya látható mikrohullám infravörös rádióhullám mobil telefon frekvencia nem ionizáló sugárzás

A fény tartományai s rö ra na vö nc a rg sá ké k ciá n zö ld ibo lya s látható fény infravörös fény UV-B UV-C 200 -280 280 -315 nm nm UV-A 315 -400 nm ultraibolya fény

A biológiai hatást befolyásolják: fényforrás Mit bocsát ki? szövetek Mit enged át? molekulák Mit nyel el?

rádió hullámok fény röntgen gamma 500 km 200 km 100 km Távközlési ablak 10 km Optikai ablak ózon Be ha to lás im ély sé g

A biológiai hatás kialakulásának lépései Fotofizikai folyamat (fényabszorpció) Fotokémiai reakció Fotobiológiai következmény A fény elnyelődése a fotobiológiai hatás kialakulásának feltétele

Fényabszorpció feltétele elnyelő atom/molekula megfelelő hullámhosszúságú fény a kettő találkozása

A fény behatolási mélysége a bőrben A behatolási mélység hullámhosszfüggő (abszorpció, reflexió) A legnagyobb a vörös tartományban

Behatolási mélység • δ : az a távolság ahol a beeső intenzítás 37% -ra csökken • δ függ a szövet vérellátottságától • δ függ a jelenlévő kromofóroktól • δ legnagyobb 800 -1300 nm tartományban Lézer(λ) CO 2(10. 6 m) Holmium (2. 9 m) Ar+ (488, 514 nm) Nd: YAG (1064 nm) δ 0. 1 -0. 2 mm 0. 4 -0. 6 mm 0. 5 -2 mm 2 -6 mm

A fény behatolási mélysége a szemben A behatolási mélység hullámhosszfüggő (abszorpció, reflexió)

Fényt elnyelő molekulák (kromofórok) az emberi szervezetben Endogén kromofórok pl. nukleinsavak Exogén kromofórok pl. ételfestékek fehérjék kozmetikumok melanin gyógyszerek

Relatív optikai denzitás Endogén kromofórok abszorpciós spektruma (1) DNS purin és pirimidin bázisai Hullámhossz (nm)

Relatív optikai denzitás Endogén kromofórok abszorpciós spektruma (2) DNS purin és pirimidin bázisai fehérjék aromás aminósavai Hullámhossz (nm)

Endogén kromofórok abszorpciós spektruma (3) Relatív optikai denzitás hemoglobin b-karotin Hullámhossz (nm)

Endogén kromofórok abszorpciós spektruma (4) Relatív optikai denzitás hemoglobin b-karotin Melanin Hullámhossz (nm)

Fényabszorpció következménye: gerjesztett állapot a gerjesztett állapot megszünése Fényemisszió Fotokémiai reakció A hn Termikus átmenet B Kvantumhatásfok (F) : az egy “B” keletkezéséhez szükséges elnyelt fotonok számának a reciproka SF=1

Az elektronátmenetek egyszerűsített Jablonsky diagramja gerjesztés (1) sugárzás nélküli átmenet (2) fluoreszcencia (3) intersystem crossing (4) foszforeszcencia (5)

Fotokémiai reakciók Direkt Az elnyelő molekula új kémiai kötések kialakításában vesz részt Indirekt vagy szenzibilizált Az elnyelő molekula elektron vagy energia átadásában vesz részt

Direkt fotokémiai reakció (1) Cikloaddíció – pl. pirimidin dimerek kialakulása a DNS-ben UVB - UVC Timin dimer

Direkt fotokémiai reakció (2) Lineáris addíció – pl. vízaddició a DNS-ben Hidratációs termék

Direkt fotokémiai reakció (2) Lineáris addíció –DNS – fehérje keresztkötés NH 2 UVB - UVC + HS – CH CHCHCOOH 2 H Timin cisztein NH 2 S – CH 2 CHCHCOOH 2 H

Direkt fotokémiai reakció (3) Izomerizáció – pl. urokánsav transz – cisz izomerizációja UVB - UVC transz-urokánsav cisz-urokánsav

Direkt fotokémiai reakció (4) Fragmentáció UV - VIS H riboflavin lumiflavin

Direkt fotokémiai reakció (5) Oxidáció H 3 C CH 3 C H 2 CH 3 + O 2 + CH H 3 C CH 3 C H 2 C CH 3 hν OOH cholesterol 3β-Hydroxy-5ά-hydroperosy-Δ 6 -cholestene C H

Indirekt fotokémiai reakciók Elektronátadás D hn D* D+ + A D* + A - Termék : reaktív szabadgyök Energiaátadás D D* + A hn D* D + A* Termék: szinglet oxigén

Elektronátadással járó kölcsönhatások termékei

Ultraibolya fény mutagén hatása az E. coli baktériumon DNS relatív abszorpciója A hatásosság hullámhosszfüggő A hatást feltehetően a DNS-ben elnyelődő fotonok okozzák

Hatásspektrum: egy adott biológiai folyamat kiváltásának hullámhossz szerinti eloszlása -a hatás mértéke a hullámhossz függvényében – felületegységre eső azonos energia esetén -azonos hatás kiváltásához szükséges, felületegységre eső energia reciproka* a hullámhossz függvényében *Hatáskeresztmetszet: s [m 2/J ] Ha a kvantumhatásfok független a hullámhossztól, akkor egy molekula abszorpciós spektruma és az általa kiváltott fotobiológiai folyamat hatásspektruma párhuzamos egymással

Hatáskeresztmetszet (cm 2/J) Az E. coli baktériumon fotoinaktivációjanak hatásspektruma Hullámhossz (nm)

Fény által indukált folyamatok a szövetekben Fény elnyelődése Sugárzás Szöveti autofluoreszcencia Exigén kromofórok fluoreszcenciája Fotokémiai reakció Fotoabláció Sejtszerkezet direkt destrukciója Nagy intezítású UV sugárzás hatására Sugárzásmentes átmenet Fotodiszrupció Szövetek fragmentálódás, szétválása mechanikai hatásra Nagy intenzitású fényimpulzus okozta lökéshullám Hőhatás Koaguláció, Vaporizáció, Karbonizáció - által Plazama indukált abláció

Autofluoreszcencia • Endogén fluorfórok jelenléte a sejben vagy az extracelluláris matrixban) • Szövettől és lokalizációtól függő Different fluoreszcencia spektrum • Eltérő fluoreszcencia spektrum normális, premalignus és malignus szövetben • NADH fluoreszkál, NAD+ nem

Hőhatás • Vibrációs relaxáció energiájából • Nem specifikus , gyenge λ-függés • • 1, Koaguláció : t > 60 o. C 2, Vaporizátió t>100 o. C (termikus) abláció 3, Karbonization, t>150 o. C 4, Melting (Olvadás); nagy I impulzus lézerből

Fotoabláció • UV lézer impulzus (10 MW/cm 2 - 10 GW/cm 2) • Excimer lézerek (193 nm-351 nm), 10 -20 ns impulzus • Refraktív kornea sebészet, szövet “contoruing” (sculpting)

Fotodiszrupció • Lágy szövetekben v. testfolyadékokban nagy irradianci hatására • Plasma ablation localized; photodisruption spreads due to shock waves emanating • ns- os impulzusok; • ps-os impulzusok: diszrupció és abláció • Felhasználás ->minimally intrusive sebészet – Post-katarakta sebészet – lencse posterior capsulotomy – laser-induced lithotripsy of urinary calculi