KQHT 5: TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG LÊN CƠ THỂ SỐNG

1. Bản chất của ánh sáng2. Laser và ứng dụng3. Tác dụng của ánh sáng lên cơ

thể sống4. Mắt và dụng cụ bổ trợ5. Phương pháp kính hiển vi

Câu hỏi

1. Bản chất của ánh sáng, các đại lượng đặc trưng cho tính sóng và tính hạt của ánh sáng. Các hiện tượng xảy ra khi ánh sáng truyền tới môi trường?

2. Hiện tượng hấp thụ và phát quang ánh sáng. Giải thích màu sắc của vật, cho VD minh họa?

3. Tác dụng của ánh sáng đối với sinh lý của sự sống?

Câu hỏi

4. Nêu vài tác dụng quang động lực cơ bản lên hoạt động sống?

5. Nguyên lý cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy phát Laser?

6. Những ứng dụng phổ biến của máy Laser trong y học

1. BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

1.1 Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng• Ánh sáng là bức xạ điện từ trường lan truyền trong không gian với vận tốc vô cùng lớn (3.108 m/s).

v = λ.f• Ánh sáng được chia thành 3 vùng cơ bản

Ánh sáng được chia thành 3 vùng cơ bản

• Vùng tử ngoại: λ = 200 → 400 nm• Vùng vùng khả kiến: λ = 400 → 700 nm • Vùng hồng ngoại: λ = 700 → 1000nm Trong hệ sinh vật, các loài có vùng khả kiến không giống nhau.

+ Người λ = 400 → 700 nm ; + Côn trùng λ = 320 → 500 nm.

1.2 Thuyết lượng tử về bản chất của ánh sáng

• Ánh sáng vừa có tính chất sóng (đặc trưng bởi bước sóng và tần số...) vừa có tính chất hạt (đặc trưng bởi các lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon).

+ Photon có khối lượng nhỏ hơn khối lượng của điện tử khoảng 1 triệu lần.

+ Mỗi photon có mang một giá trị năng lượng được tính theo công thức E = hc/λ.

1.2 Thuyết lượng tử về bản chất của ánh sáng

• Ánh sáng tỉ lệ thuận với tần số, tỉ lệ nghịch với bước sóng.

• Cường độ của 1 chùm sáng tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn trong 1 đơn vị thời gian

• Năng lượng ánh sáng có bước sóng ngắn thì lớn hơn năng lượng ánh sáng có bước sóng dài .

1.3. Hấp thụ ánh sáng và phát sáng

1.3.1 Hấp thụ ánh sáng:- Ánh sáng bị yếu đi sau khi xuyên qua lớp vật chất nghiên cứu.- Sự biến đổi cường độ ánh sáng (dI) khi đi qua lớp mỏng vật chất (ký hiệu là dl) tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu (I) và nồng độ (C) cũng như hệ số k, đặc trưng cho khả năng hấp thụ của vật chất.- Biểu thức: xeII 0

1.3.1 Hấp thụ ánh sáng:

Mắt người có thể phân biệt được 300 màu sắc khác nhau nhưng chủ yếu hấp thụ ba màu cơ bản:

Đỏ: λ = 600nm, Xanh λ = 550nm Chàm λ = 450nm.

1.3.1 Hấp thụ ánh sáng:Mỗi chất chỉ hấp thụ cực đại ở một số bước

sóng nhất định. Quang phổ hấp thụ của protein đạt giá trị cực đại : λ =280nm. Quang phổ hấp thụ của carotin đạt giá trị cực đại: λ = 480nm. Quang phổ hấp thụ của rodopxin đạt giá trị cực đại: λ = 550nm. Quang phổ hấp thụ của diệp lục a đạt giá trị cực đại ở hai bước sóng λ1=440nm và λ2=700nm.

Hình 5.2: Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát quang

1.3.2 Cơ chế hấp thụ và phát sáng

Phân tử sau khi hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích có mức năng lượng là S1 hoặc S2 đều có giá trị lớn hơn mức năng lượng ban đầu của phân tử là 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

1.3.2 Cơ chế hấp thụ và phát sáng

Khi phân tử ở mức năng lượng S1 nó sẽ trở về mức năng lượng cơ bản S0 qua các con đường sau: Quá trình 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: huỳnh quang và lân quang

* Sự phát huỳnh quangThời gian gian kéo dài của sự phát ra

ánh sáng huỳnh quang: từ 10-9 đến 10-8 s 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.

* Sự phát lân quang

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 đến 10-2 s, tức là lâu hơn so với sự phát huỳnh quang.

Khi đã tắt ánh sáng chiếu nhưng sự phát lân quang vẫn có thể xảy ra.

VD: Chiếu một chùm đơn sắc vuông góc với một tấm thủy tinh dày 4mm. Người ta thấy cường độ chùm tia ló chỉ bằng 0,8 cường độ chùm tia tới. Tính hệ số hấp thụ của thủy tinh đối với ánh sáng này. Cho rằng hệ số phản xạ của ánh sáng ở trước và mặt sau của tấm thủy tinh đều bằng 0,04.

2. LASER VÀ ỨNG DỤNG

2.1 Khái niệm về bức xạ cảm ứng: 2 loại

1. Hiện tượng bức xạ tự doCác hạt ở mức năng lượng cao có

thể chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn sẽ phát ra photon có năng lượng tương ứng:

E = hf = W cao – W thấp

2.1 Khái niệm về bức xạ cảm ứng: 2 loại

2. Hiện tượng bức xạ cưỡng bức: • 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.

2.2 Laser và máy phát tia laser

• E1, E2, E3, E4… là các mức năng lượng có thể của các hạt tạo nên môi trường hoạt động laser• Sự chuyển E4 → E3 → E2 không kèm theo phát quang, về trạng thái có mức năng lượng thấp.• Bước chuyển E2 → E1 là bước chuyển phát tia laser

2.2 Laser và máy phát tia laser

• Bước chuyển từ E1 → E2, E3, E4 thực hiện được là do quá trình cung cấp năng lượng kích thích môi trường laser (bơm năng lượng).• Muốn tạo được chùm tia Laser thì máy phát tia Laser cần có 3 bộ phận chính: Môi trường hoạt chất Nguồn kích thích (bơm năng lượng) Buồng cộng hưởng

2.3 Phân loại Laser : Có 3 loại

1. Laser chất rắn : Rubi; bán dẫn; Thủy tinh 2. Laser chất khí: He-Neon; argon; CO2; Nitơ; Các loại laser khác: hơi đồng, hơi vàng, excimer… 3. Laser chất lỏng: màu, với hoạt chất màu pha lỏng trong môi trường khác nhau.

2. 4 Tính chất của cơ bản của laser

- Bản chất của tia laser là ánh sáng, có đầy đủ các tính chất của chùm sáng: giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ , khúc xạ...- Với các hoạt chất laser khác nhau, sẽ có λ khác nhau từ miền tử ngoại → ánh sáng nhìn thấy → hồng ngoại → vi sóng.

2. 4 Tính chất của cơ bản của laser

* Có các tính chất sau:+ Độ đơn sắc rất cao: Độ rộng phổ của chùm tia laser rất nhỏ (Δλ ≈ 0,1A0). Laser khác nhau có độ đơn sắc khác nhau.+ Độ kết hợp rất cao: đặc trưng bởi thời gian kết hợp và độ dài kết hợp, các laser khí cho bức xạ có độ kết hợp cao nhất.

* Có các tính chất sau:

+ Độ định hướng cao: phát ra hầu như dưới dạng chùm sáng song song. Có thể chiếu xa hàng nghìn km rất cần thiết cho kỹ thuật đo xa, định vị chiếu xạ với độ chính xác rất cao. + Phát liên tục và phát xung cực ngắn: 1 ns hoặc 1 ps. Chỉ có laser mới có khả năng phát ra thời gian ngắn như vậy.

2. 5 Ứng dụng của laser trong y học

• Ngày nay, laser được dùng vào nhiều mục đích khác nhau trong y học, kỹ thuật, quân sự, thông tin liên lạc...• Các thiết bị laser y học được chia thành hai nhóm chính: nhóm thiết bị chẩn đoán bệnh nhóm các thiết bị laser điều trị.

A. Ứng dụng của laser trong chẩn đoán

Thí dụ:+ Máy cắt lớp laser kết hợp với vi xử lý và computer+ Phổ Doppler để đo dòng máu sử dụng trong nghiên cứu vi tuần hoàn+ Phân tích vi phổ phát xạ hoặc kính hiển vi laser…

A. Ứng dụng của laser trong chẩn đoán

• Người ta sử dụng laser như nguồn sáng kích thích huỳnh quang của những chất khác nhau trong các ở chức sống. • Nhờ nghiên cứu phổ huỳnh quang, ta có thể chẩn đoán bệnh một cách chính xác.

B. Ứng dụng của laser trong điều trị

• Các thiết bị laser điều trị gồm 2 loại: + Laser công suất thấp (laser mềm): giúp bệnh tự khỏi. + Laser công suất cao (laser cứng): chùm laser có thể gây hoại tử* Tác dụng sinh học: Hiệu ứng bay hơi các tổ chức, quang đông, kích thích sinh học, bóc lớp

B. Ứng dụng của laser trong điều trị

• Việc sử dụng các loại laser khác nhau cùng với liều chiếu khác nhau cho phép ta điều trị những căn bệnh khác nhau: Laser trong chuyên khoa mắt Laser chữa các tổn thương da Trong ngoại khoa, nội khoa, thần kinh Laser trong điều trị ung thư,…

Laser trong chuyên khoa mắt:

Công nghệ hàn bong võng mạc và chữa bệnh glaucoma đã giúp cho hàng triệu người khỏi mù loà.• Laser Ecimer với bước sóng vùng cực tím xung quanh 200mm để chỉnh độ cong của giác mạc, tạo cơ sở chữa các bệnh loạn thị, viễn thị và cận thị.

Laser trong chuyên khoa mắt:

• Laser He-Ne giúp làm giảm nhanh quá trình viêm, đẩy nhanh quá trình biểu mô hoá, phục hồi sự nhạy cảm của giác mạc

Được dùng điều trị bỏng nhiệt, bỏng hoá chất, loét giác mạc.

Laser chữa các tổn thương da:

• Laser CO2 đã điều trị được các u mạch nông hoàn toàn không sẹo. Laser trở thành một công cụ không thể thiếu cho chuyên khoa thẩm mỹ da.• Laser CO2, laser Rubi với chế độ xung cực ngắn có thể xoá nếp nhăn, nốt ruồi, mụn cơm, sẹo lồi, các vết săm, tàn nhang, trứng cá, sạm da, sùi mào gà....

Laser chữa các tổn thương da:

• Laser He-Ne: điều trị các vết loét , các dạng ezema, viêm bì da thần kinh, vẩy nến, trứng cá đỏ...• Để nâng cao hiệu quả điều trị, những năm gần đây người ta phối hợp chiếu laser với thuốc cảm quang và chống viêm.

Laser trong lĩnh vực ngoại khoa:

• Dùng chùm tia laser CO2 có mật độ công suất cao thay cho dao mổ thông thường. + Sử dụng dao quang trong phẫu thuật an toàn, chính xác vết mổ, và cầm máu tốt hơn các loại dao thường hay dao điện.

Laser trong lĩnh vực ngoại khoa:

• Laser có thể điều trị được các bệnh nhồi máu cơ tim, suy mạch vành nhẹ, cao huyết áp và tai biến mạch máu não.• Laser nội mạch: phòng và điều trị nhiều loại nhiễm trùng ngoại khoa. Điều trị các bệnh lý về mạch (như xơ vữa, xơ cứng mạch máu)

Laser trong lĩnh vực nội khoa:

• Chiếu laser He-Ne phối hợp trong điều trị viêm phổi mãn làm bệnh khỏi nhanh hơn• Chiếu laser nội khí quản cho trẻ em bị viêm phổi không đặc hiệu mãn tính có tác dụng tăng chuyển hoá trong tế bào nhờ đó rút ngắn thời gian điều trị.

Laser trong lĩnh vực nội khoa:

• Laser năng lượng thấp có tác dụng tại chỗ điều trị các tổn thương loét đường tiêu hoá. Vd: điều trị loét dạ dày hành tá tràng • Khi chiếu laser ánh sáng đỏ có tác dụng giảm đau và chống viêm ở các bệnh nhân bị bệnh thấp khớp.

Laser trong đông y và chuyên khoa thần kinh

• Laser châm cứu, đầu bút laser được gắn với hệ thống dò huyệt và khi tìm đúng huyệt mới bắt đầu chiếu huyệt. • Trường hợp chệch huyệt là rất hiếm khi xảy ra giúp bệnh nhân không bị đau mà hiệu quả lại cao

Laser trong đông y và chuyên khoa thần kinh

• Dùng laser châm cứu có thể điều trị được rất nhiều bệnh: viêm khớp, đái tháo đường, đái dầm, đau dây thần kinh toạ, đau đầu, mất ngủ cơ năng, đau lưng cơ năng, hen suyễn, phế quản....• Laser He- Ne nội mạch để điều trị hiệu quả bệnh thần kinh : điều trị đau dây thần kinh toạ, bệnh Parkinson và tai biến mạch máu não.

Laser trong điều trị ung thư:

• Chiếu những chùm laser có bước sóng thích hợp vào các mô và cơ quan để kích thích các hoá chất đã được đưa vào trước đó. Khi ấy các hoá chất đó sẽ có tác dụng diệt bào hoặc kìm hãm sự phát triển của tế bào. • Ứng dụng phương pháp này trong điều trị bệnh ung thư (đối với laser màu, laser hơi vàng).

Laser trong điều trị • Ngoài ra, laser còn được sử dụng trong nhiều chuyên ngành khác: sản khoa và bệnh học giới tính, răng hàm mặt, tai mũi họng....• Tóm lại, laser được ứng dụng rộng rãi trong y học, tuỳ vào mục đích điều trị mà ta có thể lựa chọn các loại laser khác nhau.

VD1: Dùng một Laser CO2 có công suất 10W để làm dao mổ. Tia Laser chiếu vào chỗ nào sẽ làm cho nước của phần mô ở đó bốc hơi và mô bị cắt. Chùm Laser có bán kính 0,1mm và di chuyển với tốc độ 0,5cm/s trên bề mặt của một mô mềm.

a) Tính năng lượng cần thiết để làm bốc hơi 1mm3 ở 370C

b) Tính thể tích nước mà tia Laser có thể bốc hơi trong 1 giây

c) Tính chiều sâu cực đại của vết cắtCho biết nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi của

nước: c =4,18kJ/kgđộ; L =2260kJ/kg

3. Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống

3.1. Một vài tác dụng của sáng lên đối với phản ứng sinh lý của sự sống

3.2. Một vài tác dụng quang động lực cơ bản lên hoạt động sống

3.3 Tác dụng của tia tử ngoại và hồng ngoại lên cơ thể sống

a. Tia tử ngoại Trong thiên nhiên nguồn bức xạ tử ngoại là mặt trời. Trên đường đi tới trái đất, phần lớn năng lượng của tia cực tím bị tầng Ozôn hấp thụ và chỉ còn lại phần ánh sáng có bước sóng từ 200nm đến 400nm tác dụng lên cơ thể sinh vật.

a. Tia tử ngoại

Tia tử ngoại được chia ra 3 vùng chính Vùng sóng ngắn (100 280)nm: có tác dụng diệt trùng Vùng sóng trung (280 320)nm: chống còi xương, tạo sắc tố,... Vùng sóng dài (320 400)nm: sinh vật yếu, gây phát quang 1 số chất

Điều trị tại chỗ:- Bệnh vảy nến: liều tăng từ 2 lên 4 – 6 LHS đến khi vùng da không còn vảy- Bệnh bạch biến: liều tăng từ 2 lên 3 – 4 LHS đến khi vùng da bình thường- Rụng tóc: liều tăng từ 1 lên 2 – 3 LHS

Điều trị tại chỗ:- Làm nhanh rụng hoại tử vết thương, vết loét nông,…: liều bắt đầu từ 1-2 LSH và tăng dần 4 – 5 LSH + Khi vết sâu thì dùng liều cao 6 – 10 LSH + Dùng liều thấp ½ LSH: kích thích liền sẹo- Viêm khớp: chiếu toàn bộ khớp đau 3 – 5 LSH, nghỉ vài ngày, mổi đợt 5 – 6 lân: giảm đau, chống viêm,…

Chống chỉ định dùng tia tử ngoại- Chống chỉ định toàn thân: + Bệnh nhân sốt cao, suy kiệt, lao, ung thư + Các bệnh: suy tim, suy gan, suy thận, cường giáp + Quá mẫn cảm với tia tử ngoại- Chống chỉ định tại chỗ: viêm da giai đoạn chảy nước diện rộng

b. Tia hồng ngoại

Bức xạ hồng ngoại là tác dụng nhiệt: làm giãn mạch, đỏ da có tác dụng giảm đau, chống viêm mãn tính

Phát hiện tăng thân nhiệt từ xa: bệnh cúm, sốt siêu vi

* Các loại đèn hồng ngoại trong điều trị

1. Đèn điện trở thuần: phần lớn điện năng sẽ biến thành nhiệt 2. Đèn hồng ngoại dây tóc bằng hợp kim có công suất 250, 500, 1000W

* Tiến hành điều trị

- Bệnh nhân nằm hay ngồi thoải mái. Đèn để vị trí an toàn thuận lợi - Điều chỉnh khoảng cách đèn, chiếu đèn thẳng góc với mặt da, tắt đèn khi hết thời gian, kiểm tra vùng điều trị

* Bảo đảm an toàn

- Đề phòng bỏng do quá liều, nổ vở bóng đèn, không chiếu quá 15 phút -Tránh va đụng vào bóng đèn khi đang nóng, tránh xa trẻ em- Không nhìn trực tiếp vào đèn đang sáng gây hại mắt

4. Mắt và dụng cụ bổ trợ4.1 Quang hình học của mắt- Mắt:hình cầu, đường kính đo theo trục trước sau khoảng 22mm. - Mặt ngoài của mắt: 6 bó cơ vận động - Vỏ mắt: các lớp màng đàn hồi+ Củng mạc: ¾ phía sau con mắt+ Giác mạc: ¼ phía trước+ Mạch mạc: nằm trong củng mạc

4.1 Quang hình học của mắt 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 triệu tế bào nón (tiếp nhận ánh sáng mạnh) và 130 triệu tế bào que (tiếp nhận ánh sáng yếu) Điểm vàng: tập trung các dây thần kinh thị giác. Mắt sẽ nhìn thấy khi ảnh đúng điểm vàng Thủy tinh thể có chiết suất khoảng 1,43 và độ tụ 12 – 14 điốt

4.1. 3 Khả năng điều tiết của mắt Nhờ khả năng điều tiết, mắt nhìn rõ những vật ở xa và ở gần. Khả năng này không phải là vô hạn. + Khi vật ở vô cực, mắt không phải điều tiết, ảnh của vật vẫn ở đúng trên võng mạc, nhưng rất nhỏ. + Vật tiến lại gần, mắt phải điều tiết để giữ cho ảnh vẫn ở đúng trên võng mạc.

4.1.3 Khả năng điều tiết của mắt Điểm cực cận CC cách mắt khoảng 20cm gọi là giới hạn nhìn rõ của mắt. Điểm cực viễn CV ở vô cực

Khoảng cách từ CV đến CC: nhìn rõ của mắt Mắt của những người cùng một lứa tuổi, sức khoẻ bình thường có biên độ điều tiết xấp xỉ bằng nhau

4.1.4 Khả năng phân ly của mắt Khả năng phân ly của mắt phụ thuộc: trạng thái sinh lý, bệnh lý, tính chất của các tế bào thần kinh cảm thụ ánh sáng của mắt, vào độ rọi và bước sóng của ánh sáng.Thị lực của mắt:

Mắt bình thường TBthì: αmin = 1phút.

4.2 Các tật của mắt và dụng cụ bổ trợ

Với con mắt bình thường: ảnh của vật luôn hiện rõ nét đúng trên võng mạc ở vùng điểm vàng Mắt có thể không bình thường: bẩm sinh, do bị chấn thương, do rối loạn khả năng điều tiết... làm cho ảnh không hiện rõ trên võng mạc

Các tật của mắt và cách sửa:

+ Cận thị: thấu kính mỏng phân kỳ bổ trợ+ Viễn thị: thấu kính mỏng hội tụ bổ trợ+ Loạn thị: phối hợp các thấu kính hội tụ và phân kỳ thích hợp.+ Mắt người già: đeo thấu kính cầu hội tụ, có độ tụ không quá 3,5điốt

VD 1: Một người có mắt chỉ nhìn rõ trong khoảng từ 5cm đến 25cm.

a) Mắt người này bị tật gì?b) Tính độ tụ của thấu kính phải đeo sát

mắt để nhìn rõ ở vô cực khi không điều tiết.

c) Đeo kính nói trên thì mắt nhìn thấy rõ vật gần nhất cách mắt bao xa?

VD 2: Một người cận thị lúc già chỉ nhìn rõ được các vật từ 40cm đến 60cm đặt trước mắt

a) Tính độ tụ của thấu kính phải đeo để người đó có thể nhìn rõ ở vô cực khi không điều tiết.

b) Tính độ tụ của thấu kính phải đeo để có thể nhìn rõ hàng chữ gần nhất đặt cách mắt 25cm.

VD 3: Một người viễn thị có khoảng nhìn rõ ngắn nhất là 50cm. Tính độ tụ của kính mà người ấy phải đeo sát mắt

5. Phương pháp kính hiển vi

Cấu tạo của kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử

VD: Một kính hiển vi có các tiêu cự f1=7,25cm; f2=2cm. Người quan sát đặt mắt sát thị kính có điểm Cc cách mắt 25cm. Người này muốn ngắm chừng kính ở điểm Cc. Cho l=O1O2=18,725cm. Tính khoảng cách từ vật đến vật kính