اثر نور بر بافت بیولوژیکی

نور شامل یک سیستم پیچیده انرژی تابشی است و در یک طیف الکترومغناطیسی براساس طول امواج آرایش می‌یابد. فاصله قله یا دره دو موج متوالی که بر حسب متر سنجیده می‌شود، تعیین‌کننده طول موج است. در قسمت مرئی، طول موج، نشان‌دهنده رنگ نور است.

فوتــون یک ذره اصلی است که مسـئول پدیـده‌هـای الکترومغناطیـسی، و حـامل تـابش الـکتـرومغناطیسـی همـه طول مـوج‌هاست. هر فوتـون یـک «کوانتوم» انرژی حمل می‌کند که با ژول اندازه گـرفته می‌شود. انرژی یک تک‌فوتون تنها به طول‌موج بستگی دارد. بنابراین انرژی یک مقدار مشخص از نور، به تعداد فوتون‌ها و طول موج بستگی دارد.

برهمکنش نور با ماده

تئوری کوانتوم، فرایند اصلی برهمکنش نور با ماده را به طور دقیق توضیح می‌دهد. الکترون یک اتم، یک مولکول یا یک شبکه اتمی می‌تواند فوتون جذب کند و این انرژی را صرف رفتن به حالت انرژی بالاتر نماید. برعکس، الکترون می‌تواند به حالت انرژی پایین‌تر پرش کند (با اختلاف انرژی‌ای که به اندازه انرژی همان فوتون است). این اتفاق برای یک تک الکترون نمی‌افتد بلکه در این فرایند، تغییر انرژی برای کل الکترون‌های لایه آخر یک اتم یا مولکول رخ می‌دهد.

جزئیات اینکه زمانی که نور به ماده برخورد می‌کند چه فرایندی را تجربه می‌کند، به ساختار ماده و طول موج نور بستگی دارد. پدیده‌هایی که ممکن است اتفاق بیفتد شکست، پراکندگی، بازتاب، جذب و عبور است. اصول کلی برای نورمرئی، فرابنفش و فروسرخ یکسان است. در اینجا درباره هر یک از اتفاقاتی که ممکن است پس از برخورد نور به ماده برای نور بیفتد، توضیح می‌دهیم.

بازتاب نور

بازتاب در واقع بازگشت امواج الکترومغناطیسی تابیده شده به ماده است. طبق قانون بازتاب، زاویه نور تابش با نور بازتابیده یکسان بوده و همچنین پرتو تابیده و پرتو بازتاب با خط عمود بر سطح در یک صفحه قرار دارند. اگر سطح صاف باشد یعنی ناهمواری‌های سطح نسبت به طول موج نور کوچکتر باشد، بازتاب، آینه‌ای خواهد بود. اگر ناهمواری‌های سطح بزرگتر از طول موج نور و یا قابل قیاس با آن باشد، بازتابِ پراکنده رخ می‌دهد. به این معنی که تعدادی پرتو بازتابیده می‌شوند، که لزوماً از قانون بـرابری زاویه تابش و بازتاب پیروی نمی‌کنند. در تمام بافت‌ها بازتاب پراکنده اتفاق می‌افتد زیرا سطح بافت‌ها صاف نیست. بازتاب نتیجه اختلاف سرعت نور در دو ماده است.

شکست نور

شکست نور یک پدیده اپتیکی است که در آن نور رسیده از منبع نور به خاطر تغییر سرعتی که برای آن در دو محیط با ضریب شکست متفاوت رخ می‌دهد، دچار تغییر مسیر می‌شود.

عبور نور

عبور نور زمانی رخ می‎دهد که بخشی یا همه نور از داخل ماده حرکت کند و جذب نشود. عبور علاوه بر اینکه به ضخامت ماده بستگی دارد به طول موج نوری که تابیده می‌شود نیز وابسته است.

جذب نور

در فرایند جذب، موج الکترومغناطیسی با عبور از محیط، تضعیف شده و شدت آن کاهش می‌یابد. هنگامی که جذب رخ می‌دهد بخشی از انرژی نور به گرما یا نوسانات مولکولی ماده جاذب تبدیل می‌شود. میزان جذب به عواملی همچون ساختار الکترونی اتـم‌ها و مولکول‌های محیط، طول موج تابشی، ضخامت لایه جاذب و مؤلفه‌های درونی مانند دما و یا غلظت عنصر جاذب وابسته است.

پراکندگی نور

پراکندگی زمانی رخ می‌دهد که نور فرودی به دلیل تغییر در ضریب شکست منحرف شود. پراکندگی کاملا، به اندازه ماده پراکنده کننده وابسته است. اگر اندازه آن از طول موج نور کوچکتر باشد، پراکندگی رایلی  اتفاق می‌افتد. ساختارهای بیولوژیکی زیرسلولی مانند میتوکندری  پراکنده‌کننده‌های رایلی هستند. اگر اندازه ذره از طول موج بزرگتر باشد، پراکندگی با نظریه مای  شرح داده می‌شود.

اثر نور بر بافت بیولوژیکی

آشنایی با برهمکنش نور با پوست انسان در بسیاری از زمینه‌ها از جمله کاربردهای کلینیکی، علوم آزمایشگاهی و دارویی حائز اهمیت است. مطالعه فرایند چگونگی عبور، جذب، پراکندگی و بازتاب نور در بافت پوست انسان، در تشخیص و درمان بسیاری از بیماری‌ها و یا ضایعات پوستی مثل اثرات سوختگی، زخم، خالکوبی و… با استفاده از تجهیزات پزشکی مانند لیزر، از اهمیت زیادی برخوردار است.

هنگامی که یک اشعه نورانی به سطح پوست انسان می‌رسد، بخش کوچکی از نور تابشی (حدود 4 تا 6 درصد) از سطح پوست بازتاب می‌گردد. بخش عمده‌ای از نور تابشی وارد لایه اول بافت پوست شده و تا زمانی که از سطح دیگر پوست خارج شود و یا در پوست میرا شود، به مسیر غیرمستقیم خود در بافت ادامه می‌دهد.

در اکثر بافت‌های بیولوژیکی هر دو پدیده جذب و پراکندگی رخ می‌دهد. اما پوست انسان یک محیط کدر و به شدت پراکنده کننده نور است. در ناحیه مرئی و فروسرخ، احتمال پراکندگی حدود 1000-100 برابر بیشتر از جذب است. پراکندگی از تفاوت ضریب شکست بین فیبرهای کلاژن و بافت اطراف ایجاد می‌شود. تفاوت پراکندگی به ظاهر و رنگ پوست بستگی دارد.

رنگدانه پوست چیست؟

در پوست گیرنده‌هایی وجود دارند که نسبت به نور حساس هستند. این مواد که به طور کلی به آنها رنگدانه گفته می‌شود می‌توانند یک مولکول، قسمتی از یک مولکول، توالی خاصی از اسیدآمینه‌ها یا DNA باشند. رنگدانه‌های پوستی مولکول‌هایی هستند که براساس ضرایب جذب خود، انرژی الکترومغناطیسی را در طول موج‌های مشخصی جذب می‌کنند.

رنگدانه می‌تواند درون‌زاد یا بیرون‌زاد (از بیرون آورده شده) باشد. رنگدانه‌های درون‌زاد مثل ملانین، هموگلوبین  (اکسی هموگلوبین، داکسی هموگلوبین، و متوگلبین)، آب، پروتئین، بیلیروبین، یوروکانیک اسیـد، اسیدنوکلئیک، اسیدآمینه‌های آروماتیک  و… و تـرکیبات بـیرون‌زاد مثل رنگ‌های مختلف خالکوبی که همانند رنگدانه عمل می‌کنند.

نقش رنگدانه در جذب نور

فوتون‌هایی که به پوست می‌رسند جذب یا پراکنده می‌شوند. فوتون‌های پراکنده شده نیز در نهایت ممکن است جذب شوند یا به صورت بازتاب از پوست خارج شوند و یا از پوست عبور کنند. فوتون‌هایی که جذب می‌شوند، با یک مولکول یا رنگدانه در داخـل پوست برهمکنش خواهند داشـت. رنـگـدانـه‌هایی که ایـن فوتـون‌ها را جـذب می‌کنـند در اوربیتـال‌های مولـکولی خود الکتـرونِ آزاد دارند و با انرژی کوانتومی که توسط فوتون به آن‌ها رسیده، از حالت پایه به اولین حالت برانگیخته می‌روند.

طبق قانون اول ترمودینامیک، انرژی‌ای که به پوست می‌رسد از بـین نمی‌رود و سه اتفاق ممکن است برای آن بیفتد:

متداول‌ترین اتفاقی که ممکن است بعد از جذب نور توسط پوست بیفتد، «تبدیل داخلی» نامیده می‌شود و زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون در اولین حالت برانگیخته رنگدانه، انتقالی از حالت انرژی بالاتر به پایین‌تر انجام دهد. این اتفاق گاهی «بازتحریک بدون تابش» نیز نامیده می‌شود، چرا که در نتیجه آن هیچ فوتونی گسیل نمی‌شود. این انرژی، در نهایت به مولکول داده می‌شود. به بیان دیگر، انرژی تحریکی به گرما تبدیل شده و نوری گسیل نـمی‌گردد.

حالت دومی که ممکن است رخ دهد، فلورسنس است. در پدیده فلورسنس، جذب مولکولی فوتون باعث گسیل فوتـون دیگر که طول مـوج بیشتری دارد، می‌گردد. مولکول‌هایی که توسط نور تابشی، برانگیخته شده‌اند به حالت پایه برگشته و فلورسنس گسیل می‌کنند.

مورد سوم، تعدادی فرایند فوتوشیمـیایی است. واکنش‌های انتقـال الکترون در زنجیره تنفسی  (محل حضور رنـگدانه‌های اصلی که در نوردرمانی مشارکت دارند)، بسیار مهم است.

شناخت کافی از اینکه هر رنگدانه در چه طول موجی نور را جذب می‌کند نه تنها در درمان آن نقطه مهم است بلکه در مواردی ممکن است این رنگدانه مانع از رسیدن نور به رنگدانه دیگر شود. به علاوه امروزه مشخص شده که تحریک یک رنگدانه می‌تواند منجر به تحریک و یا مانعی برای رنگدانه دیگر نیز بشود.

منابع:

[6] باریک‌بین، بهروز، حجازی، سمیه، طاهری، فریناز، “کاربرد لیزر در درماتولوژی”، انتشارات دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی درمانی شهیدبهشتی، 1393