Біофізика.Фізичні методи аналізу та метрологія: Підручник

Передмова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
ЧАСТИНА 1. ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ БІОФІЗИКИ РОЗДІЛ 1. ЕЛЕМЕНТИ БІОМЕХАНІКИ
1.1. Будова м’язового волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2. Скорочення м’яза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3. Механічні властивості біологічних тканин . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4. Рівняння Хілла. Потужність одинарного скорочення . . . . . . . . 27
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
РОЗДІЛ 2. ТЕРМОДИНАМІКА БІОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
2.1. Перший закон термодинаміки для біологічних систем . . . . . . 36
2.2. Другий закон термодинаміки для біологічних систем . . . . . . . 37
2.3. Термодинамічні потенціали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4. Швидкість зростання ентропії та дисипативна функція . . . . . . 44
2.5. Спряжені процеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6. Засади лінійної нерівноважної термодинаміки. Рівняння Онзагера . . . . 47
2.7. Критерії досягнення й усталеності стаціонарних станів . . . . . 51
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
РОЗДІЛ 3. БІОФІЗИЧНІ ОСНОВИ МЕМБРАННИХ ПРОЦЕСІВ
3.1. Структура мембран . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2. Штучні мембранні структури . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4
3.3. Фазові переходи в мембранах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4. Транспортування речовин крізь біологічні мембрани . . . . . . . 74
3.5. Пасивне транспортування нейтральних частинок . . . . . . . . . . 75
3.6. Пасивне транспортування йонів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7. Рівняння Нернста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.8. Рівновага Доннана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.9. Йонне транспортування через канали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.10. Пасивне транспортування речовин за допомогою переносників. . . . . 90
3.11. Індуковане йонне транспортування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.12. Активне транспортування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.13. Вторинно-активне транспортування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.14. Потенціал спокою . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.15. Потенціал дії . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.16. Подразнення мембрани електричним струмом . . . . . . . . . . . . 109
3.17. Поширення збудження по нервовому волокну . . . . . . . . . . . . 111
3.18. Швидкість проведення нервового імпульсу . . . . . . . . . . . . . . 114
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
РОЗДІЛ 4. ЕЛЕКТРИЧНІ ТА МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ ТКАНИН
4.1. Електричний диполь. Струмовий диполь . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2. Фізичні основи електрокардіографії . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3. Вплив постійного електричного струму на біологічні тканини . . . . . 133
4.4. Вплив змінного струму на біологічні тканини . . . . . . . . . . . . 135
4.5. Магнітні властивості біологічних тканин . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
 Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
РОЗДІЛ 5. БІОЛОГІЧНА ДІЯ ФІЗИЧНИХ ЧИННИКІВ
5.1. Ультразвук. Інфразвук. Вібрації . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2. Електромагнітна хвиля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.3. Механізми впливу змінного електричного і магнітного поля надвисокої частоти (НВЧ) на біологічні об’єкти . . . . . . 157
5.4. Спонтанне та індуковане випромінювання . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.5. Оптичний квантовий генератор – лазер. Основні характеристики лазерного випромінювання. Властивості лазерного випромінювання . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.6. Біофізичний механізм дії лазерного випромінювання на біологічні тканини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.7. Радіоактивність. Основні види радіоактивного розпаду . . . . 168
5.8. Основний закон радіоактивного розпаду . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.9. Дозиметрія йонізуючого випромінювання . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.10. Біологічна дія йонізуючого випромінювання . . . . . . . . . . . . . 178
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
РОЗДІЛ 6. ЕЛЕМЕНТИ КВАНТОВОЇ БІОФІЗИКИ
6.1. Будова атома по теорії Бора. Випромінювання та поглинання енергії атомами та молекулами . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.2. Основні поняття квантової механіки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.3. Основне рівняння квантової механіки – рівняння Шредінгера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.4. Рівняння Шредінгера для атома водню (Гідрогену) . . . . . . . . 206
6.5. Багатоелектронні атоми . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.6. Первинні стадії фотобіологічних процесів . . . . . . . . . . . . . . . 210 
6.7. Електронні переходи в біологічно важливих молекулах . . . . 212
6.8. Поглинання світла біосистемами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.9. Теплове випромінювання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
6.10. Явище люмінесценції . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
ЧАСТИНА 2. ОСНОВИ ПРИКЛАДНОЇ БІОФІЗИКИ РОЗДІЛ 7.
ОСНОВИ БІОРЕОЛОГІЇ. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ГЕМОДИНАМІКИ
7.1. Біофізичні основи реології та гемодинаміки . . . . . . . . . . . . . . 242
7.2. Методи визначення в’язкості рідини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.3. Основні показники гемодинаміки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.4. Робота серця . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.5. Пульсова хвиля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
РОЗДІЛ 8. ЕЛЕМЕНТИ БІОФІЗИКИ СЛУХУ
8.1. Звук. Фізичні характеристики звуку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2. Фізіологічні характеристики звуку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.3. Сприйняття слуху . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.4. Кодування інформації в слуховому аналізаторі . . . . . . . . . . . . 266
8.5. Звукові методи дослідження в медицині . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
ести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
РОЗДІЛ 9. ЕЛЕМЕНТИ БІОФІЗИКИ ЗОРУ
9.1. Око – центрована оптична система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
9.2. Недоліки оптичної системи ока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.3. Молекулярний механізм зору . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
РОЗДІЛ 10. МОДЕЛЮВАННЯ БІОФІЗИЧИХ ПРОЦЕСІВ
10.1. Особливості моделювання фармакокінетичних процесів . . . 290
10.2. Однокамерна фармакокінетична модель . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.3. Фармакокінетична модель з підкамерою . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.4. Багатокамерні фармакокінетичні моделі . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.5. Моделі неперервного введення препарату . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
РОЗДІЛ 11. ЕЛЕМЕНТИ БІОФІЗИКИ ОРГАНІВ ЧУТТЯ
11.1. Біофізичні особливості відчуття смаку, нюху та дотику . . . . 310
11.2. Сприйняття смаку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
11.3. Орган нюху . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
1.4. Відчуття дотику . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
РОЗДІЛ 12. ЕЛЕМЕНТИ БІОФІЗИКИ ОРГАНІВ ЗОВНІШНЬОГО ДИХАННЯ
2.1. Механічні процеси в легенях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
12.2. Розтяжність легень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
12.3. Робота дихальних м’язів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
ЧАСТИНА 3. ФІЗИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ ТА МЕТРОЛОГІЯ
РОЗДІЛ 13. ФІЗИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ ЛІКАРСЬКИХ ЗАСОБІВ
13.1. Спектроскопія у видимій та ультрафіолетовій областях . . . . 341
13.2. Інфрачервона спектроскопія . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
13.3. Спектроскопія комбінаційного розсіювання . . . . . . . . . . . . . . 350
13.4. Спектроскопія ядерного магнітного резонансу . . . . . . . . . . . . 356
13.5. Мас-спектроскопія . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
13.6. Рентгеноструктурний аналіз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13.7. Мікроскопічний аналіз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
13.8. Поляриметрія . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.9. Термічний аналіз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
13.10. Рефрактометрія . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.11. Хроматографія . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
13.12. Фізичні методи у виробництві лікарських засобів . . . . . . . . . 405
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
РОЗДІЛ 14. ОСНОВИ ТЕОРЕТИЧНОЇ МЕТРОЛОГІЇ ТА ЇЇ РОЛЬ У ФАРМАЦІЇ
14.1. Визначення метрології як науки. Завдання метрології. Вимірювання фізичної величини . . . . . . 425
14.2. Прямі вимірювання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .429
14.3. Однократне пряме вимірювання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
14.4. Багатократні непрямі вимірювання. Метод обробки даних вимірювань із застосуванням теорії ймовірностей та математичної статистики . . . . . . . . . . 431
14.5. Математична обробка результатів вимірювань . . . . . . . . . . . . 433
14.6. Посередні (непрямі) вимірювання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
Контрольні питання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
Тести для самоконтролю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
Приклади розв’язування задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
Задачі для обов’язкового розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
Задачі для самостійного розв’язування . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
Додатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
Предметний покажчик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Список літератури . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463