UNIDAD 5: Propiedades ópticas e interacción de la luz con los tejidos. Flashcards
Mencione las propiedades ópticas fundamentales y sus unidades
Las propiedades ópticas fundamentales son:
Refraccion:
Reflexion: es el fenómeno por el cual la luz regresa al medio de donde proviene.
Dispersión: hace que la luz sea direccionada en diferentes direcciones.
Absorción: la energía se convierte en otra cosa (calor, etc).
Unidades:
- Índice de refracción [(n)]. Adimensional.
- Sección transversal de dispersión [s]. En (m2).
- Sección transversal de dispersión diferencial dsd . En m2/rad .
- Sección transversal de absorción [a]. En (m2).
Parámetros ópticos fundamentales (microscópicos):
- Índice de refracción (η): determina la velocidad de la luz en los tejidos, cualquier variación en este índice introducirá variaciones en la refracción, reflexión y dispersión.
- Coeficiente de absorción (µa): es la probabilidad de absorción de fotones en un medio por unidad de longitud de una trayectoria.
- Coeficiente de dispersión (µs): es la probabilidad que un fotón se disperse en un medio por unidad de longitud de una trayectoria.
- Función de fase (φ(s, s’))
Defina el índice de refracción complejo, ¿que describe cada una de sus partes (real e imaginaria)?
El índice de refracción es una propiedad fundamental de los medios homogéneos que describe sus propiedades ópticas lineales.
La parte real describe la velocidad de fase y la longitud de onda en ese medio.
La parte imaginaria, coeficiente de absorción, describe la atenuación de la onda debido a la absorción en el medio.
La velocidad de fase y la longitud de una onda dependen del índice de refracción del medio, en cambio la frecuencia y la energía del fotón no varían.
Interprete lo que sucede en la interface entre dos medios con distintos índices de refracción. ¿Qué información nos brinda la ley de Snell y la ley de Reflexión de Fresnel?
Cuando una onda se propaga en un material con un índice de refracción dado y se encuentra con un segundo material cuyo índice de refracción es diferente, la trayectoria de la onda cambia. Si la longitud de onda de la luz que incide es pequeña comparada con el límite o curvatura (interfase) que separa ambos medios, ocurre una reflexión y una refracción de la onda transmitida.
Ley de Snell: brinda información sobre la relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción de la luz transmitida.
Ley de reflexión de Fresnel: brinda información respecto sobre que fracción de energía de la onda incidente es reflejada.
¿Que es la dispersión? ¿Cómo se la clasifica? ¿De qué depende?
La dispersión es un proceso donde el fotón rebota elásticamente en un objeto microscópico. El fotón no se destruye en el proceso, solo cambia su dirección de propagación.
La dispersión ocurre en tejidos que presentan una variación en su índice de refracción.
Los fotones serán más dispersados por estructuras que posean un tamaño similar a la longitud de onda de la luz y su índice de refracción difiera del resto del medio que lo rodea.
En el medio celular, los dispersores fundamentales son las organelas. Muchas de estas estructuras caen en el régimen de Mie (dispersión anisotropía hacia adelante).
Se clasifica según el tamaño del objeto dispersor relativo a la longitud de onda:
Dispersión de Rayleight: objeto < λ
Dispersión de Mie: objeto ≅λ
Dispersión Geométrica: objeto< λ
¿En qué se diferencia la dispersión de Rayleight y la de Mie?
Dispersión de Rayleight: se produce un dipolo en el elemento dispersor que se debe a una leve redistribución de cargas y produce la misma dispersión hacia ambos lados.
Dispersión de Mie: el movimiento de cargas en el elemento dispersor es más complejo que en la dispersión de Rayleight y la dispersión es solo hacia adelante.
¿Con qué parámetros se cuantifica la dispersión?
Los parámetros con los que se cuantifica la dispersión son:
El área total del objeto sobre la que incide la onda (A)
La sección transversal de dispersión (s)
La potencia de entrada y salida PIny POut
La potencia de dispersión PScatt
Coeficiente de dispersión
Camino libre de dispersión (ls=1s)
¿Qué es la absorción? ¿Cómo se la clasifica?
Es un proceso que involucra extraer energía de la radiación óptica por una especie molecular, esto implica la transición entre distintos niveles de energía. Estas transiciones dependen de la estructura química, tamaño y simetría de las moléculas. Se la clasifica en: Absorción electrónica Vibracional Rotacional
¿Con qué parámetros se cuantifica la absorción?
La absorción se cuantifica con los siguientes parámetros:
Sección transversal de absorción [a]: a=Pabs/IO
Coeficiente de absorción [a]: a=ρa
Camino libre de absorción [la]: la=l/a
¿Defina el concepto de ventana óptica? ¿Cuál es su importancia?
Es una zona de 600 nm a 1100 nm. Imp: Donde menos absorbe E los tejidos! Entonces mayor penetración de la luz en los tejidos.
Otra definicion: Rango espectral comprendido entre los 600[nm] y 1300 [nm] desde la región naranja del visible hasta el infrarrojo lejano. En esta región tanto el agua como la hemoglobina absorben menos radiación que la melanina.
Realice un diagrama de Jablonski e indique en el los principales procesos estudiados. Preste atención a las diferentes transiciones y los tiempos de cada una de ellas.
El cruce de estado a estado y los diversos procesos radiativos y no radiativos posibles en una estructura orgánica se representan por el llamado diagrama de Jablonski. En este diagrama, los procesos radiativos están representados por una flecha recta, mientras que los no radiativos (también denominados a veces transición sin radiación) están representados por una flecha ondulada. El estado fundamental de la mayoría de las moléculas (orgánicas en particular) implica pares de electrones; por lo tanto, su spin total S=0 y la multiplicidad de spin 2S+1=1. Son estados singlete y, en el orden de la energía creciente desde el estado fundamental, los singlets son etiquetados S0,S1,S2 etc. Una excepción es la forma común de O2, donde el estado fundamental es un triplete con el spin S=1 y la multiplicidad de spin 2S+1=3. Por lo tanto, el estado fundamental del oxígeno es T0. Para las moléculas cuyos estados fundamentales son S0, la excitación de un electrón de un par de electrones emparejados a un estado excitado puede producir un estado en el que los dos electrones todavía están emparejados (como S1) o donde los dos electrones están desemparejados (un triplete, estado T1). Las configuraciones de tripletes excitadas están etiquetadas como T1, T2, y así sucesivamente, en orden de energías crecientes. Las consideraciones mecánicas cuánticas demuestran que para la excitación al mismo estado orbital, la energía del estado triplete excitado (digamos el estado T1) es menor que la de su correspondiente estado singlete (S1 en este caso). En la Figura 4.3 se describen las posibilidades para el destino de una excitación a un colector S2 superior. Las líneas horizontales estrechamente espaciadas representan los niveles vibracionales. Supongamos que la excitación es a un nivel electrónico S2. Un paso no radiactivo desde el estado S2 hasta S1 es generalmente el mecanismo dominante. Solamente unas pocas moléculas (por ejemplo, azuleno) muestran emisión (decaimiento radiativo) desde S2. Este cruce entre dos estados electrónicos de la misma multiplicidad de espín (como de S2 a S1) se denomina conversión interna (IC). Seguida de una relajación vibratoria rápida en la que el exceso de energía vibratoria se disipa en calor, la molécula que termina en el nivel más bajo de vibración del estado electrónico S1 (v=0). A partir de aquí, puede retornar al estado electrónico fundamental S0 emitiendo un fotón (radiativamente). Esta emisión de un estado (S1) a otro estado (S0) de la misma multiplicidad de spin se denomina fluorescencia. La excitación puede cruzarse de S1 a T1 por otro proceso no radiactivo llamado cruce entre sistemas (ISC) entre dos estados de diferente espín. Este cruce (rotación) viola la regla de ningún cambio de electrón durante un cambio de estado electrónico y por lo tanto se llama una transición prohibida por el giro. Esta rotación spin (o la aparición de una transición prohibida por el giro) es promovida por acoplamiento spin-orbita, que relaja la propiedad spin por mezcla con un carácter orbital. Seguido de una rápida relajación vibratoria, la excitación termina en el punto cero del estado T1. Un proceso radiativo de emisión desde aquí que conduce a S0 es spin-prohibido y se llama fosforescencia. La rotación-violación se produce debido a la enganche de órbita de spin. Este es un proceso de emisión más débil y, por lo tanto, tiene una larga vida útil. Algunas de las vidas de fosforescencia son en segundos. Muchos procesos fotoquímicos se originan a partir de este tipo de estado triplete de larga vida. Los metales pesados, el oxígeno molecular (que tiene un estado fundamental triplete), las moléculas paramagnéticas y los átomos pesados tales como el yodo aumentan la velocidad de cruce entre sistemas, reduciendo así la fluorescencia y aumentando el proceso que tiene lugar desde el estado triplete excitado. Finalmente, también puede haber un intersistema no radiactivo que cruza de T1 a S0.
Realice un diagrama en bloques de un espectroscopio estándar. Mencione los distintos tipos de espectroscopia y que variaciones habría que hacer para cada una en el diagrama general realizado.
Un espectrofotómetro es un instrumento para medir la transmitancia o absorbancia de una muestra, en función de la longitud de onda de la radiación electromagnética. Los componentes clave de un espectrofotómetro son:
Una fuente que genera una banda ancha de radiación electromagnética.
Un dispositivo de dispersión que selecciona una longitud de onda particular (o mas correctamente una banda de ondas) de la radiación de la fuente.
Un área de muestra.
Uno o más detectores para medir la intensidad de la radiación.
Otros componentes ópticos como lentes o espejos, transmiten la luz a través del instrumento.
Espectroscopia:
Electrónica: transición entre dos estados electrónicos; acoplamiento con vibraciones. Transición vibrónica que implica el cambio simultáneo de estado electrónico (i→f) y vibratorio
Absorción: transición de un estado de energía inferior (fundamental) a un estado de energía excitada
Emisión: transición de un estado superior a uno inferior
Fluorescencia: permitido
Fosforescencia: prohibido
Vibracional:
Absorción IR: absorción de un fotón IR (o infrarrojo lejano) para ir de un nivel vibratorio más bajo a uno más alto.
Dispersión Raman: dispersión de fotones en el rango visible para producir un cambio de estado vibratorio
¿Qué tipo de información brinda cada una de las espectroscopias? Como las ordenaría según la energía entre las distintas transiciones.
La espectroscopia electrónica de absorción (UV-Visible) brinda información sobre la presencia de cromóforos. A mayor cantidad de enlaces conjugados el sistema absorbe a mayores longitudes de onda.
La espectroscopia vibracional (IR) permite la identificación de sustancias y la presencia de grupos funcionales.
Según la energía entre las distintas transiciones en la espectroscopia electrónica la energía es mayor que en la espectroscopia vibracional.
Compare un espectro de UV-Visible y uno de IR? Menciones algunas diferencias.
Espectro UV de absorción
Bandas de absorción anchas. El número de picos de máxima absorción se corresponde con la presencia de enlaces conjugados. A mayor conjugación de sistemas aromáticos la absorción se desplaza al visible.
Espectro IR de transmisión
Todos los enlaces de una molécula van a sufrir transiciones vibracionales, cada una con una frecuencia determinada y característica, y cada una de estas transiciones va a provocar una banda de absorción.
Cuantitativos
Espectros más complejos
Estrechez bandas de absorción
Capacidad instrumentos para efectuar medidas en esta región
Cualitativos
Gama muy numerosa de bandas bien definidas y mínimos
Las bandas de absorción más útiles se localizan en la sección más corta del infrarrojo
(DECIR EL CUADRO DE CONCLUSIONES DE LOS APUNTES)
¿Qué tipo de estudios permiten realizar las espectroscopias? Mencione algunas aplicaciones.
La complejidad de un espectro IR permite su uso para identificar sustancias ya que se transforma en una especie de “huella digital” del compuesto.
La identificación de ciertas bandas características brinda información sobre la presencia de grupos funcionales.
Interacción de la luz con los tejidos
Luz + (células y tejidos): -Efectos físicos
-Efectos térmicos
-Efectos mecánicos
-Efectos químicos
En su mayoría iniciados por la absorción de la luz (proceso lineal).
Los distintos tipos de interacciones (absorción, dispersión, refracción o reflexión) o propiedades ópticas de los tejidos son caracterizadas por el índice de refracción, coeficiente de absorción y coeficiente de dispersión.
Procesos celulares inducidos por la luz
Luz absorbida por componentes celulares
Procesos Radiativos
Fluorescencia
Procesos No Radiativos
Efectos térmicos (importantes en tejidos): desnaturalización de proteínas, perdida de actividad enzimática, vaporización de agua.
Fototérmico: fotofragmentación, foto oxidación.
Ley de Beer para coeficiente de atenuación a: la intensidad de la luz luego de viajar una distancia Z. Iz=I0e-µaZ
Ley de Beer para coeficiente de dispersión d: la intensidad de la luz luego de viajar una distancia Z. Iz=I0e-µdZ
Dispersión en los tejidos
Dispersión elástica: el fotón incidente y el disperso son de igual frecuencia.
Dispersión de Reyleigh:
Dispersión Mie
Dispersión inelástica: el fotón incidente y el disperso son de diferentes frecuencias.
Dispersión Brillouin: la diferencia en la energía generan fotones acústicos.
Dispersión Raman: la diferencia de energía genera excitación vibratoria en la molécula.
Atenuación de los tejidos
La absorción y la dispersión producen una disminución de la intensidad de la luz cuando esta se propaga a través del tejido
Iz=I0e-(a+s)z
Importancia de la óptica de los tejidos
Define el volumen de interrogación o muestreo. Diagnostico.
Define la región de interacción / efecto terapéutico. Terapia.
En la interacción existen dos jugadores claves:
Radiación (λ, modo continuo / pulsado)
Medio: puramente absorbente, puramente dispersivo, combinación.
Efecto del tejido sobre la luz: diagnostico
Efecto de la luz sobre el tejido: terapia
Fotoluminiscencia: proceso mediante el cual especímenes vivos o inertes, absorben y subsecuentemente re-emiten luz.
Fosforescencia: cuando la emisión de luz persiste luego del apagado de la luz de excitación.
Fluorescencia: la emisión de la luz de la muestra permanece solo durante el periodo de absorción de la luz de excitación.
Fluorocromos: son productos químicos que al ser estimulados con fotones de longitud de onda comprendida entre determinados rangos (de excitación o absorción) emiten a su vez otro fotón de longitud de onda mayor (de emisión) es decir, de menor energía.
Espectroscopia Vibracional
La región que se utiliza del espectro infrarrojo es entre 2500 nm y 16000 nm.
La frecuencia de una transición para un enlace determinado va a depender entre otras cosas de la fuerza del enlace y de la masa de los átomos en los extremos del enlace.
Explique el esquema 3 niveles
Algunas sustancias activas tienen una estructura de [niveles] con ciertas características particulares que les permiten alcanzar un estado denominado inversión de población. Para que se pueda alcanzar, es necesario que haya
a) un conjunto de al menos [tres] niveles próximos con energía [E3>E2>E1] , uno de los cuales sea fácilmente alcanzable [E3] ,
b) una pareja de niveles [(E3‑E2)] con alta probabilidad de transición por emisión espontánea
c) que el nivel intermedio (E2) sea metaestable.
La inversión de población es un estado en el que el nivel de energía metaestable (E2) está superpoblado, con [más] electrones que un nivel inferior (E1). En esas condiciones la probabilidad de que tenga lugar una emisión [estimulada] es muy alta, y se pueden obtener muchos fotones [coherentes].
