Fény kölcsönhatása az anyaggal Beeső nyaláb
Reflexió
Fény kölcsönhatása az anyaggal: szórás, abszorpció, emisszió
Refrakció Abszorpció
Kellermayer Miklós Szóródás
Emisszió
A fényszórás mérése, orvosi alkalmazásai
Fényszórás Rayleigh szórás
• Emisszió rezonáló diopólusok által
• Szóró centrumok
Lord Rayleigh (1842-1919)
R
J0 Light Fényforrás source
Js Vizsgáló
egymástól távol (nincs interferencia) • Rugalmas ütközés: fotonenergia nem változik
Js = J0
8π 4 Nα 2 (1 + cos2 Θ) λ4 R 2
Js=szórt fény intenzitása J0=beeső fény intenzitása N=szóró részecskék száma α=polarizálhatóság λ=hullámhossz R=távolság a vizsgáló és szóróközeg között Θ=szög
• monokromatikus • polarizált
Turbidimetria: • u.a. mint az abszorbanciamérés (l. később)
Nefelometria (klinikum): Erős hullámhosszfüggés ¦ a szórt fényben a rövid hullámhosszak dominálnak ¦ kék ég
Ha a szóró centrumok egymással kölcsönható atomok hullámhossz-méretű halmazai ¦ interferencia, kioltás ¦ esőcseppek kiszürkülnek (felhők)
• a minta kismértékben szór • koncentrációfüggés • immunkomplexek koncentrációmérésére alkalmas
J0
J
J<J0 Áthaladt intenzitás
Reflexió Beeső intenzitás
Refrakció Abszorpció
Egy mennyiség (J) és annak megváltozása (ΔJ) egymással arányosak:
Szóródás
ΔJ=-μΔxJ
Emisszió
J
J-ΔJ
Rétegvastagság
Az abszorpció paraméterei és mérése A = lg
Transzmittivitás (T):
J0 = lg e ⋅ μ ⋅ x J
J T = ⋅100 J0
Fényabszorpció atomi és molekuláris mechanizmusai
Dimenzió nélküli szám Szinonímák: extinkció, optikai denzitás (OD), optikai sűrűség
Százalékban (%) fejezzük ki Szinoníma: transzmissziós tényező
Beérkező foton (E=hf) elnyelődése Atommag
Gerjesztett állapot Közbülső energiaszint
Fotometria (“fénymérés”): Minta (J) Elektronika Detektor Fényforrás
Monokromátor Referencia (J0)
μ = sugárgyengítési együttható D = felező rétegvastagság
Exponenciális függvény: J=J0e-μx
Abszorpció: elnyelés (absorbere, lat., elnyelni)
Abszorbancia (A):
Áthaladt intenzitás
Rétegvastagság
Legalacsonyabb energiaszint
Számítógép Elektron
Beérkező foton (E=hf) elnyelődése
Atomok esetében diszkrét (kvantált) fotonenergiák
magasabb energiájú (“gerjesztett” állapotok)
Beeső nyaláb
Általános sugárgyengítési törvény Áthaladt intenzitás
Fény kölcsönhatása az anyaggal
Molekulaszerkezet
Molekula energiája Born-Oppenheimer - közelítés:
Molekula: kovalens kötéssel összekapcsolt atomok Legegyszerűbb eset: kétatomos molekula (pl., hidrogénmolekula)
E total = E e + E v + E r Max Born (1882-1970)
J. Robert Oppenheimer (1904-1967)
Fontos megjegyzések: Energia állapotok egymástól függetlenek (csatolás elhanyagolható) Állapotok energianívói kvantáltak Átmenetek energia “csomag” elnyelésével/kibocsátásával járnak Energiaszintek közötti különbségek nagyságrendje különbözik:
A molekulák vibrációs és rotációs mozgásokat végeznek! Vibráció: kovalens kötés mentén történő periodikus mozgás Rotáció: kovalens kötés tengelye körüli periodikus mozgás
~100x
Példák a vibrációs mozgásra háromatomos (metilén) csoportban (-CH2-):
~100x
Ee > Ev > Er ~3x10-19 J (~2 eV) > ~3x10-21 J > ~3x10-23 J Aszimmetrikus nyúlás
Szimmetrikus nyúlás
Ollózás
Energia állapotok ábrázolása
A fényabszorpció hullámhosszfüggő Magyarázat: atom és és molekulaszerkezet!
Jabłoński-féle termséma:
Abszorbancia
Alexander Jabłoński (1898-1980)
egy molekula elektronállapotait, és a közöttük végbemenő átmeneteket (nyilakkal) mutatja
Vibrációs energiaszintek (vékony vonalak)
Általános sugárgyengítési törvény:
Hemoglobin abszorpciós spektruma
A = lg
abszorpciós maximumok
Híg oldatokra - Lambert-Beer törvény:
Aλ = lg
Első gerjesztett állapot Hullámhossz (nm) Abszorpciós átmenetek
Elektron energiaszintek (vastag vonalak) Alapállapot
J0 = lg e ⋅ μ ⋅ x J
•A moláris extinkciós együttható (ελ) mértékegysége (SI): m2mol-1 •Koncentrációmérésre alkalmas módszer •A hullámhossz alapján az energiaátmenet nagysága kiszámítható:
J0 = ελ ⋅ c ⋅ x J
ελ = moláris extinkciós együttható c = koncentráció
E2 − E1 = E foton = h ⋅ f = h ⋅
c λ
Abszorpciós spektroszkópia
A sávos színkép eredete Egyedülálló atomok
Molekulák Szénmonoxihemoglobin Oxihemoglobin Dezoxihemoglobin
• Spektrum: intenzitás (vagy
Abszorbancia
származtatott mennyiségei, pl. OD) a fotonenergia (vagy származtatott mennyiségei, pl. frekvencia, hullámhossz) függvényében.
• Spektroszkópia: a spektrum kvalitatív elemzése.
• Spektrometria, spektrofotometria: a spektrum kvantitatív elemzése.
• Alkalmazások: kémiai
szerkezetvizsgálat, koncentrációmérés, stb.
Vonalas abszorpciós színkép A fényforrás spektrumában megjelenő keskeny eloszlású hiányok: abszorpciós vonalak
Sávos színkép - eredete: • kémiailag ugyanolyan molekulák eltérő energiaállapotban vannak • hőmozgás • oldatkörnyezet
Fény kölcsönhatása az anyaggal
Hullámhossz (nm)
A fényemisszió eredete Emisszió: “kibocsátás”
Beeső nyaláb
Reflexió
1. Termikus (feketetest) sugárzás Mechanizmus: atomok, molekulák hőmozgása
Refrakció Abszorpció Szóródás Emisszió
2. Lumineszcencia Mechanizmus: gerjesztett állapoti energia kibocsátása
Fényemisszó gerjesztett atom által Beérkező foton (E=hf) elnyelődése Atommag
Lángfotometria
Nagy energiájú foton emissziója
Gerjesztett állapot
Elektron
Alkáli fémek kvalitatív és kvantitatív meghatározása
Közbülső energiaszint
Legalacsonyabb energiaszint
Elektron Beérkező foton (E=hf) elnyelődése
Vonalas emissziós spektrum:
Emissziós spektroszkópia alkalmazása
Atommag Kis energiájú foton emissziója
Klinikum: szérum ionok (Na+, K+) meghatározása
