Kiegészítés: színkeverés
Lumineszcencia ‐ Fényforrások
Alapszinek additív keverése
Alapszinek kiegészítő szineinek keverése: Szubtraktív keverés
Fidy Judit Egyetemi tanár 2015, November 5
Az emberi szervezet és a Fény
Emlékeztető….. Abszorpciós spektroszkópia ‐ spektrofotometria
Az UV tartomány hatásai szempontjából különösen fontos
Milyen fotonenergiákon van abszorpció – a molekula elektronállapotaitól függ DNS, RNS
J lg 0 J
fehérje
J = J 0 ⋅ e − μx J0 = lg e ⋅ μ ⋅ x J J lg 0 = ε ⋅ c ⋅ x J lg
λ (nm) (vagy hf )
Abszorbancia vagy Optikai Denzitás
Röntgen sugárzás Híg oldatokra C= moláris koncentráció
UV-C UV-B 200-280 280-315 nm nm
UV-A 315-400 nm
Mérhető mennyiség
Abszorpciós spektrum
6.2 eV
1.8 eV
A fény‐elnyelés elsődleges célszervei : szem, bőr Molekuláris szintről indulva – mi az ami elnyeli a fényt?
Relatív abszorbancia
β-carotin
λ (nm)
Pozitív hatások: D vitamin szintézis (UVA); VIS tartomány stimuláló hatása :hormon‐szint, immun rendszer, anyagcsarefolyamatok, sebgyógyulás, stb….. Molekuláris alapok nem ismertek
Fény‐elnyelő molekulák a szemben
DNS, RNS
Melanin
Fehérjék
Relatív abszorbancia
Immun szupresszió
Endogén kromofórok
Hemoglobin, mioglobin
Káros hatások
+Exogén kromofórok ‐ételfestékek ‐gyógyszerkomponensek ‐kozmetikumok …..
λ (nm)
Az UV tartomány veszélyességének alapjai ‐ szem
NUV
Ocular media elnyelése Sárga folt
UVB UVA UVC 280 300 320 340 360 λ[nm] cornea 100 iris
Receptorok
λ (nm)
retina
92 47 37 1 32 6 16 4 14 2
36 48 52
1 1 2
UVA 320
320 360 λ[nm] 360 λ[nm]
cornea
47 16
32 14
iris
36
52
retina
1
2
A fényelnyelés lehetséges következményei: fotokémiai reakciók gerjesztett állapotból
A fény elnyelődése a bőr rétegeiben – behatolási mélység Hosszabb hullámhosszak mélyebbre hatolnak, de csak a bőr aljáig!
reflexió
UV‐elnyelés direkt hatása Æ DNS, RNS sérülés: pontmutációk Pirimidin bázisok fotodimerizációja: citozin, timin uracil Nukleotid bázisok és fehérjék keresztkötése Nukleotid bázisok fotohidratációja
írha
Közvetett hatások hf Elektron‐transzfer : D D* D*+ A D+ + A‐ Pigmentképződés - barnulás Szénhidrogén láncok
reaktiv szabad gyökök
hf
Energia‐átadás: D D* D*+ A D + A*
A=oxigén A*=reaktiv szinglet oxigén
Aromás aminosavak
DNS, RNS
Fotoszenzibilizátor molekula:
Vissza a fényabszorpcióhoz…… Az abszorpciós spektrum értelmezése hf2
Szabad elektron állapotok
nagy hatásfokkal gerjesztődik Gerjesztett állapot2
nagy hatásfokkal kelt szinglet oxigént vagy szabad gyököt Gerjesztett állapot1
szelektíven célbajuttatható Alapállapot: Két elektron ellentétes spinnel
Pálya energiák En
Fotoszenzibilizátorok terápiás alkalmazása
En+2
J lg 0 J
A hemoglobin abszorpciós spektruma oldatban
hf2 En+1
hf1
hf1
? En
λ= c f
λ (nm)
A séma egyszerűsítései: ‐ a betöltött pályák közül csak a legfelső pályát tűntetjük fel: En ‐ a legfelső pályán két elektron van – a festékek legtöbbje ilyen
A séma kiegészítésre szorul! Problémák: Δε=hf teljesül, DE J lg 0 J
hf2
1. Miért különböznek abszorbanciában az abszorpciós átmenetek?
?
Válasz2 előtt definiciók:
∑j s j = 0 Szingulett állapot: a molekula összes elektronja párokban kompenzált spinű ∑sj =1 Triplett állapot: egy elektron‐pár van azonos spinnel j
2. Éles abszorbancia maximumok helyett széles „sávok” vannak!
T1
S1
hf1 jelölés
λ= c f
jelölés
jelölés
S0
λ (nm)
Válasz1: az elektronok gerjesztési átmeneteinek valószínűsége függ attól, hogy milyen kvantumszámú pályák kombinálódnakÆ Æ kiválasztási szabályok vannak
Aromás szénhidrogének elektron‐átmenetei kiegészítve a vibrációs állapotokkal Abszorpciós átmenetek: A két legfelső elektron spin-állapotai. Gerjesztett állapotban az egyik az alap-, a másik a gerjesztett állapot spin-állapotát jelzi
Széles skála! A molekulák vibrációs módusai kihatnak az elektron‐állapo‐ tokra: „vibronikus” átmenetek
Alap állapot
Szingulett Gerjesztett állapot
Gerjesztésnél: S0 Æ S1 vagy S0 Æ S2 …..
Triplett Gerjesztett állapot
S0 Æ T1 , T1Æ S0 Tiltott átmenet
Az elektron‐állapotok sémáját molekulákra ki kell egészíteni a vibrációs állapotokkal lg
J0 J
Δε=hf
hf2
teljesül, de mégis:
2. Éles abszorbancia maximumok helyett széles „sávok” vannak! S0ÆS1 átmenet: vibronikus átmenetek sorozata
Kötött elektronok energiaállapotai
2. Éles abszorbancia maximumok helyett széles „sávok” vannak!
hf1
Kiszélesedés a környezet sokfélesége miatt az átmenet pillanatában
λ= c
A vibronikus átmenetek még nem magyarázzák meg a sávokat: diszkrét energiák sorozatait mutatják
gerjesztés
relaxáció
f
λ (nm)
Válasz2: kétféle ok: 1. molekulákban vibronikus átmenetek 2. a környezet B.eloszlása energianívókonÆ a gerjesztett molekula körüli elektromos tér sokfélesége Æ Æ az elektromos tér perturbálja az elektron‐állapotokat
Spontán fényemisszió gerjesztett elektronállapotból: Lumineszcencia
Fényemisszióra vezető jelenségek ‐ áttekintés ¾ Spontán fotonemisszió gerjesztett elektronállapotból:
Lumineszcencia
Két fajtája: SnÆS0 átmenet Fluoreszcencia T1Æ S0 átmenet Foszforeszcencia Fluoreszcencia
¾ Fény‐emisszió indukált emisszió révén: LASER (jövő héten)
Relaxáció fotonemisszióval szingulett állapotok között
¾ Hőmérsékleti sugárzás
1.Kasha ‐szabály
¾ LED (múlt héten): elektronok és lyukak elektromos tér által indukált rekombinációja félvezető diódákban
3. Stokes‐shift
2. Fluoreszcencia spektroszkópia Megvilágítás Fehér fénnyel
gerjesztés
λ
lg
fix
M
minta
J0 J
Környezetükkel kölcsönható molekulák fluoreszcencia emissziója a legalsó gerjesztett elektronállapot legalsó vibrációs szintjéről történik az alapállapot vibrációs szintjeire, bármilyen magasabb nívóra is történt a gerjesztés.
Abszorpciós spektrum
Fluoreszcencia Emissziós spektrum
ΔJ (λ ) Δλ
Az abszorbeált és emitted fotonenergiák átlagai az emisszió előtti relaxáció és a vibrációs állapotok miatt nem egyeznek meg Fluoreszcencia Emissziós spektrum λgerj=580 nm
S0ÆS1 M
M=monokromátor
λ ΔJ (λ ) Δλ
Klorofill 10 K
Abszorpciós spektrum
S1ÆS0
emisszió
detektor
Minta: búzalevél, T=10 K
λ (nm)
λ (nm)
hf abs > hf fluo
ΔJ (λ ) λ Fluoreszcencia gerjesztési spektrum: a gerj függvényében Æ Δλ fix Æ arányos az abszorpciós spektrummal Az abszorpció az S0 nívó legalacsonyabb vibrációs szintjéről indul szobahőmérsékleten
λabs < λ fluo A maximum‐helyekre
4. A gerjesztett állapot élettartama– fluoreszcencia lecsengés t=0 –ban N0 molekula gerjesztése Æ a gerjesztés megszűnése után visszatérnek alapállapotba
A kiválasztási szabályok tiltják a spin‐állapot megváltozását gerjesztéskor és spontán emissziónál: S0ÆT1 és T1ÆS0 átmenetek nagyon kis valószínűségűek
Jablonski diagram
A gerjesztett molekulák száma Æ a kibocsátott fotonok száma időben „lecseng”
−t
Szingulett‐>Triplett átmenet Gerjesztett állapotban
τ
Energy
N = N 0e
Foszforeszcencia
Exponenciális lecsengés
N0 e
τ τ
a gerjesztett állapot élettartama
gerjesztés fluoreszcencia foszforeszcencia
idő (t)
A szingulett gerjesztett állapot (S1) élettartama rövid ~ 10-9s
1. A triplett gerjesztett állapot élettartama A T1ÆS0 átmenet igen kis valószínűségűÆ hosszú élettartam:
μs – s
metastabil állapot
2. Az abszorpciós, a fluoreszcencia‐ és a foszforeszcencia‐emissziós spektrumok összehasonlítása
Lumineszcencia alkalmazások
Példa: Triptofán aminosav (normalizált spektrumok) Sokféle lehetőség a spontán emissziót megelőző gerjesztett állapot létrehozására
abszorpció fluoreszcencia foszforeszcencia
λmax < λmax
< λmax
Fény foton elnyelése: fotolumineszcencia Kémiai reakció energiája: kemolumineszcencia ‐ biolumineszcencia
Alacsony hőmérsékleten
Ütközés elektromos térrel gyorsítiott töltött részecskékkel: elektrolumineszcencia
ES1 > ET1
Mechanikai deformáció energiája: tribolumineszcencia
Termikus gerjesztés (B.eloszlás): termolumineszcencia (lab. gyakorlat)
Mégis: a természetben kevés lumineszcens molekulát találunk ‐‐‐ MIÉRT? A foszforeszcencia emisszió tipikusan igen kis intenzitású Hosszú élettartamÆ sok lehetőség más fajta energialeadásokra
ΦF =
N fluo N abs
=
k fluo k fluo + kvibr + k kölcs.h
≈ ∫ F ( f )df = J fluo , sáv
τ=
Φ 1 = k fluo k fluo + kvibr + k kölcs.h
élettartam
k: a relaxáció sebessége Fluoreszcencia (foton‐emisszió, vibrációs állapotok gerjesztése, Kvantum‐hatásfok kölcsönhatás más molekulákkal)
A legtöbb molekula nem fényemisszióval relaxál gerjesztett állapotból
3. Fluoreszcencia‐mikroszkópia – élettudományokban és diagnosztikai alkalmazások
1. Fényforrások a mindennapokban Fénycsövek: elektrolumineszcencia és fotolumineszcencia kombinációja „F‐tubes” –fénycső a Nap spektrumát célozza meg
Alapja: a szövetekben igen kevés fluoreszkáló molekula vanÆ szelektív fluoreszcens festés után a kötődés helyét fluoreszcencia alapján leképezhetjük A gén‐expresszió egy állapota: az RNS‐re kötődő fehérjék zöld fluoreszcenciája alapján az RNS kirajzolódik.
Fluoreszcens réteggel bevont üvegcső
‐
+ Higany‐gőz
Higany elektrolumineszcenciájaÆ UV fotonok Æ az üvegfal bevonatában levő molekulák gerjesztése Æ fehér fény (a gerjesztő UV fény elnyelődik az üvegben)
Konfokális mikroszkóp Fénycső kompakt formája
2. Speciális lámpák/fényforrások – az emisszió hullámhossztartománya alapján
FRET: fluoreszcensen jelzett molekulák távolsága mérhető Förster‐tipusú rezonancia energia‐ transzfer alapján. kétféle jelző molekula Donor Akceptor Azonos energiájú emissziós (D) és abszorpciós(A) átmenetek
Különböző nyomású Hg‐gőz lámpák elektrolumineszcenciája
ktransfer = J (λ ) ⋅ const ⋅ R −6
‐ alacsony nyomás: Germicid lámpa – λ=254 nm Æ DNS‐mutációk, törések bacteria Æ baktérium‐ölő hatás: mikrobiológiai laboratóriumok sterilizálása
D emissziója JD ,τ D
D gerjesztése
‐ közepes nyomás. Erythema lámpa ‐ λ= 280 – 320 λ~310nm Æ psoriasis, vitiligo kezelése ‐ nagy nyomás: Solarium lámpák, fényforrások fotoszenzibilizátorok gerjesztéséhez Æ dermatológia
A emissziója J DA , τ DA
Mérés: JD, JDA, vagy τD, τDA Æ Förster formula Æ A Donor és Akceptor molekula távolsága: R meghatározható
Angiográfia fluoreszcens festéssel
Fluoreszcein abszorpciós és emissziós spektruma
Hőmérsékleti sugárzás – összefoglalás (korábbi előadás) Minden test bocsát ki elektromágneses sugárzást mivel az alkotó részecskék vibrációs mozgásai során gyorsuló töltések és rezgő dipólusok keletkeznek, amely jelenségek elektromágneses sugárzás forrásai.
Kirchhoff törvény : a hőmérsékleti sugárzás emisszióképessége és abszorpcióképessége összefügg, hányadosuk minden testnél (i és j) minden λ‐án állandó M λ ,i Vérerek jelzése fluoreszcein‐festékkel, vizsgálat: reflexióban, A megvilágító fény filterrel kiszűrhető a Stokes shift alapján
4. Kvalitatív és kvantitatív analízis fluoreszcencia emissziós spektrum alapján ‐ lab.gyakorlat: a spektrum jellemző a kibocsátó ionra, atomraÆ azonosítás ‐ orvosi laboratóriumokban: láng fotométerÆ az emissziós vonalak intenzitásának méréseÆ Ækvantitatív analízis (Na, K, Li mennyiség vizeletből)
α λ ,i
=
M λ, j
αλ, j
= const.
M λ = ΔP = ( J emitted ) ΔA A teljes térszögben λ hullámhosszon emittált intenzitás
α=
Eabszorbeált Eteljesbeeső Abszorpcióképesség
Abszolút fekete test: minden energiát elnyel
α = 1 (maximum) =>
Hőmérsékleti sugárzás a gyakorlatban
M kibocsátott teljesítmény is maximális
Az emberi test 95% fekete test T1
Stefan –Boltzmann törvény:
M összes = σ ⋅ T 4 σ = 5.7 ⋅10-8
1. Fényforrások
Nap 5500‐6000 K es fekete test + ózon védelem (UVB ‐!) izzószálas égők(~3000 K): energia nagy része nem a VIS tartományban halogén gáz‐védelemÆ magasabb hőmérsékletÆ Æ fényhozam nő A látás érzékenysége
W m ⋅K4 2
M(λ)
A Nap eredeti emissziója
Wien‐féle eltolódási törvény:
A sugárzás spektruma az atmoszféra határán
λmax ⋅T = const.
A sugárzás spektruma a Föld felszínén ózon védelem az UVB tartománytól
Fekete test: fémdoboz egy kis nyílással. A belépő fénysugár reflexió útján soha nem tud kilépni: „teljesen elnyelődik”
2. Az emberi szervezet hőegyensúlya
3. Diagnosztikai alkalmazások 700 K (430 C) alatt a sugárzás az IR tartományba esik
konvekció ~11W
párologtatás ~17W
Teletermográfia
A környezettel hőcserében:
ΔM = σ ⋅ (T
4 body
2m2 34oC
hővezetés - elhanyagolható
−T
4 envir .
)
A leadott hő erősen függ a környezet hőmérsékletétől
sugárzás ~133W
2m2 34oC Ttest = 307 K
Adott felület felett IR kamerával 2D intenzitástérkép felvétele Æ hőmérsékleti eloszlás Æ színkódolt hőmérséklet térkép az adott felületről
Wien törvény
λmax = 9.5 μm, IR
Gyulladásos gócok, vérellátási változások, anyagcserezavarok tumoros szövetekben …. Æ hőmérsékletváltozások Æ diagnosztika
A környezet is hőmérsékleti sugárzó!
Szín‐kódolt hőmérsékleti térképek
Példák
Diagnosztika teletermográfia alapján Kamionsoför fáradása a vezetésben reggel délben este
Cigarettázás: beszűkült vérerek
mellrák
Gyulladások és trombózis
Egy egészséges kutya……
Köszönöm a figyelmet!
