Lumineszcencia Fényforrások

Átírás

1 Kiegészítés: színkeverés Lumineszcencia Fényforrások Alapszinek additív keverése Alapszinek kiegészítő szineinek keverése: Szubtraktív keverés Fidy udit Egyetemi tanár 2015, November 5 Emlékeztető.. Abszorpciós spektroszkópia spektrofotometria Az emberi szervezet és a Fény Az UV tartomány hatásai szempontjából különösen fontos Milyen fotonenergiákon van abszorpció a molekula elektronállapotaitól függ lg 0 DNS, RNS fehérje λ( nm) (vagy hf ) = e lg lg μx = lg e μ x = ε c x Abszorbancia vagy Optikai Denzitás Híg oldatokra C= moláris koncentráció Röntgen sugárzás UV-C nm UV-B nm UV-A nm Mérhető mennyiség Abszorpciós spektrum 6.2 ev 1.8 ev

2 A fény elnyelés elsődleges célszervei : szem, bőr Molekuláris szintről indulva mi az ami elnyeli a fényt? Káros hatások Hemoglobin, mioglobin Endogén kromofórok Immun szupresszió Relatív abszorbancia Melanin β-carotin Relatív abszorbancia DNS, RNS Fehérjék Pozitív hatások: D vitamin szintézis (UVA); VIS tartomány stimuláló hatása :hormon szint, immun rendszer, anyagcsarefolyamatok, sebgyógyulás, stb.. Molekuláris alapok nem ismertek +Exogén kromofórok ételfestékek gyógyszerkomponensek kozmetikumok.. Fény elnyelő molekulák a szemben Az UV tartomány veszélyességének alapjai szem NUV Sárga folt Receptorok Ocular media elnyelése UVB UVC UVA λ[nm] cornea iris UVA λ[nm] 360 λ[nm] 47 cornea iris retina retina 1 2

3 A fény elnyelődése a bőr rétegeiben behatolási mélység Hosszabb hullámhosszak mélyebbre hatolnak, de csak a bőr aljáig! reflexió A fényelnyelés lehetséges következményei: fotokémiai reakciók gerjesztett állapotból UV elnyelés direkt hatása DNS, RNS sérülés: pontmutációk Pirimidin bázisok fotodimerizációja: citozin, timin uracil Nukleotid bázisok és fehérjék keresztkötése Nukleotid bázisok fotohidratációja írha Pigmentképződés - barnulás Szénhidrogén láncok Aromás aminosavak Közvetett hatások Elektron transzfer : D hf D* D*+ A D + + A Energia átadás: D D* D*+ A D + A* hf reaktiv szabad gyökök A=oxigén A*=reaktiv szinglet oxigén DNS, RNS Fotoszenzibilizátorok terápiás alkalmazása Fotoszenzibilizátor molekula: nagy hatásfokkal gerjesztődik nagy hatásfokkal kelt szinglet oxigént vagy szabad gyököt szelektíven célbajuttatható Vissza a fényabszorpcióhoz Az abszorpciós spektrum értelmezése Szabad elektron állapotok Gerjesztett állapot2 Gerjesztett állapot1 Alapállapot: Két elektron ellentétes spinnel Pálya energiák E n hf1 hf2 E n+2 E n+1 E n lg 0 λ = c f hf2 A hemoglobin abszorpciós spektruma oldatban? hf1 A séma egyszerűsítései: a betöltött pályák közül csak a legfelső pályát tűntetjük fel: E n a legfelső pályán két elektron van a festékek legtöbbje ilyen

4 A séma kiegészítésre szorul! Problémák: lg 0 hf2? Δε=hf teljesül, DE 1. Miért különböznek abszorbanciában az abszorpciós átmenetek? Válasz2 előtt definiciók: Szingulett állapot: a molekula összes elektronja párokban kompenzált spinű Triplett állapot: egy elektron pár van azonos spinnel s j j s j j = 1 = 0 hf1 2. Éles abszorbancia maximumok helyett széles sávok vannak! jelölés jelölés S 1 T 1 λ = c f Válasz1: az elektronok gerjesztési átmeneteinek valószínűsége függ attól, hogy milyen kvantumszámú pályák kombinálódnak kiválasztási szabályok vannak jelölés S 0 Alap állapot Szingulett Gerjesztett állapot Gerjesztésnél: S 0 S 1 vagy S 0 S 2.. Triplett Gerjesztett állapot S 0 T 1, T 1 S 0 Tiltott átmenet 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 állapotokra: vibronikus átmenetek Az elektron állapotok sémáját molekulákra ki kell egészíteni a vibrációs állapotokkal Δε=hf teljesül, de mégis: lg 0 hf2 2. Éles abszorbancia maximumok helyett széles sávok vannak! S0 S1 átmenet: vibronikus átmenetek sorozata Kötött elektronok energiaállapotai gerjesztés relaxáció 2. Éles abszorbancia maximumok helyett széles sávok vannak! A vibronikus átmenetek még nem magyarázzák meg a sávokat: diszkrét energiák sorozatait mutatják λ = c f hf1 Kiszélesedés a környezet sokfélesége miatt az átmenet pillanatában Válasz2: kétféle ok: 1. molekulákban vibronikus átmenetek 2. a környezet B.eloszlása energianívókon a gerjesztett molekula körüli elektromos tér sokfélesége az elektromos tér perturbálja az elektron állapotokat

5 Fényemisszióra vezető jelenségek áttekintés Spontán fotonemisszió gerjesztett elektronállapotból: Lumineszcencia Fény emisszió indukált emisszió révén: LASER (jövő héten) Hőmérsékleti sugárzás LED (múlt héten): elektronok és lyukak elektromos tér által indukált rekombinációja félvezető diódákban Spontán fényemisszió gerjesztett elektronállapotból: Lumineszcencia Két fajtája: S n S 0 átmenet Fluoreszcencia T 1 S 0 átmenet Foszforeszcencia Fluoreszcencia Relaxáció fotonemisszióval szingulett állapotok között 1.Kasha szabály Környezetükkel kölcsönható molekulák reszcencia emissziója a legalsó gerjesztett elektronállapot legalsó vibrációs szintjéről történik az alapállapot vibrációs szintjeire, bármilyen magasabb nívóra is történt a gerjesztés. 2. Fluoreszcencia spektroszkópia 3. Stokes shift Megvilágítás Fehér fénnyel gerjesztés λ fix M minta lg 0 Abszorpciós spektrum S 0 S 1 Fluoreszcencia Emissziós spektrum Δ (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 M=monokromátor Δ (λ) Δλ M λ detektor emisszió Klorofill 10 K S 1 S 0 Abszorpciós spektrum Minta: búzalevél, T=10 K Fluoreszcencia gerjesztési spektrum: Δ ( λ fix ) a λ gerj függvényében Δλ arányos az abszorpciós spektrummal Az abszorpció az S 0 nívó legalacsonyabb vibrációs szintjéről indul szobahőmérsékleten hf abs > hf λ < λ abs A maximum helyekre

6 N 0 e 4. A gerjesztett állapot élettartama reszcencia lecsengés N t τ = N 0 e t=0 ban N 0 molekula gerjesztése a gerjesztés megszűnése után visszatérnek alapállapotba A gerjesztett molekulák száma a kibocsátott fotonok száma időben lecseng Exponenciális lecsengés τ a gerjesztett állapot élettartama Foszforeszcencia A kiválasztási szabályok tiltják a spin állapot megváltozását gerjesztéskor és spontán emissziónál: S 0 T 1 és T 1 S 0 átmenetek nagyon kis valószínűségűek ablonski diagram Energy Szingulett >Triplett átmenet Gerjesztett állapotban τ idő (t) A szingulett gerjesztett állapot (S 1 ) élettartama rövid ~ 10-9 s gerjesztés reszcencia foszforeszcencia 1. A triplett gerjesztett állapot élettartama A T 1 S 0 átmenet igen kis valószínűségű hosszú élettartam: μs s metastabil állapot 2. Az abszorpciós, a reszcencia és a foszforeszcencia emissziós spektrumok összehasonlítása Példa: Triptofán aminosav (normalizált spektrumok) abszorpció reszcencia foszforeszcencia λ max < λ max < λ max Alacsony hőmérsékleten Lumineszcencia alkalmazások Sokféle lehetőség a spontán emissziót megelőző gerjesztett állapot létrehozására Fény foton elnyelése: fotolumineszcencia Kémiai reakció energiája: kemolumineszcencia biolumineszcencia Ütközés elektromos térrel gyorsítiott töltött részecskékkel: elektrolumineszcencia E S1 > E T1 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 élettartam sok lehetőség más fajta energialeadásokra N Φ F = N abs Fluoreszcencia Kvantum hatásfok = k k + k vibr + k kölcs. h F( f ) df =, sáv k: a relaxáció sebessége (foton emisszió, vibrációs állapotok gerjesztése, kölcsönhatás más molekulákkal) élettartam τ = Φ = k k kvibr kkölcs. h A legtöbb molekula nem fényemisszióval relaxál gerjesztett állapotból

7 1. Fényforrások a mindennapokban Fénycsövek: elektrolumineszcencia és fotolumineszcencia kombinációja F tubes fénycső a Nap spektrumát célozza meg + Higany gőz Fluoreszcens réteggel bevont üvegcső Higany elektrolumineszcenciája UV fotonok az üvegfal bevonatában levő molekulák gerjesztése fehér fény (a gerjesztő UV fény elnyelődik az üvegben) Fénycső kompakt formája 2. Speciális lámpák/fényforrások az emisszió hullámhossztartománya alapján Különböző nyomású Hg gőzlámpák elektrolumineszcenciája alacsony nyomás: Germicid lámpa λ=254 nm DNS mutációk, törések bacteria baktérium ölő hatás: mikrobiológiai laboratóriumok sterilizálása közepes nyomás. Erythema lámpa λ= λ~310nm psoriasis, vitiligo kezelése nagy nyomás: Solarium lámpák, fényforrások fotoszenzibilizátorok gerjesztéséhez dermatológia 3. Fluoreszcencia mikroszkópia élettudományokban és diagnosztikai alkalmazások Alapja: a szövetekben igen kevés reszkáló molekula van szelektív reszcens festés után a kötődés helyét reszcencia alapján leképezhetjük A gén expresszió egy állapota: az RNS re kötődő fehérjék zöld reszcenciája alapján az RNS kirajzolódik. Konfokális mikroszkóp FRET: reszcensen jelzett molekulák távolsága mérhető Förster tipusú rezonancia energiatranszfer alapján. kétféle jelző molekula Donor Akceptor Azonos energiájú emissziós (D) és abszorpciós(a) átmenetek 6 D emissziója = ( λ) const R k transfer D gerjesztése D, τ D A emissziója Mérés: D, DA, vagy τ D, τ DA Förster formula A Donor és Akceptor molekula távolsága: R meghatározható DA, τ DA Angiográfia reszcens 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 Vérerek jelzése reszcein festékkel, vizsgálat: reflexióban, A megvilágító fény filterrel kiszűrhető a Stokes shift alapján M α λ, i λ, i M = α λ, j λ, j = const. 4. Kvalitatív és kvantitatív analízis reszcencia emissziós spektrum alapján lab.gyakorlat: a spektrum jellemző a kibocsátó ionra, atomra azonosítás orvosi laboratóriumokban: láng fotométer az emissziós vonalak intenzitásának mérése kvantitatív analízis (Na, K, Li mennyiség vizeletből) M ΔP λ = = ΔA ( emitted A teljes térszögben λ hullámhosszon emittált intenzitás ) α = E E abszorbeált teljesbeeső Abszorpcióképesség

8 Abszolút fekete test: minden energiát elnyel α = 1 (maximum) => M kibocsátott teljesítmény is maximális Az emberi test 95% fekete test Stefan Boltzmann törvény: 4 M összes = σ T σ = Wien féle eltolódási törvény: λ max W 2 m K T = const. 4 T 1 <T 2 <T 3 <T 4 Abszolút hőmérsékletek Hőmérsékleti sugárzás a gyakorlatban 1. Fényforrások Nap K es fekete test + ózon védelem (UVB!) izzószálas égők(~3000 K): energia nagy része nem a VIS tartományban halogén gáz védelem magasabb hőmérséklet fényhozam nő M(λ) A látás érzékenysége A Nap eredeti emissziója A sugárzás spektruma az atmoszféra határán 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 párologtatás ~17W hővezetés - elhanyagolható 2m 2 34 o C konvekció ~11W sugárzás ~133W A környezettel hőcserében: 4 4 ΔM = σ ( T body T envir.) A leadott hő erősen függ a környezet hőmérsékletétől 3. Diagnosztikai alkalmazások 700 K (430 C) alatt a sugárzás az IR tartományba esik 2m 2 34 o C T test = 307 K Wien törvény λ max = 9.5 μm, IR Teletermográfia Adott felület felett IR kamerával 2D intenzitástérkép felvétele hőmérsékleti eloszlás színkódolt hőmérséklet térkép az adott felületről Gyulladásos gócok, vérellátási változások, anyagcserezavarok tumoros szövetekben. hőmérsékletváltozások diagnosztika A környezet is hőmérsékleti sugárzó! Szín kódolt hőmérsékleti térképek

9 Példák Diagnosztika teletermográfia alapján Kamionsoför fáradása a vezetésben reggel délben este Cigarettázás: beszűkült vérerek mellrák Gyulladások és trombózis Egy egészséges kutya Köszönöm a figyelmet!