Az elektromágneses spektrum és a lézer A fény Ujfalusi Zoltán PTE ÁOK Biofizikai Intézet 2009. szeptember 10. Biológiai szempontból: Kutatók fizikusok, kémikusok, asztronómusok -Fotoszintézis -Tájékozódás => fotoszenzitív receptorok (gili) -Víz mellett a másik legfontosabb dolog a Földön az élet létrejöttében. Sir Isaac Newton Sir William Herschel Johann Wilhelm Ritter Joseph von Fraunhofer Robert Wilhelm Bunsen Gustav Robert Kirchhoff Albert Einstein Louis-Victor de Broglie James Clerk Maxwell Heinrich Rudolf - diszperzió (1664) - IR (1800) - UV (1801) - Nap vonalas színképe (1814) - vonalak értelmezése (1861) - vonalak értelmezése (1861) - fénykvantum (foton) (1904) - anyaghullám (1924) - EM sugárzás elm. (1864) - EM sugárzás gyak. (1888) Transzverzális hullám E B x x Elektromágneses hullám elektromos térerősségvektor hullámhossz Az elektromos és a mágneses térerősség vektorai merőlegesek egymásra, valamint a haladási irányra! Huygens-Fresnel elv 1. Egy hullámfelület minden pontja pontforrásként működik (elemi hullámok indulnak ki belőle). 2. Ezekből induló hullámok interferenciája határozza meg a hullám további viselkedését. James Clerk Maxwell (1864) elméleti szinten igazolta létezésüket. Heinrich Rudolf (1888) létezésüket kísérletesen bizonyította. 1
abszorpció Fény és anyag kölcsönhatása Kvantált energia felvétel (foton) Atomi rendszerrel (anyaggal) kölcsönható elektromágneses sugárzás: visszaverődhet (reflexió) elnyelődhet (abszorpció) áthaladhat (transzmisszió) (szóródhat) Az energia felbontása Abszorpció E összes = E elektron + E vibrációs + E rotációs Az energiatípusok nagyságrendje: E elektron ~ 1,000 * E vibrációs ~ 1,000,000 * E rotációs I = I 0. 10 - ( ) x c Lambert-Beer törvény ( ) : az extinkciós koefficiens (anyagi minőségtől függ), c: a minta koncentrációja, x: az optikai úthossz Miért ( ) és nemcsak? Hogyan mérjük az abszorpciót? fotometria = abszorpciós spektroszkópia Egy fotométer egyszerű sémája: fényforrás monokromátor minta detektor (nm) Mert az abszorpció függő, így az is az kell hogy legyen! Prizma vagy optikai rács + rés Folytonos fényű, pl.: halogén, deutérium, xenon, stb. lámpa műanyag, üveg, kvarc küvettákban 2
I 0 Transzmisszió I Fényszórás Tömény (nagy koncentrációjú) mintáknál jelentkezhet a stray light effect mellett! fényforrás Minta detektor T = I / I 0 Általában százalékban (%) adjuk meg. minta Fontos fizikai mennyiségek, összefüggések A fény kettős természete Frekvencia: n (1/s) Hullám (terjedéskor) Részecske (kölcsönhatáskor) Hullámhossz: (m) Hullámszám: n (cm -1 ) c n 1 Energia: E (J) h. n Extinkc. koeff.: (M -1 cm -1 vagy (mg/ml) -1 cm -1 ) Einstein: foton (fénykvantum) energiája Elhajlás (diffrakció) Interferencia Polarizáció Fotoeffektus Compton-effektus Albert Einstein (1905) : fotoelektromos hatás foton (fény kvantum), energiája: E = h n (vagy E = h f) Louis-Victor de Broglie (1924) : anyaghullám elmélet (minden anyagnak van hullámtermészete) λ = h/p, ahol p az impulzus => λ = h/m v Polarizáció Síkban polarizált fény 3
abszorpció A spektrum Egy hullám, például elektromágneses hullám felhasadása alkotó frekvenciáira. Egy intenzitás-jellegű mennyiség ábrázolva egy energiajellegű mennyiség függvényében. energia és azzal arányos mennyiségek (pl. frekvencia, hullámhossz, hullámszám) A spektrumok megjelenési formái vonalas (atomok) sávos (molekulák) folytonos (hevített anyagok) I n intenzitás, beütésszám (pl. radioaktivitás mérése), fotonszám, transzmittancia, abszorbancia (extinkció, OD) (nm) Folytonos emissziós Vonalas emissziós Vonalas abszorpciós Joseph von Fraunhofer (1787 1826) Néhány elem vonalas (emissziós) spektruma He Hg Na Ne Ar Lumineszcencia: a fényt kibocsátó rendszer nem a magas hőmérséklet miatt világít!!! Ez az ún. hideg emisszió jelensége. A lumineszcencia típusai Molekulákból vagy ionokból: molekuláris lumineszcencia Alapjelenségeit a Jablonski-féle séma szerint értelmezzük. 4
1. Kemilumineszcencia 2. Fotolumineszcencia Biolumineszcencia: a kemilumineszcencia egyik típusa, amikor a gerjesztő energiát biztosító kémiai reakció élő organizmusban játszódik le. 1. Kemilumineszcencia pl.: szentjánosbogár, mélytengeri halak, medúzák, polipok, baktériumok, planktonok olyan fényemisszió, amelyhez szükséges gerjesztő energia adott kémiai reakció során felszabaduló energiából adódik pl.: foszfor (P) oxidáció útján való világítása alkalmas anyagcsere folyamatok vizsgálatára kis intenzitású fiziológiás viszonyoktól függő 1. A luciferáz katalizálja a luciferin oxidációját. 2. Inaktiv oxyluciferin és fény (hn) keletkezik. 3. A további luciferin a táplálékból vagy belső szintézisből pótlódik. Praya dubia Bathocyroë Atolla vanhoeffeni 2. Fotolumineszcencia olyan fényemisszió, amelyhez szükséges gerjesztő energia adott hullámhosszú (frekvenciájú, energiájú) fény besugárzásából adódik alkalmas molekuláris rendszerek vizsgálatára, mert jelentős információt hordoz a molekula tulajdonságairól, kölcsönhatásairól, környezetével való kapcsolatáról Lumineszkáló molekulák szerkezete: konjugált kettős kötéseket tartalmazó gyűrűkkel rendelkeznek két típusa: fluoreszcencia, foszforeszcencia Fluoreszcens festékek natív vagy intrinsic fluorofórok: Triptofán, tirozin, fenilalanin Előnyük: Nem kell módosítani a fehérjét. külső vagy extrinsic fluorofórok: Denzil, fluoreszcein, rodamin, kumarin, stb. 5
Extrinsic (külső) fluorofórok A fehérjék fluoreszcens jelölése Direkt jelölés festékekkel: IAEDANS IAF FITC Fluoreszcensen jelölt toxinokkal: Falloidin B-skorpiótoxin A-bungarotoxin Makrofágok Aktin jelölve falloidin-alexa 568-cal (Piros) Magok: DAPI (Kék) Streptococcus aureus (Zöld) - A jelölők minősége és elhelyezkedése tervezhető. - A fluorofórokat specifikus kötőhelyekhez kapcsoljuk. - Így a fehérje módosulhat, aktivitását tesztelni kell. Hogyan mérünk fluoreszcenciát? ( steady-state eset) LÉZERTÖRTÉNET DIÓHÉJBAN Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation fényforrás hullámhossz választás minta hullámhossz választás detektor 1917 - Albert Einstein: a stimulált emisszió lehetőségének elméleti kimutatása 1946 - G. Meyer-Schwickerather: első szemműtét fénnyel 1950 - Arthur Schawlow és Charles Townes: emittált fotonok a látható tartományba eshetnek 1954 - N.G. Baszov, A.M. Prohorov, és C. Townes: ammóniamézer 1960 - Theodore Maiman: első működő lézer (rubinlézer) 1964 - Baszov, Prohorov, Townes (Nobel díj): kvantumelektronika 1970 - Arthur Ashkin: lézercsipesz 1971 - Gábor Dénes (Nobel díj): holográfia 1997 - S. Chu, W.D. Phillips és C. Cohen-Tanoudji (Nobel díj): lézeres atomhűtés A lézerműködés alapjai I. Kényszerített emisszió A lézerműködés alapjai II. Populáció inverzió E 2 Elemi sugárzási folyamatok: 1. Abszorpció 2. Spontán emisszió 3. Kényszerített emisszió N 2 r(n) r(n) B 21 Fényerősítés az energianívók relatív betöltöttségétől függ F A Aktív közeg dz F+dF B 12 A 21 E 1 N 1 Átmenet gyakorisága: n 12 =N 1 B 12 r(n) Átmenet gyakorisága: n 21 =N 2 A 21 Átmenet gyakorisága: n 21 =N 2 B 21 r(n) E 1 E 1 E= E 2 -E 1 =hn energiakvantum elnyelésekor. Magyarázat: kétállapotú atomi vagy molekuláris rendszer E 1, E 2 : energianívók, E 2>E 1 r(n) : sugárzási tér spektrális energiasűrűsége E 2 -E 1 fotonok egymástól függetlenül a tér minden irányába. N 1, N 2 : adott energianívón levő atomok, molekulák száma B 12, A 21, B 21: energianívók közötti átmeneti valószínűségek (Einstein-féle együtthatók), B 12 = B 21 Külső sugárzási tér hatására. Sugárzási tér energiája nő. Emittált és külső fotonok fázisa, iránya, frekvenciája megegyezik. E 0 Termikus egyensúly Populáció inverzió csak többállapotú rendszerben! Pumpálás: elektromos, optikai, kémiai energia E 2 Pumpálás E 0 E 0 E1 Populáció inverzió Gyors relaxáció Metastabil állapot Lézerátmenet 6
A lézerműködés alapjai III. Optikai rezonancia Zárótükör Pumpálás Aktív közeg d=n /2 Részlegesen áteresztő tükör Lézernyaláb Rezonátor: két párhuzamos sík (vagy homorú) tükör a kimenő fényteljesítmény egy részét visszacsatolja a közegbe pozitív visszacsatolás -> öngerjesztés -> rezonancia A lézerfény tulajdonságai 1. Kis divergencia Párhuzamos nyaláb 2. Nagy teljesítmény Folytonos üzemmódban több tíz, akár száz W (pl. CO 2 lézer) Q-kapcsolású üzemmódban a pillanatnyi teljesítmény hatalmas (GW) Kis divergencia miatt óriási térbeli teljesítménysűrűség 3. Kis spektrális sávszélesség Monokromaticitás Nagy spektrális energiasűrűség 4. Polarizáltság 5. Rendkívül rövid impulzusok lehetősége ps, fs 6. Koherencia fázisazonosság, interferenciaképesség Időbeli koherencia (különböző időpontokban emittált fotonok fázisazonossága) Térbeli koherencia (nyalábkeresztmetszet menti fázisazonosság) Lézertípusok Fényerősítő közeg alapján: 1. Szilárdtest lézerek Kristályokba v. üveganyagokba bevitt fémszennyeződés; Rubin, Nd-YAG, Ti-zafír Vörös-infravörös spektrális tartomány; Folytonos, Q-kapcsolású üzemmód, nagy teljesítmény 2. Gázlézerek Legismertebb: He-Ne lézer (10 He/Ne). Kis energia, Széleskörű használat CO 2 lézer: CO 2 -N 2 -He keverék; ~10 µm; Óriási teljesítmény (100 W) 3. Festéklézerek Szerves festékek (pl. rodamin, kumarin) híg oldata; Pumpálásra más lézer használt Nagy teljesítmény (Q-kapcsolt módban); Hangolható 4. Félvezető lézerek Rezonátor tükrökre nincs szükség (belső visszaverődés) Vörös, IR spektrális tartomány. Nagy kontinuus üzemmódú teljesítmény (akár 100W) Nyalábkarakterisztika nem túl jó. Kis méret miatt széleskörű alkalmazás. 7