Introducing Energy states
Around an atom, there are 7 different electron shells1. Kiedy elektrony otrzymują niezbędną ilość energii, przeskakują z jednego stanu do drugiego (zwanego “stanem podstawowym” i “stanem wzbudzonym”), jak pokazano na poniższym obrazku:
Rysunek (wygenerowany przez POV-Ray) pokazuje wzbudzenia orbitalnych 3d miedzi na płaszczyźnie CuO2 nadprzewodnika o wysokim Tc; stan skupienia (niebieski) to orbity x2-y2; orbity wzbudzone są w kolorze zielonym; strzałki przedstawiają nieelastyczną spektroskopię rentgenowską;
Kiedy cząsteczka absorbuje światło w obszarze UV-vis (Ultra-Violet-Visible) o długości fali od 400nm do 780nm, elektron jest promowany z orbity o mniejszej energii do pustej orbity o większej energii, co powoduje powstanie cząsteczki w stanie wzbudzonym. Jednym z wymogów, aby cząsteczka pochłaniała światło jest to, że energia fotonu musi odpowiadać różnicy energii pomiędzy orbitami.
Fotony o niewystarczającej energii będą transmitowane. Dlatego też barwy pochłanianego światła udowodniły nam eksperymentalne informacje o różnicy energii między orbitami.
Źródło: Scott Cummings, 2008; The Chemistry of Excited States _
Introducing Spectroscopy
Newton najpierw miał pomysły dotyczące spektroskopii, a później William Wollaston i Joseph von Fraunhofer zbudowali pierwsze spektrometry i odkryli sygnatury spektralne.
Ponieważ różne elementy mają różne odstępy między orbitami elektronowymi, energia potrzebna do pochłaniania lub emitowania fotonów jest różna i dlatego pochłaniane lub emitowane są 2 fotony o różnych długościach fal. Skutkuje to specyficzną sygnaturą spektralną cząsteczki, zestawem linii spektralnych.
Spektroskopia jest naprawdę ważna dla astronomów, ponieważ może opowiedzieć im o składzie molekularnym planet, gwiazd i mgławic.
Dalszy odczyt: Fraknoi, Andrew; Morrison, David (13 października 2016). “OpenStax Astronomia”
Wprowadzenie Hemoglobiny i Oxyhemoglobiny
Czerwone krwinki zawierają hemoglobinę, białko zawierające żelazo (dlatego utlenione hemoglobiny są czerwone), która ułatwia transport tlenu poprzez odwracalne wiązanie do tego gazu oddechowego i znacznie zwiększa jego rozpuszczalność we krwi. Hemoglobina natleniona nazywana jest oksyhemoglobiną.
Lewy : Molecular Graphic of a Human Oxyhemoglobin (HHO) , two of the four oxygen module this fully saturated hemoglobin currently carries are circled blue by me (the red “stick” represents the oxygen molecule in this graphic).
Right : Ta sama cząsteczka w tej samej rozdzielczości, tym razem z podświetloną powierzchnią dostępną dla rozpuszczalnika.
Putting it all together
Na szczęście dla współczesnej medycyny, absorpcja światła przy długości fali 660nm i 940nm różni się znacząco pomiędzy hemoglobiną obciążoną tlenem (oxyhemoglobina) a hemoglobiną pozbawioną tlenu.
Izostatyczny punkt to punkt, w którym dwie substancje absorbują pewną długość fali światła w tym samym stopniu. W oksymetrii punkty izomeryczne oksyhemoglobiny (HbO) i dezoksyhemoglobiny (Hb) występują przy 590 nm i 805 nm. Punkty te mogą być stosowane jako punkty odniesienia, gdzie absorpcja światła jest niezależna od stopnia nasycenia. Niektóre wcześniejsze oksymetry skorygowano o stężenie hemoglobiny przy użyciu długości fali w punktach izobiotycznych.
Tak więc porównanie absorbancji przy różnych długościach fal pozwala na oszacowanie względnych stężeń HbO (oxyhaemoglobin) i Hb (hemoglobin) (tj. nasycenie). Nowoczesne pulsoksymetry mogą używać dwóch lub więcej długości fal, niekoniecznie zawierających punkt izobliczny.
Źródło: Anaesthesia.uk _
Zasadniczo tak działa pulsoksymetria. Potrafi odróżnić hemoglobinę nasyconą od nienasyconej, wykorzystując różną absorpcję światła z powodu różnych konfiguracji elektronów w cząsteczkach. Poniżej znajduje się wyciąg na temat technicznych aspektów pulsoksymetrii:
Istnieją dwie metody wysyłania światła przez miejsce pomiaru: transmisja i reflektancja. W metodzie transmisji, jak pokazano na rysunku na poprzedniej stronie, emiter i fotodetektor znajdują się naprzeciwko siebie, a pomiędzy nimi znajduje się miejsce pomiaru. Światło może następnie przechodzić przez miejsce pomiaru. W metodzie współczynnika odbicia emiter i fotodetektor znajdują się obok siebie w miejscu pomiaru. Światło odbija się od nadajnika do detektora w poprzek miejsca pomiaru.
Po przejściu przez miejsce pomiaru nadawanych sygnałów w kolorach czerwonym ® i podczerwonym (IR) i odebraniu ich przez fotodetektor obliczany jest stosunek R/IR. Stosunek R/IR jest porównywany z tabelą “look-up” (składającą się z wzorów empirycznych), która przelicza stosunek do wartości SpO2. Większość producentów posiada własne tabele porównawcze oparte na krzywych kalibracji uzyskanych od osób zdrowych na różnych poziomach SpO2 (Peryferyczne nasycenie tlenem). Zazwyczaj stosunek R/IR wynoszący 0,5 równa się około 100% SpO2, stosunek 1,0 do około 82% SpO2, natomiast stosunek 2,0 równa się 0% SpO2.
Źródło: Oksymetria. org _
The Dangers of Carbon Monoxide Poisoning
The spectral signature of carboxyhemoglobin (hemoglobin saturated with CO) is so similar to that of oxyhemoglobin that standard oximeters mistake one for the other, as numerous studies have shown:
Ten raport potwierdza, że pulsoksymetria może być myląca podczas zatrucia tlenkiem węgla, ponieważ pulsoksymetr nie rozróżnia HbO (oksymoglobina)i HbCO (karboksyhemoglobina). Diagnoza dotycząca zatrucia tlenkiem węgla opiera się zatem na dowodach klinicznych i musi zostać potwierdzona poprzez pomiar stężenia HbCO za pomocą wielopasmowego oksymetru CO (oksymetr karboksylowy).
Carboxyhemoglobinaemia i pulsoksymetria, British Journal of Anaesthesia, 1991
Obecnie istnieją oksymetry CO , które potrafią rozróżnić oksyhemoglobinę, karboksyhemoglobinę i methemoglobinę.
1: Wyjaśnienie, dlaczego tak się dzieje, prowadziłoby zbyt daleko. Ma to związek z falowo-cząsteczkowym dualizmem mechaniki kwantowej i dobrą analogię można znaleźć w tej odpowiedzi na Physics.SE .
2: Energia fotonu jest proporcjonalna do jego częstotliwości, a więc odwrotnie proporcjonalna do długości fali. Wszystkie inne czynniki w równaniu Plancka-Einsteina są stałe. Więcej informacji można znaleźć na stronie Physics.SE
