Medizinische Biophysik Licht in der Medizin.

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Bertold Dressler
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1 4. Transmission Medizinische Biophysik Licht in der Medizin. VI. Wechselwirkungen des Lichts mit der Materie 3. Absorption e) Schwächungsgesetz f) Anwendungen (Absorptionsspektrometrie, Lambert-Beer-Gesetz) g) Aufbau eines Spektrophotometers a) spektraler Transmissionskoeffizient (Transmittanz) b) Transmissionsspektrum: c) Eine zahnmedizinische Anwendung: a) Molekularer Mechanismus b) Zielorgane: 8. Vorlesung 6. Biologische Wirkungen des Lichtes c) Schädigungen d) UV-Quellen: Sonne (Rolle der Ozonschicht), UV-Lampen e) UV-Dosimetrie (physikalische Dosis, biologisch wirksame Dosis) e) Schwächungsgesetz: Schwächung = Absorption + Streuung J = J 0 e μx Linearer Schwächungskoeffizient (m), Maßeinheit: 1/m (enthält den linearen Absorptions- und Streuungskoeffizienten) Intensität, J J 0 J 0 /2 0 /e D d Halbwertsdicke Eindringtiefe Halbwertsdicke (D): D = ln 2 μ Schichtdicke, x Eindringtiefe (d): δ = 1 μ 5. Wechselwirkungen bezüglich der Polarisation des Lichtes a) lineare Polarisation des Lichtes: b) optische Aktivität: c) Drehung der Polarisationsebene durch geordnete Strukturen 1 Gilt allgemein für elektromagnetische Str., b-str., mechanische Str., siehe später! (dekadische) Extinktion (E) = optische Dichte (OD): E = lg J 0 J Oft spricht man über Absorbanz auch dann, wenn die Streuung nicht vernachlässigbar ist, wenn man also Extinktion sagen müsste: Absorbanz = (dekadische) Extinktion (E) = optische Dichte (OD) 2 f) Anwendung: Absorptionsspektrometrie Untersuchung von biologischen Makromoleküle Konzentrationsbestimmung Lambert-Beer-Gesetz (für dünne Lösungen) molarer Extinktionskoeffizient (e), Maßeinheit: 1/(cm mol/l) 3 4 1

2 Pulsoxymetrie 4. Transmission a) spektraler Transmissionskoeffizient t (l): (Transmittanz) J durchgelassen (λ) τ(λ) = J einfallend (λ) transparent t 1 durchsichtig opak t 0 undurchsichtig g) Aufbau eines Spektrophotometers: Al 2 O 3 transluzent 0 t 1 halbdurchsichtig ρ λ + σ λ + α λ + τ λ = b) Transmissionsspektrum: t vs. l c) Eine zahnmedizinische Anwendung: DIFOTI (Digital Imaging Fiber-Optic Trans-Illumination) Al 2 O 3 Al 2 O 3 (Cr 3+ ) 7 8 2

Zusammenfassung der für die Charakterisierung der Wechselwirkungen eingeführten Größen Erscheinungen: Reflexion, Streuung, Absorption, Schwächung

Wechselwirkungen bezüglich der Polarisation des Lichtes a) lineare Polarisation des Lichtes: (spektrale) Koeffizienten: (spektraler) Reflexionskoeffizient

(Transmittanz)t (l) linearer Absorptionskoeffizient (a), Maßeinheit: 1/m Absorbanz (A), Maßeinheit: keine (dimensionslos) Spiegel (Reflexion) a B =

optische Dichte (OD), Oft auch als Maßeinheit: keine (dimensionslos) Absorbanz genannt.

optische Aktivität: Drehung der Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtes chirale Moleküle Drehwinkel ( ) a Konzentration (g/cm 3 ) a 20 D c l Länge der

3 Zusammenfassung der für die Charakterisierung der Wechselwirkungen eingeführten Größen Erscheinungen: Reflexion, Streuung, Absorption, Schwächung (=Streuung+Absorption), Transmission Intensitätswerte: J ein, J reflektiert, J 0 (= J ein J reflektiert ), J gestreut, J absorbiert, J durchgelassen 5. Wechselwirkungen bezüglich der Polarisation des Lichtes a) lineare Polarisation des Lichtes: (spektrale) Koeffizienten: (spektraler) Reflexionskoeffizient (Reflektanz, Reflexionsgrad) r(l) (spektraler) Streuungskoeffizient s (l) (spektraler) Absorptionskoeffizient a (l) (spektraler) Transmissionskoeffizient (Transmittanz)t (l) linearer Absorptionskoeffizient (a), Maßeinheit: 1/m Absorbanz (A), Maßeinheit: keine (dimensionslos) Spiegel (Reflexion) a B = Brewster-Winkel (a B = arctan(n 2 /n 1 )) Polarisationsfilter (Absorption) linearer Schwächungskoeffizient (m), Maßeinheit: 1/m (dekadische) Extinktion (E) = optische Dichte (OD), Oft auch als Maßeinheit: keine (dimensionslos) Absorbanz genannt. molarer Extinktionskoeffizient (e), Maßeinheit: 1/(cm mol/l) unpolarisiert polarisiert Halbwertsdicke (D), Maßeinheit: m Eindringtiefe (d), Maßeinheit: m 9 10 b) optische Aktivität: Drehung der Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtes chirale Moleküle Drehwinkel ( ) a Konzentration (g/cm 3 ) a 20 D c l Länge der Küvette (dm) ohne Polarisator mit Polarisator Anwendung: Polarimetrie - Konzentrationsbestimmung Aufbau eines Polarimeters: Drehwert, Drehvermögen (spez. Drehung) ( cm 3 /(g dm)) bezogen auf 20 C und aud die D-Linie von Na ohne Polarisator mit Polarisator ohne Polarisator mit Polarisator

c) Drehung der Polarisationsebene durch geordnete Strukturen Untersuchung der

Flüssigkristallbildschirm) Polariskop: Grundprinzip: elektro-optische Erscheinung

Polarisator Orientierungsfläche Flüssigkristallmoleküle Steuerspannung

Biologische Wirkungen des Lichtes a) Molekularer Mechanismus Absorption

4 c) Drehung der Polarisationsebene durch geordnete Strukturen Untersuchung der Spannungsverteilung Anwendung: LCD (liquid crystal display - Flüssigkristallbildschirm) Polariskop: Grundprinzip: elektro-optische Erscheinung gedrehte nematishe Struktur unpolarisiertes Licht 1. Polarisator Orientierungsfläche Flüssigkristallmoleküle Steuerspannung Lichtquelle Polarisator Spannungsoptik: Objekt Analysator Orientierungsfläche Lichtaustritt (durchsichtig) 2. Polarisator kein Lichtaustritt (undurchsichtig) 13 Spannungsverteilung Biologische Wirkungen des Lichtes a) Molekularer Mechanismus Absorption Anregung/Ionisation photochemische Reaktionen biologische Wirkung direkt Dimerisation indirekt Wasserradikale, Sauerstoffradikale Thymin UVB - UVC Thymindimer Chromophormoleküle: DNA, Proteine, Melanin

5 Relative Absorbanz Wirkungsquerschnitt (cm 2 /J) Lichtbereiche (Ergänzung) c l f Inaktivierung von E. coli Wellenlänge Hämoglobin b-karotin UV VIS IR UVC UVB ! UVA Frequenz Photonenenergie DNA: Wellenlänge (nm) Melanin Wellenlänge (nm) b) Zielorgane: c) Schädigungen nm Haut Epidermis Corium Photokeratitis Konjunktivitis Katarakt Erythem Karzinogenese Pigmentbildung Auge Subcutis Netzhaut Linse Hornhaut nm Sehen Katarakt Verbrennung der Retina Verbrennung der Haut Verbrennung der Hornhaut

6 a (l) d) UV-Quellen Rolle der Ozon(O 3 )-Schicht: Sonne Janusgesicht der Sonne: Hautverbrennu ng Alterung der Haut Hautkrebs Sensibilisierung gegen Licht Immunosuppresion Photoallergie 21 Phototoxizität Mutationen 22 UV-Lampen e) UV-Dosimetrie physikalische Dosis (D): D = E t J m 2 Hausaufgaben: Neue Aufgabensammlung Bestrahlungsstärke (W/m 2 ) Bestrahlungszeit (s) biologisch wirksame Dosis (H): H = D S = E t S Wirkungsquerschnitt (Empfindlichkeit) (m 2 /J) Wirkungsquerschnitt (s oder S): S = 1 m 2 D min J (D min )

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