Medizinische Biophysik Licht in der Medizin. Temperaturstrahlung, Lumineszenz

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Lena Meinhardt
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1 V. Lichtemission Medizinische Biophysik Licht in der Medizin. Temperaturstrahlung, Lumineszenz 6. Vorlesung Lichtquellen warmes Licht kaltes Licht kontinuierliches Spektrum Linien- oder Bandenspektrum 2. Temperaturstrahlung a) Qualitative Beschreibung b) Größen zur quantitativen Beschreibung c) Gesetze: Wiensches Gesetz, Stefan-Boltzmann-Gesetz d) Anwendungen: IR-Therapie, IR-Diagnostik, Wärmehaushalt des Körpers 3. Lumineszenz a) Qualitative Beschreibung b) Mechanismus bei Atomen und Molekülen c) Gesetze: Stokes-Verschiebung, exponentielles Abklingen d) Anwendungen: Fluoreszenzspektroskopie, -mikroskopie, Sensoren, Lampen, Strahlungsdetektoren 1 Temperaturstrahler Lumineszenzstrahler 2 2. Temperaturstrahlung a) Qualitative Beschreibung: c) Gesetze: kirchhoffsches Gesetz: stärkere Gustav Kirchhoff ( ) jeder Körper emittiert Temperaturstrahlung bei jeder Temperatur (Ausnahme: 0 K) elektromagnetische Strahlung (z.b. IR-Strahlung = Wärmestrahlung ) stark temperaturabhängig (wachsende T zunehmende Intensität, spektrale Verschiebung) Auf Kosten der Bewegungsenergie der Teilchen! kontinuierliches Spektrum b) Größen zur quantitativen Beschreibung: spezifische Ausstrahlung (M): M = P W A m 2 spektrale spezifische Ausstrahlung (M l ): M λ = ΔM Δλ = P A Δλ M = W m 2 nm M λ dλ, d. h. das Flächenstück unter der M l (l) Kurve stärkere Absorption und Emission schwächere schwächere Absorption und Emission spektraler Absorptionskoeffizient (a): α = J absorbiert (λ) J einfallend (λ) (0 a 1) 3 Abstraktion: absolut schwarzer Körper/Strahler 4 1

Absorption: absolut schwarzer Körper/Strahler a = 1 ( = a b ) Modell: ( black body = b) ein reeller Körper a < 1 absolut schwarzer Körper/Strahler: kontinuierliches Spektrum: wiensches

Körper mit dem absolut schwarzen Körper mithilfe des kirchhoffschen Gesetzes: M λ α = M λb α b = M λb 1 = M λb Wenn a des Körpers bekannt ist kann M l aus M lb berechnet werden.

2 Absorption: absolut schwarzer Körper/Strahler a = 1 ( = a b ) Modell: ( black body = b) ein reeller Körper a < 1 absolut schwarzer Körper/Strahler: kontinuierliches Spektrum: wiensches Verschiebungsgesetz: M l (rechtsschief) a b a λmax T = konstant=2880 μm K Emission: emittierte Strahlung M lb M l Stefan-Boltzmann-Gesetz: Wilhem Wien ( ) Vergleichen wir einen reelen Körper mit dem absolut schwarzen Körper mithilfe des kirchhoffschen Gesetzes: M λ α = M λb α b = M λb 1 = M λb Wenn a des Körpers bekannt ist kann M l aus M lb berechnet werden. M = σt 4 σ = 5, W m 2 K 4 Jozef Stefan ( ) Ludwig Boltzmann ( ) M λ = α M λb Wir beschäftigen uns nur mit den Gesetzen für den absolut schwarzen Strahler. 5 6 d) Anwendungen: IR-Diagnostik: IR-Therapie: 7 8 2

3 Mensch abs. schwarz (im IR-Bereich! Siehe Absorptionsspektrum des Wassers!) IR-Strahlung des Körpers: Absorptionsspektrum des Wassers Grundprinzip der IR-Diagnostik: Alternativmethode: Plattenthermographie (Kontaktthermographie) Absorptionsspektrum des Wassers Technik: IR-durchlässige Optik spez. Halbleiterdetektoren (Abkühlung) gute Auflösung (mm, 0,1 C, 30-40Hz) 9 thermotrope cholesterische Flüssigkristalle Grundprinzip: thermo-optische Erscheinung 10 Wärmehaushalt des Körpers: Problem: Stoffwechsel Wärmebildung Wärmeabgabe ist nötig zur konstanten Körpertemperatur Wärmeabgabe: Strahlung Leitung Aktivität Wärmebildung (W) In Ruhe 115 Langsames Spazieren Radfahren (15 km/h) Treppensteigen (2/s) Laufen (15 km/h) Verdunstung! Lumineszenz a) Qualitative Beschreibung: Überschussstrahlung über die Temperaturstrahlung nur schwach temperaturabhängig (mit Ausnahme der Thermolumineszenz) Linien/Bandenspektrum Aus Elektronenübergängen! (Dazu müssen die Elektronen zuerst engeregt werden.) Fluoreszenz&Phosphoreszenz Art der Anregung Name Beispiel Licht Photolumin. Chinin-sulphat, Phosphor, Röntgenstr. Röntgenolumin. NaI (Tl) Verdunstung radioaktive Str. Radiolumin. NaI (Tl) Anwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes: Netto-Abstrahlung (DE): elektrisches Feld Elektrolumin. Quecksilberlampen mechanische Tribolumin. Würfelzucker Wirkung chemische Reaktion Chemolumin. Glühwürmchen (Biolumin.) Wärme Thermolumin. CaSO4 (Dy)

4 Wellenlänge (nm) Energie b) Mechanismus: Lumineszenz von Atomen: Lumineszenz von Molekülen: Jablonski-Diagramm: verschiedene Elektronenzustände E Molekül = E Elektron + E Vibration + E Rotation Innere Konversion Relaxation Interkombination Wärme metastabiler Zustand verschiedene Vibrationszustände Anregung Fluoreszenz Phosphoreszenz c) Gesetze: Linien/Bandenspektrum Stokes-Verschiebung: Fluorescein d) Anwendungen: Fluoreszenzspektroskopie z.b. Proteinforschung Anregungsspektrum (Emission: 340 nm) Fluoreszenz (Anregung: 295 nm) Phosphoreszenz (Anregung: 295 nm) ε phos < ε fluo < ε abs Tryptophan λ abs < λ fluo < λ phos exponentielles Abklingen in der Zeit nach einer kurzzeitigen impulsförmigen Anregung: Intensität, J J 0 J 0 /e t J = J 0 e t τ Zeit, t Lebensdauer (Fluoreszenezlebensdauer oder Phosphoreszenzlebensdauer) ns τ fluo < τ phos ms - s 15 H ull á m ho ss z (n m) Beispiel: Calbindin denaturációja calbindin Calbindin +Ca calbindin+edta Calbindin GdnHCl GdnHCl konc. Konzentration (mol/l) (mol/l) Tyrosin Phenylalanin Wellenlänge (nm) 16 4

5 Aufbau eines Fluorimeters Anregungslicht Küvette Fluoreszenzlicht Sensoren Sauerstoffsensor Calciumsensor Calciumwellen Lichtquelle Filter oder Monochromator Filter oder Monochromator Detektor Fluoreszenzmikroskopie Glukosesensor Lampen Germizidlampen Niederdruckquecksilberdampflampen Leuchtdiode (light emitting diode LED) Halbleiterdiode Durchlaßrichtung + U Blaulichttherapie von Neugeborengelbsucht

6 Strahlungsdetektoren (Röntgenstrahlung, radioaktive Strahlungen, ) z. B. NaI(Tl) Monitore +Ablenkplatten (s. noch Thermolumineszenzdosimeter) Zahnheilkunde Biolumineszenz Hausaufgaben: Neue Aufgabensammlung 2. Teil , und Laser (s. später)

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