1. dia

Medizinische Biophysik
Licht in der Medizin.
e) Schwächungsgesetz:
8. Vorlesung
2016. 10. 17.
𝐽 = 𝐽0 ∙ 𝑒 −𝜇𝑥
Linearer Schwächungskoeffizient (m),
Maßeinheit: 1/m
VI. Wechselwirkungen des Lichts mit der Materie
3. Absorption
(enthält den linearen Absorptions- und
Streuungskoeffizienten)
6. Biologische Wirkungen des Lichtes
……
e) Schwächungsgesetz
f) Anwendungen (Absorptionsspektrometrie,
Lambert-Beer-Gesetz)
Schwächung =
Beispiele, molekularer Mechanismus,
bestimmende Faktoren, das Ozon-Problem
Absorption + Streuung
Intensität, J
J0
J0/2
J0/e
g) Aufbau eines Spektrophotometers
Dd
4. Transmission
Halbwertsdicke
a) spektraler Transmissionskoeffizient (Transmittanz)
b) Transmissionsspektrum:
Schichtdicke, x
Eindringtiefe
Halbwertsdicke (D): 𝐷 =
c) Eine zahnmedizinische Anwendung:
ln 2
𝜇
Eindringtiefe (d): 𝛿 =
1
𝜇
Gilt allgemein für elektromagnetische Str., b-Str., mechanische Str., siehe später!
5. Wechselwirkungen bezüglich der Polarisation des Lichtes
a) lineare Polarisation des Lichtes:
 (dekadische) Extinktion (E) = optische Dichte (OD):
b) optische Aktivität:
c) Drehung der Polarisationsebene durch geordnete Strukturen
1
𝐸 = lg
𝐽0
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
Pulsoxymetrie
4. Transmission
a) spektraler Transmissionskoeffizient t (l):
(Transmittanz)
transparent
𝜏(𝜆) =
𝐽durchgelassen (𝜆)
𝐽einfallend (𝜆)
opak
t 1
t 0
durchsichtig
undurchsichtig
Al2O3
transluzent
g) Aufbau eines Spektrophotometers:
0 t 1
halbdurchsichtig
𝜌 𝜆 +𝜎 𝜆 +𝛼 𝜆 +𝜏 𝜆 = 1
5
b) Transmissionsspektrum:
6
c) Eine zahnmedizinische Anwendung:
t vs. l
DIFOTI® (Digital Imaging Fiber-Optic Trans-Illumination)
Al2O3
Al2O3(Cr3+)
7
8
2
Zusammenfassung der für die Charakterisierung der
Wechselwirkungen eingeführten Größen
5. Wechselwirkungen bezüglich der Polarisation des Lichtes
a) lineare Polarisation des Lichtes:
Erscheinungen: Reflexion, Streuung, Absorption, Schwächung (=Streuung+Absorption), Transmission
Intensitätswerte:
Jein , Jreflektiert , J0 (= Jein − Jreflektiert), Jgestreut , Jabsorbiert , Jdurchgelassen
(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)
Polarisationsfilter
(Absorption)
Beispiel: Luft  Glas

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)


Halbwertsdicke (D), Maßeinheit: m

Eindringtiefe (d), Maßeinheit: m
Reflexionskoeffizient
aB = Brewster-Winkel (aB = arctan(n2/n1))
unpolarisiert
9
polarisiert
für
┴
für
‫װ‬
Einfallswinkel (°)
10
b) optische Aktivität: Drehung der Schwingungsebene
chirale Moleküle
des linear polarisierten Lichtes
Drehwinkel (°)
Konzentration
(g/cm3)
Länge der
Küvette (dm)
a  a  20
D c l
ohne Polarisator
mit Polarisator
Drehwert, Drehvermögen (spez. Drehung)
(°·cm3/(g·dm)) bezogen auf 20°C und aud die D-Linie (589 nm) von Na
 Anwendung: Polarimetrie - Konzentrationsbestimmung
Aufbau eines Polarimeters:
ohne Polarisator
ohne Polarisator
mit Polarisator
mit Polarisator
11
12
3
Untersuchung der Spannungsverteilung
c) Drehung der Polarisationsebene durch geordnete Strukturen
Anwendung: LCD (liquid crystal display - Flüssigkristallbildschirm)
Polariskop:
Grundprinzip: elektro-optische Erscheinung
unpolarisiertes
Licht
Objekt
Polarisator
Lichtquelle
Analysator
1. Polarisator
Spannungsoptik:
Orientierungsfläche
gedrehte
nematishe
Struktur
Flüssigkristallmoleküle
Steuerspannung
Orientierungsfläche
2. Polarisator
Lichtaustritt
(durchsichtig)
kein
Lichtaustritt
(undurchsichtig)
Spannungsverteilung
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6. Biologische Wirkungen des Lichtes
Zielorgane:
Einige
Beispiele:
 Haut
 Auge
Erythem
Graustar
Katarakt
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Hautkrebs
Melanom
Hornhautentzündung
Konjunktivitis
16
4
Bestimmende Faktoren:
 Photonenenergie (Wellenlänge)
Molekularer Mechanismus:
Wellenlänge
Absorption  Anregung/Ionisation  photochemische Reaktionen  biologische Wirkung
direkt
UVC 100 – 280
UVB 280 – 315 !
UVA 315– 400
indirekt
Wasserradikale,
Sauerstoffradikale
Dimerisation
 Absorptionsspektrum
DNA:
Thymin
Inaktivierung von
E. coli Bakterien
Effektivität
Thymindimer
UVB UVC
 Bestrahlungsstärke
Zielmoleküle sind die Chromophormoleküle: DNA, Proteine, Melanin
 Expositionszeit
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Wellenlänge (nm)
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Rolle der Ozon(O3)-Schicht:
Hausaufgaben: Aufgabensammlung
a (l )
2.73-76 und 81
9.1-2
Janusgesicht der Sonne:
Hautver brennu ng
Alterung der Haut
Hautkrebs
Sensibilisierung
gegen Licht
Immunosuppresion
Photoallergie
Phototoxizitä t
Mutationen
19
20
5