Introducendo Energy States
Intorno ad un atomo, ci sono 7 diversi gusci di elettroni1. Quando gli elettroni ricevono la quantità di energia necessaria, saltano da uno stato all'altro (chiamato “stato di terra” e “stato eccitato”), come mostrato nell'immagine sottostante:
La figura (generata da POV-Ray) mostra le eccitazioni degli orbitali 3d di rame sul piano CuO2 di un superconduttore ad alto Tc; Lo stato di terra (blu) è orbitale x2-y2; gli orbitali eccitati sono in verde; le frecce illustrano la spettroscopia anelastica a raggi X;
Quando una molecola assorbe la luce nella regione UV-vis (Ultra-Violet-Visible) che va da 400nm a 780nm di lunghezza d'onda, un elettrone viene promosso da un orbitale occupato a bassa energia ad un orbitale vuoto a più alta energia, dando luogo ad una molecola di stato eccitato. Un requisito per una molecola per assorbire la luce è che l'energia del fotone deve corrispondere alla differenza di energia tra gli orbitali.
Fotoni con energia insufficiente saranno trasmessi. Pertanto, i colori della luce assorbita ci hanno dimostrato con informazioni sperimentali sulla distanza di energia tra gli orbitali.
Fonte: Scott Cummings, 2008; The Chemistry of Excited States _
Introducendo la spettroscopia
Newton aveva prima idee sulla spettroscopia, e più tardi, William Wollaston e Joseph von Fraunhofer costruirono i primi spettrometri e scoprirono le firme spettrali.
Poiché elementi diversi hanno spaziature diverse tra gli orbitali degli elettroni, l'energia necessaria per assorbire o emettere fotoni è diversa e quindi2 fotoni di diverse lunghezze d'onda vengono assorbiti o emessi. Ciò si traduce in una specifica firma spettrale di una molecola, un insieme di linee spettrali.
La spettroscopia è davvero importante per gli astronomi perché può raccontare loro la composizione molecolare di pianeti, stelle e nebulose.
Ulteriori letture: Fraknoi, Andrew; Morrison, David (13 ottobre 2016). “OpenStax Astronomy” _
Introduzione dell'emoglobina e dell'ossiemoglobina
I globuli rossi contengono emoglobina, una proteina contenente ferro (quindi le emoglobine ossigenate sono rosse), che facilita il trasporto dell'ossigeno legandosi in modo reversibile a questo gas respiratorio e aumentando notevolmente la sua solubilità nel sangue. L'emoglobina ossigenata è chiamata ossiemoglobina.
Sinistra : Grafico molecolare di un'ossiemoglobina umana (HHO) , due dei quattro moduli di ossigeno che questa emoglobina completamente satura porta attualmente sono da me cerchiati in blu (il “bastone” rosso rappresenta la molecola di ossigeno in questo grafico).
Destra : La stessa molecola con la stessa risoluzione, questa volta con una superficie accessibile al solvente evidenziata.
Mettere tutto insieme
Fortunatamente per la medicina moderna, l'assorbimento della luce a lunghezze d'onda di 660nm e 940nm differisce significativamente tra l'emoglobina caricata con ossigeno (ossiemoglobina) e l'emoglobina priva di ossigeno.
Il punto isobesticale è il punto in cui due sostanze assorbono una certa lunghezza d'onda della luce nella stessa misura. In ossimetria, i punti isobastici di ossiemoglobina (HbO) e deossiemoglobina (Hb) si verificano a 590 nm e 805 nm. Questi punti possono essere utilizzati come punti di riferimento in cui l'assorbimento della luce è indipendente dal grado di saturazione. Alcuni ossimetri precedenti corretti per la concentrazione di emoglobina utilizzando la lunghezza d'onda nei punti isobastici. &005
Così il confronto degli assorbimenti a diverse lunghezze d'onda permette di stimare le concentrazioni relative di HbO (ossiemoglobina) e Hb (emoglobina) (cioè la saturazione). I pulsossimetri moderni possono utilizzare due o più lunghezze d'onda, senza necessariamente includere un punto isobesticolo.
Fonte: Anaesthesia.uk _
Fondamentalmente, questo è il modo in cui funziona la pulsossimetria. Può distinguere l'emoglobina satura da quella insatura, utilizzando un diverso assorbimento della luce dovuto alle diverse configurazioni degli elettroni nelle molecole. Di seguito un estratto degli aspetti tecnici della pulsossimetria:
Esistono due metodi per inviare la luce attraverso il sito di misurazione: la trasmissione e la riflettanza. Nel metodo di trasmissione, come mostrato nella figura della pagina precedente, l'emettitore e il fotorilevatore sono opposti l'uno all'altro con il sito di misura nel mezzo. La luce può quindi passare attraverso il sito. Nel metodo della riflettanza, l'emettitore e il fotorilevatore sono uno accanto all'altro in cima al sito di misura. La luce rimbalza dall'emettitore al rivelatore attraverso il sito. Il metodo di trasmissione è il tipo più comunemente usato e per questa discussione il metodo di trasmissione sarà implicito.
Dopo che i segnali rossi ® e infrarossi (IR) trasmessi passano attraverso il sito di misura e sono ricevuti al fotorilevatore, viene calcolato il rapporto R/IR. Il rapporto R/IR viene confrontato con una tabella di “look-up” (composta da formule empiriche) che converte il rapporto in un valore di SpO2. La maggior parte dei produttori hanno le proprie tabelle di look-up basate su curve di calibrazione derivate da soggetti sani a vari livelli di SpO2 (Saturazione periferica dell'ossigeno). Tipicamente un rapporto R/IR di 0,5 equivale a circa il 100% di SpO2, un rapporto di 1,0 a circa l'82% di SpO2, mentre un rapporto di 2,0 equivale a 0% di SpO2.
Fonte: Ossimetria. org _ (https://watermark.silverchair.com/66-5-625.pdf?token=AQECAHi208BE49Ooan9kkhW_Ercy7Dm3ZL_9Cf3qfKAc485ysgAAAc4wggHKBgkqhkiG9w0BBwagggG7MIIBtwIBADCCAbAGCSqGSIb3DQEHATAeBglghkgBZQMEAS4wEQQMDkt9j395Hizu2lpnAgEQgIIBgagI17uOj-B_uViIGb3_tFgDESxXblV3WdumDSYeTNrt5AiGL8ptgsb-mXifP91D8KlTdTV_PkeqmkERqxTCO4lU3ga6cZD48qLw68dW9ST3lhsu1vkONPwMhY24zpgxc33L61DsU3waJRiD2F5tZkf-6GRbmYSpO64jJKcVGVYwsuFTHfZsVsUZRcg6FgVGFZygMqAYd9yzum2HIJ47oSz7wwOKNOcqakrN713WBX_PUSlASyPBO5rJDoqiE137aAfLboczzKDiGstFz8Iiri-nfQE7NPlT-zyb6kLfEyPD1aBkvt8NlYmzuyR4s4W5bOrghP-1a2k6HBDFfV1j-20a6guUxaqHcQ9ySRJU5bNAdOHi5FoKkLjowhnmfhoswWvmE_l0RicN-72b5b7V12aCpCS2OfAepSo5E3IIWE0kyiX8wL2Gmn7iCsMue47OeEe9aNy07C2SwyAcFDCk1qEPPoWzowITxsrp0IcV0OZLE7Nm7bYkk4LuXN6fmaohtvw)_
I pericoli dell'avvelenamento da monossido di carbonio
La firma spettrale della carbossiemoglobina (emoglobina satura di CO) è talmente simile a quella dell'ossiemoglobina che gli ossimetri standard scambiano l'uno per l'altro, come hanno dimostrato diversi studi:
Questo rapporto conferma che la pulsossimetria può essere fuorviante durante l'avvelenamento da monossido di carbonio, poiché il pulsossimetro non distingue tra HbO (ossiemoglobina) e HbCO (carbossiemoglobina). La diagnosi di avvelenamento da monossido di carbonio si basa quindi su prove cliniche e deve essere confermata misurando la concentrazione di HbCO con un pulsossimetro a più bande CO (carbossiemoglobina).
Carbossiemoglobinaemia e pulsossimetria, British Journal of Anaesthesia, 1991
Oggi esistono dei CO-ossimetri in grado di distinguere tra ossiemoglobina, carbossiemoglobina e metamoglobina.
1: Una spiegazione del perché questo sia il caso porterebbe troppo lontano. Ha a che fare con il dualismo d'onda-particella della meccanica quantistica e una buona analogia si può trovare in questa risposta su Fisica.SE .
2: L'energia di un fotone è proporzionale alla sua frequenza e quindi inversa proporzionale alla lunghezza d'onda. Tutti gli altri fattori dell'equazione di Planck-Einstein sono costanti. Ulteriori informazioni [ si trovano su Fisica.SE ]&003
