Física Biológica PCLF/Espectroscopía

Técnica FTIR (transformadas de Fourier en el infrarrojo)

Esta técnica utilizada en el estudio de muestras vivas, nos suministra información acerca de cómo se proporciona la trasferencia de energía cuando hago incidir luz con longitudes de onda propias del infrarrojo sobre una muestra viva. Por tanto lo que se quiere es notar el cambio de la temperatura respecto a la potencia de absorción de una muestra.

De acuerdo a la experimentación sabemos que al hacer incidir luz sobre un material este sufre una serie de cambios; pero en está situación lo que pretendo es conocer el orden de magnitud de energía que requiero para excitar los enlaces en la muestra. Esta claro que de acuerdo a las condiciones iniciales de temperatura ambiente correspondiente a un orden de magnitud de 102, la constante de Bolztman es del orden de a la 10-32 y la constante de Plank de orden de 10-34 , la frecuencia de la luz con la suficiente energía para excitar los enlaces es del orden de 104 estas frecuencias son propias para luz dentro del régimen del infrarrojo. (Recordemos que la luz visible produce el efecto fotoeléctrico donde los electrones son desprendidos del material)

Al incidir sobre la muestra este tipo de luz se excitan en forma masiva los electrones por lo que cambian de nivel energético produciendo así una emisión de luz para el momento en que el electrón regresa a su nivel de energía inicial.

Este tipo luz con frecuencias aun mas bajas a las del infrarrojo las detecto en la cara opuesta de la muestra sobre la que inicialmente se incidió la luz; por lo que obtengo un espectro del “calentamiento de la muestra”.

Siguiendo entonces la técnica. A este espectro es al que se le realiza un análisis de Fourier obteniendo en su transformada una onda que no es totalmente sinusoidal. Esto es lo que nos permite tener conocimiento sobre algún cambio en los enlaces de acuerdo a un aumento de temperatura.

Invocando el modelo de Lorentz (el electrón se encuentra ligado al núcleo por medio de un resorte) lo que nos permite identificar los enlaces como sistemas masa resorte los cuales puedo identificar como m1k1, m2k2, …,mnkn.

Las gráficas son resultados a partir de la experimentación; de acuerdo al modelo que se sigue las oscilaciones de los electrones sufren un amortiguamiento, razón por la cual inicialmente el electrón deba llegar a un equilibrio pero no es así, por lo que se nota que hay un ancho de banda que varia con y por la temperatura para cada enlace; así que para cada cambio de temperatura en un caso especial "cuando disminuye la temperatura los enlaces" se hacen o mas débiles.

De esta manera se tiene información acerca de la transición de fase de dicha muestra

Figura 1.Esquema de cómo incide la luz infrarroja sobre una muestra. La pantalla es un sensor.

DESARROLLO MATEMÁTICO

DEL MODELO DE LORENTZ SE TIENE QUE

${\sqrt {\frac {\epsilon }{\epsilon _{0}}}}={\sqrt {1+\sum _{i}{\frac {q_{i}^{2}f_{i}E_{0}/m}{\omega _{0i}^{2}-\omega ^{2}-2i{\frac {\gamma \omega }{m}}}}}}$

para los gases el índice de refracción se hace pequeño, pero la solución de este índice es un número complejo por lo que tenemos

$n\simeq 1+{\frac {1}{2}}\sum _{i}{\frac {q_{i}^{2}f_{i}E_{0}/m}{\omega _{0i}^{2}-\omega ^{2}-2i{\frac {\gamma \omega }{m}}}}$

donde $\omega _{0i}^{2}$ indica un pico perticular, al multiplicar por sucomplejo conjujado obtenemos

$Im[{\frac {q^{2}fE_{0}/m}{\omega _{0i}^{2}-\omega ^{2}-2i{\frac {\gamma \omega }{m}}}}]$

El máximo amortiguamiento debe coincidir con la frecuencia característica que es igual a Im. simétrica alrededor de $\omega _{0}$.

$\omega =\omega _{0}+\bigtriangleup {\omega }$

$\omega ={\frac {A\omega }{(\omega _{0}-\omega )^{2}(\omega _{0}+\omega )^{2}+B\omega ^{2}}}$

al estar muy cerca de la frecuencia de resonancia se tiene:

$\Rightarrow {\omega _{0}\approx {\omega }}$

$\omega ={\frac {A\omega }{4\omega _{0}^{2}\Delta \omega ^{2}+B\omega ^{2}}}$

y está es la medición que se lleva acabo con el FTIR.

FLUOROMETRO

El fluorómetro es un equipo para estudiar la fluorescencia de un material. Básicamente lo que se hace es ver rangos de emisión de luz, donde logro obtener información sobre como se están generando las transiciones de fase en la muestra que estoy estudiando.

Para obtener que un material emita luz inicialmente “se le debe dar energía en forma de luz”, por lo que este la absorbe estando en un nivel de energía que llamamos $E_{0}$; esta energía de más luego es re-emitida en forma de luz, pero no en el mismo nivel de energía E0, sino a uno nuevo que lo nombramos como E1.

En la práctica hemos notado que los materiales fluorescentes emiten luz a una longitud de onda de 440 nm, pero que al ser radiado emite en una longitud de onda de 480 nm lo que nos da certeza sobre lo dicho anteriormente;las curvas características para estos espectros son:

Esta técnica de fluorescencia es llevada a cabo en el experimento llamado Lourdan. Este experimento toma una muestra biológica cubierta por agua, a la cual se le adiciona un elemento que no permanece en el agua y que por ende interactúa directamente con la muestra. Este elemento llamado Lourdan que actúa como “un dipolo resortudo”, me permite alterar la vibración libre de los enlaces, por lo que me afecta entonces la emisión de luz a una temperatura definida, por tanto yo puedo observar en la temperatura crítica como se da la transición de fase.

En las muestras biológicas Lourdan llega al estudio de la membrana, donde son predominantes los lípidos y es por ende allí donde encuentro temperaturas criticas.

Cabe anotar que esté no es el montaje de Lourdan para las muestras biológicas, en esta figura podemos distinguir los elementos que lo componen, la lámpara es de xenón (material económico), el monocromador función por excitación con el fin de obtener un rayo fino para radiar la muestra

Para lograr que este rayo sea realmente fino no se debe lanzar directamente, por lo que se debe atravesar el separador de luz que lo reducirá en un porcentaje. Al llegar la luz trasmitida a la muestra no ubico el detector de luz fluorescente detrás de la muestra por que allí podría estar midiendo también parte de la luz transmitida y no queremos eso, por lo que se sitúa a un ángulo de 90° que es donde menos podría tener el inconveniente mencionado.