Einführung in die Energiezustände
Um ein Atom herum gibt es 7 verschiedene Elektronenhüllen1. Wenn die Elektronen die nötige Energiemenge erhalten, springen sie von einem Zustand in einen anderen (genannt “Grundzustand” und “angeregter Zustand”), wie in der Abbildung unten dargestellt:
Die Abbildung (erzeugt durch POV-Ray) zeigt Anregungen von Kupfer-3d-Orbitalen auf der CuO2-Ebene eines Hoch-Tc-Supraleiters; der Grundzustand (blau) sind x2-y2-Orbitale; die angeregten Orbitale sind grün; die Pfeile zeigen die inelastische Röntgenspektroskopie;
Wenn ein Molekül Licht im UV-vis-Bereich (Ultra-Violett-Sichtbar) im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 780 nm absorbiert, wird ein Elektron von einem energieärmeren besetzten Orbital in ein energiereicheres leeres Orbital befördert, was zu einem Molekül im angeregten Zustand führt. Eine Voraussetzung dafür, dass ein Molekül Licht absorbieren kann, ist, dass die Energie des Photons der Energiedifferenz zwischen den Orbitalen entsprechen muss.
Photonen mit unzureichender Energie werden übertragen. Daher haben uns die Farben des absorbierten Lichts mit experimentellen Informationen über den Energieunterschied zwischen den Orbitalen bewiesen.
Quelle: Scott Cummings, 2008; The Chemistry of Excited States _
Einführung in die Spektroskopie
Newton hatte zuerst Ideen zur Spektroskopie, und später bauten William Wollaston und Joseph von Fraunhofer die ersten Spektrometer und entdeckten die spektralen Signaturen.
Da verschiedene Elemente unterschiedliche Abstände zwischen den Elektronenorbitalen haben, ist die Energie, die benötigt wird, um Photonen zu absorbieren oder zu emittieren, unterschiedlich und daher werden 2 Photonen unterschiedlicher Wellenlängen absorbiert oder emittiert. Daraus ergibt sich eine spezifische spektrale Signatur eines Moleküls, eine Reihe von Spektrallinien.
Die Spektroskopie ist für Astronomen wirklich wichtig, weil sie ihnen Aufschluss über die molekulare Zusammensetzung von Planeten, Sternen und Nebeln geben kann.
Weitere Lektüre: Fraknoi, Andrew; Morrison, David (13. Oktober 2016). “OpenStax Astronomy” _
Einführung von Hämoglobin und Oxyhämoglobin
Rote Blutkörperchen enthalten Hämoglobin, ein eisenhaltiges Protein (daher sind sauerstoffhaltige Hämoglobine rot), das den Sauerstofftransport erleichtert, indem es reversibel an dieses Atemgas bindet und seine Löslichkeit im Blut stark erhöht. Das sauerstoffhaltige Hämoglobin wird Oxyhämoglobin genannt.
Links : Molekulargrafik eines menschlichen Oxyhämoglobins (HHO) , zwei der vier Sauerstoffmodule, die dieses vollständig gesättigte Hämoglobin derzeit trägt, sind von mir blau eingekreist (der rote “Stock” stellt das Sauerstoffmolekül in dieser Grafik dar).
Rechts : Das gleiche Molekül in der gleichen Auflösung, diesmal mit einer hervorgehobenen lösungsmittelzugänglichen Oberfläche.
Alles zusammengenommen
Zum Glück für die moderne Medizin unterscheidet sich die Absorption von Licht bei Wellenlängen von 660 nm und 940 nm signifikant zwischen mit Sauerstoff beladenem Hämoglobin (Oxyhämoglobin) und Hämoglobin ohne Sauerstoff.
Der isobestische Punkt ist der Punkt, an dem zwei Substanzen eine bestimmte Wellenlänge des Lichts in gleichem Maße absorbieren. In der Oximetrie liegen die isobestätigten Punkte von Oxyhämoglobin (HbO) und Desoxyhämoglobin (Hb) bei 590 nm und 805 nm. Diese Punkte können als Referenzpunkte verwendet werden, bei denen die Lichtabsorption unabhängig vom Sättigungsgrad ist. Einige frühere Oximeter korrigierten die Hämoglobinkonzentration unter Verwendung der Wellenlänge an den isobestäubenden Punkten.
Der Vergleich der Absorptionen bei verschiedenen Wellenlängen ermöglicht somit eine Abschätzung der relativen Konzentrationen von HbO (Oxyhämoglobin) und Hb (Hämoglobin) (d.h. der Sättigung). Moderne Pulsoximeter können zwei oder mehr Wellenlängen verwenden, wobei nicht unbedingt ein isobestischer Punkt eingeschlossen sein muss.
Quelle: Anaesthesia.uk _
So funktioniert die Pulsoxymetrie im Grunde genommen. Sie kann gesättigtes und ungesättigtes Hämoglobin unterscheiden, indem sie die unterschiedliche Absorption von Licht aufgrund unterschiedlicher Elektronenkonfigurationen in den Molekülen nutzt. Nachfolgend ein Auszug über die technischen Aspekte der Pulsoxymetrie:
Es gibt zwei Methoden, Licht durch die Messstelle zu schicken: Transmission und Reflexion. Bei der Transmissionsmethode, wie in der Abbildung auf der vorigen Seite gezeigt, sind Emitter und Photodetektor einander gegenüberliegend und die Messstelle befindet sich dazwischen. Das Licht kann dann die Messstelle durchqueren. Bei der Reflexionsmethode befinden sich Emitter und Photodetektor nebeneinander auf der Messstelle. Das Licht prallt vom Emitter zum Detektor über die Messstelle. Die Transmissionsmethode ist die gebräuchlichste, und für diese Diskussion wird die Transmissionsmethode impliziert.
Nachdem die transmittierten roten ® und infraroten (IR) Signale die Messstelle durchlaufen haben und am Photodetektor empfangen werden, wird das R/IR-Verhältnis berechnet. Das R/IR-Signal wird mit einer “Look-up”-Tabelle (bestehend aus empirischen Formeln) verglichen, die das Verhältnis in einen SpO2-Wert umrechnet. Die meisten Hersteller haben ihre eigenen Nachschlagetabellen, die auf Kalibrierkurven basieren, die von gesunden Probanden bei verschiedenen SpO2 (_Periphere Sauerstoffsättigung)-Werten abgeleitet wurden. Typischerweise entspricht ein R/IR-Verhältnis von 0,5 ungefähr 100 % SpO2, ein Verhältnis von 1,0 ungefähr 82 % SpO2, während ein Verhältnis von 2,0 0 0 % SpO2 entspricht.
Quelle: Oxymetrie. org _
Die Gefahren einer Kohlenmonoxidvergiftung
Die spektrale Signatur von Carboxyhämoglobin (mit CO gesättigtes Hämoglobin) ist der von Oxyhämoglobin so ähnlich, dass Standardoximeter das eine mit dem anderen verwechseln, wie mehrere Studien gezeigt haben:
Dieser Bericht bestätigt, dass die Pulsoximetrie bei einer Kohlenmonoxidvergiftung irreführend sein kann, da das Pulsoximeter nicht zwischen HbO (Oxyhämoglobin) und HbCO (Carboxyhämoglobin) unterscheidet. Die Diagnose einer Kohlenmonoxidvergiftung stützt sich daher auf klinische Beweise und muss durch Messung der HbCO-Konzentration mit einem Mehrband-CO-Oximeter (Carboxy-Oximeter) bestätigt werden.
Carboxyhämoglobinämie und Pulsoximetrie, British Journal of Anaesthesia, 1991
Heutzutage gibt es CO-Oximeter, die zwischen Oxyhämoglobin, Carboxyhämoglobin und Methämoglobin unterscheiden können.
1: Eine Erklärung, warum dies der Fall ist, würde zu weit führen. Es hat mit dem Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik zu tun, und eine gute Analogie findet sich in dieser Antwort auf Physik.SE .
2: Die Energie eines Photons ist proportional zu seiner Frequenz und damit umgekehrt proportional zur Wellenlänge. Alle anderen Faktoren in der Planck-Einstein-Gleichung sind konstant. Weitere Informationen finden Sie unter Physik.SE
