biofizica curs

Biofizica

Curs 6

Elemente de fizica moleculara si

caldura

• Energia internă. Mişcarea termică

• Măsura generală a diferitelor forme de mişcare

ale materiei (substanţă sau câmp) este energia.

• La rândul ei energia apare sub diferite forme în

funcţie de tipul de mişcare al materiei: termică

(calorică), mecanică, electro-magnetică,

luminoasă, nucleară, etc.

Elemente de fizica moleculara si

caldura

• Energia internă. Mişcarea termică

• Toate sistemele (corpurile) sunt formate din

particule aflate într-o continuă mişcare. Astfel,

sistemul posedă energie, numită energie internă

(U) care este dată de suma energiilor tuturor

formelor de mişcare şi energiile de interacţiune a

particulelor din sistem

– (suma tuturor energiilor cinetice de translatie, rotatie, vibratie ale particulelor + energiile potentiale datorate

prezentei cȃmpurilor de forta exterioare)

• Mişcarea permanentă şi dezordonată,

dependentă de temperatură, a moleculelor unui corp se numeşte mişcare de agitaţie termică.

Această mişcare este dată de energia cinetică a

moleculelor.

• Energia cinetica medie a moleculelor, care,

la o concentratie data determina presiunea

gazului ideal, este în acelasi timp si o

masura a temperaturii, cu atât mai mult cu cât

energia cinetica medie este independenta de

numarul moleculelor. Deci energia cinetica

medie este o functie ce depinde numai de

temperatura T.

• Pentru un gaz ideal: U E , Ep neglijabila n

i 1 Ci

• Teoria cinetică a gazelor demonstrează faptul că

energia medie moleculelor c este dată de

următoarea relaţie:

i

c KB T

2

R

KB

NA

• i - numărul gradelor de libertate ale unei particule fiind egal cu numarul coordonatelor independentenecesare

pentru determinarea poziiei sale în spaiu

– i = 3 ( gaz monoatomic); – i = 5 (gaz biatomic);

– i = 7 (gaz triatomic),etc.

Notiuni fundamentale

termodinamice

• Termodinamica studiază proprietăţile fizice ale

sistemelor macroscopice, scoţând în evidenţă în

special, legile care guvernează procesele termice. • Sistem termodinamic: este un sistem alcătuit dintr-un

număr foarte mare de particule sau elemente

• Clasificarea sistemelor termodinamice :

– izolate, – inchise, – deschise ( organismele vii ).

• Parametrii de stare : marimi fizice masurabile (p, V, T)

• Stare de echilibru: stare stationara cu parametrii constanti.


termodinamice

• Transformari (procese) termodinamice: trecerea

sistemului de la o stare iniţială la o stare finală .

Reversibile = ca trecerea de la starea finală a sistemului la cea

iniţială se realizează prin aceleaşi stări intermediare, dar

parcurse în sens invers decât transformarea directă de la

starea iniţială ( I ) la cea finală ( F

ireversibile (toate procesele din natura ),= Când transformarea

F→I se realizează pe altă cale decât cea corespunzătoare

transformării directe I→F,


termodinamice

• Transformari (procese) termodinamice: trecerea

sistemului de la o stare iniţială la o stare finală .

– Cvasistatice = o succesiune de stări de echilibru . – Nestatice

– Ciclice = în care sistemul evoluează astfel încât

starea finală este identică cu cea iniţială.

– Neciclice = când cele două stări I şi F sunt diferite

sistemul a suferit o transformare neciclică sau

deschisă.

• Nu orice transformare cvasistatica este

reversibila ( îmbatrȃnirea )

Principiile termodinamicii

• Principiul I – principiul conservării energiei

• „În decursul evoluţiei unui sistem izolat, există anumite

mărimi fizice care se conservă (păstrează mereu

aceeaşi valoare).”

• Acest principiu nu este specific doar termodinamicii. În

termodinamică mărimea fizică care se conservă este

energia sistemului izolat.

• Principiul I al termodinamicii poate fi enunţat şi astfel: „Energia internă (U) a unui sistem este o funcţie de stare,

depinzând doar de stările iniţială şi finală prin care trece

sistemul”

• Pe baza Principiului I al termodinamicii s-a formulat legea generală de conservare a energiei conform căreia: „Energia nu poate fi creată şi nici distrusă, ea poate numai să se transforme dintr-o formă în alta, în cantităţi echivalente.”

• Ecuaţia principiului I va fi: U Q L

– Q este căldura schimbată de sistem cu exteriorul datorită

variaţiei energiei mişcării de agitaţie termică (mişcarea

dezordonată) sau variaţiei energiilor interacţiunilor dezordonate

dintre molecule, – L este lucrul mecanic schimbat de sistem cu exteriorul, datorită

variaţiei energiei de mişcare ordonată a unui ansamblu mare de

molecule ale sistemului, care determină deplasări la scară

macroscopică.

Sistemele biologice

• Sistemele biologice sunt sisteme deschise, schimburile permanente

de substanţe şi energie fiind indispensabile vieţii. • Ast

unui sistem biologic, la trecerea dintr-o stare în alta, va fi dată de

bilanţul dintre cantitatea de căldură (Q) şi toate formele de lucru

mecanic(Lm), chimic (Lc), etc. schimbate de sistem cu exteriorul:

U Q L L ........... ecuaţia principiului I

m c

Q 0 dacă sistemul primeste Q sau L L 0

Q 0 sistemul Q sau L L 0

Bilanţul energetic al

organismelor vii

Em L Q Ed

•

•

•

•

Em este energia preluată din mediu,

L este lucrul mecanic efectuat de organism, Q este căldura degajată de organism,

Ed este energia depozitată în rezervele organismului

– Se aplică conservarea energiei numai pentru sistemul închis

format din organismul respectiv împreună cu mediul său

înconjurător. – În cazul organismelor homeoterme toată energia preluată din

mediu constă din energia chimică a alimentelor.

• La nivelul materiei vii, reactiile de oxidare ireversibile

termodinamic sunt cele care genereaza caldura. • Pentru toate procesele este valabila legea lui Hess :

– “Efectul termic în procesele izocore si izobare nu depinde de

calea urmata ci este determinat numai de starea initiala si finala”

– cu alte cuvinte energia consumata pentru obtinerea unei substante depinde doar de tipul elementelelor care o alcatuiesc.

• Pe baza legii lui Hess se poate calcula cantitatea de

caldura produsa la consumarea unei cantitati de

alimente. Pentru aceasta este necesar sa se cunoasca

cantitatea de caldura degajata la oxidarea aceleiasi cantitati de alimente.

Coeficientul izocaloric

• Căldura (energia calorică) reprezintă o formă degradată

de energie. În orice proces, o parte din energie se disipă

sub formă de căldură. • Coeficientul izocaloric : cantitatea de energie ( în kcal )

care se degaja la arderea a 1g de substanta.

– 1. Coeficient izocaloric fizic: energia degajata la arderea a 1g de

substanta în bomba calorimetrica unde rezulta H2O + CO2. – 2. Coeficient izocaloric fiziologic: energia degajata la

descompunerea a 1g de substanta pâna la produsii finali ( în

organism nu rezulta H2O + CO2 ). – 3. Coeficient izocaloric practic: energia degajata prin digerarea

a 1g alimente – o parte din alimentele consumate nu se digera si sunt partial eliminate; digerabilitatea variaza, în functie de

aliment, între 50% - 90%.

Valori ale coeficientilor izocalorici pentru

câteva categorii de

substante

Tipul de

Substanta/

Coeficient

izocaloric

Glucide Lipide Proteine

Fizic 4,1 9,3 5,6

Fiziologic

Practic

4,1

3,83

9,3

8,65

4,1

3,68

Principiul al II-lea (al creşterii

entropiei)

• „Nu este posibil un proces termodinamic în

care întreaga cantitate de căldură

absorbită de sistem să fie transformată

total în lucru mecanic”.

• Toate procesele spontane dintr-un sistem

izolat se desfăşoară în sensul scăderii lucrului mecanic pe care acest sistem l-ar

putea efectua.

Parametrii termodinamici

Entropia

• Pentru exprimarea cantitativă a pierderilor de

energie şi a tendinţei de evoluţie spontană a

unui sistem termodinamic, se introduce o nouă

mărime, numită „entropie”.

• Energia pierdută sub formă de căldură, când un

sistem efectuează lucrul mecanic (de orice

natură) este legată de produsul dintre

temperatura absolută T a sistemului şi creşterea

a unui parametru de stare S numit entropia

Qsistemului.

Q T S S

T

Energia liberă

• Pentru un sistem izolat, entropia sa creşte în

timp, sistemul evoluând spre starea de echilibru

caracterizată de entropie maximă, în care toată

energia internă a sistemului a fost degradată în

căldură, nemaiputând fi trasformată în lucru

mecanic util.

• Astfel pentru un sistem aflat la temperatura T,

din energia sa internă (U) doar o parte poate

umită

„energie liberă” (F) a sistemului (sau potential termodinamic).

F U T S

• F – măsoară capacitatea unui sistem de a

efectua lucrul mecanic util (de orice formă).

• În sistemele izolate, în care U = const.

F 0

• Energia liberă unui sistem izolat scade, iar

entropia sistemul creşte

• O transformare de stare a unui sistem neizolat

este:

– Spontana, daca

– Se efectueaza asupra lui L, daca

• Termodinamica clasică se ocupă în special de procesele

cvasistatice şi de starea de echilibru ale sistemelor

închise.

• Ea nu poate da relaţii cantitative pentru procese

naturale, care sunt în general ireversibile şi au loc în

sistemele deschise. Pentru studiul acestor procese a fost

nevoie de o nouă dezvoltare a termodinamicii care are

ca obiect studiul proceselor naturale.

• Această dezvoltare a permis descoperirea a o serie de

legi noi care permit scrierea primelor două principii ale

termodinamicii şi pentru procesele ireversibile, care se

desfăşoară în sistemele deschise, naturale.

Termodinamica proceselor ireversibile

• Aceste noi legi exprimă proporţionalitatea între aşa-numite forţe

termodinamice şi fluxurile lor corespunzătoare.

• Prin forţe termodinamice F se înţeleg cauzele care provoacă

fenomenele ireversibile, de exemplu gradientul unei marimi A

(concentraţie, temperatura, etc.)

T

dA

FT A

dx

• Efectele cantitative ale fenomenelor ireversibile corespunzătoare, provocate de forţele termodinamice, se numesc fluxuri J A ; de ex. fluxul de masa, fluxul de căldură etc.

J A DA

• D reprezintă un coeficient caracteristic fiecărui fenomen.

Fenomene moleculare de

transport

• Procesele metabolice reprezinta un schimb permanent de

substanta, energie si informatie cu mediul exterior, schimburi controlate de mecanismele celulare. • Sistemele biologice sunt sisteme termodinamice deschise

(termodinamica Prigogine)

– influx - transport spre interior – eflux - transport spre exterior

• Cauza fenomenelor de transport: prezenta fortelor termodinamice la

suprafete de separare si in interiorul fazelor separate

• Tendinte: sa diminueze neomogenitatile din sistem cum ar fi: concentraţie, densitate, presiune osmotică. Au loc în mod spontan, fără consum de energie (pasiv) conducând la creşterea dezordonării moleculelor. • Fenomenele moleculare de transport sunt datorate miscarii de

agitatie termica a moleculelor.

Fenomene moleculare de

transport

• Fenomenele de transport pot avea loc şi sub acţiunea

unor cauze externe: diferinţe de presiune hidrostatică, de

câmp electric, magnetic, etc. Aceste deplasări sunt corelate, având loc o deplasare relativ ordonată a

ansamblului tuturor particulelor, numindu-se drift. • Fenomenele moleculare de transport prezintă importanţă

deosebită pentru viaţa plantelor şi animalelor,

desfăşurându-se fără consum de energie metabolică

(transport pasiv). • Din această categorie un rol deosebit îl au difuzia şi osmoza.

Fenomenul de difuzie

• Difuzia pasivă reprezintă fenomenul de transport pasiv, datorat agitaţiei termice, a unor particule din zonele de

concentraţie sau densitate mai mari spre zonele cu valori mai mici ale acestor mărimi, printr-un mediu suport omogen. • Se numeşte flux cantitatea de substanţă, sarcină, energie, etc. transportată printr-o suprafaţă în unitatea

de timp. • Exemple de flux:

mdm•Flux de masă:(la limită:),

t dt

• Flux molar:

t (la d

limită: dt

).


• Gradientul, în mod simplificat semnifică

variaţia unei mărimi între două puncte ale

spaţiului raportată la distanţa dintre puncte

(în fiecare punct va arăta direcţia în care

marimea creşte cel mai repede):

M M M

grad M M ijk

xyz

• În cazul difuziei se folosesc: c

,

x x


C1 C2

C

C1

C2

x1 x2 x

Legile lui Fick (difuziei)

• Legea I a lui Fick: Fluxul de masă printr-o

suprafaţă este direct proporţional cu aria

S a suprafeţei şi cu gradientul densitatii

m

D S

t x

• D – coeficient de difuzie (m / s),

• - densitatea moleculelor difuzante.

2

m

C

VV

t D S

C

x

• Legea a II-a a lui Fick:

• Variaţia temporală a concentraţiei, în

oricare punct al soluţiei, este proporţională

cu variaţia spaţială a gradientului 2

concentraţiei. dcd C

dt

D

dx 2

• Experimental s-a constatat că D variază

direct cu temperatura, invers proporţional

cu volumul particulelor care difuzează şi depinde de forma particulelor.

Fenomenul de osmoză

• Fenomen spontan (pasiv) de difuzie

a moleculelor de solvent ale unei soluţii printr-o membrană

semipermeabilă poartă denumirea

de osmoză. • deplasarea unei cantităţi de solvent generează o diferenţă de presiune

hidrostatică intre compartimente

• la incetarea difuziei solventului, starea staţionară corespunde

compensării celor două forţe

termodinamice : presiunea

Membrana semipermeabila = permite

hidrostatică este echilibrată de

trecerea particulelor de solvent (apa),

presiunea osmotică. însă nu şi a solvitului

prin membrana semipermeabilă s.n. presiune osmotică

şi este măsurabilă prin presiunea hidrostatică (cu

ajutorul unui manometru).

g h

- densitatea lichidului manometric.

• Dacă asupra soluţiei mai concentrate acţioneaza o

presiune foarte mare din exterior, molecula de solvent

traversează membrana în mod forţat de la soluţia mai concentrată spre cea mai diluată; se produce osmoza

inversă.

– Acest fenomen are importante aplicaţii practice (desalinizarea

apei). Ea este întâlnită şi la animalele acvatice sau unele păsări (pescăruşi) pentru procurarea apei potabile din apa de mare.

Fizica

Curs 7

Fenomene de transport

Prin fenomene de transport înţelegem

fenomenele care sunt însoţite de transport de

substanţă, impuls sau energie dintr-o regiune în

alta a mediului. Aceste fenomene se pot datora fie:

· ciocnirii dintre molecule (care determină un

transport de substanţă sau de energie),

· frecării interne dintre diferitele straturi de

substanţă (care deteremină transport de impuls).


Atunci când un fenomen este însoţit de:

• un transport de substanţă se spune că este

vorba de difuzie moleculară.

• un transport de energie, atunci vom vorbi de

conducţie termică,

• migrarea sarcinilor electrice de-a lungul unui gradient de potential electric apare conductia

electrica,

• un transport de impuls de-a lungul unui gradient de viteza avem vâscozitate.

Fenomene de tranport

• Un sistem termodinamic care nu se află în echilibru

prezintă în puncte diferite valori diferite ale cel puţin

unuia dintre parametrii de stare p, T şi V.

• Prezenţa neomogenităţilor determină apariţia

forţelor termodinamice ce generează fenomenele de

transport.

• Forţa termodinamică corespunzătoare este dată de

variaţia parametrului respectiv pe unitatea de

lungime, deci de gradientul parametrului respectiv A.

dA

FT A

dx


• Forţa termodinamică, generează un flux

termodinamic sau o densitate de curent a

parametrului respectiv J A . în cazul proceselor

ireversibile lente este valabil un postulat

fundamental al termodinamicii proceselor

ireversibile, potrivit căruia:

J A DA

ecuaţia generală a fenomenelor de transport

• D reprezintă un coeficient caracteristic fiecărui fenomen.


• Dacă un sistem este neomogen dar

parametrii de stare se menţin constanţi

în timp, procesele care au loc se numesc

procese în regim staţionar.

• Toate procesele în timpul cărora

parametrii de stare variază în timp se

numesc procese în regim nestaţionar.

Difuzia

• Deplasarea componenţilor sub acţiunea

diferenţei de concentraţie formează fluxul de

difuzie al componenţilor respectivi.

• Fluxul se măsoară prin cantitatea

componentului difuzat în unitatea de timp

prin unitatea de suprafaţă normală la direcţia

de difuzie.

• Difuzia implică deci un transport de masă.

Ecuaţia generală a fenomenelor de transport este

(legea I a lui Fick) :

n

J n Dn D

x

N n n

D Jn

x S t x

1 1

D este coeficientul de difuzie

Conductibilitatea termică

• Dacă un gaz este încălzit în mod neuniform, se observă

o tendinţă de egalizare a temperaturii. Astfel, părţile

mai calde se răcesc în timp ce părţile mai reci se

încălzesc ca rezultat al apariţiei unui curent de căldură

orientat dinspre părţile calde spre părţile reci ale

gazului.

• Acest fenomen ce constă în apariţia unui curent de

căldură datorat exclusiv moleculelor antrenate numai în mişcarea termică, se numeşte conductibilitate

termică.

• Fenomenul poate fi staţionar sau nestaţionar, la fel ca

difuzia.

Propagarea caldurii

• Orice forma de energie se poate transforma in caldura.

• Orice transformare de energie este insotita de

producerea unei cantitati de caldura.

• Caldura (energia termica) se poate propaga in unul din

modurile urmatoare:

– Convectie in fluide

– Conductie termica

– Radiatia termica

Convectia

• Consta in transportul caldurii prin deplasarea

unei mase de fluid (gaz sau lichid).

• Flux de fluid aparut in urma convectiei se

numeste curent de convectie.

• Apare datorita faptului ca densitatea fluidului

incalzit scade si devine mai usor (datorita

fortei lui Arhimede exercitata de fluidul mai

rece si mai dens din jur).

Curenti de convectie ascensionali

Formarea smogului (acumularea

poluantilor in absenta curentilor

de convectie ascensionali

Conductia termica

=reprezinta transmisia energiei termice prin

masa unui corp datorita ciocnirii (vibratiilor)

particulelor constituente intre ele,

Conductia termica

Solide metalice (conductori termici)

Solide ne-metalice (izolatori termici)

Gaze

Lichide

Conductibilitatea termică

nestaţionară

• Cantitatea de căldură necesară unui corp

pentru a mări temperatura sa cu 1 grad

(Kelvin) se numeşte capacitate termică:

dQ

C

•dT

• Capacitatea termică a unităţii de masă se

numeşte căldură specifică,

dQdQ

c

m dT V dT

Radiatia termica

• = emisia radianta care are loc si in vid.

• = unde electromagnetice (transporta doar

energie)

1 2

3 4

Radiaţia electromagnetică

• Radiatia (unda) electromagnetica reprezinta

fenomenul de propagare in timp si spatiu a

unei oscilatii electromagnetice.

• Oscilatia electromagnetica are doua

componente, electrica si magnetica, care

variaza in timp si se genereaza reciproc.

• Cele doua componente oscileaza in faza

perpendicular una fata de cealalta si pe

directia de propagare a undei.

E – intensitatea campului electric

H – intensitatea campului magnetic

Radiatiile rosie, verde si albastra

(lungimi de unda diferite)

Spectru electromagnetic acopera un interval mare de lungimi de

unda si energii transportate. Radiatia “poate sa vada” un obiect

daca are lungimea de unda de acelasi ordin de marime cu

dimensiunile obiectului.

Radiaţia electromagnetică

• Radiaţia electromagnetică are caracter dual, putînd fi considerată atît undă cât şi un ansamblu de particule

cuantice (fotoni). Energia unui foton se numeste

cuanta de energie si este egala cu h.

• poate fi tratată folosind principiile mecanicii cuantice

care spun că: – Într-un atom electronii se pot afla numai pe anumite nivele

energetice, adică există o distribuţie „discretă” a spectrului energetic al unui atom sau moleculă, – Trecerea electronilor de pe un nivel energetic pe altul are

loc cu absorbţia sau emiterea unei radiaţii a cărei frecvenţă

depinde de diferenţa de energie dintre cele două

nivele prin relaţia: E h

Unde h 6,67 10 J s (constanta lui Planck).

Absorbtie

Modelul planetar al atomului

Emisie

• Atomii si moleculele pot absorbi sau emite radiatii electromagnetice ale caror lungimi de unda (culori)

sunt caracteristice substantei respective.

– Totalitatea radiatiilor pe care le emite un element chimic

sau o molecula alcatuieste spectrul de emisie al acesteia, iar

– totalitatea radiatiilor absorbite de un element chimic sau

molecula alcatuieste spectrul de absorbtie al acesteia.

• Spectrul de emisie este folosit pentru a afla

compozitia unui material (este diferit pentru fiecare

element din sistemul periodic).

Linie spectrala = reprezintă tranziția cuantică a unui electron dintre

diferitele nivele energetice din atomi si molecule. Linie spectrala = Reprezinta imaginea fantei spectroscopului in

domeniul ingust de frecvente caracteristic materialului care emite sau

absoarbe radiatie.

Spectrele substantelor in stare gazoasa sunt alcatuite din linii spectrale

Spectrul unei surse de lumina alba

Spectrul de emisie al hidrogenului

–Doar cateva dintre elementele chimice sunt caracterizate printr-un

spectru simplu format din cateva linii. Majoritatea substantelor au

spectre complexe in care pot fi identificate unele linii spectrale specifice, de intensitate mare.

Spectrul de emisie al hidrogenului

Spectrul de emisie al fierului

Spectrul de emisie al Soarelui impreuna cu linie de absorbtie ale

diferitelor elemente

Biofizica

Curs 8

Proprietăţi optice ale soluţiilor

• Sunt folosite pentru analiza calitativă şi cantitativă a substanţelor în soluţie, prin

diferite tehnici, cum ar fi:

1. Refractometria: este o metodă prin care, în

urma măsurării indicelui de refracţie al unei soluţii se poate determina concentraţia

acesteia datorită interdependenţei dintre

aceste două mărimi,

n = f(c).

• În laboratoarele de analize poate fi folosită la

determinarea concentraţiei de glucoză.

Proprietăţi optice ale soluţiilor

2. Polarimetria este o metodă pe baza căreia

se poate calcula concentraţia unei soluţii optic active (substanţă care roteşte planul luminii polarizate) în urma măsurării unghiului de rotire a planului de polarizare

a luminii, unghi direct proporţional cu

concentraţia substanţei optic active şi cu

grosimea stratului de substanţă străbătut.

În organism exista doar una din variante:

(aminoacizii sunt levogire(L ), glucidele sunt

dextrogire (D)

Metode spectroscopice utilizate în analize

• Spectroscopia reprezintă o tehnică de cercetare şi de

analiză rapidă şi nedistructivă a structurii,

compoziţiei şi proprietăţilor materiei.

• În urma absorbţiei sau emisiei radiaţiei electromagnetice au loc tranziţii caracterizate cu

ajutorul:

– spectrelor de absorbţie (excitare energetică), – Spectrelor de emisie (dezexcitare energetică) sau

– Spectrelor de împrăştiere.

Absorbtie


Emisie

Spectroscopia de absorbţie

• Starea energetică a unei molecule este considerată

ca o sumă de mai multe energii:

E Eelect Evib Erot

– Eelect reprezintă energia dată de starea electronică, respectiv de ansamblul de orbitali ocupat de electronii din

moleculă, – Evib reprezintă energia de vibraţie care se datorează

variaţiei distanţei dintre nucleii atomici (vibraţia legăturilor

chimice în interiorul moleculelor), iar

– Erot este energia de rotaţie a moleculei. • Ultimii doi termeni sunt mai mici decât primul şi apar numai în

cazul moleculelor di- şi poliatomice.


• Între diferitele nivele electronice, de vibraţie sau de rotaţie

pot avea loc tranziţii. • Variaţia de energie şi, respectiv, frecvenţa radiaţiei implicate

în acest proces vor descreşte în ordinea amintită. • Spectroscopia de absorbţie se aplică în cazul radiaţiilor

vizibile (VIS), infraroşii (IR) şi ultravioletelor (UV). În toate

cazurile studiile se fac mai ales pe soluţii.


• O anumită soluţie poate să absoarbă mai mult sau

mai puţin toate radiaţiile, absorbţia fiind continuă.

• În unele cazuri absorbţia este mai puternică pentru

anumite lungimi de undă, ea devine selectivă şi soluţia capătă culoarea complementară radiaţiilor

absorbite.

Se definesc:

• Transmitanţa unei substanţe de o anumită

grosime:

I T (%)

I0

100

• Extincţia naturală

I01

En ln ln K n x

TI

Kn – coeficient natural de extincţie

• Absorbanţa unei substanţe

I0 I

A% 100 1 T 100

I0

Absorbţia radiaţilor

Absorbţia reprezintă fenomenul de atenuare a

energiei incidente, aceasta regăsindu-se în

mediu sub altă formă.

La trecerea luminii printr-o substanţă

absorbantă, intensitatea luminii scade, după

legea Lambert:

I x I 0 e Kn x

I 0 10 K x

unde k este coeficientul de extincţie.

Legea Beer

• Când este vorba de o soluţie de concentraţie c, a

unei substanţe absorbante într-un mediu perfect

transparent pentru aceea lungime de undă, se aplică

legea Beer.

• Aceasta lege este valabilă pentru soluţii diluate

(concentratii mici ale substantelor dizolvate).

En , x c x

– – coeficient molar de extincţie (depinde de natura

substanţei şi de lungimea de undă a radiaţiei atenuate).

Legea Lambert - Beer

I , x I 0 e

I01

En ln ln K n x

TI

Kn x I0 e

En I0 e

cx


• Curba care dă dependenţă lui în funcţie de

se numeşte spectrul de absorbţie al

substanţei respective.

• Forma acestui spectru depinde de natura

mediului absorbant, astfel încât analiza lor

permite efectuarea unor determinări

cantitative sau calitative a soluţiilor

macromoleculare.


• Spectrele de absorbţie ale macromoleculelor

constituie adevărate „amprente” ale acestora,

permiţând identificarea acestora, precum şi

dozarea lor.

• Mai mult, spectrele de absorbţie permit să se

tragă concluzii referitoare la natura legăturilor

dintre atomii macromoleculelor şi a grupărilor

organice libere.

Spectrofotometrul

• Spectrofotometrul este un fotometru

(dispozitiv care masoara intensitatea luminii)

care masoara intensitatea radiatiei la diferite

lungimi de unda.

• Spectrofotometrele sunt clasificate:

– In functie de cu care lucreaza,

– Tehnica de masurare folosita,

– Modul de achizitie al spectrului.

Diagrama unui spectrometru UV/VIS cu un singur fascicul

Spectrofotometrul

• Masoara cantitativ fractiunea intensitatii radiatiei care trece

printr-o solutie. • Lumina de la sursa este ghidata catre monocromator (sau

retea de difractie) care selecteaza o radiatie de o anumita

dintr-un spectru continuu. • Dupa trecerea radiatiei prin substanta analizata intensitatea

luminii emergente este masurata cu o fotodioda sau un

senzor.

• Sunt calculate transmitanta sau extinctia pentru folosita. • Concentratia solutiei este calculata folosind legea Lambert-

Beer.

Spectre în infraroşu

• Spectrele în infraroşu (IR) reprezintă în general tranziţii vibraţionale, fapt care explică complexitatea acestor spectre

chiar pentru molecule relativ simple. • O moleculă neliniară cu n atomi va prezenta (3n-6) moduri fundamentale de vibraţie. Deci chiar pentru un aminoacid

spectrul de vibraţie arată foarte complicat. • Datorită faptului că anumite grupări chimice prezintă tranziţii vibraţionale la anumite frecvenţe caracteristice, este posibil un anumit grad de analiză prin folosirea unor cataloage. • Spectrofotometrele in IR sunt diferite datorita faptului ca

toate corpurile emit IR sub forma de radiatie termica.

Spectre in vizibil

• Tranziţiile din domeniul vizibil al spec

= 400 – 800 nm) sunt tranziţii electronice de

energie relativ joasă. Există în principal două

tipuri de structuri care prezintă absorbţii în

acest domeniu:

– compuşii care conţin anumiţi ioni metalici, în

special metale de tranziţie (metaloproteinele),

– sisteme de legături duble conjugate şi structuri aromatice voluminoase.

Spectre in vizibil

• Pentru obţinerea unor date spectroscopice se pot

folosi schimbările care au loc în:

– spectrul de absorbţie al unor grupări absorbante în mod

natural numite cromofori intrinseci sau

– spectrul unor substanţe adăugate din exterior (cromofori exteriori).

• Multe măsurători biochimice se bazează pe diferite

reacţii de culoare în urma cărora un cromofor intern

sau extern îşi schimbă culoarea, adica spectrul de

absorbţie.

• Intensitatea culorii este direct proportionala cu

concentratia substantei.

• Spectroscopia UV/VIS poate fi folosita pentru

determarea concentratiilor solutiilor.

• Se foloseste legea Lambert-Beer:

– Trebuie cunoscut pentru lungimea de unda

folosita (pentru care se produce absortia maxima).

poate fi obtinut:

• din tabele, • din curbele de calibrare (pentru concentratii cunoscute).

Ultraviolete

UVA 400 nm – 315 nm 3.10 – 3.94 eV

Near (apropiate) NUV 400 nm – 300 nm 3.10 – 4.13 eV

UVB 315 nm – 280 nm 3.94 – 4.43 eV

Middle (medii) MUV 300 nm – 200 nm 4.13 – 6.20 eV

germicidal UVC 280 nm – 100 nm 4.43 – 12.4 eV

Far (indepartate) FUV 200 nm – 122 nm 6.20 – 10.2 eV

Vacuum (vid) VUV 200 nm – 10 nm 6.20 – 124 eV

Extreme EUV 121 nm – 10 nm 10.2 – 124 eV

Spectre in ultraviolet

• În cazul spectrelor în ultraviolet, cele mai

folosite sunt în domeniul 200 – 380 nm. În

acest domeniu multe substanţe de interes

biologic prezintă benzi puternice de absorbţie,

cum sunt aminoacizii aromatici sau

heterociclici ca tirozina, fenilalanina sau

triptofanul.

• Absorbţia proteinelor în jur de 280 nm se

datoreşte acestor aminoacizi (în primul rând

triptofanului).

Spectre in ultraviolet

• Ca şi spectrele în vizibil, spectrele în UV pot fi folosite

pentru evidenţierea şi urmărirea unor reacţii biochimice, pentru analiza structurii chimice, in

special a sistemelor conjugate.

• Pentru aflarea concentratiei unei solutii se foloseste

de asemenea legea Lambert-Beer.

• UV sunt folosite in spectroscopia in UV pentru a

studia fluorescenta unei substante.

Curs 9

Biofizica

Atomul si nucleul

• Atomul este alcătuit dintr-un nucleu format din neutroni şi protoni şi un înveliş alcătuit din electroni. • Fiecare electron are o sarcină electrică negativă egală cu o

constantă fundamentală e: 1e 1,602 1019C

• Numărul de electroni din învelişul atomului se notează cu Z şi este

cunoscut sub denumirea de număr atomic al respectivului element chimic. • Masa constituenţilor atomului:

– masa electronului este, me 9,11 1031kg

– masa unui proton (sau neutron) este cu mai bine de 3 ordine de mărime

mai mare mp mn 1,66 1027 kg , asta înseamnă ca aproape întreaga masă

a atomului este concentrată în nucleu.

• Dimensiunea atomilor a fost subiect de dezbateri susţinute până

spre sfârşitul secolului XIX. Astazi este general acceptata ideea ca

raza atomică este de ordinul 1010 m (1Å) cu nucleul atomic având

dimensiuni în domeniul 1014 m.

Atomul

• Pentru a mentine neutralitatea electrică a atomului nucleul trebuie sa fie încărcat pozitiv, cu un număr de

sarcini elementare (protoni)egal cu Z. • Masa atomica (moleculara) A este numeric egală cu

numărul de protoni si neutroni din nucleul atomului (moleculei respective). • În cazul unui element chimic E (substanţa alcătuită din

Aatomi de acelaşi tip) este obişnuit să se facă notaţia Z E . Astfel se pun mai uşor în evidenţă:

– izotopii (acelaşi Z dar cu A diferit): – izobarii (acelaşi A dar cu Z diferit):

12 6 12 5

C 13 6 C

14 6 C

B, 12C, 12N 67

Atomul

• Ionul este un atom care a cedat sau a primit unul sau mai multi electroni în timp ce nucleul ramâne neschimbat. În acest fel neutralitatea din punct de vedere electric a atomului nu mai este

respectată. • Ionii pot fi creaţi în diferite feluri:

– interacţiune fizică - interacţiunea cu radiaţie electromagnetică (fotoni), excitare termică, bombardare a atomilor cu electroni de mare viteză, – interacţie chimică - schimb de electroni între doi atomi învecinaţi.

• Molecula rezultă în urma “legării” a doi sau mai mulţi atomi ce au

nivele electronice parţial ocupate, aceşti atomi punând în comun

electroni pentru a crea o structura cât mai stabilă energetic. În

general, gazele sunt formate din molecule, excepţie făcând gazele

rare (zise şi inerte) care datorită faptului că au nivelele energetice

complet ocupate nu vor forma molecule ci vor rămâne în stare

atomică.

Radioactivitatea

• Radioactivitatea reprezintă transformarea

spontană a nucleelor instabile în alte

nuclee, cu emisia unor radiatii de tip alfa

(α), beta (β) sau gama (γ).

• Acest fenomen este observat atât la

izotopii instabili care se gasesc în natură

(radioactivitate naturală) cât şi în cazul

ciocnirilor nucleare provocate

(radioactivitate artificială).

Dezintegrarea α-radioactivă

• constă în expulzarea de către nucleele grele

(A>200) a unor particule de sarcină pozitivă

egala cu 2e alcătuite din 2 protoni şi 2 neutroni legaţi împreună (nucleu de He).

• Se cunosc în jur de 25 de nuclee α-radioactive

naturale si aproximativ 100 de nuclee α-

radioactive artificiale.

• Spectrul de energii al particulelor α emise este

unul discret.

e

Dezintegrarea β

• Dezintegrarea β cuprinde trei tipuri diferite de

transformari nucleare:

• dezintegrarea : transformarea unui neutron (n) din

nucleu în proton (p) având ca rezultat emiterea unui electron (e )

• dezintegrarea : transformarea unui proton (p) din

nucleu în neutron (n) având ca rezultat emiterea unui pozitron (e )

• captura electronică (K sau L): procesul prin care un

electron (e ) este absorbit de către un proton din nucleu

rezultatul fiind transformarea acestuia într-un neutron (n)

• Spectrul de energii al electronilor sau pozitronilor este

unul continuu.

Dezintegrarea

• În general, toate tipurile si de radioactivitate

sunt însoţite de emisii de radiaţii gama (γ), adică

de fluxuri de fotoni de radiaţii electromagnetice

de energii foarte ridicate, cu lungimi de undă (λ)

• Radiaţiile γ reprezintă forma cea mai răspândită

de eliminare a energiei excedentare în cazul dezintegrărilor radioactive. Întrucât nivelele

energetice ale nucleului sunt discrete, radiaţiile

vor avea un un spectru discret de linii.

Dezintegrarea

• Cauza fenomenelor radioactive este dată de

gradul de stabilitate (sau instabilitate) al nucleului atomic.

• Dezintegrarea nucleară este o expresie a

tendinţei nucleului de a trece spre stări de

energie cât mai joase şi, în acest caz, o

dezintegrare este posibilă dacă este îndeplinită

condiţia ca energia nucleului înainte de

dezintegrare să fie mai mare decât suma

enegiilor nucleului rezultat şi a particulei emise.

Legile dezintegrărilor radioactive

• Dezintegrările radioactive nu depind de factori externi precum presiunea, temperatura sau

reactiile chimice.

• Numărului foarte mare de procese care au loc în

unitatea de timp în cazul dezintegrărilor

radioactive necesită o tratare o fenomenului pe

baza unor legi statistice.

• Astfel, daca dN nuclee ale unei substanţe

radioactive se dezintegrează intr-un interval de

dNtimp infinitezimal dt, raportul dt , numit viteză

de dezintegrare, este proporţional cu numărul de

nuclee rămase nedezintegrate N:

• unde λ este constanta radioactivă a nuclidului respectiv (aceaşi pentru pentru nucleele

aceleaşi specii) iar semnul „-” arată că N scade

în timp.

• Numărul de nuclee N ce rămân nedezintegrate

după un interval de timp t se poate afla foarte

uşor, prin integrarea relaţiei, dacă se cunoaşte

numărul iniţial de nuclee :

tN N0e

• Constanta radioactivă λ are o dependenta

puternică de material:

– în cazul uraniului U este de

214– pentru poloniu 84

Po este de

238 92

dN

N

dt

1,53 10 10 an 1

4,33 10 3 s 1 .

• Pentru o caracterizare cât mai convenabilă a

procesului de dezintegrare radioactivă se

foloseste notiunea de timp de înjumătatire T1 / 2

• T1 / 2 reprezintă intervalul de timp t după care

numărul N al nucleelor radioactive se reduce la N

jumătate N 2

N0ln 2T

•

NN eT

0

1/ 2

2 0 1/ 2

• Timpii de înjumătătire variază în limite foarte

3 10 7 s înlargi. În cazul thoriului valoarea este de

timp ce pentru neodimiu este de 5 1015 s.

• Statistic se poate calcula durata de viată medie

a unui nucleu dintr-o substantă radioactivă ca

fiind egală cu:

1

0

• este intervalul de timp după care numărul de N

nuclee N rămase nedezintegrate este egal cu e .

• Si în cazul duratei de viata medie plaja de

valori pentru diferiti izotopi este una foarte largă:

– in cazul uraniului avem 6,52 10 ani

– pentru poloniu durata medie de viata este

9

2,32 10 4 s

Interactia radiatiei cu substanta

• Pentru orice radiatie electromagnetica

(unde radio, spectru vizibil, infrarosu,

ultraviolet, radiatii X sau la trecerea ei printr-un material oarecare se produce

atenuarea intensitatii sale datorita

absorbtiei care depinde de natura

I I 0e x


• în cazul radiatiei γ are loc o atenuare

exponentială a intensitătii cu observatia că

aceasta nu scade niciodată la zero, ci numai până la valoarea fondului cosmic.

• În schimb, radiatiile β nu se atenuează

exponential decât pentru o distantă

aproximativ egală cu 2/3 din grosimea

maximă de material străbătut de radiatii

până la atenuarea completă a acestora.


• Intensitatea particulelor α nu se atenuează

aproape deloc până la sfârsitul parcursului lor prin substantă.

• Atenuarea particulelor α se face în special

datorită faptului că ele ionizează mediul

prin care trec;

– acest lucru este valabil pentru toate

particulele încărcate electric (inclusiv particule

β) însă electronii pot pierde energie si prin

fenomenul de frânare.

Efectele radiatiilor

• Efectul cel mai important produs de radiatiile

penetrante la trecerea lor printr-un mediu dat

este ionizarea mediului respectiv.

• Radiatiile nu pot fi detectate cu ajutorul simturilor

(cu exceptia radiatei în infrarosu si în vizibil).

• În general radiatiile nu pot fi puse în evidentă

decât dacă interactionează în vreun fel cu

materia.

• Cu cât interactia este mai puternică, deci transferul de energie este mai puternic si efectele produse sunt mai însemnate, cu atât

mai usor poate fi pusă în evidentă radiatia.


Din punct de vedere macroscopic efectele radiatiilor pot fi grupate în: • efecte optice: colorarea materialelor transparente, producerea de noi benzi de absorptie (în vizibil,

ultraviolet, infrarosu, ultraviolet, etc.), scintilatia unor

materiale speciale folositi în procesul de detectie,

• efecte mecanice: variatia densitătii, a rezistentei la

rupere, torsiune, forfecare a diverselor materiale,

• efecte chimice: cresterea vitezei unor reactii chimice/cataliză, ruperea de legături dintre atomii moleculelor, procese de oxidare/reducere, înnegrirea

plăcilor fotografice (efect fotochimic),


• efecte electrice/magnetice: ionizarea mediilor

străbătute (inclusiv a izolatorilor), variatia

proprietătilor electromagnetice (susceptibilitate

magnetică, conductibilitate electrică),

• efecte termice: încălzirea mediilor străbătute,

• efecte biologice: sunt în general nocive, depind

de tipul si de energia radiatiei respective cât si de tipul de tesut biologic.

Notiuni de dozimetrie. Unităti de

măsură

• Efectele produse de iradierea diferitelor corpuri (inclusiv a sistemelor biologice) pot fi caracterizate prin investigarea schimbărilor de

proprietăti (fizice, chimice, etc.) ale materialelor

respective, produse în urma iradierii.

• Studiile au arătat că efectele iradieriilor depind

atât de natura si energia radiaŃiei cât si de

natura, structura, combinaŃia chimică, forma de

agregare corpului iradiat.

Caracterizarea efectelor

1. Dezintegrările radioactive: sunt definite prin numărul de

nuclee atomice dezintegrate în unitatea de timp, mărimea fizică corespunzătoare fiind activitatea sursei radioactive A: N

t

– Se referă doar la o caracteristică a nucleului atomic.

A

• Unitatea de măsură în sistemul international este

Becquerel (Bq); 1dez int egrare 1Bq

1s

• Des întâlnită ca unitate de măsură este Curie (Ci);

dez int

1Ci 3,7 10

s

10


2. Doza de radiatii: reprezintă o măsură a efectului radiatiei asupra materiei. Termenul doză a fost

introdus pentru prima dată în radioterapie, prin a

analogie cu doza de substantă activă din

medicamente.

– Doza de iradiere (doza de ionizare): Reprezintă

cantitatea de radiatii primită de către materie. – Unitatea de măsură în sistemul international pentru

expunerea la radiatii este Roentgenul (R);

R 2,58 10 4 C

kg


• Doza de absorbtie D este egala cu

cantitatea de energie transferată pe

unitatea de masă a corpului iradiat:

W

D

m

– Unitatea de măsură în sistemul international se numeste Gray (Gy):

1Gy 1J 1kg

– În practică se foloseste deseori ca unitate de

măsură rad (roentgen absorbed dose):

1Gy 100rad


• Doza biologică B. Caracterizează efectele

biologice ale radiatiilor asupra organismelor vii.

Iradierea are, în general, efecte negative asupra

tesuturilor, gradul de nocivitate fiind puternic

influentat de tipul si energia radiatiei cât si de

tipul de tesut iradiat.

B D


• Dacă energia care produce efectul fizic (de

iradiere) corespunde dozei de absorbtie D (Gy),

mărimea fiziologică ce corespunde dozei biologice B se măsoară în sistemul international în Sievert (Sv), iar prin definitie:

B D

• unde cu η s-a notat eficacitatea biologică

relativă.

• Unitatea de măsură des utilizată în practică este

rem-ul („roentgen equivalent for man”)

1rem 10 2 Sv

Efectele iradierii

• Studiile privind influenta radiatiilor au arătat că

tesuturile cele mai sensibile la iradiere sunt cele

care se înmultesc cel mai repede, fiind în ordine:

sângele, mucoasele, organele interne, tesuturile

musculare si osoase, sistemul nervos.

• Copii sunt mult mai expusi efectelor negative ale

radiatiilor decât adultii.

• Expunerea la cantităti mari de radiatii are ca

efect direct producerea de hemoragii interne,

căderea părului, sterilitate si chiar moarte.

Efectele iradierii

• Semnalmentele clinice ale unei iradieri puternice

sunt initial tulburări de respiratie si ale ritmului cardiac, salivare abundentă, greată si vărsături,

stare generală de oboseală, temperatură usor

mai ridicată.

• Ulterior apar anemii, lipsa apetitului digestiv,

apare febră ridicată, ulceratii, scăderea

dramatică a imunitătii, organele interne intră într-

un colaps total.

• Printre bolile cu cea mai mare rată de incindentă

cauzate de iradiere (prin ruperea lanturilor de

ADN) se numără leucemia si cancerul.

Radioprotectia

• Radioprotectia este un subiect de primă importantă si în acelasi timp

de maximă

• actualitate, dată fiind folosirea pe scară cât mai largă a tehnologiilor

nucleare. Printre cele mai importante surse de contaminare se

numără:

– instalatiile nuclearo-electrice (reactoarele nucleare) – industria minieră si a materialelor de constructie (în general contaminare cu radon) – instalatiile nucleare folosite în cercetare (reactoare nucleare, acceleratoare de particule) – instalatiile pentru tratarea (prelucrarea) materialelor radioactive, inclusiv

retratarea de deseuri radioactive

– iradierea medicală în scop investigativ sau pentru tratament(raze X, γ, izotopi radioactivi) – exploziile nucleare (în general contaminare cu strontiu) – aplicatiile industriale ale izotopilor radioactivi, iradierea tehnologică, etc.

Radioprotectia

• Se impune, micsorarea la un nivel cât mai redus posibil a iradierii profesionale iar iradierea neprofesională

(accidentală) trebuie înlăturată complet prin

monitorizarea continuă a posibilelor surse de radiatii.

• Se numeste doză maximă admisă, suma tuturor dozelor

primite de o persoană, în urma iradierii, care nu are

efecte negative asupra adultului sănătos.

• Doza maximă admisă D (exprimată in remi), acumulată

la nivelul întregului corp este:

D 5( N 18)

• unde N reprezintă vârsta subiectului exprimată în ani (cu

N 18ani ).

Radioprotectia

• Se pune de asemenea conditia ca doza acumulată până

la vârsta de 30 de ani să nu depăsească 60 remi (0.6

Sv).

– Doza maximă admisă este de 5 rem/an (0,05 Sv/an).

• Pentru iradierea profesională, în zone supravegheate

(precum CERN în ElveŃia) este de maximum 1,5 rem/an

(15 mSv/an).

– Doza maximă ce se admite pentru membre este de 7,5 rem/an.

Radioprotectia

• Se defineste doza mortală de radiatie doza de radiatie

penetrantă ionizantă primită de întregul corp având ca

rezultat decesul a 50% dintre subiecti într-un interval de

30 de zile (fără asistenŃă medicală), 2,5-3,0 Gy

măsurati în interiorul corpului, central, pe linia

longitudinală a acestuia.

• Dozele la suprafata corpului pot varia datorită atenuării variabile din partea corpului si sunt puternic dependente

de energia radiatiei respective.

Detectorii de radiatii

Principalele metode de detectie pot fi grupate pe

următoarele categorii:

• Metode bazate pe fenomenul de ionizare produs

de radiatii sau de schimbare a proprietătilor

electrice a mediului supus iradierii • Metode bazate pe fenomenul de luminescentă

produs de radiatii (detectorul cu scintilatie)

• Metode pentru vizualizarea traiectoriilor

particulelor

• Metode fotografice

Biofizica

Curs 9

Unde elastice

• Unda reprezinta fenomenul de propagare

din aproape in aproape, in timp si spatiu a

unei oscilatii.

– Undele elastice sunt generate de o

perturbatie mecanica intr-un mediu elastic.

– Undele electromagnetice sunt generate de

variatia (oscilatia) campului electromagnetic.

Unde elastice

• Clasificare:

– Unde transversale: oscilatia este

perpendiculara pe directia de propagare.

– Unde longitudinale: oscilatia este realizata de-

a lungul directiei de propagare.

Unde acustice

• Sunetul reprezinta o miscare oscilatorie a

particulelor unui mediu eleastic care

produce o senzatie auditiva.

• Acustica studiaza fenomene produse de

vibratiile mecanice si de propagarea lor

sub forma de unde elastice.

– Urechea omeneasca este un receptor remarcabil, capabil sa

analizeze sunetul perceput, la fel ca un aparat spectral, descompunându-l în spectrul oscilatiilor armonice simple.

Unde acustice

• Urechea omeneasca percepe sunetele cu

frecventele cuprinse în intervalul 16Hz –

20kHz.

• Dupa spectrul frecventelor, sunetele se

clasifica în :

– zgomote: sunete cu spectrul continuu,

– sunete muzicale: sunete cu spectru

discontinuu.

• Aceste vibratii se impart in mai multe

categorii in functie de frecventa lor:

• Oscilatiile mecanice cu frecventa sub 16 Hz se

numesc infrasunete,

• Oscilatiile cu frecventa peste 20 kHz se numesc

ultrasunete.

– Infrasunetele sunt percepute de pasari si pesti, care „simt” astfel, producerea

cutremurelor si apropierea furtunilor.

– Ultrasunetele sunt percepute de catre lilieci.

Din cauza lungimii de unda foarte mici,

ultrasunetele au o directivitate remarcabila si animalele respective se pot orienta în spatiu

si pot percepe deplasarea obiectelor pe care

se reflecta ultrasunetele.

Proprietăţile ultrasunetelor.

• Proprietăţile ondulatorii ale ultrasunetelor

(reflexia, refracţia, interferenţa, difracţia,

etc.) prezintă o serie de particularităţi

determinate de valoarea mică a lungimii de undă şi de frecvenţa ridicată.

• Datorită lungimii de undă mici, pentru

obstacole de dimensiuni obişnuite difracţia

este foarte slabă, astfel că ultrasunetele

pot fi dirijate sub forma unor fascicule

înguste.

• Viteza de propagare a ultrasunetelor

depinde de starea de agregare a mediului în care se propagă.

– Viteza cea mai mare este caracteristică

stării solide şi ea scade cu creşterea

temperaturii.

– În starea lichidă, viteza este mai mică şi de asemenea ea continuă să scadă cu

creşterea temperaturii.

– La trecerea în faza gazoasă, se produce

o scădere semnificativă a vitezei dar

acesta continuă să crească cu creşterea

temperaturii

• Propagarea ultrasunetelor în diferite medii este însoţită de micşorarea energiei lor

datorită atenuării.

– Pentru a limita pierderile, traductorul de

ultrasunete se foloseşte fiind imersat

într-un lichid.

Efecte produse de ultrasunete

• Ultrasunetele interacţionează cu substanţa prin care se propagă, fapt ce conduce la

– absorbţia acestora în funcţie de frecvenţa şi amplitudinea lor precum şi – încălzirea locală a mediului respectiv.

• Datorită variaţiei presiunii acustice, la intensităţi mari ale

ultrasunetelor, se pot produce ruperi ale peliculei de lichid asupra

careia actioneaza, urmată de refacerea imediată a acesteia sub

acţiunea unor variaţii rapide şi puternice de presiune. Acest fenomen este cunoscut sub numele de cavitaţie şi are numeroase

aplicaţii practice. – Ruperea peliculei de lichid determină formarea unor bule (cavităţi ) care

sunt umplute imediat de vapori ai lichidului şi de gazele dizolvate în

lichid. Aceste bule, sunt comprimate, se sparg şi provoacă şocuri mecanice, descărcări electrice şi ridicări locale a temperaturii.

Efecte produse de ultrasunete

• la intensităţi mari ale ultrasunetelor, se pot

produce ruperi ale peliculei de lichid

asupra careia actioneaza, urmată de

refacerea imediată a acesteia sub

acţiunea unor variaţii rapide şi puternice

de presiune.

• Acest fenomen este cunoscut sub numele

de cavitaţie şi are numeroase aplicaţii practice.

Efecte produse de cavitatie

• efecte mecanice - datorită presiunilor locale mari ce produc local temperaturi ridicate,

• efecte optice - datorită emisiei slabe, de scurtă

durată, a unui semnal luminos la depăşirea

pragului de intensitate acustică pentru

producerea cavitaţiei,

• efecte chimice - datorită producerii sau

accelerării unor reacţii chimice de oxidare,

reducere, sinteză, polimerizare şi depolimerizare

precum şi datorită omogenizării unor sisteme

disperse sau distrugerii stării de omogenitate a

unor astfel de sisteme.

Aplicaţii ale ultrasunetelor

• Proprietăţile specifice şi efectele produse de

ultrasunete fac ca acestea să fie utilizate pe

scară largă, aplicaţiile fiind grupate în două mari categorii:

– aplicaţii active, în care energia ultraacustică mare, produce modificări ale structurii mediului, efectuȃnd

lucru mecanic sau catalizȃnd procesul de prelucrare. – aplicaţii pasive, în care energia ultraacustică relativ

scăzută nu are puterea de a aduce modificări în

structura mediului şi joacă rolul unui agent fizic ce

procură informaţii referitoare la proprietăţile, calitatea

şi dimensiunile substanţei studiate.

Aplicatii active

• curăţarea şi degresarea suprafeţelor

metalice şi nemetalice Această

metodă are la bază efectul de

cavitaţie care determină distrugerea

şi îndepărtarea de la suprafaţa

pieselor a stratului de oxizi şi a

peliculelor de grăsime.

• prepararea emulsiilor fine,

• pentru fracţionarea suspensiilor,

Aplicatii active

• filtrarea lichidelor, purificarea apelor de

suprafaţă şi a apelor industriale,

• distrugerea microorganismelor, sterilizarea

şi conservarea produselor alimentare,

• producerea aerosolilor,

• prepararea serurilor şi a vaccinurilor, etc.

• ultrasunetele se utilizează pentru uscarea

materialelor fără ca acestea să fie încălzite

sau centrifugate.

Aplicatii pasive

• Ultrasunetele de intensitate mică nu produc

modificări structurale şi sunt folosite pe scară

largă în cercetare şi diferite domenii industriale

datorită faptului că stau la baza unor procedee

noi pentru controlul nedistructiv al pieselor,

pentru măsurarea unor mărimi fizice şi geometrice, pentru aplicarea unor tratamente

locale în domeniul medical.

• Aceste aplicaţii folosesc propagarea rectilinie a

ultrasunetelor şi dependenţa vitezei lor de

propagare de proprietăţile elastice ale mediului.

Aplicatii pasive

• Fenomenele de reflexie, refracţie şi slaba

absorbţie a ultrasunetelor în apă, permit

folosirea lor în navigaţie pentru cartografierea

fundului apelor mărilor şi oceanelor, precum şi detectarea obiectelor care plutesc în apă

(iceberguri, bancuri de peşte, submarine, etc.).

• O aplicaţie foarte importantă este evidenţierea

defectelor de fabricaţie a pieselor metalice

turnate (defectoscopia ultrasonoră) care este

posibilă datorită slabei absorbţii a ultrasunetelor

în solide (prin reflexie sau prin transmisie).

• Tehnici si metode fizice si principiile

lor

Tehnici de separare

Centrifugarea şi ultracentrifugarea

• Cu ajutorul acestor tehnici se pot face evaluări cantitative foarte precise

ale masei moleculare.

• Prin centrifugare este

realizată o sedimentare

forţată a

macromoleculelor dintr-o

soluţie sau a particulelor

dintr-o suspensie.

Fa

Ff

m0

Fef

x

Centrifugarea şi

ultracentrifugarea

• Datorită faptului că în procesul de

sedimentare particulele se mişcă într-un

mediu cu frecare sub acţiunea unei forţe

de frecare Ff, ele vor atinge o viteză

limită de sedimentare vs .

F 0 Fcf FA Ff 0

Fcf FA Ff Fcf FA Ff

Centrifugarea şi

ultracentrifugarea

este forţa centrifugă care acţionează

asupra particulei în timpul centrifugării,

• F este forţa lui Arhimede (determina

greutatea aparenta a corpului in fluid)

Fcf

A

•

FA gh

• 0 – densitatea substanţei,

• m0 – masa particulei.

• – viteza unghiulară a mişcării de

rotaţie.

Centrifugarea şi

ultracentrifugarea

• Dacă se consideră că particula are o formă

sferică cu raza r0, aflată în mediul de suspensie

cu coeficient de viscozitate dinamică, , şi se

mişcă cu viteza vs , forţa de frecare este dată de

relaţia lui Stokes:

F f 6r0 vs

Centrifugarea şi

ultracentrifugarea

g 6r0 v sm 0 1

0

dx

vs

dt

• Rezultă: 6r0

dx

m0

dt

1 g

0

Centrifugarea şi

ultracentrifugarea

• Pentru centrifugi, se defineşte factorul de

acceleraţie, , ca raport dintre forţa

centrifugă la care este supusă particula

şi greutatea sa în câmpul gravitaţional terestru.

g

Gg0 g0

Fcf acp

• acp = g – acceleraţia centripetă

Centrifugarea şi

ultracentrifugarea

După valoarea lui centrifugele sunt de

patru tipuri:

• centrifuge obişnuite, 1000,

• supercentrifugă, 1000 20 000,

• ultracentrifugă de serie,

20 000 400 000,

• ultracentrifugă de experienţă,

400 000.

Centrifuga NASA pentru obtinerea unor acceleratii 20g.

Centrifuga de laborator

Biofizica

Curs 11

Elemente de electricitate

• Intensitatea câmpului electrostatic :

Q

E

4r 2

(V / m 2 )

• Potentialul electric (V):

V Q

4r

• Atomul - neutru d.p.d.v. electric.


Forta de interactiune electrostatica

dintre doua sarcini electrice

• La baza tuturor interacţiunilor electrostatice stă legea lui Coulomb care

exprimă forţa F cu care interacţionează două particule având sarcinile

electrice q şi Q, aflate la distanţa d într-un mediu cu constanta dielectrică

q Q

F2

4r

1

(N)

Elemente de electricitate

• Intre doua puncte din spatiu cu potentiale diferite

apare o tensiune electrica = U care determina

deplasarea sarcinilor electrice (curent electric).

q

• Intensitatea curentului electric (A): I t

• Legea Ohm pentru un circuit simplu:

• Energia dezvoltata de curentul electric (Ws):

W U q U I t R I 2 t

U

I

R

• Puterea electrica (W):

W

P

t

• D.p.d.v. al proprietăţilor conductoare, substanţele se

clasifică in următoarele categorii :

– Conductori (datorita deplasarii electronilor sau a ionilor), – Izolatori (dielectrici) (exista sarcini electrice legate care se

pot doar orienta sub actiunea unui camp electric), – semiconductori (conductia datorata deplasarii electronilor

si golurilor – legaturi covalente nesatisfacute).

• În sistemele biologice conducţia electrică se face

numai prin ioni .

• Dielectricii sunt substante neconductoare din punct de vedere

electric. Tesuturile biologice sunt considerate dielectrici. • Modelul dielectricilor este folosit pentru a studia efectul campului electric alternativ asupra substantei (vii si nevii) • Spectroscopia dielectrica este o tehnica cu ajutorul carei se obtin

informatii despre structura si tipurile de interactiuni care exista in

interiorul materialelor.

Semiconductori Condutie electrica datorata electronilor si golurilor (legaturi chimice libere)

Electroliza

• Disociaţia electroliţilor (substante ionice dizolvate intr-

un solvent) datorita trecerii curentului electric; la

suprafata electrozilor se produc reactii chimice:

– cationi - se orientează către catod ( electrodul negativ )

– anioni - se orientează către anod ( electrodul pozitiv )

• Electroliza: masa de substanţă depusă la electrozi este

data de:

m = k · I · t - legea lui Faraday

• Substanţa depusă la electrozi precipită, se depune pe

electrozi sau se degaja (gaz).

• Oxidarea ionilor sau a moleculelor neutre se

petrece la anod (pozitiv) iar reducerea lor se

petrece la catod (negativ).

• Anod: Fe 2Fe3e- oxidare

34• Catod: Fe(CN )6 e Fe(CN )6 - reducere

• Electroliza apei (cu electrozi de platina)

reprezinta o sursa de hidrogen:

2H 2O(l ) 2H 2( g ) O2( g )

Fe 2 Fe e

3

• argintarea unui

corp:

• aceasta va

constitui catodul celulei de

electroliză.

• Anodul este o

bară de argint şi electrolitul este o

sare de argint.

Fenomene electrocinetice

• Electroforeza, este fenomenul de migrare a unor

particule încărcate cu sarcină electrică în câmp

electric generat de doi electrozi conectaţi la o sursă

de tensiune continuă.

• Dacă migrarea se face spre catod, apare

catelectroforeza, iar dacă migrarea se face spre anod,

apare anelectroforeza.

• Migrarea se poate realiza pe suport de hartie, pe gel sau intr-un tub capilar.


• Efectul de sedimentare (Dorn) constă în

apariţia unei tensiuni electrice, Us, între două

puncte ale unui electrolit între care are loc

sedimentarea unor particule încărcate electric

(datorita gravitatiei sau centrifugarii).


• Electroosmoza, constă în deplasarea unei faze

electrolitice lichide polare printr-o o fază solidă

(material poros), în prezenţa unui câmp electric.

• Efectul de curgere (Quincke) constă în apariţia unei diferenţe de potenţial de o parte şi de alta a unui material poros, prin care curge sub presiune o soluţie

electrolitică. (Ex. presarea mecanică a apei printr-o

diagramă poroasă).

Electroforeza

• Macromoleculele, particulele coloidale, virusurile,

particulele subcelulare si celulele, suspendate in

solutii electrolitice fiziologice (solutii izotonice cu

lichidele biologice), poarta sarcini negative in exces.

Aceste particule pot suferi fenomenul de

electroforeza.

• Se numeşte electroforeză, fenomenul de migrare a

particulelor incarcate electric dintr-o suspensie sub

acţiunea unui câmp electric.

• Particulele coloidale sunt agregate moleculare care,

dispersate în lichide, îşi pierd cu uşurinţă ionii de la

suprafaţă rămânând încărcate electric.

Fenomene ondulatorii

Principiul lui Huygens

• ” Fiecare punct al unui front de undă reprezintă o sursă de oscilaţie ce

generează unde elementare care se propagă cu aceeaşi viteză şi au aceeaşi

lungime de undă ca şi unda iniţială ”.

• Deci fiecare punct al frontului de undă este o sursă secundară de oscilaţie

cu aceleaşi caracteristici ca unda primară. Noua poziţie a frontului de undă

la un moment dat, este dată de înfăşurătoarea tuturor undelor elementare

generate de undele secundare.

Reflexia undelor

• Studiul experimental al fenomenelor de

propagare ale undelor la suprafaţa de

separare dintre două medii arată că o parte

din unde se reflectă întorcându-se în mediul

din care provin, iar cealaltă parte traversează

suprafaţa de separare şi se propagă prin al

doilea mediu, de obicei pe o direcţie diferită,

adică se refractă. Aceste fenomene nu

modifică frecvenţa undelor.

Legile reflexiei undelor

• raza incidentă, raza reflectată şi normala în

punctul de incidenţă determină un plan,

• unghiul de incidenţă i este egal cu unghiul de

reflexie r,

• reflexia undelor pe suprafaţa unui mediu mai

dens se face cu o pierdere de 2 , deci unda

reflectată este defazată în punctual de incidenţă

cu , fiind în opoziţie de fază cu unda

incidentă.

Refracţia undelor

• Fenomenul de traversare a suprafeţei de separare

a două medii omogene este însoţită de

schimbarea direcţiei de propagare a undelor fapt

ce indică o modificare a vitezei de propagare.

• Legile refracţiei pot fi obţinute pe baza

principiului lui Huygens şi au următorul conţinut :

– unda incidentă, unda refractată şi normala în punctul de incidenţă definesc un plan

– raportul dintre sinusul unghiului de incidenţă i şi sinusul unghiului de refracţie r este egal cu raportul vitezelor de propagare a undelor în cele două medii :

Refracţia undelor

sin i v1

sin r v2

• Această ecuaţie este valabilă pentru orice unghi de incidenţă.

v1

1 , există un unghiPentru suprafeţele de separare pentru care

v2

sin i v1

. v2

limită l pentru care

• Pentru unghiurile i >l , unda incidentă nu traversează limita de

separare şi ea se reflectă. Fenomenul este cunoscut sub numele de

reflexie totală.

Reflexia totala

Refracţia si reflexia undelor

• Aceste fenomene pot fi stabilite şi interpretate şi cu

ajutorul teoriei ciocnirilor elaborate de catre Isaac Newton.

• Alte fenomene, cum sunt interferenţa undelor, difracţia

undelor şi dispersia undelor, nu pot fi interpretate decât cu

ajutorul principiului lui Huygens fiind considerate

fenomene ondulatorii.

Biofizica

Curs 12

Fenomene ondulatorii

• Fenomenele ondulatorii sunt fenomenele ce

insoţesc propagarea undelor în diferite medii

şi ale căror caracteristici depind de

proprietăţile undelor.

Polarizarea luminii

• Polarizarea este o proprietate caracteristică

undelor transversale, cum sunt şi undele

electromagnetice.

• Vectorii câmpului electromagnetic, satisfac

ecuaţiilor undelor,

(r , t ) 0 sin(t k r )

• soluţiile pentru undele plane fiind:

(r , t ) 0 e

i (t k r )

Polarizarea luminii

• Unde: (r, t ) este oricare din vectorii care

reprezintă perturbaţia electromagnetică care

se propagă în mediu (E sau B),

k este vectorul de undă în mediul dielectric.

• Dacă amplitudinea vectorului păstrează

orientarea constantă pe o singura directie,

unda electromagnetică este o undă plană,

liniar polarizată şi total polarizată,

Polarizarea luminii

• Unda pentru care vectorii oscilează după

diferite direcţii egal probabile şi au aceaşi

mărime se numeşte undă nepolarizată sau

naturală.

• Dacă în timpul procesului de emisie intervine

asupra sursei un factor oarecare care

determină o orientare privilegiată a planurilor

de oscilaţie unda devine parţial polarizată.

Activitatea optică naturală

• Unele substanţe (cuarţul, zaharoza, lactoza,

diverse substanţe organice dizolvate în

solvenţi neutrii) au proprietatea de a roti

planul de polarizare a luminii liniar polarizate

pe care le străbate. Aceste substanţe se

numesc optic active. Activitatea optică este

legată de aşezerea asimtrică a moleculelor în

lichide.


• Rotaţia planului de polarizare se poate face la

dreapta, în sensul rotirii acelor de ceasornic,

privind de la receptor (substanţe dextrogire)

sau la stânga (substanţe levogire).

• Unghiul de rotaţie este determinat cu

ajutorul polarimetrului, prin introducerea

substanţei analizate între doi nicoli sau

polaroizi ale căror coordonate unghiulare pot

fi determinate foarte precis.

În organism exista doar una din variante:

(aminoacizii sunt levogire(L ), glucidele sunt

dextrogire (D)


• Unghiul cu care este rotit planul de

polarizare a luminii este dat de o relaţie:

0 (T , ) h

• 0(T, este puterea rotatorie specifică,

mărime care caracterizează materialul la

temperatura T, pentru o lungime de undă dată


• Pentru soluţii omogene de substanţe optic

active, relaţia se va scrie:

(T , ) h C '

0

• C este concentraţia soluţiei,

0’ este puterea rotatorie specifică a soluţiei,

care depinde de lungimea de undă a luminii

monocromatice folosite, de temperatură şi de

natura substanţei cercetate.

Dispersia luminii

• Pentru propagarea undelor electromagnetice

printr-un mediu omogen, izotrop, liniar,

conservativ, izolator, fără polarizare

permanentă, în absenţa sarcinilor şi a

curenţilor electrici, cu permitivitatea electrică

şi permeabilitatea magnetică viteza de

fază v este dată de relaţia (conform ecuaţiilor

Maxwell):

v

Dispersia luminii

• indicele de refracţie al mediului este definit ca

raportul dintre vitezele de fază în vid c şi în

substanţa dată v:

c

c 0 0

n

v n r r

• Unde r şi r sunt permitivitatea şi respectiv,

permeabilitatea relativă a mediului faţă de vid.

Dispersia luminii

• Variaţia indicelui de refracţie al unui mediu

(sau a vitezei de propagare a luminii într-un

mediu) cu frecvenţa (sau cu lungimea de

undă) luminii care îl străbate se numeşte

dispersie.

• În urma acestui fenomen, la trecerea luminii

albe printr-o prismă de sticlă, lumina se

descompune în radiaţiile componente care

alcătuiesc un spectru colorat.

Dispersia luminii

• Dispersia mediului este definită prin mărimea

care arată cât de repede variază indicele de

refracţie n cu lungimea de undă:

dn()

d

Dispersia luminii

• În tehnică mărimea care caracterizeză în general

o substanţă din punctul de dispersie sunt:

• dispersia medie (nF – nC) şi

• puterea de dispersienF nC

nD 1

unde indicii C, D şi F corespund liniilor spectrale de

absorbţie Fraunhofer din spectrul Soarelui, cu

lungimile de undă: C = 656 nm, D = 589 nm, F =

486 nm.

Absorbţia undelor.

• Undele care se propagă în medii disipative pierd o

parte din energia lor, care este transmisă mediului

sub formă de energie termică, iar intensitatea

undelor scade pe măsură ce undele pătrund în

mediu.

Absorbţia undelor

• Pentru a stabili legea de variaţie a intensităţii undelor să

considerăm o undă plană de intensitate I0 care se propagă

într-un mediu disipativ de grosime d. După ce parcurge

distanţa x, unda va avea intensitatea I(x). Variaţia intensităţii

undei dI(x) pe distanţa elementară dx, este proporţională cu

I(x), cu grosimea stratului parcurs dx şi depinde de

proprietăţile mediului disipativ:

dI ( x) I ( x) dx

dI ( x)

dx

I ( x)

ln( I / I 0 ) d

Absorbţia undelor.

• Atenuarea (micsorarea) intensităţii undelor

(legea de absorbţie) prin medii dispersive este

exponenţială:

dI I0 e

• unde d este grosimea stratului parcurs de

undă, este coeficientul de absorbţie

(depinde de natura mediului absorbant, de

natura undelor si de lungimea lor de unda) şi

I0 este intensitatea undei incidente.

Principiul de superpoziţiei în optica

liniară

• Legea independenţei fasciculelor de lumină

afirmă că fasciculele de lumină intersectându-

se nu interacţionează între ele.

• „una din proprietăţile minunate ale luminii constă în

aceea că, ori de câte ori vine din direcţii diferite sau

chiar opuse, razele ei îşi exercită acţiunea lor trecând

una prin cealaltă fără a se perturba. Datorită acestui

fapt mai mulţi observatori pot vedea simultan diverse

obiecte prin unul şi acelaşi orificiu...”.

Principiul de superpoziţiei în optica

liniară

• câmpul creat într-un punct din spaţiu de două

surse de lumină este egal cu suma vectorială a

câmpurilor şi pe care acestea le generează în

mod independent în punctul dat, adică:

E E1 E 2

Interferenta undelor

• Dacă într-un mediu există mai multe surse de

oscilaţii, atunci în acel mediu va avea loc

propagarea mai multor procese ondulatorii.

• Dacă mediul este ideal (deci liniar) într-un

punct al acestui mediu efectul ondulatoriu

global este consecinţa suprapunerii undelor în

acel punct (conform principiului

superpoziţiei).


• Interferenţa este fenomenul produs la

suprapunerea undelor coerente, cu întărirea

sau slabirea reciprocă a oscilaţiilor în fiecare

punct.

• Undele coerente sunt undele de aceeaşi

constantă în timp.

const .


• Considerăm interferenţa a două unde plane

coerente a căror oscilaţii se produc după

aceeaşi direcţie ( k

cu amplitudini şi faze diferite, care se întâlnesc

într-un punct din spaţiu. Cele două oscilaţii

sunt de forma:

E 1 E 01 cos(t 1 ) E 2 E 02 cos(t 2 )


E E 1 E 2 E 0 cos(t )

E 0 E 01 E 02 2E 01 E 02

22

E0 E01 E02 2E01E02 cos(1 2 )

2

2 2 2

• Amplitudinea rezultantă depinde

1 - 2)

a oscilaţiilor iniţiale şi poate avea

orice valoare cuprinsă între

limitele date de:


• dacă = 1- 2 -1,

atunci

Emin E1 E2

• dacă = 1- 2

atunci

Emax E1 E2


• Valorile diferenţelor de drum pe cere le pot avea

în cazul obţinerii unor valori maxime sau minime

ale intensităţiilor undelor (I E2) vor fi.

• Intensitate minimă:

• Intensitate maximă:

k r (2n 1)r (2n 1)

2

2

k r 2nr 2n

unde este lungimea de undă a luminii.

http://paws.kettering.edu/~drussell/Demos/superposition/superposition.html

http://www.physicsclassroom.com/class/waves/u10l4b.cfm

Albastru – maxime (ventre) Galben – minime (noduri)


• http://vsg.quasihome.com/interfer.htm

Curs 14

Tehnici si metode folosite in medicina

-SENZORI ŞI BIOSENZORI-

Concentraţii nepotrivite ale carbohidraţilor din băuturi (vin) pot schimba complet

procesul de producere a acestora.

O alternativă simplă şi ieftină de detecţie a glucozei o

reprezintă biosenzorii

Senzori şi biosenzori

• Metodele curente care au fost folosite pentru detectia si analiza

diferitelor substante cum ar fi : medicamentele, substantele biologic

active, sau diferite substante toxice ce contamineaza aerul, apa sau

solul, sunt in general scumpe, necesita pre-tratamente si pre-

concentrari si nu pot fi utilizate decat in laboratoare.

• Ca o consecinta au aparut tehnici si instrumente noi pentru

monitorzarea calitatii mediului cat si a sanatatii populatiei. Acestea

folosesc sisteme senzoriale care detecteaza si cuantifica in acelasi timp

diferite substante in probe care se pot afla sub diferite forme. Scopul

urmarit este de a dezvolta noi dispozitive analtice care sa fie rapide,

portabile, foarte selective si sa aiba o sensibilitate ridicata fata de

substanta care trebuie dozata (analit.).

• Se urmareste in acelasi timp miniaturizarea si fabricarea unor senzori

versatili, care sa permita interschimbarea elementelor de recunoastere

la un pret scazut, si totodata ca acestia sa fe usor de folosit.

Senzori

• Un senzor este definit ca fiind un dispozitiv de măsură care generează

un semnal electric măsurat sub diferite forme (sarcină electrică,

tensiune electrică sau intensitatea unui curent electric), atunci când este

supus unui fenomen ne-electric.

• Un senzor poate fi privit ca un traductor, deoarece el este un sistem

care transformă o mărime fizică în alta, dar această asemănare este

restrictivă deoarece un senzor este mult mai complex.

• Senzorul recunoaşte un fenomen într-un mod specific pe care îl

traduce într-o proprietate cuantificabilă, care este la rândul ei

transformată într-un semnal electric de un traductor. În acest fel

fenomenele sunt reprezentate sub forma unor semnale electrice pentru

a căror interpretare pot fi folosite tehnici moderne de control, achiziţie

şi prelucrare a datelor


• Organismele vii se dezvoltă şi evoluează datorită

interacţiunii cu mediul înconjurător, interacţiune

concretizată sub forma schimburilor de substanţă şi energie

dintre senzorii biologici ai organismelor şi mediu.

Majoritatea acestor senzori sunt celulele specializate care

sunt sensibile la:

– Variaţia unor parametrii fizici ai mediului înconjurător,

– Variaţia unor parametrii fizici ai mediului intern al organismului,

– Molecule din exteriorul organismului, cum sunt toxine, nutrienţi

sau feromoni,

– Molecule care influenţează metabolismul intern al organismului

(glucoza, oxigenul, hormoni, etc.),

– Diferenţa dintre propriile molecule şi cele ale mediului

înconjurător sau ale altor organisme


• Prin utilizarea unor componente biologice (ţesuturi, celule,

proteine sau ADN) în combinaţie cu diferiţi traductori au

fost create dispozitive noi cu ajutorul cărora anumite

evenimente biochimice sunt convertite în cantităţi

măsurabile, dispozitive numite biosenzori.

• Un biosenzor este un dispozitiv analitic care conţine

material biologic cu funcţie de recunoaştere (bioreceptor)

aflat în contact direct cu un traductor de semnal care

transformă informaţia fizică/chimică rezultată într-un

semnal măsurabil proporţional cu concentraţia probei

analizate.

Biosenzori

Bioreceptorul (proteine sau ADN, celule, ţesuturi,) este ales astfel încât să

interacţioneze în mod specific şi selectiv cu proba analizată, funcţionarea biosenzorilor

bazându-se pe modificările conformaţionale care au loc la nivel de biomoleculă. .

Esteîmbinată selectivitatea şi specificitatea elementelor biologice cu sensibilitatea

traductorului, îmbinare concretizată în detecţia calitativă şi cantitativă a interacţiunii

dintre biomoleculă şi probă analizată.

Recunoaştere specifică

Aplicaţii ale senzorilor şi biosenzorilor

ucozei

şi lactozei, ureei, colesterolului, a diverselor medicamente, în imunologie, etc.)

Salmonelei în alimente, controlul calităţii produselor lactate, al prospeţimii produselor

din carne şi peşte, etc)

pesticidelor, ionilor metalelor grele, etc.) sau

diferite proteine).

Clasificarea senzorilor şi

biosenzorilor

• O clasificare generală a senzorilor îi împarte pe aceştia în două grupuri

mari: senzori fizici şi senzori chimici.

• Senzorii fizici sunt aceia care sunt sensibili la variaţia unor parametrii

fizici dintr-un sistem cum sunt temperatura, presiunea, anumite forţe

sau câmpuri şi care nu au interfaţa chimică.

• Senzorii chimici sunt utilizaţi pentru determinări calitative şi

cantitative ale unei anumite substanţe. Răspunsul lor se bazează în

particular pe reacţiile chimice care apar într-un sistem în care este

implicată în mod selectiv substanţa analizată.

– Biosenzorii pot fi clasificaţi după mai multe criterii: după natura

traductoarelor, după tipul bioreceptorului folosit sau după tehnicile de

imobilizare ale bioreceptorului folosite.

Clasificarea senzorilor chimici şi a

biosenzorilor

După tipul traductoarelor:

• Electrochimici:

– Amperometrici:

– Potenţiometrici:

– Conductometrici.

• Optici.

• Gravimetrici

– Piezoelectrici (dispozitive cu cristale piezoelectrice-QCM).

– Acustici (dispozitive cu unde acustice de suprafata-SAWs).

• Termici.

Clasificarea senzorilor chimici şi a

biosenzorilor

După tipul bioreceptorilor:

• Enzimatici.

• Imunosenzori (anticorpi monoclonali).

• Celulari:

– Microorganisme

– Ţesuturi

• Cu acizi nucleici (ADN).

Biosenzori

• Recunoasterea biologica dintre analit si

receptor se poate analiza prin trei

mecanisme de baza care includ:

– sisteme biocatalitice,

– sisteme de bioafinitate sau

– sisteme microbiale

Biosenzori

Biosenzori bazati pe bio-cataliza (recunoastere chimica)

• Acesti biosenzori folosesc enzime si functioneaza pe baza

a doua mecanisme:

– Primul mecanism implica transformarea catalitica a analitului de la

o forma nedetectabila la una detectabila. Limitarile acesti tip de

senzor sunt in primul rand acelea impuse de natura enzimei ce

cuprind un numar limitat de analiti care sa constituie substrat

pentru o anumita enzima.

– Al doilea mecanism implica detectia analitului care inhiba sau

mediaza activitatea enzimatica. Acest mecanism este avantajos a fi

folosit in detectiei poluantilor din mediul inconjurator, care

afecteaza activitatea enzimelor in concentratii mici.

Biosenzori

Biosenzorii bazati pe bio-afinitate. ( imunosenzori)

• Acestia depind de utilizarea anticorpilor (Ac). Exista si se pot obtine Ac

monoclonali si policlonali pentru o gama mare de substante. Functionarea lor

se bazeaza pe interactiunea specifica dintre Ac si antigen (Ag), obtinandu-se in

final concentratia Ag.

• In functie de mecanismele care au loc se deosebesc mai multe tipuri de

imunosenzori.

– imunosenzori de competitie, a caror functionare se bazeaza pe utlizarea a doi Ag. Unul este nemarcat si reprezinta analitul, al doilea este marcat si impreuna cu cel marcat se afla in competitie pentru un numar limitat de locuri de legare a Ac. – imunosenzori de inlocuire, in care analitul = Ag, inlocuieste Ag marcat care a fost prins anterior de catre Ac. – imunosenzori de tip sandwich, care se utilizeaza in cazul Ag bivalenti. Ca urmare se vor produce doua tipuri de interactiuni :

• una cu Ac imobilizat • una cu un Ac marcat

Biosenzori

Markeri

• Markerii pot fi diferite particule, metale, coloranti, radionuclizi,

enzime, compusi electrochimici.

• Detectorii folositi pentru traducerea interactiunii specifice Ag-Ac pot

fi:

– sisteme acustice (cristale piezelectrice) sau

– sisteme optice (care masoara modificarea indicelui de refractie).

• Markerii sunt din ce in ce mai mult folositi datorita specificitatii lor

ridicate si datorita faptului ca pot fi regenerati si schimbati (schimbarea

Ac imobilizat pe detector). Pot de asemenea fi folositi in masuratorile

din sistemele de analiza in flux continuu.

• De asemenea prezinta avantajul ca se pot doza molecule de interes

medical, toxine sau microorganisme (salmonella). Se pot confectiona

si biosenzori cu ADN care detecteaza modificarile chimice induse in

ADN.

Biosenzori

Biosenzori cu microorganisme.

• Acesti biosezori folosesc mecanisme primare. Materialul biologic este format

din celule sau bacterii vii.

– Un prim mecanism consta in folosirea analitului (compus organic) drept substrat respirator. – Un alt mecanism implica inhibarea respiratiei celulei de analit. Aceasta respiratie si inhibta ei pot fi masurate folosind detectori optici sau detectori electrochimici.

•

•

Avantajul utilizari acestor tehnici se datoreaza in primul rand folosiri

microorganismelor comparativ cu enzimele izolate. Acesti biosenzori sunt mai

ieftini si pot opera intr-un interval larg de de pH si de temperatura.

Specificitatea mare a acestor biosenzori, pentru determinarea toxinelor, poate

fi atat un avantaj cat si un dezavantaj in functie de aplicatia dorita. Astfel de

dispozitve pot fi utilzate cu precadere pentru monitorizarea toxicitatii generale

sau in situatii in care compusii toxici sunt bine definiti.

Un avantaj al acestui tip de biosenzor il reprezinta faptul ca se pot folosi si

microorganisme modificate genetic. Acestea sunt produse special, folosind

tehnicile ingineriei genetice, pentru a recunoaste un anumit analit.

Tipuri de senzori

electrozii de sticlă de pH folosiţi pentru măsurarea concentraţiei ionilor de

hidrogen sau electrozi de diferite forme şi materiale

benzi de hârtie impregnate cu reactivi în stare solidă

- sub forma unor sonde ce pot fi folosite în diverse medii

”

Criterii de performanţă ale

senzorilor

Selectivitatea

alibrare [răspuns = f(c)]:

Senzori şi biosenzori electrochimici

Celula electrochimică

Electrodul de lucru

Electrodul de lucru este electrodul la care se petrece reacţia electrochimică

studiată. Reacţiile electrochimice fiind procese eterogene, depind în mare

măsură şi de proprietăţile suprafeţei electrodului.

rezidual apărut în intervalul de valori al potenţialului aplicat,

tivitatea sa electrică,

Studiul reacţiilor care se petrec la

electrod

Măsurători amperometrice:

30

25

20

I / 15

10

5

0 0 2 4 6 8 10 12

[c] / mM

Principiul de funcţionare al

biosenzorilor enzimatici

amperometrici (BSEA)

Substrat O2 oxidazaprodus H 2O2

Detecţie electrochimică

Realizarea BSEA

componentabiologică - Glucozoxidaza = o enzimă din clasa oxireductazelor şi

catalizează reacţiile de oxidare şi reducere a substratului prin transferul hidrogenului

de la substrat la oxigenul molecular.

Structura dimerică a GOX Structura unei subunităţi a GOX cu FAD (roşu)

Principilul de funcţionare al BSEA

pentru glucoză

BSEA de generaţia I

BSEA de generaţia II

Electrodul de lucru

Electrodcu film de carbon de

grosimi foarte mici obţinut prin

depunerea pirolitică a carbonului pe

un substrat de ceramică,

Acest film are proprietăţi

asemănătoare cu ale carbonului vitros,

fiind anizotrop şi cu porozitate foarte

scăzută, dar nu necesită lustruirea

suprafeţei de lucru înaintea folosirii

sale şi poate fi folosit ca senzor de

unică folosinţă sau de scurtă durată.

Prepararea electrodului de lucru

Rezistor Îndepărtarea unui contact Izolarea contactului metalic

Metode de imobilizare enzimatică

Instrumente şi măsurători

Detecţia glucozei

Metoda de imobilizare a GOX: reticulare intermoleculară

1,4

1,2

1,0 0.1 A

S=0,467 0,007 µA /mM

0,8 50 s

I / 0,6

0.4 mM 0.2 mM

0,4

0,2

0,0 0 1 2 3 4 5

S=0,165 0,003 µA /mM

[Glucose] / mM

Curbe de calibrare pentru adiţii succesive de 0,2 mM glucoză în PBS, pH 7.0. Potenţial de lucru +0,9 V vs. SCE () electrozi polarizaţi la +0.9 V vs. SCE şi ()electrozi trataţi în acid. În detaliu este prezentat răspunsul senzorului la adăugarea glucozei.

M.Florescu, CMA. Brett, Anal.Chim.Acta 2003

Detecţia glucozei cu ajutorul CFE

modificat cu CoHCF

Metoda de imobilizare a GOX: reticulare intermoleculară

apare reducerea mediatorului CoHCF la suprafaţa electrodului înregistrându-se

un curent negativ

100

80

S=1,28 0,005 nA /µM 60

I / nA LD = 1,9 µM

40

20

0 0 20 40 60 80 100 120

[Glucoza] / M

Curbă de calibrare pentru adiţii succesive de 10 M glucoză la

potenţial de lucru 0,0 V vs. SCE în PBS H 7,0.

M. Florescu and C.M.A. Brett, Analytical Letters, 37, 5, 2004, R. Pauliukaite, M. Florescu, C. M. A. Brett , Journal of Solid State Electrochemistry 9, 5, 2005,

Nanobiosenzori

Folosirea nanobiotehnologiilor pentru obţinerea nanobiosenzorilor:

dezvoltarea unor nanobiosenzori prin folosirea unor materiale

electrodice nanostructurate sau a nanoparticulelor.

Nanoparticule de Au pot fi depuse pe suprafaţa electrozilor de lucru

determinând o creştere a suprafeţei pe care componenta biologică

poate fi imobilizată. În felul acesta cantitatea biomoleculei

imobilizată este mai mare conducând la imbunătaţirea

performanţelor biosenzorilor

Reprezentarea schematică a imobilizării unei enzime (GOx) pe suprafaţa unui electrod

modificată cu nanoparticule de aur.

F. N. Crespilho, M. E. Ghica, M. Florescu, F. C. Nart, O. N. Oliveira, Jr. C. M.A. Brett, Electrochemistry Communications 8 (2006) 1665–1670, , Imprint: ELSEVIER SCIENCE BV,

biofizica curs

Documents

Transcript of biofizica curs