Introduciendo los estados de energía
Alrededor de un átomo, hay 7 diferentes caparazones de electrones1. Cuando los electrones reciben la cantidad de energía necesaria, saltan de un estado a otro (llamado “estado de tierra” y “estado de excitación”), como se muestra en la imagen de abajo:
La figura (generada por POV-Ray) muestra las excitaciones de los orbitales de cobre 3d en el plano de CuO2 de un superconductor de alta Tc; El estado de tierra (azul) es de orbitales x2-y2; los orbitales excitados están en verde; las flechas ilustran la espectroscopia inelástica de rayos X;
Cuando una molécula absorbe luz en la región UV-vis (Ultra-Violeta-Visible) que va de 400nm a 780nm de longitud de onda, un electrón es promovido de un orbital ocupado de menor energía a un orbital vacío de mayor energía resultando en una molécula en estado excitado. Un requisito para que una molécula absorba la luz es que la energía del fotón tenga que coincidir con la diferencia de energía entre los orbitales.
Se transmitirán fotones que no tengan suficiente energía. Por lo tanto, los colores de la luz absorbida nos demostraron con información experimental sobre el espacio de energía entre orbitales.
Fuente: Scott Cummings, 2008; The Chemistry of Excited States _
Introducción a la espectroscopia
Newton tuvo primero ideas sobre la espectroscopia, y más tarde, William Wollaston y Joseph von Fraunhofer construyeron los primeros espectrómetros y descubrieron las firmas espectrales.
Como los diferentes elementos tienen diferentes espacios entre las órbitas de los electrones, la energía necesaria para absorber o emitir fotones es diferente y por lo tanto se absorben o emiten 2 fotones de diferentes longitudes de onda. Esto da como resultado una firma espectral específica de una molécula, un conjunto de líneas espectrales.
La espectroscopia es realmente importante para los astrónomos porque puede decirles acerca de la composición molecular de los planetas, estrellas y nebulosas.
Lecturas adicionales: Fraknoi, Andrew; Morrison, David (13 de octubre de 2016). “OpenStax Astronomy” _
Introducción de la hemoglobina y la oxihemoglobina
Los glóbulos rojos contienen hemoglobina, una proteína que contiene hierro (por lo que las hemoglobinas oxigenadas son rojas), que facilita el transporte de oxígeno al unirse de forma reversible a este gas respiratorio y aumentar enormemente su solubilidad en la sangre. La hemoglobina oxigenada se llama oxihemoglobina.
Izquierda : Gráfico molecular de una oxihemoglobina humana (HHO) , dos de los cuatro módulos de oxígeno que esta hemoglobina totalmente saturada lleva actualmente están marcados con un círculo azul por mí (el “palo” rojo representa la molécula de oxígeno en este gráfico).
Derecha : La misma molécula en la misma resolución, esta vez con una superficie resaltada accesible al disolvente.
Poniendo todo junto
Afortunadamente para la medicina moderna, la absorción de la luz en longitudes de onda de 660nm y 940nm difiere significativamente entre la hemoglobina cargada de oxígeno (oxihemoglobina) y la hemoglobina carente de oxígeno.
El punto isóbico es el punto en el que dos sustancias absorben una cierta longitud de onda de luz en la misma medida. En la oximetría, los puntos isobesticos de oxihemoglobina (HbO) y desoxihemoglobina (Hb) se producen a 590 nm y 805 nm. Estos puntos pueden utilizarse como puntos de referencia en los que la absorción de la luz es independiente del grado de saturación. Algunos omómetros anteriores se corrigieron para la concentración de hemoglobina utilizando la longitud de onda en los puntos isobéticos.
Así, la comparación de las absorciones a diferentes longitudes de onda permite estimar las concentraciones relativas de HbO (oxihemoglobina) y Hb (hemoglobina) (es decir, la saturación). Los pulsioxímetros modernos pueden utilizar dos o más longitudes de onda, sin incluir necesariamente un punto isobético.
Fuente: Anaesthesia.uk _
Básicamente, así es como funciona la pulsioximetría. Puede diferenciar la hemoglobina saturada de la insaturada, usando una absorción diferente de la luz debido a las diferentes configuraciones de los electrones en las moléculas. A continuación se muestra un extracto sobre los aspectos técnicos de la pulsioximetría:
Hay dos métodos para enviar la luz a través del sitio de medición: transmisión y reflectancia. En el método de transmisión, como se muestra en la figura de la página anterior, el emisor y el fotodetector están enfrentados entre sí con el sitio de medición en medio. La luz puede entonces pasar a través del sitio. En el método de reflectancia, el emisor y el fotodetector están uno junto al otro en la parte superior del sitio de medición. La luz rebota del emisor al detector a través del sitio. El método de transmisión es el más comúnmente usado y para esta discusión el método de transmisión estará implícito.
Después de que las señales rojas ® e infrarrojas (IR) transmitidas pasan a través del sitio de medición y son recibidas en el fotodetector, se calcula la relación R/IR. El R/IR se compara con una tabla de “búsqueda” (compuesta por fórmulas empíricas) que convierte la relación en un valor de SpO2. La mayoría de los fabricantes tienen sus propias tablas de consulta basadas en las curvas de calibración derivadas de sujetos sanos en varios niveles de SpO2 (Saturación de oxígeno periférico). Típicamente una relación R/IR de 0,5 equivale a aproximadamente el 100% de SpO2, una relación de 1,0 a aproximadamente el 82% de SpO2, mientras que una relación de 2,0 equivale a 0% de SpO2.
Fuente: Oximetría. org _
Los peligros de la intoxicación por monóxido de carbono
La firma espectral de la carboxihemoglobina (hemoglobina saturada de CO) es tan similar a la de la oxihemoglobina que los oxímetros estándar confunden una con la otra, como han demostrado múltiples estudios:
Este informe confirma que la pulsioximetría puede ser engañosa durante la intoxicación por monóxido de carbono, ya que el pulsioxímetro no diferencia entre HbO (oxihemoglobina) y HbCO (carboxihemoglobina). Por consiguiente, el diagnóstico de la intoxicación por monóxido de carbono se basa en pruebas clínicas y debe confirmarse midiendo la concentración de HbCO con un CO-oxímetro de bandas múltiples (oxímetro de caja).
Carboxihemoglobinemia y oximetría de pulso, British Journal of Anaesthesia, 1991
Hoy en día, existen CO-oxímetros que pueden diferenciar entre oxihemoglobina, carboxihemoglobina y metahemoglobina.
1: Una explicación de por qué este es el caso llevaría demasiado lejos. Tiene que ver con el dualismo onda-partícula de la mecánica cuántica y una buena analogía se puede encontrar en esta respuesta en Physics.SE .
2: La energía de un fotón es proporcional a su frecuencia y por lo tanto inversamente proporcional a la longitud de onda. Todos los demás factores de la ecuación de Planck-Einstein son constantes. Más información se puede encontrar en Physics.SE
