Homework / Κατ Οίκον Εργασία - 03 Name/Όνομα: Date/Ημερ.: You may need some (or none) of the following equations/constants Μπορεί να χρειαστείτε κάποιες (ή καμία) από τις πιο κάτω εξισώσεις/σταθερές Διάφορα (Miscellaneous) hc E hf n sin n sin Πλέγματα (Gratings) m sin( a) sin( b) n c arcsin n R md o a o mnlines n B arctan n n R n m L arcsin md a T 4nn n n n n Λέιζερ (Lasers) N E E hf exp N N N e kt N Nb N G e ρ ρ G = N kt ln(/ ) c c ( N N) th L=m f m fm fm b n nl nl Φωτοδίοδοι (Phtodiodes) ev ep I I0 e kt Vjhonson 4kTBR ishot qi hf Απεικόνιση (Imaging) si hi n M f R R f so s i s o h /# f f o D Επίπεδη δέσμη (Flat beam).44 f. d.44 f /# D NA Γκαουσιανή δέσμη (Gaussian beam) f z. cos D. z NA D NA sin f f /#.54 f.7 f.7 d.54 f /# z.7 cos z D NA D NA D w rout rin ' CBA ' Πίνακες (Matrices) r out r in 0 0 d 0 0 0 n 0 0 n n n n Rn n 0 R f Propagation Refraction Refraction Reflection Reflection Thin (Flat Surface) (Curved Surface) (Flat Mirror) (Curved Mirror) Lens Μετασχηματισμός Fourier rf f, f f Range: X Y f L D Last: f L D
Οπτικές Ίνες (Optical Fibers) a NA n0 sinmax n n c NA.405 Οπτική Ιστών (Tissue Optics) 4 8 N a I I0 ( cos ) I I b 4 oe R ' t s a s' ( g) s l t Φθορισμός (Fluorescence) F x, m I A( m ) Z.303 Io x CL m Z Raman ex 0 OCT em ( cm ) a Ca a or s Na or s a or s t ( nm)0 ( nm)0 ex 7 7 em 7 0 ( nm) ( cm ) ( nm)0 Id ( L) Is Ir IsIr S( k) cos( k 0 L ) ln() 4 0 0 f dz dx D I( k) S( k) zâ z zac âz 8 0 shot FWHM shot ZRD shot Zmax SFD STD STD 4 nd ( ) d dz Doppler v sc fd f cos f f s d f s v sc f 0 cos Speckle C speckle I T s c c e v I T c Pabs or a or s I O scat The formulas on the right include the units to help you avoid mistakes with unit conversions Οι εξισώσεις στα δεξιά συμπεριλαμβάνουν τις μονάδες για να σας βοηθήσουν να αποφύγετε λάθη κατά την αλλαγή των μονάδων. b 40 f zr D c: Ταχύτητα του φωτός στο κενό (Speed of light in vacuum) = 3x0 8 ms - T: Απόλυτη Θερμοκρασία (absolute temperature) = 73.6 + o C (Kelvin) k: Σταθερά Boltzmann (Boltzmann s constant) =.38x0-3 JK - h: Σταθερά Plank (Plank s constant) = 6.63x0 34 Js
Multiple Choice Questions ( pts each = 4 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής ( μ. έκαστη = 4 μ.) For each of the following questions, select the correct answer. There is only one correct answer. Για κάθε μια από τις πιο κάτω ερωτήσεις, επιλέξτε τη σωστή απάντηση. Υπάρχει μόνο μια σωστή απάντηση.. In the case of Mie scattering, scattered light measured at different angles will Στην περίπτωση της σκέδασης Mie, το φως που σκεδάζεται σε διαφορετικές γωνίες θα A. Decrease as a function of angle Μειώνεται σαν συνάρτηση της γωνίας B. Be the same intensity Έχει την ίδια ένταση C. Decrease a function of wavelength Θα μειώνεται σαν συνάρτηση του μήκους κύματος D. Exhibit oscillatory variations which depend on the wavelength Παρουσιάζει ταλαντωτικές διαφορές που θα εξαρτώνται από το μήκος κύματος. Some molecules exhibit phosphorescence because they allow Κάποια μόρια παρουσιάζουν φωσφορισμό γιατί επιτρέπουν A. Intersystem crossing from higher energy to triplet states Διασυστεμικές διασταυρώσεις από ψηλότερη ενέργεια σε τριπλή κατάσταση B. Internal conversion between energy states Εσωτερική μετατροπή μεταξύ ενεργειακών καταστάσεων C. Interstate absorption between higher energy and triple states Απορρόφηση μεταξύ ενεργειακών στοιβάδων από ψηλή ενέργεια σε τριπλή κατάσταση D. Internal absorption between higher energy states Εσωτερική απορρόφηση μεταξύ ψηλών ενεργειακών καταστάσεων 3. Quenching is Απόσβεση είναι A. Irreversible destruction of an excited fluorophore Μη αναστρέψιμη καταστροφή του διεγερμένου φθορίζοντος μορίου B. The emission of constant fluorescence intensity despite increasing excitation intensity Η εκπομπή της σταθερής έντασης φθορισμού παρά την αυξανόμενη ένταση διέγερσης C. The non-radiative relaxation of the molecule due to interaction with the environment Η μη-ακτινοβολίζουσα χαλάρωση του μορίου λόγω της αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον D. The resonant energy transfer between two adjacent molecules Η μεταφορά ενέργειας μέσω συντονισμού μεταξύ δύο γειτονικών μορίων For each of the following questions, select whether the statement is true (T) or false (F). Για κάθε μία από τις παρακάτω ερωτήσεις, επιλέξτε αν η δήλωση είναι σωστή (Τ) ή λάθος (F). 4. The larger the diameter of the Mie scatterer the larger he period of the oscillations in the scattering spectrum Όσο πιο μεγάλη η διάμετρος του σκεδαστή Mie τόσο πιο μεγάλη η περίοδος των ταλαντώσεων στο φάσμα σκέδασης 5. Photobleaching is irreversible and cannot be used diagnostically Η φωτολεύκανση είναι μη-ανατρέψιμη και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί διαγνωστικά 6. Internal conversion is a non-radiative process Η εσωτερική μετατροπή είναι μια μη-ακτινοβολίζουσα διαδικασία 7. The excitation spectrum of a fluorophore measures the intensity of the excitation light Το φάσμα διέγερσης ενός φθορίζοντος μορίου μετρά την ένταση του φωτός διέγερσης T T T T F F F F
Short Answer Questions (50 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (50 μ.). Pulse Oximetry (5 pt.) Παλμική Οξυμετρία (5 μ.) (a.) In a pulse oximeter, we use only the time varying portion of the light. Why do we do that and what is the advantage of this approach? Σε ένα παλμικό οξύμετρο, χρησιμοποιούμε μόνο το μέρος του φωτός που παρουσιάζει διακυμάνσεις ως προς τον χρόνο. Γιατί το κάνουμε αυτό και ποια τα προτερήματα αυτής της προσέγγισης; (b.) Given the absorption curves and wavelengths below, what happens to the average IR absorption as the saturation goes from 0 to 00 %? What happens to the AC amplitude of the absorption? (Hint: the saturation varies from close to venous saturation at diastole to arterial saturation at systole.) Αν ισχύουν οι γραφικές απορρόφησης ως προς μήκος κύματος πιο κάτω, τι συμβαίνει στη μέση απορρόφηση στο υπέρυθρο όταν ο κορεσμός μεταβάλλεται από 0 σε 00%;Τι συμβαίνει στο πλάτος του διαμορφωμένου σήματος; (Βοήθεια: Ο κορεσμός μεταβάλλεται από περίπου κορεσμό φλέβας κατά τη διάρκεια της διαστολής σε κορεσμό αρτηρίας κατά τη διάρκεια της συστολής.) (c.) Practical pulse oximeters do not actually measure μ a. Instead, they calculate the value of R (see equation below) and use a look-up table to get the value of the oxygen saturation. Given the table below, what is the oxygen saturation at the 344 and 350 seconds in the figures below? Τα πρακτικά παλμικά οξύμετρα δεν μετρούν το μ s. Αντί αυτού, υπολογίζουν τις τιμές του R (βλ. εξίσωση πιο κάτω) και χρησιμοποιούν ένα πίνακα για να τις μετατρέψουν σε τιμές κορεσμού. Με βάση τον πιο κάτω πίνακα, πόσος είναι ο κορεσμός στα 344 και 350 δευτερόλεπτα στις πιο κάτω εικόνες; R %O Sat 0.40 55% 0.45 65% 0.50 74% 0.55 8% 0.60 90% 0.65 95% 0.70 00% AC R AC Red IR / DC / DC Red IR
. Draw a Jablonski diagram and indicate ground state energy, st and nd electronic excited states, location of vibrational levels, absorption, fluorescence, internal conversion. (5 pt) Σχεδιάστε ένα διάγραμμα Jablonski και δείξτε τη θεμελιώδη κατάσταση, η και η ηλεκτρονική διεγερμένη καταστάση, τη θέση των δονητικών επίπεδων, την απορρόφηση, τον φθορισμό, την εσωτερική μετατροπή. (5 μ.) 3. Why is emitted fluorescence shifted to longer wavelength relative to the excitation (absorbed wavelength)? (5 pt) Γιατί ο εκπεμπόμενος φθορισμού μετατοπίζεται σε μεγαλύτερο μήκος κύματος σε σχέση με την διέγερση (μήκος κύματος που απορροφάται); (5 μ.)
4. A fluorescence spectroscopy system is constructed as shown in the following figure. Light from a laser source is directed to the tissue via an optical fiber and then is collected via a separate fiber and taken to a grating-based spectrograph. The characteristics of the fluorophore are also shown in the figure. (5 pt) Ένα σύστημα φασματοσκοπίας φθορισμού είναι κατασκευασμένο όπως το πιο κάτω σχήμα. Φώς από το λέιζερ κατευθύνεται στον ιστό δια μέσου οπτικής ίνας και μετά συλλέγεται από ξεχωριστή οπτική ίνα και μεταφέρεται σε ένα φαματογράφο με πλέγμα. Τα χαρακτηριστικά της φθορίζουσας ουσίας φαίνονται επίσης στο σχήμα. (5μ) L Extinction Coefficient (M - cm - ) 00 80 60 40 0 Fluorescence Intensity * Fiber Fiber θ L φ 0 300 350 400 450 500 600 a. What wavelength would be the best to use for excitation and why? If you use a wavelength of 80 nm instead, how would the emission spectrum (intensity and/or wavelengths) change? Explain your answer. (5) Πιο θα ήταν το πιο κατάλληλο μήκος κύματος για διέγερση και γιατί; Αντί αυτού, αν χρησιμοποιήσετε μήκος κύματος 80 nm, πως θα άλλαζε το φάσμα (ένταση ή/και μήκη κύματος) εκπομπής; Εξηγείστε την απάντηση σας. (5) b. If the light comes out of the fiber at an angle θ = 8 o and lens L has a focal length of f =8 mm, how many grooves must the grating have per mm to obtain a spectral resolution of at least 0. nm for the middle wavelength of the emission spectrum (450 nm) at the first order (m=-)? (5) Αν το φώς βγαίνει από την οπτική ίνα με γωνία θ = 8 o και ο φακός L έχει εστιακή απόσταση f =8 mm, πόσες αυλακώσεις πρέπει να έχει το πλέγμα ανά mm ώστε να έχουμε φασματική ευκρίνεια τουλάχιστον 0. nm για το μέσο μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φάσματος (450 nm) για πρώτη τάξη περίθλασης (m=-); (5) c. If the beam is incident on the grating at Littrow s angle and lens L has a focal length of 0 mm, what is the size of the spot of the middle wavelength of the emission spectrum on the detector (i.e. spatial resolution of the 450 nm beam when focused by the lens)? Note: If you have not found an answer in part b you can assume 000 mm -. (5) Αν η ακτίνα προσπίπτει στο πλέγμα σε γωνία Littrow και ο φακός L έχει εστιακή απόσταση 0 mm, ποια είναι η διάμετρος του εστιασμένου σημείου πάνω στον ανιχνευτή για το μέσο μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φάσματος (δηλ. η χωρική ευκρίνεια για την ακτίνα των 450 nm όταν εστιαστεί από τον φακό); Σημείωση: Αν δεν μπορέσατε να βρείτε την απάντηση στο μέρος b, τότε θεωρήστε 000 mm - αν αυτό χρειάζεται. (5) d. What is the diffraction angle of the excitation wavelength for incidence at Littrow s angle at first order (m=-)? (5) Ποια είναι η γωνία περίθλαση του μήκους κύματος της διέγερσης για πρόσπτωση σε γωνία Littrow για πρώτη τάξη περίθλασης (m=-); (5)
e. Having the excitation light in the spectrograph might cause problems with saturation of the detector since it is much stronger than the fluorescence signal. What can you do to remedy this problem? Give two possible solutions given the above setup.(5) Το φώς διέγερσης μέσα στον φασματογράφο μπορεί να προκαλέσει προβλήματα κορεσμού στον ανιχνευτή μια και είναι πολύ πιο έντονο από το σήμα του φθορισμού. Τι μπορείτε να κάνετε για να λύσετε αυτό το πρόβλημα; Δώστε δύο πιθανές λύσεις δεδομένου του συστήματος στο πιο πάνω σχήμα. (5)