Introduction aux états énergétiques
Autour d'un atome, il y a 7 différentes enveloppes électroniques1. Lorsque les électrons reçoivent la quantité d'énergie nécessaire, ils passent d'un état à un autre (appelé “état de base” et “état excité”), comme le montre l'image ci-dessous :
La figure (générée par POV-Ray) montre les excitations des orbitales 3d du cuivre sur le plan CuO2 d'un supraconducteur à haute Tc ; L'état de base (en bleu) est constitué d'orbitales x2-y2 ; les orbitales excitées sont en vert ; les flèches illustrent la spectroscopie inélastique des rayons X ;
Lorsqu'une molécule absorbe de la lumière dans la région UV-vis (Ultra-Violet-Visible) allant de 400nm à 780nm de longueur d'onde, un électron passe d'une orbitale occupée de faible énergie à une orbitale vide de plus forte énergie, ce qui donne une molécule à l'état excité. Pour qu'une molécule puisse absorber la lumière, il faut que l'énergie du photon corresponde à la différence d'énergie entre les orbitales.
Les photons ayant une énergie insuffisante seront transmis. C'est pourquoi les couleurs de la lumière absorbée nous ont prouvé par des informations expérimentales sur l'espacement énergétique entre les orbitales.
Source : Scott Cummings, 2008 ; The Chemistry of Excited States _
Introducing Spectroscopy
Newton a eu les premières idées concernant la spectroscopie, et plus tard, William Wollaston et Joseph von Fraunhofer ont construit les premiers spectromètres et découvert les signatures spectrales.
Comme les différents éléments ont un espacement différent entre les orbitales des électrons, l'énergie nécessaire pour absorber ou émettre des photons est différente et donc2 photons de longueurs d'onde différentes sont absorbés ou émis. Il en résulte une signature spectrale spécifique d'une molécule, un ensemble de raies spectrales.
La spectroscopie est vraiment importante pour les astronomes car elle peut leur donner des informations sur la composition moléculaire des planètes, des étoiles et des nébuleuses.
Lectures complémentaires : Fraknoi, Andrew ; Morrison, David (13 octobre 2016). “OpenStax Astronomy” _
Introduction de l'hémoglobine et de l'oxyhémoglobine
Les globules rouges contiennent de l'hémoglobine, une protéine contenant du fer (les hémoglobines oxygénées sont donc rouges), qui facilite le transport de l'oxygène en se liant de manière réversible à ce gaz respiratoire et en augmentant considérablement sa solubilité dans le sang. L'hémoglobine oxygénée est appelée oxyhémoglobine.
Gauche : Graphique moléculaire d'une oxyhémoglobine humaine (HHO) , deux des quatre modules d'oxygène que cette hémoglobine entièrement saturée transporte actuellement sont entourés de bleu par moi (le “bâton” rouge représente la molécule d'oxygène dans ce graphique).
Droite : La même molécule dans la même résolution, cette fois avec une surface mise en évidence et accessible aux solvants.
En mettant tout cela ensemble
Heureusement pour la médecine moderne, l'absorption de la lumière à des longueurs d'onde de 660nm et 940nm diffère de manière significative entre l'hémoglobine chargée d'oxygène (oxyhémoglobine) et l'hémoglobine dépourvue d'oxygène.
Le point isobestique est le point auquel deux substances absorbent une certaine longueur d'onde de lumière dans la même mesure. En oxymétrie, les points isobes de l'oxyhémoglobine (HbO) et de la désoxyhémoglobine (Hb) se situent à 590 nm et 805 nm. Ces points peuvent être utilisés comme points de référence où l'absorption de la lumière est indépendante du degré de saturation. Certains oxymètres antérieurs ont corrigé la concentration d'hémoglobine en utilisant la longueur d'onde aux points isobestes.
Ainsi, la comparaison des absorbances à différentes longueurs d'onde permet d'estimer les concentrations relatives de HbO (oxyhémoglobine) et de Hb (hémoglobine) (c'est-à-dire la saturation). Les oxymètres de pouls modernes peuvent utiliser deux ou plusieurs longueurs d'onde, sans nécessairement inclure un point isobeste.
Source : Anaesthesia.uk _
En gros, c'est ainsi que fonctionne l'oxymétrie de pouls. Elle permet de distinguer l'hémoglobine saturée de l'hémoglobine insaturée, en utilisant une absorption différente de la lumière due à des configurations électroniques différentes dans les molécules. Voici un extrait sur les aspects techniques de l'oxymétrie de pouls :
Il existe deux méthodes pour envoyer la lumière à travers le site de mesure : la transmission et la réflexion. Dans la méthode de transmission, comme le montre la figure de la page précédente, l'émetteur et le photodétecteur sont opposés, le site de mesure se trouvant entre les deux. La lumière peut alors passer à travers le site. Dans la méthode par réflexion, l'émetteur et le photodétecteur sont l'un à côté de l'autre sur le site de mesure. La lumière rebondit de l'émetteur au détecteur à travers le site. La méthode de transmission est le type le plus communément utilisé et pour cette discussion, la méthode de transmission sera implicite.
Après que les signaux rouges ® et infrarouges (IR) transmis passent à travers le site de mesure et sont reçus par le photodétecteur, le rapport R/IR est calculé. Le rapport R/IR est comparé à un tableau de référence (composé de formules empiriques) qui convertit le rapport en une valeur de SpO2. La plupart des fabricants disposent de leurs propres tables de recherche basées sur des courbes d'étalonnage dérivées de sujets sains à différents niveaux de SpO2 (Saturation en oxygène périphérique). En général, un rapport R/IR de 0,5 équivaut à environ 100% de SpO2, un rapport de 1,0 à environ 82% de SpO2, tandis qu'un rapport de 2,0 équivaut à 0% de SpO2.
Source : Oxymétrie. org _
Les dangers de l'empoisonnement au monoxyde de carbone
La signature spectrale de la carboxyhémoglobine (hémoglobine saturée en CO) est si similaire à celle de l'oxyhémoglobine que les oxymètres standard se trompent l'un l'autre, comme l'ont montré de nombreuses études :
Ce rapport confirme que l'oxymétrie de pouls peut être trompeuse lors d'un empoisonnement au monoxyde de carbone car l'oxymètre de pouls ne différencie pas l'HbO (oxyhémoglobine) et l'HbCO (carboxyhémoglobine). Le diagnostic d'un empoisonnement au monoxyde de carbone repose donc sur des preuves cliniques et doit être confirmé en mesurant la concentration d'HbCO avec un oxymètre de CO à bandes multiples (carboxyloxymètre).
Carboxyhémoglobinémie et oxymétrie de pouls, British Journal of Anaesthesia, 1991
De nos jours, il existe des CO-oximètres qui peuvent différencier l'oxyhémoglobine, la carboxyhémoglobine et la méthémoglobine.
1 : Une explication de ce phénomène irait beaucoup trop loin. Elle est liée au dualisme onde-particule de la mécanique quantique et une bonne analogie peut être trouvée dans cette réponse sur Physics.SE .
2 : L'énergie d'un photon est proportionnelle à sa fréquence et donc inversement proportionnelle à la longueur d'onde. Tous les autres facteurs de l'équation de Planck-Einstein sont constants. Plus d'informations peuvent être trouvées sur Physics.SE
