Óptica y fenómenos luminosos

Introducción¶

La luz es nuestra principal sonda para interrogar la materia biológica. No solo la usamos para ver (microscopía), sino para medir concentraciones (espectrofotometría) y rastrear proteínas en tiempo real (fluorescencia). Entender la óptica es entender cómo “vemos” lo invisible.

Naturaleza de la luz¶

La luz tiene naturaleza dual:

Onda Electromagnética: Explica la difracción, interferencia y polarización.
- Longitud de onda ( $\lambda$ ): Determina el color (visible: 400-700 nm) y la resolución máxima.
Partícula (Fotón): Explica la absorción y emisión de energía. $E = hf$ .

Reflexión y refracción¶

Ley de Snell¶

Cuando la luz pasa de un medio a otro (e.g., aire a agua), cambia su velocidad y se dobla.

n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)

(1)

$n$ : Índice de refracción ( $c/v$ ).
- Aire $\approx 1.0$
- Agua $\approx 1.33$
- Aceite de inmersión $\approx 1.51$

Reflexión total interna¶

Si la luz intenta salir de un medio denso a uno menos denso con un ángulo muy inclinado, queda atrapada dentro.

Aplicación: Fibra óptica. Usada en endoscopios para iluminar y ver dentro del cuerpo humano sin cirugía invasiva.

Espectroscopía y Ley de Beer-Lambert¶

Las moléculas absorben longitudes de onda específicas. El ADN absorbe a 260 nm; las proteínas a 280 nm. La cantidad de luz absorbida ( $A$ ) depende linealmente de la concentración ( $C$ ).

A = \epsilon \cdot l \cdot C

(2)

$\epsilon$ : Coeficiente de extinción molar (propio de la molécula).
$l$ : Longitud del camino óptico (ancho de la cubeta, usualmente 1 cm).
Biotech: Es la forma estándar de cuantificar ADN o biomasa bacteriana ( $OD_{600}$ ).

Cálculo de concentración (Beer-Lambert)

Problema: Se mide la absorbancia de una solución de proteína pura a 280 nm ( $A_{280}$ ) usando una cubeta estándar de 1 cm de ancho. El equipo marca $A = 0,75$ . El coeficiente de extinción molar de esta proteína es $\epsilon_{280} = 45.000 \text{ M}^{-1}\text{cm}^{-1}$ . Calcule la concentración molar de la proteína.

Solución: Ley de Beer-Lambert: $A = \epsilon \cdot l \cdot C$ . Despejamos $C$ :

C = \frac{A}{\epsilon \cdot l}

(3)

C = \frac{0,75}{(45.000 \text{ M}^{-1}\text{cm}^{-1})(1 \text{ cm})}

(4)

C = 1,66 \times 10^{-5} \text{ M} = 16,6 \mu\text{M}

(5)

Nota: Si la muestra está muy concentrada ( $A > 1,5$ ), la relación lineal se pierde y hay que diluir.

Fluorescencia y bioluminiscencia¶

Fluorescencia: Absorber un fotón de alta energía (azul/UV) y emitir uno de menor energía (verde/rojo).
- Ejemplo: GFP (Green Fluorescent Protein).
Bioluminiscencia: Producción de luz por una reacción química (enzima luciferasa).
- Ejemplo: Luciérnagas, bacterias marinas. No requiere luz externa.

✍️ Ejercicios propuestos¶

🧪 Actividades¶

Espectroscopía casera: Construcción de un espectroscopio simple con un CD para analizar fuentes de luz.

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📝 Evaluación¶

Sumativa: Cuestionario en línea: Fundamentos físicos de la espectroscopía UV-Vis.

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📚 Referencias¶

[3] Ortuño, M. (2019). Física para las ciencias de la vida. Editorial Tébar Flores. https://elibro.net/es/lc/itcr/titulos/124788, Secciones 17.1 a 17.3, pág. 303-307