U N I V E R S I D A D E D O V A L E D O P A R A Í B A

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1 U N I V E R S I D A D E D O V A L E D O P A R A Í B A C o n d i ç õ e s p a r a a O b s e r v a ç ã o E x p e r i m e n t a l d e F e n ô m e n o s M a g n e t o - Ó p t i c o s e m R e g i m e d e P i c o s e g u n d o s, e m M e i o s E s p a l h a d o r e s d e I n t e r e s s e B i o l ó g i c o V i c e n t e R o m e u C i a n c i a r u l o L o n g o O r i e n t a d o r : P r o f. D r. E g b e r t o M u n i n S ã o J o s é d o s C a m p o s, S P 0 0 1

2 D i s s e r t a ç ã o d e T e s e a p r e s e n t a d a a o I n s t i t u t o d e P e s q u i s a e D e s e n v o l v i m e n t o d a U n i v e r s i d a d e d o V a l e d o P a r a í b a c o m o p a r t e d o s r e q u i s i t o s p a r a o b t e n ç ã o d o t í t u l o d e M e s t r e e m E n g e n h a r i a B i o m é d i c a d o C u r s o d e P ó s - Gr a d u a ç ã o S t r i c t o - S e n s u. C o n d i ç õ e s p a r a a O b s e r v a ç ã o E x p e r i m e n t a l d e F e n ô m e n o s M a g n e t o - Ó p t i c o s e m R e g i m e d e P i c o s e g u n d o s, e m M e i o s E s p a l h a d o r e s d e I n t e r e s s e B i o l ó g i c o V i c e n t e R o m e u C i a n c i a r u l o L o n g o D i s s e r t a ç ã o a p r o v a d a e m s u a v e r s ã o f in a l p e l o s a b a i x o a s s i n a d o s : P r o f. D r. E g b e r t o M u n i n, O r i e n t a d o r P r o f. D r. M a r c o s T a d e u T a v a r e s P a c h e c o, D i r e t o r d o I n s t i t u t o d e P e s q u i s a e D e s e n v o l v i m e n t o S ã o J o s é d o s C a m p o s, S P 0 0 1

3 0 0 1

4 C o n d i ç õ e s p a r a a O b s e r v a ç ã o E x p e r i m e n t a l d e F e n ô m e n o s M a g n e t o - Ó p t i c o s e m R e g i m e d e P i c o s e g u n d o s, e m M e i o s E s p a l h a d o r e s d e I n t e r e s s e B i o l ó g i c o V i c e n t e R o m e u C i a n c i a r u l o L o n g o B a n c a E x a m i n a d o r a : P r o f. D r. A n t o n i o Guillermo José Balbin V i l l a v e r d e ( P r e s i d e n t e : U N I V A P ) P r o f. D r. E g b e r t o M u n i n ( O r i e n t a d o r ; U N I V A P ) P r o f. D r. J o s é M o n t a n h a N e t o ( C o n v i d a d o ; U N I C A M P ) U N I V A P, 3 d e M a r ç o d e 0 0 1

5 Agradecimentos G o s t a r i a d e a gr a d e c e r a o P r o f e s s o r D r. E g b e r t o M u n i n d o IP & D U N IV A P, p e l a o r i e n t a ç ã o, s a b e d o r i a, a mi za d e, h u mi l d a d e, p a c i ê n c i a, p r o f i s s i o n a l i s mo, e s e g u r a n ç a, i n ú meras v i r t u d e s q u e c o m c e r t e za me i mp u l s i o n a r a m e i mpul s i o n a r ã o a i n d a ma i s e m meu desenvol v i mento profissional. O b r i g a d o, P r o f e s s o r D r. A n t o n i o B a l b i n V i l l a v e r d e, e P r o f e s s o r D r. J o s é M o n t a n h a N e t o, p e l o s s á b i o s c o n s e l h o s p r o f i s s i o n a i s e d i c a s f í s i c o - ma t e máticas, q u e c o m c e r t e za e n gr a n d e c e r a m o a mi m e a o d e s e n v o l vi me n t o d e s t e t r a b a l h o. D e v o t a mb é m e s p e c i a l a gr a d e c i ment o a o P r o f. D r. M a r c o s T a d e u T. P a c h e c o p e l a o p o r t u n i d a d e d e d e s e n v o l ve r e s t a P e s q u i s a n o IP & D d a U N IV A P e a o P r o f. D r. R e n a t o A m a r o Z â n g a r o, p e l o s e n s i n a me n t o s e m a u l a s, a mi z a d e e i n c e n t i v o e x t r a - aulas. A g r a d e ç o t a mbém a o s P r o f e s s o r e s D r. B r i a n C a m p b e l l W i l s o n ( U n i v. de T o r o n t o - C a n a d á ), D r a. M a r i a C r i s t i n a C h a v a n t e s ( IN C O R / U S P e U N IV A P ), e P r o f a. D r a. C r i s t i n a P a c h e c o S o a r e s ( M i c r o b i o l o g i a U N IV A P ) ; e m c u j as a u l a s muito a p r e n d i e c o l a b o r a r a m p a r a a mi n h a f o r mação. A o s P e s q u i s a d o r e s d o IP & D d a U N IV A P, P r o f. D r. N e w t o n S o a r e s d a S i l v a, M e s t r a n d o D r. G u i l h e r m e P. S c a r p e l d e M e l l o, M e s t r e D r. L u i s A u g u s t o L. C o n r a d o, M e s t r e D r a. A l e s s a n d r a N o g u e i r a, M e s t r a n d o P r o f. R i c a r d o K i s o, M e s t r a n d a S i m o n e, F í s i c a D r a. M a r c e l a, M e s t r e P r o f. L a n d u l f o S i l v e i r a J r., M e s t r e P r o f. S é r g i o K. F u r u z aw a, e M e s t r e P r o f. C a r l o s J o s é d e L i m a, c u j os c o n s e l h o s e d i c a s, a s s i m c o mo ami z a d e muito me auxiliaram.

6 A g r a d e ç o a o E s t a g i á r i o T é c n i c o d e E l e t r ô n i c a L e a n d r o P r o c ó p i o A l v e s, e a G r a d u a n d a D e n t i s t a S r t a. T h a í s C a c h u t é P a r a d e l l a, c u j o s c o n s e l h o s t é c n i c o s, d i s p o s i ç ã o e a mi zade muito contribuíram para este trabalho. A g r a d e ç o e m e s p e c i a l à m i n h a a m a d a e s p o s a L i d i a M a r i a I e c c o L o n g o, mu l h e r, mãe e P r o f a. d e M a t e mática e a m e u a m a d o f i l ho E d u a r d o I e c c o L o n g o, c u j o A mor, D e d i c a ç ã o, B o m H u mo r, P a c i ê n c i a, C a r i n h o e O t i mi s mo i n t e g r a i s f i zeram c o m q u e E u t i ve s s e a c e r t e za d e q u e p o d e mo s, s e q u i s e r mos, d o s a r c o m e q u i l í b r i o e s a b e d o r i a a d u p l a P r o f i s s ã o F a mí l i a, s e m a s q u a i s n ã o c o n s e guiria finalizar e s t a D i s s e r t a ç ã o. A g r a d e ç o i mensamente à m i n h a m ã e Y o l a n d a C i a n c i a r u l o L o n g o e a o me u i r m ã o M é d i c o D r. J o s é A n t o n i o D. C. L o n g o, a o s m e u s S o g r o s S r. H e r m í n i o I e c c o e S r a. N a t a l i a M a n z o I e c c o, e a m e u s c u n h a d o s ( a s ), p o r t o d o o A mor e C a r i n h o i me n s u r á ve i s q u e me d e r a m n e s t e t e mpo, muito me i n c e n t i va n d o. Às minhas c r i a n ç a s s o b r i n h a s K a r i n a ( a f i l h a d a ), P r i s c i l a, L u c a s, e F á b i o, p or me a j u d a r e m a sonhar e a encarar a vi d a c o m muito bom h u mor. A m e u P a i, S r. V i c e n t e L o n g o, H o m e m I n t e l i g e n t e, d e m u i t a E n e r g i a E s p i r i t u a l, H o n e s t i d a d e, Ga r r a e e x e m p l o d e T r a b a l h a d o r ( i n m em o r i a n ), a m e u A n j o d a Gu a r d a, e a D E U S, e m m i m o m e u E t e r n o G u i a e P r o t e t o r. M u i t o O b r i g a d o!

7 i Sumário 1 Introdução Teórica: 1. 1 A L u z o n d a e l e t r o ma g n é t i c a. P á g A l gu ma s p r o p r i e d a d e s o n d u l a t ó r i a s d a l u z. P á g R e f l e x ã o. P á g E s p a l h a mento, Emi s s ã o, A b s o r ç ã o d a l u z e m tecidos biológicos. Pá g E s p a l h a mento da luz. Pá g A b s o r ç ã o d a l u z. P á g E s p a l h a d o r e s B i o l ó gi c o s. P á g E s t u d o s p o r S i mu l a ç ã o d e M o n t e C a r l o. P á g T r a b a l h o s c o r r e l a c i o n a d o s d e i n t e r e s s e b i o l ó g i c o. P á g P o l a r i za ç ã o d a l u z. P á g P o l a r i za ç ã o p o r D i f u s ã o. E s p a l h a me n t o d e R a y l e i g h. P á g P o l a r ó i d e s. P á g A t i vi d a d e Ó p t i c a. P o d e r R o t a t ó r i o d e meios opticamente ativ o s. P á g E f e i t o F a r a d a y. C o n s t a n t e d e V e r d e t. M o d u l a d o r e s Ó p t i c o s. P á g D e s e n v o l v i m e n t o d a P e s q u i s a : C o n d i ç õ e s p a r a O b s e r v a ç ã o E x p e r i m e n t a l d e F e n ô m e n o s M a g n e t o - Ó p t i c o s e m R e g i me d e P i c o s e g u n d o s, e m M e i o s E s p a l h a d o r e s d e I n t e r e s s e B i o l ó g i c o.. 1 O b j e t i v o s. P á g E f e i t o M a gnet o -Ó p t i c o. P á g P r i n c í p i o d a d i s c r i mi n a ç ã o d e f ó t o n s p e l o E f e i t o M a g n e t o -Ó p t i c o. P á g D i n â mica Temporal d o E f e i t o M a gn e t o -Ó p t i c o e m M e i o s T u r vo s. P á g C o n c l u s õ e s e D i r e ç õ e s F u t u r a s. P á g A p ê n d i c e. P á g R e f e r ê n c i a s B i b l i o g r á f i c a s. P á g. 6 9.

8 i i Índice de Figuras: F i g ; p á g. : A s o n d a s e l e t r o ma gn é t i c a s c o r r e s p o n d e m à p r o p a g a ç ã o n o e s p a ç o d e c a mp o s e l é t r i c o s e ma g n é t i c o s. F i g. 1. ; p á g. 4 : E s p e c t r o e l e t r o ma g n é t i c o. F i g ; p á g. 6 : D i p o l o e l é t r i c o. F i g ; p á g. 7 : G e o metria da dedução da l e i d a r e f l e x ã o, s e gu n d o o p r i n c í p i o d e F e r mat. F i g ; p á g. 9 : P o d e r d e R e f l e x ã o o u R e f l e t â n c i a d e o n d a s d e p o l a r i zação TE e T M, n a s s u p e r f í c i e s e n t r e a r e G a A s, c o mo f u n ç ã o d o â n gul o d e i n c i d ê n c i a θ. F i g ; p á g. 1 : H i e r a r q u i a d a u l t r a -estru t u r a c e l u l a r. F i g ; p á g. 1 3 : M i t o c ô n d r i a. F i g ; p á g. 1 4 : F i b r a s d e c o l á g e n o. F i g ; p á g. 1 8 : F l u x o g r a ma p a r a a s i mulação c o mputacional d a d i f u s ã o f o t ô n i c a e m me i o s t u r v o s, u s a n d o o M é t o d o d e M o n t e C a r l o. F i g ; p á g. 1 9 : E v e n t o d e e s p a l h a me n t o c a u s a u ma d e f l e x ã o n u m â n gul o θ d a t r a j e t ó r i a o r i gi n a l d o f ó t o n. A n i s o t r o p i a.

9 i i i Índice de Figuras: F i g ; p á g. 4 : In t e n s i d a d e l u minosa d e t e c t a d a q u a n d o e s c a n e a n d o a t r a v é s d e u ma mã o i n v i v o. A c u r va s ó l i d a c o r r e s p o n d e à l u z d e t e c t a d a d u r a n t e o s p r i meiros 8 0 p s, e a c u r v a p o n t i l h a d a é a i n t e n s i d a d e t o t a l d e t e c t a d a F i g ; p á g. 6 : C u r v a s d e t r a n s i l u minação a 5 5 0, e n m p a r a f o l h a s p h a s e o u l o s, d e d i f e r e n t e s c o n c e n t r a ç õ e s d e c l o r o f i l a. A f u n ç ã o r e s p o s t a d o s i s t e ma d e medida e s t á i n c l u í d a e m amb o s o s gr á f i c o s. F i g ; p á g. 7 : A i ma g e m p o l a r i za d a f i c a mai s l e v e n a n e gr i t u d e da t a t u a ge m, mas a r e f l e t â n c i a e s p e c u l a r d a l u z p o l a r i za d a e s c u r e c e a s p a r t í c u l a s d e c a r b o n o, p r o p o r c i o n a n d o u ma i ma ge m ma i s f o r t e. F i g ; p á g. 3 0 : F o r mas de polarização da luz.. F i g ; p á g. 3 3 : P o l a r i za ç ã o p o r d i f u s ã o. A l u z n ã o p o l a r i z a d a, p r o p a g a n d o -se n a d i r e ç ã o z, i n c i d e s o b r e u m c e n t r o d i f u s o r n a o r i g e m. A l u z d i f u n d i d a n a d i r e ç ã o x é p o l a r i za d a, c o m o v e t o r E n a d i r e ç ã o y, e n q u a n t o a l u z e s p a l h a d a n a d i r e ç ã o y é p o l a r i zada na direção x. F i g ; p á g. 3 5 : F i l t r o s p o l a r i z a d o r e s o u P o l a r ó i d e s. F i g ; p á g. 3 9 : R o t a ç ã o p o l a r i z a d a e m u m mei o e x i b i n d o o e f e i t o F a r a d a y. O s e n t i d o d e r o t a ç ã o é i n v a r i a n t e à d i r e ç ã o d a o n d a.

10 i v Índice de Figuras: F i g.. 1 ; p á g. 4 6 : E s b o ç o e m d u a s d i me n s õ e s d e d o i s p o s s í v e i s c a mi n h o s d o f ó t o n, e m u m m e i o e s p a l h a d o r, e s c o l h i d o s d e t a l mo d o q u e a s d i s t â n c i a s vi a j a d a s s ã o a p r o x i madame n t e a s mesmas (fora de escala). F i g.. ; p á g. 4 8 : D e c a i me n t o e x p o n e n c i a l d o g r a u d e p o l a r i za ç ã o D ( t ) d e u m p u l s o ó p t i c o u ltra-rápido t r a n s mitido n u m me i o t u r v o. O s c í r c u l o s r e p r e s e n t a m d a d o s e x p e r i me n t a i s t o ma d o s d e u m p h a n t o m f e i t o d e u ma s o l u ç ão mi c r o e s f e r a d e l á t e x [ 1 0 ] ( 0, 0 9 mi c r o n s d e d i â metro e mm d e c a mi n h o l i vr e médio). F i g.. 3 ; p á g. 4 9 : P e r f i l d a i n t e n s i d a d e t e mpor a l d e u m p u l s o l a s e r u l t r a - r á p i d o t r a n s mitido n u m me i o t u r v o. O d e t a l h e mostra a d i s t r i b u i ç ã o e s t a t í s t i c a, e m t o r n o d e u m v a l o r mé d i o < l x >, d a s p r o j e ç õ e s c u mulativa s n o e i x o x, d as d i s t â n c i a s p e r c o r r i d a s p e l o s f ó t o n s, c h e g a n d o a o d e t e t o r n o t e mpo t d.

11 v Índice de Figuras: F i g.. 4 ; p á g. 5 3 : T r a n s mitância t e mp o r a l, n a a u s ê n c i a d e e f e i t o s d e s p o l a r i zantes, p a r a u m p u l s o d e l u z u l t r a -rápi d o t r a n s mi t i d o a t r a vé s d e u m me i o t u r v o ma g n e t o ó p t i c a me n t e a t i v o, e n t r e d o i s p o l a r i zadores. D e s l o c a mento f o t ô n i c o o c o r r e u n o e i x o x, p a r a l e l o a H ( n o l i mite σ X 0 ). A i n t e n s i d a d e d o c a mp o magnético f o i d e 1 5 k G ; 5 0 k G ; 7 5 k G ; e k G. C o n s i d e r o u -se a c o n s t a n t e ma gn e t o -ó p t i c a d o meio c o mo s e n d o V = 1, 6 7 mi n / G. m. O e i x o d o a n a l i s a d o r f o i a l i n h a d o p a r a l e l a ment e à d i r e ç ã o d e p o l a r i zação d o s f ó t o n s c h e ga n d o e m t = 0. F i g.. 5 ; p á g. 5 6 : R e l a ç ã o e n t r e o c a mp o ma gn é t i c o H a p l i c a d o ( k G ) e o r e s p e c t i v o s e miperíodo d e o s c i l a ç ã o t 1 / ( p s ), d e a c o r d o c o m a e q u a ç ã o. 9. F i g.. 6 ; p á g. 5 8 : ( a ) D i s t r i b u i ç ã o e s t a t í s t i c a d o s f ó t o n s s e gu n d o o â n gul o d e r o t a ç ã o, p a r a u m g r u p o r e p r e s e n t a t i v o d e v a l o r e s d e σ. ( b ) T r a n s mitância c o mo f u n ç ã o do â n gul o d e p o l a r i zação, d a d o p e l a l e i d e M a l u s, c o m u m â n gul o d e o f f s e t d o a n a l i s a d o r i g u a l a 9 0 gr a u s. F i g.. 7 ; p á g. 5 9 : E x t i n ç ã o a p ó s o a n a l i s a d o r, n a a u s ê n c i a d e e f e i t o s d e d e s p o l a r i zação, p a r a f ó t o n s c o m r o t a ç ã o ma g n e t o ó p t i c a e s t a t i s t i c a mente d i s t r i b u í d o s a o r e d o r d o v a l o r médio. U ma b o a s e n s i b i l i d a d e e x p e r i mental p o d e s e r a l c a n ç a d a p a r a v a l o r e s d e σ e n t r e 0 e 9 0 gr a u s.

12 v i Índice de Figuras: F i g.. 8 ; p á g. 6 : ( a ) D i s t r i b u i ç ã o e s t a t í s t i c a d a i n t e n s i d a d e d a l u z, c o m f u n ç ã o d a p r o j e ç ã o c u mulativa d a s d i s t â n c i a s vi a j a d a s p e l o s f ó t o n s e n t r e e v e n t o s d e e s p a l h a me n t o, p a r a o c a s o d e σx = 4 c m. ( b ) R o t a ç ã o ma g n e t o ó p t i c a e m f u n ç ã o d a d i s t â n c i a r e l a t i va a o va l o r mé d i o, p a r a H i g u a l a 1 0 T ; ( c ) L i n h a s s ó l i d a s mostram a i n t e n s i d a d e l u minosa trans mitida quando σx = 4 c m e H = 10 T. F i g.. 9 ; p á g. 6 3 : T r a n s mitância c o mo f u n ç ã o d a i n t e n s i d a d e d o c a mpo ma g n é t i c o H, p a r a d i f e r e n t e s va l o r e s d e σ x F i g ; p á g. 6 4 : In t e n s i d a d e ma gn é t i c a H, n e c e s s á r i a p a r a v a l o r e s d e t r a n s mi t â n c i a f i x a d o s, c o mo f u n ç ã o d o d e s vi o p a d r ã o d e u ma d a d a d i s t r i b u i ç ã o e s t a t í s t i c a.

13 Relação de Símbolos: v i i T o d a s a s u n i d a d e s e d i mens õ e s e s t ã o n o S i s t e ma Int e r n a c i o n a l d e U n i d a d e s ( S I), c u j a u n i d a d e s f u n d a ment a i s s ã o : q u i l o gr a ma ( M = M a s s ) ; metro ( L = L e n gt h ), e s e g u n d o ( T = T i me). E n t r e p a r ê n t e s i s, n a c o l u n a U n i d a d e s, o S i s t e ma é o CGS ( c e n t í metro gr a ma s e g u n d o ). G r a n d e z a S í m b o l o U n i d a d e s  n g u l o e â n g u l o d e r o t a ç ã o, θ g r a u s o u r a d i a n o s A n i s o t r o p i a g a d i me n s i o n a l C a m p o e l é t r i c o E V / m = volt/metro I n d u ç ã o M a g n é t i c a ( B = µ 0. H ) B T = t e s l a ( G ) = N / A. m C a m p o m a g n é t i c o H A / m = ampère/ metro C a r g a e l é t r i c a Q C = c o u l o mb C o e f i c i e n t e d e a b s o r ç ã o ó p t i c a µ m - 1 ( c m - 1 ) a C o m p r i m e n t o L, l m C o m p r i m e n t o d e o n d a λ m C o n s t a n t e d e V e r d e t V mi n. d e a r c o / ga u s s. me t r o C o r r e n t e e l é t r i c a I A = a mpère E s p a ç a m e n t o e n t r e f e n d a s r e d e s d m F o r ç a F N = n e w t o n F r e q u ê n c i a f H z = h e r t z Í n d i c e d e r e f r a ç ã o n a d i me n s i o n a l N ú m e r o d e o n d a a n g u l a r k k = π λ = r a d / m P e r m e a b i l i d a d e m a g n é t i c a d o v á c u o P e r m i s s i v i d a d e e l é t r i c a v á c u o µ ( 4. π ) N / A 0 ε C / N. m 0 P o d e r r o t a t ó r i o e s p e c í f i c o β G r a u s / m ( gr a u s / mm) T e m p o t s ( p s = s ; f s = s ) V e l o c i d a d e a n g u l a r w r a d i a n o s / s e g u n d o V e l o c i d a d e d a l u z ( m e i o e v á c u o ) v, c m/ s

14 v i i i R e sumo E s t e e s t u d o i n ve s t i ga o c o mportame n t o d e u m me i o t u r v o ma g n e t o -o p t i c a me n t e a t i v o s o b e x c i t a ç ã o ó p t i c a u l t r a -rápi d a. C o mo o gr a u d e p o l a r i za ç ã o d o s f ó t o n s q u e a t r a v e s s a m o me i o p r e c o c e mente é ge r a l mente p r e s e r v a d o d u r a n t e o s p r i meiro s p s d e p o i s d a c h e g a d a d o c o mp o n e n t e b a l í s t i c o, é l e v a n t a d a a p o s s i b i l i d a d e d e s e u s a r a r o t a ç ã o ma g n e t o ó p t i c a d a p o l a r i zação d a l u z c o mo u ma f e r r a me n t a p a r a a c a r a c t e r i za ç ã o d e t e c i d o s b i o l ó gi c o s. U ma t é c n i c a é p r o p o s t a p a r a s e d e t e r minar a e s t a t í s t i c a d e e s p a l h a mento d o s f ó t o n s e m me i o s b i o l ó g i c o s t u r vos. A a n á l i s e é r e a l i zada c o m b a s e n o f a t o d e q u e f ó t o n s a p r i s i o n a d o s e m e v e n t o s d e e s p a l h a mento mú l t i p l o s a e m d o meio c o m maiores ângulos de r o t a ç ã o i n d u zi d a. F o i e n c o n t r a d o q u e a o b s e r v a ç ã o e x p e r i me n t a l d e f e n ô menos ma g n e t o -ó p t i c o s e m p i c o s e g u n d o s, e m me i o s d i s p e r s a n t e s d e o r i ge m b i o l ó g i c a, é s u b metida a r e s t r i ç õ e s n a i n t e n s i d a d e d o c a mpo ma g n é t i c o a p l i c a d o, e n o s p a r â metros e s t a t í s t i c o s d o s f ó t o n s e s p a l h a d o s n o s meios tur v o s. A b s t r a c t T h i s s t u d y i n ve s t i g a t e s t h e b e h a v i o r o f a F a r a d a y -a c t i ve t u r b i d me d i u m u n d e r u l t r a f a s t o p t i c a l e x c i t a t i o n. A s t h e d e g r e e o f p o l a r i zatio n o f e a r l y a r r i vi n g p h o t o n s i s mostly p r e s e r ve d d u r i n g t h e f i r s t p s a f t e r t h e a r r i va l o f t h e b a l l i s t i c c o mponent, i t i s a d d r e s s e d t h e p o s s i b i l i t y o f u s i n g t h e ma g n e t o o p t i c a l r o t a t i o n o f t h e l i g h t p o l a r i zation as a tool f o r t i s s u e c h a r a c t e r i zatio n. A t e c h n i q u e i s p r o p o s e d f o r d e t e r mini n g p h o t o n -scattering s t a t i s t i c s i n t u r b i d b i o l o gi c a l medi a. T h e a n a l ys i s i s p e r f o r med o n t h e b a s i s t h a t p h o t o n s t r a p p e d i n mu l t i p l e s c a t t e r i n g e ve n t s l e a v e t h e me d i u m w i t h l a r ge r i n d u c e d r o t a t i o n a n gl e s. It w a s f o u n d t h a t t h e e x p e r i me n t a l o b s e r v a t i o n o f p i c o s e c o n d ma g n e t o o p t i c a l p h e n o mena i n s c a t t e r i n g me d i a o f b i o l o gi c a l o r i gi n i s s u b mi t t e d t o c o n s t r a i n t s i n t h e a p p l i e d ma g n e t i c f i e l d i n t e n s i t y a n d i n t h e s t a t i s t i c a l p a r a meters of p h o t o n s c a t t e r i n g i n t h e t u r b i d me d i a.

15 1 Introdução Teórica: A luz e as ondas eletroma gn éticas: D e s d e a A n t i g u i d a d e, o s p e s q u i s a d o r e s v ê m t e n t a n d o i n v e s t i g a r a n a t u r e za d a l u z, ma s a i n d a n ã o s e c o n s e gui u e s t a b e l e c e r p r i n c í p i o s q u e e x p l i q u e m a t o t a l i d a d e d o s f e n ô menos l u minosos. E x i s t e a t u a l me n t e u ma t e o r i a, a d o modelo dual o n d a -p a r t í c u l a, q u e e n g l o b a o s d o i s e s t u d o s c l á s s i c o s, o model o c o r p u s c u l a r o u d e p a r t í c u l a, e o model o o n d u l a t ó r i o [ 1,, 3 ]. M o d e l o c o r p u s c u l a r : E s t e mo d e l o c o n s i d e r a q u e a l u z é f o r ma d a p o r p e q u e n o s c o r p ú s c u l o s, o s f ó t o n s, q u e s e p r o p a g a m e m g r a n d e v e l o c i d a d e e e m l i n h a r e ta n o e s p a ç o. E s t a t e o r i a e x p l i c a f e n ô menos c o mo o d a r e f l e x ã o, ma s d e i x a m o u t r o s s e m explicação. M o d e l o o n d u l a t ó r i o : S e g u n d o e s t a t e o r i a, a l u z p a r t e d e u ma f o n t e l u minos a e m mo v i me n t o o n d u l a t ó r i o, e n ã o p r e c i s a d e n e n h u m me i o ma t e r i a l p a r a s e p r o p a g a r, i n c l u s i v e p r o p a g a n d o -se n o v á c u o. T r a t a -se d e u ma o n d a e l e t r o ma gn é t i c a. E s t a t e o r i a p e r mite e x p l i c a r a r e f l e x ã o, a r e f r a ç ã o e a d i f r a ç ã o, e n t r e o u t r o s f e n ô me n o s l u minosos. M o d e l o o n d a - p a r t í c u l a ( d u a l i d a d e d e D e B r o gl i e ) : N a s p r i me i r a s d é c a d a s do s é c u l o X X, o c i e n t i s t a f r a n c ê s L o u i s D e B r o gl i e ( ) u n i u a s d u as t e o r i a s. S e g u n d o e l e, t a n t o a l u z c o mo a ma t é r i a p a r e c e t e r u m c o mp o r t a mento o r a c o r p u s c u l a r, o r a o n d u l a t ó r i o, c o n f o r me s e o b s e r v e o f e n ô me n o. O s t r a b a l h o s c i e n t í f i c o s d e C o u l o mb, A mp è r e, F a r a d a y e o u t r o s e s t a b e l e c e r a m o s p r i n c í p i o s d a E l e t r i c i d a d e. N a d é c a d a d e , o f í s i co e s c o c ê s J a mes C l e r k M a x w e l l d e s e n v o l ve u u ma t e o r i a matemática n a q u a l g e n e r a l i z o u e s t e s p r i n c í p i o s. C o n s i d e r a n d o q u e n a i n d u ç ã o e l e t r o magnética u m c a mpo ma g n é t i c o va r i á ve l i n d u z u ma f o r ç a e l e t r o motriz, o q u e é c a r a c t e r í s t i c o d e u m c a mp o e l é t r i c o, M a x w e l l a p r e s e n t o u a s s e g u i n t e s h i p ó t e s e s : 1

16 1 a ) U m c a mp o ma g n é t i c o v a r i á ve l é e q u i va l e n t e, n o s s e u s e f e i t o s, a u m c a mpo e l é t r i c o e, i n ve r s a me n t e, a ) U m c a mp o e l é t r i c o v a r i á ve l é e q u i va l e n t e, n o s s e u s e f e i t o s, a u m c a mpo ma g n é t i c o. C o m e s s a s h i p ó t e s e s M a x w e l l g e n e r a l i z o u, ma t e maticame n t e, o s p r i n c í p i o s d a E l e t r i c i d a d e. A v e r i f i c a ç ã o e x p e r i mental d e s u a t e o r i a s ó f o i p o s s í v e l q u a n d o s e c o n s i d e r o u u m n o v o t i p o d e o n d a, a s c h a madas o n d as e l e t r o m a g n é t i c a s. E s s a s o n d a s s u r ge m c o mo c o n s e q u ê n c i a d e d o i s e f e i t o s : U m c a mp o ma g n é t i c o v a r i á v e l p r o d u z u m c a mp o e l é t r i c o, e u m c a mpo e l é t r i c o v a r i á ve l p r o d u z u m c a mpo ma g n é t i c o. E s s e s d o i s c a mp o s e m c o n s t a n t e s e r e c í p r o c a s i n d u ç õ e s p r o p a g a m-s e p e l o e s p a ç o. N o e s t u d o d a s o n d a s, ve r i f i c o u -se q u e e l a s o c o r r e m q u a n d o u ma p e r t u r b a ç ã o o r i g i n a d a e m u ma r e gi ã o p o d e s e r r e p r o d u z i d a n a s r e g i õ es a dj a c e n t e s e m u m instante posterio r. D e a c o r d o c o m M a x w e l l, s e e m u m p o n t o P ( F i g u r a 1. 1 ) p r o d u zi r mos u m c a mp o e l é t r i c o v a r i á v e l, e l e i n d u zi r á u m c a mp o ma g n é t i c o B v a r i á ve l c o m o t e mp o e c o m a d i s t â n c i a a o p o n t o P. A l é m d i s s o, o ve t o r B v a r i á ve l i n d u zi r á u m v e t o r E, q u e t a mb é m v a r i a c o m o t e mp o e c o m a d i s t â n c i a d o c a mp o ma g n é t i c o v a r i á v e l. E s s a i n d u ç ã o r e c í p r o c a d e c a mpos ma g n é t i c o s e e l é t r i c o s t o r n a p o s s í ve l a p r o p a ga ç ã o d e s s a s e q ü ê n c i a d e i n d u ç õ e s a t r a v é s d o e s p a ç o. F i g : A s o n d a s e l e t r o ma gn é t i c a s c o r r e s p o n d e m à p r o p a ga ç ã o n o e s p a ç o d e c a mp o s e l é t r i c o s e ma gnéticos.

17 M a x w e l l e s t a b e l e c e u e q u a ç õ e s p a r a a p r o p a g a ç ã o d e s s a p e r t u r b a ç ã o, mo s t r a n d o q u e e l a a p r e s e n t a v a t o d a s a s c a r a c t e r í s t i c a s d e u ma o n d a : r e f l e x ã o, r e f r a ç ã o, d i f r a ç ã o e i n t e r f e r ê n c i a. P o r i s s o, d e n o mi n o u -a o n d a o u r a d i a ç ã o e l e t r o ma gn é t i c a. M a x w e l l d e mo n s t r o u a i n d a q u e a v e l o c i d a d e d e p r o p a ga ç ã o d e u ma o n d a e l e t r o ma gn é t i c a, n o v á c u o, é d a d a p e l a e x p r e s s ã o : c 1 ε µ = ( 1. 1 ) o o o n d e ε o e µ o s ã o, r e s p e c t i v a mente, a p e r missiv i d a d e e l é t r i c a e a p e r meabilidade ma gn é t i c a d o vá c u o. E m u n i d a d e s d o S I, S i s t e ma Intern a c i o n a l d e U n i d a d e s, t e m-s e : 1 4. π.9.10 ε o = 9 e 7 µ = 4. π.10, o b t e n d o -s e e n t ã o, d a e x p r e s s ã o a n t e r i o r : o c = m/s ; q u e é a ve l o c i d a d e d a l u z n o vá c u o. H o j e s a b e mos q u e e x i s t e u ma v a r i a ç ã o a mpla e c o n t í n u a n o s c o mprimentos d e o n d a e f r e q u ê n c i a d a s o n d a s e l e t r o ma g n é t i c a s. N o q u a d r o d a F i g u r a 1., t e mos u m r e s u mo d o s d i ve r s o s t i p o s d e o n d as e l e t r o ma gn é t i c a s, c h a mado E s p e c t r o E l e t r o m a g n é t i c o, o n d e a s f r e q u ê n c i a s e s t ã o e m h e r t z ( H z) ; e o s c o mp r i mentos d e o n d a e m metros (m). 3

18 F i g. 1. : E s p e c t r o e l e t r o ma g n é t i c o P o d e mo s e n u n c i a r a f u n ç ã o d e o n d a d e u ma o n d a e l e t r o ma gn é t i c a c o mo d a d a p e l o c a mpo e l é t r i c o E ( x, y, z, t ), c o n f o r me a F i gura 1. 1 r e p r e s e n t a. P o d e r í a mos t a mb é m u s a r o c a mpo ma g n é t i c o c o mo a o n d a e s u a f u n ç ã o, mas é me n o s c o n ve n i e n t e, p o i s a maioria d o s d e t e t o r e s, i n c l u s i ve a vi s t a h u ma n a, é s e n s í ve l p r i n c i p a l mente ao camp o e l é t r i c o e n ã o a o ma gnético. O v e t o r E é p e r p e n d i c u l a r à d i r e ç ã o d e p r o p a ga ç ã o d a s o n d a s ; e l a s s ão o n d a s t r a n s ve r s a i s e p o d e m s e r p o l a r i za d a s. 4

19 O s c a mp o s e l é t r i c o s s ã o p r o d u z i d o s p o r mei o d e c a r ga s e l é t r i c a s e e x e r c e m f o r ç a s e m o u t r a s c a r ga s. T a l c o mo n o s d e mais f e n ô menos o n d u l a t ó r i o s, a d e n s i d a d e d e e n e r gi a e a i n t e n s i d a d e d a s o n d a s s ã o p r o p o r c i o n a i s a o q u a d r a d o d a a mplitude d a o n d a. A r e s u l t a n t e d a o n d a e m q u a l q u e r p o n t o é i gual à s o ma vetorial d a s a mplitudes das ondas indi v i d u a i s. A p e s a r d e a s c a r g a s e l é t r i c a s e m r e p o u s o, o u mo v e n d o -se c o m v e l o c i d a d e c o n s t a n t e, p r o d u zi r e m c a mpos e l é t r i c o s, o s c a mp o s e l é t r i c o s e ma g n é t i c o s a l t e r n a d o s a s s o c i a d o s c o m a r a d i a ç ã o e l e t r o ma gnética s ã o p r o d u zi d o s s o mente p e l a s c a r ga s q u e e s t ã o a c e l e r a d a s. D e a c o r d o c o m a t e o r i a e l e t r o ma g n é t i ca c l á s s i c a, p o r e x e mplo, u ma p a r t í c u l a q u e o s c i l a c o m u m M H S ( M o vi me n t o H a r môni c o S i mples) d e f r e q u ê n c i a f, i r r a d i a o n d a s e l e t r o ma g n é t i c a s c o m a me s ma f r e q u ê n c i a f. A F i g u r a 1. 3 a s e g u i r mo s t r a u m t i p o s i mpl e s e c o mu m d e s i s t e ma i r r a d i a n t e, c o n s t i t u í d o p o r d u a s c a r ga s i gu a i s e d e s i n a i s o p o s t o s, c u j a s e p a r a ç ã o v a r i a h a r mo n i c a mente com o t e mp o. E s t e s i s t e ma é c h a ma d o u m d i p o l o e l é t r i c o, e a s u a i r r a d i a ç ã o é a r a d i a ç ã o d o d i p o l o e l é t r i c o. P a r a o e n t e n d i mento d a n a t u r e z a d a l u z s ã o i mp o r t a n t e s a l g u mas propriedades desta radi a ç ã o : 1. A g r a n d e za d o c a mp o e l é t r i c o, e m p o n t o s a f a s t a d o s d o d i p o l o, va r i a i n v e r s a me n t e c o m a d i s t â n c i a e é p r o p o r c i o n a l a s e n θ, o n d e θ é o â n gulo e n t r e o e i x o d o d i p o l o e o p o n t o d e o b s e r v a ç ã o, c o n f o r me a F i g u r a U ma v e z q u e a i n t e n s i d a d e é p r o p o r c i o n a l a E, a i n t e n s i d a d e d a r a d i a ç ã o do d i p o l o e l é t r i c o v a r i a c o m 1 / r e é p r o p o r c i o n a l a s e n θ. É n u l a a o l o n go d a d i r e ç ã o d o d i p o l o e má x i ma n o p l a n o p e r p e n d i c u l a r a e s t a d i r e ç ã o. 5

20 + q θ - q F i g : D i p o l o e l é t r i c o. A r a d i a ç ã o d e u m s ó d i p o l o é p o l a r i z a d a, c o m o c a mpo e l é t r i c o n o p l a n o d a F i g u r a A s o n d a s d e l u z s ã o p r o ve n i e n t e s d a s o s c i l a ç õ e s d e c a r ga n o s á t o mo s. 1.. A l g u m a s p r o p r i e d a d e s o n d u l a t ó r i a s d a l u z: R e f l e xã o : U ma v e z q u e a l u z s e p r o p a ga c o mo u ma o n d a, a l e i d a r e f l e x ã o, d e d u zi d a p a r a o mo v i ment o o n d u l a t ó r i o e m g e r a l t a mbém é v á l i d a. O â n g u l o de r e f l e x ã o é i g u a l a o d e i n c i d ê n c i a, e o s r a i o s i n c i d e n t e e r e f l e t i d o s ã o c o p l a n a r e s. S e gu n d o o P r i n c í p i o d e F e r m a t, o c a minho s e g u i d o p e l a l u z a o p a s s a r d e u m p o n t o p a r a o u t r o é t a l q u e o t e mp o d e t r â n s i t o é u m mí n i mo e m c o mparação c o m o t e mp o d e t r â n s i t o e m t r aj e t ó r i a s v i zi n h a s. Ima g i n e a F i g u r a 1. 4 a s e g u i r. 6

21 A B A P F i g : G e o metria da dedução da lei da reflexão, s e g u n d o o p r i n c í p i o d e F e r mat O p r o b l e ma d a R e f l e x ã o, s e gu n d o e s t e p r i n c í p i o é : E m q u e p o n t o P da F i g u r a 1. 4 a l u z d e v e a t i n gi r o e s p e l h o p a r a q u e e l a vá d e A a t é B n o menor t e mp o p o s s í ve l? U ma v e z q u e a l u z s e mp r e p e r manece n o me s mo mei o, n e s t e p r o b l e ma, o t e mp o s e r á míni mo q u a n d o a d i s t â n c i a f o r u m míni mo. N a f i g u r a, a d i s t â n c i a A P B é i gual à d i s t â n c i a A P B o n d e A é o p o n t o i ma g e m, e m r e l a ç ã o a o e s p e l h o e e q ü i d i s t a n t e d o e s p e l h o. N a t u r a l mente, q u a n d o s e mo d i f i c a a p o s i ç ã o d e P, a d i s t â n c i a A P B é mí n i ma q u a n d o o s p o n t o s A, P e B e s t i v e r e m s o b r e u ma r e t a. Q u a n d o i s t o a c o n t e c e, vê -s e n a f i g u r a, o â n gul o d e i n c i d ê n c i a é i g u a l a o d e r e f l e x ã o. O p o d e r d e t r a n s missão o u t r a n s mi t â n c i a T e o d e r e f l e x ã o o u r e f l e t â n c i a R s ã o d e f i n i d o s c o mo a r a zão e n t r e o f l u x o d e p o t ê n c i a ( a o l o n go d a d i r e ç ã o n o r mal à s u p e r f í c i e ) d a s o n d a s t r a n s mitidas e r e f l e t i d a s, e m r e l a ç ã o à o n d a i n c i d e n t e. V i s t o q u e a s o n d a s r e f l e t i d a s e i n c i d e n t e s s e p r o p a g a m n o mesmo meio e p o s s u e m o mesmo ângulo com a nor mal à s u p e r f í c i e, t e mos q u e : T = 1 R ( 1. ) P o r t a n t o, p a r a a mb a s a s p o l a r i za ç õ e s T E ( T r a n s v e r s o E l é t r i c a ) e T M ( T r a n s v e r s o M a gnética), e p a r a a mbas a s r e f l e x õ e s i n t e r n a s e e x t e r n a s, a r e f l e t â n c i a e m incidência nor mal será dada por: 7

22 n n 1 I =. I 0 ( 1. 3 ) n + n1 A e q u a ç ã o 1. 3 f o i d e d u zi d a a t r a vé s d o c o e f i c i e n t e d e r e f l e x ã o e d e t r a n s mi s s ã o, p a r a p o l a r i z a ç õ e s T E e T M, s e g u n d o r e p r e s e n t a ç ã o e m c o o r d e n a d a s p o l a r e s, v e t o r J o n e s e E q u a ç õ e s d e F r e s n e l. [ 4 ] R = I / Io r e p r e s e n t a a r e f l e t â n c i a, o u s e j a, a r e l a ç ã o e n t r e o f l u x o d e p o t ê n c i a d a o n d a r e f l e t i d a c o m a o n d a i n c i d e n t e, p a r a u ma i n c i d ê n c i a n o r mal à s u p e r f í c i e. I 0 é a i n t e n s i d a d e i n c i d e n t e e I a r e f l e t i d a ; n 1 e n s ã o o s í n d i c e s d e r e f r a ç ã o d o s meios, q u e e s t ã o r e l a c i o n a d o s c o m a s v e l o c i d a d e s d a s o n d a s e l e t r o ma gn é t i c a s n o s mei o s p o r : c n =, ( 1. 4 ) v s e n d o c a v e l o c i d a d e d a l u z n o vá c u o, e v a ve l o c i d a d e d a l u z n o meio. N u m c a s o t í p i c o d e r e f l e x ã o n u ma i n t e r f a c e a r -vidr o, p a r a i n c i d ê n c i a n o r mal, em q u e n 1 = 1 e n = 1, 5 ; a e q u a ç ã o a c i ma r e s u l t a e m I = I 0 / 5 ; i s t o é, R = 0, 0 4 ; o u s o mente 4 % d e e n e r gi a é r e f l e t i d a, s e n d o o r e s t o t r a n s mi t i d o. N o c a s o e n t r e G a A s ( n = 3, 6 ) e a r ( n = 1, 0 ), R = 0, 3 ; i s t o é, 3 % d a l u z é r e f l e t i d a p a r a i n c i d ê n c i a n o r mal. A r e f l e t â n c i a p o d e s e r muito ma i o r o u mu i to me n o r p a r a â n gul o s o b l í q u o s, c o mo i l u s t r a d o n a F i gur a 1. 5 a s e g u i r 8

23 F i g : P o d e r d e r e f l e x ã o o u r e f l e t â n c i a d e o n d a s d e p o l a r i zação T E e T M, n a s s u p e r f í c i e s e n t r e a r e G a A s, c o mo função do ângul o d e i n c i d ê n c i a θ E s p a l h a m e n t o, E m i s s ã o, e A b s o r ç ã o d a l u z e m t e c i d o s b i o l ó g i c o s. A l g u n s e s p a l h a d o r e s b i o l ó g i c o s. A l u z p o d e r e ve l a r mu i t o s o b r e u m tecido, sem pr o vo c a r d a n o s a o mesmo. E l a p o d e s e r c o l e t a d a o u e n t r e g u e v i a f i b r a s ó p t i c a s, a s q u a i s p o d e m a c e s s ar l o c a i s r e mo t o s d e n t r o d o c o r p o h u ma n o, v i a a g u l h a s o u c a t é teres endos c ó p i c o s. A l u z n ã o p e n e t r a p r o f u n d a mente n o s t e c i d o s. A l u z v i s í v e l p e n e t r a a p e n a s a l g u n s m m. A l u z d o i n f r a v e r melho p r ó x i mo p e n e t r a a l gu n s c m. E s t a é u ma f o r ç a e a o mesmo t e mpo u ma f r a q u e z a. É u ma f r a q u e za p o r q u e a l u z p o d e a p e n a s i n ve s t i g a r vol u mes l i mi t a d o s d e t e c i d o. É u ma f o r ç a p o r q u e a maior p a r t e d e n o s s o c o r p o c o n s i s t e d e f i n a s c a ma d a s d e t e c i d o, e p o r t a n t o t é c n i c a s ó p t i c a s s ã o b e m a p r o p r i a d a s p a r a a i n ve s t i ga ç ã o d e c a ma d a s d e t e c i d o l o c a l i zadas. B o a p a r t e d a s d e c i s õ e s mé d i c a s s ã o b a s e a d a s n o s t a t u s d e s t a s c a ma d a s f i n a s d o s t e c i d o s b i o l ó gi c o s. T a l a va l i a ç ã o ó p t i c a d o s t e c i d o s é c o n h e c i d a c o mo B I Ó P S I A Ó P T I C A, a q u a l n ã o r e q u e r a n e c e s s i d a d e d e r e mo ç ã o d o t e c i d o a s e r a n a l i s a d o. 9

24 E s p a l h a m e n t o d a L u z : O r e d i r e c i o n a mento d e u m f e i x e d e l u z d e vi d o à s u a i n t e r a ç ã o c o m a ma t é r i a, o u t e c i d o, é o E S P A L H A M E N T O D A L U Z. P o d e o u n ã o o c o r r e r c o m t r a n s f e r ê n c i a d e e n e r gi a, i s t o é, a r a d i a ç ã o e s p a l h a d a p o d e t e r o u n ã o o me s mo c o mprimento de onda da radiação i n c i d e n t e. A l gu n s c i e n t i s t a s e s t u d a r a m c a s o s e s p e c í f i c o s d e e s p a l h a me n t o. - E s p a l h a m e n t o R a y l e i g h : a l u z é e s p a l h a d a e l á s t i c a ment e ( s e m p e r d a de e n e r gi a ), n o mesmo c o mprimento de onda e frequência da luz inci d e n t e ; c o m e s p a l h a me n t o e m ângulos d i ve r s o s. - E s p a l h a m e n t o B r i llouin: a l u z é e s p a l h a d a e m s ó l i d o s t r a n s p a r e n t e s, d e vi d o a vi b r a ç õ e s mo l e c u l a r e s ( f o n o n s ). N e s t e e s p a l h a me n t o a l u z é t i p i c a mente desviada de 0,1 para 1 núme r o d e o n d a d a l u z i n c i d e n t e. - E s p a l h a m e n t o R a m a n : a l u z é e s p a l h a d a d e vi d o a v i b r a ç õ e s mo l e c u l a r e s o u f o n o n s ó p t i c o s e m s ó l i d o s. N e s t e e s p a l h a mento, a l u z é d e s v i a d a p o r a té n ú meros d e o n d a d a l u z i n c i d e n t e. A l u z t r o c a a s u a e n e r gi a c o m a s v i b r a ç õ e s moleculares. C o n c e i t o s d e i n t e r e s s e : E m i s s ã o o u l u m i n e s c ê n c i a o c o r r e q u a n d o h á a t r a n s i ç ã o d e u m n í ve l d e e n e r gi a mais a l t o p a r a u m me n o s e n e r gé t i c o, s e a e n e r gi a f o r t r a n s f e r i d a p a r a o c a mpo d a r a d i a ç ã o, o u d e c a i me n t o n ã o r a d i a t i v o s e n e n h u ma r a d i a ç ã o f o r e mitida. Á t o mos o u mo l é c u l a s q u e e s t ã o e x c i t a d o s e m a l t o s n í ve is e n e r gé t i c o s p o d e m d e c a i r p a r a n í v e i s mais b a i x o s d e e n e r gi a, p e l a e missão d e r a d i a ç ã o. 1 0

25 E m i s s ã o ó p t i c a o u a t ô m i c a : á t o mo s e x c i t a d o s p o r u ma f o n t e d e e n e r gi a e m a l t a t e mperat u r a. F l u o r e s c ê n c i a a t ô m i c a : á t o mos e x c i t a d o s. F l u o r e s c ê n c i a m o l e c u l a r : e s t a d o s e l e t r ô n i c o s d e moléculas são excitados e d e c a e m p a r a e s t a d o s me n o s e n e r g é t i c o s. F o s f o r e s c ê n c i a : s e me l h a n t e, mas o decai ment o é muito mais lento A b s o r ç ã o d a L u z: É a t r a n s i ç ã o d e u m n í ve l d e e n e r g i a me n o r p a r a u m d e maior e n e r g i a, c o m a t r a n s f e r ê n c i a d a e n e r gi a d a r a d i a ç ã o p a r a o á t o mo, o u mo l é c u l a. Q u a n d o á t o mo s o u moléculas a b s o r v e m l u z, a e n e r g i a i n c i d e n t e e x c i t a a e s t r u t u r a q u a n t i z a d a p a r a u m n í ve l e n e r gé t i c o maior. O t i p o d e e x c i t a ç ã o d e p e n d e do c o mprimento d a l u z i n c i d e n t e. E l é t r o n s s ã o p r o mo vi d o s a o r b i t a i s mais a l t o s, p o r l u z v i s í v e l o u p o r r a d i a ç ã o u ltravi o l e t a ( U V ), v i b r a ç õ e s e o u t r o s mo v i me n t o s i n t e r a t ô mi c o s s ã o e x c i t a d o s p o r r a d i a ç ã o i n f r a v e r melha ( IV ), e r o t a ç õ e s s ã o e x c i t a d a s p o r microondas. U m e s p e c t r o d e a b s o r ç ã o é a a b s o r ç ã o d a l u z c o mo u ma f u n ç ã o d o c o mprimento d e o n d a. É ú t i l p a r a s e i d e n t i f i c a r c o mp o s t o s. M e d i d a s da c o n c e n t r a ç ã o d e e s p é c i e s a b s o r ve d o r a s e m u ma a mo s t r a s ã o a c o mpanhadas p e la a p l i c a ç ã o d a l e i d e L a m b e r t - B e e r : T = I/ I 0 = ex p ( -µ a.l), o n d e µ a r ep r es en t a o c oeficient e d e a b sorção da am ostra, e L o c aminho m éd io efetivo s e guido pelo fót on na am ostra. 1 1

26 A l g u n s e s p a l h a d o r e s b i o l ó g i c o s : A l u z e s p a l h a d a p o r u m t e c i d o t e m i n t e r a ç ã o c o m a s u a u l t r a -e s t r u t u r a, a q u a l s e e s t e n d e d e a g r e ga d o s me mbrana a me mbrana à s f i b r a s d e c o l á g e n o, e p a r a o n ú c l e o c e l u l a r. F ó t o n s s ã o ma i s f o r t e mente e s p a l h a d o s p o r e s t r u t u r as c uj a s d i mensões s e i g u a l a m a o s e u c o mprime n t o d e o n d a, c o n f o r me a F i gur a 1. 6 a s e g u i r i l u s t r a. O e s p a l h a me n t o d a l u z p o r e s t r u t u r a s d e me s ma e s c a l a e m d i mens ã o q u e o c o mprime n t o d e o n d a é d e s c r i t o p e l a T e o r i a d e M i e. O e s p a l h a ment o d a l u z p o r e s t r u t u r a s muito menores d o q u e o c o mprimento d e o n d a d o f ó t o n é c h a ma d o d e L i mite R a yl e i gh d o e s p a l h a mento M i e, o u s i mpl e s mente espalhament o R a yl e i g h. H I E R A R Q U I A D A U L T R A - E S T R U T U R A 1 0 µ m c é l u l a s n ú c l e o 1 µ m mi t o c ô n d r i a e s p a l h a me n t o d e M i e l i s o s s o mos, v e s í c u l a s 0, 1 µ m e s p a l h a me n t o e s t r i a s e m colágenos fibr o s o s R a yl e i g h a gr e g a d o s macro mo l e c u l a r e s 0, 0 1 µ m me mb r a n a s F i g : A H i e r a r q u i a d a u l t r a -e s t r u t u r a c e l u l a r. 1

27 E m s e g u i d a e s t ã o a l g u n s e x e mpl o s d e e s t r u t u r a s q u e e s p a l h a m a l u z: 1. M I T O C Ô N D R I A S : S ã o o r ga n e l a s i n t r a c e l u l a r e s d e a p r o x i ma d a mente 1 µ m d e c o mprime n t o, c o mpostas d e mu i t a s me mb r a n a s l i p í d i c a s i n t e r n a s. A me mb r a n a b i c a mada l i p í d i c a b á s i c a t e m a o r e d o r d e 9 n m d e l a r g u r a. A c o mbinação d o í n d i c e d e r e f r a ç ã o e n t r e o l i p í d i o e o meio a q u o s o c i r c u n d a n t e c a u s a f o r t e e s p a l h a m e n t o d e l u z. A s d o b r a s d e s t a s me mbranas a p r e s e n t a m e s t r u t u r a s l i p í d i c a s d e g r a n d e s d i me n s õ e s, a s q u a i s a f e t a m comp r i me n t o s d e F i g : M i t o c ô n d r i a l u z mais l o n g o s, c o n f o r me a F i g u r a 1. 7 a o l a d o i l u s t r a. A d e n s i d a d e d a s i n t e r f a c e s á gu a -lipídi o d e n t r o d a mi t o c ô n d r i a f a z d as me s mas gr a n d e s e s p a l h a d o r a s d e l u z. S e m a s mito c ô n d r i a s, a s q u a i s o c u p a m u ma p o r ç ã o s u b s t a n c i a l d o v o l u me c i t o p l a s mático d a s c é l u l a s e u c a r i ó t i c a s, a s n o s s a s c é l u l a s s e r i a m f o r t e mente d e p e n d e n t e s d e g l i c ó l i s e a n a e r ó b i c a ( q u e b r a d a gl i c o s e p a r a a f o r mação d e á c i d o p i r ú vi c o, s e m oxi gê n i o ) p a r a t o d o o s e u A T P ( T r i -Fosfato de A d e n o s i n a ). N a s mi t o c ô n d r i a s, o metabolismo d o a ç ú c a r é c o mpletado. A e n e r g i a l i b e r a d a é t ã o e f i c i e n t e mente a p r o ve i t a d a, q u e a o r e d o r d e 3 0 moléculas d e A T P s ã o p r o d u zi d a s p a r a c a d a molécula d e gl u c o s e o x i d a d a. E m c o n t r a p a r t i d a, a p e n a s molécul a s d e A T P s ã o p r o d u zi d a s a p e n a s p o r gl i c ó l i s e [ 4 4, 4 5 ]. 1 3

28 . F I B R A S D E C O L Á G E N O, F I B R I L A S : F i g : F i b r a s d e c o l á g e n o D e p o i s d a á g u a, a s u b s t â n c i a mais a b u n d a n t e n a maioria d a s c é l u l a s é a p r o t e í n a, q u e n o r malme n t e c o n s t i t u i d e 1 0 a 0 p o r c e n t o d a ma s s a c e l u l a r. S ã o d i v i d i d a s e m t i p o s. A s e s t r u t u r a i s e a s e n zi ma s. O c o u r o, o p ê l o e o s c a b e l o s s ã o n a maior p a r t e c o n s t i t u í d o s d e p r o t e í n a s e s t r u t u r a i s. A mai o r p a r t e d a s p r o t e í n a s e s t r u t u r a i s é f i b r i l a r, i s t o é, a s moléculas i n d i v i d u a l i z a d a s d e p r o t e í n a s ã o p o l i meriza d a s e m l o n go s f i l a m e n t o s f i b r o s o s, c o n f o r me a F i g u r a 1. 8 a c i ma ilu s t r a. E s t ã o p r e s e n t e s n a me mb r a n a c e l u l a r, n o e n voltó r i o n u c l e a r, n o r e t í c u l o e n d o p l a s mático e nas mi t o c ô n d r i a s [ 4 4 ]. A s f i b r a s d e c o l á g e n o ( d e a 3 µ m d e d i â metro) s ã o c o mpostas d e p a c o t e s d e p e q u e n a s f i b r i l a s d e c o l á ge n o, c o m a p r o x i ma d a me n t e 0, 3 µ m d e d i â metro. O e s p a l h a ment o d e M i e d e s t a s f i b r a s d o mi n a o e s p a l h a ment o n a r e gi ã o do i n f r a ve r melho. N o n í v e l u l t r a e s t r u t u r a l, f i b r i l a s s ã o c o mpostas d e moléculas t r o p o c o l á ge n a s e n t r e l a ç a d a s. 1 4

29 A s f i b r i l a s a p r e s e n t a m u m p a d r ã o d e e s t r i a s c o m p e r i o d i c i d a d e d e 7 0 n m, d e vi d o a a l i n h a mentos em c a mbalei o s d a s molécul a s t r o p o c o l á g e n a s. A s f l u t u a ç õ e s p e r i ó d i c a s n o í n d i c e d e r e f r a ç ã o d e s t e s n í ve i s u l t r a e s t r u t u r a i s p a r e c e m c o n t r i b u i r p a r a o e s p a l h a me n t o R a y l e i g h, q u e d o mina n a s r e g i õ e s d e c o mpriment o s d e o n d a vi s í ve l e u l t r a vi o l e t a E s t u d o s p o r S i m u l a ç ã o d e M o n t e C a r l o, a f i m d e s e a v a l i a r a m a g n i t u d e d o p a r â m e t r o e s t a t í s t i c o σ ( d e s v i o p a d r ã o ), p a r a s i s t e m a s f í s i c o s r e a i s. O s métodos d e s i mulação d e M o n t e C a r l o [ 3 8 ] ( a n a l o g i a c o m a r r e messo d e d a d o s ) t ê m s i d o u s a d o s p a r a s e e x p l o r a r o s e f e i t o s d o e s p a l h a me n t o e r e a b s o r ç ã o n o s e s p e c t r o s d e f l u o r e s c ê n c i a d e a mostras t u r v a s. A v a n t a ge m d e s t a t é c n i c a e s t á e m q u e f e i x e s d e c o l e t a e e x c i t a ç ã o, c o m d i â metro s f i n i t o s p o d e m s e r f a c i l mente modelados p a r a t e c i d o s n ã o h o mo g ê n e o s. E s t e m é t o d o s i m u l a o c a m i n h o a l e a t ó r i o d o s f ó t o n s em u m m e i o em q ue o c o r r a e s p a l h a m e n t o e a b s o r ç ã o. É b a s e a d o e m u m c o n j unt o d e r e g r a s q u e g o v e r n a m o mo vi ment o d o s f ó t o n s n o t e c i d o. A s d u a s d e c i s õ e s c h a ve s s ã o : - o l i vr e c a minho mé d i o p a r a e v e n t o s d e e s p a l h a me n t o o u a b s o r ç ã o, e - o â n gul o d e e s p a l h a me n t o. N o s l i mites, o f ó t o n é r e f l e t i d o o u mo ve -s e a t r a v é s d e s t a f r o n t e i r a. A s r e gr a s d e p r o p a g a ç ã o d o f ó t o n s ã o e x p r e s s a s c o mo d i s t r i b u i ç õ e s d e p r o b a b i l i d a d e p a r a p a s s o s i n c r e mentai s d e s e u s mo vi me n t o s e n t r e gr u p o s de i n t e r a ç ã o f ó t o n -tecido, p a r a â n g u l o s d e d e f l e x ã o n a t r a j e t ó r ia d o f ó t o n, q u a n d o o c o r r e m e v e n t o s d e e s p a l h a me n t o, e p a r a a p r o b a b i l i d a d e d e t r a n s mitânci a o u r e f l e t â n c i a n a s f r o n t e i r a s d o t e c i d o. 1 5

30 P a r a a q u a n t i zação d o s c r o mófor o s a t r a v é s d e me d i d a s e s p e c t r o s c ó p i c a s, me d i d a s d a r e f l e t â n c i a d i f u s a e m d i f e r e n t e s c o mp r i mentos d e o n d a, é n e c e s s á r i o s e medir o c o e f i c i e n t e d e a b s o r ç ã o µ a, q u e é p r o p o r c i o n a l à c o n c e n t r a ç ã o d o s c r o mó f o r o s, mas é i mp o s s í ve l d e s e me d i r o va l o r d e µ a a t r a v é s d a l e i d e a t e n u a ç ã o d e L a m b e r t - B e e r : T = I/ I 0 = e x p ( - µ a. L), d e s d e q u e o c a mi n h o médio L efetiv o s e g u i d o p e l a r a d i a ç ã o ( f ó t o n ) é d e s c o n h e c i d o. O M é t o d o d e M o n t e C a r l o é b a s i c a mente e s t a t í s t i c o n a s u a n a t u r e za, e r e q u e r u m c o mp u t a d o r b e m r á p i d o p a r a s e c a l c u l a r a p r o p a ga ç ã o d e u m g r a n d e n ú mero de f ó t o n s. A s s i mu l a ç õ e s d e M o n t e C a r l o s ã o b a s e a d a s e m p r o p r i e d a d e s ó p t i c a s ma c r o s c ó p i c a s, q u e s ã o a s s u midas c o mo s e n d o u n i f o r mes s o b r e p e q u e n a s u n i d a d e s d o v o l u me d o t e c i d o. E s t a s s i mulações n ã o t r a t a m e m d e t a l h e s a d i s t r i b u i ç ã o d e e n e r g i a d e n t r o d a s c é l u l a s, p o r e x e mplo. O l i v r e c a m i n h o m é d i o e n t r e i n t e r a ç õ e s f ó t o n - t e c i d o t i p i c a me n t e a l c a n ça d e 1 0 a µ m, c o m µ m o u 0, 1 m m s e n d o u m v a l o r t í p i c o p a r a o e s p e c t r o v i s í v e l [ 3 8 ]. A s i mul a ç ã o d e f l u o r e s c ê n c i a c o n s i s t e d e t r ê s p a s s o s : a ) a d i s t r i b u i ç ã o d a l u z d e e x c i t a ç ã o n o t e c i d o é s i mulada u s a n d o -se a s t é c n i c a s d e M o n t e C a r l o. b ) a f l u o r e s c ê n c i a q u e a l c a n ç a o t e c i d o d o i n d i ví d u o, i s o t r ó p i c a mente r a d i a n t e, p o n t o d e f o n t e s l o c a l i za d a s e m d i f e r e n t e s l o c a i s d e n t r o d o t e c i d o é s i mulada usando-se esta técnica. c ) f i n a l me n t e, a f l u o r e s c ê n c i a t o t a l q u e e s c a p a d a s u p e r f í c i e d o t e c i d o é c a l c u l a d a p e l a s o ma d a s c o n t r i b u i ç õ e s d e t o d a s a s f o n t e s p o n t u a i s, p o n d e r a d a s p e l a f l u o r e s c ê n c i a r e l a t i v a p r o d u z i d a e n t r e o s f l u o r ó f o r o s e a i n t e n s i d a d e d e e x c i t a ç ã o e m cada ponto. 1 6

31 N e s t a t é c n i c a, o s p r o c e d i ment o s d e c á l c u l o c o mputaci o n a l o b e d e c e m à s e g u i n t e l ó g i c a, c o mo n u m l a n ç a me n t o d e d a d o s e r o l e t a d a s o r t e. O f ó t o n é i n i c i a l i zado c o m u m p e s o p o n d e r a d o u n i t á r i o. A d i s t â n c i a d o p a s s o d e s t e f ó t o n a o p r i meiro e v e n t o d e i n t e r a ç ã o é e n c o n t r a d a, e o f ó t o n é mo vi d o. S e o f ó t o n d e i x a r o t e c i d o, a p o s s i b i l i d a d e d e r e f l e t â n c i a i n t e r n a é c h e c a d a. S e o f ó t o n f o r i n t e r n a ment e r e f l e t i d o, e n t ã o a p o s i ç ã o d o f ó t o n é a j u s t a d a d e a c o r d o, e o p r o gr a ma c o mp u t a c i o n a l c o n t i n u a. C a s o c o n t r á r i o, o f ó t o n e s c a p a e o e v e n t o é gr a va d o c o mo u ma r e f l e t â n c i a o b s e r v á ve l ( o u t r a n s mi t â n c i a ). E m cada passo o peso ponderado do f ó t o n é d i minuí d o. A f r a ç ã o d e p e s o p o n d e r a d o p e r d i d o é a d i c i o n a d a a o e l e ment o l o c a l d e u ma matriz a s s o c i a d a à p o s i ç ã o d o f ó t o n, a q u a l i n d i c a r á a e n e r gi a a b s o r vi da d o f ó t o n p e l o t e c i d o. O p e s o p o n d e r a d o r e manescente d o f ó t o n é e n t ã o e s p a l h a d o e s t a t i s t i c a mente p a r a a l c a n ç a r u ma n o v a d i r e ç ã o, e u m n o v o p a s s o é c a l c u l a d o. S e o p e s o p o n d e r a d o d e s t e f ó t o n c a i r a b a i x o d o v a l o r l i mite míni mo, e n t ã o a r o l e t a é n o v a mente j o ga d a ( o u o d a d o l a n ç a d o ) p a r a e x t i n g u i r o f ó t o n, ou c o n t i n u a r p r o p a g a n d o o mesmo. A F i g u r a 1. 9 a s e g u i r i l u s t r a n a f o r ma d e u m f l u x o g r a ma, a l ó g i ca c o mputaci o n a l d o M é t o d o d e M o n t e C a r l o. 1 7

32 L a n ç a mento do fót o n T a ma n h o d a a mo s t r a M o v i ment o d o f ó t o n A b s o r vi d o ( d e c r é s c i mo d o p e s o p o n d e r a d o d o f ó t o n ) N ã o A t i n ge a F r o n t e i r a? S i m C o n t á -lo F ó t o n t e m p o u c o p e s o p o n d e r a d o? N ã o S i m T e r minar F i g : F l u x o gr a ma p a r a a s i mulação comp u t a c i o n a l d a d i f u s ã o f o t ô n i c a e m mei o s t u r vo s, u s a n d o o mét o d o d e M o n t e C a r l o. [ 3 6 ] G r a a f f e t a l. [ 3 5 ] u s a r a m a s s i mul a ç õ e s d e M o n t e C a r l o p a r a r e a va l i a r me d i d a s d a t r a n s mitância p o r meio d e e s f e r a s i n t e g r a d o r a s. E s t e s a u t o r e s e s t i maram q u e o c o e f i c i e n t e d e a b s o r ç ã o mé d i o p a r a a d e r me h u mana i n v i v o g i r a va a o r e d o r d e 1 0 v e z e s menos q u e o p r e vi a me n t e r e l a t a d o ( p a r a n m, µ a = 0, a 0, 0 mm - 1, a o i n vé s d e 0, 7 mm - 1 ). 1 8

33 A c o mbinação d e medi d a s ó p t i c a s e t é r micas p o d e p e r mitir q u e s e f a ç a m me d i d a s i n v i v o d a s p r o p r i e d a d e s ó p t i c a s. U ma me d i d a t é r mica p o d e f o r n e c e r o c o e f i c i e n t e d e a b s o r ç ã o, e u ma medida ó p t i c a p o d e f o r n e c e r o c o e f i c i e n t e d e e s p a l h a me n t o r e d u z i d o µ s = µ s. (1 -g ) [ c m - 1 ], o q u a l i n c o r p o r a o c o e f i c i e n te d e e s p a l h a mento µ s e a a n i s o t r o p i a g, me d i d a d a q u a n t i d a d e d i r e c i o n a l f r o n t al r e t i d a a p ó s u m evento de espalhament o. V i d e a F i gur a a s e guir. Â n g u l o d e d e f l e x ã o θ c o s θ t r a j e t ó r i a d o f ó t o n e v e n t o d e e s p a l h a mento F i g : U m e v e n t o d e e s p a l h a mento c a u s a u ma d e f l e x ã o n u m â n g u l o θ d a t r a j e t ó r i a o r i gi n a l d o f ó t o n. A c o mponente a l i n h a d a n a d i r e ç ã o d a i n c i d ê n c i a a n t e r i o r a o e s p a l h a ment o é p r o p o r c i o n a l a o c o s θ. N a mé d i a, há u m â n gul o d e d e f l e x ã o, e o va l o r mé d i o d a p r o j e ç ã o d e c o s θ é d e f i n i d o c o mo sendo a anisotropia, g. 1 9

34 O o b j e t i vo d e µ s é d e s c r ev e r a difusão d e fó tons em c a minhos a l e at ó rios, d e di mensões 1/µ s [ c m], o nde c ad a p a sso en volve e s p alhament os isotrópi co s. T a l d e scrição é equival e nt e ao movimento do f ót on usando mui tos p e quenos c aminhos 1 /µ s, o s q u a i s c a d a u m e n v o l ve m a p e n a s u m â n g u l o d e d e f l e x ã o p a r c i a l θ, s e h o u v e r muito s e ve n t o s d e e s p a l h a ment o a n t e s d e u m e v e n t o d e a b s o r ç ã o, i s t o é, s e µ a < < µ ' s [ 4 3 ]. E s t a s i t u a ç ã o d e t r a n s missão d a l u z d o minada p o r e s p a l h a mento é c h a mada r e g i m e d e d i f u s ã o, e µ ' s é ú t i l n o r e gime d ifu sivo, o qual é c o mument e e n co nt rado a o s e e studar c o mo a luz vi sível e i n f r av e rm el ha p r óxima ( N IR ) se propaga através de tecidos biológi c os A l g u n s t r a b a l h o s c o r r e l a c i o n a d o s, d e i n t e r e s s e p a r a a p r e s e n t e p e s q u i s a, e s t ã o a b a i x o r e s u m i d o s : 1. P r o p r i e d a d e s Ó p t i c a s d o s T e c i d o s : N i l s s o n, A. M. K. e t a l. [ 4 0 ] r e l a t a m n u m t r a b a l h o o e s t u d o d a s p r o p r i e d a d e s ó p t i c a s d o s t e c i d o s. Q u a n d o a l u z i n t e r a g e c o m o t e c i d o, e l a é t a n t o a b s o r vi d a q u a n t o e s p a l h a d a, d e p e n d e n d o d a s p r o p r i e d a d e s ó p t i c a s d e s t e t e c i d o. O c o n h e c i ment o c o n c e r n e n t e a o t r a n s p o r t e d a l u z n o t e c i d o é e s s e n c i a l e m d o s i me t r i a, t e r a p i a f o t o d i n â mi c a e m t u mores, t r a t a ment o s f o t o t é r micos, d i a g n ó s t i c o f l u o r e s c e n t e e p o r t r a n s i l u minação d e i ma ge m, e n t r e o u t r o s. P o r t a n t o, é i mportante s e d e t e r minar o s va l o r e s a b s o l u t o s d o c o e f i c i e n t e d e e s p a l h a me n t o, d e a b s o r ç ã o, a a n i s o t r o p i a g, o â n g u l o d e e s p a l h a ment o, a s s i m c o mo a s mu d a n ç a s n e s t e s p a r â metro s d e vi d o a f e r i ment o s n o t e c i d o, d u r a n t e t r a t a me n t o s p o r l a s e r. 0

35 A s medidas d e s t a s p r o p r i e d a d e s ó p t i c a s p o d e m s e r f e i t a s p o r t é c n i c a s de e s f e r a d e i n t e g r a ç ã o, o b t e n d o -s e e s t a s p r o p r i e d a d e s a n t e s e d e p o i s d a t e r a p i a f o t o d i n â mi c a, a f i m d e s e i n ve s t i g a r s e a p e n e t r a ç ã o d a l u z mu d a d u r a n t e o t r a t a me n t o. O s r e s u l t a d o s mostraram u m a u ment o c o n s i d e r á v e l n o c o e f i c i e n t e de a b s o r ç ã o, c a u s a n d o u m d e c r é s c i mo n a p e n e t r a ç ã o d a l u z d u r a n t e o t r a t a ment o, o q u e p r o va v e l mente r e d u z o e f e i t o d o me s mo. E m c o l a b o r a ç ã o c o m o C e n t r o M é d i c o d e L a s e r, A M C, e m A msterdam, inve s t i g a ç õ e s e m c o mo a s p r o p r i e d a d e s ó p t i c a s d o s a n g u e mu d a m d e v i d o a o a q u e c i me n t o t ê m s i d o r e a l i zadas. O s a n gu e c o n t é m u m d o s p r i n c i p a i s a b s o r ve d o r e s d e l u z n o t e c i d o, t r a n s f e r i n d o a e n e r gi a l u mi n o s a e m c a l o r, e é d e i n t e r e s s e p r i mordi a l e m c o n e x ã o c o m f o r mas d e t r a t a me n t o f o t o t é r micas. Q u a n d o o s a n gu e é l e n t a mente a q u e c i d o, i mitando-se p o r e x e mplo u ma h i p e r t e r mia, n ó s o b s e r v a mos u m p e q u e n o, ma s d i s t i n t o a u ment o n o c o e f i c i e n te d e e s p a l h a ment o r e d u zi d o, a º C, e u m a u ment o c o n t í n u o n o c o e f i c i e n t e d e a b s o r ç ã o c o m o aume n t o d a t e mp e r a t u r a. Q u a n d o o s a n g u e é a q u e c i d o p o r u m pequeno pulso de laser, para modelar o t r a t a me n t o d e ma n c h a s v e r mel h a s, mu d a n ç a s c a r a c t e r í s t i c a s n a l u z t r a n s mi t i d a e r e f l e t i d a o c o r r e m d u r a n t e o p u l s o p a r a d i f e r e n t e s d e n s i d a d e s d e e n e r gi a d o l a s e r, e n t r e g u e s à s a mostras d o s a n g u e. O c o n t í n u o d e c r é s c i mo n a t r a n s m i t â n c i a n o c o me ç o d o p u l s o p o d e s e r c o r r e l a c i o n a d o c o m o a u mento d o c o e f i c i e n t e d e a b s o r ç ã o o b s e r v a d o q u a n d o o s a n g u e e s t a va s e n d o l e n t a me n t e a q u e c i d o, e o a u me n t o d a r e f l e t â n c i a p o d e s e r d e vi d o à c o a g u l a ç ã o d o s a n g u e, e f i n a l me n t e o a u ment o ma n i f e s t a d o e m a mb a s r e f l e t â n c i a e t r a n s mi t â n c i a p a r a a l t a s d e n s i d a d e s d e e n e r gi a d o l a s e r p o d e s e r c o r r e l a c i o n a d o c o m a v a p o r i z a ç ão e c o m a f o r ma ç ã o d e b o l h a s n o s a n g u e. 1

36 . Q u a l i d a d e d e i m a g e n s e m t r a n s i l u m i n a ç ã o r e s o l v i d a s n o t e m p o d e m e i o s a l t a m e n t e e s p a l h a d o r e s : U s a n d o -se u m e q u i p a mento c o n t a d o r d e f ó t o n s e u m a r r a n j o d e c â mara u l t r a -r á p i d a ( s t r e a k - c a m e r a ), c o m r e s o l u ç õ e s t e mp o r a i s d e 3 5 p s e 6 p s, r e s p e c t i v a mente, P a p a i o a n n o u, D. G. e t a l. [ 1 8 ] i n v e s t i ga r a m a r e s o l u ç ã o e s p a c i a l d e u ma t é c n i c a d e t r a n s i l u minação c o m p o r t a t e mp o r a l a p l i c a d a e m me i o s t u r v o s. N o c a s o d e g r a n d e s q u a n t i d a d e s r e l a t i v a s d e l u z n ã o e s p a l h a d a s, f o i e n c o n t r a d o q u e p e q u e n o s â n g u l o s d e d e t e c ç ã o a u me n t a r a m a r e s o l u ç ã o e s p a c i a l. P a r a gr a n d e s c o n c e n t r a ç õ e s d e e s p a l h a d o r e s e a mo s t r a s e s p e s s a s, o u s e j a, q u a n d o a l u z n ã o e s p a l h a d a f o r d e s p r e zí v e l, a melhor posição da porta t e mporal f o i e n c o n t r a d a e s t a r e m p e r í o d o s d e t e mp o p o s t e r i o r a o t e mp o d e t r â n s i t o mí n i mo. N e s t e c a s o, r e s o l u ç õ e s t e mpor a i s d e p e q u e n o s v a l o r e s p a r a a té a p r o x i ma d a mente 50 ps f o r n e c e r a m quase a mesma r e s o l u ç ã o e m i ma ge m. A ú n i c a v a n t a ge m d e s i s t e mas d e medi d a c o m r e s o l u ç õ e s t e mp o r a i s ma i o r e s q u e 5 0 p s e s t á n a h a b i l i d a d e e m s e d i s t i n guir a l u z d i f u s a d a n ão e s p a l h a d a, q u a n d o u ma q u a n t i d a d e s i g n i f i c a t i v a d a ú l t i ma e s t i ve r p r e s e n t e. A o b s e r v a ç ã o d o p e r f i l t e mpor a l d a l u z t r a n s mitida, j u n t o à j a n e l a t e mp o r a l, p o d e f o r n e c e r i n f o r mações rel e v a n t e s d e c o r p o s e s c o n d i d o s e m me i o s t u r v o s. C o m e s t a s t é c n i c a s, a s q u a i s u s a m a l u z n ã o e s p a l h a d a, r e s o l u ç õ e s de i ma ge n s s u b milimétricas podem s e r f a c i l me n t e a l c a n ç a d a s.

37 3. T r a n s i l u m i n a ç ã o r e s o l v i d a n o t e m p o p a r a d i a g n ó s t i c o m é d i c o : U ma t é c n i c a d e p o r t a t e mporal p a r a a p e r f e i ç o a r a p o s s i b i l i d a d e d e se l o c a l i zar d i f e r e n ç a s e s p a c i a i s n a a b s o r ç ã o, q u a n d o n a t r a n s i l u mi n a ç ã o d e u m me i o t u r v o a l t a mente e s p a l h a d o r, t a l c o mo o t e c i d o h u mano, é i n v e s t i ga d a p o r A n d e r s s o n -En g e l s, S. e t a l. [ 4 1 ]. Q u a n d o s e t r a n s mitem p u l s o s l a s e r d e p i c o s e g u n d o s, e s e d e t e c t a m f ó t o ns n o l a d o o p o s t o d o o b j e t o, o c o n t r a s t e p o d e s e r f o r t e mente a u mentado p e l a d e t e c ç ã o d e a p e n a s o s f ó t o n s c o m o mais curto temp o d e v ô o ( p e r c u r s o ). M e d i d a s e m p h a n t o m s d e t e c i d o c o m 3 5 m m d e e s p e s s u r a, e c o m o b j e t os i n t e r n o s c o m a b s o r ç ã o c o m 5 mm d e d i â me t r o ; f o r a m r e l a t a d a s c o m d a d o s p a ra a mã o h u mana i n v i v o. Imp l i c a ç õ e s p a r a a ma mo g r a f i a ó p t i c a ( d i a f a n o g r a f i a ) s ã o d i s c u t i d a s n e s t e t r a b a l h o. A F i g u r a d e d o médio, com medi d a s t o madas in vivo. a s e g u i r i l u s t r a u ma i ma g e m d e u ma mão, n u m z o o m d o 3

38 F i g : Intensidade luminosa detect a d a q u a n d o e s c a n e a n d o a t r a v é s d e u ma mão ( z o o m d o d e d o mé d i o ) i n v i v o. A c u r va s ó l i d a c o r r e s p o n d e à l u z d e t e c t a d a d u r a n t e o s p r i meiro s 8 0 p s, e a c u r va p o n t i l h a d a é a i n t e n s i d a d e t o t a l d e t e c t a d a. 4

39 4. T r a n s i l u m i n a ç ã o r e s o l v i d a n o t e m p o p a r a e s t u d o s e m f o l h a s d e p l a n t a s : E s t e e s t u d o, d e s e n v o l v i d o p o r J o h a n s s o n, J. e t a l. [ 4 ] é d e g r a n d e i mportância p a r a s e e n t e n d e r o f u n c i o n a mento d o s c l o r o p l a s t o s q u e t o ma m p a r t e d a f o t o s s í n t e s e d a s p l a n t a s. D e vi d o a d i f e r e n ç a s n o f l u x o d e l u z e n a d i s t r i b u i ç ã o e s p e c t r a l e m d i f e r e n t e s l o c a i s, q u e a s f o l h a s a d o t a m p a r a o t i mi zar a s u a f o t o s s í n t e s e. A d i s t r i b u i ç ã o d e l u z n a f o l h a é d e t e r minada p e l a c o n t r i b u i ç ã o r e l a t i va d a a b s o r ç ã o e e s p a l h a mento e m s u a s c a ma d a s e p i d é r micas. N u m c a s o o n d e a a b s o r ç ã o d o mine s o b r e o e s p a l h a ment o, a a t e n u a ç ã o d a l u z s e gu e a l e i de L a mbert-b e e r, q u e p r e d i z u ma q u e d a e x p o n e n c i a l d o f l u x o d e l u z c o mo f u n ç ã o d a p r o f u n d i d a d e o u e s p e s s u r a. P o r o u tro l a d o, s e o e s p a l h a mento d o mina, a a t e n u a ç ã o l u minos a s e r á d e vi d a e m s u a ma i o r p a r t e à d i f u s ã o, e a l u z s e r á n e s te c a s o mais i g u a l mente distribuída dentro da fol h a. D i f e r e n t e s t é c n i c a s p a r a s e d e t e r minar a s p r o p r i e d a d e s ó p t i c a s d a s f o l h a s t ê m s i d o u s a d a s. C á l c u l o s t e ó r i c o s t ê m s i d o f e i t o s u s a n d o -s e p o r e x e mpl o a t e o r i a d e K u b e l ka -Munck, mas o r e s u l t a d o t e m u m v a l o r l i mitado, v i s t o a g e o metria c o mp l i c a d a d a s f o l h a s s e r u ma va r i á v e l c o mplexa. U ma t é c n i c a mais d i r e t a f o i a p r e s e n t a d a, o n d e o f l u x o d e l u z f o i medi d o u s a n d o -se f i b r a s ó p t i c a s e m d i f e r e n t e s p r o f u n d i d a d e s e â n g u l o s d e n t r o da f o l h a. E s t a i n v e s t i ga ç ã o d e u u m b o m r e s u l t a d o, c o n t u d o a p o s s i b i l i d a d e d e p e r t u r b a ç õ e s n o s i s t e ma d e i n s e r ç ã o d a s f i b r a s n u n c a p o d e s e r r e j e i t a d a. E s t e e s t u d o t e v e c o m o t é c n i c a s e m e d i r a d i s t r i b u i ç ã o t e m p o r a l d e um p u l s o l u m i n o s o d e 0 0 f s, a p ó s s e r t r a n s m i t i d o a t r a v é s d a f o l h a. O s r e s u l t a d o s d e s t a s medi d a s f o r a m c o r r e l a c i o n a d o s c o m o M é t o d o d e M o n t e C a r l o, e o s d a d o s p a r a o s c o e f i c i e n t e s d e e s p a l h a me n t o r e d u z i d o e a b s o r ç ã o f o r a m avaliados. 5

40 N a F i g u r a 1. 1 s e g u i n t e h á u ma c u r v a r e p r e s e n t a n d o d u a s f o l h a s p h a s e o u l o s c o m a l t a e b a i x a c o n c e n t r a ç ã o d e c l o r o f i l a. C u r v a s d e t r a n s i l u minação foram r e gi s t r a d a s n o s c o mp r i ment o s d e o n d a c o r r e s p o n d e n t e s à b a i x a a b s o r ç ã o ( n m), a l t a a b s o r ç ã o ( n m) e sem absorção ( n m). F i g : C u r va s d e t r a n s i l u mi n a ç ã o a 5 5 0, e n m para fol h a s p h a s e o u l o s d e d i f e r e n t e s c o n c e n t r a ç õ e s d e c l o r o f i l a. A f u n ç ã o r e s p o s t a d o s i s t e ma de medi d a e s t á i n c l u í d a e m a mb o s o s gr á f i c o s. 5. D i a g n ó s t i c o ó p t i c o. I m a g e n s. E s p a l h a m e n t o d a l u z p o l a r i z a d a n o s t e c i d o s b i o l ó g i c o s : E s t e e s t u d o, d e s e n vol v i d o p o r J a c q u e s, S. L. e t a l. [ 4 3 ], d i s c u t e o u s o d a l u z p o l a r i zada p a r a s e p r o d u zi r i ma g e n s d a s c a ma d a s s u p e r f i c i a i s d o s t e c i d o s b i o l ó gi c o s. T a i s i ma ge n s s ã o p a r t i c u l a r mente ú t e i s p a r a i ma ge n s d e c â n c e r d e p e l e e d i s p l a s i a s e p i t e l i a i s n o t r a t o g a s t r o i n t e s t i n a l, n a á r vor e br ô n q u i c a d o s p u l mões, n o c é r vi x e e m o u t r a s s u p e r f í c i e s d o t e c i d o o n d e p o s s a m s u r gi r t u mores. 6

41 U ma c â mera p r o t ó t i p o t i n h a u m d e t e t o r t i p o C C D d e 1 6 -b i t, p o s i c i o n a d o n u m b r a ç o b a l a n c e a d o c o m u ma j u n t a u n i ve r s a l. L u z b r a n c a f o i u s a d a. P o l a r i za d o r e s f o r a m r o t a c i o n a d o s manual me n t e. Ima g e n s f o r a m a d q u i r i d a s u s a n d o -se softw a r e L a b vi e w. ( D e p t. d e D e r matol o gi a, U n i v e r s i d a d e d e C i ê n c i a s d a S a ú d e d e O r e go n, U S A ). A F i g u r a a s e g u i r mo s t r a a i ma g e m d e u ma t a t u a ge m, c o mp a r a n d o -se e s t a i ma ge m q u a n d o f o r ma d a p e l a l u z b r a n c a v e r s u s l u z p o l a r i z a d a. T a t u a g e m L u z b r a n c a L u z p o l a r i z a d a F i g : A i ma g e m p o l a r i za d a f i c a mais leve d a n e g r i t u d e d a t a t u a ge m, mas a reflet â n c i a e s p e c u l a r d a l u z p o l a r i z a d a e s c u r e c e a s p a r t í c u l a s d e c a r b o n o, p r o p o r c i o n a n d o u ma i ma ge m f o r t e. 7

42 C o n c l u i u -s e d e s t e t r a b a l h o o s e g u i n t e : - E s f e r a s d e p o l i e s t i r e n o d e s p o l a r i za m mu i t o r a p i d a mente a l u z i n c i d e n t e p o l a r i za d a l i n e a r mente devi d o à r e f l e t â n c i a n a s s u p e r f í c i e s o b l í q u a s. - T e c i d o s b i r r e f r i n ge n t e s ( mú s c u l o s ) t a mbém d e s p o l a r i za m mu i t o r a p i d a me n t e a l u z p o l a r i za d a l i n e a r me n t e, d e f a s a n d o a s c o mp o n e n t e s p e r p e n d i c u l a r e s e p a r a l e l a s. - T e c i d o s n ã o b i r r e f r i n g e n t e s ( f í g a d o ) d e s p o l a r i z a m mais l e n t a me n t e a l u z i n c i d e n t e. - A s i ma ge n s d e p o l a r i za ç ã o c o n c e n t r a m o c o n t r a s t e d a i ma g e m d e n t r o da r e g i ã o o n d e o t u mor c r e s ç a. Q u a l q u e r p e r t u r b a ç ã o n a c a ma d a d é r mica u n i f o r me, d e v i d a à i n va s ã o d e u m c â n c e r p e r t u r b a r á, p o r o u t r o l a d o, a a p a r ê n c i a r e g u l a r d a d e r me. O u t r o s t e c i d o s p o d e m a p r e s e n t a r d i f e r e n t e s t i p o s d e e s p a l h a me n t o, a l é m d o s t e c i d o s s i mpl e s, e d a d e r me, mo d e l o s d e s t e e s t u d o. M ú s c u l o s t ê m mi o gl o b i n a e f i b r a s mi o s i n a -actin a. C é r e b r o t e m b a i n h a s d e mi e l i n a a o r e d o r d o s s e u s n e r v o s. T e c i d o s g o r d o s s ã o d i s t i n t o s e m s u a s p r o p r i e d a d e s. O e s p a l h a mento n o n ú c l e o f o i i g n o r a d o a q u i, mas é u m t i p o d e e s p a l h a me n t o e m p o t e n c i a l p a r a e s t u d o s c l í n i c o s. M u i t o ma i s t r a b a l h o s e r á r e q u e r i d o. A d e t e c ç ã o d e u m o b j e t o d e n t r o d e u m t e c i d o ( p o r e x e mplo, u m t u mor), o u o mapeame n t o d o s t a t u s f u n c i o n a l n u m t e c i d o ( e x., p e r f u s ã o s a n güí n e a ) r e q u e r ma i s q u e u ma s i mples e s p e c t r o s c o p i a. A d i s t r i b u i ç ã o e s p a c i a l d o s p a r â metros medi d o s d e ve s e r ma p e a d a. M e d i d a s d e p o s i ç õ e s múltip l a s p r o p o r c i o n a m a t r i a n g u l a ç ã o n e c e s s á r i a p a r a f o r n e c e r u m ma p e a mento 3 D do t e c i d o, b a s e a d o e m a l g u m modo espectro s c ó p i c o d e f i n i d o d e c o n t r a s t e. 8

43 O mo d o d e c o n t r a s t e p o d e s e r b a s e a d o t a mb é m e m a b s o r ç ã o, e s p a l h a me n t o, f l u o r e s c ê n c i a, o u e s p a l h a me n t o R a man no Infravermelho. I ma g e n s ó p t i c a s s ã o g e r a l me n t e c o n f u s a s, mas t ê m c o n t e ú d o e s p e c t r a l e p o d e m f o r n e c e r ma p e a mentos f u n c i o n a i s, c o mo p o r e x e mp l o, d e : P e r f u s ã o s a n g ü í n e a, h e morragi a c e r e b r a l, o x i g e n a ç ã o d o t e c i d o, e n a d i s t r i b u i ç ã o d e c o r a n t e s f l u o r e s c e n t e s, c o mo p o r e x e mpl o c o r a n t e s a d i c i o n a d o s a a n t i c o r p o s mo n o c l o n a i s. E m r e s u mo, o D I A G N Ó S T I C O Ó P T I C O é u ma mo d a l i d a d e p a r a s e a s s e s s a r e p r o d u zi r i ma ge n s d e t e c i d o s d e u ma ma n e i r a N Ã O I N V A S I V A P o l a r i z a ç ã o d a l u z: A p o l a r i zação d a l u z é d e t e r minada, t e mp o r a l mente, p e l a d i r e ç ã o d o v e t o r c a mpo e l é t r i c o E ( r, t ) = E ( x, y, z, t ). P a r a a l u z monocromática, a s t r ê s c o mponentes d e E v a r i a m s i n u s o i d a l me n t e c o m o t e mp o t ; c o m a mplitudes e f a s e s, a s q u a i s s ã o g e r a l me n t e d i f e r e n t e s, t a l q u e p a r a c a d a p o s i ç ã o r, a e x t r e mi d a d e d o v e t o r E ( r, t ) s e mo v e n o p l a n o e t r a ç a u ma e l i p s e, c o n f o r me a F i g u r a a s e g u i r i l u s t r a. O p l a n o, a o r i e n t a ç ã o e a f o r ma d e s t a e l i p s e v a r i a m ge r a l mente com o v e t o r p o s i ç ã o r. A p o l a r i z a ç ã o é i mp o r t a n t e n a i n t e r a ç ã o d a l u z c o m a matéria, c o mo e x e mplificado na Figura 1.14 s e gui n t e : 9

44 F i g : F o r mas de Pol a r i zação da luz A q u a n t i d a d e d e l u z r e f l e t i d a n a i n t e r f a c e d e d o i s mat e r i a i s d e p e n d e da p o l a r i zação da onda inci d e n t e. A q u a n t i d a d e d e l u z a b s o r vi d a p o r c e r t o s ma t e r i a i s é d e p e n d e n t e d e s u a p o l a r i zação. O e s p a l h a mento de luz na matéria é geral mente sensíve l à p o l a r i z a ç ã o. O í n d i c e d e r e f r a ç ã o d e materiais a n i s o t r ó p i c o s ( d i c r ó i c o s ) d e p e n d e da p o l a r i zação. O n d a s c o m d i f e r e n t e s p o l a r i za ç õ e s c a minham c o m d i f e r e n t es v e l o c i d a d e s e s u p o r t a m d i f e r e n t e s d e s v i o s d e f a s e, t a l q u e a e l i p s e de p o l a r i zação sej a modificada à me d i d a q u e a o n d a a va n c e ( e x. : l u z p o l a r i z a d a l i n e a r mente p o d e s e r t r a n s f o r ma d a e m l u z p o l a r i zada c i r c u l a r me n t e ). E s t a p r o p r i e d a d e é u s a d a n o p r o j e t o d e mu i t o s d i s p o s i t i vo s p o l a r i za d o r e s ó p t i c o s. O s c h a mados m a t e r i a i s o p t i c a m e n t e a t i v o s t ê m a c a p a c i d a d e n a t u r a l d e r o t a c i o n a r o p l a n o d e p o l a r i za ç ã o d a l u z l i n e a r ment e p o l a r i za d a. Na p r e s e n ç a d e c a mp o s ma g n é t i c o s ( B ), mu i t o s materiais rotacionam a sua 3 0

45 p o l a r i zação ( r o t a c i o n a d o r e s d e F a r a d a y ). Q u a n d o a r r a n j a d o s e m c e r t a s c o n f i g u r a ç õ e s, a t é me s mo c r i s t a i s l í q u i d o s a g e m c o mo r o t a c i o n a d o r e s d e p o l a r i zação. A l u z, e q u a l q u e r o u t r a o n d a e l e t r o ma gnética, é uma o n d a t r a n s ve r s a l e p o d e s e r p o l a r i z a d a. A f u n ç ã o d e o n d a E ( x, y, z, t ) é p e r p e n d i c u l a r à d i r e ç ã o d e p r o p a g a ç ã o. Q u a n d o e s t a d i r e ç ã o é s e mpre p a r a l e l a a u ma r e t a f i x a n o e s p a ç o, a l u z é l i n e a rm e n t e p o l a r i z a d a o u p l a n a. Ima g i n e, p o r e x e mp l o, a l u z q u e s e p r o p a g a n a d i r e ç ã o z. O c a mp o e l é t r i c o t e m a s c o mponentes E x e E y. C a s o u ma d e s t a s c o mponentes s e j a n u l a, o u a r a zão E x / E y n ã o d e p e n d a d o t e mp o, a l u z é l i n e a r mente polarizada. A o s c i l a ç ã o é c o n f i n a d a a u m plano. A p o l a r i zação e l í p t i c a e a c i r c u l a r o c o r r e m q u a n d o a s c o mp o n e n t e s E x e E y d i f e r e m d e 9 0 º n a f a s e. P o r e x e mplo, quando as comp o n e n t e s s ã o d a d a s p o r : E x = E o. s e n ( k z w t ) ( 1. 5 ) E y = E o. c o s ( k z w t ) = E o. s e n ( k z w t º ) ( 1. 6 ) a o n d a é c i r c u l a r m e n t e p o l a r i za d a, o n d e w, a f r e q u ê n c i a a n g u l a r e k, n ú me r o d e o n d a a n g u l a r, s e r e l a c i o n a m c o m a f r e q u ê n c i a f, e c o m o c o mpriment o d e o n d a λ p e l a s r e l a ç õ e s : w =. π. f e k =.π / λ ( 1. 7 ) A e x p r e s s ã o c o n s t a n t e ( k z w t ) é c h a ma d a d e a r g u m e n t o d a o n d a. A v e l o c i d a d e d a o n d a é d a d a p o r v = w / k = λ. f E m q u a l q u e r p o n t o n o e s p a ç o a e x t r e midade d o ve t o r E g i r a s e gu n d o u m c í r c u l o. C a s o a s g r a n d e zas d e E x e d e E y n ã o s e j a m i g u a i s, e a d e f a s a ge m s e j a d e 9 0 º, a e x t r e mi d a d e d o ve t o r E d e s c r e ve u ma elipse (luz elipticamente 3 1

46 p o l a r i z a d a ). Q u a n d o a d i f e r e n ç a d e f a s e e n t r e a s c o mp o n e n t e s v a r i a a o a c a so n o t e mp o, a l u z n ã o é p o l a r i z a d a. C o mo v i s t o a n t e r i o r ment e, a r a d i a ç ã o d e u m ú n i c o d i p o l o e l é t r i c o a t ô mico é lin e a r mente polarizada, mas em g e r a l a s f o n t e s d e l u z c o n s i s t e m n u m g r a n d e n ú mero d e á t o mo s q u e e mitem i n d e p e n d e n t e u n s d o s o u t r o s. A l u z r e s u l t a n t e, p o r i s s o, n ã o é p o l a r i zada. Q u a t r o f e n ô menos p o d e m l e v a r à p o l a r i zação d a l u z. S ã o e l e s, a a b s o r ç ã o o u d i c r o í s mo, a r e f l e x ã o, a d i f u s ã o e a d u p l a r e f r a ç ã o o u b i r r e f r i n gê n c i a. p e s q u i s a. E m e s p e c i a l, c o mentarei o f e n ô me n o d a d i f u s ã o, q u e é p e r t i n e n t e a e s t a P o l a r i z a ç ã o p o r D i f u s ã o d a l u z. E s p a l h a m e n t o d e R a y l e i g h. O f e n ô me n o d a a b s o r ç ã o e p o s t e r i o r e mi s s ã o é o e s p a l h a m e n t o o u a d i f u s ã o d a l u z. A r e f l e x ã o é, n a v e r d a d e, u ma d i f u s ã o r e a l i z a d a p o r u m g r a n de n ú mero d e c e n t r o s d e e s p a l h a mento, mu i t o j u n t o s, e m c o mp a r a ç ã o c o m o c o mprimento d e o n d a. A r e f r a ç ã o é u m f e n ô meno s e melhante, e m q u e a l u z e s p a l h a d a i n t e r f e r e c o m a l u z i n c i d e n t e. O t e r mo e s p a l h a ment o, o u d i f u s ã o, n o e n t a n t o, u s u a l me n t e s e r e f e r e a u ma s i t u a ç ã o e m q u e o s c e n t r o s d e e s p a l h a mento estão separados p o r d i s t â n c i as q u e n ã o s ã o p e q u e n a s e m c o mparação com o c o mprimento de onda. Um e x e mplo f a miliar d e d i f u s ã o é o e s p a l h a mento d a l u z p o r a g l o merados d e molécul a s de a r, q u e t e n d e a d e s v i a r mais o s c o mprime n t o s d e o n d a c u r t o s ( a z u l ) q u e os l o n gos ( ve r melho), d a n d o a o c é u a s u a c o l o r a ç ã o a zul. 3

47 A d i f u s ã o p o d e s e r d e monstrada p e l a a d i ç ã o d e u ma p e q u e n a q u a n t i d a d e d e l e i t e e m p ó a u m f r a s c o c o m á g u a. A s p a r t í c u l a s d e l e i t e a b s o r ve m a l u z e a r e e mitem, c o mo r a d i a d o r e s d e d i p o l o. C o n s i d e r e mo s u m f e i x e d e l u z n a d i r e ç ã o z, c o mo i l u s t r a a F i g O v e t o r E e s t á n u m p l a n o p a r a l e l o a o p l a n o x y. A s p a r t í c u l a s d i f u s o r a s o s c i l a m p a r a l e l a mente a o v e t o r E d a o n d a i n c i d e n t e, i s t o é, n a s d i r e ç õ e s x e y, ma s n ã o n a d i r e ç ã o z. A l u z i r r a d i a d a n a d i r e ç ã o x é, p o r t a n t o, p o l a r i z a d a n a d i r e ç ã o y. F i g : P o l a r i zação p o r d i f u s ã o. A l u z n ã o p o l a r i za d a, p r o p a ga n d o -se n a d i r e ç ã o z, i n c i d e s o b r e u m c e n t r o d i f u s o r n a o r i ge m. A l u z d i f u n d i d a n a d i r e ç ã o x é p o l a r i z a d a, c o m o v e t o r E n a d i r e ç ã o y, e n q u a n t o a l u z e s p a l h a d a n a d i r e ç ã o y é p o l a r i z a d a n a d i r e ç ã o x. L o r d R a y l e i g h mostrou que o fluxo de luz espalhado é proporcional a 4 1λ. O e s p a l h a mento c u j o t a manho d a s p a r t í c u l a s é mai o r q u e λ f o r n e c e l u z n ão p o l a r i za d a. 3 3

48 P o l a r ó i d e s. N u ma p l a c a d e u m q u a r t o d e o n d a, a e s p e s s u r a i n t r o d u z u ma d i f e r e n ç a d e f a s e d e 9 0 º e n t r e o s d o i s r a i o s, q u a n d o e l e s e merge m d o c r i s t a l. O v e t o r c a mpo e l é t r i c o d o r a i o e merg e n t e t e m as comp o n e n t e s : E x = E o. sen wt e E y = E o. cos wt ( 1. 8 ) p o l a r i za d a. E é p o r t a n t o u m v e t o r q u e gi r a n u m c í r c u l o e a l u z é c i r c u l a r mente M u i t a s s u b s t â n c i a s c o muns, c o mo o c e l o f a n e e a l g u n s p a p é is t r a n s p a r e n t e s s ã o b i r r e f r i n g e n t e s. F i gur a s c o l o r i d a s p o d e m s e r o b s e r va d a s q u a n d o s e c o l o c a m e s t e s materiais e n t r e d o i s P o l a r ó i d e s c r u za d o s. Q u a n d o n ã o h á n a d a e n t r e o s d o i s, n ã o h á t r a n s mi s s ã o d e l u z. U ma f o l h a d e c e l o f a n e a g e c o mo u ma p l a c a d e me i a o n d a p a r a a l gu n s c o mpriment o s d e o n d a, d e a c o r do c o m a s u a e s p e s s u r a. E n t ã o, e l a gi r a o p l a n o d e p o l a r i z a ç ã o d a l u z d a c o r c o r r e s p o n d e n t e, e n t r e o s d o i s P o l a r ó i d e s, e h á a t r a n s missão d a i n t e n s i d a d e d a l u z d e s t a f r e q u ê n c i a ( c o r ) p e l o s e gu n d o P o l a r ó i d e. E m r e s u mo, c o n f o r me p o d e mos o b s e r v a r n a F i g u r a a s e g u i r, s e i ma gi n a r mos u m material o n d e o s e l é t r o n s s e mo v e m l i v r e mente e m u ma d i r e ç ã o ma s n ã o e m o u t r a, i n t u i t i v a me n t e p e n s a r í a mo s q u e a l u z p o l a r i za d a p a r a l e l a ment e à d i r e ç ã o l i vr e p o d e r i a p a s s a r a t r a v é s d e s t e material. D e f a t o, o c o r r e o o p o s t o, p o i s a l u z p o l a r i zada p a r a l e l a me n t e a o e i x o d e s t e mat e r i a l v i b r a o s e l é t r o n s p a r a f r e n t e e p a r a t r á s. N e s t e p r o c e s s o, h á a r e a l i z a ç ã o d e t r a b a l h o, e e l a s e r á a b s o r vi d a. A l u z o r i e n t a d a p e r p e n d i c u l a r me n t e a e s t a d i r e ç ã o n ã o c o n s e g u i r á mo v e r o s e l é t r o n s, n ã o r e a l i z a n d o t r a b a l h o, a t r a v e s s a n d o p o r t a n t o o material polarizador. 3 4

49 U ma ma l h a d e c o n d u t o r e s o u f i o s metálicos p a r a l e l o s p o l a r i zará a s o n d as d e r á d i o. P a r a a l u z, l o n g o s p o l í meros d o p a d o s c o m í o n s s ã o o meio mai s c o mu m de pr o d u zi r f i l t r o s p o l a r i zadores. T r a n s mitida D i r e ç ã o d a O s c i l a ç ã o A b s o r vi d a Fig. 1.16: Filtros Polarizadores ou Polaróides. S e n d o o s c a mp o s e l é t r i c o s v e t o r e s, a l u z p o l a r i z a d a o b l i q u a me n t e p o d e s e r d e c o mp o s t a n a s s u a s c o mp o n e n t e s ve t o r i a i s p a r a l e l a e p e r p e n d i c u l a r a e s t a d i r e ç ã o, c o n f o r me a F i g u r a i l u s t r a. N e s t e e x e mpl o, a s u a c o mp o n e n t e p a r a l e l a s e r á a b s o r vi d a e a p e r p e n d i c u l a r s e r á t r a n s mitida. O s materiais P o l a r ó i d e s n ã o s ã o % e f i c i e n t e s n a t r a n s mi s s ã o o u t r a n s mi t â n c i a d a l u z p o l a r i z a d a, a o l o n go d e s e u e i x o d e t r a n s missão. P o l a r ó i d e s p a d r ã o p o d e m a p e n a s t e r u ma t r a n s mitância a o r e d o r d e 4 0 %, e mb o r a materiais com 9 5 % d e t r a n s mitância j á s e j a m d i s p o n í v e i s. 3 5

50 1. 3 A t i v i d a d e ó p t i c a e p o d e r r o t a t ó r i o β d e m e i o s o p t i c a m e n t e a t i v o s : C e r t o s m a t e r i a i s a g e m n a t u r a l m e n t e c o m o r o t a c i o n a d o r e s de p o l a r i z a ç ã o, u ma p r o p r i e d a d e c o n h e c i d a c o mo A t i v i d a d e Ó p t i c a. S e u s mo d os n o r mais s ã o c i r c u l a r me n t e p o l a r i zados, a o i n v é s d e o n d a s l i n e a r mente p o l a r i za d a s. A s o n d a s c o m p o l a r i z a ç õ e s c i r c u l a r e s h o r á r i a s e a n t i -h o r á r i a s c a minham com diferentes veloci d a d e s d e f a s e. E s t a p r o p r i e d a d e r e p r e s e n t a a c a p a c i d a d e d e u m ma t e r i a l r o t a c i o n a r o p l a n o d e p o l a r i z a ç ã o d e u m f e i x e d e l u z i n c i d e n t e l i n e a r mente polarizado. Pode o c o r r e r e m s ó l i d o s, l í q u i d o s e ga s e s, ma t e r i a i s c u j a s moléculas t ê m u ma c a r a c t e r í s t i c a h e l i c o i d a l i n t r í n s e c a. C o mo e x e mplos t e mo s o q u a r t zo, s e l ê n i o, t e l ú r i o e ó x i d o d e t e l ú r i o ( T e O ). O c r i s t a l d e q u a r t z o, p o r e x e mpl o, t e m a t i vi d a d e ó p t i c a n a d i r e ç ã o d e s e u e i x o ó p t i c o. N o q u a r t z o, a a t i vi d a d e ó p t i c a é d e vi d a a o f a t o d e q u e a s u a e s t r u t u r a mo l e c u l a r t e m a f o r ma d e u ma h é l i c e. Q u a r t z o f u n d i d o n ã o a p r e s e n t a a t i vi d a d e ó p t i c a. A l g u n s ma t e r i a i s a p r e s e n t a m a t i vi d a d e ó p t i c a n a f o r ma l í q u i d a, e n e s t e c a s o o p o d e r r o t a t ó r i o é a t r i b u í d o a molécul a s i n d i v i d u a i s. C o mo e x e mpl o, t e mos o a ç ú c a r e a t e r e b i n t i n a. O p o d e r r o t a t ó r i o e s p e c í f i c o, β, é d e f i n i d o c o mo a r o t a ç ã o e m u m s ó l i d o p o r u n i d a d e d e c o mpriment o. P a r a o q u a r t z o, e n c o n t r a mo s β s e r d a o r d e m d e 1, 3 º mm - 1, n o c o mprimento de onda do sódio i g u a l a n m [ 3 3 ]. S e gu n d o a L e i d e B iot: b β α +, ( 1. 9 ) λ o n d e, α e b s ã o p a r â me t r o s a s s o c i a d o s a o material. 3 6

51 P a r a o q u a r t zo, p o d e s e r d e monstrado experimental mente que: 8,14 β =,10 +, o n d e β é me d i d o e m g r a u s / mm e λ e m mi c r o n s. λ P a r a o t i o g a l a t o d e p r a t a ( A g G a S ), β = º. mm - 1, p a r a n m [ 4 ]. O p o d e r r o t a t ó r i o e o s e n t i d o d a r o t a ç ã o s ã o t a mbém s e n s í v e i s à e s t r u t u r a q u í mi c a e à c o n c e n t r a ç ã o d a s s o l u ç õ e s ( e s t e e f e i t o t e m s i d o u s a d o, p o r e x e mplo, para me d i r o c o n t e ú d o d e a ç ú c a r e m sol u ç õ e s ). A e s t r u t u r a mo l e c u l a r p o d e s e r c o mp o s t a d e h e l i c o i d a i s n o s e n t i d o h o r á r i o o u a n t i -horário, e p o r t a n t o, u m ma t e r i a l p o d e a p r e s e n t a r t a mbém r o t a ç ã o h o r á r i a o u a n t i -horária, conhecidas como: R o t a ç ã o R H, o u d -rotat ó r i a ( d e s t r a -r o t a t ó r i a, d e s t r ó g i r a ) e R o t a ç ã o L H, o u l -r o t a t ó r i a ( l e v o -rot a t ó r i a, l e v ó gi r a ). P o r t a n t o, a a t i v i d a d e ó p t i c a é i n d e p e n d e n t e d a d i r e ç ã o n a q u a l a l u z a t r a v e s sa o m e i o m a t e r i a l, e d e p e n d e n t e d o c o m p r i m e n t o d e o n d a, c o mo p ô d e s e r vi s t o n a e q u a ç ã o E f e i t o F a r a d a y, o u e f e i t o m a g n e t o - ó p t i c o ; m o d u l a d o r e s ó p t i c o s : A r o t a ç ã o d o p l a n o d e p o l a r i z a ç ã o ( p l a n o d e vi b r a ç ã o ) d e u m r a i o d e l u z p o r u m c a mp o ma g n é t i c o é d e n o mi n a d a e f e i t o F a r a d a y. M i c h a e l F a r a d a y, c i e n t i s t a i n gl ê s, f o i o p r i meiro a o b s e r va r o e f e i t o e m , q u a n d o e s t u d a v a a i n f l u ê n c i a d e c a mp o s ma gnéticos e m o n d a s d e l u z p l a n o -p o l a r i za d a s. E l e p e r c e b e u q u e o p l a n o d e vi b r a ç ã o e r a r o t a c i o n a d o, q u a n d o o c a minho d o r a i o l u minoso e a direção do campo ma g n é t i c o a p l i c a d o s e r a m p a r a l e l o s. 3 7

52 C e r t o s ma t e r i a i s a t u a m c o mo r o t a c i o n a d o r e s d e p o l a r i zação, q u a n d o c o l o c a d o s e m um c a mp o ma g n é t i c o H. S e u m d i e l é t r i c o i s o t r ó p i c o f o r c o l o c a d o e m u m c a mpo magnético H, e u m f e i x e d e l u z p o l a r i z a d a l i n e a r me n t e p a s s a r a t r a v é s d e l e n a d i r e ç ã o d e s t e c a mp o, e n t ã o o c o r r e r á u ma r o t a ç ã o d o s e u p l a n o d e p o l a r i za ç ã o. O p o d e r r o t a t ó r i o s e r á d a d o p e l a r a z ã o e n t r e o â n g u l o d e r o t a ç ã o e u n i d a d e d e c o mprimento l. o n d e : A r o t a ç ã o, θ, s e r á d a d a p o r : θ = V. H. l ( ), l r e p r e s e n t a a p r o f u n d i d a d e ( o u c a mi n h o ) d a a mostra atrave s s a d a p e l a l u z, V é a c o n s t a n t e d e p r o p o r c i o n a l i d a d e, c o n h e c i d a c o mo c o n s t a n t e d e V e r d e t, q u e e x p r e s s a a r o t a ç ã o d o p l a n o d e p o l a r i zação d a l u z e m mat e r i a i s t r a n s p a r e n t e s ( o u t u r v o s ), q u a n d o e m u m camp o ma g n é t i c o. T e m-s e, p o r e x e mplo, V á g u a = 1, 6 7 minutos d e a r c o / ( g a u s s. me t r o ), me d i d o p a r a λ = 5 3 n m.[] V v i d r o = 1, 6 1 minutos d e a r c o / ( g a u s s. me t r o ), me d i d o p a r a λ = n m.[33] V q u a r t z o = 1, 6 6 minutos de arco / ( g a u s s. me t r o ), me d i d o p a r a λ = n m.[33] V T b A l G = mi n u t o s d e a r c o / ( ga u s s. metro), medi d o p a r a λ = n m, o n d e T b A l G s i mb o l i z a T é r b i o -A l u míni o -G a r n e t. [ 3 3 ] P a r a u ma a mostra d e 1 c m d e á gu a, e m u m c a mpo ma g n é t i c o moderadament e g r a n d e, d e 1 t e s l a = g a u s s, o c o r r e u ma r o t a ç ã o : θ = V. H. l = ( 1, 6 7 / 6 0 ) = º

53 A ma g n i t u d e d a r o t a ç ã o d e p e n d e, p o r t a n t o, d a i n t e n s i d a d e d o c a mpo ma g n é t i c o H, d o e s t a d o f í s i c o d a s u b s t â n c i a t r a n s missora, e d a c o n s t a n t e d e V e r d e t, a q u a l é u ma p r o p r i e d a d e d a s u b s t â n c i a t r a n s mi s s o r a, d a s u a t e mperatura, e da frequênci a d a l u z i n c i d e n t e. O s e n t i d o d a r o t a ç ã o d e p e n d e r á d a d i r e ç ã o d o c a mp o ma g n é t i c o H. P a r a V > 0, a r o t a ç ã o s e r á n a d i r e ç ã o d e u ma c h a v e d e f e n d a g i r a n d o no s e n t i d o h o r á r i o, a p o n t a n d o n a d i r e ç ã o d o c a mpo ma gn é t i c o. P o r e x e mplo, s e e l e f o r L H q u a n d o a l u z c a minha n a d i r e ç ã o d o c a mpo ma g n é t i c o, e n t ã o e l e s e r á R H s e a l u z s e p r o p a g a r a n t i p a r a l e l a a o c a mpo. E m c o n t r a p o s i ç ã o à a t i v i d a d e ó p t i c a, o s e n t i d o d a r o t a ç ã o n ã o r e v e r t e r á c om o r e v e r s o d a d i r e ç ã o d e p r o p a g a ç ã o d a o n d a, c o n f o r me a F i g u r a s e g u i n t e i l u s t r a. Q u a n d o a o n d a c a minha n u m r o t a c i o n a d o r d e F a r a d a y, r e f l e t e - s e s o b r e s i mesma, e c a minha mais u ma v e z e m d i r e ç ã o a o r o t a c i o n a d o r na d i r e ç ã o o p o s t a, s u b me t e n d o -s e d u a s v e zes à r o t a ç ã o, a u mentando-a. F i g : R o t a ç ã o p o l a r i z a d a e m u m me i o e x i b i n d o o e f e i t o F a r a d a y. O s e n t i d o d e r o t a ç ã o é i n v a r i a n t e à d i r e ç ã o d a o n d a. 3 9

54 M i c r o s c o p i c a mente a r o t a ç ã o d e F a r a d a y o c o r r e d e v i d o a o c a mpo ma g n é t i c o a l t e r a r o s n í ve i s a t ô micos de energi a d a s u b s t â n c i a ( e f e i t o Ze e man). O s M o d u l a d o r e s Ó p t i c o s e n c o n t r a m a p l i c a ç ã o p r á t i c a n o M P M, o u M i c r o s c ó p i o d e P o l a r i zação M o d u l a d a. E s t e s i s t e ma f o r n e c e i ma g e n s mi c r o s c ó p i c a s d e f i l a ment o s c i t o e s q u e l e t o c e l u l a r e s, b a s e a d o n a s s u a s b i r r e f r i n gê n c i a s, d i f e r i n d o d a M i c r o s c o p i a d e P o l a r i z a ç ã o P a d r ã o, p e l a e x p l o r a ç ã o d a d e p e n d ê n c i a d a b i r r e f r i n g ê n c i a c o m o â n gulo d e p o l a r i zação. [ 3 4 ] U m p r o t ó t i p o f o i d e s e n vol vi d o u s a n d o -se dois rotaci o n a d o r e s d e F a r a d a y, s o b c o n t r o l e i n f o r matizado, p a r a mu d a r o â n gul o d o p l a n o d a l u z p o l a r i zada n u ma r a z ã o c o n h e c i d a. P e l a c o l o c a ç ã o d e u m r o t a c i o n a d o r d e F a r a d a y a n t e s, e u m o u t r o d e p o i s d o e s p é c i me, a r o t a ç ã o p r o d u z i d a p e l o p r i meiro r o t a c i o n a d o r é c a n c e l a d a p e l o s e g u n d o. Is t o p e r mite o u s o d e p o l a r i za d o r e s e a n a l i s a d o r e s f i x o s e m u ma c o n f i g u r a ç ã o c r u z a d a, e c o n t í n u a s i ma ge n s d o e s p é c i me e n t r e p o l a r i zadores c r u zados. A v a r i a ç ã o n o â n g u l o d e p o l a r i z a ç ã o d a l u z q u e i l u mina a a mo s t r a f a r á c o m q u e s ej a m d i f e r e n c i a d o s e l e mentos b i r r e f r i n ge n t e s, a t r a v é s d e o s c i l a ç õ e s e m b r i l h o. C o m e s t a t é c n i c a, mo s t r a -se q u e p o d e m s e r d e t e c t a d a s f i b r a s t e n s i o n a d a s ( s t r e s s f i b e r s ) e micro t u b o s e m c é l u l a s vi v a s. 4 0

55 Desenvolvimento da Pesquisa: 3. O b j e t i v o s : O o b j e t i v o d o p r e s e n t e t r a b a l h o é a n a l i s a r a s c o n d i ç õ e s e x p e r im e n t a i s, a s q u a i s p e rm i t i r i a m a o b s e r v a ç ã o e x p e r i m e n t a l d a d i n â m ic a u l t r a - r á p i d a d e f e n ô m e n o s m a g n e t o - ó p t i c o s e m m e i o s t u r v o s. E m b o r a d e p o i s d e u m n ú m e ro s u f i c i e n t e d e e v e n t o s d e e s p a l h a m e n t o, a l u z p e r c a s e u e s t a d o d e p o l a r i z a ç ã o, v á r i o s t r a b a l h o s t ê m s i d o p u b l i c a d o s r e c e n t e m e n t e, f o c a n d o - s e n a q u e l e s f ó t o n s q u e d e i x a m o m e i o s em m u d a r a s u a p o l a r i z a ç ã o [ ]. O e s t a d o d e p o l a r i z a ç ã o p r e s e r va d a d a l u z e merg e n t e d o meio e s p a l h a do a b r e a p o s s i b i l i d a d e d o u s o d a r o t a ç ã o i n d u zi d a ma g n e t i c a mente d a p o l a r i z a ç ã o d a l u z, p a r a s e d e t e r mi n a r i n f o r mações f u n d a ment a i s e m p r o c e s s o s d e e s p a l h a me n t o s d a l u z e m meios difu s o s. U s a n d o -se v a l o r e s r a z o á ve i s p a r a a s p r o p r i e d a d e s f í s i c a s, e s t e t r a b a l ho p r e d i z o c o mp o r t a me n t o d i n â mico d e u m me i o t u r v o ma g n e t o -ó p t i c a me n t e a t i v o, e s t a b e l e c e n d o r e q u i s i t o s e r e s o l u ç õ e s i n s t r u mentais, d e t a l mo d o q u e u m e x p e r i ment o p o d e r i a s e r d e l i n e a d o p a r a s e o b s e r va r t a l f e n ô me n o. A a n á l i s e d a d i n â mica ma g n e t o -ó p t i c a p o d e s e r u ma v a l i o s a f e r r a menta p a r a s e e s t u d a r a e s t a t í s t i c a d o s c a minhos d o s f ó t o n s e m mei o s c o m e s p a l h a me n t o s a l e a t ó r i o s. O c o n h e c i ment o f u n d a mental d o s mais p r o vá v e i s c a minhos d o s f ó t o n s p o d e s e r u s a d o n a e s t r u t u r a d e a l g o r i t mos d e i ma ge m, a p l i c a d o a o r e c o n h e c i mento de obj e t o s e s c o n d i d o s e m me i o s d i f u s o s. A r e s p o s t a m a g n e t o - ó p t i c a d e m e i o s t u r v o s n o r e g im e d e p i c o s e g u n d o s n ã o t e m s i d o, a t é a p r e s e n t e d a t a, o b s e r v a d a e x p e r i m e n t a lmente. O p r e s e n t e e s t u d o e s t a b e l e c e r á o s p a r â m e t r o s e x p e r im e n t a i s p a r a t a i s o b s e r v a ç õ e s. 4 1

56 O e s p a l h a me n t o d a l u z e m u m me i o t u r vo a t i vo d e F a r a d a y s o b o r e g i me d e o n d a s c o n t í n u a s f o i i n v e s t i ga d o p o r o u t r o s a u t o r e s [ 5 ]. D e vi d o à s va n t a ge n s d e s e u s a r l u z v i s í v e l e i n f r a v e r melha a c i ma da r a d i a ç ã o X i o n i za n t e p a r a i ma g e n s mé d i c a s, e p o r q u e o t e c i d o b i o l ó gi c o é u m me i o t u r vo a l t a me n t e e s p a l h a d o r, o p r o b l e ma d e i ma ge m ó p t i c a d e u m o b j e t o i merso e m u m me i o t u r v o t e m s i d o matéria d e i n ve s t i ga ç õ e s e x t e n s i v a s n o s r e c e n t e s a n o s [ ]. C o m a t é c n i c a d o s r a i o s X, f r e q u e n t e s c o n t r o l e s n ã o s ã o p o s s í v e i s p o r c a u s a d o s d a n o s q u e t a l r a d i a ç ã o p o d e p r o d u zi r, e a s u a d i f i c u l d a d e e m s e o b t e r i n f o r mações s o b r e t e c i d o s moles, v i s t o a s d i f e r e n ç a s e n t r e t e c i d o s moles distin t o s n a a b s o r ç ã o d e r a i o s X s e r e m mu i t o p e q u e n a s. P o r o u t r o l a d o, e m mu i t o s c a s o s d e i n t e r e s s e m é d i c o, o c o n t r a s t e n a i m a g em o b t i d a p o r t r a n s i l u m i n a ç ã o ó p t i c a é m u i t o p e q u e n o, l i mitando d r a s t i c a ment e a c a p a c i d a d e ó p t i c a d e s e r e c o n h e c e r t i p o s d e t e c i d o a d j a c e n t e s, o u e s t r u t u r a s d i f e r e n t e s i n t e r n a s a u m t e c i d o o u ó r gã o. M u i t a s t é c n i c a s t ê m s i d o r e c e n t e mente i n v e s t i g a d a s p a r a a u me n t a r o c o n t r a s t e d e i ma ge m ó p t i c a p a r a d i a g n ó s t i c o médico. U m e x e mplo é a e x p l o r a ç ã o d a s d i f e r e n ç a s n a s p r o p r i e d a d e s d e a b s o r ç ã o e e s p a l h a mento d e t e c i d o s a l v o ; o u t r o é o u s o d e u ma p o r t a t e mp o r a l p a r a d i s c r i minar e n t r e a p a r t e d i f u s a e a n ã o e s p a l h a d a d a l u z q u e e merge d o meio t u r v o. O u t r a s ma n e i r a s p a r a melhorar a r e s o l u ç ã o e a s e n s i b i l i d a d e e n v o l v e m a f i l t r a g e m e s p a c i a l d a l u z t r a n s mitida através do mei o e s p a l h a d o r [ 1 9 ], e e f e i t o s d e p o l a r i z a ç ã o d a l u z [ 5-15], e s t e ú l t i mo s e n d o d e mai o r i n t e r e s s e n a p r e s e n t e p e s q u i s a. O e s t u d o d e o u t r a s p r o p r i e d a d e s ó p t i c a s d o s materiai s b i o l ó gi c o s, t a i s c o mo a r o t a ç ã o ma g n e t o -ó p t i c a e s t u d a d a n e s t a p e s q u i s a, é d e a l t o i n t e r e s s e p a r a p e s q u i s a d o r e s e s t u d a n d o mét o d o s d e d i f u s ã o d a l u z, p a r a a d e t e c ç ã o de o b j e t o s. U s a n d o a s r e c e n t e s t é c n i c a s d e c a r a c t e r i z a ç ã o d e t e c i d o s p r o p o s t a s n e s t a p e s q u i s a, p r o p r i e d a d e s d e e s p a l h a mento d o t e c i d o e a e s t a t í s t i c a d o s f ó t o ns p o d e m s e r e s t u d a d a s e x p e r i me n t a l mente. 4

57 P u l s o s d e l a s e r s u l t r a -rápidos a t r a vé s d e meios e s p a l h a d o r e s d i s c r e t os t ê m mo s t r a d o s e d i vi d i r e m c o mponentes b a l í s t i c a s e d i f u s a s [ 1 9 ]. A c o mponente b a l í s t i c a s u r ge d a i n t e r f e r ê n c i a c o e r e n t e e n t r e a s o n d a s e s p a l h a d a s e a o n d a p r i mária. P r o p a ga -s e a t r a v é s d o me i o r a n d o micame n t e, s e m s e d e s vi a r n a d i r e ç ã o f r o n t a l, c o m o p u l s o p e r manecendo e s s e n c i a l mente i n a l t e r a d o ( n ã o e s p a l h a d o ). A c o mponente d i f u s a s o f r e e s p a l h a me n t o mú l t i p l o, e p e r c o r r e t o d a s a s d i r e ç õ e s p o s s í ve i s. O p u l s o b a l í s t i c o f o r ma a i ma ge m ( s o mbra) d e u m obj e t o o p a c o, e n q u a n t o o p u l s o d a c o mponente d i f u s a c o n t r i b u i c o m u m b r i l h o d e f u n d o, q u e r e mo ve rá a s o mbra se o mei o r a n d ô mico for s u f i c i e n t e me n t e f o r t e e m espalhament o. A c o mponente b a l í s t i c a é d e i n t e r e s s e p a r t i c u l a r, v i s t o q u e a r e s o l u ç ão e s p a c i a l d a i ma ge m f o r mada p o r e l a s e r d e e s c a l a s u b mi l i mé t r i c a, e l i mitada p e l a d i f r a ç ã o d a l u z. N u m r e c e n t e e s t u d o, D e mos e A l f a n o [ 1 0 ] r e l a t a r a m s o b r e a d i n â mica d e d e s p o l a r i zação da luz em meios espalhador e s. U s a n d o c o mo p h a n t o m ( a mo s t r a a r t i f i c i a l ) u ma s o l u ç ã o d e mi c r o e s f e r as d e p o l i e s t i r e n o, c o m u m l i v r e c a minho mé d i o d e mm ( d i â metro d e 0, 0 9 µ m ), e l e s e n c o n t r a r a m q u e a c o mponente b a l í s t i c a d a l u z f o i t r a n s mitida s e m p e r d a d e p o l a r i zação. A l é m d i s s o, p a r a t e mpos mais l o n g o s q u e o t e mp o d e c h e g a da d o c o mp o n e n t e b a l í s t i c o, a ma i o r i a d o s e s t a d o s d e p o l a r i za ç ã o f o i p r e s e r v a d a a a t é a p r o x i madame n t e p s, p a r a o p h a n t o m c o n s i d e r a d o. U ma c o n s e q u ê n c ia ma r c a n t e d e s t a o b s e r v a ç ã o é q u e e l a g a r a n t e a i n ve s t i g a ç ã o d e r o t a ç õ es i n d u zi d a s ma g n e t i c a me n t e, d a p o l a r i zação d a l u z e m me i o s t u r v o s d e o r i ge m b i o l ó gi c a. S e c o n s i d e r a r mos t r a n s f o r mar u m me i o r a n d o micament e e s p a l h a d o r e m u m me i o a t i v o ma gneto-ó p t i c a mente, surge um p o n t o d e i n t e r e s s e. U ma v e z q u e o â n gul o d e r o t a ç ã o ma g n e t o -ó p t i c a d e p e n d e d o c a mi n h o p e r c o r r i d o p e l o f ó t on n o meio, a luz que deixa o meio transilu mi n a d o p r i meiro viaj a u m cami n h o 4 3

58 mu i t o ma i s c u r t o, e mo s t r a r á u ma d i r e ç ã o d e p o l a r i za ç ã o d i s t i n t a, q u a n d o c o mparado à l u z c o l e t a d a e m e v e n t o s d e e s p a l h a me n t o mú l t i p l o, o s q u a i s c h e ga m a o d e t e t o r mais tarde. Is t o p o d e t r a zer c o n s e q u ê n c i a s i n t e r e s s a n t e s e f o r n e c e u ma f e r r a menta a d i c i o n a l p a r a o e s t u d o d o e s p a l h a mento da luz em mei o s r a n d ô mi c o s. D i f e r e n ç a s n o p o d e r r o t a t ó r i o m a g n e t o - ó p t i c o d e m e i o s a d j a c e n t es p o d e m a d i c i o n a r c o n t r a s t e s e m i m a g e n s d e t r a n s i l u m i n a ç ã o Efei t o ma gn eto-ó ptico : C o mo vi s t o n a i n t r o d u ç ã o t e ó r i c a a n t e r i o r, M i c h a e l F a r a d a y d e s c o b r i u q u e o p l a n o d e p o l a r i za ç ã o d a l u z r o t a c i o n a q u a n d o t r a n s mi t i d o a t r a vé s d e u ma a mo s t r a d e material s u b metida a um camp o ma g n é t i c o. E mb o r a F a r a d a y u s a s s e u m p e d a ç o d e v i d r o n o s e u e x p e r i ment o o r i gi n a l, a r o t a ç ã o ma gnet o -ó p t i c a f o i mai s t a r d e o b s e r va d a e m t o d o s o s t i p o s de mo l é c u l a s, e t e m s i d o e x t e n s i v a mente i n v e s t i ga d a e m me i o s t r a n s p a r e n t e s, i s t o é, e m ma t e r i a i s d e b o a q u a l i d a d e ó p t i c a [ - 6 ]. T a l r o t a ç ã o n a p o l a r i za ç ã o d a l u z e n c o n t r a u s o p r á t i c o n a c o n s t r u ç ã o d e i s o l a d o r e s ó p t i c o s [ 5-7 ], s e n s o r e s d e c a mpo ma gn é t i c o [ 8 ], t r a n s d u t o r e s d e n ã o c o n t a t o p a r a a me d i d a d e c o r r e n t e e l é t r i c a e m l i n h a s d e t r a n s missão d e a l t a v o l t a ge m [ 9, 3 0 ], e f i l t r o s p a s s a b a n d a p a r a o u s o e m l a s e r e s n a r e gi ã o d o i n f r a v e r melho próximo [ 4 ]. A o r i g e m micro s c ó p i c a d o e f e i t o F a r a d a y é a d e s i g u a l d a d e n o í n d i c e de r e f r a ç ã o n - e n +, p a r a a s c o mp o n e n t e s p o l a r i za d a s c i r c u l a r me n t e a e s q u e r d a e a d i r e i t a, a s q u a i s u ma l u z p o l a r i za d a l i n e a r mente poderia s e r d e t e r minada. Tal d e s i gu a l d a d e r e s u l t a d a c i s ã o i n d u z i d a ma g n e t i c a me n t e d o s n í v e i s d e e n e r g i a f u n d a me n t a l e / o u e x c i t a d o ( e f e i t o Ze e man). 4 4

59 O e f e i t o F a r a d a y é u m f e n ô meno n ã o r e c í p r o c o, n o q u a l o â n g u l o de r o t a ç ã o θ d e p e n d e d o c o mprimento d e o n d a λ e d o c o mprime n t o d o c a mi nho ó p t i c o l n o mei o. θ = π ( n + - n - ).l (.1) λ Q u a n d o e s c r i t a c o mo u ma f u n ç ã o d o c a mp o a p l i c a d o H, a s e g u i n t e r e l a ç ã o s e ma n t é m para a r o t a ç ã o θ : θ = H. dl V, (. ) o n d e V é u ma c o n s t a n t e d e p r o p o r c i o n a l i d a d e c o n h e c i d a c o mo c o n s t a n t e de V e r d e t, a q u a l é c a r a c t e r í s t i c a d o material e dl é u m e l e mento de c o mpriment o d o c a mi n h o s e g u i d o p e l o f ó t o n. U m p o n t o n o t ó r i o n e s t a e x p r e s s ã o é q u e a r o t a ç ã o m a g n e t o - ó p t i c a n ã o o c o r r e p a r a a l u z s e p r o p a g a n d o p e r p e n d i c u l a r m e n t e a o c a m p o m a g n é t i co a p l i c a d o H. O â n gul o d e r o t a ç ã o máxi ma o c o r r e q u a n d o a l u z s e p r o p a g a p a r a l e l am e n t e a o c a m p o m a g n é t i c o a p l i c a d o H. ( p o i s H. d l = H. d l. c o s ß ; p r o d u t o e s c a l a r, o n d e ß é o â n g u l o e n t r e H e d l, n o p l a n o H - d l ). 4 5

60 . 3 - P r incípios da discri mi nação d e fótons p elo ef ei to ma g n e to -ó ptico : É e x p l o r a d a a p o s s i b i l i d a d e d e s e u s a r e s t a c a r a c t e r í s t i c a c o mo u ma f e r r a me n t a n o e s t u d o d o c a minho d e f ó t o n s e a e s t a t í s t i c a d o e s p a l h a me n t o d e f ó t o n s e m meios turvos. F i g.. 1 : E s b o ç o e m d u a s d i mensões d e d o i s p o s s í v e i s c a minhos d o f ó t o n, e m u m me i o e s p a l h a d o r, e s c o l h i d o s d e t a l modo q u e a s d i s t â n c i a s p e r c o r r i d a s s ã o a p r o x i ma d a mente as me s ma s ( f o r a d e e s c a l a ). A f i g u r a. 1 i l u s t r a d o i s p o s s í ve i s c a minhos ó p t i c o s p a r a f ó t o n s p e r c o r r e n d o u m me i o e s p a l h a d o r, e s c o l h i d o s d e t a l mo d o q u e a s d i s t â n c i as p e r c o r r i d a s p o r a mb o s s ã o a p r o x i madame n t e a s mesmas. S u c e d e q u e u ma j a n e l a t e mpor a l n ã o v e r i a q u a l q u e r d i f e r e n ç a e n t r e e l e s, u ma v e z q u e e l es a t i n g e m o d e t e t o r n a me s ma f a t i a d e t e mp o. S e a l u z i n c i d e n t e f o r l i n e a r me n t e p o l a r i za d a e s e u m c a mp o ma gn é t i c o H p a r a l e l o à d i r e ç ã o x f o r a p l i c a d o, o s f ó t o n s e merg e n t e s t e r ã o s u a s p o l a r i z a ç õ e s r o t a c i o n a d a s d e a c o r d o c o m a e q u a ç ã o.. A r o t a ç ã o d a p o l a r i z a ç ã o p a r a e s t e s f ó t o n s s e g u i n d o o c a mi n h o B é s i mplesme n t e : 4 6