Para melhor compreensão da utilização das fontes de luz utilizadas na aPDT, é importante fazer uma breve revisão sobre radiação, energia, ondas e espectro eletromagnético.
O
01
003
RADIAÇÃO, ENERGIA E ONDAS
O Universo que nos rodeia é banhado por um imenso “oceano” de luzes, das quais nossos olhos conseguem captar apenas uma pe-queníssima fração. O termo luz fica reservado à pequena parcela de radiação eletromagnética que conseguimos enxergar. Por esta razão, é mais conveniente chamarmos ao conjunto de todas as luzes de RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA. A radiação eletromagnética é uma forma de energia42.
IRRADIAR significa emitir, espalhar, projetar. Já RADIAÇÃO é aquilo que é irradiado por alguma coisa. Pode ser aplicado às várias formas de luz ou a feixes de partículas atômicas. A radiação visível que conseguimos perceber corresponde a uma estreita faixa do espectro eletromagnéti-co. Para cada “cor” do espectro, está associado um número chamado COMPRIMENTO DE ONDA.
A radiação eletromagnética é constituída de ondas eletromagnéticas, portanto, o conceito de onda é de fundamental importância para a com-preensão de uma série de fenômenos físicos.
Em termos formais, ONDA é o resultado de algum tipo de perturbação que se propaga em um meio qualquer, sem que este meio sofra qualquer deslocamento líquido de matéria. Quanto à origem, existem basicamen-te dois tipos de onda: ONDAS MECÂNICAS e ELETROMAGNÉTICAS.
As ondas mecânicas dependem de um meio material para se propa-garem (ondas do mar e ondas sonoras); já as ondas eletromagnéticas não dependem de um meio material pois correspondem à propaga-ção de uma perturbapropaga-ção nos campos elétricos e magnéticos, que podem existir independentemente de um meio material.
Existem ainda outras classificações para ondas, tais como longitudi-nais (ondas sonoras), transversais (ondas eletromagnéticas) e ondas estacionárias (cordas de um violão).
Em uma onda eletromagnética, os campos elétricos e magnéticos são perpendiculares entre si e perpendiculares à propagação da onda, caracterizando uma onda do tipo transversal85.
Na Figura 01, uma onda é a propagação de uma perturbação em um meio qualquer, sem que haja movimento líquido das partículas do meio, isto é, as partículas sobem e descem, como indicado pelas setas verticais, mas na média permanece no mesmo lugar. A distância entre os pontos máximos e mínimos do sobe e desce das partículas do meio define a amplitude da onda. A distância entre dois picos ou dois vales, ou ainda, dois pontos quaisquer equivalentes da onda, de-fine o que se chama comprimento de onda, designado normalmente pela letra grega lambda (λ).
005
O
01
O número de ciclos de sobe e desce, por unidade de tempo, define a frequência da onda, medida normalmente em Hertz ou ciclos por se-gundo, e representada, geralmente, pela letra f ou ainda pela letra gre-ga ν85. O produto do comprimento de onda pela frequência da onda
fornece a velocidade de propagação da onda no meio em questão, isto é, a velocidade com que a perturbação se propaga. No caso das ondas eletromagnéticas no vácuo, este produto fornece a velocidade da luz (c = 299 793km/s).
As radiações eletromagnéticas têm sempre a mesma natureza e se caracterizam pela sua energia, pela sua frequência ou pelo seu comprimento de onda, uma vez que estas três características estão interrelacionadas. O espectro apresenta radiações de energias e fre-quências muito altas, e comprimentos de onda muito curtos, que vão variando, e chegam a regiões de energia e frequência muito baixas e comprimentos de onda grandes. A frequência é inversamente pro-porcional ao comprimento de onda.
ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO
A transmissão de energia na forma de ondas, contendo um componen-te elétrico e outro magnético, pode ser produzida pela aceleração de uma carga elétrica em um campo magnético. O conjunto de todas as ondas eletromagnéticas recebe o nome de espectro eletromagnético.
O espectro da radiação eletromagnética engloba ondas de rádio, micro-ondas, infravermelhos, luz visível, ultravioleta, raios x e os raios gama. Esses nomes indicam áreas do espectro divididas com fins didáticos e práticos, pois o espectro é contínuo e não há diferenças abruptas entre as formas de radiação e todas são, basicamente, o mesmo fenômeno físico. Todas irradiam pelo espaço com a “velocidade da luz”, de cerca de 300 mil km/s.
Os vários tipos de ondas eletromagnéticas diferem no comprimento de onda e na frequência da radiação85, que fazem com que tenham
diferentes características, como o poder de penetração dos raios X ou o aquecimento do infravermelho (Figura 02).
02. Representação do espectro eletromagnético.
COMPRIMENTO DE ONDA (em metros)
raios
gama raios x ondasmicro de radioondas
LUZ VISÍVEL 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 104 106 108 1010 1012 1016 1018 1020 1022 raios ultravioleta raios infravermelhos
frequência (em hertz)
O
01
007
ESPECTRO DA LUZ VISÍVEL
Newton foi o primeiro a reconhecer que a luz branca é constituída por todas as cores do espectro visível e que o prisma não cria cores por alterar a luz branca, como se pensou durante séculos, mas sim por dis-persar a luz, separando-a nas suas cores constituintes.
O detector humano olho-cérebro percebe o branco como uma vasta mis-tura de frequências, normalmente, com energias semelhantes em cada in-tervalo de frequência85. A cor não é uma propriedade da luz, mas sim uma
manifestação eletroquímica do sistema sensorial (olhos, nervos, cérebro). A luz branca contém todas as cores. Assim, se recebermos simultane-amente todas as cores do espectro visível, a luz visível de maior com-primento de onda é a vermelha e a de menor comcom-primento de onda é a violeta e cada frequência determina a sensação de uma cor151 (Figura 03).
O espectro de luz visível compreende uma faixa pequena quando comparada com o conjunto do espectro da radiação eletromagnética, isto é, comprimentos de onda no intervalo de 400 a 750nm, aproxi-madamente, compreendendo as seguintes cores: violeta, anil, azul, verde, amarelo, alaranjado e vermelho85 (Figura 04).
A luz visível de maior comprimento de onda é a vermelha e a de menor comprimento de onda é a violeta. Suas frequências vão de aproxi-madamente 384x1012Hz (para o vermelho) até cerca de 769x1012Hz
400
Região do
ultravioleta
COMPRIMENTO DE ONDA (nm)ESPECTRO VISÍVEL
Região do
infravermelho
500
600
700
03. Representação esquemática de cores com comprimento de onda emitindo no
visível do espectro eletromagnético, modificado de Taylor; French151.
distance
electric field
400nm
500nm
600nm
O
01
009
COR COMPRIMENTO DE ONDA (nm) FREQUÊNCIA (1012 Hz)
VERMELHO 780 – 622 384 – 482 LARANJA 622 – 597 482 – 503 AMARELO 597 – 577 503 – 520 VERDE 577 – 492 520 – 610 AZUL 492 – 455 610 – 659 VIOLETA 455 – 390 659 – 769
TABELA 02. Intervalos espectrais da região do ultravioleta no espectro eletromagnético.
TABELA 01. Valores de frequências e comprimentos de onda, no vácuo, observando--se que à medida que o comprimento de onda aumenta, a frequência diminui.
NOME INTERVALO
ESPECTRAL (nm) CARACTERÍSTICAS
UVC 100 – 280
Completamente absorvida pelo O2 e O3
es-tratosférico e, portanto, não atinge a super-fície terrestre. É utilizada na esterilização de água e materiais cirúrgicos.
UVB 280 – 320
Fortemente absorvida pelo O3
estratosféri-co. É prejudicial à saúde humana, poden-do causar queimaduras e, em longo prazo, câncer de pele.
UVA 320 – 400
Sofre pouca absorção pelo O3 estratosférico.
É importante para sintetizar a vitamina D no organismo. Porém o excesso de exposição pode causar queimaduras e, em longo prazo, causa o envelhecimento precoce.
ESPECTRO INFRAVERMELHO
Esta forma de radiação foi descoberta por acaso, em 1800, por Sir William Herschele; é a porção do espectro eletromagnético limitada pelo espectro visível no lado de menor comprimento de onda e por microondas no lado de maior comprimento de onda.
A região do infravermelho estende-se dos 3x1011Hz até
aproximada-mente aos 384x1012Hz. O infravermelho (IV) é vulgarmente subdividido
em três regiões: IV próximo (próximo do visível) (780 - 2500nm), IV intermédio (2500 - 50000nm) e IV longínquo (50000nm –1mm). Os corpos quentes emitem, abundantemente, radiações infraverme-lhas. De forma semelhante aos animais de sangue quente, o ser hu-mano irradia no infravermelho e essa emissão é explorada por dis-positivos de visão noturna. São utilizadas nos controles remotos dos aparelhos de televisão, de portas de automóveis, bem como no trata-mento de processos inflamatórios.
RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA
Adjacente à luz visível no espectro eletromagnético encontra-se a região dos raios ultravioleta, descoberta por Johann Wilhelm Ritter (1776-1810). A radiação ultravioleta (UV) é a parte do espectro eletro-magnético referente aos comprimentos de onda entre 100 e 400nm. De acordo com a intensidade que a UV é absorvida pelo oxigênio (O2),
ozônio (O3) e, também, por seus efeitos fotobiológicos, a região UV
O
01
011
O olho humano não consegue enxergar facilmente no ultravioleta por-que a córnea absorve-o, particularmente, para pepor-quenos comprimen-tos de onda, enquanto que o cristalino absorve mais fortemente para comprimentos de onda maiores. Alguns animais, como por exemplo, as abelhas e os pombos, reagem aos raios ultravioleta. A região do ultravioleta estende-se dos 800x1012Hz até cerca de 3,4x1016Hz (com
comprimentos de onda desde 3,75x10-7m até cerca de 8x10-9m).A
grande atividade química das radiações ultravioletas confere-lhes poder bactericida, sendo aproveitado na esterilização de alguns produtos. Algumas substâncias, quando sujeitas às radiações ultravioleta, emitem luz visível. Os átomos destas substâncias, chamadas fluorescentes, ab-sorvem a radiação ultravioleta (invisível), e irradiam radiação visível para o ser humano. Os ponteiros de alguns relógios contêm vestígios des-sas substâncias para serem visíveis à noite. Outras substâncias, desig-nadas fosforescentes, mantêm a emissão de luz visível durante algum tempo depois de terem sido sujeitas à radiação ultravioleta.
LASER
A palavra laser é uma abreviação de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que significa amplificação da luz por emissão estimulada de radiação18,94. Em 1917, Einstein descreveu a emissão
estimulada, de forma teórica, definindo que, sob certas condições, um átomo pode estar excitado e ser estimulado a emitir um fóton, provo-cado ou induzido por um fóton externo, de mesma energia94.
As propriedades físicas da luz laser são: monocromaticidade, coerên-cia e direcionalidade72,149,151 (Figura 05).
A monocromaticidade é a propriedade física que representa a pureza da luz, justificada pelo feixe de laser ser composto por apenas um único comprimento de onda, de forma que, se atravessarmos essa luz por um prisma, ela sairá do outro lado da mesma forma como incidiu. Os lasers utilizados nas áreas biomédicas possuem comprimentos de onda situados no espectro eletromagnético variando entre a faixa do ultravioleta passando pelo visível e chegando até o infravermelho85,151.
A coerência é a propriedade representada pelo alinhamento das on-das luminosas com mesma frequência, com características de possuir coincidências de cristas e vales destas mesmas ondas luminosas que compõem o feixe, permitindo que caminhe de forma paralela e orde-nada no tempo e no espaço26,73,151.
O
01
013
05. Composição da luz: monocromaticidade e coerência, de TAYLOR e FRENCH151
reproduzido por SILVEIRA133.
LUZ MONOCROMÁTICA COERENTE
LUZ MONOCROMÁTICA
A direcionalidade é definida pela capacidade que essa luz possui de se propagar em uma única direção.
Os lasers são classificados em dois grandes grupos: lasers de baixa intensidade e lasers de alta intensidade, diferenciando-se basicamen-te no modo de atuação e pelos efeitos que podem resultar nos mabasicamen-te- mate-riais ou tecidos biológicos133.
Os lasers de alta intensidade, também conhecidos como Power La-ser ou laLa-ser cirúrgico (HILT – High Intensity LaLa-ser Treatment), podem ser usados para coagulação, corte, vaporização e carbonização, de acordo, principalmente, com o efeito térmico promovido após a ab-sorção da luz pela matéria. Os lasers de baixa intensidade, também conhecidos como Soft Laser ou laser terapêutico (LILT– Low Intensity Laser Therapy), são utilizados levando a uma interação que exclui a possibilidade de manifestação dos efeitos térmicos mensuráveis clini-camente sobre os tecidos31,133,154, resultando, basicamente em efeitos
015
O
01
A Figura 06 ilustra os tipos de lasers e a faixa do espectro eletromag-nético mais utilizado nos sistemas biológicos, com suas respectivas afinidades pelas substâncias cromóforas dos tecidos vivos51.
Mestrado profissionalizante Lasers em Odontologia
COMPRIMENTO DE ONDA (μm)
PROFUNDIDADE DE TRANSMISSÃO
PRINCIPAIS CROMÓFOROS DE TECIDOS BIOLÓGICOS
0.1 μm 1 μm 10 μm 0,1 mm 1 mm 1 cm 10 cm 1 m 10 m 100 m 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 -1 -2 -3 -4 0.2 0.4 0.6 ArF EXCIMER KrF XeClXeF Argônio Vapor CuHe-Ne
KriptônioRubi Água Nd Tm Ho Er Co2 0.8 1 2 3 4 6 8 10 10 0 Nd (2Ø) Proteína DOP A-Melanina Hemoglobina Melanina Photofrin Hidroxiapatita Oxihemoglobina Adenina 1999 - Puig
DIODOS EMISSORES DE LUZ (LIGHT EMITTING
DIODES - LEDS)
Os LEDs são estruturas compostas por dois materiais semicondu-tores nos quais, em sua junção, por diferença de cargas, ocorre a emissão de luz, sem aumento de temperatura, e a emissão é espontânea, diferindo-se dos lasers que produzem emissão esti-mulada de radiação171.
Um LED ou diodo emissor de luz é um componente eletrônico for-mado por um material semicondutor que emite luz quando uma corrente elétrica passa através desse. Os LEDs emitem luz por meio da movimentação de elétrons através de diferentes materiais semicondutores, produzindo uma emissão espontânea de fótons não coerentes (Figura 07).
07. A,BMicrochip do LED (A) e produção de radiação eletro-magnética (B).
A
B Feixe de Luz
O
01
017
Os LEDs são diodos especiais que emitem luz quando conectados em um circuito. Eles são, frequentemente, usados como luz “piloto” em equipamentos eletroeletrônicos indicando quando o circuito está fechado ou não. Os dois filamentos que existem debaixo do LED indi-cam como eles deveriam ser conectados em um circuito. O lado ne-gativo de um LED é indicado de duas maneiras: 1) pelo lado plano do bulbo e 2) pelo mais curto dos dois fios que se estendem dos LEDs. A parte anterior negativa do LED deveria ser conectada na parte negativa da bateria. Os LEDs operam em voltagens relativamente baixas, entre aproximadamente de um a quatro volts, e com correntes de aproxima-damente 10 a 40 milliamperes já que voltagens e correntes acima des-ses valores podem derreter o chip de um LED. A parte mais importante de um LED é o chip de um semicondutor localizado no centro do bul-bo, composto de uma região p, que é dominada por cargas elétricas positivas, e da região n, que é dominada por cargas elétricas negativas, separadas por uma junção que age como uma barreira ao fluxo de elé-trons entre as duas regiões. Somente quando uma voltagem suficiente é aplicada no chip do semicondutor que a corrente pode fluir com os elétrons transitando para a região p (Figura 08)19.
Entre os dispositivos utilizados como fonte de luz, os LEDs são os mais simples e baratos, e sua principal desvantagem em relação aos lasers reside no espectro mais largo de luz gerada. Mas são
extrema-mente mais eficazes do que a luz halógena por possuírem um espec-tro de emissão bem mais estreito do que estas148.
A diferença básica entre LEDs e lasers é que nos primeiros predomi-na o mecanismo da emissão espontânea de radiação e nos lasers a emissão da luz é estimulada. Desta distinção básica decorrem as dife-renças estruturais entre os dois dispositivos, nem sempre acentuadas, gerando diferenças funcionais, que dão aos lasers um desempenho geralmente superior, porém, mais caro e complicado81.
Várias são as aplicações para luzes emitidas por diodos, desde mos-tradores de relógios eletrônicos, projeção de filmes, fotopolimerização de resinas odontológicas, pesquisas sobre crescimento de plantas e terapia fotodinâmica (PDT).
Os LEDs são podem ser utilizados como alternativa para a aPDT por terem uma ampla faixa de comprimento de onda e serem equipamen-tos mais compacequipamen-tos29,92.
A comparação entre os efeitos terapêuticos apresentados pelo laser de baixa intensidade e os LEDs não mostrou diferenças significativas. Os me-canismos de ação na estrutura celular possuem os mesmos efeitos, em iguais comprimentos de ondas, tempos de aplicação e intensidades159.
