Медицинские приборы и системы для лабораторного анализа

системы»

Лекция 3

селекторы;
- модуляторы и ослабители светового потока;
- кюветы;
- световоды;
- фотоприемники;
- индикаторы.




Блок-схема

фотометра

фотонов света возникает фотоэмиссия электронов из фотокатодов – фотоэлементы, ФЭ

(рис. а) и фотоэлектронные умножители, ФЭУ;
с внутренним фотоэффектом: при освещении электронно-дырочного перехода в полупроводнике возникает фото ЭДС (фотодиоды, ФД) или при освещении полупроводника изменяется его проводимость (фоторезисторы, ФР, рис. б), в результате в цепи изменяется ток.

ОК – охранное кольцо

[мкА], возникающий в цепи ФЭ:

2) абсолютная (интегральная) чувствительность S [мкА/лм]:



–

чувствительность к излучению сложного спектрального состава от стандартного источника излучения (лампа накаливания с вольфрамовой нитью при Т = 2856 К);

- световой поток [лм], пропорционален потоку излучения, оцененному в соответствии с относительной спектральной чувствительностью глаза.

глаза;
λ0 – порог чувствительности фотокатода,
λ1 и λ2 –

границы видимого спектра,
Km = 683 лм/Вт – световой поток в лм, соответствующий потоку в 1 Вт монохроматического излучения с λ = 554 нм.

1 – V(λ), глаз адаптирован к дневным яркостям;

2 – V(), глаз адаптирован к ночным яркостям

облучения, определяется термоэлектронной эмиссией.


Среднеквадратичный шум
в отсутствие излучения:


где е –

заряд электрона,
jт – плотность темнового тока,
q – площадь фотокатода,
Δf – ширина полосы частот регистрирующего устройства.

Изменение темнового тока фотокатодов в зависимости от их температуры

система,
3 – диафрагма;

Uп = 1-1,5 кВ

(слева) и ФЭУ-183 (справа)
Относительная спектральная чувствительность ФЭУ-176 и 183 (материал фотокатода

– Sb-K-Na-Cs)

в – фотогальванический.
ВАХ p-n-перехода
III – фотодиодная область;
IV –

фотогальванический режим

и обычного кремния (S1337-BR)

мм
Оптическая схема спектрофотометра SPEKOL 1100: каждый фотодиод матрицы «принимает» определенную

длину волны

сопротивление под действием внешнего электромагнитного излучения.
Полупроводник наносят в виде

тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла.

Фоторезистор на сульфиде свинца PbS:

ток IТ;
фототок IФ (при заданном напряжении, без учета IТ);
Общий ток

фоторезистора:
I = IT + IФ

гальванометры;
цифровые индикаторы со светодиодными элементами;
жидкокристаллические индикаторы и элементы.
Регистрирующие устройства:
регистрация данных

в текстовом виде;
в графическом виде (спектры поглощения и пропускания как функции времени или .
Чаще всего используются малогабаритные принтеры со струйной печатью (на обычной бумаге) или с термопечатью (на термобумаге).
Некоторые спектрофотометры оборудованы графопостроителями

только в видимом диапазоне света.
Фотометры – измеряют световой поток в

УФ, видимом и ИК диапазонах.
Спектрофотометры – разделяют световой поток на непрерывный спектр и измеряют его прохождение на любой длине волны в пределах оптического диапазона.

3.3. Фотометрические приборы и системы 3.3.1. Абсорбционная фотометрия

Блок-схема фотометра

должны выполняться следующие условия:
1) излучение должно быть монохроматическим (  1…20 нм);
2) пучок

падающего излучения должен быть параллельным;
3) растворы должны быть разбавленными;
4) растворы должны быть без комплексообразователей (содержат катионный, анионный или нейтральный комплекс, состоящий из центрального атома (или иона) и связанных с ним молекул или ионов - лигандов);
5) нужно постоянство pH и температуры;
6) толщина слоя светопоглощения должна быть < 50 мм;
7) время созревания окраски раствора при исследовании поглощения в видимой области спектра должно быть ограниченным.

поглощение (оптическая плотность), обладает свойством аддитивности:
D = lg(1/T) = CL.


Основные этапы анализа в фотометрии:
перевод

анализируемого образца в раствор и отделение мешающих компонентов;
выбор фотометрической формы вещества и проведение химических реакций для получения окрашенного соединения (если определяемое вещество не обладает интенсивным собственным поглощением);
установление области концентраций, в которой выполняется основной закон светопоглощения;
измерение оптической плотности исследуемого раствора;
расчет содержания вещества в анализируемой пробе и его метрологическая оценка.

Фотометрируют исследуемый раствор, а затем подбирают нужную концентрацию стандартного раствора

(оптические плотности исследуемого и стандартного растворов должны иметь близкие значения): Dx = LCx и Dст = LCст,
Учитывая  = const, L = const,  = const, получим:
Cx = Cст Dx/Dст.
Метод используется для единичных анализов и требует обязательного соблюдения закона Бера.
Метод молярного коэффициента поглощения
Определяют оптическую плотность нескольких стандартных растворов Dст, для каждого стандартного раствора рассчитывают молярный коэффициент поглощения  = Dст/(LCст) и усредняют.
Измеряют оптическую плотность исследуемого раствора Dх и рассчитывают концентрацию:
Cx = Dx/(L)
Метод требует обязательного соблюдения закона Бера хотя бы в области исследуемых концентраций; используется довольно редко.

различной концентрации и измеряют оптическую плотность в одинаковых условиях. Для

повышения точности определения число точек на графике должно быть не меньше трех-четырех. Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора Dх и по графику находят соответствующее ей значение концентрации Сх

Концентрация исследуемого раствора должна соответствовать примерно середине измеряемого интервала.
Метод является наиболее распространенным в фотометрии.
Трудоемкий процесс приготовления эталонных растворов, необходимость учитывать влияние посторонних компонентов в исследуемом растворе.
Чаще всего метод применяется для проведения серийных анализов.

автоматически учитывать влияние посторонних компонентов анализируемого образца.
Измеряют оптическую

плотность исследуемого раствора с неизвестной концентрацией Dx = LCx,
Добавляют известное количество стандартного раствора определяемого компонента (Сст) и измеряют оптическую плотность Dх+ст = L(Cx + Сст).

Для повышения точности добавку стандартного раствора определяемого компонента делают дважды и полученный результат усредняют.

по отношению к раствору с известной концентрацией определяемого вещества Со
В

зависимости от способов измерения относительной оптической плотности различают несколько вариантов метода:
метод высокого поглощения (Со < Сх);
метод низкого поглощения (Со > Сх) ;
метод двустороннего дифференцирования (метод предельной точности).
Дифференциальные методы анализа применяют для определения больших количеств веществ, для устранения мешающего влияния посторонних примесей и исключения поглощения реактивов.
Эти методы применяют еще и в тех случаях, когда из-за большой концентрации нарушается закон Бугера-Ламберта-Бера, или когда значение оптической плотности выходит за границы шкалы прибора, а дальнейшее разбавление раствора нежелательно. Точность определения при использовании дифференциального метода повышается.

С1, С2  Сn и исследуемый по отношению к раствору

сравнения с концентрацией Со.
Оптические плотности D представляют собой разность плотностей исследуемого (стандартных) раствора и раствора сравнения:

Метод рекомендуется использовать в тех случаях, когда оптическая плотность растворов больше единицы

стандартные растворы условно принимают за растворы сравнения и по отношению

к ним измеряют оптическую плотность изначального раствора сравнения:



Метод низкого поглощения применяют чаще всего к растворам с оптической плотностью  0,1
Метод двухстороннего дифференцирования
сочетает в себе оба метода с прямым и обратным порядком измерения оптической плотности растворов.
Готовят несколько стандартных растворов с концентрациями, меньшими, чем в растворе сравнения, и столько же с концентрациями, большими, чем в растворе сравнения.
Если С  Со, используют прямой порядок измерения, если С  Со, применяют обратный порядок измерения, и значения относительных оптических плотностей берут со знаком минус.

абсцисс в точке, соответствующей концентрации раствора сравнения Со
Концентрацию исследуемого

раствора можно определить и расчетом:

на законе аддитивности. Например, для смеси веществ А и В

можно записать систему уравнений Фирордта:

Решение этой систем при L = 1 см:

Определение смеси светопоглощающих веществ
Если вещества поглощают при разных длинах волн, то анализ смеси сводится к определению каждого компонента в отдельности – метод изолированной абсорбции.
Когда спектры поглощения компонентов смеси частично накладываются друг на друга, выбирают длину волны, при которой наблюдается максимальное поглощение одного компонента, а поглощение другого компонента пренебрежимо мало.

веществ А и В.
А и В определяют заранее,

поэтому анализ сводится к измерению оптической плотности при двух длинах волн.
Точность тем выше, чем больше различие в значениях А и В при одной и той же длине волны. Точность зависит от соотношения концентраций компонентов. Погрешность резко увеличивается при уменьшении относительного содержания компонента и при большом числе определяемых компонентов.
Необходимое требование – подчинение компонентов системы законам Бера и аддитивности.

фермента по формуле


V – объем реакционной смеси, мл;
1000 – коэффициент

перерасчета миллилоль в микромоль;
ε – миллимолярный показатель поглощения л/(ммоль × см);
L – длина оптического пути (1 см);
v – объем пробы, мл;
F – фактор.

Активность фермента А определяется как количество фермента, которое катализирует превращение 1 микромоля субстрата в 1 минуту.

метод со стандартом (используется лиофилизированный фермент определенной активности):


Измерение по конечной

точке

реакции на любом интервале времени,
Б

– активность фермента оценивают по начальной скорости,
В – линейный участок - в середине периода инкубации