Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu Elektroniczna Aparatura Medyczna

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej Studia stacjonarne Kierunek: Inżynieria Biomedyczna Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu Elektroniczna Aparatura Medyczna Ćwiczenie 1. Fotometria reflektancyjna; konstrukcja i budowa reflektometrów v. 03 Andrzej Holiczer Witold Holiczer Norbert Litwińczuk Grażyna Gilewska Białystok 2017

2 Reflektometria A. Wprowadzenie Teoretycznie reflektancję definiuje się jako stosunek strumienia promieniowania monochromatycznego r odbitego od substancji rozpraszającej do strumienia promieniowania padającego na próbkę 0, (Rys. 1). Φ R = r (1) Φ 0 0 r Rys. 1. Ilustracja pojęcia reflektancji. Strumień promieniowania monochromatycznego 0 pada pod kątem względem normalnej do powierzchni odbijającej i zostaje częściowo odbity pod kątem (strumień r ); kąt nazywamy kątem oświetlenia, a kąt - kątem obserwacji. Właściwości optyczne ośrodków niejednorodnych, w których padające promieniowanie podlega absorpcji i rozproszeniu, opisuje teoria Kubelka-Muenka. Zakładając, że: na warstwę barwną pada monochromatyczne promieniowanie dyfuzyjne (rozproszone we wszystkich kierunkach, Rys. 2), warstwa barwna jest tak gruba, że dalsze jej zwiększanie nie ma znaczącego wpływu na reflektancję, cząsteczki pigmentu w warstwie barwnej są zorientowane bezładnie, dzięki czemu strumień wychodzący z warstwy jest dyfuzyjnie rozproszony, reemisja promieniowania jest odbierana kierunkowo (Rys. 2), odczynnik, którym wysycone jest pole testowe, oddziaływuje tylko z jednym składnikiem nakładanej próbki, wówczas między reflektancją, a stężeniem badanego składnika istnieje zależność: [1 - R(λ)] 2 2R(λ) = a(λ) c+b(λ) = X(c) (1) gdzie: R reflektancja warstwy barwnej tak grubej, że dalsze jej zwiększanie nie ma znaczącego wpływu na jej zmianę. 2

3 r 0 Rys. 2. Ilustracja warunków spełniających zależność (1) Powyższe wyrażenie stanowi teoretyczną podstawę rozwiązań reflektometrycznych mierników służących do pomiaru stężenia substancji przy użyciu tak zwanych testów suchych. Budowę przetwornika reflektancyjnego, stosowanego w glukometrach 870 i 870G pokazano na Rys. 3. Długość fali stosowanego promieniowania zależy od rodzaju pasków; w większości glukometrów wykorzystywane jest promieniowanie świetlne z zakresu czerwieni i podczerwieni (600 do 800 nm). W glukometrze 870G zastosowano monochromator (filtr interferencyjny) o maksimum transmisji dla długości fali 740 nm. Rys. 3. Budowa przetwornika reflektancyjnego glukometru typ 870G. Pomiar parametrów płynów ustrojowych przy pomocy testów suchych jest wykonywany najczęściej w oparciu o zmianę zabarwienia pola odczytowego testu na skutek oddziaływania oznaczanej substancji. Zmiana zabarwienia wywoływana jest reakcją chemiczną, najczęściej reakcją utleniania i redukcji, która przebiega w polu odczytowym testu suchego między reagentami, a oznaczanym związkiem chemicznym. Paski testowe służące do pomiaru stężenia glukozy w pełnej krwi, są paskami, na których znajduje się pole odczynnikowe zawierające system reagujący, składający się z oksydazy D- glukozy, peroksydazy oraz chromogennego indykatora. Zasada działania paska polega na enzymatycznym utlenieniu zawartej w badanej próbce glukozy do kwasu glukonowego: oksydaza Glukoza + H2O + O2 H2O 2 + kwas glukonowy 3

4 Powstała woda utleniona reaguje z chromogennym indykatorem wywołując zmianę jego barwy: peroksydaza H2O 2 + DH2 2H2 O + D Stężenie glukozy w badanej próbce określa się na podstawie intensywności zabarwienia pola odczytowego paska. Generalnie metoda pomiaru stężenia danej substancji za pomocą tzw. suchych testów diagnostycznych polega na : naniesieniu oznaczanej próbki na pole odczytowe paska, odczekaniu dokładnie określonego czasu potrzebnego dla zajścia reakcji chemicznych, odczytaniu zmiany zabarwienia. Obiektywizacja i zwiększenie dokładności odczytu pasków testowych wymaga zastosowania urządzeń pomiarowych, tzw. czytników testów suchych, w których najczęściej stosuje się przetworniki reflektancyjne. We współcześnie stosowanych miernikach stężenia glukozy we krwi (glukometrach), w celu obiektywizacji pomiaru, stosuje się zasadę one touch (jedno dotknięcie). Polega ona naniesieniu kropli krwi na pasek testowy (Rys. 5) po uprzednim jego włożeniu do glukometru (Rys. 4). Pozostałe czynności, takie jak: detekcja naniesienia kropli krwi, odczekanie czasu zajścia reakcji chemicznych, odczyt reflektancji i przetworzenie wyniku jej pomiaru na wartość stężenia glukozy są wykonywane automatycznie przez glukometr (także przez stosowany w ćwiczeniu ACCU CHEK Active). W ten sposób są minimalizowane wszystkie błędy subiektywne związane z doświadczeniem osoby wykonującej pomiar (pacjentem). Rys. 4. Widok glukometru Rys. 5. Pasek testowy: w centralnej części widoczne prostokątne pole do nałożenia kropli krwi Rys. 6. Pasek testowy: w centralnej części widoczne kołowe pole na którym zachodzi reakcja barwna widok od strony źródła światła Spektrofotometr Spekol 1 Spektrofotometr Spekol 1 (Rys. 7), produkcji CARL ZEISS JENA, jest jednowiązkowym stałostrumieniowym spektrofotometrem, pracującym w zakresie długości fal od 330 do 850 nm. Rolę monochromatora pełni lustrzana siatka dyfrakcyjna o szerokości półfali 1/2 = 11 nm (Rys. 8). Za pomocą odpowiedniego układu mechanicznego można obracać lustrem z siatką dyfrakcyjną i dzięki temu zmieniać długość fali promieniowania padającego na badaną próbkę. Rolę fotodetektora pełni ogniwo selenowe, umieszczone w zewnętrznej przystawce. Powstały w nim prąd jest przetwarzany na napięcie, które jest wzmacniane i mierzone przez woltomierz wyskalowany w jednostkach transmisji i absorbancji. 4

5 Siatka dyfrakcyjna Obiektyw 1 Lustro Żarówka Kondensor Obiektyw 2 Przesłona Szczelina 2 Kuweta pomiarowa Fotoelement Szczelina 1 Pokrętło regulacji długości fali Rys.7. Schemat blokowy spektrofotometru Spekol 1. Rys. 8. Budowa części optycznej spektrofotometru SPEKOL 1 Do pomiaru stężenia glukozy w badanej próbce służy specjalna przystawka reflektancyjna do spektrofotometru Spekol 1, w której promieniowanie odbite od próbki pada na fotodetektor, a powstały w nim prąd jest przetwarzany na napięcie i podawane na wyjście. Mierząc napięcie wyjściowe U możemy wyznaczyć wartość reflektancji R(λ). 5

6 B. Realizacja ćwiczenia 1. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą pomiaru stężenia substancji przy użyciu przetworników reflektancyjnych i tzw. suchych testów diagnostycznych na przykładzie przystawki reflektancyjnej do spektrofotometru Spekol 1 oraz glukometru ACCU CHEK Active przeznaczonego do pomiaru stężenia glukozy we krwi. 2. Aparatura, narzędzia pomocnicze i odczynniki stosowane w ćwiczeniu W ćwiczeniu są stosowane następujące urządzenia pomiarowe, pomocnicze oraz wzorce: glukometr ACCU-CHEK Active, spektrofotometr Spekol 1 z przetwornikiem reflektancyjnym, multimetr cyfrowy, paski testowe do pomiaru stężenia glukozy we krwi do glukometru ACCU-CHEK Active, ciekłe wzorce stężenia glukozy: L, M, H. 3. Przebieg realizacji eksperymentu Zapoznać się z obsługą i budową urządzeń stosowanych w ćwiczeniu Zmierzyć napięcie U 0 ( ) będące efektem odbicia światła od powierzchni czystego paska w funkcji długości fali promieniowania (spektrofotometr Spekol z przetwornikiem reflektancyjnym); pomiary należy wykonać w zakresie 550 do 750 co 20 nm. Czynności pomiarowe: połączyć wyjście przetwornika reflektancyjnego z woltomierzem CD772, do przetwornika reflektancyjnego włożyć czysty pasek testowy, otworzyć przesłonę spektrofotometru Spekol 1, zmieniając długość fali w zakresie 550 do 750 odczytywać napięcia U 0 (λ), (Tabela 1) Wykonać pomiary U R ( ) w zakresie długości fal: 550 do 750 nm co 20 nm dla wzorców L, M i H. Czynności pomiarowe: w spektrofotometrze Spekol 1 ustawiamy długość fali λ = 550 nm; przesłona otwarta, wzorzec L ( M lub H ) nanosimy na pasek testowy w chwili t = 0 s, po upływie t = 10 s delikatnie osuszamy pasek i wkładamy do przetworniku reflektancyjnego współpracującego z fotokolorymetrem Spekol 1, pierwszy pomiar U R (λ) dla długości fali λ = 550 nm wykonujemy dla t = 120 s, kolejne pomiary U R (λ) w zakresie 550 do 750 nm wykonujemy w odstępach czasowych Δt = 5 s (Tabela 1a, 1b, 1c) Używając wzorca M wykonać 3 pomiary stężenia glukozy glukometrem ACCU-CHEK Active (Tabela 2) Czynności pomiarowe: zgodnie z instrukcją obsługi glukometru Stosując wzorce L, M i H zmierzyć wartości stężenia glukozy przy użyciu glukometru ACCU CHEK Active, jednocześnie dokonując pomiaru napięcia U R przy użyciu przetwornika reflektancyjnego spektrofotometru Spekol 1 ( = 630 nm), Tabela 3. Czynności pomiarowe: mierzymy wartość stężenia wzorca L używając glukometru ACCU CHEK Active; moment nałożenia wzorca na pasek t = 0 s, (Tabela 3), niezwłocznie po zakończenia pomiaru glukometrem delikatnie osuszamy pasek i wkładamy go do przetworniku reflektancyjnego współpracującego z fotokolorymetrem Spekol 1 ( = 630 nm); po upływie 120 s odczytujemy wartość U R (Tabela 3), powyższe czynności powtarzamy dla wzorców M i H. 6

7 C. Opracowanie wyników pomiarów 1. Wyniki pomiarów Tabela 1 (nm) U 0 ( ) (mv) Tabela 1a wzorzec L (nm) t (s) U R ( ) (mv) R( ) Tabela 1b wzorzec M (nm) t (s) U R ( ) (mv) R( ) Tabela 1c wzorzec H (nm) t (s) U R ( ) (mv) R( ) Tabela 2 wzorzec... c (mg/dl) m sd cv Tabela 3 Wzorzec = 630 nm c (mg/dl) U R (mv) U 0 (λ = 630)* R X L M H * Przepisać z tabeli 1 7

8 2. Procedura opracowania wyników pomiarów Ad. 3.1 i 3.2: na wspólnym wykresie U(λ) przedstawić charakterystyki U 0 ( ) oraz U R ( ), połączyć punkty krzywą gładką. obliczyć wartości reflektancji R(λ): U R(λ) R(λ) = U 0 (λ) nanieść punkty na wykres R(λ); połączyć punkty krzywą gładką, wyznaczyć maksymalną wartość R(λ), skomentować przebieg R(λ); jakiej długości fali należy użyć do pomiaru stężenia glukozy metodą reflektancyjną? Ad. 3.3: obliczyć wartość średnią (m), odchylenie standardowe (sd) i współczynnik zmienności (cv); ocenić, czy pomiar stężenia glukozy metodą reflektancyjną należy do grupy pomiarów o dużej precyzji? Ad. 3.4: obliczyć wartości zmiennej X(c)): R(λ) X(c) = 2 R(λ) nanieść punkty na wykres X(c), obliczyć współczynniki prostej regresji b 0 oraz b 1 ; X(c) = b 0 + b 1 c nanieść prostą regresji na wykres X(c), oszacować i skomentować odchylenia punktów od prostej regresji. 8