Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu Elektroniczna Aparatura Medyczna

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 absorpcyjna i reflektancyjna; konstrukcja i budowa spektrofotometrów i reflektometrów v. 02 Andrzej Holiczer Witold Holiczer Norbert Litwińczuk Grażyna Gilewska Białystok wrzesień 2014

A. Wprowadzenie Fotometria absorpcyjna 1. Prawa absorpcji promieniowania Równoległa wiązka promieniowania monochromatycznego o natężeniu 0 przechodząc prostopadle przez próbkę o grubości warstwy d (Rys.1) ulega częściowemu odbiciu na granicy ośrodków ( r ). Pozostała część przechodzi przez próbkę, gdzie częściowo ulega pochłonięciu (absorpcji). Rys.1. Schemat zjawiska absorpcji promieniowania. Pomiary absorpcji promieniowania wykonuje się zwykle bądź to wobec próbki uznanej za zerową, bądź też wobec próbki wzorcowej. Zatem odbita lub rozproszona część promieniowania - i tak mała ( r << 0 ) - jest stała i może być w dalszych rozważaniach pominięta. Bouguer oraz Lambert w XVIII wieku stwierdzili, że natężenie promieniowania przechodzącego przez ośrodek absorbujący zmniejsza się w stosunku geometrycznym, podczas gdy grubość warstwy rośnie w stosunku arytmetycznym. Inaczej mówiąc: względne osłabienie promieniowania jest proporcjonalne do przyrostu warstwy. Można zapisać to w postaci: dφ - = k0 dx φ Po dokonaniu całkowania w granicach 0, 1 oraz 0, d otrzymamy: -ln 1 = ke d 0 Po zmianie podstawy logarytmu z naturalnego na dziesiętny otrzymamy: -log 1 = k d 0 Stosunek 1 / 0 oznacza jaka część promieniowania zostaje przepuszczona przez ośrodek absorbujący i nosi nazwę transmisji: T 1 Lewa strona wyrażenia (5) została nazwana absorbancją: Φ A = -log 1 = -logt Φ0 0 Z (3) i (5) otrzymamy: A = k d (6) Zależność (6) nosi nazwę prawa Bouguer'a-Lambert'a. Prawo Lambert'a-Beer'a określa natomiast zależność współczynnika k od stężenia c oraz rodzaju substancji, a ściślej współczynnika absorbancji a, dla danej substancji zależnego jedynie od długości fali promieniowania : k = a(λ) c (7) a() - współczynnik absorbancji, c - stężenie substancji. (1) (2) (3) (4) (5) 2

Ostatecznie z zależności (6), (7) otrzymujemy równanie znane pod postacią prawa Bouguer'a- Lambert'a-Beer'a: A = a(λ) d c (8) Prawo to dotyczy przypadku, gdy w próbce znajduje się jedna substancja absorbująca. Jeżeli w próbce jest n substancji o stężeniach c 1... c n i współczynnikach absorbancji a 1... a n, wówczas absorbancja podlega prawu addytywności, to jest: i=n A = A i (9) i=1 Prawo addytywności absorbancji obowiązuje, gdy w próbce nie zachodzą żadne reakcje między zawartymi w niej substancjami. W analityce medycznej najczęściej mamy do czynienia z badaniem próbek w postaci roztworów złożonych z rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonych o stężeniach c 1... c n tworzących mieszaninę jednorodną. W takim przypadku grubość warstwy d jest jednakowa dla wszystkich substancji. Z (8) otrzymujemy wówczas: A = d n a i(λ) ci i=o Zależności (8), (9), (10) są spełnione przy założeniu, że strumień padający na badaną próbkę jest monochromatyczny. Celem zastosowania metody fotometrii absorpcyjnej w ilościowej analizie chemicznej jest określenie wartości stężenia substancji. Możemy tego dokonać stosując trzy sposoby: bezpośrednio z prawa Bouguer a-lambert a-beer a znając współczynnik absorbancji, z zależności: Prąd I płynący przez fotoogniwo jest przetwarzany na napięcie przez przetwornik prąd napięcie 3 (10) A c = (11) ε(λ) d metodą porównawczą, wówczas gdy dysponujemy wzorcem badanej substancji: A = a(λ) d c stąd: A w = a(λ) d cw A c c w A w z krzywej wzorcowej, wówczas gdy zależność między stężeniem a absorbancją jest nieliniowa. 2. Jednowiązkowy stałostrumieniowy fotometr absorpcyjny Zasadę działania jednowiązkowego stałostrumieniowego fotometru absorpcyjnego przedstawiono na Rys.2. Źródło światła (Ż) emituje promieniowanie polichromatyczne rozproszone, które jest formowane w układzie optycznym S1 (układ soczewek), P1 (przesłona kołowa) w wiązkę równoległą. Wiązka ta podlega monochromatyzacji w filtrze optycznym F (filtr interferencyjny, siatka dyfrakcyjna) i w tej postaci dociera do kuwety pomiarowej (KP), w której podlega absorpcji zgodnie z zależnością (8). Po przejściu przez skupiający układ optyczny S2 pada na fotodetektor pomiarowy FP (najczęściej fotoogniwo), pracujące w układzie źródła prądowego, współpracującego z przetwornikiem prąd napięcie. Na wyjściu układu pomiarowego otrzymujemy napięcie będące funkcją natężenia światła monochromatycznego, które z kolei jest zależne od stężenia badanej substancji w próbce znajdującej się w kuwecie pomiarowej. Fotodetektor pomiarowy, w rozpatrywanym przypadku fotoogniwo pracujące w układzie źródła prądowego (FP), przetwarza energię świetlną w energię elektryczną (prąd I). I = k f (14) k f - czułość fotoogniwa. (12) (13)

zgodnie z zależnością: U( ) = -P100 I (15) P 100 - wartość rezystancji w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza. Zatem: k =- k f. P 100 - stała przetwarzania. U = k (16) Rys.2. Schemat stalostrumieniowego, jednowiązkowego fotometru absorpcyjnego; pomiar transmisji próbki. Po to, by właściwie zmierzyć transmisję próbki należy uwzględnić czynniki zakłócające pomiar. Zakłócenia dla transmisji bliskich zera (przesłona P2 w pozycji zasłaniającej strumień świetlny, rys. 3) są następujące: strumień rozproszony lub zewnętrzny docierający do fotoelementu, zerowy (ciemny) prąd fotoelementu, prądy i napięcia niezrównoważenia wzmacniaczy układu elektronicznego. Rys.3. Schemat stalostrumieniowego, jednowiązkowego fotometru absorpcyjnego; ustawianie zera transmisji. Skutkiem występowania tych zakłóceń na wyjściu układu elektronicznego powstaje napięcie: U(T = 0) = U0 0V (17) 4

Aby doprowadzić to napięcie np. do 0 V wprowadza się regulację zera wzmacniacza przy pomocy potencjometru P 0 (rys.3), doprowadzając to napięcie do wartości zerowej U = 0 V (T = 0, A = ). Przyczyny zakłóceń dla transmisji bliskich jedności (przesłona odsłonięta, w torze umieszczona kuweta odniesienia KO z roztworem o zerowym stężeniu badanej substancji, rys. 4) są następujące: zmiana nastawianej długości fali promieniowania monochromatycznego, zmiana strumienia świetlnego emitowanego przez żarówkę na skutek zmian napięcia zasilającego oraz (lub) temperatury włókna żarówki, zmiany strumienia świetlnego powodowane zmianą tłumienia filtru optycznego lub reemisji siatki dyfrakcyjnej na skutek zmian temperatury zewnętrznej, zmiany wzmocnienia układu elektronicznego. Rys.4. Schemat stalostrumieniowego, jednowiązkowego fotometru absorpcyjnego; ustawianie transmisji równej jedności. Skutkiem występowania tych zakłóceń na wyjściu układu elektronicznego powstaje napięcie: U(T = 1) = U1 1V (18) Aby doprowadzić to napięcie np. do 1 V wprowadza się regulację wzmocnienia wzmacniacza przy pomocy potencjometru P 100 (rys.3), doprowadzając to napięcie do wartości zerowej U = 1 V (T = 1, A = 0). Zastosowanie takiej procedury (rys. 2, 3, 4) powoduje wywzorcowanie fotometru w zakresie pomiaru absorbancji, bowiem na podstawie (5) można ją określić jako: A = -log U c logu c (19) U U 1 1V 1 0 V U[Φ(c)] 1 V napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego równe wartości transmisji dla próbki o stężeniu c. W przypadku, gdy nie dokonujemy kompensacji zera i wzmocnienia, a wykonujemy pomiar napięcia U 0 (17) i U 1 (19), obliczenie wartości absorbancji przeprowadzamy według zależności: U c - U 0 A = -log U1 -U0 U 0 wartość napięcia na wyjściu układu elektronicznego przy zamkniętej przesłonie P2 (rys. 3); U 1 wartość napięcia na wyjściu układu elektronicznego wówczas, gdy strumień świetlny przechodzi przez kuwetę odniesienia KO (rys. 4); U[Φ(c)] wartość napięcia na wyjściu układu elektronicznego wówczas, gdy strumień świetlny przechodzi przez kuwetę pomiarową KP (rys. 2) (20) 5

Prawo Bouguera Lamberta Beera (8) obowiązuje wówczas, gdy mamy do czynienia ze światłem monochromatycznym, czyli promieniowaniem elektromagnetycznym o jednej długości fali świetlnej. Stosowane w fotometrach absorpcyjnych monochromatory (siatki dyfrakcyjne, pryzmaty, filtry interferencyjne) dokonują filtracji światła z szerokością tak zwanej półfali (rys. 5) 0,2 do 20 nm. Na rys. 6 pokazano charakterystyki absorbancji w funkcji stężenia dla różnego stopnia monochromatyzacji światła. Na ogół dla szerokości półfalowych do kilku nanometrów nie obserwuje się znaczących rozbieżności między zależnością (8), a rzeczywistą charakterystyką A = f(c) (Rys. 6, = 1 nm). W zakresie 1/2 od kilku do kilkunastu nanometrów obserwuje się zmniejszenie czułości metody (Rys. 6, = 10 nm); zależność (8) przyjmuje wówczas postać: A = k( 1/ 2 ) a( ) d c (21) k( 1/ 2 ) < 1 Transmisja 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 T max 0,5T max Absorbancja 2,0 1,5 1,0 0,5 = 1 nm = 10 nm = 50 nm 0,0 500 520 540 560 580 600 Długość fali (nm) Rys. 5. Definicja szerokości półfali 1/2 monochromatora. 0,0 0 20 40 60 80 100 Stężenie substancji Rys. 9. Absorbancja jako funkcja stężenia dla różnych szerokości półfali monochromatora Dla większych szerokości półfali, szczególnie w przypadku dużych absorbancji charakterystyka A = f(c) staje się nieliniowa (Rys. 6, = 50 nm). Ogólnie można jednak stwierdzić, że stosując niemonochromatyczne źródła promieniowania należy liczyć się przede wszystkim ze zmniejszeniem czułości metody; w mniejszym stopniu z nieliniowością charakterystyki A = f(c). Z tego też powodu w większości przypadków w pomiarach stężenia posługujemy się zależnością (13): A c c w A w 3. Opis stanowiska laboratoryjnego spektrofotometr Spekol 1 Spektrofotometr Spekol 1 (rys. 10), 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. 11). 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. 6

Siatka dyfrakcyjna Obiektyw 1 Lustro Żarówka Kondensor Obiektyw 2 Przesłona Szczelina 2 Kuweta pomiarowa Fotoelement Szczelina 1 Pokrętło regulacji długości fali Rys.10. Schemat blokowy spektrofotometru Spekol 1. Rys. 11. Budowa części optycznej spektrofotometru SPEKOL 1 Spektrofotometr Spekol 1 w wersji wykorzystywanej w trakcie ćwiczenia jest konstrukcją zmodernizowaną w stosunku do pierwowzoru. Posiada on możliwość współpracy z zewnętrznym przetwornikiem mikroprocesorowym PFS 10mic, wyposażonym w odczyt cyfrowy. Dzięki temu znacząco uległa poprawie dokładność pomiarów, głównie z powodu wzrostu rozdzielczości w zakresie większych absorbancji. 7

B. Realizacja ćwiczenia 1. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą pomiaru stężenia substancji w roztworach przy użyciu metody fotometrii absorpcyjnej. 2. Aparatura, narzędzia pomocnicze i odczynniki stosowane w ćwiczeniu W ćwiczeniu są stosowane następujące urządzenia pomiarowe, pomocnicze oraz wzorce: spektrofotometr Spekol 1, zasilacz ZFS 10 do spektrofotometru Spekol 1, woltomierz o zakresie pomiarowym 2 V, roztwory wzorcowe A do F (cyjanhemiglobina HiCN: 0, 120, 240, 360, 480, 600 mg/l;), roztwór ISODETERGENT. 3. Przebieg realizacji eksperymentu Zapoznać się z obsługą i budową urządzeń stosowanych w ćwiczeniu. 3.1. Zmierzyć względną charakterystykę widmową układu: źródło światła monochromator fotoogniwo w zakresie długości fal 440 do 640 nm ( = 20 nm); tabela 1. Czynności pomiarowe: połączyć wyjście fotometru Spekol 1 z woltomierzem o zakresie 2,0 V, przeprowadzić procedurę zerowania transmisji, znaleźć maksymalną wartość napięcia na woltomierzu U max w funkcji długości fali ; pokrętłem 100 fotometru ustawić wartość napięcia na około 1 V, zmieniając długość fali od 440 nm do 640 nm, co 20 nm odczytać wskazania woltomierza U(). 3.2. W zakresie długości fal = 440 do 640 nm ( = 20 nm), zmierzyć charakterystykę widmową A(λ) roztworu E (tabela 2a) oraz roztworu C (tabela 2b). Czynności pomiarowe: połączyć wyjście fotometru Spekol 1 z woltomierzem o zakresie 2,0 V, przeprowadzić procedurę zerowania transmisji, dla każdej nastawianej długości fali λ: dla kuwety odniesienia KO z roztworem o zerowym stężeniu badanej substancji, pokrętłem 100 fotometru ustawić wartość napięcia na 1 V, wstawić kuwetę z roztworem mierzonym, odczytać z woltomierza wartość napięcia U[(c)], obliczyć absorbancję, z tabel 2a i 2b odczytać długość fali λ = λmax przy której absorbancja osiąga maksymalną wartość. 3.3. Dla długości fali = max wykonać po 5 pomiarów absorbancji jednego z roztworów B do E (wskazany przez prowadzącego) dla jednej próbki (tabela 3). Czynności pomiarowe: a) do koszyka wkładamy kuwetę z badanym roztworem, mierzymy napięcie U[(c)], obliczamy absorbancję, pomiar przeprowadzamy pięciokrotnie, b) powtarzamy pięciokrotnie procedurę dla badanego roztworu wlewając do kuwety nową próbkę roztworu. 3.4. Dla długości fali = max zmierzyć absorbancje roztworów wzorcowych o stężeniach B do F (120, 240, 360, 480, 600 mg/l); tabela 4. Czynności pomiarowe: do koszyka wkładamy kolejno kuwetę z roztworem wzorca B, C, D, E, F, dokonujemy jednokrotnego pomiaru dla każdego wzorca, mierzymy napięcie U[(c)], obliczamy absorbancję. 8

C. Opracowanie wyników pomiarów 1. Wyniki pomiarów Tabela 1 λ (nm) 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 U(λ) (mv) Tabela 2a roztwór C (1:5) λ (nm) 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 U(λ) (mv) A Tabela 2b roztwór E (4:5) λ (nm) 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 U(λ) (mv) A Tabela 3a roztwór C U(λ) (mv) A* * pięciokrotny pomiar absorbancji tej samej próbki, Tabela 3b roztwór E U(λ) (mv) A* * pięciokrotny pomiar absorbancji tej samej próbki, Tabela 4 Roztwór B C D E F Stężenie c (mg/l) 120 240 360 480 600 U(λ) (mv) Absorbancja A 9

2. Procedura opracowania wyników pomiarów Ad. 3.1: znaleźć długość fali λ = λ max, przy której U(λ) = U max, dokonać obliczeń i narysować charakterystykę: U( ) ( ) u( ) 100 100 U max max λ (nm) 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 U(λ) (mv) u(λ) (%) narysować wykres u() oraz wyjaśnić charakter jego przebiegu. Ad. 3.2: narysować charakterystykę widmową wzorca A(λ), określić długości fali = max, dla której A = A max. Ad. 3.3: obliczyć wartości średnie (m), odchylenia standardowe (sd) oraz współczynnik zmienności (cv) absorbancji A* oraz A**(tabela 3): sd cv 100 m wyjaśnić ewentualne różnice współczynników cv między wykonanymi seriami pomiarów. Ad. 3.4: nanieść punkty pomiarowe na wykres A = f(c), obliczyć współczynnik kierunkowy b 1 prostej regresji: A reg = b1 c obliczyć wartości A reg, obliczyć wartości błędu bezwzględnego Δ = A A reg, Roztwór A B C D E F Stężenie c (mol/l) 0 10 20 30 40 50 Absorbancja A Absorbancja A reg Δ = A A reg nanieść punkty na wykres Δ = f(c) estymować punkty c; Δ trójmianem Δ(c) = a 0 + a 1 c + a 2 c 2 nanieść funkcję Δ(c) = a 0 + a 1 c + a 2 c 2 na wykres, w zakresie 0 do 50 mol/l znaleźć na wykresie Δ(c) = a 0 + a 1 c + a 2 c 2 maksymalną wartość błędu Δ = Δ max, obliczyć błąd nieliniowości: Δ δ max n = 100 Z Z = A F absorbancja roztworu F. Czy zależność A = f(c) można uznać za liniową? 10

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. 12). Φ R = r (22) Φ 0 0 r Rys. 12. 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. 13), 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. 13), 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 = a(λ) c +b(λ)= X(c) 2R(λ) R reflektancja warstwy barwnej tak grubej, że dalsze jej zwiększanie nie ma znaczącego wpływu na jej zmianę. (23) r 0 Rys. 13. Ilustracja warunków spełniających zależność (23) 11

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. 14. 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. 14. 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 + H 2O + O2 H 2O2 + kwas glukonowy Powstała woda utleniona reaguje z chromogennym indykatorem wywołując zmianę jego barwy: peroksydaza H 2O2 + DH 2 2H 2O + 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 dotknię12

cie). Polega ona naniesieniu kropli krwi na pasek testowy (rys. 16) po uprzednim jego włożeniu do glukometru (rys. 15). 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. 15. Widok glukometru Rys. 16. Pasek testowy: w centralnej części widoczne prostokątne pole do nałożenia kropli krwi Rys. 17. Pasek testowy: w centralnej części widoczne kołowe pole na którym zachodzi reakcja barwna widok od strony źródła światła 13

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. 3.1. 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. 3.2. 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). 3.3. Używając wzorca M wykonać 3 pomiary stężenia glukozy glukometrem ACCU-CHEK Active (tabela 2) Czynności pomiarowe: zgodnie z instrukcją obsługi glukometru. 3.4. 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. 14

C. Opracowanie wyników pomiarów 1. Wyniki pomiarów Tabela 1 (nm) 550 570 590 610 630 650 670 690 710 730 750 U 0 () (mv) Tabela 1a wzorzec L (nm) 550 570 590 610 630 650 670 690 710 730 750 t (s) 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 U R () (mv) R() Tabela 1b wzorzec M (nm) 550 570 590 610 630 650 670 690 710 730 750 t (s) 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 U R () (mv) R() Tabela 1c wzorzec H (nm) 550 570 590 610 630 650 670 690 710 730 750 t (s) 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 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 15

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)): 2 1 - 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. 16