POLITECHNIKA

BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Laboratorium z przedmiotu:

Elektroniczna aparatura medyczna

Kod przedmiotu: U 19 221

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Numer ćwiczenia: 3

Temat ćwiczenia: Budowa i badania spektrofotometrów i fotometrów ab-

sorpcyjnych

Opracował: Andrzej Holiczer

Białystok – wrzesień 2006

2

1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, działaniem oraz właściwościami fotometrów
absorpcyjnych na przykładzie spektrofotometru SPEKOL 1 oraz półautomatycznego analiza-
tora biochemicznego StatFax 1904.

2. Wprowadzenie
2.1. Prawa absorpcji promieniowania
Równoległa wiązka promieniowania monochromatycznego o natężeniu

φ

0

przechodząc pro-

stopadle przez próbkę o grubości warstwy d (Rys.1) ulega częściowemu odbiciu na granicy
ośrodków (

φ

r

).

Rys.1. Schemat zjawiska absorpcji promieniowania.

Pozostała część przechodzi przez próbkę, gdzie częściowo ulega pochłonięciu (

φ

t

). Na wyj-

ś

ciu pojawia się promieniowanie o natężeniu

φ

1

. Pomiary absorpcji promieniowania wykonu-

je się zwykle bądź to wobec próbki uznanej za zerową, bądź też wobec próbki wzorcowej.
Zatem odbita lub rozproszona część promieniowania i tak mała, jest stała i może być w dal-
szych rozważaniach pominięta.

Bouguer oraz Lambert w XVIII wieku stwierdzili, że natężenie promieniowania przecho-

dzącego 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:

0

d

k

dx

φ

φ

−

=

⋅

(1)

Po dokonaniu całkowania w granicach

φ

0

,

φ

1

oraz 0, d otrzymamy:

1

0

0

ln

k

d

φ

φ

−

=

⋅

(2)

Po zmianie podstawy logarytmu z naturalnego na dziesiętny otrzymamy:

1

0

log

k d

φ

φ

−

= ⋅

(3)

Stosunek

φ

1

/

φ

0

wskazuje, jaka część promieniowania zostaje przepuszczona przez ośrodek

absorbujący i nosi nazwę transmisji:

1

0

T

φ

φ

=

(4)

Lewa strona wyrażenia (3) została nazwana absorbancją:

A

k d

= ⋅

(5)

Zależność (5) nosi nazwę prawa Bouguer'a-Lambert'a (1760 r). Prawo Lambert'a-Beer'a (1852
r) określa natomiast zależność współczynnika „k” od stężenia „c” oraz rodzaju substancji, a
ś

ciślej molowego współczynnika absorbancji „

ε

”, dla danej substancji zależnego jedynie od

długości fali promieniowania

λ

:

3

k =

ε

(

λ

)

.

c

(6)

ε

(

λ

) - molowy współczynnik absorbancji, c - stężenie substancji (mol/l).

Ostatecznie z zależności (3), (5) oraz (6) otrzymujemy równanie znane pod postacią prawa
Bouguer'a- Lambert'a-Beer'a:

A =

ε

(

λ)

.

d

.

c

(7)

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 molowych współczynnikach ab-

sorbancji

ε

1

...

ε

n

, wówczas absorbancja podlega prawu addytywności, to jest:

A

A

i

i

n

=

=

∑

0

(8)

Prawo addytywności absorbancji obowiązuje, gdy w próbce nie zachodzą żadne reakcje mię-
dzy zawartymi w niej substancjami.

W analityce medycznej najczęściej mamy do czynienia z badaniem próbek w postaci roz-

tworów złożonych z rozpuszczalnika o stężeniu c

0

, substancji rozpuszczonych o stężeniach c

1

... c

n

tworzących mieszaninę jednorodną. W takim przypadku grubość warstwy d jest jedna-

kowa dla wszystkich substancji. Z (8) otrzymujemy wówczas:

A

d

c

i

i

i o

n

=

=

∑

ε λ

( )

(9)

Prawo Bouguera–Lamberta–Beera (7), (9) obowiązuje wówczas, gdy mamy do czynienia

ze światłem monochromatycznym, czyli promieniowaniem elektromagnetycznym o jednej
długości fali świetlnej. Stosowane w fotometrach absorpcyjnych monochromatory (siatki dy-
frakcyjne, pryzmaty, filtry interferencyjne) dokonują filtracji światła z szerokością tak zwanej
półfali (rys. 2) 0,2 do 20 nm.

Długość fali (nm)

T

ran

sm

is

ja

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

500

520

540

560

580

600

T

max

0,5T

max

∆λ

∆λ

∆λ

∆λ

1/2

1/2

1/2

1/2

Rys. 2. Definicja szerokości półfali

∆λ

1/2

monochromatora.

Powstaje pytanie, jaki wpływ na stosowalność prawa Bouguera–Lamberta–Beera ma szero-
kość półfalowa monochromatora? Na Rys.3 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 (7), a rzeczywistą charakterystyką A = f(c) (Rys. 3,

∆λ

= 1

nm). W zakresie

∆λ

1/2

od kilku do kilkunastu nanometrów obserwuje się zmniejszenie czuło-

ś

ci metody (Rys. 3,

∆λ

= 10 nm); zależność (7) przyjmuje wówczas postać:

A = k(

∆λ

1/2

)

⋅

ε

(

λ)

.

d

.

c; k(

∆λ

1/2

) < 1

(10)

4

Dla większych szerokości półfali, szczególnie w przypadku dużych absorbancji charaktery-
styka A = f(c) staje się nieliniowa (Rys. 3,

∆λ

= 50 nm).

Stężenie substancji

A

b

so

rb

a

n

cj

a

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0

20

40

60

80

100

∆λ =

50

∆λ =

50

∆λ =

50

∆λ =

50

nm

∆λ =

10

∆λ =

10

∆λ =

10

∆λ =

10

nm

∆λ

= 1

∆λ

= 1

∆λ

= 1

∆λ

= 1

nm

Rys. 3. Absorbancja jako funkcja stężenia dla różnych szerokości półfali monochromatora.

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).

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 molowy współczynnik absor-
bancji, z zależności:

c

A

d

=

⋅

ε λ

( )

(11)

−

metodą porównawczą, wówczas gdy dysponujemy wzorcem badanej substancji oraz jeste-
ś

my pewni, że zależność między absorbancją a stężeniem jest liniowa, wówczas:

A =

ε

(

λ

)

.

d

.

c

(12)

A

w

=

ε

(

λ

)

.

d

.

c

w

(13)

stąd:

c

c

A

A

w

w

=

(14)

−

z krzywej wzorcowej, wówczas gdy zależność między stężeniem a absorbancją jest nieli-
niowa.

2.2.

Przykłady systemów fotometrycznych

2.2.1. Fotometr absorpcyjny jednowiązkowy stałostrumieniowy
Zasadę działania jednowiązkowego stałostrumieniowego fotometru absorpcyjnego przedsta-
wiono na Rys.4.

Ź

ródło światła (ś) 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 interferencyj-
ny, siatka dyfrakcyjna) i w tej postaci dociera do kuwety odniesienia (KO) lub kuwety pomia-
rowej (KP), w której podlega absorpcji zgodnie z zależnością (7). Po przejściu przez skupia-
jący układ optyczny S2 pada na fotodetektor pomiarowy FP (najczęściej fotoogniwo), pracu-
jące w układzie źródła prądowego, współpracującego z przetwornikiem prąd–napięcie. Na

wyjściu układu pomiarowego otrzymujemy napi
chromatycznego, które z kolei jest zale
cej się w kuwecie pomiarowej.

Rys. 4. Schemat stałostrumieniowego,

transmisji próbki.

Fotodetektor pomiarowy, w rozpatrywanym przypadku fotoogniwo pracuj
dła prądowego, przetwarza energi

k

f

- czułość fotoogniwa.

Prąd płynący przez fotoogniwo jest przetwarzany na napi
cie zgodnie z zależnością:

R - wartość rezystancji w sprz
Zatem:

k = k

f

.

R - stała przetwarzania.

Po to, by właściwie zmierzy
miar.

Zakłócenia dla transmisji bliskich zera (przesłona P2 zasłania strumie

są następujące:

−

strumień rozproszony lub zewn

−

zerowy (ciemny) prąd fotoelementu,

−

prądy i napięcia niezrównowa

Rys. 5. Schemat stałostrumieniowego, jednowi

ustawianie zera transmisji.

ciu układu pomiarowego otrzymujemy napięcie będące funkcją natęż

chromatycznego, które z kolei jest zależne od stężenia badanej substancji w próbce znajduj

w kuwecie pomiarowej.

ostrumieniowego, jednowiązkowego fotometru absorpcyjnego; pomiar

Fotodetektor pomiarowy, w rozpatrywanym przypadku fotoogniwo pracuj

dowego, przetwarza energię świetlną w energię elektryczną (prąd I).

I = k

f

.

φ

cy przez fotoogniwo jest przetwarzany na napięcie przez przetwornik pr

U = - R

.

I

rezystancji w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza.

U = k

.

φ

ła przetwarzania.

ciwie zmierzyć transmisję próbki należy uwzględnić czynniki zakłócaj

Zakłócenia dla transmisji bliskich zera (przesłona P2 zasłania strumie

rozproszony lub zewnętrzny docierający do fotoelementu,

ą

d fotoelementu,

cia niezrównoważenia wzmacniaczy układu elektronicznego.

ostrumieniowego, jednowiązkowego fotometru absorpcyjnego;

zera transmisji.

5

ą

natężenia światła mono-

enia badanej substancji w próbce znajdują-

zkowego fotometru absorpcyjnego; pomiar

Fotodetektor pomiarowy, w rozpatrywanym przypadku fotoogniwo pracujące w układzie źró-

ą

d I).

(15)

cie przez przetwornik prąd - napię-

(16)

(17)

ć

czynniki zakłócające po-

Zakłócenia dla transmisji bliskich zera (przesłona P2 zasłania strumień świetlny, Rys.5)

enia wzmacniaczy układu elektronicznego.

zkowego fotometru absorpcyjnego; pomiar i

Skutkiem występowania tych zakłóce

Aby skompensować napi

nicznego przy pomocy potencjometru
rowej U = 0 V (T = 0, A =

∞

Przyczyny zakłóceń dla transmisji bliskich jedno

umieszczona kuweta odniesienia KO z roztworem o zerowym st
Rys.6) są następujące:

−

zmiana nastawianej długo

−

zmiana strumienia świetlnego emitowanego przez
lającego oraz (lub) temperatury włókna

−

zmiany strumienia świetlnego powodowane zmian
sji siatki dyfrakcyjnej na skutek zmian temperatury zewn

−

zmiany wzmocnienia układu elektronicznego.

Rys. 6. Schemat stałostrumieniowego, jednowi

ustawianie transmisji

Skutkiem występowania tych zakłóce
celu kompensacji zmiany napi
P

100

(Rys. 6), doprowadzają

co odpowiada T = 1 i absorbancji A = 0.

Ręczna kompensacja zmian zera i jedno

wiązaniach fotometrów absorpcyjnych. Obecnie stosuje si
U

0

oraz automatyczną zmian

2.2.1. Fotometr absorpcyjny zmiennostrumieniowy dwuwi
Korekta przesunięcia zera (
jest szczególnie znaczące przy masowo wykonywanych badaniach
nej: 200 - 300 oznaczeń dziennie jednego parametru).

Dlatego też wprowadzono rozwi

nywane automatycznie. Przykład takiego rozwi
wym elementem układu jest wiruj

−

części nie przepuszczającej strumienia

−

części odbijającej strumie

−

części przepuszczającej strumie

powania tych zakłóceń jest napięcie: U

0

, które można opisa

U(

φ

= 0)

≠

0 = U

0

ć

napięcie U

c

wprowadza się regulację zera na wyj

nicznego przy pomocy potencjometru P

0

(Rys.5), doprowadzając to napi

∞

).

ń

dla transmisji bliskich jedności (przesłona odsłoni

umieszczona kuweta odniesienia KO z roztworem o zerowym stężeniu badanej substancji

astawianej długości fali promieniowania monochromatycznego,

ś

wietlnego emitowanego przez żarówkę na skutek zmian napi

cego oraz (lub) temperatury włókna żarówki,

ś

wietlnego powodowane zmianą tłumienia filtru optycznego lub reem

sji siatki dyfrakcyjnej na skutek zmian temperatury zewnętrznej,
zmiany wzmocnienia układu elektronicznego.

ostrumieniowego, jednowiązkowego fotometru absorpcyjnego;

transmisji równej jedności.

powania tych zakłóceń są zmiany napięcia wyjściowego. U

celu kompensacji zmiany napięcia U

1

wprowadza się regulację wzmocnienia potencjometrem

), doprowadzając to napięcie zawsze do stałej wartości, np. do warto

co odpowiada T = 1 i absorbancji A = 0.

czna kompensacja zmian zera i jedności transmisji była stosowana w starszych ro

zaniach fotometrów absorpcyjnych. Obecnie stosuje się zwykle pomiar warto

zmianę wzmocnienia układu na podstawie pomiaru U

2.2.1. Fotometr absorpcyjny zmiennostrumieniowy dwuwiązkowy

cia zera (P

0

) i jedności (P

100

) transmisji jest czynnoś

ą

ce przy masowo wykonywanych badaniach (np. w biochemii klinic

ń

dziennie jednego parametru).

wprowadzono rozwiązania konstrukcyjne, w których czynno

nywane automatycznie. Przykład takiego rozwiązania przedstawiono na Rys. 7

układu jest wirująca tarcza (T, Rys. 7b), składająca się z trzech segmentów:

ci nie przepuszczającej strumienia światła,

cej strumień światła - lustra,

ą

cej strumień światła.

6

na opisać zależnością:

(18)

zera na wyjściu układu elektro-

to napięcie do wartości ze-

ci (przesłona odsłonięta, w torze

ęż

eniu badanej substancji,

ci fali promieniowania monochromatycznego,

na skutek zmian napięcia zasi-

optycznego lub reemi-

zkowego fotometru absorpcyjnego; pomiar i

ciowego. U

1

= U(

φ

max

). W

wzmocnienia potencjometrem

ci, np. do wartości U

1

= 1V,

ci transmisji była stosowana w starszych roz-

zwykle pomiar wartości napięcia

nienia układu na podstawie pomiaru U

1

.

) transmisji jest czynnością pracochłonną, co

(np. w biochemii klinicz-

w których czynności te są wyko-

stawiono na Rys. 7. Podstawo-

ca się z trzech segmentów:

Rys. 7. Miernik do pomiaru st

wirującej; c) przebiegi czasowe.

Strumień światła emitowany przez
filtr (F) pada na lustro (L), przechodzi przez przepuszczaj
na lustro (L), przechodzi przez przesłon
fotoelement pomiarowy (FP). Napi
jest proporcjonalne do strumienia
tarczę 1/3 obrotu strumień z pierwszego lust
części lustra - nie docierają
pojawia się napięcie Uc = U
z pierwszego lustra (L) pada na cz
(L) i przesłonę (P) pada bezpo
rowego pojawia się napięcie
(KP). Wzmocnienie odpowiednich torów układu pomiarowego dobiera si
(w kuwecie znajduje się próba zerowa) napi
nicznie sprzężony bęben steruj
(US) rozdziela napięcia U

0

rów (Rc) i (Rj). Regulatory te, funkcjonuj
ją: napięcie U

0

do wartości równej zero, napi

danej (np. 1V). Układ taki ma dodatkow
tłumienia światła w torze optycznym, zmieniaj

W tej sytuacji spełniona jest zale

Miernik do pomiaru stężenia substancji w roztworach: a) schemat; b) budowa tarczy

cej; c) przebiegi czasowe.

wiatła emitowany przez źródło (ś) po przejściu przez soczewk

filtr (F) pada na lustro (L), przechodzi przez przepuszczającą część wiruj
na lustro (L), przechodzi przez przesłonę (P) i pada na kuwetę pomiarow
fotoelement pomiarowy (FP). Napięcie na wyjściu wzmacniacza pomiarowego
jest proporcjonalne do strumienia

Φ

p wychodzącego z kuwety (KP). Po

ń

z pierwszego lustra (L) jest zatrzymywany na nie

nie docierając do fotoelementu (FP). Na wyjściu wzmacniacza pomiarowego

c = U

0

. Po wykonaniu przez tarczę dalszej 1/3 obrotu strumie

z pierwszego lustra (L) pada na część lustrzaną tarczy (T), odbija się i poprzez kolejne lustro

(P) pada bezpośrednio na fotoelement (FP). Na wyjściu wzmacniacza pomi

napięcie Uj = U

1

, proporcjonalne do strumienia padaj

(KP). Wzmocnienie odpowiednich torów układu pomiarowego dobiera si

ę

próba zerowa) napięcie U

1

= Up = U(

Φ

). Z tarcz

ben sterujący (BS), który poprzez fotoelementy (FS) i układ steruj

0

, U

1

, Up, kierując je do układu przetwarzania (UP) oraz regulat

). Regulatory te, funkcjonujące w układach sprzężenia zwrotnego doprowadz

ś

ci równej zero, napięcie U

1

- do stałej wartości, równej warto

Układ taki ma dodatkową zaletę: utrzymuje stałe napię

wiatła w torze optycznym, zmieniającego się na przykład przy zmianie filtru.

W tej sytuacji spełniona jest zależność:

7

stancji w roztworach: a) schemat; b) budowa tarczy

ciu przez soczewkę, przesłonę (P) i

wirującej tarczy (T), pada

pomiarową (KP) i następnie na

ciu wzmacniacza pomiarowego Up = U(

Φ

)

cego z kuwety (KP). Po wykonaniu przez

ra (L) jest zatrzymywany na nieprzepuszczającej

ciu wzmacniacza pomiarowego

zej 1/3 obrotu strumień świetlny

ę

i poprzez kolejne lustro

ś

ciu wzmacniacza pomia-

porcjonalne do strumienia padającego na kuwetę

(KP). Wzmocnienie odpowiednich torów układu pomiarowego dobiera się tak, by dla c = 0

. Z tarczą (T) jest mecha-

), który poprzez fotoelementy (FS) i układ sterujący

c je do układu przetwarzania (UP) oraz regulato-

enia zwrotnego doprowadza-

ś

ci, równej wartości za-

: utrzymuje stałe napięcie U

1

niezależnie od

na przykład przy zmianie filtru.

8

p

p

0

0

U

T

U

Φ

=

=

Φ

(20)

Dalsza, elektroniczna obróbka sygnału jest podobna jak poprzednio. We współczesnych

spektrofotometrach rolę regulatorów analogowych przejęły systemy mikroprocesorowe, fi-
zyczną rolę pokręteł potencjometrów (pamięć analogowa) odgrywają przyciski uruchamiające
pamięci cyfrowe.

3. Aparatura i odczynniki stosowane w ćwiczeniu
W ćwiczeniu wykorzystuje się następujące przyrządy pomiarowe, urządzenia pomocnicze i
odczynniki:

−

spektrofotometr Spekol 1,

−

system mikroprocesorowy współpracujący ze spektrofotometrem Spekol 1,

−

układ zasilający ZFS – 871,

−

komputer z kartą przetworników PCL818L,

−

półautomat biochemiczny STAT-FAX 1904,

−

oscyloskop z pamięcią,

−

wzorzec absorbancji A

≈

0,35.

3.1. Budowa i zasada działania spektrofotometru Spekol 1 z systemem mikroprocesoro-

wym
Podczas realizacji ćwiczenia będą wykorzystane dwa spektrofotometry. Pierwszym z

nich jest SPEKOL 1 produkowany przez firmę Carl Zeiss Jena. Z uwagi na jego nieco prze-
starzałą konstrukcję części elektronicznej został on zmodyfikowany i wyposażony w nowo-
cześniejszy układ zasilania żarówki oraz mikroprocesorowy układ pomiaru transmisji i absor-
bancji. Spektrofotometr SPEKOL 1 jest typowym przedstawicielem fotometrów jednowiąz-
kowych, stałostrumieniowych. Jako źródło światła zastosowano w nim żarówkę wolframową
o mocy 30 W i zasilaniu 6 V.

Schemat układu optycznego przedstawiono na rys. 8; na rys. 9 pokazano fotografię tego

układu wraz z opisem. Światło pochodzące z żarówki za pośrednictwem układu soczewek
znajdującego się w tylnej ściance fotometru pada na płaskie lustro. Następnie przechodząc
przez kolejny układ optyczny pada na odbiciową siatkę dyfrakcyjną, gdzie zostaje rozszcze-
pione na poszczególne składowe widma promieniowania. Następnie podążając przez kolejne
soczewki jest skupiane na szczelinie znajdującej się w przedniej części spektrofotometru.
Wybór długości fali jest dokonywany poprzez obrót siatki dyfrakcyjnej za pośrednictwem
ś

ruby mikrometrycznej. Światło po przejściu przez szczelinę, posiadające ściśle określoną

długość fali, natrafia na kuwetę pomiarową, a następnie jest skupiane na fotoogniwie seleno-
wym.

Sygnał prądowy pochodzący z fotoogniwa jest doprowadzany do układu pomiarowego

znajdującego się na zewnątrz przyrządu (rys. 10). Schemat ideowy systemu mikroprocesoro-
wego współpracującego z układem optycznym spektrofotometru zamieszczono na rys. 11.
Obsługa systemu jest prosta i opiera się na wykorzystaniu dwóch przycisków. Klawisz SW1
(czarny) służy do zerowania transmisji, czyli kompensacji prądu ciemnego. Przycisk SW3
(żóty), służy do zerowania absorbancji, czyli takiej zmiany wzmocnienia w układzie, aby przy
próbce o zerowym stężeniu badanej substancji, jej transmisja wyniosła 1. Wynik pomiaru jest
odświeżany na wyświetlaczu co 2 s. Tak długi czas pomiaru wynika z faktu zastosowania w
systemie precyzyjnego przetwornika A/C o szybkości przetwarzania zaledwie 8 sam-
pli/sekundę.

Obiektyw

Szczelin

Kuweta p

Fotoelem

Przesłon

Rys. 8. Schemat blokowy

Rys.

Rys. 10. Budowa systemu mikroprocesorowego współpracuj

trofotometru SPEKOL 1.

ś

arówka

Kondens

Lustro

Szczelina 1

Obiektyw 1

Siatka

dyfrakcyjna

w 2

na 2

pomiarowa

ment

na

Pokr

ę

tło regulacji

długo

ś

ci fali

. Schemat blokowy układu optycznego spektrofotometru SPEKOL 1.

Rys. 9 Budowa spektrofotometru SPEKOL 1.

systemu mikroprocesorowego współpracującego z układem optycznym

trofotometru SPEKOL 1.

9

sor

otometru SPEKOL 1.

cego z układem optycznym spek-

Rys. 11. Schemat ideowy systemu współpracuj

systemu współpracującego z układem optycznym spektrofotometru Spekol 1.

10

cego z układem optycznym spektrofotometru Spekol 1..

11

3.2. Budowa i zasada działania półautomatu biochemicznego STAT-FAX 1904
Półautomat biochemiczny STAT-FAX jest mikroprocesorowym fotometrem bichromatycz-
nym, wyposażonym w 6 filtrów interferencyjnych (340, 405, 492, 550, 600 i 630 nm) o sze-
rokości półfali 10 nm. Jest to znacznie nowocześniejszy następca spektrofotometru SPEKOL
1, zaliczający się do grupy fotometrów jednowiązkowych, zmiennostrumieniowych.

Ś

wiatło pochodzące z halogenowej lampy przechodząc przez próbówkę z badaną sub-

stancją ulega osłabieniu. Za probówką znajduje się wirujący bęben, w którym umieszczonych
jest 6 wymienionych wyżej filtrów. Każdy z filtrów, znajdujących się przed fotodetektorem,
„wycina” określoną część widma promieniowania. W efekcie, w czasie jednego obrotu bębna,
do fotodetektora dociera 6 kolejnych impulsów monochromatycznego światła, których ampli-
tudy zależne są od pochłaniania danej długości fali przez badaną próbkę (rys. 12). Wspo-
mniany bęben obraca się z prędkością 240–300 rpm (obrotów na minutę), jest on wyposażony
w tarczę ze specjalnym systemem nacięć, dzięki którym znana jest jego pozycja. Za pomocą
dwóch transoptorów szczelinowych spektrofotometr ustala, w jakiej fazie obrotu jest bęben i
przez jaki filtr w danej chwili przechodzi promieniowanie. Następnie światło pada na fotoo-
gniwo, które dostarcza sygnał pomiarowy do dalszych układów. Dzięki obecności układu
próbkująco - pamiętającego, wartość szczytowa każdego impulsu jest pamiętana i zamieniana
na postać cyfrową, która podlega dalszej obróbce cyfrowej. Obróbka sygnałów oraz sterowa-
nie całym układem fotometru, realizowana jest przez system mikroprocesorowy, oparty na
układzie Z80. Wyniki pomiarów są pokazywane na wyświetlaczu oraz mogą być wydruko-
wane na wewnętrznej drukarce termicznej.

Rys. 12. Sygnały testowe w półautomacie biochemicznym STAT-FAX 1904.

4. Wymagania BHP

W trakcie realizacji programu ćwiczenia należy przestrzegać zasad odczytanych i omó-

wionych we wstępie do ćwiczeń, zawartych w: „Regulaminie porządkowym w laboratorium z
miernictwa przemysłowego z uwzględnieniem przepisów BHP” oraz w „Instrukcji obsługi
urządzeń elektronicznych znajdujących się w laboratorium z uwzględnieniem przepisów
BHP”. Regulamin i instrukcja są dostępne w pomieszczeniu laboratoryjnym w widocznym
miejscu.

Z uwagi na specyfikę niniejszego ćwiczenia należy dodatkowo przestrzegać następują-

cych zasad:

12

−

włączać i wyłączać zasilanie elektryczne przyrządu podczas obecności prowadzącego ćwi-
czenie,

−

zachować szczególną ostrożność przy pracy z odkrytą obudową urządzenia; w głównej
mierze dotyczy to obszaru transformatora zasilacza,

5. Program i wykonanie badań
A. Badanie spektrofotometru SPEKOL 1.
1.

Uruchomić komputer, a następnie w programie DasyLAB otworzyć plik SPEKOL.DSB.

2.

Zapoznać się ze schematem ideowym urządzenia, a następnie ustalić, które z sygnałów
analogowych są doprowadzone do karty akwizycji danych.

3.

Nastawić długość fali na wartość podaną przez prowadzącego, otworzyć przesłonę i włą-
czyć spektrofotometr. Rejestrować przebieg napięcia na wyjściu przetwornika prąd-
napięcie przez 30 min. Po upływie zadanego czasu zatrzymać rejestrację oraz zmienić na-
zwę powstałego pliku FOT.ASC na WYGRZEWANIE.TXT.

4.

Ponownie rozpocząć rejestrację. Używając woltomierza zaimplementowanego w progra-
mie DasyLAB dołączonego do wyjścia przetwornika I/U dokonać pomiarów charaktery-
styki widmowej toru optycznego w zakresie długości fal od 400 do 700 nm z krokiem co
25 nm. Wyznaczyć długość fali, dla której czułość przyrządu jest największa i zmierzyć
maksymalne napięcie w torze pomiarowym.

5.

Wykonać pomiaru absorbancji roztworu hemoglobiny dla następujących długości fali:
405, 450, 492, 545 oraz 600 nm.

6.

Nastawić długość fali 545 nm. Dokonać 10 pomiarów absorbancji w cyklu:
ZEROWANIE TRANSMISJI

→

ZEROWANIE ABSORBANCJI

→

POMIAR w odstę-

pach nie większych niż kilka sekund.

7.

Zarejestrować przebiegi napięć w układzie pomiarowym (I/U, OFFSET, DIFF, ADC In)
w trakcie zerowania transmisji i absorbancji oraz podczas działania funkcji AUTOZERO.

B. Badanie fotometru STATFAX.
1.

Włączyć spektrofotometr i oscyloskop.

2.

Dwukrotnie nacisnąć przycisk CLEAR w celu przejścia do menu głównego.

3.

Wybrać opcję pomiaru absorbancji (ABS).

4.

Dokonać wyboru odpowiedniego filtra optycznego za pomocą klawiszy 1..6.

5.

Wyłączyć pomiar różnicowy (klawisz NO) i zatwierdzić przyciskiem ENTER.

6.

Odczekać kilka sekund, aż pojawi się napis „READ BLANK TUBE”. W kuwecie pomia-
rowej umieścić probówkę z wodą destylowaną.

7.

Po pojawieniu się napisu „READ SAMPLE” usunąć roztwór o zerowej absorbancji i
umieścić w przyrządzie badany roztwór hemoglobiny. Odczytać i zanotować wynik.

8.

Czynności opisane w punktach 2–7 powtórzyć dla pozostałych długości fali.

9.

Przejść w tryb pomiaru próbki przy dowolnie wybranej długości fali i uruchomić rejestra-
cję na oscyloskopie. Umieścić w kuwecie pomiarowej próbkę o zerowej absorbancji i od-
czytać poziomy napięć dla poszczególnych długości fal.

10.

Umieścić w kuwecie probówkę z roztworem hemoglobiny i ponownie odczytać wartości
napięć. W razie potrzeby zmieniać wzmocnienie oscyloskopu i powtarzać pomiar za po-
mocą przycisku „RUN/HOLD”.

11.

Dokonać 10 pomiarów absorbancji roztworu hemoglobiny dla długości fali 545nm, każ-
dorazowo zerując absorbancję przyrządu za pomocą próbki z wodą destylowaną.

6. Opracowanie wyników pomiarów
1.

Obliczyć liniowy trend długoterminowy na podstawie prostej regresji, korzystając z da-
nych zarejestrowanych w punkcie 5.A.3. Wyrazić go w %/godz.

13

2.

Wyznaczyć względną charakterystykę toru optycznego spektrofotometru SPEKOL1 na
podstawie danych zebranych w punkcie 5.A.4.

3.

Porównać charakterystyki widmowe roztworu hemoglobiny uzyskane za pomocą spektro-
fotometru SPEKOL1 (5.A.5) oraz STATFAX (III.B.8). Skomentować ewentualne różnice
i podać ich przyczyny.

4.

Obliczyć współczynniki zmienności dla pomiarów absorbancji roztworu hemoglobiny
dokonanych za pomocą spektrofotometru SPEKOL1 (5.A.6) oraz STATFAX (5.B.11).

5.

Obliczyć absorbancję na podstawie pomiarów oscyloskopowych (5.B.9-10) i porównać ją
z otrzymanymi wynikami pomiarów (5.B.8).

7. Literatura.
1. Wykład z przedmiotu „Elektroniczna aparatura medyczna”.
2. Szyszko E.: „Instrumentalne metody analityczne”, PZWL, Warszawa 1982.
3. „Stat Fax 1900 Series. Service Manual”.