Аналитические измерительные системы

 

Рис. 10.

Схема применяют для контроля процессов биотехнологий. Основным процессом здесь является процесс ферментации, а аппарат, в котором проводят этот процесс - ферментером. В данном аппарате выращивают микроорганизмы, при этом очень важной информации является состав среды и ее свойства. Здесь ПИП размещен в ферментере, а его сигнал по каналу связи (КС) посылается в приемник информации, который может находиться на значительном удалении от ПИП. Автоматические измерительные системы рассматриваемого типа могут быть устройствами непрерывного действия и циклического действия. Т.е. выдавать сигнал о значении измерительного параметра непрерывно или один раз в течение некоторого постоянного цикла работы прибора.

 

Рис. 11.

 

При исследовании состояния человека в космических аппаратах или самолетах также используются аналитические измерительные системы. Здесь информация от ПИП вводится в аппаратуру канала связи (АКС), где преобразуются в радиосигнал и по радиоканалам связи (РКС) передается на Землю, где в наземной аппаратуре КС она преобразуется в вид, удобный для восприятия человеком и обработки.

 

 

Фотоколориметр

 

Существует множество схем фотоколориметров. Наиболее важными являются колориметры, построенные по принципу прямого (ПИП) и уравновешенного измерительных преобразователей (УИП). Характерной особенностью фотоколориметров является то, что выбранная длина волны выдел с помощью фильтров. На рис.13 изображен фотоколориметр, реализующий прямое измерительное преобразование.

 

Рис. 13.

 

Луч света от лампы (1) поступает в оптическую систему (2) и далее, через один из фильтров (Ф1,Ф2,Ф3), призму (3) и зеркало (4) направляется в 2 канала (измерительный и сравнительный). В этих каналах располагаются стеклянные кюветы (5), заполненные анализируемой средой и эталонной средой (6). Оптическая плотность известна. Лучи, выходящие из кювет, попадают в 2 идентичных по характеристикам фотоприемникам (фотоэлементам 7 и 8), сигнал которых поступает на вход дифференциального усилителя (9), который вычисляет их разность и усиливает ее. Выходящий сигнал дифференциального усилителя (9) подается на аналоговый или цифровой вольтметр (10) и описывается формулой:

 

(8)

 

где D и Dэт. – оптические плотности;

k – коэффициент преобразования.

Недостаток схемы: фотоприемники во времени могут по-разному измерять характеристики, что приводит к погрешности. Кроме того, определение погрешности вносит старение источникам излучения (1) во времени.

Рис. 14.

 

На рис 14 все элементы идентичны по ‘седьмой’ схеме, изображенной на рис.13, причем здесь используют 1 фотоприемник. А излучение из измерительного и сравнительного каналов поступает на фотоприемник поочередно. Для этого используют обтюратор (14), диск с отверстием (16), который приводится во вращающее движение с помощью синхронного двигателя (15). На графике (рис.15) показан сигнал фотоприемника, поступающий от измерительного и сравнительного каналов. Если на графике импульсы по амплитуде такие как показано на рис. 15., специальный усилитель (10) усиливает их и управляет работой реверсивного двигателя (11), таким образом, чтобы его ротор, механически связанный со шторкой (17), перемещал бы ее в направление уменьшение потока света, поступающего со сравнительного канала. Это перемещение будет происходить до тех пор, пока импульсы сравнительного и эталонного каналов не станут равны по амплитуде импульсам, поступающим со сравнительного канала. При таком условии, ротор двигателя останавливается. Т.е. будет достигнуто уравновешивание, а значение разности оптических плотностей будет определяться показанием стрелки (12) на шкале (13).

 

Рис. 15.

 

Такая схема достигает равновесия при одном и том же значении разности оптической плотности, т.к. это равновесие практически не зависит от характеристик источника и приемника электромагнитных излучений. Класс точности 0.5..1.5. Сами по себе они используются для анализа окрашенных сред. Однако, широчайшее применение они имеют в случаях, когда для анализа используют дополнительные химические реакции. Они придают прозрачной среде характерную окраску, интенсивность которой зависит от концентрации определенного компонента.

 

Спектрофотометр

 

Рис. 16.

В этих измерительных устройствах, в отличие от фотоколориметров, требуемая длина волны электромагнитного излучения создается с помощь специального устройства монохроматора. Монохроматор содержит источник белого света (2), линзу (3), с помощью которой создается пучок света. Этот пучок направляется к диспергирующему элементу (4) и на этом элементе, за счет явления дисперсии, луч белого света разлагается на составляющие от красного до фиолетового. Для выбора требуемого излучения с длинной волны λ призму поворачивают и направляют выбранный луч света в щель (5) монохроматора.

 

 

Нефелометр

 

В нефелометрах может быть использована как схема ПИП, так и УИП. Последняя, в качестве примера приведена на рис.17.

 

Рис. 17.

 

Луч света от источника (1) направляется в нижний измерительный и верхний сравнительный каналы. В нижний канал свет поступает через оптическую систему (2), кювету (4), заполненную анализируемой средой. Причем кювета снабжена окнами (5, 6 и 7). Из окна 5 свет напрямую проходит в окно 7, которое необходимо для исключения отражения света от стенок кюветы. Если анализируемая среда (гетерогенная) не содержит частиц, то из окна 6 в измерительный канал свет не попадает. Если же в среде имеются частицы, то на них рассеивается часть излучений и это излучение под углом 90' к основному световому потоку через окно 6 и оптическую систему (8), а также отверстие (10) обтюратора (9) направляется к зеркалу (12) и далее к фотоприемнику (14). В сравнительном канале свет проходит через оптическую систему (3) обтюратора (9) к зеркалу (13). Работа данной и остальной части прибора аналогична работе фотоколориметра построенного по методу уравновешенного измерительного преобразования (УИП).

на рис.: 17 -усилитель тока

16- двигатель

17-стрелка

18-шкала

19-шторка

11-синхронный двигатель

Класс точности нефелометров 0.5..1.5

 

Одноканальный фотометр

 

 

Рис. 18.

 

 

Здесь отсутствуют какие-либо оптические элементы. Луч света от светодиода (2) направляется через диафрагму (3) в кювету (1), заполненную анализируемой средой. Часть излучения поглощается в соответствии с законами, рассмотренными ниже. * (сообщения Игоря)

Вышедшее излучение, через диафрагму (4) и фильтр (5) направляет в фотодиод (6) сигнал, который усиливается фотоэлектрическим усилителем, а показания превращаются в цифровую форму с помощью АЦП (8), ДШ(9) и цифрового отчетного устройства (10). Такие приборы являются переносными портативными устройствами и применяются для измерения концентрации гемоглобина, измерения общей концентрации в моче и других средах.

В первом случае проба крови, объемом не менее 1 мл, заливается кювету. Здесь используется один из 2-х методов анализа:

1. Непосредственного измерительного поглощения излучения крови. При этом используется светодиод зеленого свечения и фильтры с длиной волны (523мм). Такое измерение возможно, т.к. на названной длине волны гемоглобин и оксигемоглобин имеют при этом одинаковое поглощение. Измерение осуществляется несколько секунд. Погрешность 2-3%.

2. Гемоглобинно-цианидный. Перед анализом кровь смешивают со специальным реагентом, который преобразует все виды гемоглобина в вещество гемоглобинцианид. Для проведения реакции необходимо 12-15 минут. После этого, измерение осуществляется на длине волны (540мм). Погрешность измерения 1.5%.

Как в 1-ом так и во 2-ом случае осуществляется фотометрическое измерение для определения общего белка в крови. Прибор работает как турбидиметр (диод оранжевого цвета).

 

 

11. Теория работы оптических анализаторов.
Анализ гомогенных сред

 

Гомогенными средами называются те среды, которые не содержат неоднородности.

 

	(9)
;	(10)
	(11)
	(12)

 

Если гомогенную анализируемую среду просвечивать лучом, исходящем из источника излучения (ИИ) с интенсивностью I_oλ, то на выходе из слоя в толщину Δ, интенсивность излучения будет меньше I_λ. Таким образом, анализируемая среда частично поглощает излучение, но оставшееся излучение поступает в приемник (ПИ). Такое явление называется абсорбцией. Абсорбционные анализаторы основаны на явлении поглощения электромагнитного излучения, которое описывается законом Бугера-Ламберта-Бера.

k-показатель поглощения,

I_oλ-интенсивность пучка входящего/выходящего в/из источник(а) излучения.

ξ_oλ- постоянный коэффициент для данной длины волны (в некоторых источниках - большая буква Х).

С-концентрация определенного компонента.

из (9) следует формула (10); и вытекают 2 важные величины, описываемые уравнениями (11) и (12).

D - оптическая плотность (экстинкция)

П - пропускание, прозрачность.

Для ввода возможности использования оптического абсорбционного принципа измерения, для определения концентрации какого-либо компонента в анализируемой среде, необходимо сначала изучить спектры разложения или пропускания для данных компонентов, составляющих среду.

 

Рис. 19.

 

На рисунке 19 - схема пропускания для 2-х компонентной среды. Видно, что для волн L1 и L2 имеет место селективное поглощение компонентами 1 и 2. На другой длине волны спектры перекрываются, следовательно, селективное определение невозможно.

Анализаторы, основанные на поглощении электромагнитного излучения гомогенных сред, называются спектрометры (фотоколориметрами, спектрофотометрами).

 

Рис. 20.

 

Рис. 21.

 

12. Теория работы оптических анализаторов.
Анализ гетерогенных сред

 

 

Гетерогенные среды - это неоднородные среды.

 

;	(13)
;	(14)

 

 

При прохождении электромагнитного слоя излучения гетерогенной средой имеют место след явления: прохождение, огибание и, в случае если длина излучения меньше диаметра частицы - дифракция. При просвечивании гетерогенной средой возникают 2 потока излучения:

1. выходит из среды в направлении, совпадающим с направлением луча, создаваемого ИИ (формула 13)

2. может быть измерено под углом 90' в направлении луча от источника

появление этого потока связано с ранее названными явлениями (формула 14).

Кр - показатель рассеивания, определяется экспериментальным путем.

а - постоянный коэффициент, который является функцией, влияющей на показатель рассеивания.

 

Анализаторы, которые используются при работе с выходящими из гетерогенной среды называют турбидиметры. Анализаторы, которые используются в работе с рассеянным излучением - нефелометры.

 

 

Вертикальный фотометр

 

Находят широкое применение в медицинской практике и биохимических исследованиях. При этих исследованиях анализируемая среда вводится в специальную кювету (или кювета на одной вертикальной оси).

 

Рис. 22.

 

 

Схема вертикального фотометра изображена на рис. 22.

Здесь, друг под другом, по вертикальной оси расположены: ИИ (1),кювета (4), фотоприемник (7) и усилитель (8).

Такое устройство обычно работает как фотометр, только просвечивание осуществляется через донышко кюветы. В подобных анализаторах используют сразу несколько десятков кювет, которые изготавливают в виде полосок (стрип). Полоски могут набираться в планшет. В зависимости от поверхности натяжения жидкости, могут наблюдаться 2 случая.

Жидкость не смачивает поверхность кювета. В этом случае пучок лучей частично отклоняется от первоначального направления (боковые лучи), т.к. мениск жидкой среды работает как собирающая линза (рис.23а) или как рассеивающая линза (рис.23б).

 

а.	б.
Рис. 23

 

Как в случае (а), так и в случае (б) уменьшается поток излучения, идущий в фотоприемник.

Для исключения этого явления, в случае, когда жидкость не смачивает кювету, донышко последнего исполняется сферическим.

 

Рис. 24.

В вертикальных фотометрах очень важным является установка кювет в оптической системе фотометра. Если ось кюветы смещена по направлению к источнику света или распространения луча, то последний отклоняется и не попадает в фотоприемник.

 

Рис. 25.

 

На схеме вертикального фотометра описана общая схема осуществления анализа среды в одном стрипе.

 

Рис. 26.

 

 

Луч света от источника (1) проходит через оптическую систему (2) через оптюратор (3) попадает к зеркалу (4), а от него через один из фильтров в турель (поворачивающийся диск с несколькими фильтрами) (5) поступает в разветвитель потока (7). Здесь луч света разделяется на 8 или 12 каналов по числу кювет в стрипе или планшете. Луч света из каждого канала (8) попадает в автономную оптическую систему. Каждая из систем включает линзы (9) и (11) и фотоприемники(12), которые через усилитель подключаются к АЦП и далее к ПК. Все послед элементы обобщены в УООИ. Турель может поворачиваться по команде компьютера, что обеспечивается с помощью привода (6) и позволяет посылать каждой из кювет излучение требуемой длины волны. Точно также сделаны вертикальные фотометры, для просвечивания планшетов. В них точно также просвечивается каждый стрип планшета. Это осуществляется последовательно, поэтому планшет должен передвигаться либо с помощью оптической системы, обеспечивающей последовательное просвечивание всех стрипов планшета. Это осуществляется последовательно, поэтому планшет должен передвигаться или с помощью оптической системы обеспечивается последовательное просвечивание всех стрип планшет. 13 - отверстия на планшете.