Спектрофотометрические сенсоры как один из видов оптических сенсоров. Фотоплетизмографы. Оксиметры и пульсоксиметры

Ответы

Ответы на вопросы

1. Привлекательность оптических сенсоров обусловлена тем, что свет способен переносить очень значительные потоки информации при малой мощности, практически не влияя на состояние объекта, не повреждая его, может проникать в объект на значительную глубину, "добывать информацию" дистанционно.

2. Основными подклассами оптических сенсоров являются: спектрофотометрические, люминесцентные, ППР, интерферометрические, поляриметрические, светолокационные, с использованием рассеяния и дифракции света и т.д.

3. "Спектрофотометрическими" называют оптические сенсоры, в которых основную информацию об объекте несут изменения в спектральном распределении интенсивности света.

4. "Фотоплетизмография" – это метод получения информации об изменениях объёма участка тела, основанный на регистрации изменений интенсивности света, проходящего сквозь этот участок.

5. "Пульсовые волны" – это периодические изменения интенсивности света, прошедшего сквозь участок тела, синхронизированные с сокращениями сердца. Они связаны с тем, что при каждом сокращении сердечных мышц в кровеносное русло выталкивается очередная порция крови, которая через артериальную сеть разносится по всем участкам тела и сопровождается временным повышением давления. Из-за этого временно увеличивается и объём участка тела.

6. Обработка пульсовых волн в микрокомпьютере, который входит в состав фотоплетизмографа, позволяет подсчитывать и выводить на дисплей частоту сердечных сокращений, обнаруживать нарушения сердечного ритма, сигнализировать об опасных нарушениях и "выпадениях пульса", вычислять среднюю амплитуду пульсаций и сигнализировать, когда она выходит за критические пределы. Выделяя и оценивая дыхательные волны, микрокомпьютер может также контролировать наличие, глубину и "стиль" дыхания человека и подавать сигналы опасности в случаях продолжительной остановки или опасных нарушений дыхания. Все эти возможности интеллектуальных фотоплетизмографов сделали их желательным инструментом анестезиологов во время операций, а также дежурного медицинского персонала в реанимационных отделениях. Фотоплетизмограф оказался старательной "сиделкой" и бдительным "сторожем" возле тяжело больных людей.

7. "Окклюзионная фотоплетизмография" позволяет весьма точно измерять давление крови в плечевой артерии, в венах конечностей, исследовать проходимость периферийных кровеносных сосудов.

8. Красный цвет крови объясняется тем, что имеющиеся в ней молекулы гемоглобина сильно поглощают фиолетовый, синий, голубой и зеленый свет. Несколько разный цвет венозной и артериальной крови связан с существенно разным поглощением оксигемоглобином и восстановленным гемоглобином красного света. В артериальной крови преобладает оксигемоглобин, который слабо поглощает свет с длиной волны свыше 620-640 мкм, а в венозной крови имеется много восстановленных (отдавших кислород) молекул гемоглобина, которые сильно поглощают такой свет. Поэтому венозная кровь и кажется гораздо темнее.

9. В спектре видимого света имеется целый ряд спектральных интервалов, где оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин имеют одинаковые коэффициенты поглощения. Например, они одинаковы при длине волны 506,5 нм, 523 нм, 549 нм, 569 нм. Их коэффициенты поглощения больше всего отличаются в интервале длин волн 620-760 нм.

10. "Оксиметры" предназначены для неинвазивного оптического измерения насыщенности крови кислородом.

11. "Пульсоксиметр" – это интеллектуальный спектрофотометрический сенсор, предназначенный для слежения за пульсированием крови в конечностях человека и для неинвазивного измерения насыщенности кислородом его артериальной крови.

12. Пульсоксиметр, как и фотоплетизмограф, позволяет оптически отслеживать пульсовые волны и, анализируя их, контролировать работу сердца больного. Но, кроме того, он позволяет неинвазивно измерять насыщение кислородом артериальной крови и контролировать тем самым работу дыхательной системы. Таким образом, пульсоксиметр позволяет более надежно, чем фотоплетизмограф, контролировать работу двух жизненно важных систем организма больного. Этим и определяются преимущества его применения в операционных и реанимационных палатах.

Ответы к упражнениям

Упражнение 18.1. Спектрофотометрия основана на том, что большинство веществ имеют свои специфические спектры излучения и поглощения в той или иной области спектра. Поэтому при прохождении сквозь вещество спектральный состав света изменяется. По этим изменениям можно выявить присутствие интересующего нас вещества (аналита) и, измеряя величину изменений спектральных интенсивностей, вычислить его концентрацию или количество в пробе.

Вариант 1. Целью качественного спектрального анализа является только обнаружение наличия аналита в пробе и, возможно, грубая оценка его количества ("следы", "в умеренном количестве", "много"). Целью количественного спектрального анализа с самого начала является количественное измерение концентрации или количества аналита в пробе.

Вариант 2. При одноканальном спектрофотометрическом методе используется один оптоэлектронный канал, позволяющий измерять спектральные интенсивности света, прошедшего только через один образец (пластину, кювету, пленку). При многоканальном спектрофотометрическом методе используются одновременно несколько оптоэлектронных каналов, что позволяет одновременно измерять спектральные интенсивности света, прошедшего сквозь разные образцы, и сравнивать их между собой.

Вариант 3. При одноволновой спектрофотометрии измеряют спектральную интенсивность света только в одном спектральном интервале, как, напр., в фотоплетизмографах. При многоволновой спектрофотометрии измеряют спектральные интенсивности проходящего сквозь образец света в нескольких спектральных интервалах и получают необходимую информацию, сравнивая их между собой. При "непрерывной" спектрофотометрии (спектрофотометрии непрерывного спектра) снимают весь спектр прошедшего сквозь образец света в широкой спектральной области. Необходимую информацию добывают, обрабатывая все спектральное распределение целиком.

Вариант 4. Коэффициент ослабления света показывает, как быстро уменьшается интенсивность света при прохождении сквозь вещество. В дифференциальной форме основной закон ослабления света при прохождении сквозь вещество имеет вид: . Здесь – интенсивность света в веществе на глубине , – прирост интенсивности света после прохождения очень тонкого слоя вещества толщиной , – коэффициент ослабления света в веществе. Знак минус означает, что при прохождении света сквозь вещество его интенсивность убывает. Ослабление света может происходить как за счет поглощения, так и за счет рассеяния света веществом. Коэффициент ослабления света веществом в общем случае зависит от длины волны света .

Вариант 5. Коэффициент пропускания света – это отношение интенсивности света после прохождения образца к интенсивности падающего на него света: . Закон прохождения света через слой вещества в интегральной форме имеет вид: . Здесь – интенсивность света после прохождения слоя вещества толщиной – интенсивность света на входе в слой. Интенсивность света при прохождении сквозь вещество убывает экспоненциально. Скорость убывания определяется коэффициентом ослабления света .

Вариант 6. Коэффициент ослабления света раствором при наличии в нем нескольких разных красителей в случае, когда и сам растворитель частично поглощает свет, связан с их концентрациями следующим образом: . Здесь где – молярные коэффициенты поглощения вещества-растворителя и 1-го, 2-го, ... , -го красителей соответственно; – их молярные концентрации.

Вариант 7. Закон прохождения света через слой вещества в дифференциальной форме, когда вещество не поглощает, а только рассеивает свет, имеет вид: . Здесь – интенсивность света в веществе на глубине , – прирост интенсивности света после прохождения очень тонкого слоя вещества толщиной , – коэффициент рассеяния света веществом.

Вариант 8. Когда вещество не поглощает, а только рассеивает свет, закон прохождения света через слой вещества в интегральной форме выглядит так: . Здесь – интенсивность света после прохождения слоя вещества толщиной , – интенсивность света на входе в слой, – коэффициент рассеяния света веществом.

Вариант 9. Когда вещество и поглощает, и рассеивает свет, закон прохождения света сквозь слой вещества в дифференциальной форме имеет вид: . Здесь – интенсивность света в веществе на глубине , – прирост интенсивности света после прохождения очень тонкого слоя вещества толщиной , – коэффициент поглощения света веществом, – коэффициент рассеяния света веществом.

Вариант 10. Когда вещество и поглощает, и рассеивает свет, закон прохождения света через слой вещества в интегральной форме выглядит так: . Здесь – интенсивность света после прохождения слоя вещества толщиной , – интенсивность света на входе в слой, – коэффициент поглощения света веществом, – коэффициент рассеяния света веществом.