НОУ ИНТУИТ | Интеллектуальные сенсоры. Лекция 22: Сенсоры с люминесцентными маркерами. Биолюминесцентные и сцинтилляционные сенсоры

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 26.05.2010 | Уровень: специалист | Доступ: платный

|

Вам нравится? Нравится 35 студентам

| Поделиться |

Поддержать программу

Ответы

Ответы на вопросы

1. Квантовый выход фотосинтеза – это отношение числа квантов энергии, которые идут на стимулирование фотохимических реакций фотосинтеза, к числу падающих на зеленый лист растения фотонов. Квантовый выход измеряется в безразмерных долях единицы или в процентах.

2. "Люминесцентный маркер" – это специально синтезированные макромолекулы, в состав которых входят два важных функциональных звена. Одно имеет выраженную люминесцентную активность, т.е. ярко светится под действием возбуждающего внешнего света или другого возбуждающего фактора. Другое звено делают выборочно чувствительным к аналиту – тому веществу, наличие которого надо обнаружить и определить его концентрацию. В соответствующих сенсорах "люминесцентный маркер" является чувствительным элементом, который формирует первичный информационный сигнал в виде изменений интенсивности люминесценции.

3. Люминесцентный пластиковый глюкосенсор, предназначенный для определения содержания глюкозы в глазной жидкости, вставляют как контактную линзу в глаз. Если осветить этот глюкосенсор синим или фиолетовым светом, то по интенсивности флуоресценции его периферийной части можно определить концентрацию глюкозы в глазной жидкости пациента. А это позволяет судить о средней за прошедшие сутки концентрации глюкозы в его крови.

4. "Оптический нос" – это интеллектуальный сенсор, который будет обнаруживать присутствие в окружающей среде одновременно десятков разных химических веществ по интенсивности люминесценции соответствующих "люминесцентных маркеров" и будет различать тысячи запахов.

5. "Биолюминесцентный сенсор" – это сенсор, в котором первичные информационные сигналы появляются в форме изменений интенсивности или спектра биолюминесценции.

6. Биолюминесцентные сенсоры связывают с генной инженерией потому, что их синтезируют с помощью генной инженерии, а потом размножают путем выращивания "культур" в специальных питательных средах.

7. "Сцинтиллятор" – это вещество, излучающее короткие вспышки люминесценции ("сцинтилляции") при пролёте сквозь них частиц ионизирующего излучения.

8. "Сцинтилляционными" называют сенсоры, в которых первичные информационные сигналы появляются в виде сцинтилляций.

9. "Сцинтилляционный счетчик" – это сенсор, который, подсчитывая число импульсов за фиксированный период времени, определяет и показывает интенсивность наблюдаемого ионизирующего излучения.

10. Сцинтилляционный детектор отличается от сцинтилляционного счетчика тем, что, кроме измерения интенсивности наблюдаемого ионизирующего излучения, он может определить его энергетический спектр. По этому спектру он может сам во многих случаях идентифицировать природу источника излучения, автоматически рассортировать различные компоненты ионизирующего излучения по их энергиям или по источникам и выдать интенсивность каждого из них в отдельности.

11. Преимущества координатно-чувствительных сцинтилляционных детекторов связаны с тем, что они позволяют собирать большие объёмы информации о координатах, моментах времени и интенсивности происходящих сцинтилляций. Время сцинтилляции фиксируется с точностью порядка 1 нс, а координаты – с точностью порядка 10 мкм. Компьютер, исходя из накопленной информации, может довольно точно реконструировать треки пролетающих частиц, их энергетические характеристики, точки распада, рассеяния или соударения частиц и т.д.

12. Интеллектуальные сцинтилляционные сенсоры широко применяют в физических и астрофизических исследованиях, для защиты людей от радиоактивных облучений, для учета, контроля и охраны радиоактивных материалов, для экологического надзора и для противодействия незаконному обороту ядерных материалов и радиоактивных веществ.

Ответы к упражнениям

Упражнение 22.1.

Вариант 1. Если на зеленый лист растения падает квантовый световой поток $\textit{Ф}$ мкмоль/(м²с), из которого $\textit{Ф}_{\textit{ФC}}$ мкмоль фотонов/(м²с) используются на стимулирование фотохимических реакций фотосинтеза, а $\textit{Ф}_{\textit{Фл}}$ – на флуоресценцию хлорофилла, то квантовые выходы фотосинтеза $\varphi_{\textit{ФC}}$ и флуоресценции хлорофилла $\varphi_{\textit{Фл}}$ определяются следующими формулами:

$\varphi_{\textit{ФC}}=\textit{Ф}_{\textit{ФC}}/\textit{Ф};\quad \varphi_{\textit{Фл}}=\textit{Ф}_{\textit{Фл}}/\textit{Ф}.$

Квантовые выходы показывают, какая доля падающих на зеленый лист растения квантов света идет на стимулирование фотосинтеза и какая – на флуоресценцию хлорофилла.

Вариант 2. Квантовые выходы фотосинтеза $\varphi_{\textit{ФC}}$ , флуоресценции хлорофилла $\varphi_{\textit{Фл}}$ и тепловой диссипации энергии $\varphi_T$ зеленого листка растения связаны между собой следующим соотношением:

$\varphi_{\textit{ФC}}+\varphi_{\textit{Фл}}+\varphi_T=1-T$

где

– коэффициент пропускания листка. Это – следствие закона сохранения энергии: все поглощенные листком кванты света идут либо на фотосинтез, либо на флуоресценцию хлорофилла, либо превращаются в тепло.

Вариант 3. Квантовый выход фотосинтеза $\varphi_{\textit{ФC}} = \textit{Ф}_{\textit{ФC}}/\textit{Ф}$ и дифференциальный квантовый выход фотосинтеза $\varphi_{\textit{ФC}}^{(Д)} = \Delta\textit{Ф}_{\textit{ФC}}/\Delta\textit{Ф}$ , где $\Delta\textit{Ф}$ – малое приращение квантовой интенсивности освещения, $\Delta\textit{Ф}_{\textit{ФC}}$ – соответствующее приращение потока квантов, идущих на фотосинтез, совпадают не всегда. Причиной этого является то, что квантовый выход фотосинтеза зависит от интенсивности падающего на листок растения света нелинейно. С возрастанием светового потока $\textit{Ф}$ все больше каналов запуска фотосинтеза оказываются занятыми. А когда поток $\textit{Ф}$ достигает уровня насыщения, то количество фотонов, используемых на стимулирование фотохимических реакций, вообще перестает возрастать. В этих условиях оно определяется лишь максимальной "пропускной способностью" всех фотосистем І и ІІ, и $\Delta\textit{Ф}_{\textit{ФC}} = 0$ . Поэтому при освещении насыщающим светом дифференциальный квантовый выход фотосинтеза $\varphi_{\textit{ФС}}^{(Д)}$ , в то время как $\varphi_{\textit{ФС}}\neq 0$ . Таким образом, существенные отличия наблюдаются при значениях $\textit{Ф}$ , близких к насыщающей интенсивности и выше.

Вариант 4. Квантовый выход фотосинтеза можно экспериментально определить, измеряя значения квантового выхода флуоресценции хлорофилла при рабочем $\varphi_{\textit{Фл}}$ и при насыщающем освещении листочка ( $\varphi_{\textit{Фл,Н}}$ ). Соответствующая расчетная формула имеет вид: $\varphi_{\textit{ФC}} = \textit{Ф}_{\textit{Фл,Н}} - \varphi_{\textit{Фл}}$ . В сенсоре EARS-PPM определяется т.н. "квантовая эффективность фотосинтеза" по формуле $\varphi_P = 1 - \varphi_{\textit{Фл}}/\varphi_{\textit{Фл,Н}} = 1 - I_{\textit{Фл}}/I_\varphi_{\textit{Фл,Н}}$ , где $I_{\textit{Фл,Н}}$ и $I_{\textit{Фл}}$ – интенсивности флуоресценции, измеряемые с помощью модулированного измерительного света в условиях насыщающего и обычного рабочего освещения соответственно. Как видим, эта величина пропорциональна квантовому выходу фотосинтеза.

Вариант 5. По формуле (22.6) находим: $\varphi_{\textit{ФC}} = \varphi_{\textit{Фл,Н}} -\varphi_{\textit{Фл}} = 79% - 28% = 51%$ . Квантовый выход тепловой диссипации $\varphi_T$ при рабочем освещении можно найти из формулы (22.5). Из неё следует, что $\varphi_T=1-T-\varphi_{\textit{ФC}}-\varphi_{\textit{Фл}}$ . Подставляя данные задачи, находим: $\varphi_T = 1 – 0,05 – 0,51 – 0,28 = 0,16 = 16%$ .

Вариант 6. По формуле (22.6) находим: $\varphi_{\textit{ФC}} = \varphi_{\textit{Фл,Н}} -\varphi_{\textit{Фл}} = 67% – 18% = 49%$ . Квантовый выход тепловой диссипации $\varphi_T$ при рабочем освещении можно найти из формулы (22.5). Из неё следует, что $\varphi_T=1-T-\varphi_{\textit{ФC}}-\varphi_{\textit{Фл}}$ . Подставляя данные задачи, находим: $\varphi_T = 1 – 0,08 – 0,49 – 0,18 = 0,25 = 25%$ .

Вариант 7. Подставляя данные задачи в формулу (22.7), находим "квантовую эффективность фотосинтеза": $\varphi_P = 1 - I_{\textit{Фл}}/I_{\textit{Фл,Н}} = 1 – 724/1617 = 0,552 = 55,2%$ .

Вариант 8. Из формулы (22.7) можно найти, что $I_{\textit{Фл,Н}} = I_{\textit{Фл}}/(1-\varphi_P)$ . Подставляя в эту формулу данные задачи, получаем: $I_{\textit{Фл,Н}} = 640/(1 – 0,54) =1390$ отн. ед.

Дальше >>

Интеллектуальные сенсоры

Интеллектуальные сенсоры