Спектральный анализ в медицине


Линейчатые cпектpы играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти cпектpы создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми cпектpами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти cпектpы, ученые получили возможность "заглянуть" внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых cпектpов состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого cпектpа какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают cпектp, не похожий на cпектpы всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом основан cпектpальный aнaлиз — метод определения химического состава вещества по его cпектpу. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые cпектpы имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности cпектpов имеется возможность определить химический состав тела. С помощью cпектpального aнaлиза можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10-10. Это очень чувствительный метод.


Количественный aнaлиз состава вещества по его cпектpу затруднен, так как яркость cпектpальных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие cпектpальные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный cпектpальный aнaлиз.

В настоящее время определены cпектpы всех атомов и составлены таблицы cпектpов. С помощью cпектpального aнaлиза были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий cпектpа. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий cпектpа цезия.

Именно с помощью cпектpального aнaлиза узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы aнaлиза здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».


Благодаря сравнительной простоте и универсальности cпектpальный aнaлиз является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью cпектpального aнaлиза определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей aнaлизируется по их молекулярным cпектpам.

Cпектpальный aнaлиз можно производить не только по cпектpам испускания, но и по cпектpам поглощения. Именно линии поглощения в cпектpе Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца — фотосфера — дает непрерывный cпектp. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного cпектpа фотосферы.

Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит обращение линий cпектpа. На месте линий поглощения в солнечном cпектpе вспыхивают линии излучения.

В астрофизике под cпектpальным aнaлизом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но и нахождение по cпектpам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.

Кроме астрофизики cпектpальный aнaлиз широко применяют в криминалистике, для расследования улик, найденных на месте преступления. Также cпектpальный aнaлиз в криминалистике хорошо помогает определять орудие убийства и вообще раскрывать некоторые частности преступления.


Еще шире cпектpальный aнaлиз используют в медицине. Здесь его применение весьма велико. Его можно использовать для диагностирования, а также для того, чтобы определять инородные вещества в организме человека.

Cпектpальный aнaлиз прогрессирует не только науку, но и общественную сферу человеческой деятельности.

Для cпектpального aнaлиза необходимы специальные cпектpальные приборы, которые мы и рассмотрим дальше.

 

 

Спектральные аппараты

Для точного исследования cпектpов такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий cпектp, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков cпектpа. Такие приборы называют cпектpальными аппаратами. Чаще всего основной частью cпектpального аппарата является призма или дифракционная решетка.

Рассмотрим схему устройства призменного cпектpального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму.


Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран — матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому cпектpальному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют cпектp.

Описанный прибор называется cпектpографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения cпектpов, то прибор называется cпектpоскопом. Призмы и другие детали cпектpальных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др.

Заключение

В начале XIX в. было обнаружено, что выше (по длине волны) красной части cпектpа видимого света находится невидимый глазом инфракрасный участок cпектpа, а ниже фиолетовой части cпектpа видимого света находится невидимый ультрафиолетовый участок cпектpа.

Длины волны инфракрасного излучения заключены в пределах от

3•10-4 до 7,6•10-7 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его тепловое действие. Источником инфракрасного является любое тело. Интенсивность этого излучения тем выше, чем больше температура тела. Инфракрасное излучение исследуют с помощью термопар и болометров. На использование инфракрасного излучения основан принцип действия приборов ночного видения.


Длины волн ультрафиолетового излучения заключены в пределах от

4•10-7 до 6•10-9 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его химическое и биологическое действие. Ультрафиолетовое излучение вызывает явление фотоэффекта, свечение ряда веществ (флуоресценцию и фосфоресценцию). Оно убивает болезнетворных микробов, вызывает появление загара и т.д.

В науке инфракрасное и ультрафиолетовое излучения используются для исследования молекул и атомов вещества.

На экране за преломляющей призмой монохроматические цвета в cпектpе располагаются в следующем порядке: красный (имеющий наибольшую среди волн видимого света длину волны к=7,6•10-7 м и наименьший показатель преломления), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (имеющий наименьшую в видимом cпектpе длину волны ф=4•10-7 м и наибольший показатель преломления).

Итак, cпектpальный aнaлиз применяется почти во всех важнейших сферах человеческой деятельности: в медицине, в криминалистике, в промышленности и других отраслях, которые существуют для блага человечества. Таким образом cпектpальный aнaлиз является одним из важнейших аспектов развития не только научного прогресса, но и самого уровня жизни человека.

 

 

План


Введение

Источник: megaobuchalka.ru

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ (лат. spectrum представление, видение + греч. analysis освобождение, разложение) — физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного состава вещества, изучения его структуры и характера внутримолекулярных связей. Различные виды

C. а. широко используются в практике медико-биологических исследований, и в частности для определения в различных биол. жидкостях содержания белков, нуклеиновых к-т, витаминов и других веществ.

С. а. основан на спектроскопии атомов и молекул и проводится путем изучения их спектров (см. Спектроскопия). Различают С. а. атомный (АСА), молекулярный (MCA), эмиссионный и абсорбционный. С помощью АСА определяют элементный состав образца по атомным (ионным-спектрам испускания и поглощения) MCA позволяет определять молекулярный состав вещества по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции, комбинационному рассеянию света. Эмиссионный С. а. основывается на анализе спектров испускания атомов, ионов и молекул, возбужденных различными способами, а абсорбционный С. а.— на анализе спектров поглощения электромагнитного излучения объектами исследования (атомами, молекулами, ионами вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях).

В биологии и медицине чаще используют эмиссионный и абсорбционный С.


Пробу анализируемого материала тем или иным способом вводят в так наз. атомизатор — устройство, обеспечивающее испарение твердых или жидких проб и диссоциацию соединений на атомы (ионы). В эмиссионном С. а. атомы (ионы) пробы переводятся в возбужденное состояние, их излучение в спектральном приборе преобразуется в спектр, к-рый и регистрируется (см. Молекула). О наличии в пробе атомов того или иного элемента судят по появлению в спектрограммах аналитических линий этого элемента. При количественном АСА сравнивают интенсивности двух спектральных линий в спектре пробы, одна из к-рых принадлежит определяемому элементу, а другая, называемая обычно линией сравнения,— основному элементу пробы, концентрация к-рого должна быть известна, или специально вводимому в пробу элементу известной концентрации («внутренний стандарт»). Для количественной оценки строят градуировочные графики, отражающие зависимость интенсивности анализируемой спектральной линии от концентрации исследуемого элемента в наборе эталонных проб.

Для возбуждения излучения в эмиссионном С. а. используют дугу постоянного или переменного электрического тока, искровой разряд, пламя и пр. Важной в практическом отношении разновидностью эмиссионного С. а. является пламенная фотометрия (см.).

Абсорбционный С. а. основан на измерении поглощения атомным паром светового потока, испускаемого источником дискретного излучения (обычно лампой с полым катодом). Приборы, работающие по данному принципу, получили название атомно-абсорбционных спектрофотометров (см. Спектрофотометрия).


При проведении MCA осуществляют качественное и количественное сравнение спектра исследуемого образца со спектрами индивидуальных веществ. В мед.-биол. исследованиях наибольшее распространение получил С. а. молекулярных спектров поглощения в инфракрасной (ИК), ультрафиолетовой и видимой областях спектра. В ряде случаев MCA комбинируют с другими методами идентификации веществ, напр, с хроматографическими (см. Хроматография).

MCA в ИК-области спектра связан с изучением спектров поглощения, обусловленных основными колебаниями почти всех группировок, встречающихся в органических соединениях. Молекулы, имеющие одинаковые структурные элементы (группы), обнаруживают общие черты в ИК-спектрах поглощения, например группа С=0 соответствует полосе 5,49—6,17 мкм (1820— 1620 см-1), SH-группа — 3,90— 3,88 мкм (2565—2575 см~х), CN-группа — 4,54—4,35 мкм (2200— 2300 см~г) и т. д. Присутствие таких характеристических полос в колебательных спектрах различных веществ позволяет установить наличие определенных функциональных групп и во многих случаях определить структурный тип вещества. Интерпретация спектров органических соединений, основанная на характеристических частотах групп, является в значительной мере эмпирической и связана с тщательным сравнением многих спектров, поскольку на них сильно влияют межмолекулярные взаимодействия и многие внутримолекулярные факторы.

MCA в видимой и УФ-областях спектра, так же как и ИК-спектроскопия, может служить для идентификации тех или иных хим.
единений. Наибольшее применение MCA находит при количественном анализе, выявлении структурных параметров макромолекул, а также при анализе течения нек-рых хим. реакций. Поглощение света сложными органическими соединениями определяется наличием в них определенных хим. группировок, напр, содержащих двойные связи (олефины, диены, полиены) или тройные связи (полиины и енины). Интенсивно поглощают свет в видимой и УФ-областях спектра карбонильные и ароматические группировки. По мере усложнения структуры молекулы (увеличения длины цепочки, числа сопряженных двойных связей) максимум поглощения, как правило, сдвигается в длинноволновую область спектра. Спектр поглощения хромофоров, обусловленный в первую очередь их хим. структурой, зависит также от величины pH, полярности растворителя или свойств близлежащих молекул. Иногда для целей биол. исследований в структуру изучаемой молекулы вводят дополнительный хромофор («репортерную» группу), отличающийся в спектральном отношении от остальных частей молекулы.

MCA — один из ведущих методов в практике биол. исследований. Он широко используется для определения содержания в биол. жидкостях различных ионов, измерения концентрации белков, нуклеиновых к-т, витаминов, ферментов и т. д.

Важной в практическом отношении разновидностью MCA является люминесцентный С. а. (см. Люминесценция). С помощью спектрального люминесцентного анализа, т. е. в результате определения параметров флюоресценции (см.) и фосфоресценции (см.), можно получить сведения о концентрации и конформации молекул, их взаимодействии с растворителем и пр. Люминесцентный метод анализа благодаря его высокой чувствительности используют для выявления и локализации в живых клетках таких веществ, к-рые невозможно обнаружить обычными методами.


См. также Микроспектральный анализ, Рентгеноспектральный анализ.

Библиография: Гусинский М. Н. и Лобачев К. И. Состояние и тенденции развития атомно-абсорбционной спектрофотометрии, М., 1975; Карякин А. В. и Грибовская И. Ф. Эмиссионный спектральный анализ объектов биосферы, М., 1979, библиогр.; Прайс В. Дж. Аналитическая атомноабсорбционная спектроскопия, пер. с англ., М., 1976; Райхбаум Я. Д. Физические основы спектрального анализа, М., 1980, библиогр.; Тарасов К. И. Спектральные приборы, Л., 1977; Фрайфелдер Д. Физическая биохимия, пер. с англ., М., 1980.

Источник: xn--90aw5c.xn--c1avg

Спектроскопы, спектрографы, монохроматоры, спектрофотометры и их применение в медицине.

Спектральные приборы служат для разложения по частотам (или по длинам волн) электромагнитного излучения оптического диапазона.

Любой спектральный прибор (рис. 1.6.) имеет входной коллиматор, диспергирующий элемент и выходной коллиматор (регистрирующую камеру). Узкая входная щель S, освещенная исследуемым излучением, устанавливается в фокусе объектива О1, который образует параллельный пучок спектрального неразложенного излучения и направляет его на диспергирующий элементD. Последний преобразует этот пучок в систему параллельных монохроматических пучков, выходящих из элемента под разными углами, зависящими от длины волны излучения.

Спектральный анализ в медицине

Рис. 1.6. Структурная схема спектрального прибора.

Камерный объектив О2создает на экране Е, расположенном в его фокальной плоскости, совокупность монохроматических изображений входной щелиS. В итоге получается пространственное разложение излучения в спектр.

Спектральные приборы различаются по способу регистрацииспектра (визуальные, фотографические, фотоэлектрические), поспособу спектрального разложения излучения(призменные, дифракционные, интерференционные), пообласти спектра, в которой они применяются (для инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой областей), поназначению(для эмиссионного анализа, исследования комбинационного рассеяния и др.). Конструкция и оптическая схема прибора определяются совокупностью всех перечисленных признаков, но в наибольшей степени первым из них, по которому прибор и получает название.

Приборы для визуального наблюдения спектров называются спектроскопами. Они используются в видимой (380-760 нм) области в соответствии со спектральной чувствительностью глаза. Приборы с фотографической регистрацией спектров –спектрографы– применяются в видимой и ультрафиолетовой областях в соответствии с чувствительностью фотоматериалов. Приборы с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками излучения, называемыеспектрометрами или спектрофотометрами, позволяют анализировать излучение от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области.

Основные характеристики спектральных приборов – угловая и линейная дисперсии, разрешающая способность(или разрешающая сила) идисперсионная область.

Дисперсия.

Угловой дисперсией прибора называется величина

Dугл=d/d,

где d — угол между лучами с длинами волн  и  + d. Дисперсия характеризует степень изменения угла отклонения светового пучка, выходящего из прибора, при изменении длины волны.

Разрешающая способность. Возможность разрешения (то есть раздельного восприятия) двух близких монохроматических линий зависит не только от угловой или линейной дисперсии прибора, но также и от ширины этих спектральных линий. На рисунке сплошной линией показана результирующая интенсивность двух близких спектральных

линий (штриховые кривые), но с различной разрешающей способностью (1 и2– длины волн, соответствующие каждой из линий). В первом случае (рис.1.7., а) линии получаются настолько широкими, что они перекрываются и воспринимаются как одна. Во втором и третьем случае (рис.1.7., б и в) линии узкие, поэтому они разрешены.

Спектральный анализ в медицине

Рис. 1.7. Две спектральные линии, полученные на приборах с различной разрешающей способностью.

Для количественной характеристики возможности прибора разделять две близкие спектральные линии вводят величину, называемую разрешающей способностью:

R=/dmin,

где dmin – наименьшая разность длин волн – предел разрешения – двух спектральных линий, которые могут быть разрешены прибором;  — длина волны, соответствующая центру провала интенсивности в суммарном спектре.

В спектральных приборах в качестве дисперсионных элементов часто используются или дифракционные решеткиилипризмы.В зависимости от требуемой спектральной области применяют призмы из следующих материалов: для ультрафиолетовой области – из кварца, для видимой области – из стекла, для инфракрасной области – изNaCl,LiF,KBr.

15

Источник: studfile.net


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.