Ghid Complet

211
I . PROPRIETĂŢILE GENERALE ALE LICHIDELOR 1. DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TENSIUNE SUPERFICIALĂ A LICHIDELOR Noţiuni teoretice Stratul de la suprafaţa unui lichid care are grosimea razei sferei de acţiune moleculară, 5.10 -9 m, se numeşte strat superficial. Toate moleculele cuprinse în acest strat vor fi atrase spre interiorul lichidului datorită faptului că forţele de atracţie (coeziune) exercitate de moleculele din interior (din lichid) sunt mai mari decât cele exercitate de moleculele de gaz în contact cu suprafaţa lichidului. Din cauză că moleculele acestui strat sunt atrase spre interior, stratul superficial va exercita asupra lichidului o presiune. Moleculele din stratul superficial au o energie potenţială mai mare decât cele din interior. Pe de altă parte, se ştie că în general, sistemele se găsesc în echilibru când energia lor potenţială devine minimă. De aici rezultă că starea de echilibru se realizează când există cele mai puţine 1

Transcript of Ghid Complet

Page 1: Ghid Complet

I. PROPRIETĂŢILE GENERALE ALE

LICHIDELOR

1. DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TENSIUNE

SUPERFICIALĂ A LICHIDELOR

Noţiuni teoretice

Stratul de la suprafaţa unui lichid care are grosimea razei sferei de acţiune

moleculară, 5.10-9m, se numeşte strat superficial. Toate moleculele cuprinse în acest

strat vor fi atrase spre interiorul lichidului datorită faptului că forţele de atracţie

(coeziune) exercitate de moleculele din interior (din lichid) sunt mai mari decât cele

exercitate de moleculele de gaz în contact cu suprafaţa lichidului. Din cauză că

moleculele acestui strat sunt atrase spre interior, stratul superficial va exercita asupra

lichidului o presiune. Moleculele din stratul superficial au o energie potenţială mai

mare decât cele din interior. Pe de altă parte, se ştie că în general, sistemele se găsesc

în echilibru când energia lor potenţială devine minimă. De aici rezultă că starea de

echilibru se realizează când există cele mai puţine molecule la suprafaţă, de unde

rezultă tendinţa de micşorare a suprafeţei libere a lichidului.

Forţele tangenţiale care iau naştere în stratul superficial şi care micşorează

suprafaţa liberă a lichidului poartă numele de tensiune superficială. Din cauza

existenţei tensiunii superficiale suprafaţa liberă a unui lichid într-un vas este plană,

iar picăturile de lichid în cădere adoptă forma sferică. Forţa de tensiune superficială

este dată de relaţia:

F = , unde este o constantă ce depinde de natura lichidului şi se numeşte

coeficientul de tensiune superficială, iar l este lungimea conturului pe suprafaţa

lichidului. Se exprimă cu ajutorul relaţiei = F/1 şi are unitatea de masură N/m în

sistemul internaţional de unităţi.

Coeficientul de tensiune superficială este deci egal cu forţa ce se exercită în

planul suprafeţei (sau tangent la aceasta pentru suprafeţele curbe), perpendicular pe

1

Page 2: Ghid Complet

unitatea de lungime. El scade cu creşterea temperaturii datorită creşterii energiei

cinetice a moleculelor lichidului.

Pentru coeficientul de tensiune superficială se poate utiliza şi definiţia ce rezultă

din amplificarea cu distanţa (d), pe care se deplasează forţa, conform formulei:

σ [N/m; J/m2 ]

Se observă că valoarea coeficientului de tensiune superficială reprezintă, de fapt,

energia liberă a unităţii de suprafaţă a stratului superficial.

Într-un sistem izolat care evoluează izoterm se produc numai acele procese ce duc

la scăderea energiei libere a sistemului. În consecinţă, energia liberă a stratului

superficial poate scădea atât prin reducerea suprafeţei libere cât şi prin diminuarea

coeficientului de tensiune superficială. Pentru o soluţie, la echilibru, stratul ei

superficial va avea suprafaţa minimă posibilă, iar pe această suprafaţă se vor fixa

acele molecule din soluţie care reduc coeficientul de tensiune superficială, el luând

valoarea minimă posibilă.

Substanţele organice conţinând în molecule atât grupuri polare, hidrofile, cât şi

lanţuri hidrocarbonate, hidrofobe, au tendinţa de a se acumula la suprafaţa soluţiei,

prin această energie liberă a sistemului reducându-se. Explicaţia rezidă în aceea că

lanţurile hidrofobe vor fi excluse din faza apoasă pe când grupările hidrofile vor

rămâne incluse în stratul superficial al fazei apoase. Are loc, deci, un fenomen de

absorbţie, moleculele rămânând fixate la suprafaţa soluţiei. Astfel, conţinutul de

molecule de acest tip este mai mare în stratul superficial decât în straturile profunde

ale soluţiei. Scăderea energiei libere a sistemului prin acest fenomen se traduce prin

reducerea energiei libere pe unitatea de suprafaţă a stratului superficial, adică a

coeficientului de tensiune superficială. Astfel de substanţe, care se absorb în stratul

superficial al soluţiilor şi duc la scăderea coeficientului de tensiune superficială, se

numesc tensioactive. Cantitatea de substanţă tensioactivă absorbită pe stratul

superficial este o funcţie crescătoare de concentraţia soluţiei. Mărind progresiv

concetraţia soluţiei,cantitatea de substanţă absorbită va creşte la rândul ei,

determinând scăderea progresivă a coeficientului de tensiune superficială. Această

scădere continuă până încă se mai pot absorbi noi molecule şi încetează în momentul

2

Page 3: Ghid Complet

în care suprafaţa este “saturată”, adică este în întregime ocupată. Creşterea în

continuare a concentraţiei soluţiei nu mai duce la scăderea tensiunii superficiale,

aceasta având valoarea minimă posibilă pentru soluţia dată, întrucât şi cantitatea de

substanţă absorbită pe unitatea de suprafaţă este maximă posibilă.

Substanţele hidrofile, (electroliţii sau substanţele puternic polare) au molecule

care interacţionează cu apa mai puternic decât moleculele de apă între ele. Datorită

acestui fapt, la dizolvarea unei astfel de substanţe în apă starea de energie minimă a

sistemului se realizează dacă moleculele solvite sunt înconjurate din toate părţile de

molecule de apă. Ca urmare, ele au tendinţa de a se acumula în interiorul soluţiei

apoase şi nu se vor fixa pe stratul superficial. Coeficientul de tensiune superficială a

unei astfel de soluţii va fi egal sau cu puţin crescut în raport cu cel al apei pure.

Substanţele care la dizolvarea lor nu modifică sau cresc foarte puţin coeficientul

de tensiune superficială se numesc tensioinactive.

Creşterea uşoară a coeficientului de tensiune superficială ce se observă uneori la

astfel de soluţii se explică prin atracţia mai mare la care sunt supuse moleculele

stratului superficial de apă prin prezenţa în interiorul soluţiei a moleculelor puternic

hidrofile. Şi în acest caz energia liberă a sistemului este minimă, creşterea discretă a

energiei libere a stratului superficial fiind însoţită de o scădere foarte exprimată a

energiei libere a soluţiei prin interacţiunea dintre moleculele hidrofile şi apă.

Pentru serul sanguin normal coeficientul de tensiune superficială este de 67 –

68.10-3 N/m, iar pentru urină 70.10-3 N/m. Aceste valori sunt numai cu puţin mai mici

decât coeficientul de tensiune superficială al apei la 20○C, care este 72.10-3 N/m. Ele

se reduc considerabil ori de câte ori se acumulează în sânge şi se elimină prin urină

substanţe tensioactive (de exemplu: săruri biliare – în caz de icter mecanic).

Principiul măsurătorii

Un lichid lăsat să curgă liber printr-un orificiu foarte strâmt aflat la capătul

inferior al unui tub capilar aşezat în poziţie verticală curge sub formă de picături.

Fiecare picătură se desprinde de capătul tubului în momentul când greutatea şi G

devine egală cu forţele de tensiune superficială F exercitate pe circumferinţa care

formează linia de contact dintre marginea tubului şi baza picăturii. Vom avea deci: G

= F.3

Page 4: Ghid Complet

Deoarece G = mg şi F = 2 r atunci:

m g = 2 r , unde m = masa picăturii, g = acceleraţia gravitaţională.

În momentul desprinderii, greutatea picăturii este proporţională cu constanta de

tensiune superficială a lichidului (legea lui Tate). În locul masei unei picături putem

lua produsul dintre volumul ei (v) şi densitatea lichidului (d), deoarece m = v d.

vdg = 2 r (1)

Volumul unei picături e greu de măsurat direct, însă îl putem determina indirect,

măsurând exact un volum V de lichid (volumul stalagmometrului), determinând

numărul de picături (n) pe care îl dă acest volum la curgerea spontană prin orificiul

capilar şi făcând raportul:

V

Introducând aceasta valoare a lui v în (1) avem:

2 r (2) Luând un al doilea lichid, de exemplu apa, vom avea o relaţie asemănătoare :

da g = 2 r a (3)

Împărţind relaţia (2) cu (3) obţinem:

(4)

de unde coeficientul de tensiune superficială a lichidului respectiv:

(5)

Relaţia (5) ne permite să calculăm coeficientul de tensiune superficială a unui lichid

determinând numărul de picături dat de un volum anumit de lichid şi numărul de

picături dat de acelaşi volum de apă.

Aparatură :

Stalagmometrul Traube se compune dintr-un tub de sticlă care prezintă un rezervor

prevăzut cu două repere circulare a şi b. Tubul în porţiunea lui inferioară se continuă 4

Page 5: Ghid Complet

cu un capilar c, care se termină cu o suprafaţă lărgită şi şlefuită orizontal d. Deasupra

şi dedesubtul reperelor a şi b sunt gravate pe tub mai multe diviziuni care servesc la

determinarea fracţiunilor de picătură.

Se spală stalagmometrul cu alcool şi se usucă la trompa de vid. Se aspiră în

stalagmometru lichidul şi se numără picăturile desprinse între aceleaşi repere. Fie n

numărul lor şi d densitatea lichidului la temperatura de lucru. Se repetă operaţia de

mai multe ori şi se face media determinărilor.

Rezultatele se trec într-un tabel de felul celui ilustrat mai jos.

În funcţie de substanţa tensioactivă utilizată se vor face determinări la mai multe

concentraţii urmârindu-se scăderea tensiunii superficiale cu concentraţia. Rezultatele

se vor reprezenta grafic. = f(c)

Nr.soluţie

Concentraţie d [g/cm3  ](x103

Kg/m3)

Nr de picături n

Nr.mediu de picături

[dyn/cm](x10-3 N/m3)

Mod de lucruStalagmometrul, după ce a fost spălat şi uscat la trompa de vid, se prinde vertical cu ajutorul unei cleme pe un stativ şi sub el se aşează un vas în care să cadă picăturile (vezi figura alăturată). Se aspiră apa distilată până deasupra reperului a, cu ajutorul unui tub de cauciuc ataşat la partea superioară a stalagmometrului, cu precauţia să nu se formeze bule de aer. Se numără picăturile care se desprind în timpul când se scurge volumul lichidului de la reperul a până la reperul b. Fie na numărul lor şi da densitatea apei la temperatura de lucru.

Fig1.1.Stalagmometrul Traube

5

Page 6: Ghid Complet

2. DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE VÂSCOZITATE

Noţiuni teoretice

Mediile interne ale organismului, sângele, lichidul interstiţial, citoplasma etc., sunt

sisteme disperse care posedă proprietăţile fizice generale ale fluidelor. Vâscozitatea

este o proprietate a fluidelor determinată de frecarea internă ce ia naştere în masa

fluidului ca urmare a mişcării straturilor care se deplasează unele faţă de altele cu

viteze diferite. Să considerăm că exemplu de fluid un lichid aderent, apa, care curge

cu viteza mică printr-un tub. Se constată că viteza de curgere este mai mică în

apropierea pereţilor tubului şi mai mare de-a lungul axului. Explicaţia fenomenului

este următoarea: un strat de apă aderă de pereţii tubului şi rămâne în repaus, de acesta

se freacă stratul următor, care se va mişca cu o viteză relativ mică. Straturile

următoare se vor mişca cu o viteză din ce în ce mai mare până ce se atinge o viteză

constantă, dependentă de presiunea de curgere şi de vâscozitate. O astfel de curgere la

care deplasarea lichidului se face prin straturi paralele cu direcţia de curgere se

numeşte curgere laminară. Rezultă că în masa lichidului care curge prin tub există

un gradient de viteză perpendicular pe direcţia de curgere. Un fluid la care deplasarea

reciprocă a straturilor s-ar face fără frecare se numeşte fluid perfect.

Forţele de frecare internă care apar la curgerea unui fluid determină vâscozitatea

fluidelor. Ea depinde de natura lichidului ca şi de concentraţia, mărimea şi forma

moleculelor dizolvate. Pentru definirea coeficientului lui de vâscozitatea să

considrăm în interiorul unui fluid un strat de molecule aşezate într-un plan orizontal,

de suprafaţa S, care se deplasează prin masa lichidului în planul propriu cu viteza v.

Din cauza frecării interne straturile vecine vor fi antrenate cu o forţă F, a cărei

valoare depinde de mărimea suprafaţei de contact , de variaţia vitezei , de

distanţa dintre straturi şi de o constantă care depinde de natura lichidului. Relaţia

care leagă toate aceste mărimi este următoarea:

S

l

v F

6

Page 7: Ghid Complet

Fig.2.1. a) Curgerea laminară; b) Apariţia forţelor de vâscozitate

Din relaţia de mai sus, valoarea constantei va fi:

Aceasta constantă se numeşte coeficient de vâscozitate şi este o mărime caracteristică

pentru fiecare lichid.

Măsurarea coeficientului de vâscozitate are importanţă atât pentru cercetarea

medicală, unde poate fi utilizat pentru determinarea formei şi mărimii moleculelor

dizolvate, cât şi pentru aprecierea modului de desfăşurare a fenomenelor

hidrodinamice din organism. Astfel creşterea coeficientului de vâscozitate a sângelui

duce conform legii lui Poiseuille, la scăderea debitului sanguin dacă forţa de

contracţie a inimii rămâne constantă. În acest caz menţinerea constantă a debitului

sanguin nu se poate realiza decât prin creşterea forţei de contracţie a muşchiului

cardiac, deci şi a tensiunii arteriale.

Principiul determinării

Pentru calcularea coeficientului de vâscozitate se utilizează trei categorii de metode:

1) metode bazate pe curgerea lichidelor prin tuburi capilare conform legii lui

Poiseuille; 2) metode bazate pe rezistenţa opusă de către fluide la căderea unei sfere,

conform legii lui Stokes; 3) metode de antrenare, bazate pe antrenarea în mişcarea

de rotaţie a unui cilindru suspendat în masa lichidului. În cadrul lucrărilor de

laborator noi vom utiliza numai metode bazate pe legea lui Poiseuille. Relaţia

stabilită de Poiseuille pentru cantitatea de lichid ce trece printr-un tub cilindric, dacă

curgerea se face laminar, este următoarea:

7

Page 8: Ghid Complet

unde Q este volumul de lichid care se scurge în timpul t, r este raza tubului capilar, l

este lungimea capilarului şi P presiunea de curgere. Dacă tubul capilar se găseşte în

poziţie verticală presiunea de curgere P este egală cu presiunea hidrostatică a

coloanei de lichid în tub. Notând înălţimea coloanei de lichid cu h, densitatea

lichidului, , şi acceleraţia gravitaţională g, vom avea următoarea relaţie:

P = g h

Întroducând în relaţia de mai sus, avem

Din această relaţie se poate calcula coeficientul de vâscozitate al lichidului dacă

măsurăm mărimile cuprinse în relaţie. Raza unui tub capilar este greu de măsurat cu

precizie, în practică utilizăm un procedeu care elimină din calcul această mărime.

Astfel se fac determinări comparative lăsând să curgă prin acelaşi tub capilar lichidul

al cărui coeficient de vâscozitate vrem să-l aflăm şi apoi un volum egal de apă

distilată al cărui coeficient de vâscozitate este cunoscut. Vom avea pentru lichid şi

apă distilată urmatoarele relaţii:

şi

Împărţind aceste relaţii obţinem:

şi

Ultima relaţie se va folosi la calculul coeficientului de vâscozitate, ţinând cont de

valorile constantelor η a = 1 Cp = 10-3Ns/m2 si ρa = 0,997 g/cm3.

Aparatură

Pentru determinarea coeficientului de vâscozitate vom utiliza vâscozimetrul Ostwald

(figura de mai jos).

8

Page 9: Ghid Complet

Fig.2.2 . Vâscozimetrul Ostwald.

Mod de lucru

Aparatul se spală bine şi se usucă la trompa de vid. Se introduce cu o pipetă o

cantitate determinată de lichid în rezervorul vâscozimetrului, aceeaşi cantitate pentru

toate soluţiile. Se aspiră încet lichidul în rezervorul situat la partea superioară a

tubului capilar. Se lasă lichidul să se scurgă determinându-se cu ajutorul unui

cronometru timpul necesar scurgerii lichidului între cele două repere. Pentru aceeaşi

soluţie se efectuează mai multe determinări, şi se va face media rezultatelor care se

trec în tabelul următor:

Detreminarea văscozităţii sângelui are o deosebită importanţă medicală deoarece

vâscozitatea sângelui variază după cum urmează :

- sânge total, de la 3,5 pâna la 5,4 ·10 -3 N· s/m²

- valori medii :- femei 4,5·10¯³ N·s/ m²

-bărbaţi : 5,0·10¯³ N · s/ m²

Nr.

Soluţie

[g/cm3] Timp de scurgere

Timp mediu de scurgere

cP(x10-3 Ns/m2)

1.

2.

9

El se compune dintr-un tub capilar (c), a cărui extremitate se continuă cu un tub în formă de U şi cu un rezervor (R), prelungit cu un tub vertical (V). Extremitatea superioară a capilarului se continuă cu o bulă (B) care la porţiunea superioară are un tub prevăzut cu o gâtuitură.Pe gâtuitura superioară este trasat un reper a, la fel şi pe cea inferioară a bulei, b. Pentru a menţine constantă temperatură, în determinările de precizie vâscozimetrul se introduce într-un termostat.

Page 10: Ghid Complet

- plasmă sanguină, de la 1,9 – 2,3 ·10¯³ N ·s /m²

- serul sanguin, de la 1,6-2,2 · 10¯³ N· s /m²

Vâscozitatea sângelui total este mai crescută la bărbat faţă de femeie, la adult

faţă de copil, mai mare la sângele venos decât cel arterial, depinzând de concentraţia

de CO2 din sânge. Din punct de vedere patologic vâscozitatea sângelui  creşte în

cazul poliglobuliei şi leucemiei, scade în cazul anemiei depinzând de volumul şi

forma hematiilor, precum şi în hipoproteinemie.

10

Page 11: Ghid Complet

3. DENSIMETRIE

Noţiuni teoretice

Densitatea este o caracteristică fizică proprie fiecărei substanţe. Se defineşte

densitatea absolută ca fiind masa unităţii de volum, adică raportul d = m/v exprimată

în kg/m3. Dacă în locul masei din formula de mai sus se introduce greutatea

substanţei, care variază în raport cu acceleraţia gravitaţională (G = mg ), atunci se

poate defini noţiunea de greutate specifică ( γ = mg/V).

Se mai defineşte densitate relativă ca fiind raportul dintre densitatea absolută a

unei substanţe şi densitatea absolută a apei distilate la + 4oC (când este maximă ) sau

la o altă temperatură dată:

dr = = . = , care este o mărime adimensională.

Menţionăm că masa unui metru cub de apă distilată la:

0oC este 999,8 kg

+ 4oC este 999,9 kg ≈ 1000 kg

+ 25oC este 997,0 kg

ceea ce demonstrează că densitatea variază odată cu modificarea temperaturii, astfel

că pentru măsurarea riguroasă a densităţii absolute se face întotdeauna corecţia de

temperatură necesară ( dcorectată = dr ∙ da toC , unde densitatea apei distilate la toC se

cunoaşte din tabele ).

Dacă se află direct prin cântărire valorile m şi ma, se poate calcula densitatea

oricărei substanţe dorite. Densităţile diferitelor materiale exprimate în 103 kg/m3:

platină 21,40 O2 lichid 1,14 aur 19,30 gheaţă 0,92mercur 13,59 potasiu 0,86fier 7,86 petrol 0,80aluminiu 2,71 alcool 0,79sulf 2,00 lemn stejar 0,70CO2solid 1,53 H2 lichid 0,07

Conform principiului lui Arhimede, un corp scufundat într-un lichid este împins

de sus în jos cu o forţă egală cu greutatea volumului de lichid dezlocuit. Cum fiecare

lichid are o anumită densitate înseamnă că prin scufundarea aceluiaşi corp în diferite

11

Page 12: Ghid Complet

lichide, deşi se dislocuiesc volume egale, acestea vor avea greutăţi diferite, ceea ce

generează forţe de împingere diferite. Pe acest raţionament se bazează determinarea

densităţii lichidelor cu ajutorul densimetrelor (areometrelor), balanţei Mohr-

Westphal, metoda Van Slyke pentru densitatea sângelui etc.

3.1 DETERMINAREA DENSITĂŢII LICHIDELOR ŞI SOLIDELOR CU

AJUTORUL PICNOMETRULUI ŞI A BALANŢEI DIGITALE

a) La lichide: Deoarece se lucrează cu unul şi acelaşi picnometru, volumul apei şi

a lichidului studiat sunt aceleaşi, urmând doar să măsurăm masele cu ajutorul unei

balanţe electronice. Vom introduce notaţiile:

m0 = masa picnometrului;

ma = masa picnometrului umplut cu apă distilată;

ml = masa picnometrului umplut cu lichidul studiat;

m = masa lichidului studiat;

v = volumul picnometrului, egal cu al apei sau al lichidului studiat;

da = densitatea apei la temperatura de lucru ( se ia din tabele );

d = densitatea lichidului studiat.

deci m = m1 – m0

v = (ma – m0 )/ da

d = m/v =( ml – m0 )/ (ma – m0 )∙ da

b) La solide :

Volumul unui corp solid se poate afla indirect prin măsurarea masei de apă

dislocuite de către acel corp. Astfel vom introduce şi notaţiile:

ms = masa corpului studiat;

mas = masa picnometrului care conţine corpul studiat şi în rest este umplut cu apă

distilată;

vs = volumul corpului studiat ( egal cu volumul apei dislocuite de către corpul

studiat, la introducerea în picnometru );

ds = densitatea corpului studiat.

deci vs = (ma + ms – mas )/ da

ds = ms/vs = ms / (ma + ms – mas )∙ da 12

Page 13: Ghid Complet

Dispozitive: Picnometrele sunt vase de sticlă de diferite capacităţi prevăzute cu

dopuri străbătute de o capilară fină. Cele mai pretenţioase sunt prevăzute cu

termometre iar capilarele sunt marcate cu un reper (R). Unele picnometre pentru

corpuri solide nu au dop iar pe gâtul lor este trasat reperul R

(fig. 3.1.). Alte instrumente necesare sunt balanţa digitală şi termometrul digital.

Mod de lucru

După ce se spală bine picnometrul şi se usucă, se cântăreşte cu precizie masa sa

împreună cu dopul (m0). Se umple apoi cu apă distilată astfel încât la punerea dopului

apa să refuleze prin capilara acestuia iar în interior să nu rămână bule de aer. Se

şterge exteriorul picnometrului şi dopul astfel încât capilara acestuia să rămână plină

cu lichid. Cântărind acum picnometrul cu apă obţinem valoarea ma. Se procedează

identic şi pentru aflarea celorlalte valori necesar calculului (masa picnometrului cu

13

Fig.3.2. Balanţa digitală

Fig. 3.1. Tipuri de picnometre.

Page 14: Ghid Complet

lichidul de studiat-de exemplu soluţie hidro-alcoolică- şi masa picnometrului care

conţine corpul solid -de exemplu câteva bile de plumb).

Pentru obţinerea unor rezultate precise se va avea în vedere totdeauna grijă ca:

- lichidul din interior să nu conţină bule de aer;

- corpul solid să-l cântărim numai când este perfect uscat;

- să luăm în lucru o cantitate cât mai mare de substanţă solidă;

Densitatea apei (da) necesară calculelor se află din tabele, corespunzător

temperaturii de lucru ( temperatura se va măsura cu termometrul digital).

Calculele şi prezentarea rezultatelor

După aflarea tuturor maselor prin cântărire, facem înlocuirile în formulele respective

şi calculăm densităţile substanţelor studiate (plumb, aliaje).

Rezultatele le vom trece într-un tabel:

Nr. Substanţă m0 ma ml ms mas dl ds

g g g g g 103 kg/m3 103 kg/m3

1. lichid - - -

2. solid - - -

14

Page 15: Ghid Complet

3.2 DETERMINAREA DENSITĂŢII LICHIDELOR CU AREOMETRELE

După cum am arătat în introducere, un corp scufundat într-un lichid va rămâne în

echilibru numai când greutatea va fi egală cu cea a volumului de lichid dislocuit. Pe

acest principiu sunt construite areometrele, formate în principal dintr-o tijă de sticlă

cu gradaţii Tg, o contragreutate G şi un termometru T.

Fig.3.3 Utilizarea densimetrelor.

Se observă uşor dacă d2 > d1, atunci v2 < v1, masa M areometrului rămânând aceeaşi

adică: d1 = M/V1 si d2 = M/V2, deci d1/d2 = V1/V2 adică volumul porţiunii din

aerometru cufundat într-un lichid este invers proporţional cu densitatea lichidului.

Areometrele utilizate în laborator au diferite destinaţii fiind etalonate corespunzător

(etalonarea se face cu ajutorul unor soluţii de densitate cunoscută ).

Cele mai utilizate tipuri de areometre sunt:

- Densimetrul, un areometru care prin scufundare ne dă direct densitatea

lichidului prin citirea gradaţiei de pe tijă Tg în dreptul nivelului lichidului. Precizia

densimetrelor poate fi 10-3 – 10-4 ( adică 0,001 – 0,0001 ). Deoarece aceasta comportă

o lungime a tijei mare ( respectiv, distanţe mari între gradaţii ) se utilizează cu succes

o trusă de densimetrie, fiecare dintre ele acoperind cu suficientă precizie un domeniu

îngust de densităţi. De obicei, fiecare densimetru este marcat cu un simbol care ne

permite să transformăm densitatea măsurată la o anumită temperatură, pentru o altă

temperatură, de exemplu simbolul d415 ne arată că temperatura de lucru este de

15

Page 16: Ghid Complet

+15oC, iar densitatea indicată este densitatea relativă în raport cu densitatea apei la

+4oC. Formula cu ajutorul căreia putem converti densitatea relativă este:

t1 t1 t1

dt = dT + δ ∙ dT

unde: t1

dt - densitatea căutată în baza t şi la temperatura de lucru t1.

t1

dT – densitatea măsurată în baza T ( înscrisă pe densimetru ) şi la temperatura de lucru t1, δ – factor de corecţie. Exemplu de corecţie: cu un densimetru ce are simbol d15 15 găsim d15

15 = 1,6740 şi

dorim să o convertim în baza d420 , deci d4

20 = 1,6740 – 0,000988 ∙ 1,6740 = 1,6724.

În practica laboratorului medical se utilizează în mod frecvent truse de densimetrie

care permit determinări de densitate în intervale destul de largi.

-Alcoolmetrul, este un densimetru etalonat în baza d1515 şi ale cărui gradaţii indică

concentraţia în procente de volum ( % V ) a soluţiei alcoolice respective, care se mai

numeşte şi “tărie reală”. Cum însă nu se lucrează întotdeauna la temperatura 15oC

înseamnă ca vom citi în realitate o “tărie aparentă” corespunzătoare temperaturii la

care lucrăm. Deci va trebui să trecem de la tăria aparentă la tăria reală, lucru

realizabil cu ajutorul tabelelor. Cunoscând tăria reală care nu este altceva decât

concentraţia corectată în procente de volum ( % V ), cu ajutorul tabelelor o putem

converti în procente de greutate ( % G ) sau în g/l sau putem pur şi simplu aflăm

densitatea d1515 a soluţiei alcoolice .

- Urodensimetrul este un areometru special cu scala mult redusă, tija fiind

gradată doar între 1,000 – 1,050. Este utilizat frecvent în clinică pentru determinarea

densităţii urinei în cadrul explorărilor funcţiunii aparatului renal. Desigur, dacă este

nevoie se fac corecţiile de temperatură necesare ( se adaugă o unitate densimetrică

pentru o variaţie a temperaturii cu 3,3oC dacă temperatura depăşeşte +15oC ).

16

Page 17: Ghid Complet

Mod de lucru Indiferent cu care tip de areometru vom lucra, vom proceda în acelaşi fel. Într-un cilindru de sticlă C, se introduce soluţia de cercetat ,S , în suficientă cantitate pentru ca areometrul să poată pluti liber ( acesta se introduce în soluţie cu multă atenţie pentru a nu-i sparge partea inferioară prin lovire de fundul vasului, unde pentru orice eventualitate se pune si vată ). În momentul când areometrul se află în echilibru perfect, fără atingă fundul sau pereţii cilindrului C, se citeşte gradaţia “g” până la care s-a cufundat în lichid precum şi temperatura înregistrată pe termometrul T. După întrebuinţare areometrele se şterg şi se închid în cutiile lor protectoare. Citirea gr gradaţiei se face în dreptul părţii inferioare a meniscului.

Calcule şi prezentarea rezultatelorDupă determinarea densităţilor şi a concentraţiilor vom face corecţiile de temperatură

corespunzătoare, rezultatele trecându-le în tablelul următor:

Determinări t1 t1 Tăria Tăria dT to

1C δ ∙ 10-6 d t apar. reală. G% mas. sau % V g/l

densimetrie

alcoolmetrice

urodensimetrice

17

Fig 3.4. Urodensimetrul

Page 18: Ghid Complet

4. METODE CALORIMETRICE

4.1. DETERMINAREA CĂLDURII SPECIFICE A UNUI CORP SOLID

Principiu: Calorimetria este partea termodinamicii care se ocupă cu măsurarea

cantităţilor de căldură. Căldura este o formă de energie care se datoreşte agitaţiei

termice şi se măsoară în jouli (J) sau calorii. O calorie este cantitatea de căldură

necesară unui gram de apă distilată pentru a-şi ridica temperatura cu un grad, de la

19,5 0 la 20,50 C. Unei calorii îi corespunde 4.18 jouli în sistemul SI. Cantitatea de

căldură primită de un corp, depinde de masa m a lui, de natura corpului, caracterizată

printr-o constantă caracteristică, notată cu c, şi de diferenţa de temperatură t adică:

Q = m .c. t (1)

De aici : c = ; dacă m = 1 şi t = 10 obţinem, c = Q.

Deci căldură specifică este cantitatea de căldură necesară unităţii de masă dintr-un

corp pentru a-şi ridica temperatura cu un grad. În sistemul CGS ea se măsoară în

= iar în sistemul internaţional =

.

Căldura specifică a apei este de 1 cal/g.grd = 4,18 J/KgK. Ea este mult mai mare

decât a celor mai multe corpuri. Produsul dintre căldura specifică şi masa corpului se

numeşte capacitate calorică şi se noteză cu C = m.c. Produsul dintre căldura specifică

şi masa molară M se numeşte căldură specifică molară, CM=c.M sau căldură molară.

Căldura specifică a unui corp poate fi determinată prin mai multe metode, cea mai

simplă are la baza metoda amestecurilor. Ea se bazează pe schimbul de căldură care

se realizează prin punerea în contact a două sau mai multe corpuri cu temperaturi

diferite. De exemplu dacă introducem într-un calorimetru cu apă un corp a cărui

temperatură este mai ridicată decât cea a apei el va ceda o anumită cantitate de

căldură. În momentul echilibrului termic, conform principiilor calorimetrului, este

valabilă egalitatea:

18

Page 19: Ghid Complet

Q1 = Q2 – Q3 , unde Q1 reprezintă cantitatea de căldură cedată de corpul mai cald, Q2

cantitatea de căldură absorbită de apa din calorimetru şi Q3 cantitatea de căldură

absorbită de calorimetru, agitator şi termometru.

Q1 = m ( t –t2 ), Q2 = m1c1 ( t2 – t1 ), Q3 = m2c2 ( t2 – t1 )

unde: m este masa corpului de analizat, m1 este masa apei din calorimetru, m2 este

masa calorimetrului, agitatorului şi a termometrului, c este căldura specifică a

corpului, c1 este căldura specifică a apei, c2 este căldura specifică a calorimetrului,

termometrului şi agitatorului, t2 este temperatura finală a amestecului( de ehilibru) , t

este temperatura iniţială a corpului, t1 este temperatura iniţială a apei din calorimetru,

agitator, termometru. Deci t > t2 > t1.

Înlocuind valorile pentru Q1, Q2 şi Q3 obţinem:

mc ( t – t1 ) = ( m1 c1 + m2 c2 ) ( t2 – t1 )Capacitatea calorică a calorimetrului ( m2 c2 ) se determină în prealabil şi poartă

denumirea de echivalent în apă al calorimetrului (notat cu A).

Astfel se poate calcula căldura specifică a unui corp ţinând cont de valoarea

echivalentului în apă al calorimetrului şi de faptul că pentru apă căldura specifică este

egală cu 1 cal/g grad ( sau 4185 J/kg grad ), avem:

c =

Dispozitive: Vasul calorimetric este compus dintr-un vas cilindric B, introdus într-un vas mai mare C şi izolat termic.Vasul B conţine o cantitate precis măsurată de apă, un termometru D şi un agitator E ( Fig. 4.1 ).

Fig.4.1 Părţile componente ale unui calorimetru.

Mod de lucru;

- Se introduce în calorimetru o cantitate de apă precis măsurată, m1.19

Page 20: Ghid Complet

- Se măsoară temperatura apei din calorimetru t1 ( fie cu un termometru cu mercur, fie

cu un termometru electric )

- Se cântăreşte corpul; apoi se introduce într-un vas cu apă care fierbe, unde se lasă

câteva minute.

- Se măsoară temperatura apei care fierbe şi care reprezintă temperatura iniţială a

corpului t.

- Se introduce repede corpul încălzit în calorimetru, agitând lent apa din calorimetru.

- Se urmăreşte indicaţia termometrului. În momentul în care ea este staţionară se

citeşte valoarea. Aceasta este temperatura finală a amestecului, t2.

Pentru a determina căldura specifică a corpului se introduc datele în relaţia de mai

sus. Măsurătorile şi calculele se vor efectua pentru diferite materiale: fier, plumb,

aluminiu, aliaje.

Rezultatele se trec în tabelul următor:

Nr. Materialul A m m1 t2 t1 t cdet. studiat J/kg J/kg grad

( cal/g) g g 0C 0 C 0C (cal/g.grad)1. Pb

2. Al

4.2. DETERMINAREA CALDURII SPECIFICE A UNUI LICHID

Pentru a determina căldura specifică a unui lichid se foloseşte un”purtător de căldură”

numit termofor. Termoforul este un balon de sticlă prevăzut cu un tub subţire, el

poate transporta aceeaşi cantitate de căldură atât lichidului de referinţă ( apa ) cât şi

lichidului de cercetat, deci este valabilă ecuaţia calorimetrică Q termofor = Qapa şi

Qtermofor= Qlichid.

Mod de lucru:

Se măsoară masa m vas a vasului interior al calorimetrului, ma-masa apei ce se

introduce în el şi temperatura ta a sistemului apă-calorimetru.

20

Page 21: Ghid Complet

Termofor

b

Se umple balonul până la reperul a cu un lichid colorat şi se încălzeşte într-un vas cu

apă caldă până lichidul din tub atinge nivelul b. În acest proces de încălzire

termoforul primeşte cantitatea de căldură Q. Se scoate termoforul din baia caldă şi se

introduce în apa din calorimetru., urmărind coborârea nivelului de la b la a. În

acest proces de răcire termoforul va ceda apei exact aceiaşi cantitate de căldură pe

care a primit-o. După stabilirea echilibrului termic se măsoară temperatura finală tf.

Se repetă aceleaşi operaţii cu lichidul de cercetat. După golirea apei din calorimetru

se introduce o masă de lichid ml şi se măsoară temperatura lui t l . Masa lichidului se

poate afla din produsul volumului de lichid şi densitatea lui. Se încălzeşte din nou

termoforul în baia caldă până ce lichidul din tub atinge nivelul b după care se

introduce în calorimetrul cu lichid şi se aşteaptă atingerea nivelului a, iar

temperatura de echilibru va fi te . Cantitatea de căldură cedată lichidului în aceste

condiţii este egală cu cea cedată apei. Cantitatea de căldură primită de apă şi de vasul

interior al calorimetrului va fi :

Q = m aca ( t f - t a ) + m vas.cvas ( t f – t a )

Cantitatea de căldură primită de lichidul de cercetat şi de vasul interior al

calorimetrului va fi:

Q = m l cl ( t e – t l ) + m vasc vas( t e – t l )

21

Page 22: Ghid Complet

Dar m vascvas = C (capacitatea calorică a vasului ) care este deja cunoscută.

m a .c a ( t f - t a ) + C ( t f – t a ) = m l .c l ( t e - t l ) + C ( t e – t l ) rezultă

c l =

Se va determina căldura specifică a două lichide diferite (alcool etilic şi soluţie de

acid acetic). Se ştie că apa are ca = 1 cal/gr.grd, iar în general căldurile specifice ale

lichidelor obişnuite sunt mai mici decât a apei.

4.3. DETERMINAREA VARIAŢIEI DE ENTALPIE LA DIZOLVARE

În sistemele biologice vii au loc o serie de transformări energetice însoţite de

producere de căldură. Desigur, rolul principal în producerea căldurii îl au procesele

de oxidare ale substanţelor nutritive, iar o parte mai mică o au şi procesele de

hidroliză, de dizolvare etc., procese care au loc la presiune constantă (1atmosferă ).

Pentru a studia aceste procese s-a introdus o funcţie de stare numită entalpie (H), care

poate fi exprimată cu ajutorul relaţiei:

H = U + pV (1) Unde U

este energia internă a sistemului, p este presiunea la care se găseşte sistemul iar V

este volumul lui. Variaţia entalpiei H = H2 - H1 reprezintă cantitatea de căldură pe

care sistemul o schimbă cu mediul exterior într-un proces izobar,

H = Q p , Q p = U + p V (2)

Procesul de dizolvare a substanţelor este însoţit de căldura de dizolvare, care depinde

de interacţiunea ionilor sau moleculelor substanţei cu moleculele dizolvantului. La

dizolvarea unei substanţe cristaline în apă au loc următoarele fenomene: a)

distrugerea reţelei cristaline de către moleculele de apă dipolare, care se interpun

între ionii sării, energia ce trebuie cheltuită în acest proces se numeşte energie de

reţea Hr şi b) solvatarea (hidratarea) lor când are loc o degajare de căldură

datorită interacţiunilor ion-dipol, numită energie de solvatare H s.

22

Page 23: Ghid Complet

Conform legii lui Hess, suma cantităţilor de căldură ce însoţeşte un proces este

constantă.

Hdiz = H r + H s (3)

Energia de reţea Hr are valoarea de cca 102 cal /mol şi este pozitivă deoarece este

absorbită de sistem, iar energia de solvatare H s are cam aceeaşi valoare dar este

negativă, deoarece ea este degajată de către sistem. Entalpia de dizolvare (căldura de

dizolvare) poate fi pozitivă (dizolvarea endotermă ) sau negativă

(dizolvare exotermă ) după cum energia de reţea este mai mare sau mai mică decât

energia de solvatare. Căldura degajată sau absorbită se măsoară în calorii /mol sau în

jouli/mol. Cantitatea de căldură Q primită sau cedată de un corp de masă m şi căldura

specifică c depinde de variaţia temperaturii t adică:

Q = m c t (4)

Produsul dintre căldura specifică şi masa lui se numeşte capacitate calorică :

C = m. c , Deci:

Q = C t (5)

Pentru determinarea căldurii de dizolvare se aplică ecuaţia calorimetrică conform

căreia cantitatea de căldura absorbită de un sistem este egală cu cea degajată de alt

sistem, cu care este în contact. În cazul dizolvării unor săruri, căldura primită pentru

dizolvare (Qp ) este egală cu cea cedată de sistemul calorimetric (Qcal ) şi de căldura

cedată de solvent (Q sol ). Căldura cedată de calorimetru este Qcal = C t , iar cea

cedată de solvent este Qsol. = m s.c s. t, deci căldura totală este:

H = Q p = Q sol + Q cal = m sc s t + C t = ( m scs + C ) t (6)

unde ms este masa soluţiei ( masa apei + masa sării ), c căldura specifică a soluţiei

care se poate egală cu cea a apei (1 cal/gr.grd.). Constanta calorimetrului C se poate

determina din calcul. Entalpia de dizolvare se raportează la un mol de substanţă.

Modul de lucru:

Se cântăresc următoarele: vasul interior al calorimetrului şi agitatorul, masa de apă

ce se va introduce în acest vas şi sarea pe care vrem s-o dizolvăm, într-o eprubetă. De

exemplu: utilizaţi 200 moli apă (1Mapă = 18 g ) pentru 1mol sare. Se introduce

eprubeta cu sare în apa din calorimetru şi se măsoară temperatura din minut în minut,

23

Page 24: Ghid Complet

până ce ea rămâne constantă. Se va folosi termometrul digital. Se varsă conţinutul

eprubetei în apă, se agită până la dizolvarea sării. Se măsoară din nou temperatura,

timp de 5 minute, din minut în minut. Pentru a găsi valoarea lui t se reprezintă

grafic temperatura în funcţie de timp. Se calculează apoi variaţia entalpiei cu relaţia

(6).

Fig.4.2.Variaţia temperaturii în

procesul de dizolvare.

24

Page 25: Ghid Complet

II. MĂSURAREA PROPRIETĂŢILOR ELECTRICE ALE LICHIDELOR

BIOLOGICE

5. CONDUCTOMETRIE

Determinarea concentraţiei electroliţilor din plasma sanguină este foarte utilă în

practica clinică deoarece oferă indicaţii asupra metabolismului hidromineral, asupra

repartiţiei apei în organism între cele trei compartimente: intracelular, interstiţial şi

vascular. În diferite tulburări ale echilibrului hidromineral această repartiţie poate

suferi modificări importante. Determinarea concentraţiei electrolitice a plasmei se

poate face prin mai multe metode: conductivitate electrică, crioscopie sau prin

dozarea separate a ionilor. Prin măsurarea conductibilităţii sau a rezistivităţii se poate

face o dozare destul de precisă şi rapidă a electroliţilor din plasmă, substanţele

neionizabile cum sunt urea sau glucoza nefiind implicate în aceste determinări.

Noţiuni teoretice de bază:

Se numeşte conductivitate electrică G ( conductanţă ), valoarea inversă a

rezistenţei, a mediului respectiv: G = , unde R este rezistenţa electrică şi

se măsoară în ohmi ( ). Pentru conductorii de ordinul II conductibilitatea este o

proprietate caracteristică şi depinde de concentraţia ionilor în soluţie (deci de gradul

de disociere electrolitică), de numărul de purtători de sarcină şi de viteza cu care

aceştia transportă curentul în soluţie.

Rezistenţa electrică este dată de relaţia: R = , în care l este lungimea

conductorului, s secţiunea, rezistenţa specifică sau rezistivitatea ( măsurată în

.cm ). Ea depinde de mediului respectiv. Rezistenţa specifică, , este rezistenţa unui

cub din acel mediu care are lungimea şi secţiunea egală cu unitatea. Conductanţa

25

Page 26: Ghid Complet

mediului G se măsoară în -1, numită şi Siemens ( S ) . Valoarea inversă a

rezistenţei specifice se numeşte conductivitate electrică specifică :

= = ( -1cm-1 ) sau ( S/cm )

Conductivitatea electrică specifică depinde de natura substanţei, de temperatură şi de

concentraţia soluţiei. Pentru a determina conductivitatea electrică specifică a unui

electrolit este nevoie de o celulă de conductibilitate. Aceasta e alcătuită din doi

electrozi de platină cu suprafaţa de cca 1 cm2 şi distanţaţi la 1 cm, astfel încât volumul

de lichid să rămână acelaşi pentru toate soluţiile de măsurat. Celula de

conductibilitate se caracterizează prin constanta celulei, care este dată de raportul

dintre distanţa dintre electrozi şi suprafaţa lor,

k = ( cm-1 )

Deoarece raportul l/S apare şi în legea lui Ohm, constanta celulei se poate determina

prin măsurători de rezistenţă sau de conductanţă a unor soluţii etalon de electrolit cu

conductivitate cunoscută,

γ = G. k ( S.cm-1 )

De obicei valoarea lui γ este dată în prospectul aparatului . Spre exemplu,

conductivitatea soluţiilor de KCl la 250 C este dată în tabelul de mai jos.

Concentraţia molară 0,1 0,02 0,01

Conductivitatea / -1cm-1/ 0,01289 0,002768 0,001412

În practică se utilizează conductivitatea echivalentă sau cea molară adică

conductivitatea raportată la numărul de echivalenţi-gram sau de molecule-gram de

electrolit într-un cm3 de soluţie. Acestea sunt simbolizate prin Гe şi Гm şi pot fi

calculate cu relaţia :

Гe , m = = .V

unde c e,m = concentraţia echivalentă sau cea molară, iar V este volumul în cm 3.

Spre exemplu, fie o soluţie molară a unei substanţe care disociază în n ioni. Fiecare

26

Page 27: Ghid Complet

mol din aceasta soluţie conţine 6,02. 1023 molecule şi posedă o sarcină electrică egală

cu n. 6,02. 1023 .1,6. 10-19 coulombi sau n Faraday. Prin definiţie o concentraţie de 1

Echivalent reprezintă concentraţia ionilor pozitivi sau negativi care au o sarcină

electrică de 1 Faraday. În exemplul de mai sus concentraţia echivalentă a soluţiei este

de n Echivalent / litru. Experimental s-a putut demonstra că conductivitatea

echivalentă scade dacă concentraţia creşte şi se pot observa două tipuri de

comportamente care caracterizează electroliţii tari, respectiv cei slabi. La diluţii mari

( 1/ c 10 4) ea rămâne aproximativ constantă şi se numeşte conductivitate

echivalentă la diluţie infinită . Extrapolând la origine, la diluţie infinită - unde

comportamentul tinde să fie ideal - se obţine conductivitatea echivalentă limita Г0.

Fig.5.1. Dependenţa conductivităţii electrice de concentraţie pentru electroliţi tari respectiv slabi.

Măsurarea conductivităţii (rezistivităţii) are mare importanţă în determinarea

concentraţiei ionilor din plasma sanguină. Valoarea normală a rezistivităţii plasmei

sanguine la temperatura corpului este de 69-79 ohm.cm. O creştere a rezistivităţii a

plasmei sanguine, indică o scădere a concentraţiei electroliţilor din plasmă.

Concentraţia totală a electroliţilor din plasma sanguină se poate determina cu

ajutorul relaţiei:

c = [ mEq / litru]

Г [-1cm-1 ]

Ce [eq/l]

Г0

Electroliti tari

Electroliti slabi

27

Page 28: Ghid Complet

unde este rezistivitatea electrică, iar P proteinemia în g/l, care este dată în funcţie

de densitatea plasmei în tabelul de mai jos.

Tabelul 5Densitatea

g/cm3

Proteinemia

g/l

Densitatea g/

cm3

Proteinemia

g/l

1,016 30,9 1.026 65,2

1,017 34,3 1,027 68,8

1,018 37,7 1,028 72,0

1,019 41,2 1,029 75,5

1,020 44,6 1,030 78,9

1.021 48,0 1,031 82,3

1,022 51,4 1,032 85,7

1,023 54.9 1,033 89,2

1,024 58,9 1,034 92,6

1,025 61,7 1,035 96,3

Valoarea normală a concentraţiei totale a electroliţilor în plasma este de 310 mEq/l.

Măsurătorile conductometrice efectuate în legătură cu proprietăţile electrice ale

celulelor sanguine indică o valoare a capacităţii electrice de 1 μF/ cm2 şi o

conductanţă de 48 mS/cm, iar conductivitatea citoplasmei este de 4 mS/cm .

5.1. Utilizarea multimetrului electrochimic - pH, mV, temperatura şi

conductivitate într-un singur instrument - CONSORT C 830.

La acest instrument pot fi conectate simultan un electrod de pH, un electrod redox, o

celulă de conductivitate şi un senzor de temperatură. Parametrii tehnici:

Domeniu de masură: 0–14 pH, ± 1000 mV, 0–100ºC, 0–100 mS/cm.

Rezoluţie : 0.01 pH, 1 mV, 1ºC, 0.1 μS/cm

Precizie - pH/mV – 0.5% din valoarea masurată.

- conductivitate- 2% pe toată scala.

Compensarea temperaturii- automat sau manual în intervalul 0-100 ºC.28

Page 29: Ghid Complet

Calibrare –automată pH 2 puncte şi conductivitate 1 punct

Recunoaştere tampon – pH, 9 valori preprogramate.

Accesorii- celulă de conductivitate SK10B

- electrod de pH SP10B

- senzor de temperatură ST10N

- stativ flexibil cu braţ.

- Soluţii tampon şi pentru calibrare.

Pe cutia aparatului există 5 taste. Cu tasta Mode se poate selecta modul de lucru

(măsurarea conductivităţii, pH, temperatura) procedura de etalonare şi revenire la

modul iniţial. Butonul CAL începe sau continuă etalonarea sau alegerea unei funcţii ,

săgeţile ↑↓ se folosesc pentru alegerea manuală a unei valori sau a unei funcţii, iar

tasta ON/OFF pentru conectarea sau deconectarea aparatului . Pe ecran pot apărea

câteva mesaje sau coduri de eroare: / or / = depăşirea scalei , / cc / = constanta

celulei în afara domeniului de măsură, / CAL/ = greşeală de etalonare, / MEM/ =

eroare de memorare. Nu se va introduce celula de conductivitate şi electrodul de pH

în acelaşi timp în soluţie.

Fig.5.2. Conductometrul CONSORT 830.

29

Page 30: Ghid Complet

5.1.a. Modul de lucru pentru măsurarea conductivităţii :

● Se selecţionează gama de conductibilitate apăsând pe butonul Mode.

● După ce s-a spălat electrodul cu apă distilată, pe urmă cu soluţia etalon de 0,01 M

KCl ( 1413 S/ cm ), se cufundă apoi electrodul în această soluţie.Temperatura

soluţiei nu are importanţă, dar totuşi ea trebuie să fie cuprinsă între 0 şi 30 grade

Celsius. Dacă temperatura este diferită, se compensează manual la valoarea indicată .

Apăsaţi apoi tasta Cal.

● Aparatul va arăta temperatura de referinţă / r.20/ sau / r.25 /.Alegeţi valoarea

dorită şi apăsaţi tasta Cal.

● Aparatul va indica constanta celulei de ex. / 1.045 / şi se etalonează automat când

afişajul este stabil ( adică tasta Cal încetează clipirea ).

● După ce se clăteşte electrodul cu apă distilată, apoi cu soluţia de măsurat, se

introduce în soluţia de măsurat şi se citeşte valoarea pe ecran.

● După utilizare, spălaţi electrodul şi introduceţi-l în apă distilată ( adăugaţi puţin

detergent pentru a conserva mai bine suprafaţa electrozilor de platină).

5.1.b. Modul de lucru pentru măsurarea pH.

● Se va selecta gama de pH cu ajutorul tastei Mode. Afişajul va indica imediat

valoarea măsurată la etalonarea precedentă. Pentru o nouă etalonare, se apasă tasta

CAL.

● Se clăteşte electrodul cu apă distilată şi se introduce într-unul din tampoane.

● Afişajul va indica unul dintre cele 9 tampoane din memorie, spre exemplu 4.01, în

timp ce indicatorul pH de pe ecran clipeşte. Se alege cu ajutorul săgeţilor tamponul

corespunzător şi se apasă tasta Cal. Aparatul va arăta tamponul măsurat şi se va

calibra automat atunci când afişajul este stabil(indicaţia Cal de pe ecran nu mai

clipeşte).

● Se va clăti electrodul cu apă distilată şi se introduce în cel de-al doilea tampon.

● Afişajul va indica un nou tampon din memorie (de exemplu 9.18) în timp ce

indicatorul pH de pe ecran clipeşte. Se alege tamponul corespunzător şi se apasă tasta

Cal, etalonarea se face automat.

30

Page 31: Ghid Complet

● Se clăteşte electrodul cu apă distilată şi se introduce în soluţia de măsurat, apoi se

citeşte direct valoarea de pe ecran.

● După folosire clătiţi totdeauna electrozii cu apă distilată şi păstraţi în soluţie de KCl

cu concentraţie 3...4 M.

5.1.c. Modul de lucru pentru măsurarea mV.

● Selecţionaţi gama mV cu tasta Mode.

● După clătirea cu apă distilată se introduce electrodul în soluţia de măsurat şi se

citeşte valoarea pe ecran.

● După folosire se clăteşte cu apă distilată şi se păstrează în soluţie KCl 3...4 M.

Pentru toate modurile de lucru se poate folosi concomitent senzorul de temperatură.

Aplicaţie: 1) Se pregăteşte o soluţie de KCl 1 n şi o soluţie de CH3COOH 1 n, în apă

distilată. Apoi se vor prepara diluţiile 0,1; 0,01; 0,001 şi 0,0001 normal şi se va

determina conductivitatea si pH-ul lor. Datele se vor trece în următorul tabel. Se va

reprezenta grafic conductivitatea în funcţie de concentraţie pentru fiecare soluţie.

Soluţie Concentraţia

[ n ]

G

[ -1 = Siemens]

Г

[ mS/

cm]

pH

2) Se va calcula concentraţia totală de electroliţi din plasmă cunoscând valoarea

normală a rezistivităţii electrice a plasmei, conform formulei de mai sus. Proteinemia

se determină din tabelul 5 în funcţie de densitatea plasmei.

31

Page 32: Ghid Complet

6. STUDIUL UNEI PILE DE CONCENTRAŢIE

Noţiuni teoretice :

Un electrod metalic introdus în soluţie apoasă ce conţine ionii săi va participa la o reacţie redox de tipul :red z e- + ox ,

unde red - atomul neutru, z – valenţa ionului, e – sarcina electronului, ox –ionul cu sarcina +z.Întrucât electronii rămân în metal iar ionii trec în soluţie, datorită atracţiei

electrostatice dintre ei, se formează la interfaţa metal-soluţie un strat dublu electric.

Diferenţa de potenţial datorită stratului dublu electric se opune trecerii unei noi

cantităţi de ioni în soluţie. Sistemul ajunge la echilibru când tendinţa de trecere a

ionilor în soluţie datorită diferenţei de potenţial chimic între formele red şi ox este

anulată de tendinţa trecerii în sens opus datorită diferenţei de potenţial electric.

32

Fig.6.1. Formarea stratului dublu

electric la suprafaţa electrodului

metalic

Page 33: Ghid Complet

Se poate demonstra (având în vedere că potenţialul chimic în faza metalică este egal

cu potenţialul standard) că potenţialul electric al electrodului metalic în raport cu

soluţia se poate calcula cu formula:

, unde Cox – este concentraţia molară a ionilor în soluţie, R –

constanta universala a gazelor, T- temperatura absolută, z- valenţa ionului, F –

numărul lui Faraday (96500 C/mol) , E0 – potenţialul electric normal al electrodului

(potenţialul electric standard dacă temperatura este 25○C).

Doi electrozi identici introduşi în soluţii de concentraţii diferite, C1ox şi C2ox, se vor

încărca la potenţiale diferite, E1 şi E2.

E1 = E0 +

E2 = E0 +

La punerea în contact electric a celor două soluţii printr-o punte electrolitică

(conţinând o sare ce disociază în ioni cu mobilităţi egale şi deci nu produce potenţial

de difuziune) între cei doi electrozi apare o diferenţă de potenţial electric, E:

E = E2 – E1 =

Un astfel de dispozitiv se numeşte pila de concentraţie datorită faptului că diferenţa

de potenţial electric este o consecinţă a diferenţei de concentraţie a ionilor în cele

două soluţii.

Cazul discutat mai sus se referă la trecerea în soluţie a unor ioni pozitivi. Dacă

electrodul utilizat se comportă reversibil în raport cu ionii negativi din soluţie

diferenţa de potenţial se va calcula cu aceeaşi formulă doar semnul va fi schimbat

datorită schimbării polarităţii stratului dublu electric. În general se va putea scrie:

E =

Semnul “+” utilizându-se pentru ionii pozitivi, iar “-“ pentru ionii negativi.

Trecându-se la logaritmi zecimali se obţine forma practică a formulei de mai sus:

33

Page 34: Ghid Complet

E = , sau

E =

În cele ce urmează se va studia potenţialul electric generat de o pilă de concentraţie a

ionului C1- din soluţiile de KCl, dispozitiv ce se apropie de comportamentul ideal.

Electrozii utilizaţi sunt fire de argint pe care s-a depus electrolitic un strat de AgCl

(notaţi pe scurt electrozi Ag/AgCl) şi care sunt reversibili în raport cu Cl-.

Electrodul introdus în soluţie mai diluată de KCl va trimite în faza apoasă mai mulţi

ioni Cl-, el încărcându-se la un potenţial pozitiv în raport cu cel aflat în soluţia mai

concentrată. Diferenţa de potenţial, masurată în mV, va fi:

E = - 2302 sau, după răsturnarea fracţiei:

E = 2302 (mV).

Măsurarea diferenţelor de potenţial generate de pilele de concentraţie nu poate fi

făcută cu instrumente obişnuite datorită faptului că acestea modifică stratul dublu

electric de la suprafaţa electrozilor prin cantitatea mare de curent ce trebuie să le

străbată. Din acest motiv se folosesc galvanometre sau milivoltmetre electronice care

au rezistenţa de intrare suficient de mare.

Materiale necesare

Milivoltmetrul cu afisaj digital, 2 electrozi Ag/AgCl montaţi pe suporţi ce se pot

deplasa vertical pe stative, 2 pahare Berzelius de 50 ml, fâşii de hârtie de filtru (ca

punţi electrolitice), soluţie de KCl cu concentraţia 1…2 moli/litru, cilindru gradat de

50 ml, apă distilată.

Descrierea aparaturii

Dispozitivul experimental este realizat pe două stative verticale în lungul cărora pot fi

deplasate suporturile pe care sunt fixaţi cei doi electrozi şi de care pot fi prinse cu

cleme paharele Berzelius conţinând soluţiile de lucru. Primul pahar Berzelius va

34

Page 35: Ghid Complet

conţine soluţia de KCl nediluată, de referinţă, cu concentraţia pe care o vom nota C1

şi care rămâne nemodificată pe tot cursul experienţei. Al doilea pahar Berzelius va

conţine soluţii de concentraţie variabilă, C2, obţinute prin diluarea progresivă a

soluţiei de referinţă. Prin coborârea suporţilor, electrozii El1 şi El2 pot fi introduşi în

soluţiile respective. Puntea electrolitică, P, dintre cele două soluţii este realizată cu o

bandă de hârtie de filtru. Cablurile electrozilor El1 si El2 vor fi cuplate la bornele

‘referinţă’ şi respectiv, ‘măsurare’ ale milivoltmetrului sau pH-metrului. În cazul

utilizării unui pH-metru butonul de comutare mV-pH se va pune în poziţia ‘mV’.

Fig.6.2. Reprezentarea schematică a dispozitivului experimental pentru o pilă de concentraţie.

35

Fig.6.3. Multimetre digitale utilizate pentru înregistrarea diferenţei de potenţial electric produsă de o pilă de concentraţie.

Page 36: Ghid Complet

Modul de lucru

Se cuplează milivoltmetrul la reţea şi se porneşte urmărindu-se aprinderea

ecranului de afişaj. Nu se va da importanţă valorilor indicate de aparat atâta timp cât

electrozii nu sunt introduşi în soluţie iar puntea electrolitică nu este instalată între

cele două vase cu soluţie.

În ambele pahare, după ce în prealabil au fost spălate cu apă distilată, se introduce

soluţie de concentraţie C1. Paharul nr1 se va prinde cu o clema pe stativul din stânga,

în el va fi introdus electrodul El1 şi va fi menţinut astfel până la sfârşitul

determinărilor. În paharul nr.2, prins de stativul din dreapta, va fi introdus electrodul

El2 şi cu o banda de hârtie de filtru se va face legătura cu vasul nr.1. Indicaţiile

aparatului se vor stabiliza într-un interval de timp 1-2 minute. Dacă întregul sistem

funcţionează corect diferenţa de potenţial afişată de aparatul de măsură este nulă, sau

diferă cu cel mult 5 mV. Vom nota această valoare E1.

În continuare, se poate scoate electrodul El2 din vasul nr2 şi din soluţia ce o

conţine se prepară, prin diluare ½, 50 ml soluţie de concentraţie C2 = C1/2 (25 ml

soluţie inţială + 25 ml apă distilată). Aceasta se reintroduce în vasul nr.2 după clătirea

lui cu apă. Se repetă măsurarea diferenţei de potenţial obţinându-se valoarea E2.

Se procedează ca şi mai sus, în mai multe rânduri, diluând succesiv soluţia din

vasul nr.2, astfel încât să se obţină valorile pentru potenţialele E4, E8, E16, E32 ...

corespunzătoare unor soluţii din vasul nr.2 de concentraţii C1/4, C1/8, C1/16, C1/32,...

Este foarte important ca la fiecare măsurătoare să se schimbe puntea de hârtie de

filtru dintre vase. Altfel există riscul falsificării rezultatelor prin modificarea

concentraţiilor din acest vas.

Prezentarea rezultatelor şi calcule:

C2 C1/1 C1/2 C1/4 C1/8 C1/16 C1/32 C1/64 C1/128

C1/C2 1 2 4 8 16 32 64 128

lg 0,00 0,301 0,602 0,903 1,204 1,505 1,806 2,107

En(mV) O

36

Page 37: Ghid Complet

Se va reprezenta grafic dependenţa potenţialului pilei de concentraţie, E, în funcţie de

lg (C1/C2) trasându-se dreapta care aproximează cel mai bine punctele obţinute

experimental.

Cu ajutorul graficului se stabilesc valorile pentru panta experimentală a dreptei ke:

ke=

Ecuaţia drepetei experimentale cu valorile astfel găsite se va scrie sub formula:

E = E0 + ke lg (C1/C2)

Această ecuaţie va fi comparată cu cea teoretică:

E = kt . lg (C1/C2) unde kt = este panta

teoretică pentru măsurători făcute în mV.

Astfel se poate aprecia cât de aproape de comportamentul ideal este pila studiată.

Această apropiere este cu atât mai mare cu cât E0 (potenţialul datorită asimetriei în

funcţionarea electrozilor) este mai redus şi cu cât panta experimentală ke se apropie

mai mult de valoarea calculată pentru panta teoretică kt.

37

Page 38: Ghid Complet

III. PROPRIETĂŢI OPTICE ALE LICHIDELOR BIOLOGICE

7. DETERMINAREA INDICELUI DE REFRACŢIE AL UNEI SOLUŢII

CU AJUTORUL REFRACTOMETRULUI ABBE

Notiuni teoretice. Refracţia luminii reprezintă fenomenul de trecere a undei

luminoase dintr-un mediu optic cu indicele de refracţie n1 într-un alt mediu optic cu

indicele de refracţie n2, cu schimbarea direcţiei de propagare. Reprezentând raza de

incidenţă (1), raza refractată (2) şi notând:

- i: unghiul de incidenţă, format de raza incidentă cu normala în punctul de incidenţă

la suprafaţa de separare dintre cele două medii

- r: unghiul de refracţie, format de raza refractată cu normala, putem afirma că raza

incidentă, raza refractată şi normală la suprafaţă sunt coplanare şi are loc relaţia :

n1 sin i = n2 sin r

38

Page 39: Ghid Complet

Fig. 7.1. Fenomenul de reflexie, refracţie şi reflexie totală a luminii.

Discuţii:

1. dacă n2>n1 atunci r < i; raza refractată se apropie de normală

2. dacă n2<n1 atunci r>i; raza refractată se depărtează de normală

3. la suprafaţa de separare dintre două medii transparente au loc simultan fenomene

de reflexie şi de refracţie a luminii.

4. atunci când n2<n1 notăm cu l unghiul limita = unghiul format de raza incidentă

pentru care unghiul de refracţie este r = 90 º => n1sin l = n2

Dacă lumina trece din mediul 1 în mediul 2 şi n1>n2 atunci există relaţia

sin 1 = n2 / n1 , relaţie ce poate servi la aflarea unuia din cei doi indici de refracţie

dacă se cunoaşte celălalt şi se măsoară unghiul limită, 1. Pe acest principiu este

construit refractometrul Abbe cu ajutorul căruia se poate citi direct indicele de

refracţie al unui lichid (după ce s-a adus în dreptul unui reper fix zona de delimitare

lumină – întuneric ce apare atunci când radiaţiile se propagă în condiţiile refracţiei la

unghiul limită).

Determinările refractometrice ne dau informaţii preţioase şi în legătură cu

structura unor substanţe, cum ar fi de exemplu cele organice. Refracţia specifică şi

refracţia moleculară a unei substanţe sunt mărimi fizice importante care pot

caracteriza din punct de vedere optic un lichid biologic. Ea se poate calcula cu

ajutorul relaţiei lui Lorenz:

Rs= şi rm = rs ∙M

39

Page 40: Ghid Complet

în care n este indicele de refracţie iar d este densitatea.

Produsul dintre refracţia specifică şi greutatea moleculară M a unei substanţe se

numeşte refracţie moleculară. Această mărime este şi ea o caracteristică moleculară a

fiecărei substanţe, valoare ei depinzând de starea de agregare a substanţei respective.

Refracţia moleculară în cazul substanţelor organice este egală cu suma refracţiilor

atomice şi a refracţiilor legăturilor, precum şi a grupelor conţinute de moleculă.

Refractometria ca metodă de lucru are următoarele avantaje: se lucrează cu o

cantitate infimă de substanţă (1-2 picături), este o metoda rapidă şi foarte precisă (se

poate citi indicele de refracţie cu o precizie de 4 zecimale). Cunoscându-se indicele

de refracţie, se poate determina concentraţia soluţiilor studiate( în cazul laboratorului

clinic -concentraţia proteinelor în lichidele biologice).

Aparatura: Refractometrul de tip ABBE-Convex are următoarele părţi componente:

1. Ocular, mărire optică 30X.

2. Dispozitiv de deschidere/închidere a prismei.

3. Oglinda reflectatoare.

4. Intrare pentru măsurarea temperaturii apei de răcire (dacă este cazul).

5. Intrare pentru luminarea prismei.

6. Intrare pentru sistem de termostatare.

7. Prisma superioară.

8. Dispozitiv pentru controlul dispersiei.

9. Dispozitiv de ajustare –măsurare.

10. Buton pentru compensarea culorii.

11. Intrare pentru măsurarea temperaturii probei cu termometrul digital.

12. Buton de calibrare.

13. Reglajul luminozităţii scalei de măsurare.

40

Page 41: Ghid Complet

Fig. 7.2. Refractometrul ABBE, tip CONVEX.

41

Page 42: Ghid Complet

Partea principală a refractometrului Abbe se compune din două prisme, una pentru

măsurare şi cealaltă pentru iluminare, care se pot bloca cu ajutorul unui şurub. Prin

intermediul unui tambur se poate deplasa blocul prismelor astfel ca în câmpul vizual

al lunetei să ne apară o imagine pe jumătate iluminată şi a cărei limită de separaţie

între zona iluminată şi cea întunecată să fie plasată exact la încrucişarea celor două

fire reticulare.

Modul de lucru

Înainte de măsurătoarea propriu zisă trebuie făcute câteva teste de calibrare. Se

deschide intrarea prismei superioare (5) şi se închide oglida reflectatoare (3). Se

acţionează tamburul de compensare a culorii (10) până când culorile roşu şi albastru

dispar complet.

Metoda de calibrare utilizând apă distilată: Se deschide prisma superioară, se

pipetează 2-3 picături de apă şi apoi se închide. Dacă temperatura înregistrată este de

20ºC, indicele de refracţie ar trebui să fie 1,3330. În caz contrar, se acţionează

tamburul (9) până când scala indică valoarea menţionată. De asemenea se acţionează

butonul de calibrare până când limita de separare lumină-umbră corespunde cu

intersecţia firelor reticulare.

Deoarece se lucrează cu lumina albă (lumina policromatică) pentru a se înlătura fenomenele de dispersie ce pot apărea (şi care ar determina erori de măsurare datorită imposibilităţii obţinerii unei limite de separaţie nete) se utilizează o prismă suplimentară care se poate roti cu ajutorul unui dispozitiv situat lateral, acest dispozitiv numindu-se ‘compensator’. Cu ajutorul lunetei se poate citi direct indicele de refracţie al substanţei studiate, dar şi concentraţia procentuală.

42

Fig. 7.3. Aspectele privind punerea la punct (a) şi citirea indicilor de refracţie (b) pentru refractometrul Abbe.

Page 43: Ghid Complet

Calibrarea odată făcută, se poate proceda la măsurătorile propriu zise, determinând

pentru diferite lichide biologice atât indicele de refracţie (cu precizie de patru

zecimale) cât şi concentraţia procentuală. Dacă măsurătoarea se face la temperaturi

mai mari sau mai mici de 20ºC trebuie făcută o corecţie a rezultatului. În tabelele

următoare sunt trecute corecţiile care trebuie făcute în funcţie de temperatură şi

câteva valori ale indicelui de refracţie pentru unele substanţe de referinţă.

43

Page 44: Ghid Complet

În figura alăturată sunt prezentate două tipuri de refractometre portabile care permit

măsurători rapide şi uşoare, ideale pentru determinarea concentraţiei procentuale în

44

Page 45: Ghid Complet

scala Brix. Scala de măsurare Brix arată concentraţia procentuală a unor substanţe

solide dizolvate în apă, fiind calibrată la cantitatea de zahăr (trestie de zahăr) în

grame, conţinută în 100g de apă. Deci când se măsoară o soluţie care conţine zahăr,

scala Brix indică exact concentraţia reală.

Calcule şi prezentarea rezultatelor

Odată citite valorile indicelui de refracţie şi ale concentraţiei, cu ajutorul formulelor

anterioare se calculează refracţia moleculară şi refracţia specifică pentru fiecare

probă. În cazul soluţiilor proteice, concentraţia se va determina din tabelele puse la

dispoziţie. Rezultatele se trec în tabelul următor:

Nr. sol.

n Concentraţia proteine serice

d (kg/m3) Refracţia specifică rs

Refracţia moleculară rm

45

Page 46: Ghid Complet

8. DETERMINAREA CONCENTRAŢIILOR SOLUŢIILOR OPTIC

ACTIVE CU POLARIMETRUL

Noţiuni teoretice Conform legilor electro-magnetismului o perturbaţie electromagnetică apărută

într-o regiune a spaţiului devine izvorul altor perturbaţii de aceeaşi natură în

porţiunile învecinate în spaţiu - apare astfel o undă electromagnetică care se va

propaga cu viteza luminii.

Legile generale ale mişcării ondulatorii se referă în aceeaşi măsură atât la undele

longitudinale cât şi la cele transversale. Vibraţiile longitudinale sunt simetrice faţă de

direcţia de propagare, adică acţiunea lor asupra unui aparat receptor oarecare nu se

schimbă dacă acest aparat este rotit în jurul direcţiei de propagare. În cadrul undelor

transversale condiţiile de acţiune ale undei asupra aparatului pot fi diferite, după cum

vibraţiile transversale sunt surprinse într-un plan sau într-altul, care trece prin

direcţia de propagare.

Din teoria electromagnetică a luminii rezultă ca undele luminoase sunt

transversale. Într-adevăr, toate legile electromagnetismului duc la concluzia că

variaţia în timp a intensităţii câmpului electric este însoţită de apariţia unui câmp

magnetic-alternativ , orientate perpendicular unul în raport cu celălalt.

Un asemenea câmp electromagnetic alternativ nu rămâne fix în spaţiu, ci se

propagă cu viteza luminii de-a lungul unei linii perpendiculare pe vectorii şi ,

generând unde electromagnetice, unde de lumină. În felul acesta cei trei vectori ,

46

Page 47: Ghid Complet

şi viteza de propagare , sunt perpendiculari între ei, cu alte cuvinte direcţiile

vectorilor şi sunt perpediculare pe direcţia de propagare, adică unda

electromagnetică este transversală. În fiecare caz dat există o anumită orientare şi prin

urmare raza luminoasă nu reprezintă axa de simetrie a undelor electromagnetice. O

asemenea simetrie este caracteristică undelor transversale. Vom înţelege prin lumina

naturală acea lumină în care vom întâlni toate orientările posibile ale vectorului ( şi

prin urmare şi ale lui ).

Lumina în care , la fel şi îşi păstrează o singură direcţie, o vom numi lumina

polarizată. Planul care trece prin direcţia de propagare şi care cuprinde vectorul

electric, se numeşte plan de vibraţie al luminii polarizate, iar planul în care se găseşte

vectorul magnetic şi direcţia de propagare se numeşte plan de polarizaţie.

Fig. 8.1. Planurile de vibraţie şi de polarizaţie in cazul luminii polarizate.

Fenomenul de polarizare al luminii, adică selecţionarea undelor de lumină cu o

anumită orientare a vectorului electric E, are loc prin reflexia sau refracţia luminii la

suprafaţa de separare a doi dielectrici izotropi sau prin dubla refracţie când lumina

trece printr-un cristal anizotrop. Un sistem este izotrop dacă toate proprietăţile sale

sunt identice după oricare din direcţiile spaţiului, iar un sistem va fi anizotrop dacă

proprietăţile lui depind de direcţia după care are loc fenomenul.

Noi vom studia dubla refracţie (sau birefringenţa) ce are loc la trecerea luminii

printr-un cristal de spat de Islanda (CaCO3) care cristalizează în sistemul romboedric.

Dacă pe un asemenea cristal cade un fascicul de lumină, după refracţie el va da

naştere la două fascicule, având direcţii diferite.

47

Page 48: Ghid Complet

Chiar dacă unghiul de incidenţă este nul, fascicolul refractat este dublu. Raza care

se propagă în continuarea fascicolului incident se numeşte raza ordinară iar cea de a

doua, raza extraordinară. Dacă studiem cele doua raze emergente constatăm că

ambele sunt polarizate, şi anume în planuri perpendiculare între ele.

8.1. Metode optice care utilizează lumina polarizată

Radiaţia plan şi circular polarizată

Radiaţia electromagnetică reprezintă o undă ai cărei vectori electric (E) şi

magnetic (H) oscilează perpendicular pe direcţia de propagare şi sunt orientaţi

48

Fig.8.3 Polarizarea luminii prin spat de Islanda: cele două prisme sunt lipite cu balsam de Canada, ansamblul constituind un NICOL; RO-Raza ordinară; RE-Raza extraordinară polarizată în planul figurii.

Page 49: Ghid Complet

reciproc perpendicular. Frecvenţa oscilaţiei, , reprezintă numărul de oscilaţii pe

secundă. Lumina nepolarizată sau naturală conţine cuante ai căror vectori au

orientările distribuite aleator, neexistând un mod privilegiat de oscilaţie. Lumina

plan-polarizată este cea în care vectorul electric, respectiv magnetic, oscilează

fiecare doar într-un singur plan.

Lumina circular polarizată are caracteristic faptul că vectorul electric, respectiv

magnetic, rămân constanţi în modul dar descriu fiecare o traiectorie elicoidală

(Fig.5), cu rotaţii pe secundă. După sensul în care vârful vectorului parcurge elicea

(atunci când privim spre sursă), lumina poate fi circular polarizată spre stânga (sens

trigonometric sau antiorar) ori spre dreapta (sens antitrigonometric sau orar).

Lumina plan-polarizată poate fi considerată ca fiind rezultatul compunerii

vectoriale a două unde coerente, cu aceeaşi amplitudine, circular-polarizate una spre

stânga şi una spre dreapta.

Importanţa studiilor în lumină polarizată

Singura interacţiune fizică care depinde explicit de asimetria structurii moleculelor

este interacţiunea cu radiaţia polarizată. Asimetria structurii trebuie înţeleasă în sens

general, aici intrând: asimetria distribuţiei de sarcină (dipolii electrici permanenţi);

asimetria în dislocările sarcinilor sub influenţa câmpului electric exterior

(polarizabilitate asimetrică); asimetria în mişcarea electronilor pe orbitalii de valenţă

(“atomi asimetrici”); etc.

În plus, faţă de studiile în lumină nepolarizată, interacţiunea luminii polarizate cu

moleculele oferă informaţii de natură geometrică (orientare, distribuţie, ordonare,

suscesiune) asupra unor legături sau zone din molecule.

8.2. Absorbţia luminii polarizate

Ca în orice metodă de spectroscopie de absorbţie, lungimile de undă alese se află

în domeniile benzilor de absorbţie ale legăturilor.

În cazul luminii polarizate, interacţiunea vectorului electric va depinde de

orientarea dipolilor absorbanţi şi de geometria orbitalilor pe care sunt distribuiţi 49

Page 50: Ghid Complet

electronii în jurul atomilor. Absorbţia luminii polarizate are particularităţi exploatate

de tehnicile de dicroism linear - în cazul utilizării luminii plan polarizate şi dicroism

circular - în cazul celui circular polarizate.

8.2.1. Dicroismul linear (DL) reprezintă fenomenul prin care o probă străbătută

de o radiaţie policromatică linear polarizată îşi schimbă culoarea odată cu rotirea

planului de polarizare. El se datoreşte absorbţiei unor radiaţii cu lungimi de undă

diferite, dacă planul luminii polarizate îşi schimbă orientarea faţă moleculele aşezate

ordonat.

Pentru punerea în evidenţă a DL este nevoie ca moleculele din probă să fie

aranjate în acelaşi fel. Aranjamentul ordonat este aproape perfect în cristale, dar

obţinerea acestora, în cazul macromoleculelor, nu este o sarcină uşoară. În dielectrici,

o orientare bună poate fi obţinută cu ajutorul câmpului electric, dacă moleculele au

momente dipolare. Rezultă o aranjare mulţumitoare a macromoleculelor fibrilare sau

alungite în lichide în curgere sau prin perierea într-o singură direcţie a unei soluţii

vâscoase, până se usucă.

Existenţa dicroismului linear, şi mărimea lui, dacă moleculele sunt orientate

preponderent cu dimensiunea mare în lungul unei axe, notate cu z, se exprimă prin

valoarea raportului dicroic, d.

unde E|| este extincţia probei când planul luminii polarizate este paralel cu axa z, iar

E este extincţia găsită când planul luminii poalarizate este perpendicular pe axa z.

Valorile diferite de zero ale raportului dicroic semnalează existenţa unor asimetrii

moleculare, iar graficului d() poate furniza date asupra naturii acestor asimetrii

(grupările, legăturile sau conformaţiile ce o produc).

DL este utilizat curent în scopul stabilirii orientărilor diferitelor legături din

structura moleculelor. În acest fel s-au putut descifra orientările legăturilor de

hidrogen în structurile - helix (paralel cu axul lanţului polipeptidic) şi - foaie

plisată (perpendicular pe lanţ).

DL poate fi observat şi în UV, pentru lumina polarizată având din benzile de

absorbţie ale dublelor legături conjugate ale aminoacizilor aromatici sau ale bazelor

50

Page 51: Ghid Complet

azotate. Astfel, poate fi determinată orientarea planurilor bazelor azotate faţă de axele

elicilor duble ale acizilor nucleici.

8.2.2. Dicroismul circular (DC) este fenomenul prin care radiaţiile

monocromatice, circular polarizate în sensuri opuse, sunt absorbite diferit de către

moleculele substanţei.

DC, la o lungime de undă dată, se evaluează, cel mai simplu, prin diferenţa dintre

extincţiile unei probe măsurate pentru lumina circular polarizată spre stânga (EL) şi

spre dreapta (ER):

E() = EL – ER

Exprimarea se poate face şi pe baze molare, în funcţie de coeficienţii molari de

extincţie:

()= L – R (M–1cm–1)

Fenomenul de absorbţie în UV - VIS se datoreşte excitării electronilor. În cazul

structurilor asimetrice, ei oscilează pe traiectorii elicoidale. Absorbţia în vecinătatea

lungimii de undă de rezonanţă (o) va fi alta dacă sensul elicii traiectoriei este acelaşi

cu cel al elicii radiaţiei considerată în sensul de propagare1, sau în sens contrar. De

aceea DC se manifestă intens în domeniile benzilor tranziţiilor electronice. În funcţie

de lungimile de undă la care || are valori maxime se poate studia energetica

1 Trebuie notat că sensul rotirii elicii luminii circular polarizate, luată în sensul de propagare, este invers celui considerat uzual, adică atunci când privim spre sursă.

51

Page 52: Ghid Complet

legăturilor, iar graficul lui () dă informaţii asupra asimetriei distribuţiei

structurilor ce le conţin.

Fiecare bandă de DC este sensibilă atât la strucura macromoleculelor, cât şi la toţi

factorii care interacţionează cu tranziţiile electronilor din legături. (Fig. 6)

8.3. Rotirea planului luminii polarizate este rezultatul “activităţii optice” a unor

substanţe care au molecule asimetrice.

Activitatea optică se studiază, de obicei, în domenii spectrale îndepărtate de

benzile de absorţie ale substanţelor. Deci ea nu se datoreşte absorbţiei luminii ci se

explică prin vitezele de propagare diferită a radiaţiilor circular polarizate în sensuri

opuse.

Asimetria moleculară cea mai răspândită este cea datorită atomilor de carbon

asimetrici. În cazul macromoleculelor, asimetria se poate datora şi structurilor

secundare (elici rotite spre dreapta sau stânga) sau terţiare, când radicali simetrici se

plasează în medii asimetrice - cu câmpuri locale intense.

Rotirea planului luminii polarizate apare ca urmare a faptului că, în zonele

asimetrice, electronii execută mişcări pe traiectorii elicodale ce pot fi răsucite - fie

spre stânga, fie spre dreapta. Considerând că lumina plan-polarizată este compusă

din două componente circular polarizate în sensuri opuse, propagarea uneia va fi

favorizată faţă de cealaltă. Vitezele celor două componente într-un astfel de mediu

vor fi inegale şi, la ieşire, cei doi vectori electrici vor avea întârzieri diferite. În final,

rezultanta compunerii lor va fi rotită faţă de poziţia ce o avea la intrarea în mediu.

Activitatea optică a polimerilor diferă de cea a monomerilor din care provin şi

este posibil ca un polimer, datorită structurii sale, să aibă activitate optică fără a

conţine momomeri optic activi.

8.3.1. Dispersia optică rotatorie (DOR) este fenomenul de dependenţă a

unghiului de rotaţie specifică [](), de lungimea de undă, , a radiaţiei plan-

polarizate. Cu alte cuvinte, dacă un fascicol de lumină policromatică, polarizată,

străbate o probă, componentele monocromatice ale fascicolului le vom găsi rotite

fiecare cu un alt unghi (dispersate rotator).

Efectele rotatorii se manifestă până departe de lungimile de undă ale benzilor

de absorbţie. Deci acolo unde absorbţia luminii şi DC sunt absente.52

Page 53: Ghid Complet

Graficele DOR, ca şi cele DC, depind de asimetria locală a zonelor în care se

află electronii ce pot executa tranziţii. Scopul trasării lor este de a identifica şi

explora astfel de zone, interacţiunile dintre ele, sau susceptibilitatea lor la factorii de

mediu.

Principiul lucrării:

53

Page 54: Ghid Complet

Cu ajutorul luminii polarizate se pot determina rapid şi destul de exact, în laboratorul

clinic, concentraţiile unor soluţii ale căror substanţe au proprietatea de a roti planul de

polarizare al luminii. Substanţele care au această proprietate se numesc optic-active şi

se împart, în fucţie de sensul în care rotesc planul luminii polarizate, în: ‘levogire’,

cele care rotesc planul luminii polarizate înspre stânga, se notează cu semnul

minus;‘dextrogire’, cele care-l rotesc

înspe dreapta, se notează cu semnul

plus.

Proprietatea aceasta de a roti planul luminii polarizate se datoreşte structurii

asimetrice a substanţelor organice de obicei, conţinând unul sau mai mulţi atomi de

carbon aşezaţi asimetric (un atom de carbon cu cele patru valente satisfăcute de patru

radicali diferiţi).

În cazul soluţiilor preparate cu ajutorul unei substanţe optic active, unghiul cu

care va fi rotit planul luminii polarizate va depinde de următorii factori: de

concentraţia soluţiei,C deci de densitatea d a soluţiei, de grosimea stratului de lichid

străbătut de lumina polarizată x(dm), de lungimea de undă a luminii utilizate, precum

şi de temperatura soluţiei. Lumina polarizată se obţine cu ajutorul unui cristal

anizotrop care prezintă fenomenul de birefrigenţă.

54

Page 55: Ghid Complet

Totodată, unghiul cu care este rotit planul de polarizare mai depinde şi de natura

substanţei componente a soluţiei, caracterizată cu ajutorul mărimii [ ] care se mai

numeşte ‘unghi de rotaţie specifică’.

Deoarece rotaţia specifică variază cu temperatura şi cu lungimea de undă a

luminii, s-a convenit ca să se standardizeze pentru lumina galbenă a sodiului şi pentru

temperatura +20○C, această valoare standard notându-se cu [ ] . Deci o soluţie va

roti planul de polarizare al luminii cu unghiul şi care are valoarea:

=

formula care permite aflarea concentraţiei soluţiei studiate.

Aparatură

Aparatul cu ajutorul căruia se determină unghiul cu care este rotit planul luminii

polarizate se numeşte polarimetru şi este compus, în principiu, din următoarele părţi:

o sursă de lumină S, un nicol polarizator NP, un tub T în care se pune soluţia de

analizat, un nicol analizator NA mobil, care se poate roti la dreapta sau la stânga

(corespunzător substanţelor dextrogire sau levogire) şi care este cuplat la un

dispozitiv mecanic de citire a unghiului prevăzut cu un vernier circular sau ocular

D, în care observatorului îi apare câmpul ocular CO ce are o zonă verticală centrală

ZC. Nicolii sunt astfel construiţi încât raza ordinară RO care apare în urma

fenomenului de birefrigenţă să se reflecte total pe suprafaţa ce separă prismele

nicolului.

Fig.8.6 Schema polarimetrului.

55

Page 56: Ghid Complet

Fig. 8.7. Polarimetrul Polaris – părţi componente:

1. Ocular2. Lupa pentru citirea valorii unghiului de rotaţie3. Şurub de control4. Şurub pentru focalizare.5. Scala şi vernierul pentru citirea unghiului de rotaţie6. Compartiment în care se introduce tubul cu proba7. Filtru de sticlă8. Lampa de sodium9. Comutator de pornire – oprire.

56

Page 57: Ghid Complet

Mod de lucru:

În lucrarea de faţă vom studia concentraţia în glucoză a unor soluţii după formula

următoare:

C= în %

Pentru măsurarea unghiului α se procedeză astfel:

Se umple tubul T cu apă distilată astfel încât să nu conţină bule de aer şi se şterg

ferestrele de sticlă de la capetele tubului pentru ca imaginea să se vadă în bune

condiţii.

Se introduce apoi tubul în polarimetru şi se roteşte nicolul analizor cu ajutorul

şurubului micrometric până ce zona centrală ZC apare egal întunecată cu cele două

câmpuri laterale. Deci se lucrează în condiţiile extincţiei maxime ce se obţine atunci

când cei doi nicoli ai polarimetrului sunt aşezaţi ‘în cruce’.

Se citeşte unghiul iniţial, notat cu , cu o precizie de 0,05○ utilizând vernierul cu

care este prevăzut aparatul.

Se înlocuieşte apa din tub cu soluţia de analizat, se realizează prin rotirea şurubului

micrometric o iluminare uniformă a câmpului CO. Se citeşte noul unghi indicat de

aparat, notat cu .

Observaţie. Operaţiile de egalizare a câmpului şi de citire a unghiului se realizează

atât pentru soluţie cât şi pentru apă de cel puţin 5ori, în calcule luându-se media

valorilor unghiurilor, notate .

57

Page 58: Ghid Complet

Fig.8.8.a) Mersul razelor de lumina prin polarimetru când nicolii sunt aşezaţi ‘în cruce’.

b) Aspectul câmpului luminos observat prin polarimetru în fucţie de poziţia nicolului analizator în

raport cu cel polarizator.

58

a.

b. Nicoli paraleli Nicoli în cruce

x = 0,30 = 1,30

Fig. 8.9. Citirea unghiului cu ajutorul vernierului circular.

Page 59: Ghid Complet

Calcule şi prezentarea rezultatelor

Cunoscând valorile pentru unghiurile medii şi , se calculează unghiul cu care

roteşte soluţia planul luminii polarizate astfel:

Apoi, se calculează concentraţia procentuală a soluţiei, care în cazul de faţă este

glucoza pentu care [ ] = 52.8○.

La efectuarea calculelor se va ţine cont că în formula de mai sus, densitatea d este

măsurată în g/cm3 iar lungimea stratului de soluţie (a tubului ce o conţine) , x, este

exprimată în decimetri (dm).

Rezultatele obţinute se trec în tabelul următor:

Soluţia[ ]

x

(dm)

d

(g/cm3)

C

(g%)

Glucoza 52.8 1

9. MICROSCOPIA OPTICĂ

59

Page 60: Ghid Complet

9.1. Studiul microscopului optic.

Microscopul optic este utilizat atât în domeniul cercetărilor medicale cât şi în

analize uzuale de laborator. Acest instrument optic poate da imagini clare ale unor

formaţiuni celulare cu dimensiuni până la aproximativ 0,15 μm. Determinarea acestor

dimensiuni are o importanţă deosebită în explorările clinice şi de laborator. Cu

ajutorul microscopului optic se pot face analize ale lichidului cefalorahidian (LCR), a

urinii, a sângelui etc.

Exemplu: Departajând eritrocitele în funcţie de diametrul lor mediu, se obţine curba

Prince-Jones pentru sânge nomal, iar comparativ cu acesta se pot depista diferite

afecţiuni.

Instrumentele optice dau imagini clare, în care se pot distinge amănunte ce nu

pot fi observate cu ochiul liber.

Din punct de vedere tehnic un instrument optic este un asamblu de lentile,

oglinzi şi diafragme, axele optice ale prismelor trebuind să coincidă cu axul

geometric al instrumentului. În funcţie de natura imaginii, instrumentele optice se

împart în:

-instrumente optice cu imagini reale cum sunt ochiul, aparatul fotografic,

aparatul de protecţie;

-instrumente optice care dau imagini virtuale şi sunt folosite pentru

examinarea directă a obiectivelor; astfel de instrumente sunt: luneta, microscopul

optic, lupa.

Microscopul optic este destinat observării unor probe (frotiuri) a căror

dimensiuni pot atinge 0,15μm. Acest instrument are trei părţi principale: mecanică,

optică şi dispozitiv de iluminare.

9.2. Componentele unui microscop cu lumină transmisă

Principiul care stă la baza construcţiei oricărui microscop îl constituie

proprietatea lentilelor optice de a produce refracţia razelor luminoase care le

traversează, formând astfel o imagine reală sau virtuală. La microscopul optic,

obiectivul formează o imagine mărită, reală şi inversată specimenului. Ocularul preia

60

Page 61: Ghid Complet

această imagine şi o transformă într-o imagine mărită, virtuală şi dreaptă în raport cu

prima. Astfel, imaginea finală dată de microscop este virtuală, răsturnată şi mărită.

9.3.Componentele mecanice ale microscopului

Microscoapele optice moderne sunt alcătuite dintr-o parte mecanică ce

cuprinde: piciorul microscopului, măsuţa sau platina cu sistemele ei de deplasare a

preparatului şi tubul microscopului, care poate fi deplasat în plan vertical cu ajutorul

unor angrenaje.

Piciorul sau talpa microscopului, este o componentă care conferă stabilitate

aparatului. La microscoapele moderne talpa microscopului se află încorporată în

sursa de lumină.

Coloana sau mânerul- microscopul se articulează fix sau mobil cu piciorul.

Măsuţa sau platina, perpendiculară pe coloană, serveşte ca suport pentru

preparat. Acesta din urmă se imobilizează pe platină prin două lame metalice numite

valeţi sau cavaleri. Platina este prevăzută cu un dispozitiv special numit car mobil

care, acţionat de două şuruburi coaxiale, permite deplasarea fină a preparatului.

Tubul microscopului are la partea superioară ocularele, iar la partea

inferioară, revolverul cu obiectivele. La microscoapele moderne, în tubul optic se află

interpusă lupa binocular, care conţine un sistem de prisme pentru distribuirea

imaginii la cele două oculare.

Revolverul, format din două discuri metalice suprapuse, cel inferior mobil,

aduce prin rotirea obiectivului dorit în axul optic.

Dispozitivul de punere la punct a imaginii este alcătuit din viza macrometrică

care se foloseşte pentru prinderea grosieră a imaginii; iar viza micrometrică – prin

mişcări fine, permite clasificarea imaginii.

61

Page 62: Ghid Complet

Vizorul O biective Buton reglare fina imagine Buton pornit/ oprit Suportul Diafragma Baza de susţinere Corpul vizorului Obiective finale Suport prindere cu lamele Dispozitiv fixare imagine Buton reglare imagine Orificiu ( deschidere ) Braţ Sursa de lumina

Fig.9.3. Microscopul optic

9.4.Componentele optice

ale microscopului

Aceste componente

cuprind piese de calitatea

cărora depind performanţele ce pot fi obţinute în examinarea unui preparat. Această

componentă este alcătuită din oculare, obiective şi sistemul de iluminare.

Obiectivele sunt constituite dintr-un sistem de lentile care sunt destinate să

funcţioneze în imediata vecinătate a preparatului. Singura lentilă care formează

imaginea se află la partea inferioară a obiectivului şi se numeşte lentila frontală.

Distanţa dintre ea şi suprafaţa preparatului reprezintă distanţa frontală şi este cu atât

mai mică cu cât obiectivul folosit are o putere mai mare de mărire. Celelalte lentile

din obiectiv au rolul de a corecta aberaţiile optice produse de lentila frontală. În

general, obiectivele care se folosesc cel mai frecvent la microscoape au puterea de

mărire de: 6x, 10x, 20x, 40x, 60x, 90x, 100x, aceasta fiind gravată pe suprafaţa

cilindrului. Obiectivele au putere de mărire mai mică (până la 40x) se numesc

obiective “uscate” pentru ca mediul interpus între lentila frontală şi preparat este

aerul. Obiectivele cu putere mare de mărire (60x, 90x, 100x), cu care se lucrează

foarte aproape de preparat, se numesc obiective cu “imersie” deoarece spaţiul dintre

62

Page 63: Ghid Complet

lentila frontală şi preparat este ocupat de un lichid (ulei de cedru, glicerină, uleiul de

parafină) în care este imersat vârful apropiat cu al sticlei port preparat şi, prin

folosirea lor, se elimină în mare masură refracţia în afara suprafeţei lentilei frontale a

razelor de lumină care iluminează preparatul. Ca urmare imaginea observată va

câştiga în luminozitate şi claritate.

Fig.9.4.

Obiective şi

oculare.

Ocularele se află dispuse la partea superioară a lupei binocular, fiind formate

fiecare, din două lentile plan convexe ce formează o imagine mărită, dreapta şi

virtuală. Pentru observare se folosesc de obicei oculare cu putere mică de mărire

(7x,10x), deoarece rolul lor este de a distinge detaliile fine date de obiectiv şi mai

puţin de a mări această imagine.

Gradul de mărire a imaginii finale date de microscop poate fi modificat prin

schimbarea obiectivelor şi ocularelor şi se calculează făcând produsul dintre puterea

de mărire a ocularului şi a obiectivului.

Formula pentru grosisment şi putere de separare

Exemplu: ocular 10x; obiectiv 20x; marire: 20 X 10=200.

63

Page 64: Ghid Complet

Această valoare dă puterea de mărire totală sau grosismentul microscopului.

Sistemul de iluminare, la microscoapele moderne, se află încorporat în talpă şi

este reprezentat de un bec de 6V sau 12V. Tot aici se află şi un sistem special pentru

controlul fluxului în axul fluxului de lumină. Lumina este orientată în axul optic al

microscopului de către o oglindă plană dispusă oblic în dreptul unui orificiu care se

află sub platină. Înclinaţia oglinzii poate fi reglată cu două şuruburi. Sub platină,

prins de coloana microscopului se află condensorul, care are rolul de a concentra

razele de lumină într-un focar ce coincide cu planul preparatului. Unghiul luminii

care intră în condensor se reglează cu ajutorul diafragmei iris, dispusă în montura

condensorului, sub lentile. Condensorul poate fi ridicat sau coborât, cu ajutorul unei

vize dispusă sub platină.

9.5.Cum se prinde imaginea la un microscop optic obişnuit ?

Prinderea imaginii şi observarea sa la un microscop optic obişnuit se face

relativ simplu şi nu necesită cunoştinţe speciale de mecanică fină sau de altă natură.

Pentru evitarea unor eşecuri, inerente la un începător, precum şi a obţine o imagine

corectă şi apropiată calitativ de performanţele maxime ale aparatului, toate manevrele

trebuie să fie executate într-o anumită ordine:

1. Se aşează lama cu preparatul de cercetat pe platină şi se prinde cu valeţii.

Este foarte important ca lama să fie aşezată în aşa fel încât preparatul să fie orientat în

sus. În caz contrar nu se va putea prinde imaginea cu obiective mai mari de 40x.

2. Privind lateral se aduce preparatul în axul optic prin manevra carului mobil.

Axul optic coincide cu punctul de lumină dat de condensatorul ridicat în prealabil în

poziţia maximă. După efectuarea acestei operaţii, condensatorul se coboară la o

poziţie intermediară.

3.Se aduce obiectivul 10x în axul optic al microscopului prin rotirea

revolverului. Când obiectivul ajunge în ax, rotirea revolverului întâmpină o uşoară

rezistenţă. Este bine ca întotdeauna observarea unui preparat să înceapă prin folosirea

obiectivului 10x, deoarece acesta dă o imagine de ansamblu a preparatului, permiţând

totodată selectarea unei zone din preparat care urmează a fi observată apoi de măriri

mai mari.64

Page 65: Ghid Complet

4. Deşi imaginea nu a fost încă prinsă, se poate stabili în această etapă, distanţa

pupilară prin manevrarea lupei binocular.

5. Privind lateral, se coboară obiectivul până în poziţia inferioară. Aceasta se află

la câţiva mm de suprafaţa preparatului. Privind apoi în microscop, se ridică obiectivul

cu viza macrometrică până se prinde imaginea. Apoi, claritatea imaginii se reglează

prin manevra vizei micrometrice, iar gradul de luminozitate al câmpului se reglează

prin ridicarea sau coborârea condensorului.

6. Pentru observarea unor detalii ale preparatului, se introduce în axul optic un

obiectiv cu puterea de mărire mai mare. Pentru fiecare obiectiv imaginea se prinde

prin ridicarea acestuia faţă de preparat pentru a evita lovirea accidentală a lentilei

frontale de lama port preparat.

În cazul folosirii unui obiectiv cu imersie, se pune pe lamela care acoperă

preparatul o picătură de ulei de imersie şi se coboară apoi obiectivul până ce vârful

său atinge picătura. Această operaţie se face privind lateral. Imaginea se prinde apoi,

privind cu atenţie în microscop, prin coborârea foarte fină a obiectivului cu viza

macrometrică. Odată obţinută imaginea, claritatea se menţine prin manevra continuă

a vizei micrometrice. Pentru a avea o iluminare corespunzătoare, condensorul va fi

ridicat la maximum.

7. După încheierea observării, microscopul se lasă în repaus cu obiectivul 10x

în axul optic şi se acoperă pentru a fi ferit de praf. Se verifică dacă s-a efectuat

deconectarea de la reţeaua de curent electric.

În cazul întrebuinţării obiectivului cu imersie, acesta se şterge cu uleiul de

imersie prin trecerea degetului deasupra lentilei frontale. Periodic acest obiectiv se

curăţă cu o batistă de finet umezită într-o soluţie de alcool etilic-acetonă (1:1). Se va

evita folosirea în acest scop a hidrocarburilor (xilen, benzen, toluen) pentru ca aceasta

va dizolva răşina specială în care este montată lentila frontală a obiectivului.

Modul de lucru:

9.5. a) Etalonarea riglei gradate a ocularului. Microscopul este dotat cu o reţea

ajutătoare micrometrică gradată astfel încât pe porţiunea vizibilă cu ochiul liber

65

Page 66: Ghid Complet

gradaţiile reprezintă 0,1 respectiv 0,5 mm. Pe porţiunea centrală rigla este divizată în

zecimi de mm. Etalonarea riglei ocularului se face în felul următor: se vizualizează

concomitent atât reţeaua micrometrică de pe lamă cât şi rigla micrometrică a

ocularului astfel încât să se poată număra câte diviziuni de pe reţea corespund unei

singure diviziuni de pe riglă. Apoi cu o regulă de trei simplă se poate calcula care

este fracţiunea dintr-un mm care corespunde unei diviziuni de pe rigla ocularului.

9.5. b) Determinarea dimensiunii unor preparate. Odată ce a fost făcută

etalonarea riglei, reţeaua micrometrică ajutătoare poate fi înlăturată. În locul ei se

fixează pe măsuţa microscopului diverse preparate. Prima dată se încearcă

vizualizarea unui fir de păr, fixat cu o lamelă pe o lamă curată. Odată pusă la punct

imaginea, rigla ocularului se suprapune peste grosimea firului de păr numărându-se

câte diviziuni corespund acestei dimensiuni. Apoi, acest număr de diviziuni se

înmulţeşte cu valoarea aflată anterior prin regula de trei simplă, obţinându-se

dimensiunea în mm a grosimii firului de păr. Apoi se vizualizează alte preparate puse

la dispoziţie, fixate pe lame: ouă de parazit, preparate histologice.

Elementul

Studiat

Diviziuni

coresp.element.

reţelei

Valoarea unei

diviziuni

microm.

mm.

Diviziuni

coresp.dimensi.

preparatului.

Dimensiunea

preparatului.

mm

Dimensiunea

prepartului medie

mm

Ou de parazit 6,5 0,0307 3,5

3

4,5

0,1075

0,0921

0,1381

0,1128

Grosismentul- reprezintă raportul dintre tangenta unghiului sub care se vede

imaginea prin instrument şi tangenta unghiului sub care se vede obiectul atunci când

este privit cu ochiul liber sau altfel spus, raportul dintre diametrul aparent al imaginii

şi cel al obiectului aşezat la distanţa optimă de vedere clară δ-care pentru un ochi

normal are valoarea 25 cm.

sau G= Gob Goc

66

Page 67: Ghid Complet

Puterea separatoare sau de rezoluţie : este capacitatea microscopului de a

forma imagini distincte a două puncte vecine ale obiectului. Această mărime, depinde

de aberaţiile sferice şi de fenomenul de difracţie a luminii care traversează

instrumentul. Putem mări valoarea l/ε prin mărirea lui n, folosind observarea prin

imersie, în care între Ob (de 90X) şi probă se pune o picătură de ulei de cedru.

unde:

l/ε =putere separatoare

λ = lungime de undă a radiaţiei folosite

n = indicele de refracţie al mediului dintre Ob şi Oc.

u = unghiul de apertură, format de razele extreme.

n. sin u = apertură numerică, este înscris pe obiectiv alături de mărirea sa.

Modul de lucru:

Determinarea grosismentului şi a coeficientului micrometric.

Micrometrul obiectiv – este o lamă de sticlă pe care sunt gravate 100 de diviziuni pe

o distanţă de 1 mm, intervalul între două diviziuni succesive este de 0,01mm.

Micrometrul ocular - are forma unui disc cu diametrul egal cu cel al tubului în care

se introduce. Este confecţionat din sticlă pe care sunt gravate 100 diviziuni pe o

lungime de 1 cm, intervalul dintre două diviziuni succesive este egal cu 0,1 mm.

Pentru determinarea grosismetrului microscopic se procedează astfel:

se fixează lama micrometrului obiectiv pe măsuţa de lucru ; se introduce ştekerul micoscopului în bornele transformatorului, iar ştekerul transformatorului în priza de 220V;

se reglează iluminarea cu ajutorul diafragmei;

se introduce din mijlocul micrometrului ocular în dreptul obiectivului cu ajutorul şuruburilor cu care este prevăzută măsuţa microscopului;

alegem şi fixăm obiectivul cel mai mic (10X);

se apropie obiectivul de micrometru până la distanţă minimă fără a privi în ocular;

67

Page 68: Ghid Complet

ridicând lent obiectivul se caută imaginea diviziunilor micrometrului;

microscopul se pune la punct astfel încât în câmp să avem imaginea ambelor micrometre;

se roteşte ocularul până când cele două scări sunt paralele şi parţial suprapuse;

se măreşte contrastul prin ridicarea sau coborâre condensatorului (crescând contrastul va scădea puterea separatoare l/ε);

se aduce scala gradată a micrometrului obiectiv astfel încât capătul său să coincidă cu cel al micrometrului ocular;

se compară imaginea micrometrului obiectiv (mărită de ori) cu micrometrul ocular astfel încât n diviziuni ale micrometrului obiectiv să corespundă la m diviziuni ale micrometrului ocular.

Înlocuind valorile lui m şi n în relaţia:

Se calculează G microscop cu relaţia :G =

Se efectuează trei determinări pentru fiecare obiectiv (10X, 20X , 40X) rezultatele

trecându-se în tabel:

Tabelul 1

Ob. Nr.deter. n m G

10X

20X

40X

Pentru determinarea coeficientului micrometric se efectuează următoarele :

-se suprapune scala micrometrului ocular cea a obiectivului şi se citesc;

68

Page 69: Ghid Complet

numărul de diviziuni ale micrometrului obiectiv care se suprapun exact

peste un număr întreg de diviziuni ale micrometrului ocular.

numărul de diviziuni ale micrometrului obiectiv.

-se calculează coeficientul micrometric cu formula:

-se mai fac multe combinaţii de oculare şi obiective, iar rezultatele se trec în tabelul 2:

Tabelul 2 Obiectiv Ocular 5X Ocular 7X Ocular 10X

10X 20X 40X

9.6. Ochiul - un sistem optic complex.

Ochiul este pentru organismul uman un analizator cu ajutorul cǎruia analizǎm

mediul înconjurător. Analizatorul vizual este alcǎtuit din trei segmente :

segmentul periferic, reprezentat de ochiul propriu-zis şi anexele sale, segmentul

intermediar, reprezentat de fibrele nervoase care conduc excitaţiile vizuale la creier şi

segmentul cortical, situat în regiunea occipitalǎ a scoarţei creierului.

Globul ocular (ochiul) are forma unei sfere, care în partea din faţǎ are aplicatǎ o altǎ

porţiune sfericǎ cu razǎ mai micǎ, reprezentatǎ de corneea transparentǎ. În faţa

cristalinului se aflǎ irisul care are forma unei diafragme prevăzută cu o deschidere

numitǎ pupilǎ cu dimensiunea variabilǎ între 3 şi 7mm. În calota posterioarǎ este

situatǎ retina, o membranǎ nervoasǎ, alcătuitǎ din celule nervoase, celule de susţinere

şi celule pigmentare.

69

Page 70: Ghid Complet

Celulele nervoase sunt de 6 tipuri :

1. Fotoreceptoare cu conuri

2. Fotoreceptoare cu bastonaşe

3. Bipolare

4. Multipolare

5. Orizontale – neuroni de asociaţie cu dendrite şi axon

6. Amacrine – neuroni de asociaţie fǎrǎ dendrite cu un axon lung şi foarte ramificat .

Ca urmare a suprapunerii acestor tipuri de celule şi a sinapselor dintre ele, se pot

diferenţia 10 straturi ale retinei.etiutǎcla eratnemgip rolelulec la lec etse tarts lumirP

rolelulec lutarts etse aeliod la-ed leC .cinalem tnemgip niţnoc erac elulec nid

ǎpud etimun ,divid es un erac ,etazilaiceps esaovren elulec nid tiutăcla eraotpecerotof

.iţirefid ilauziv iţnemgip niţnoc eleşanotsab iş elirunoC .irunoc iş eşanotsab ,rol amrof

etaroloc ,enruid iiredev iirotpecer ǎtnizerper ,enaoilim 7-5 ed rǎmun nî ,elirunoC

nî csesǎg eS .(iroluc iş iilated pecrep)(aetul alucam) eneblag ietep lulevin al laiceps

aled aţnatsid ,iişor iinimul aerepecrep urtnep lunu ,irunoc ed irupit 3 ǎtsixE .mμ 5¸2

niţnoc elE .ǎrtsabla animul urtnep aeliert la iş izrev iinimul aerepecrep urtnep lutla

aţnezerp nî ǎzaezitetniser es iş iinimul aţnezerp nî enupmocsed es erac ǎnispodor

.A ienimativ

70

Page 71: Ghid Complet

Membrana limitantă externă, cel de-al treilea strat, este o reţea de prelungiri ale

celulelor gliale, ce înconjoară baza celulelor fotoreceptoare. Stratul granular extern

cuprinde corpii neuronali şi prelungirile celulelor fotoreceptoare. Stratul plexiform

extern reprezintă zona sinaptică dintre celulele fotoreceptoare şi neuronii bipolari.

Stratul granular intern este alcătuit din corpii neuronilor bipolari. Stratul plexiform

intern este zona sinaptică dintre neuronii bipolari şi neuronii multipolari. Stratul

neuronilor multipolari cuprinde corpul neuronilor multipolari. Stratul fibrelor optice

este format din axonii neuronilor multipolari. Ultimul strat al retinei, membrana

limitantă internă delimitează retina spre faţa sa externă. Fiecare celulă cu con face

sinapsă cu un singur neuron bipolar şi acesta cu un singur neuron multipolar. Mai

multe celule cu bastonaş fac sinapsă cu un singur neuron bipolar, iar mai mulţi

neuroni bipolari fac sinapsă cu un singur neuron multipolar.

71

Page 72: Ghid Complet

Fig.9.6.1.Arhitectura straturilor de celule fotoreceptoare.

Segmentul intermediar sau segmentul de conducere (calea optică) este format din 3

neuroni. Primii 2 neuroni, senzitivi, sunt reprezentaţi de protoneuron (bipolar),

72

Page 73: Ghid Complet

respectiv deutoneuronul (multipolar) din retină. Axonii deutoneuronului formează

nervul optic şi tractul optic.

Globul ocular este alcătuit dintr-o serie de medii transparente  :

a) umoarea apoasă (n=1,33), un lichid clar secretat de procesele ciliare fiind drenat

permanent de venele scleroticii (tunica externă- partea posterioară)

b) cristalinul este o lentilă biconvexă care este acţionat de muşchiul ciliar care îşi

modifică raza de curbură şi odată cu aceasta convergenţa (n є [1,33 ; 1,41])

c) umoarea sticloasă (corpul vitros) este o substanţă gelatinoasă situată în spatele

retinei (n=1,33).

Capacitatea cristalinului de a-şi modifica raza de curbură pentru ca să poată fi văzute

clar obiectele aflate la distanţe diferite poartă numele de acomodare la distanţă.

Pentru acomodare este necesară şi corectarea axelor oculare prin contracţia

musculaturii extrinseci a globului ocular. Un ochi standard (emetrop) are distanţele

obiect şi imagine diferite cu valorile f1=15,7mm şi f2=24,4mm. Există deci o

concordanţă perfectă între puterea de convergenţă a mediilor refringente şi lungimea

axului antero-posterior, ceea ce permite vederea clară, fără acomodare, a obiectelor

situate la o distanţă mai mare de 6m.

Fig.9.6.2. Formarea imaginii in ochiul emetrop.

73

Page 74: Ghid Complet

Distanţa minimă de vedere clară pentru un ochi standard este de 25cm, iar rezoluţia

ochiului (capacitatea de a distinge separat 2 puncte vecine) la această distanţă este de

75μm.Pentru ca un ochi normal să poată vedea imaginea obiectului fără efort de

acomodare aceasta trebuie să se formeze la o distanţă mai mare de distanţa minimă

de vedere clară de 0,25m- Punct Proximum. Ideal ar fi ca imaginea să se formeze la

distanţa maximă de 6m- Punct Remotum. În cazul în care puterea de convergenţă a

sistemului dioptric nu concordă cu lungimea axului antero-posterior, ochiul este

ametrop prezentând diverse defecte optice :

-miopie

-hipermetropie

-prezbiţie

-astigmatism

1. Miopia este un viciu de refracţie care constă în faptul că razele luminoase care vin

paralele de la infinit se întâlnesc într-un focar situat înaintea retinei. Acest viciu de

refracţie se corectează cu lentile divergente, care îndepărtează focarul până ajunge pe

retină.

2. Hipermetropia este un viciu de refracţie caracterizat prin aceea că razele paralele

venite de la infinit se reunesc într-un focar situat în spatele retinei. Acest viciu de

74

Page 75: Ghid Complet

refracţie se corectează cu lentile convergente, care apropie focarul până ajunge pe

retină.

3. Prezbiţia este un viciu datorat pierderii elasticităţii cristalinului, deci a posibilităţii

de acomodare a acestuia, care se instalează odată cu înaintarea în vârstă. Acest viciu

se corectează cu lentile a căror convergenţă variază continuu pe înălţimea lentilei

pentru acomodarea ochiului la diferite distanţe.

4. Astigmatismul este un defect optic ce se caracterizează prin faptul că raza de

curbură a cristalinului şi mai ales a corneei nu este aceeaşi în toate meridianele (nu

este omogenă).Razele care vin de la infinit nu se întâlnesc într-un focar unic, existând

focare pentru razele care cad pe meridianele orizontale şi focare pentru cele care cad

pe meridianele verticale. Defectul se corectează prin lentile cilindrice aşezate în aşa

fel încât să uniformizeze refracţia în toate meridianele corneei sau cristalinului.

75

Page 76: Ghid Complet

Pierderea vederii se numeşte cecitate şi are cauze multiple. Ea se poate datora unei

rupturi a corneei sau unei afecţiuni a cristalinului, care devine opac şi incapabil să

lase să treacă lumina. În alte cazuri cecitatea se datorează dezlipirii retinei, ca urmare

a unei lovituri sau faptului că celulele sale nervoase nu mai funcţionează corect.

Unele cazuri de cecitate se datorează unor factori externi. De exemplu, dacă nervii

optici sunt lezaţi, deşi se formează o imagine corectă pe retină, aceasta nu este

transmisă la creier. Un traumatism cranian suferit de o persoană poate distruge aria

vizuală a creierului, determinând orbirea persoanei respective, în ciuda faptului că

ochii acestuia funcţionează perfect.

Vederea cromatică

Retina conţine 2 tipuri de fotoreceptori (receptori vizuali) : conurile şi bastonaşele.

Bastonaşele sunt mult mai numeroase (130 milioane) şi sunt mai sensibile decât

conurile la intensitatea luminoasă ; însă nu sunt sensibile la culoare.

Cele 7 milioane de conuri conferă ochiului sensibilitatea la culoare. Acestea sunt

concentrate în partea centrală a petei galbene, numită fovea centralis (diametru

0,3mm). Se apreciază că acestea sunt distribuite ca sensibilitate pe culori în felul

următor : 64 % sunt conuri “roşii”; 32 % sunt conuri “verzi”; 2 % sunt conuri

“albastre”. Conurile “verzi” şi “roşii” sunt concentrate în fovea centralis, iar cele

“albastre” în exteriorul acestei regiuni. De aici rezultă o deosebire în modul cum se

disting culorile. Astfel, percepţia obiectelor albastre cu intensitate mare este mai slabă

decât a celor roşii sau verzi. Faptul că vedem culorile cu un efort comparabil este

atribuit unui ‘amplificator în albastru’ aflat în cicuitul de prelucrare din creier.

76

Page 77: Ghid Complet

Specializarea celor două tipuri de fotoreceptori din ochi conduce la o mulţime de

fenomene aparent ciudate. De exemplu, un căpitan de vas sau un pilot văd mai bine

noaptea, în întuneric, dacă aparatele de pe bord sunt luminate în roşu. Efortul lor de

acomodare este mai mic, ochiul utilizând tipuri diferite de fotoreceptori pentru

culoarea roşie (conurile) şi pentru lumina slabă (bastonaşele). Din studiile efectuate

asupra percepţiei imaginilor colorate în comparaţie cu cele alb-negru s-a evidenţat

faptul că în imaginile colorate ochiul detectează mai uşor marginile obiectelor şi

caracteristicile acestora. În imaginile alb-negru se pierde informaţia conţinută în

lungimea de undă a fiecărei culori. Din numeroase experimente efectuate cu diferiţi

subiecţi, cărora li se prezentau imagini colorate diferit şi li se cerea să le recunoască,

s-a ajuns la concluzia că ochiul omenesc poate distinge mii poate chiar milioane de

culori. O caracterisică importantă a vederii cromatice este faptul că prin diminuarea

intensităţii luminii care se reflectă pe un obiect colorat nu se modifică şi distribuţia

spectrală, adică distribuţia lungimilor de undă ale undelor reflectate de obiect şi apoi

percepute de ochi. Creierul primeşte pentru prelucrare aceleaşi informaţii, care sunt

legate de lungimea de undă a culorilor din imagine.

Dacă obiectul este cenuşiu, atunci el reflectă la fel toate lungimile de undă, conurile

de pe pata galbenă sunt toate impresionate la fel şi creierul nu reuşeşte să distingă

diferitele puncte de pe suprafaţa obiectului. Dacă obiectul este colorat de exemplu, in

roşu şi albastru, el reflectă din lumina incidentă cu predilecţie componenta roşie şi pe 77

Page 78: Ghid Complet

cea albastră, ceea ce face să fie impresionate doar conurile specializate pentru aceste

culori şi creierul reuşeşte să prelucreze uşor informaţia primit.Toate proprietăţile

vederii cromatice sunt azi utilizate în domeniul publicităţii, în televiziune,

cinematografie, modă etc.

Fotometria

Fotometria se ocupă cu măsurarea energiei transportată de undele electromagnetice

din domeniul optic. Radiaţiile electromagnetice din domeniul vizibil dau senzaţia de

lumină şi în acelaşi timp transportă energie. Într-un sens mai îngust, fotometria se

ocupă cu măsurarea efectului radiaţiilor din domeniul vizibil asupra ochiului

omenesc. Astfel, se definesc două categorii de mărimi şi unităţi de măsură :

fotometrice şi energetice. Pentru caracterizarea transportului de energie de către

lumină se definesc mărimile energetice :

- flux de energie radiantă - intensitate energetică- iluminare energetică

Pentru definirea mărimilor energetice trebuie să definim sursa de lumină

punctiformă, care este o sursă ce emite într-un mediu omogen şi izotrop, cu suprafaţa

de undă sferică.

Fluxul de energie radiantă Φe se defineşte ca energia care străbate o suprafaţă

oarecare, normală pe direcţia de propagare a razei de lumină, în unitatea de timp,

adică : Φe = W / t care are unitatea de măsură wattul.

Intensitatea energetică a unei surse punctiforme este fluxul de energie radiantă

emis în unitatea de unghi solid, adică :

Ie = dΦe / dΩ , unde dΩ= unghiul solid elementar (1)

Intensitatea energetică se măsoară în W/steradian. Unghiul solid este o porţiune din

spaţiu conţinută într-o cavitate a unei suprafeţe conice. El se măsoară ca raportul

dintre aria tăiată de con pe suprafaţa unei sfere cu centrul în vârful conului şi pătratul

razei sferei. Unghiul solid elementar taie o arie elementară dA pe suprafaţa sferei,

astfel: dΩ = dA / r2.

78

Page 79: Ghid Complet

Unitatea de măsură este steradianul (sr) definit ca fiind unghiul sub care se vede din

centrul unei sfere o arie de pe suprafaţa sferei egală cu raza la pătrat.

Iluminarea energetică a unei suprafeţe este egală cu fluxul de energie radiantă care

străbate unitatea de arie a suprafeţei transversale, adică :

Ee = dΦe / dAn (2)

care are unitatea de măsură W / m2 .

Dacă eliminăm fluxul de energie radiantă între relaţiile 1) şi 2) vom obţine o relaţie

între iluminarea energetică a unei suprafeţe şi intensitatea energetică a unei surse

punctiforme sub forma :

Ee = Ie / r2 (3)

Dacă fasciculul cade sub incidenţă oblică, astfel încât axa conului care delimitează

unghiul solid este înclinată faţă de normala la suprafaţă cu unghiul α, în relaţia (3)

apare proiecţia pe direcţia normală la suprafaţă definită de versorul n, adică expresia

se înmulţeşte cu cos α :

Ee = ( Ie / r2 )·cos α

79

Page 80: Ghid Complet

Efectul luminii din domeniul vizibil asupra ochiului depinde în afară de

caracteristicile fizice ale luminii (densitatea de energie, frecvenţa) şi de sensibilitatea

diferită a ochiului la frecvenţe diferite ale luminii. Din măsurători fotometrice

efectuate s-a constat că ochiul omenesc are sensibilitatea maximă la frecvenţele din

mijlocul spectrului vizibil, adică în verde. S-a convenit să se considere că

sensibilitatea ochiului este maximă pentru λ = 550nm. Aceasta înseamnă că pentru a

obţine un anumit efect luminos asupra ochiului, la această lungime de undă este

necesar cel mai mic flux de energie radiantă. Pentru a caracteriza sensibilitatea

ochiului la diferite culori se defineşte sensibilitatea spectrală a ochiului (eficienţă

luminoasă) Vλ , care este egală cu raportul dintre fluxul de energie radiantă Φe0 care

produce o anumită senzaţie luminoasă la λ = 550nm şi fluxul de energie radiantă Φe

care produce aceaşi senzaţie luminoasă la altă lungime de undă λ, adică :

Vλ = Φe0 / Φe

Dependenţa de lungimea de undă a funcţiei Vλ este diferită ziua şi noaptea.

Dependenţa nocturnă are un maxim deplasat spre albastru. Cu ajutorul mărimii V λ se

poate trece de la definirea mărimilor fotometrice. Efectul radiaţiilor asupra ochiului

se caracterizează prin următoarele mărimi fotometrice :

- fluxul luminos

- intensitatea luminoasă

- iluminarea 80

Page 81: Ghid Complet

Fluxul luminos este mărimea fotometrică corespunzătoare mărimii energetice fluxul

de energie radiantă Φe şi se defineşte ca produsul :

Φ = k·Vλ ·Φe, k = constantă numită echivalent fotometric

al radiaţiei.

Unitatea de măsură pentru fluxul luminos este lumenul ( lm ). Astfel, echivalentul

fotometric al radiaţiei are valoarea k = 683 lm/w.

Intensitatea luminoasă a unei surse punctiforme este fluxul de energie luminos

emis în unitatea de unghi solid, adică :

I = dΦ / dΩ

Intensitatea luminoasă este mărime fundamentală pentru mărimile fotometrice în

sistemul internaţional de unităţi (SI). Unitatea de măsură este candela (cd), fiind egală

cu intensitatea luminoasă într-o direcţie dată a unei surse care emite radiaţie

electromagnetică monocromatică cu frecvenţa de 540·1012 Hz şi cu intensitatea

energetică în acea direcţie egală cu 1/683 (W/sr). Suprafaţa unei sfere se vede din

centrul acesteia sub un unghi solid egal cu 4π. Astfel, fluxul luminos emis de o

sursă în toate direcţiile cu aceaşi intensitate luminoasă este egal cu :

Φ = 4π·I

Iluminarea unei suprafeţe este egală cu fluxul luminos care străbate unitatea de arie a

unei suprafeţe transversale, adică :

E = dΦ / dAn = ( I / r2 )·cos α

Unitatea de măsură pentru iluminare este luxul (lx). 1 lx = 1 lm/m2. Se mai utilizează

şi unitatea tolerată phot (ph), care este egal cu 1 lm/cm2, astfel că 1 lx = 104 ph.

81

Page 82: Ghid Complet

10. SPECTROFOTOMETRIE

ABSORBŢIA ŞI EMISIA RADIAŢIILOR DE CĂTRE MOLECULE

10.1. Energia moleculelor şi posibilităţile de modificare a ei

prin absorbţia radiaţiilor electromagnetice

Spre deosebire de atomi, la care mecanismul curent de absorbţie şi de emisie a

radiaţiilor este cel de tranziţie a electronilor între diferitele nivele energetice,

moleculele îşi pot schimba energia şi datorită: mişcării de vibraţie a atomilor la

capetele legăturilor prin care sunt fixaţi, sau prin variaţia energiei cinetice de rotaţie

a moleculei.

Tranziţiile electronice, în cazul moleculeleor şi macromoleculelor, se fac

între nivele energetice ale orbitalilor moleculari de legătură şi antilegătură.

Diferenţele energetice (Ete) dintre aceşti orbitali corespund unor lungimi de undă

plasate în domeniile ultraviolet (UV) şi vizibil (VIS). Fiecare tip de legătură are

tranziţii electronice în domenii spectrale care permit identificarea ei.

Vibraţia se poate face în două feluri: în lungul legăturilor (când are loc

întinderea şi comprimarea lor) sau perpendicular pe legături (când se produc

modificări ale unghiurilor dintre acestea). Ca şi energia electronilor, energia cinetică

a fiecărui mod de vibraţie este cuantificată, cu ajutorul unui număr cuantic, v =

0,1,2,3.... Diferenţa energetică (Ev) dintre două nivele de vibraţie este constantă, iar

cuantele absorbite în acest caz se află în domeniile de infraroşu (IR) - apropiat sau

mijlociu.

Întrucât nu există atom legat care să nu vibreze, energia moleculei pe nivelul de

vibraţie cel mai scăzut, cu v = 0, este totdeauna superioară unui nivel energetic

electronic -Fig.10.1.

82

Page 83: Ghid Complet

Rotaţia moleculelor poate produce acumulare de energie cinetică, de

asemenea cunatificată.

Numărul cuantic de rotaţie, r

= 0,1,2,3... cuantifică

momentul cinetic de rotaţie şi

energia corespunzătoare.

Întrucât există molecule care

nu se rotesc, primul nivel de

rotaţie (r = 0) se suprapune

peste primul nivel de vibraţie

- Fig.1. Diferenţele energetice

datorită rotaţiei (Er) sunt şi

mai reduse, cuantele

corespunzătoare fiind în IR

îndepărtat.

Influenţa agitaţiei termice.

Întrucât energia cinetică de agitaţie termică, pe mol, este de ordinul RT (constanta

gazelor x temperatura absolută) adică 2,5 Kcal/mol, o proporţie mare dintre molecule

se vor afla pe unul din nivelele energetice de rotaţie, iar o fracţiune redusă pe unul

din nivele de vibraţie. Rezultă că, în echilibru termodinamic, populaţia de molecule

se va afla distribuită pe o multitudine de nivele energetice foarte apropiate între ele.

10.2. Absorbţia energiei de către molecule, spectre moleculare

Moleculele şi macromoleculele pot absorbi radiaţii electromagnetice, cuante de

energie h. Energia primită modifică prin unul sau mai multe din mecanismele de

mai sus energia moleculei absorbante. Pentru o cuantă din domeniul UV-VIS va fi

adevărata egalitate:

hEte + Ev + Er

83

Page 84: Ghid Complet

Întrucât nivelele între care se face tranziţia, pot avea stări de vibraţie şi/sau de rotaţie

diferite, rezultă că, pentru o tranziţie între aceleaşi nivele electronice, cuantele

absorbite pot avea energii diferite. (Fig.10.1). Spectroscopic fenomenul se traduce

prin apariţia unui număr corespunzător de linii, apropiate între ele, grupate în bande

sau benzi spectrale.

Liniile care compun benzile de absorbţie moleculară pot fi distinse numai în cazul

moleculelor izolate, aflate în stare gazoasă. Pentru moleculele dizolvate, cum sunt

macromoleculele biologice, interacţiunea cu solventul face ca liniile din bezi să nu

mai pot fi distinse.

10.3. Emisia radiaţiilor de către macromolecule, luminescenţa

Posibilitatea de aducere a macromoleculelor în stare excitată

Pentru a emite radiaţii, un atom sau moleculă trebuie să se găsească pe un nivel

energetic superior (într-o stare excitată), radiaţia fiind emisă la trecerea pe un nivel

energetic inferior.

Energia necesară excitării poate fi termică (substanţe aduse la incandescenţă),

electrică (descărcări în gaze), chimică sau radiantă (excitarea radiativă). Excitarea

radiativă, prin absorbţie de cuante, este modul curent de a aduce moleculele în soluţie

într-o stare în care sunt capabile să emită radiaţii.

Dezexcitarea moleculelor

În afară de dezexcitarea prin emisie de radiaţii (tranziţie radiativă) o moleculă

poate trece pe un nivel energetic inferior prin tranziţii neradiative. Tranziţiile

neradiative se explică prin convertirea energiei în alte forme, cum sunt energia

chimică, electrică sau mecanică de agitaţie termică. În acelaşi lanţ de procese ce

însoţeşte revenirea unei molecule la starea de energie joasă se întâlnesc ambele tipuri

de desexcitări. (Fig.10.2.)

84

Page 85: Ghid Complet

Luminescenţa este

fenomenul de emisie a unor

radiaţii de lungime de undă mai

mare (frecvenţă şi energie mai

reduse), în comparaţie cu cele

ale radiaţiilor pe care substanţa

le-a absorbit. Ea reprezintă

modalitatea curentă de emisie a

radiaţiilor de către moleculele

aflate în soluţie, la temperaturi

obişnuite.

Faptul poate fi uşor explicat dacă ţinem cont că între excitarea radiativă (în care

molecula absoarbe cuanta cu energia habs) şi dezexcitarea radiativă (în care emite

cuanta hemis) au loc una sau mai multe dezexcitări neradiative, în care molecula

comunică sistemului (de obicei solventului) o cantitate de energie termică, En.

Legea conservării energiei se va scrie:

habs = hemis + En

Este evident că energiile cuantelor emise sunt mai reduse decât cele ale celor

absorbite.

După natura stării intermediare de pe care se face dezexcitarea radiativă,

luminescenţa poate să se producă în două moduri: fluorescenţă şi fosforescenţă.

(Fig.10.2.)

Fluorescenţa apare atunci când, după dezexcitarea neradiativă, electronul îşi

păstrează spinul de sens opus perechii sale, rămasă pe nivelul energetic inferior (stare

singlet). Timpul de viaţă, , al electronului în această stare este extrem de scurt, =

10–9 ... 10–3 s. După acest interval de timp, toţi electronii au revenit pe nivelele

inferioare. Practic, fenomenul durează numai cât timp durează excitarea radiativă.

Excitarea este realizată cu radiaţii care corespund unei benzi de absorbţie intensă

a substanţei. Indiferent de lungimea de undă aleasă pentru excitare, datorită

85

Page 86: Ghid Complet

multitudinii nivelelor de vibro-rotaţie ale populaţiei de molecule, lumina emisă se

distribuie într-o bandă.

Fluorescenţa este produsă de majoritatea macromoleculelor aflate în soluţie. În

cazul proteinelor, responsabili de producerea fluorescenţei sunt radicalii aromatici ai

unor aminoacizi (Phe, Tyr, Trp), iar în cazul acizilor nucleici toate bazele azotate.

Fosforescenţa se produce dacă pe nivelul intermediar, de pe care revine,

electronul excitat se află cu spinul în acelaşi sens cu cel al electronului rămas pe

nivelul inferior (stare triplet). Timpul de viaţă al electronului în această stare poate fi

mult mai lung, = 10–3 s ... ore. Înseamnă că substanţele fosforescente, conţinând o

multitudine de electroni excitaţi, continuă să emită lumină încă mult timp după ce a

încetat iluminarea care a produs excitarea.

Întrucât fosforescenţa poate avea loc numai în stare solidă, ea nu şi-a găsit

aplicaţii în studiul biomacromoleculelor.

10.4. Studiul macromoleculelor prin spectroscopie de absorbţie

Măsurarea absorbţiei radiaţiilor de către o substanţă

Absorbţia se exprimă cantitativ cu ajutorul extincţiei (E) numită şi absorbanţă

(A). Ea exprimă gradul de atenuare a unui fascicol de luminos după străbaterea unui

strat de substanţă ce conţine molecule absorbante.

La trecerea unui fascicol luminos de o anumită lungime de undă λ, printr-un strat de

substanţă cu grosimea dx, el va fi absorbit conform legii :

-dI= K I dx, dI= I – I0,

Unde I este intensitatea fascicolului după ce a străbătut stratul absorbant, dI este

variaţia elementară a intensităţii, K este constanta de absorbţie a mediului pentru

lumina cu lungimea de undă λ.

86

Page 87: Ghid Complet

Extincţia, datorată unui component din soluţie, creşte linear cu concentraţia lui

molară, C, şi cu grosimea stratului de soluţie străbătut, x :

E = C x (legea Lambert şi Beer)

se numeşte coeficient molar de extincţie şi, pentru scopuri biologice, unitatea

curentă este de M–1.cm–1, exprimată uneori ca litri/mol.cm . Valoarea lui nu depinde

decât de natura absorbantului şi de lungimea de undă la care a fost măsurată. Se

poate demonstra că :

E = lg I0 / I = lg T, unde T este gradul de transmisie al luminii, adică

T = I / I0 sau T(%) = I /I0 . 100.

Spre exemplu, valoarea extincţiei unui fascicol luminos a cărui intensitate scade de

10 ori faţă de cel incident pe suprafaţă, va fi E=1.

Se numeşte curbă caracteristică de absorbţie, sau spectrul de absorbţie al

substanţei, graficul dependenţei coeficientului molar de extincţie de lungimea de

undă: = ().

Informaţiile oferite de curba caracteristică de absorbţie privesc: a) tipurile

legăturilor şi energetica lor (prin lungimile de undă la care se plasează maximele de

absorbţie) şi b) abundenţa grupărilor sau legăturilor absorbante (prin valorile

coeficienţilor de extincţie). Ea este determinată de natura moleculei (compoziţie,

structură) şi depinde de interacţiunile (intra- sau intermoleculare) pe care le are

molecula sau părţi ale ei.

Selectarea lungimilor de undă potrivite pentru determinarea concentraţiilor prin

măsurători de extincţie se face utilizând monocromatoare. Lungimea de undă la care

se fac determinările se alege astfel încât substanţa de determinat să prezinte

absorbanta maximă iar ceilalti componenţi ai amestecului să absoarbă cât mai puţin

I0

dx

x

I

87

Fig.10.3. Scăderea intensităţii fascicolului luminos la trecerea printr-un strat de substanţă cu grosimea x

I =I0 e –k x

Page 88: Ghid Complet

(sau deloc). Trebuie menţionat că toate corpurile apar colorate în culoarea

complementară radiaţiilor absorbite, deci pentru a obţine extincţia maximă pentru o

soluţie de o anumită culoare, trebuie ales un filtru de culoare complementară acesteia

(vezi diagrama de mai jos).

Fig.10.4. Diagrama culorilor complementare

Grupările cromofore reprezintă grupări de atomi, legate prin interacţiuni chimice

sau fizice, şi care au benzi de absorbţie caracteristice.

Absorbţia în ultraviolet şi vizibil se datoreşte grupărilor cromofore reprezentate de

legăturile covalente. Cromo-for înseamnă “purtător de culoare”. Culoarea observată

la o soluţie străbătută de lumină albă, se datoreşte radiaţiilor pe care moleculele ce o

compun le lasă să treacă (nu le absoarbe).

Legătura simplă, C–C, absoarbe sub 160 nm, dar studiile la < 180 nm sunt

imposibile în soluţie apoasă, întrucât şi legăturile covalente ale apei absorb puternic

în acest domeniu.

Legăturile duble absorb între 180 şi 300 nm prin tranziţiile electronice între orbitalii

şi *.

88

Page 89: Ghid Complet

Dublele legături conjugate ale ciclurilor aromatice (aminoacizi ca Phe, Tyr, Trp),

sau ale heterociclurilor bazelor

azotate (purinice şi

pirimidinice), au câte o bandă

de absorbţie intensă între 230

şi 300 nm. Deplasările

lungimilor de undă ale

maximelor, şi variaţiile

coeficienţilor molari de

extincţie ai radicalilor, servesc

la studiul structurii şi a

interacţiunilor cu agenţii de

mediu: forţa ionică, pH-ul, temperatura.

Legăturile pepetidice (având craracter de dublă legătură) absorb într-o bandă cu

două maxime: unul mai exprimat, la 200 nm, şi altul mai redus, la 225 nm. Spectrele

lanţurilor polipeptidice, dacă acestea adoptă o structură secundară definită, au

particularităţi caracteristice ale spectrului de absorbţie (Fig.10.5).

89

Page 90: Ghid Complet

Metaloproteinele, ca şi compuşii ce conţin radicali aromatici policiclici şi sisteme

de duble legături conjugate absorb în domeniul vizibil.

Prima categorie include compuşii metalelor tranziţionale, iar pentru a doua se pot cita

flavo-proteinele. Proteinele heminice (hemoglobina - Fig.10.6. - şi citocromii) au

spectre caracteristice datorate, pe de o parte, nucleului conjugat tetrapirolic şi, pe de

altă parte, prezenţei ionilor de fier. Cuprul, determină spectrele ceruloplasminei

plasmatice, citocrom-oxidazelor mitocondriale sau al hemocianinei (transportorul de

oxigen din sângele unor nevertebrate).

Absorbţia în infraroşu, în condiţii apropiate de cele biologice, are loc datorită

vibraţiilor moleculare, fiindcă, aşa cum s-a văzut, în soluţie stările rotaţionale pure

nu pot exista. Domeniul spectral în care se lucrează este IR apropiat şi mediu.

În cazul vibraţiilor longitudinale ale legăturilor marginale, de exemplu, se cunosc

lungimile de undă ale maximelor de absorbţie. Dacă atomii acestora participă la punţi

de hidrogen se produc deplasări caracteristice, în sensul creşterii lungimilor de undă.

(Tabelul. 1)

Tabelul 1 : Poziţiile maximelor de absorbţie pentru vibraţiile longitudinale ale unor legături

LEGATURA Lungimea de undă Lungimea de undă

în lipsa legăturii de H în prezenţa legăturii de H

—O–H 2,75 m 3,00 m

—N–H 2,95 m 3,10 m

—S–H 3,90 m 4,00 m

—C=O 5,90 m 6,05 m

Soluţiile apoase nu sunt propice studiilor în infraroşu datorită celor două benzi de

absorbţie intensă ale apei (în jurul a 3,1 m şi 6,1 m). Legăturile de hidrogen, care

de pot studia uşor în solvenţi neapoşi, nu pot fi studiate în apă.

90

Page 91: Ghid Complet

10.5. DESCRIEREA SPECTROFOTOMETRULUI UV-VIS SP-8001 METERTECH

91

Page 92: Ghid Complet

Parametrii tehnici

Domeniul de măsurare: 200-1100 nmLăţime de bandă: 2 nmPrecizia lungimii de undă: 1 nmMonocromator: split beam (rază divizată)Reproductibilitate: 0.2 nmDomeniul fotometric: - 0.300-3.000 AbsPrecizia fotometrică: 0.005 % la 1.000 AbsStabilitate (drift): < 0.0003 Abs / oră la 500 nm

(după 1 oră de încălzire)Stabilitate baseline: 0.002 Abs (între 210-1000 nm)Lumina împrăştiată: < 0.05% la 340 nm şi 220 nmSursă de lumină: lampă deuteriu (UV) şi lampă halogen (VIS)Schimbare sursă de lumină: automatDetector: două fotodiodeViteză de înregistrare spectru: 100-5000 nm/minDrum optic: schimbabil între 10-100 mm Afişaj: LCD cu iluminare din spate, contrast reglabilIeşiri semnal: port serial şi paralel Alimentare / siguranţe: 100/120/220/240 V ~ 50/60 Hz

siguranţe: T 2A 220/240 V, T 4A 100/120 VAmbient / umiditate: temperatura camerei: 15-30°C, umiditate < 80%Dimensiuni: 506 mm x 430 mm x 220 mm. Masa: ~18 kg

Moduri de măsurare: la lungime de undă fixă, înregistrare de spectru, măsurare în timp la o lungime de undă, măsurare cantitativă, cinetică simplă.

92

Page 93: Ghid Complet

ELEMENTE DE COMANDĂ

Comanda spectrofotometrului, introducerea parametrilor de măsurare precum şi vizualizarea rezultatelor se face cu ajutorul butoanelor tastaturii protejate cu folie. Se pot observa următoarele grupuri:

Taste funcţii: F1-F5, selectarea unei funcţii de pe afişajTaste numerice:

cifre, punct zecimal, semnul minus

λ : introducerea lungimii de undă doriteCLEAR: ştergerea valorilor nedoriteESC: întoarcere dintr-o fereastră în cea precedentă, sau întoarcere de la o

operaţie la un nivel superior de meniuENTER: validarea datelor sau operaţiilor introduseREAD: pornirea măsurătorii conform parametrilor setaţiAUTO ZERO: corecţie blanc, setează valoarea fotometrică la 0 ABS (100%T)Săgeţi: deplasarea cursorului prin lista parametrilorCELL ▲ deplasare schimbătorului de cuve înainte cu o poziţieCELL ▼ deplasare schimbătorului de cuve înapoi cu o poziţieQUICK RUN: la apăsarea tastei apare lista tuturor fişierelor salvate cu parametrii

de măsurare, indiferent de modulde lucru; alegând de aici, se ajunge imediat în modul de lucru corespunzător

PORNIRE ŞI FUNCŢIONARE: Ne asigurăm că în incinta de lucru nu este nici o cuvă. Se închide capacul incintei, se porneşte aparatul. Pe afişaj vor apărea următoarele mesaje:

93

Page 94: Ghid Complet

12:00:00

Metertech Metertech Inc. SP- UV/VIS All rights reserved Version 1.0

Detect Initial System.....

Aparatul va executa un autotest, va aprinde lămpile şi va recunoaşte accesoriile opţionale, dacă ele există, toate acestea în mod automat. După iniţializare va fi afişată fereastra meniului principal. De aici se poate alege din şapte (şase) opţiuni.

12:00:00

System Main Menu

1.Photometric 2.Spectrum 3.Timescan 4.Kinetic 5.Quantitative 6.System Setup

Select Number:1

Quick SampleRun Control 94

Page 95: Ghid Complet

Alegerea se face prin tastarea numărului corespunzător sau prin deplasarea benzii luminoase (hightlight) urmate de apăsarea tastei ENTER. Pe partea de jos a afişajului mai sunt două opţiuni, dintre care "Sample Control" are sens doar în cazul utilizării unui suport multicell (multicuvă), iar cu tasta F1 de sub "Quick Run" se poate intra în meniul de fişiere, ca şi cu ajutorul tastei QUICK RUN. Parametrii de bază ai spectrofotometrului se pot seta din submeniul 6, "System Setup". Opţiunile din acest submeniu se aleg prin tastarea numărului corespunzător urmată de apăsarea tastei ENTER.1. Setup clock: pentru setarea datei şi orei.

2. Setup lamp: aici putem vedea nivelul de energie a lămpilor, putem opri lămpile individual, totodată aici putem reseta la zero orele de funcţionare a lămpilor, după înlocuirea cu una nouă.

3. Setup printer: pentru alegerea tipului potrivit de imprimantă.

4. Setup RS-232: pentru setarea portului serial.

5. Setup hardware: se pot seta trei parametri de bază: lungimea de undă la care se comută sursa de lumină la trecerea din VIS în UV. În cazul în care lungimea de undă de măsurare coincide cu cea de comutare a sursei de lumină setată de producător (363 nm), se recomandă modificarea acestei valori în intervalul 330 şi 365 nm. Switch to..... comutare între accesorii şi single cell. Scan base line..... dacă este setată pe ON, după pornire, aparatul măsoară automat un baseline.

6. Measure bandwidth: Pentru măsurarea lăţimii de bandă se apasă tasta READ. Va fi înregistrat spectrul lămpii UV. Dacă aparatul este bine calibrat, atunci va rezulta un vârf în jurul valorii de 656.1 nm, iar lăţimea de bandă va fi sub 2 nm. Rezultatul poate fi tipărit apăsând tasta de sub "Print Data".

7. Measure baseline: apăsând ENTER, se va măsura un baseline.

8. Search zero point: măsurare în poziţia de zero, pentru test hardware.

EFECTUAREA MĂSURĂTORILOR ÎN DIFERITE MODURIa) MĂSURARE LA LUNGIME DE UNDĂ FIXĂEste un mod de măsurare simplu, la lungime de undă fixă. Se porneşte din meniul principal, alegând punctul 1. Apare fereastra Photometric Parameter setup. Deplasându-ne cu ajutorul săgeţilor, putem selecta parametrii doriţi pentru setare sau editare. Avem posibilitatea de a încărca şi seturi de parametri de la măsurători anterioare, prin apăsarea tastei funcţie F1, de sub afişaj. Cu tasta F2 se salvează, cu F3 se tipăresc parametrii. Pot fi setaţi următorii parametri de măsurare:

Input the Number of λ:

stabilirea numărului de lungimi de undă de măsurare (1-5); după apăsarea tastei ENTER se dau valorile lor.

Measure Mode: alegerea modului de măsurare: ABS-absorbanţă, %T-

95

Page 96: Ghid Complet

transmitanţă, Conc.-concentraţie.Cycle Number: specificarea numărului ciclurilor de măsurare (1-999)

pe aceaşi probă. Un ciclu înseamnă câte o măsurare la fiecare lungime de undă din listă.

Cycle Interval (sec): timp de aşteptare (1-999 sec) între cicluriPrint Every Cycle: Dacă se setează pe Yes, rezultatele se tipăresc după

fiecare ciclu.

După setarea tuturor parametrilor, se recomandă salvarea lor într-un fişier. După apăsarea tastei F2, apare un careu cu litere. Selectarea unei litere are loc prin deplasarea cu ajutorul săgeţilor pe linia care o conţine, urmată de apăsarea numărului corespunzătoare coloanei în care se găseşte ea.După completarea numelui se apasă tasta ENTER, apoi cu ajutorul săgeţilor ne deplasăm pe o linie goală şi se apasă din nou ENTER; fişierul este salvat. Se pot salva câte 15 fişiere pentru fiecare mod de măsurare. Atenţie! Aparatul va suprascrie fără întrebare fişierele cu acelaşi nume!!După introducerea parametrilor se apasă tasta F5, apare un tabel gol, şi fotometrul se poziţionează pe prima lungime de undă din listă.A se urmări întotdeauna mesajele din partea de jos a afişajului, operaţiile acelea trebuie efectuate.

12:00:00 PHOTOMETRIC 500.0nm

Parameter Setup

1.Input the Number of :1 1 :500.0

2.Measure mode :ABS Have unit(Yes/No)? :Yes Unit : Factor(default=1) :1.000 3.Cycle number :1 4.Cycle interval(sec) :0 5.Print every cycle :No

Number from 1 to 5...Load Save Print Sample NextParam Param Data Contro Screen

96

Page 97: Ghid Complet

Pentru a ţine cont de valoarea blancului, se aşează cuva goală sau umplută cu solvent în suportul de cuve şi se apasă tasta AUTO ZERO.

12:00:00 PHOTOMETRIC 550.0nm

400.0 450.0 500.0 550.0

NoABS1 ABS2 ABS3 ABS4

1 0.855 1.223 1.501 1.802

2 0.855 1.224 1.502 1.803

3 0.854 1.223 1.502 1.801

4 0.855 1.224 1.503 1.803

5 0.854 1.223 1.501 1.802

Press READ when ready...Print PrevData Screen

Măsurarea porneşte după apăsarea tastei READ. La sfârşit se poate reporni măsurarea sau pot fi printate datele. Există şi un mod foarte simplu de măsurare pentru cazul în care se lucrează la o singură lungime de undă. Din meniul principal se apasă tasta λ. Cu tasta "Mode" se alege modul fotometric de măsurare (absorbanţă, transmitanţă, concentraţie).

97

Page 98: Ghid Complet

Se introduce lungimea de undă şi se validează cu ENTER, după care măsurarea porneşte imediat şi se afişează rezultatul. Se poate şi salva prin apăsarea tastei F2. O măsurătoare nouă se poate porni apăsând din nou tastele λ şi ENTER. Cu tasta F1 (View Data) se pot afişa rezultatele măsurătorilor şi se pot şi tipări. Rezultatele nu sunt salvate definitiv; dacă se iese din acest mod de măsurare, ele se pierd.

b) ÎNREGISTRARE DE SPECTRUÎn modul de înregistrare de spectru avem posibilitatea de a măsura fie pe un domeniu restrâns, fie pe tot domeniul spectrofotometrului, cu specificarea vitezei de scanare. Spectrul rezultat poate fi prelucrat în diverse moduri, poate fi printat, salvat şi deschis mai târziu. Spectrele pot fi şi suprapuse în aceaşi fereastră (overlay). Pentru pornirea acestui mod, din meniul principal se alege punctul 2. Navigând cu tastele săgeţi, putem seta sau edita parametrii.

12:00:00 LAMBDA 500.0nm 0.000A

: 500.0 nm

Data: 0.000 A

Press & keyin wavelength...

View Save Mode Sample ToggleData Data A/C/%T Contro

lDigits

98

Page 99: Ghid Complet

Comenzile afişate în partea inferioară a ferestrei se pot executa cu ajutorul tastelor de sub ele. Putem seta următorii parametri de lucru:Start Wavelength: Lungimea de undă de start (200-1098 nm)Stop Wavelength: Lungimea de undă finală (202-1100 nm)Measure Mode: Modul de măsurare fotometric (absorbanţă,

transmitanţă)Low Value:

Limita de jos a scalei grafice pe timpul măsurării (-0.3-2.99 A / 0-119.9 %T)

High Value: Limita de sus a scalei grafice pe timpul măsurării (-0.29-3.00 A / 0.1-120.0 %T)

Scan Speed (nm/min):

Viteza de scanare a spectrului (100-5000 nm/min)

Overlay Screen: Yes înseamnă că măsurătorile succesive vor fi afişate suprapuse în fereastră. Numai ultima măsurătoare se poate analiza.

După setarea tuturor parametrilor, este indicată salvarea lor într-un fişier, similar celor descrise la modul fix de măsurare. Acestea pot fi rechemate oricând pentru pornirea unei măsurători. Putem salva în total 15 fişiere de parametri. După umplerea memoriei, rândurile vor fi suprascrise. Deasemenea, la o salvare aparatul nu va cere

12:00:00 SPECTRUM 500.0nm

Param

1.Start :400.0 2.Stop :800.0 3.Measure mode :ABS 4.Low value(ABS) :-0.30 5.High value(ABS) :3.00 6.Scan :1000 7.Overlay screen :Yes

Number from 200 to 1098...LSave Print Sample NextPar

Param Data Control Screen

99

Page 100: Ghid Complet

confirmarea suprascrierii rândului actual. Din acest motiv, se recomandă deplasarea cu ajutorul săgeţilor pe un rând gol. După validarea parametrilor de măsurare se apasă tasta F5 (Next Screen) şi se va intra în fereastra grafică de măsurare.

Pe partea de jos a ecranului apare mesajul "Press READ when ready". A se urmări întotdeauna mesajele din partea de jos a afişajului, operaţiile acelea trebuie efectuate.

Deoarece spectrofotometrul are un singur drum optic, un spectru măsurat s-ar compune din absorbanţele ansamblului cuvă + solvent + probă necunoscută. Din această cauză, pentru luarea în consideraţie a valorii de blanc, înainte de măsurarea propriu zisă, vom introduce în suport cuva sau cuva cu solventul pur şi vom apăsa tasta AUTO ZERO. După care aparatul va măsura un baseline (blanc) pe domeniul de lungimi de undă definit prin parametri de lucru; acesta va fi scăzut din măsurătorile de probe pornite cu tasta READ.Se aşează cuva cu probă în locaşul din incinta de lucru, se închide capacul incintei. Se apasă tasta READ, măsurătoarea porneşte şi spectrul va fi trasat pe ecranul grafic. Pe partea de sus a ecranului sunt afişate lungimea de undă şi valoarea fotometrică, actuale. Măsurătoarea poate fi oricând oprită prin apăsarea tastei ESC. La sfârşit, dacă este nevoie, cu tasta READ putem înregistra din nou spectrul. Pe partea de jos a ecranului se văd ferestrele operaţiilor posibile. Ele pot fi executate cu ajutorul tastelor funcţii (F1-F5), aflate dedesubt. Cu tasta "Prev Screen" (F5) ne întoarcem în fereastra de parametri. Cu tasta "Clear Graph" (F3) putem şterge spectrul. Dacă am activat overlay, vor fi şterse toate spectrele.

12:00:00 SPECTRUM 800.0nm

1.50ABS

0.75

0.00

400

Nm 605 800

Press READ when ready...Access Mani- Clear PrevData pulate Graph Screen

100

Page 101: Ghid Complet

Cu tasta "Acces Data" (F1) acceptăm măsurătoarea. În ferestrele de jos vor apărea noi mesaje:F 3 "Print Data" printarea rezultatului;F 2 "Save Data" salvarea spectrului sub numele dat de noi (5 fişiere);F 1 "Load Data" reîncărcarea spectrelor salvate pentru analiză. Cu banda luminoasă ne poziţionăm pe rândul dorit şi cu ENTER îl încărcăm în fereastra grafică de mai înainte. Cu tasta ESC putem urca cu un nivel mai sus, unde putem face analiza spectrului.

c) ANALIZĂ DE SPECTRU

Putem intra în acest punct de meniu după înregistrarea unui spectru sau după reapelarea unui spectru salvat în prealabil. Pentru acesta trebuie să apăsăm tasta F2 de sub fereastra "Manipulate". Vom avea următoarele posibilităţi:- F1 Smooth Data: netezirea automată a curbei- F2 Zoom Data: mărirea/micşorarea curbei; la axa Y pâlpâie cursorul, acolo trebuie introdusă noua valoare apoi se validează cu ENTER. Cursorul va sări la poziţia următoare; prin repetarea operaţiei precedente şi terminând pe partea dreaptă a axei X, curba va fi redesenată conform coordonatelor. Apăsând din nou tasta F2 se va repeta procesul, sau se poate reveni la aspectul iniţial cu tasta F5.- F3 Show Track: apare o linie verticală, în rândul de sus va fi afişată poziţia ei actuală şi valoarea fotometrică corespunzătoare. Poate fi deplasată cu tastele săgeţi, astfel putem căuta orice vârf sau vale. Dacă într-un loc apăsăm tasta "Save Data", datele vor fi salvate. Cu "View Data" se pot vizualiza, cu "Print Data" se pot printa datele vârfurilor. Ieşirea se face cu tasta ESC.- F4 Peak Walley: după apăsare, apare jos un meniu nou.

101

Page 102: Ghid Complet

Alegând "Search Peak" se va face o căutare de maxime. Dacă se alege "Search Valley" se vor căuta minime ale spectrului. Folosind tastele "Less Point", "More Point" se va executa o căutare pentru mai puţine, respectiv pentru mai multe puncte. După căutare, datele pot fi afişate sub formă tabelară dacă se apasă tasta "View Data", de aici pot fi şi printate.

12:00:00 SPECTRUM 1.50ABS

0.75

0.00

400

Nm 605 800

Press hot key to View Search Search Less MoreData Peak Valley Point Point

12:00:00 SPECTRUM 800.0nm 0.132A Data File List ------------------------------- Data01 413.2nm 0.344A Data02 498.8nm 1.415A Data03 587.1nm 0.352A Data04 714.3nm 1.065A Data05 787.5nm 0.534A

Prev Next Print PrevPage Page Data Screen

102

Page 103: Ghid Complet

Cu tasta F5 (Prev Screen) ne întoarcem în fereastra precedentă, de analiză. Cu tasta ESC ne putem deplasa înapoi prin structura meniului.

d) MĂSURARE ÎN TIMP (TIME SCAN)În acest mod de măsurare putem înregistra variaţia în timp a valorii fotometrice alese, la o lungime de undă. Se utilizează pentru urmărirea reacţiilor, pentru măsurători de cinetică. Este posibilă întârzierea măsurătorii propriu-zise (Delay Time), astfel citirea porneşte numai după expirarea timpului setat. Din meniul principal putem ajunge în modul Time Scan alegând punctul trei. Apare fereastra “Parameter Setup”.

După ce am setat parametrii, putem porni măsurătoarea sau îi putem salva într-un fişier. Tot de aici, parametrii pot fi şi printaţi. Putem seta următorii parametri:

Wavelength: Lungimea de undă aleasă (200-1100 nm)

Scan Time: Durata măsurătorii (5-9999 sec)

Delay Time: Timpul de întârziere; după apăsarea tastei READ, măsurătoarea propriu zisă va porni după acest timp (0-50 sec)

Measure Mode: Modul de măsurare fotometric (ABS sau %T) Low Value: Limita de jos al ecranului grafic pe timpul măsurătorii

(-0.3-2.99 Abs / 0-119.9 %T)

12:00:00 TIMESCAN 500.0nm 0.000A

Parameter

1.Wavelength(nm) :500.0 2.Scan time(sec) :30 3.Delay time(sec) :0 4.Measure mode :ABS 5.Low value(ABS) :- 6.High value(ABS) :3.00 7.Overlay screen :Yes

Number from 200 to Load Save Print Sample NextParam Param Data Contro Screen

103

Page 104: Ghid Complet

High Value: Limita de sus al ecranului grafic pe timpul măsurătorii (-0.29-3.00 Abs / 0.1-120.0 %T)

Overlay Screen:

Yes înseamnă că măsurătorile succesive vor fi afişate suprapuse în fereastră. Numai ultima măsurătoare se poate analiza.

După setarea parametrilor, dacă este necesar, măsurăm valorea de blanc, apoi aşezăm cuva cu probă în incinta de lucru şi închidem capacul. Apăsăm tasta READ, după trecerea timpului setat la delay time va porni măsurătoarea şi curba va fi trasată pe ecranul grafic. În partea de sus al ecranului se poate vedea timpul scurs şi valoarea fotometrică actuală. Putem opri măsurătoarea cu tasta ESC.

12:00:00 TIMESCAN 500.0nm 0.000A101.0%T

100.0

99.0

0 Sec 150 300

Press READ when ready...Access Mani- Clear PrevData pulate Graph Screen

La sfârşit putem repeta măsurătoarea cu tasta READ.Pe partea de jos a ecranului sunt afişate ferestrele comenzilor ce pot fi executate. Acestea pot fi lansate cu tasta aflată dedesubtul lor (F1-F5). Analiza rezultatelor se face similar celor descrise la analiza spectrelor. e) MODUL DE MĂSURARE CANTITATIVĂÎn acest mod de măsurare avem posibilitatea determinării concentraţiei unei probe necunoscute, pe baza unei curbe de calibrare înregistrate în prealabil de către utilizator cu ajutorul unor soluţii standard, a căror concentraţie se cunoaşte. Se pot înregistra patru tipuri de curbă de calibrare. Din meniul principal putem ajunge în modul Quantitative alegând punctul cinci. Apare fereastra “Parameter Setup”

104

Page 105: Ghid Complet

.12:00:00 QUANTITATIVE 500.0nm

Parameter

1.Wavelength(nm) :500.0 2.Standard :3 S 1:0.0 S 3:0.0 3.Have Unit(Yes/No) :No 4.Method :1’ord 5.Keyin ABS :No 6.Print every cycle :No

Number from 200 to Load Save Print Sample NextParam Param Data Contro Screen

Navigând cu tastele săgeţi, putem seta sau edita parametrii. Validarea lor se face prin apăsarea tastei ENTER. Putem încărca şi seturi de parametri salvaţi anterior. Lista parametrilor de setat este următoarea:

Wavelength: Lungimea de undă aleasă (200-1100 nm). Standard Number: Numărul standardelor cu concentraţia cunoscută (1-10) . Have Unit(Yes/No):

Se vrea asocierea valorilor cu o unitate de măsură? Dacă se alege Yes, apare un tabel din care putem alege una dintre cele 12 u. m.

Method: Tipul curbei de calibrare (avem patru opţiuni):1'ord.(Origin): dreaptă, care trece prin origine;1'ord. (No Org): dreaptă, care nu trece prin origine;2'ord. (Origin):curbă de gradul doi, care trece prin origine;2'ord. (No Org):curbă de gradul doi, care nu trece prin origine.

Keyin ABS: "No" înseamnă că soluţiile standard trebuie măsurate;"Yes" - absorbanţa soluţiilor standard se introduce manual.

Print Every Cycle: Să se printeze după fiecare măsurare sau nu.

După validarea tuturor parametrilor, cu tasta F5 trecem în fereastra Quantitative Standard Table. Apăsăm tasta READ, pe rândul de sus apare concentraţia introdusă mai înainte, precum şi un mesaj în partea de jos: "Press READ for read stds". După apăsarea tastei apare un mesaj nou: "Insert stds and press READ". Acum putem introduce primul standard din seria de diluţie. Se apasă READ, după care valoarea absorbanţei măsurate va fi înscrisă în rândul corespunzător. Celelalte soluţii din seria de standarde se măsoară la fel. Cu tasta F2 trecem în fereastra "manipulate" unde "View Curve" ne va afişa curba de calibrare, iar "View Equati" ecuaţia pe baza căreia aparatul va calcula concentraţia probelor necunoscute, după ce le-a măsurat absorbanţa. (Apăsând "Keyin Factor" putem edita parametrii K1 şi K0 ai ecuaţiei,

105

Page 106: Ghid Complet

corectând astfel valoarea calculată). Dacă nu dorim folosirea factorului, ne întoarcem cu "Prev Screen". Cu tasta "Sample Measure" (F2) ajungem în fereastra de măsurare propriu zisă.

Measure Sample ---------------------------------Sample ABS Conc.( G/L)1 0.521 5.21002 1.137 11.3703 2.325 23.250

Press READ when ready...

Print Sample PrevData Contro Screen

Acum putem aşeza cuva cu proba de concentraţie necunoscută în incintă. După închiderea capacului se apasă tasta READ; măsurătoarea va fi executată. Pe rândul de sus vor fi înregistrate numărul de ordine al probei, absorbanţa măsurată precum şi concentraţia calculată pe baza curbei de dinainte. Următoarele probe necunoscute vor fi măsurate pe rând, la fel. La sfârşit putem printa rezultatele. După validarea tuturor parametrilor, cu tasta F5 trecem în fereastra Quantitative Standard Table.

Apăsăm tasta READ, pe rândul de sus, lângă concentraţia introdusă în prealabil, va pâlpâi cursorul. Aici trebuie introdusă cu tastele numerice valoarea absorbanţei, apoi se validează cu ENTER. La sfârşit cu tasta Esc validăm curba de calibrare. Apăsăm

12:00:00 QUANTITATIVE 500.0nm Standard Table ---------------------------------Sample Conc. ABS1 1.0000 0.12 2.0000 0.23 3.0000

Number from –0.3 to 3.0...

Access Mani- PrevData Pulate Screen

106

Page 107: Ghid Complet

F2 şi intrăm în fereastra "Manipulate", unde "View Curve" ne afişează curba de calibrare, iar "View Equati" ne arată ecuaţia pe baza căreia aparatul va calcula concentraţia probelor necunoscute, după ce le-a măsurat absorbanţa. Apăsând "Keyin Factor" putem edita parametrii K1 şi K0 ai ecuaţiei. Dacă nu dorim folosirea factorului, ne întoarcem cu "Prev Screen". Cu tasta "Sample Measure" (F2) ajungem în fereastra de măsurare propriu zisă. Acum putem aşeza cuva cu proba de concentraţie necunoscută în incintă. După închiderea capacului se apasă tasta READ, măsurătoarea va fi executată. Pe rândul de sus vor fi înregistrate numărul de ordine al probei, absorbanţa măsurată precum şi concentraţia calculată pe baza curbei de dinainte. Următoarele probe necunoscute vor fi măsurate pe rând, la fel. La sfârşit putem printa rezultatele.

f) CINETICĂÎn acest mod de măsurare înregistrăm variaţia absorbanţei în timp la o lungime de undă fixă; pe baza curbei înregistrate se poate calcula activitatea. O aplicaţie tipică este analiza activităţii enzimatice. Alegând punctul patru din meniul principal System, ajungem în acest mod de măsurare. Apare fereastra “Parameter Setup”.

De aici putem introduce sau edita parametrii de măsurare. Putem încărca şi parametri salvaţi anterior. Avem acces la următorii parametri:

Wavelength: Lungimea de undă aleasă (200-1100 nm);

Sampling number:

Numărul probelor; valorile care vor fi folosite la calculul activităţii (2-20);

Lag Time: Un interval de timp în secunde, după pornirea măsurătorii, pe durata căruia nu dorim să folosim datele pentru calcul (2-9999);

Rate Time: Intervalul de timp după Lag Time, pe durata căruia dorim să folosim datele pentru calcul (3-9999 sec);

12:00:00 KINETIC 500.0nm

Parameter

1.Wavelength(nm) :500.0 2.Sampling Number :5 3.Lag Time(sec) :2 4.Rate Time(sec) :12 5.Delay Time(sec) :0 6.Have unit(Yes/No)? :No 7.Factor(default=1) :1.0 8.Low Value(ABS) :-0.30 9.High Value(ABS) :3.00 10.Measure Temperature :None 11.Overlay Screen :Yes 12.Print every cycle :No

Number from 2 to 99…Load Save Print Sample NextParam Param Data Contro Screen

107

Page 108: Ghid Complet

Delay Time: Timpul de întârziere a măsurătorii după apăsarea tastei READ (0-50 sec);

Have Unit(Yes/No):

Setând Yes, vom putea alege dintre 12 unităţi de măsură;

Factor (default=1):

Putem seta un factor de care să se ţină cont la convertirea variaţiei de absorbanţă în activitate (0-9999.9);

Aktivitate = Factor * ΔABS/min (panta de variaţie a absorbanţei)Low Value: Limita de jos al ecranului grafic la măsurătoare (-0.3-

2.99 A);High Value: Limita de sus al ecranului grafic la măsurătoare (- 0.29-

3.00A). Aceasta trebuie să fie mai mare decât cea de jos cu min. 0.1.

Measure Temperature:

Posibilitatea termostatării: none, 25, 30, 37°C. Are sens doar în cazul echipării cu accesoriu de termostatare;

Overlay Screen:

Yes înseamnă că măsurătorile succesive vor fi afişate suprapuse în fereastră. Numai ultima măsurătoare se poate analiza (Manipulate);

Print Every Cycle:

Să se printeze după fiecare măsurare sau nu.

După setarea lor, parametrii pot fi salvaţi pentru utilizări ulterioare. După validarea parametrilor, intrăm în fereastra de măsurare cu F5. Aşezăm proba în incinta de lucru, apoi apăsăm tasta READ. Măsurătoarea va porni, vor trece intervalele delay time şi lag time, după care curba va fi trasată pe ecran. Putem opri oricând măsurătoarea cu tasta ESC.

După terminarea măsurătorii se va executa calcularea activităţii; rezultatul va fi afişat în partea de jos a ecranului. Pătrăţelele de pe curbă arată punctele de calculaţie. ΔT arată parametrul rate time, ΔABS/ΔT rata de variaţie a absorbanţei, iar ΔC/ΔT rata de variaţie a concentraţiei în cazul utilizării unui factor.

108

Page 109: Ghid Complet

De aici putem printa datele sau le putem afişa sub formă de tabel (cu tasta Data List). Cu tasta F2 (Manipulate) obţinem două noi opţiuni de analiză. În submeniul Show Track putem deplasa o dreaptă verticală cu ajutorul tastelor săgeţi, evaluând curba astfel. Linear Fit aşează peste curbă o dreaptă de regresie. Opţiunea Original va reafişa curba iniţială.

APLICATII : 1. Trasarea unei curbe de etalonare

Dependenta coeficientului de extincţie de concentraţia substanţei dizolvate este

un indiciu asupra existenţei unor interacţiuni între moleculele dizolvate, deci este o

preţioasă sursă de informaţii. În cadrul acestei lucrări se va trasa, pentru o anumită

substanţă etalon, a cărei concentraţie este cunoscută, graficul dependentei extincţiei

de concentraţie, adică E = E (c). Acest grafic va putea fi utilizat pentru : a)

determinarea concentraţiilor unor soluţii necunoscute (preparate pornind de la

etalon) , b) stabilirea domeniului de concentraţii pentru care este valabilă legea

Lambet-Beer, c) evidenţierea unor eventuale interacţiuni între moleculele de solvit

12:00:00 KINETIC 405.0nm

1.00ABS

0.35-0.30

60

90 120 sec

T=60.0 Factor=3253.000ABS/T=0.11308( ABS/min)C /T=367.86414( U/L/min) ABS =0.00188T + 0.27194 Press READ when ready…

Data Mani- Clear Print PrevList pulate Graph Data Screen

109

Page 110: Ghid Complet

(de exemplu, moleculele de albastru de metilen având o structura aromatică planară,

tind să se agrege în soluţie apoasă, datorită forţelor hidrofobe).

Plecând de la soluţia etalon care are o concentraţie cunoscută, se prepară în

eprubete diferite diluţii, cu apă distilată: 5%, 10%, 30%, 40%, 50%, 70%.

Pentru cazul în care se lucrează la o singură lungime de undă, din meniul principal al

spectrofotometrului se apasă tasta λ. Cu tasta "Mode" se alege modul fotometric de

măsurare (absorbanţă). Valoarea lungimii de undă se alege corespunzător culorii

soluţiei, urmârind diagrama culorilor complementare (dacă etalonul este albastru de

metilen se va selecta λ = 480 nm ). Prima măsurătoare se va efectua cu apă distilată:

pentru a ţine cont de valoarea blancului, se aşează cuva umplută cu solvent (apă) în

suportul de cuve şi se apasă tasta AUTO ZERO. După ce se salvează rezultatul, se

înlocuieşte cuva care conţine blancul (apă distilată) cu o cuvă care conţine pe rând,

soluţiile preparate din etalon, salvând de fiecare dată rezultatul. În final, toate valorile

extincţiilor vor apărea în tabel, care poate fi printat ulterior.

Se va trasa graficul E =E(c), ţinând cont că pentru c = 0 E = 0 (graficul începe

din origine), observând creşterea extincţiei odată cu concentraţia soluţiei. Apoi se va

determina spectrofotometric extincţia soluţiei (soluţiilor) necunoscute, iar pe baza

graficului se va stabili concentraţia acesteia. De asemenea se va observa că porţiunea

liniară a graficului reprezintă domeniul de concentraţii pentru care legea Lambert –

Beer este strict valabilă.

2. Determinarea concentraţiilor diferitelor forme ale hemoglobinei în soluţii

şi în sânge

Hemoglobina se poate afla în soluţii sub trei forme diferite: oxihemoglobina,

deoxihemoglobina şi methemoglobina ( fig.10.6) . Formele oxi şi deoxi trec reversibil

una în cealaltă în funcţie de presiunea parţială a oxigenului în soluţie, au fierul

heminic sub forma Fe 2+ şi sunt active din punct de vedere fiziologic în procesul de

transport al oxigenului. Forma met apare sub acţiunea unor oxidanti puternici , are

fierul heminic sub forma Fe3+ şi este inactivă din punct de vedere fiziologic.

Conform fig. 4. spectrele de absorbţie ale acestor forme diferă între ele , iar

coeficienţii de extincţie molari au valori diferite în funcţie de lungimea de undă. 110

Page 111: Ghid Complet

Punctele de intersecţie a curbelor coeficienţilor de extincţie se numesc puncte

isosbestice, adică au aceeaşi absorbtivitate pentru lungimea de undă corespunzătoare

lor. În cazul hemoglobinei, un interes deosebit îl reprezintă concentraţia totală de

hemoglobină în sânge (hemoglobinemia ) dar şi proporţia de methemoglobina din

hemoglobina totală. Concentraţia hemoglobinei în sânge (hemoglobinemia) se poate

determina convertind toate formele de hemoglobină la methemoglobina, cu ajutorul

unei soluţii ajutătoare de ferocianură de potasiu, după care se efectuează măsurarea

fotometrică a concentraţiei la lungimea de undă 540 nm, unde absorbtivitatea molară

(coeficientul molar de extincţie) are valoarea maximă ε = 11. 103 M-1cm-1.

Fie proba de sânge care conţine soluţia de methemoglobină diluată de d ori făt

din sângele proaspăt recoltat. Extincţia probei în cuve de 1 cm grosime va fi:

EHb540 = εmet

540 . c , de unde rezultă concentraţia cHb = EHb540 / εmet

540, dar concentraţia

reală în sânge va fi de d ori mai mare, adică

cHb = ( d / εmet540) . EHb

540.

Proporţia de methemoglobină se calculează după determinarea extincţiilor soluţiei

de hemoglobină rezultată din hemoliza la două lungimi de undă diferite: prima este

525 nm unde formele oxi şi met au un punct isosbestic, iar a doua la 540 nm unde

diferenţa de absorbtivitate ale celor două forme este maximă (vezi fig.10.6.) .

Deoarece se lucrează cu soluţii saturate cu aer, în care se poate considera că toată

hemoglobina activă este sub forma oxi, cantitatea aflată sub forma deoxi se

neglijează. La 525 nm cele două forme au aceeaşi absorbtivitate, deci extincţia se

poate scrie sub forma:

E525 = ε525 .cHb, iar la 540 nm , unde absorbtivităţile diferă ,

E540 = εoxi 540. coxi + εmet 540. cmet.

Apoi se ţine cont de faptul că concentraţia în forma oxi reprezintă de fapt diferenţa

coxi = cHb – cmet .

Dacă se calculează rapoartele coeficienţilor de extincţie pentru cele două forme de

hemoglobină la 540 şi respectiv 525 nm se obţine:

εmet 540/ ε525 = 1.091, respectiv εoxi 540/ ε525 = 1.753.

111

Page 112: Ghid Complet

Ţinând cont de aceste valori, după un şir de calcule simple, relaţia pentru

procentul de methemoglobina din probă se poate scrie sub forma următoare:

MetHb % = (2.649-1,151. E540/ E525) :100 (1)

Prepararea soluţiilor, citirea extincţiilor şi prezentarea rezultatelor.

Se pregătesc două eprubete curate şi uscate. În prima se pipetează 5 ml de soluţie

methemoglobinizantă (conţinând fericianură de potasiu) iar în cealaltă 5 ml de

soluţie hemolizantă ( conţinând amoniac 0,1%) . În fiecare se adaugă câte 0,02 ml de

sânge proaspăt recoltat, utilizând pipeta automată. Cele două eprubete se agită şi se

lasă în repaus circa 5 minute.După acest interval în prima eprubetă va apărea o

coloraţie brună, caracteristică methemoglobinei, iar în a doua coloraţia va fi roşie-

rubinie, caracteristică oxihemoglobinei. Aceste probe se vor plasa în cuve standard de

1 cm. Pentru determinarea hemoglobinemiei se va citi extincţia soluţiei din prima

eprubetă (care conţine întreaga cantitate de hemoglobină convertită la hemoglobina)

la λ = 540 nm, faţă de soluţia methemoglobinizantă ca blanc. Valoarea obţinută se

notează EHb540. Procentul de methemoglobină se determină folosind ca blanc soluţia

hemolizantă şi apoi citind extincţile soluţiei din eprubeta a doua la 525 şi respectiv

540 nm. Valorile se notează E525 respectiv E540.

Hemoglobinemia se va calcula conform formulei prezentată anterior

ţinându-se cont de factorul de diluţie d = 5/ 0,02 = 251 şi de valoarea εmet 540 = 11.10-3

M-1cm-1. Astfel,

CHb = 22,8 EHb540 mM. (2)

Masa moleculară a hemoglobinei este 16 000 Da, o soluţie milimolară conţine

deci 1,6 g Hb/100ml, deci concentraţia de hemoglobină se mai poate exprima şi

astfel:

CHb = 36,8 EHb540 g/100ml sânge. (3)

Procentul de methemoglobină se va calcula cu ajutorul formulei (1) .

Interpretarea rezultatelor se face ţinând cont că hemoglobinemia normală are

următoarele valori, raportat la vârsta subiecţilor umani:

112

Page 113: Ghid Complet

Adulţi

Femei Barbaţi

g/ 100 ml 12 - 16 14 – 18

Mm 7,5 - 10 8,7 - 11,2

Copii

Nou- născuţiSugariPreşcolariŞcolari

16 - 25 10 - 15 11 – 14 12 -16

10 – 15,5 6,2 – 9,3 6,8 - 8,7 7,5 - 10

În mod normal mai puţin 0,3 % din hemoglobina totală se află sub forma de

methemoglobină, această valoare creşte semnificativ în cazul unor intoxicaţii cu

substanţe oxidante cum ar fi nitriţi, nitraţi, chinone, nitribenzen, anilina, etc. Precizia

metodei se încadrează în limitele de ± 1%, chiar dacă precizia aparatului este mult

mai bună. Valorile necunoscute se pot determina şi folosind modul de măsurare

cantitativă a spectrofotometrului, după ce în prealabil a fost salvată în memorie curba

de etalonare. Este interesant de verificat dacă rezultatele coincid.

113

Page 114: Ghid Complet

IV. INTERACŢIUNEA RADIAŢIILOR CU MATERIA

11.1 CLASIFICAREA RADIAŢIILOR, SURSE DE RADIAŢII

Definiţie: Numim radiaţie fenomenul fizic de transmitere la distanţă a energiei

fără a fi nevoie de un mediu purtător. Studiul complet al unui fenomen radiativ

presupune investigarea mecanismelor şi a legilor care guvernează: a) producerea

lor; b) propagarea (care, conform definiţiei, poate avea loc în vid) şi c) absorbţia

energiei pe care o transportă.

Clasificarea radiaţiilor

După natura lor, radiaţiile pot fi corpusculare şi electromagnetice.

Radiaţiile corpusculare sunt compuse din particule de substanţă având o anumită

energie cinetică. Ele pot fi subdivizate în funcţie de sarcina şi masa particulelor

transportoare ale energiei, conform schemei de mai jos:

114

Page 115: Ghid Complet

Radiaţiile electromagnetice sunt emise şi absorbite în natură sub formă de

cuante (fotoni). Fotonii sunt particule fără masă de repaus, ce transportă, fiecare, o

cantitate de energie ce poate fi calculată cu expresia E = h, unde h = constanta lui

Planck (6,625.10–34 Js), iar = frecvenţa radiaţiilor. Masa lor de mişcare, m, se leagă

de energie prin formula lui Einstein: E = mc2, c fiind viteza luminii în vid. Curent,

energia lor se exprimă în electron-Volţi: 1eV = 1,6.10–19 J .

Spectrul radiaţiilor electromagnetice este extrem de extins. În funcţie de lungimile

lor de undă în vid (= c/), acesta se poate reprezenta ca în figura de mai jos:

În funcţie de energia transportată, radiaţiile se clasifică în radiaţii neionizante

şi radiaţii ionizante. Distincţia dintre aceste este convenţională, şi este legată de

efectele asupra materiei. Dacă se iau în considerare energiile de ionizare ale

115

Page 116: Ghid Complet

principalilor atomi ce compun materia vie (H, C, N şi O), pot fi considerate ionizante

radiaţiile ce transportă energie mai mare de 13,6 eV pe particulă, ceea ce corespunde,

în cazul radiaţiilor electromagnetice, la o lungime de undă < 100 nm. Pe de altă

parte, anumite macromolecule biologice pot fi ionizate la energii ce depăşesc 5 eV,

lungimea de undă corespunzătoare fiind < 200 nm.

Pentru simplificare, când este vorba de radiaţiile electromagnetice, se consideră

ionizante radiaţiile din domeniile X şi , neionizante cele din domeniile radio,

microunde, IR, VIS şi UV.

Radiaţiile corpusculare au importanţă biologică numai prin efectele lor ionizante.

Surse de radiaţii. Acestea pot fi naturale şi artificiale.

Sursele naturale au fost singurele la care a fost expusă biosfera (şi populaţia

umană) până în epoca modernă. Acestea sunt la rândul lor cosmice şi telurice.

Principala sursă cosmică de radiaţii este soarele. Acesta emite tot spectrul de radiaţii

electromagnetice şi toate radiaţiile corpusculare.

Dintre cele electromagnetice, numai o mică parte ajung la suprafaţa solului, fiind

absorbite de cromosfera solară şi atmosfera terestră. Astfel, vaporii de apă şi bioxidul

de carbon atmosferice absorb în IR, iar stratul de ozon absoabe UV. Proporţia, în

procente, a fotonilor neionizanţi care ajung la nivelul mării este de 2% UV, 45% VIS

şi 53% IR. Fotonii ionizanţi sunt absorbiţi în proporţie covârşitoare de moleculele

straturilor atmosferei înalte, pe care le ionizează dând naştere ionosferei.

Radiaţiile corpusculare emise de soare, care formează vântul solar, sunt, de

asemenea împiedicate să atigă straturile inferioare ale atmosferei. Cele încărcate

electric, datorită înclinării axei Pămâtului, intră oblic în câmpul magnetic al acestuia

şi, fiind supuse forţei Lorentz, se mişcă pe traiectorii elicoidale ce le direcţionează

spre poli. Aici efectele lor ionizante asupra atmosferei înalte se manifestă prin

apariţia aurorelor polare. Neutronii nu ajung până la Pământ, timpul lor mediu de

viaţă în stare liberă, de aproximativ 1000 s, fiind mult mai scurt decât durata

călătoriei lor de la Soare şi planeta noastră. Ei se vor transforma, fiecare, într-un

proton şi un electron, care vor creşte numărul particulelor ionizante, încărcate

electric.

116

Page 117: Ghid Complet

Alte surse cosmice de radiaţii ionizante sunt furnizate de activitatea stelară. Cele

mai importante sunt razele cosmice, formate din nuclee atomice (mai ales protoni) de

mare energie care, prin coliziune cu nucleele gazului atmosferic produc jerbe de

particule secundare ionizante. Acestea din urmă sunt atenuate odată cu străbaterea

atmosferei subjacente. Din acest motiv, efectele cresc cu altitudinea, dublându-se cu

fiecare creştere cu 1500 m a acesteia.

Sursele telurice, sunt reprezentate de izotopii radioactivi din atmosferă şi scoarţă.

Intensitatea radiaţiilor emise de acestea depind de localizarea geografică. Zonele

aflate în vecinătatea unor zăcăminte de uraniu, de exemplu, vor fi afectate de nivele

de radiaţie mai mari.

Sursele artificiale sunt construite prin activitate umană. Expunerea la radiaţiile

emise de acestea poate fi generală (nedescriminatorie), profesională, medicală

(exploratorie şi terapeutică), sau accidentală.

Expunerea generală include toate persoanele aflate în vecinătatea unei surse de

radiaţii neionizante (lămpi, emiţătore radio, cuptoare, etc.) sau ionizante (generatoare

de raze X, sau centrale nucleare).

Expunerea profesională afectează personalul care, prin natura meseriei,

manipulează dispozitive sau materiale emiţătoare de radiaţii (operatorii staţiilor de

radio, medicii radiologi, sau profesioniştii industriei de extracţie, prelucrare şi

utilizare a materialelor radioactive).

Expunerea exploratorie (diagnostică) şi terapeutică este consecinţa activităţii

medicale şi are importanţă în cazul utilizarării radiaţiilor X şi . Radiografiile şi

radioscopiile de orice tip reprezintă expuneri semnificative la radiaţii ionizante.

Expuneri importante se produc în Röentgenterapia sau cobaltoterapia afecţiunilor

tumorale.

Expunerea accidentală are loc în cazul exploatării defectuoase a surselor

artificiale de radiaţii. Ea afectează, în primul rând, personalul din vecinătate şi apoi

restul populaţiei.

11.2. Efecte ale radiaţiilor neionizante: Efectele chimice ale radiaţiilor

neionizante117

Page 118: Ghid Complet

Energia absorbită de către grupările cromofore ale moleculelor poate antrena

modificări (reacţii) fotochimice ale acestora. Faptul este comun şi împiedicarea lui

poate fi regăsită în păstrarea în flacoane brune sau opace a unor medicamente sau

băuturi (bere, vin). În lumea vie, plantele şi algele transformă curent energia

luminoasă în energie chimică stocată în compuşi organici de sinteză.

Există două legi ale fotochimiei: 1) Un foton interacţionează cu o singură

moleculă şi 2) În urma interacţiunii, energia fotonului este absorbită integral.

De procese fotochimice sunt responsabile mai ales radiaţiile UV, absorbite de

dublele legături. Trecerea electronilor pe orbitalii de antilegătură () este echivalentă

cu ruperea acesteia urmată de posibilitatea refacerii în alte modalităţi. Ca urmare, pot

avea loc unul din fenomenele:

- Refacerea ei în altă poziţie (migrarea);

- Izomerizarea cis-trans;

- Adiţia unui substituent, în general –OH sau –H;

- Dimerizarea;

- Ciclizarea internă.

Asupra macromoleculelor proteice, transformările fotochimice susmenţionate se

manifestă mai ales asupra aminoacizilor aromatici şi a secvenţei legăturilor peptidice.

Ele au ca efect schimbarea structurii primare (covalente) şi, consecutiv a celor

secundare, terţiare şi cuaternare. Rezultatul este apariţia unor compuşi denaturaţi,

lipsiţi de funcţie biologică sau cu funcţia alterată.

Macromoleculele de acizi nucleici suferă efecte fotochimice importante datorită

absorbţiei radiaţiilor UV de către dublele legături ale bazelor azotate. Dimerizările şi

trimerizările de baze, ciclizările sau adiţiile la acestea împiedică adoptarea unei

geometrii corecte a helixurilor de acizi nucleici. Consecinţele biochimice rezidă în

imposibiliatea de recunoaştere a acestora de către enzimele implicate în citirea,

utilizarea şi transmiterea informaţiei genetice.

Efectele biologice ale radiaţiilor neionizante

La nivel de organism, procesele fotochimice pot fi implicate în două procese

fiziologice:

118

Page 119: Ghid Complet

a) Fotoconversia, prin care are loc tranformarea energiei luminoase în energie

chimică. Cel mai important este fotosinteza, realizată de majoritatea plantelor vezi şi

de microorganismele plactonului oceanic.

b) Fotodetecţia, în timpul căreia energia luminoasă este tratată ca semnal

informatic şi mijloceşte orientarea şi încadrarea organismelor în mediu. Ea este

întâlnită de la protozoare la plante şi animale. Dintre acestea, numai animalele au

ochi - organe specializate în obţinerea unor imagini “fotografice” ale mediului

înconjurător.

Efectele locale, tisulare, ale radiaţiilor neionizante depind de domeniul spectral

în care sunt plasate. Toate, când sunt absorbite, produc încălzirea ţesuturilor,

profunzimea de pătrundere scăzând odată cu scăderea lungimii de undă.

Undele utilizate în telecomunicaţii au efecte incerte. Cele cu lungimi de undă

mari nu au fost incriminate în producerea unor afecţiuni specifice. Undelor din

domeniul celor ultrascurte, utilizate în telefonia mobilă, le-a fost atribuit, fără a fi

indubitabil, creşterea riscului de tumori cerebrale în vecinătatea urechii la care este

folosit telefonul.

Microundele au efect caloric exprimat şi de profunzime, prin punerea în oscilaţie

a dipolilor de apă, cea ce antrenează creşterea energiei de agitaţie termică din mediu.

Faptul şi-a găsit aplicaţii practice atât în balneofizioterapie (în tratarea afecţiunilor

degenerative, când încălzirea locală şi vasodilataţia consecutivă au efecte benefice)

cât şi gospodăreşti - cuptoarele cu microunde.

Radiaţia din domeniul IR produce încălzirea locală, profunzimea lor de

pătrundere în ţesuturi fiind de câţiva milimetri. Şi acestea sunt absorbite mai ales de

apa tisulară, dar şi de macromolecule, prin excitatrea mişcărilor de vibraţie ale

atomilor.

Indiferent de mecanismul încălzirii, creşterea exagerată a temperaturii produce

denaturarea ireversibilă a proteinelor şi a structurilor celulare cu manifestările clinice

curente ale arsurilor.

Radiaţia vizibilă nu are efecte patologice, ea fiind implicată în fotodetecţie şi

fotoconversie. Totuşi, dacă este focalizată pe zone reduse, antrenează arsuri tisulare,

119

Page 120: Ghid Complet

cum este cazul privirii cu ochiul liber a soarelui împrejurare în care se produc arsuri

de retină.

Radiaţia UV are cele mai multe efecte fotochimice, care se constată până la

profunzimi de 2- 3 mm. Protecţia împotriva lor se face fiziologic prin pigmentarea

(bronzarea) pielii. Aceasta poate fi determinată genetic la populaţiile din zonele

tropicale, sau poate fi indusă de expunerea la UV a subiecţilor cu tegumente de

nuanţe deschise.

În doze mici, radiaţiile UV produc bronzarea prin transformarea tirozinei în

melanină, pigment absorbant al acestora. Dozele mari, absorbite în timp scurt, produc

fenomene similare arsurilor termice, cauza fiind denaturarea proteinelor. Efectul

bacteriostatic al dozelor mari de UV se explică mai ales prin împiedicarea

multiplicării microorganismelor, ca o consecinţă a interacţiunii cu acizii nucleici.

Dozele moderate şi repetate de ultraviolete au asupra tegumentelor, în timp mai

îndelungat, efecte carcinogene. (Tumorile maligne ale ţesuturilor epiteliale se

numesc carcinoame şi o bună parte a celor cutanate, la vârstnici, se datoresc

radiaţiilor UV). Şi acestea sunt consecinţe genetice rezultate din modificarea acizilor

nucleici.

11.3. INTERACŢIUNEA RADIAŢIILOR IONIZANTE CU MATERIA VIE

Studiul efectelor radiaţiilor ionizante asupra materiei vii este mai complicat şi

presupune parcurgerea mai multor etape:

- Înţelegerea mecanismelor de transfer a energiei lor către mediu şi a producerii

ionizărilor care reprezintă interacţiunea lor primară cu substanţa.

- Descifrarea efectelor radiochimice produse de ionizări. Aceste efecte pot avea

loc fie datorită interacţiunii directe cu macromoleculele sistemului viu, fie ca o

consecinţă a modificărilor induse de radiaţii în solventului apos, când vorbim de

interacţiuni indirecte.

- Transformările radiochimice sunt urmate, în final de efecte biologice.

Interacţiunea primară cu substanţă a radiaţiilor corpusculare încărcate

120

Page 121: Ghid Complet

Principalul mecanism de transfer a energiei lor către mediul străbătut este acela de

ionizare a atomilor şi moleculelor substanţei. Responsabile de ionizări sunt

interacţiunile electrostatice dintre particulă şi electronii atomilor.

Pentru o particulă, scăderea energiei ei şi creşterea energiei mediului este

caracterizată prin transferul linear de energie, TLE. Acesta reperezintă energia

pierdută de particulă pe fiecare unitate de lungime a traiectoriei sale.

Dacă o particulă face Iionizări pe unitatea de lungime, şi energia medie pierdută

de la iniţierea unei ionizări pâna la producerea următoarei , avem: TLE = I.

Întrucât între două ionizări particula produce şi un număr de excitări ale atomilor,

este mai mare decât energia de ionizare. Astfel, pentru aer şi apă valorile sunt de 32

eV şi 34 eV, respectiv.

TLE creşte cu pătratul sarcinei particulei şi concentraţia electronilor din mediu

dar nu are o valoare constantă de-a lungul traiectoriei. Ea scade cu creşterea

pătratului vitezei particulei deoarece, la viteze mari ale acesteia, timpul cât are loc

interacţiunea cu electronii este mai redus. Unitatea curent utilizată, la străbaterea

mediilor apoase, este KeV/m.

Dacă particula străbate o substanţă compusă dintr-un element pur, în vecinătata

fiecărui punct al traiectoriei este valabilă expresia:

unde dE este pierderea de energie pe distanţa dx; k - o constantă ce depinde de

natura particulei, a mediului şi unităţile de măsură alese; z - numărul de sarcini

elementare ale particulei; v - viteza particulei în punctul dat; Z - numărul de ordine ai

atomilor mediului; n - numărul de atomi pe unitatea de volum a mediului

(concentraţia atomilor mediului).

Întrucât Z n = ne , concentraţia electronilor în mediu, formula se poate rescrie

Ultima expresie este utilă pentru calcularea valorii TLE în medii ce conţin

amestecuri moleculare şi pentru care ne este uşor accesibil calculului.

121

Page 122: Ghid Complet

Dacă vom considera două particule de aceeaşi energie cinetică, una grea şi alta

uşoară, prima va avea o viteză mai mică decât a doua. Din acest motiv particulele

grele au un TLE mai mare decât cele uşoare de aceeaşi energie.

Privind din punctul de vedere a lungimii parcursului, particulele grele, pierzând

mai multă energie pe unitatea de lungime, au parcursuri mai scurte, pe când cele

uşoare străbat în mediu distanţe mai mari. Dacă o particulă are energie E şi, pentru

întreg parcursul de lungime d, are un TLE mediu, notat , aceste mărimi se leagă

cu relaţia simplă:

În plus, particulele cu masă mare (alfa şi protoni), nu ricoşează la ciocnirile cu

electronii, având traiectorii rectilinii; pe când cele uşoare (electronii) după fiecare

ciocnire cu un electron din mediu îşi schimbă direcţia, prezentând traiectorii sub

forma unor linii frânte.

Consecinţe medicale

Particulele alfa (cu sarcină mare, z = +2, şi masă mare m = 4 u.a.m.) prezintă un

pericol redus în cazul iradierii externe, adâncimea lor de pătrundere nedepăşind

stratul cornos al epidermei. O astfel de particulă cu energia de 5,3 MeV (Mega

electron-Volţi) are un TLE tisular mediu de 130 KeV/m şi pătrunde la o

profunzime de maximum 40 m. Iradierea internă ce poate avea loc datorită

absorbţiei digestive sau respiratorii a unor radionuclizi alfa-emiţători duce la iradieri

importante ale celulelor vecine locului unde se fixează şi se acumulează atomii

radioactivi.

Protonii (z = +1 şi m = 1 u.a.m.) se comportă aproximativ similar întrucât,

conform formulelor precedente, au TLE de 16 ori mai mic iar lungimea traiectoriei de

16 ori mai mare.

Particulele beta (electroni cu z = –1 şi m = 1/1850 u.a.m.), datorită masei foarte

mici au viteze extrem de mari, ceea ce conduce la valori de TLE foarte reduse, cu

parcursuri în ţesuturi mult mai lungi. Ele pot produce consecinţe atât datorită iradierii

externe cât şi celei interne. La energii de zeci de MeV, particulele beta au parcursuri

în ţesuturi de 1 ... 2 cm.

122

Page 123: Ghid Complet

Interacţiunea primară a neutronilor cu substanţa

Neavând sarcină electrică, neutronii nu interacţionează electrostatic cu

componentele atomilor, fiind, prin sine, fără proprietăţi ionizante. Ei produc ionizări

indirect, datorită interacţiunilor cu nucleele atomice. Aceste interacţiuni sunt

difuziunea şi captura neutronică.

Difuziunea neutronilor este consecinţa fenomenului de ciocnire mecanică dintre

aceştia şi nucleele atomilor, în urma căruia nucleele ciocnite (ţintele) preiau parte din

energia cinetică a neutronilor (proiectilele). În urma unei succesiuni de ciocniri,

neutronul îşi pierde progresiv energia cinetică. Cum în mediile biologice mai mult de

jumătate de nuclee sunt de hidrogen, iar legile ciocnirilor elastice arată că energia

preluată de ţintă creşte cu scăderea masei acesteia, protonii de energie mare rezultaţi

din cicniri vor fi principalii responsabili de producerea ionizărilor. Întrucât

probabilitatea ciocnirii nucleelor este destul de mică, parcursurile neutromilor între

123

Page 124: Ghid Complet

două ciocniri sunt lungi, ceea ce explică marea lor putere de penetrare. Pe de altă

parte, masele proiectilului (neutron) şi ţintei (proton) sunt aporoape egale iar

neutronul ricoşează după fiecare ciocnire, efectele ionizante fiind difuze. De

exemplu, în apă, un neutron cu energia de 2 MeV şi-o reduce la 1 eV după 18

ciocniri, în medie.

Captura neutronică este o reacţie nucleară produsă de neutronii lenţi, cu energii

inferioare a 1KeV. În urma capturii rezută un nucleu izotopic de masă superioară cu 1

u.a.m., care este în stare excitată. Dezexcitarea lui se produce prin emisia unei radiaţii

. Schema generală a transformărilor este:

(radioactiv)

foton

(stabil)

Fotonii , sunt în continuare responsabili de ionizări prin mecanisme ce vor fi

sumarizate în continuare.

Interacţiunea fascicolelor de fotoni X şi cu substanţa.

Dacă un fascicol de radiaţie X sau , monocromatică (fotoni monoenergetici)

străbate normal un strat de substanţă, la ieşire el se va găsi atenuat. Notând Io

intensitatea radiaţiei incidente, I intensitatea celei emergente pe aceeaşi direcţie, şi cu

x grosimea stratului se demonstrează teoretic şi se constată experimental că atenuarea

fascicolului respectă legea:

; e fiind baza logaritmilor, iar coeficientul de atenuare lineară.

Se mai constată că depinde atât de energia fotonilor cât şi de natura materialului

străbătut.

Proprietăţile atenuante ale unui material faţă de o radiaţie cu fotoni de energie

dată se caracterizează prin grosimea de înjumătăţire (x1/2) care este grosimea stratului

care reduce intensitatea radiaţiei emergente la Io/2. Înlocuind în formulă şi

logaritmând ambii membri ai egalităţii se obţine:

124

Page 125: Ghid Complet

;

de unde rezultă relaţia dintre grosimea de înjumătăţire şi coeficientul de atenuare

lineară:

Dacă se vor face măsurători pe alte direcţii decât cea a fascicolului incident se vor

găsi intensităţi de radiaţii diferite de zero pentru fotoni de energii mai mici sau pentru

electroni acceleraţi. Aceasta arată că interacţiunile a radiaţiilor X şi cu substanţa

sunt complexe, în urma acestora rezultând radiaţii difuzate: unele împrăştiate iar

altele secundare. Înseamnă că reducerea intensităţii fascicolului (atenuarea lui) are

loc atât prin absorbţia energiei lui de către substanţă cât şi prin difuzia energiei pe

alte direcţii şi sub alte forme decât cele ale fotonilor fascicolului incident. Energia

transportată de fascicolul incident (Winc) se va regăsi integral, distribuită între cea a

fascicolului emergent (Wemg), energia absorbită de substanţa străbătută (Wabs,

transferată mediului) şi energia radiaţiei difuzate (Wdif). Ultimele două reduc

intensitatea (energia) fascicolului emergent şi, cu cât reprezintă o fracţiune mai mare

din aceasta, coeficientul de atenuare lineară () arevaloarea mai mare.

Deşi sunt mai multe tipuri de interacţiuni care reduc intensitatea fascicolelor de

fotoni X şi , de importanţă practică sunt numai trei: efectul fotoelectric, efectul

Compton şi generarea de perechi (efectul de materializare).

Efectul fotoelectric se manifestă prin absorbţia integrală a energiei unui foton de

către un electron al unui atom. Energia lui se distribuie integral între energia

necesară extracţiei din atom şi energia cinetică a electronului expulzat

(fotoelectronului). În acest caz, efectele ionizante se datoresc fotoelectronilor, care se

125

Page 126: Ghid Complet

comportă similar radiaţiei . Energia lor va fi absorbită de mediul străbătut. Pe de

altă parte, atomii excitaţi prin expulzarea unui electron din păturile inferioare revin în

stare fundamentală prin tranziţii ale celor din păturile superioare. Astfel de tranziţii

sunt responsabile de emisia unor radiaţii secundare de fluorescenţă (X în cazul

atomilor grei sau UV în cazul celor uşori). Energia radiaţiilor astfel difuzate este, în

general, neglijabilă.

Atenuarea prin efect fotoelectric a fascicolului se descrie cantitativ prin

coeficientul de atenuare lineară f , care creşte cu probabilitate producerii efectului.

Aceasta depinde pronunţat de energia fotonilor incidenţi şi de natura atomilor ţintă.

Efectul fotoelectric este deosebit de important în cazul fotonilor de energii reduse

care străbat materiale ce conţin elemente grele.

Aplicaţiile practice ale efectului fotoelectic se regăsesc în alegerea şi construcţia

filtrelor pentru realizarea imaginilor radiografice. Întrucât nu sunt potrivite explorării

radiologice de profunzime, radiaţiile cu fotonii de energii mici (sub 50 KeV) sunt

atenuate în fasciculele policromatice emise de tuburile Röentgen cu filtre din cupru.

Pe de altă parte, contrastul optim al imaginilor radiografice se obţine în domeniul

60 ... 120 KeV, unde efectul fotoelectric încă este manifest.

Efectul Compton apare la ciocnirea dintre un foton şi un electron (considerat

liber sau slab legat). Rezultă un electron de recul, care primeşte o parte din energia

fotonului incident şi un foton difuzat, cu energie (şi frecvenţă) mai mici decât a celui

incident. Acest efect este semnificativ ca importanţă când energiile de legare a

electronilor în atom pot fi considerate neglijabile faţă de energiile fotonilor incidenţi.

În urma ciocnirii, energia fotonului incident se regăseşte în energia transferată

electronului de recul şi energia fotonului difuzat. Electronii de recul au energii

suficiente pentru a produce ionizări similare razelor beta, iar fotonii difuzaţi, în

funcţie de energia pe care o mai au, pot produce fie alte efecte Compton fie efecte

fotoelectrice.

Dacă în cazul efectului fotoelectric aproape întreaga energie pierdută de fascicolul

incident este transferată substanţei absorbante, în cazul efectului Compton o parte

este emisă de substanţa traversată sub formă de radiaţie împrăştiată sub unghiuri mari

faţă de cea incigentă. În mediul biologic, energia radiaţiei difuzate (Wdif) este de 4 ... 126

Page 127: Ghid Complet

5 ori mai mare decât energia transferată electronilior şi absorbită (Wabs) în zona

străbătută de fascicol. Ca urmare, efectele iradierii prin radiaţia împrăştiată se vor

manifesta până departe de zona ţintită de fascicolul incident.

Atenuarea fascicolului incident se caracterizează cantitativ printr-un coeficient de

atenuare lineară pe care-l vom nota C. Acesta scade lent odată cu creşterea energiei

fotonilor dar creşte exprimat odată cu numărul de electroni din unitatea de volum

(densitatea materialul). Astfel se explică proprietăţile absorbante deosebite ale

metalelor grele, cum este plumbul.

Geanerarea de perechi are loc atunci când un foton de energie înaltă

traversează câmpul electrostatic al unui nucleu. Dacă acest câmp este destul de

intens, energia fotonului se “materializează”, prin apariţia unui electron (e– ) şi a

unui pozitron (e+, antiparticula electronului). Materializarea nu poate avea loc decât

dacă energia fotonului depăşeşte de două ori energia de repaus a unui electron (0,511

MeV). Pragul teoretic al energiei fotonului este h > 2. 0,511 = 1,022 MeV. În

practică, atenuarea prin generare de perechi depăşeşte în amploare celelalte fenomene

la energii cu mult mai mari, neântâlnite în practica medicală, (5 MeV pentru plumb şi

25 MeV pentru apă şi carbon).

Diferenţa dintre energia fotonului şi cea necesară materializării, este regăsită ca

energie cinetică a electronului şi pozitronului. Această energie este absorbită de

mediu (Wabs), prin ionizări similare celor produse de radiaţia

Spre deosebire de electron, viaţa pozitronului este scurtă. După încetinirea

responsabilă de ionizări, la întâlnirea unui electron, perechea pozitron - electron

suferă reacţia de anihilare, energia particulelor transformându-se în două cuante ,

fiecare cu h = 0,511 MeV. Aceste cuante sunt emise pe o direcţie oarecare, în

sensuri opuse, şi intră în componenţa energiei difuzate (Wdif). Fotonii de anihilare

pot produce, în alte zone decât cea supusă iradierii primare, efecte fotoelectrice sau,

mai ales, Compton.

Dacă ne referim numai la pierderea de energie a fascicolului incident prin

generarea de perechi, aceasta se caracterizează prin coeficientul de atenuare lineară

p. Pierdere se datoreşte în special absorbţiei de către mediu, energia fotonilor

difuzaţi fiind o fracţiune redusă din cea a fotonilor ce a generat perechea. 127

Page 128: Ghid Complet

Coeficientul global de atenuare lineară va fi suma celor trei, corespunzătoare

fiercăruia dintre efecte:

= f + C + p

Contribuţia independentă la scăderea energiei radiaţiei incidente depinde de energia

fotonilor şi de mediul străbătut. În apă, fasciculele de fotonii cu diferite energii sunt

atenuaţi după cum urmează:

h50 KeV -------> predomină efectul fotoelectric

50 KeV h20 MeV -------> predomină efectul Compton

h20 MeV -------> predomină generarea de perechi

Indiferent de efectul considerat, radiaţiile X şi , prin natura lor au proprietăţi

ionizante directe slabe. Ionizările importante sunt indirecte şi se datoresc electronilor

acceleraţi care rezultă în urma fiecăruia din cele trei efecte discutate mai sus.

11.4. EFECTELE RADIOCHIMICE ALE RADIAŢIILOR IONIZANTE

Procesele chimice care au loc după ionizarea unor molecule de către radiaţii se

numesc efecte radiochimice. Aşa cum se va vedea, ionizarea conduce la ruperea

legăturilor covalente simple cu formarea de radicali liberi. Aceştia sunt fragmente de

moleculă având electroni neâmperecheaţi (celibatari), ceea ce îi face extrem de

reactivi. Reacţiile date de radicalii liberi sunt responsabile de toate consecinţele

chimice pe care le au radiaţiile ionizante asupra sistemelor vii.

În ecuaţiile chimice prezenţa electronului nâmperecheat se semnalează cu un

punct plasat în dreapta sus a radicalului, de exemplu OH. (radical liber oxidril) sau H

.

(radical hidrogen).

La iradierea unui sistem viu, vor suferi ionizări atât moleculele solventului apos

cât şi moleculele lui biologice. Apa va suferi procesul de radioliză, radicalii liberi

rezultaţi vor da reacţii care se vor repercuta, în moduri variate asupra

macromoleculelor sistemului. Realizându-se prin intermediul solventului, acestea se

numesc efecte radiochimice indirecte. Consecinţele ionizării macromoleculeor se

numesc efecte radiochimice directe.

128

Page 129: Ghid Complet

Efectele radiochimice indirecte ale radiaţiilor ionizante

Radioliza apei

Ionizarea unei molecule de apă are loc după reacţia

H2O ------> H2O+ + e–

La impactul cu particula ionizantă electronul, de masă mai mică, va avea o viteză

mai mare şi va fi proiectat departe de ionul de apă. Din acest motiv ionii vor rămâne

în vecinătatea traiectoriei particulei iar electronii împrăştiaţi mai la distanţă.

Fiecare din produşii de ionizare este instabil transformându-se conform reacţiilor:

H2O+------> H+ + OH . (lângă traiectorie)

e– + H2O ------> H . + OH – (la distanţă)

Principalele reacţii ale compuşilor de radioliză

Radicalii liberi formaţi se pot recombina oricum, dar distribuţia lor spaţială este

puţin propice re-formării apei:

H . + OH . ------> H2O

În schimb, radiacalii liberi de acelaşi tip se pot combina între ei:

H . + H . ------> H2 (la distanţă)

OH . + OH . ------> H2O2 (lângă traiectorie)

Dacă hidrogenul molecular este netoxic, apa oxigenată (H2O2) este un agent

oxidant foarte puternic, ce produce denaturarea ireversibilă a proteinelor.

S-ar părea că efectele denaturante rămân cantonate lângă punctele de ionizare, dar

nu este aşa din cauza prezenţei oxigenului molecular în mediile biologice. Radicalii

H. dau lanţuri de reacţii în urma cărora oxigenul este fixat ca apă oxigenată:

H . + O2 ------> HO2. (radical peroxid de hidrogen, oxidant extrem de

puternic)

2 HO2. ------> H2O2 + O2

H . + O2 ------> HO2.

129

Page 130: Ghid Complet

s.a.m.d...

Radicalii hidroxil şi peroxid pot fi responsabili şi de oxidarea unor grupări din

structura moleculelor organice, mai ales a celei –SH, cu formarea unor punţi –S–S –,

după reacţiile generale:

R1–SH + HS–R2 + 2 OH . ------> R1–S–S–R2 + 2 H2O

R1–SH + HS–R2 + 2 HO2. ------> R1–S–S–R2 + 2 H2O2

Rezultatul acestor reacţii este apariţia în timp a unor macromolecule cu structuri

primare alterate şi modificate ca funcţie.

Efectele radiochimice directe ale radiaţiilor ionizante

Moleculele organice, la fel ca şi moleculele de apă pot fi ionizate la nivelul unei

legături, urmarea fiind ruperea ei şi apariţia unor radicali liberi organici susceptibili

de a se combina între ei şi/sau cu cei rezultaţi din radioliza apei. Dacă luăm cazul a

numai două molecule organice afectate rezultă 4 radicali liberi:

Ra–Rb ------> Ra.+ Rb.

Rc–Rd ------> Rc.+ Rd.

Aceşti radicali se pot lega între ei în orice combinaţie şi, în plus, fiecare poate

adiţiona radicali H . sau OH . din mediul apos. Rezultă că şansa de refacere a

moleculelor originale este foarte mică în raport cu cea de apariţie a unora modificate.

Adesea, în cazul unor molecule complexe, excesul de energie nu rămâne localizat şi

să rupă legătura, ci se distribuie la mai multe legături sau se transferă de la o

moleculă la alta. Aceste reacţii de transfer a energiei nu sunt imediate. Uneori stările

active persistă mai multe ore sau zile şi reacţiile radiochimice se prelungesc mult

după iradiere. Astfel de post-efecte sunt foarte evidente la proteine şi acizi nucleici.

Oxigenul din mediu produce peroxidarea în lanţ a macromoleculelor, similar

mediului apos, conform reacţiilor:

130

Page 131: Ghid Complet

Ra–H + OH . ------> Ra. + H2O

Ra. + O2 ------> RaO2. (radical peroxid organic)

Rb–H + RaO2. ------> RaOOH + Rb.

Rb. + O2 ------> RbO2.

Rc–H + RbO2. ------> RbOOH + Rc.

Rc. + O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

s. a. m. d. . . . .

S-a putut, pornind de la o singură ionizare, să se pună în evidenţă formarea unui

lanţ de 70 de peroxizi organici.

Acţiunea asupra proteinelor

Proteinele sunt denaturate prin fragmentări, polimerizări, peroxidări şi formări de

punţi disulfidice. Efectele cele mai nocive asupra funcţiilor celulare sunt produse prin

inactivarea enzimelor.

Acţiunea asupra acizilor nucleici

Modificările radiochimice ale acizilor nucleici sunt foarte complexe. Alterarea

structurii chimice a bazelor azotate produce disocierea dublelor helixuri datorită

imposibilităţii de asociere a bazelor în perechi. Pe de altă parte, fiecare dintre

lanţurile dublului helix poate suferi ruperi. Frecvenţa ruperilor unui singur lanţ este

de 10 ori mai mare decât cea a ruperii în acelaşi loc a ambelor lanţuri. Faptul are

importanţă fiindcă în primul caz moleculele pot fi reparate, pe când în al doilea nu.

Aşa se explică sensibilitatea crescută la radiaţii a organismelor haploide (cu stocare a

informaţiei genetice într-un singur lanţ AND) faţă de cele diploide (când stocarea se

face într-un dublu helix).

Ruperile, chiar pe un singur lanţ, dacă nu sunt reparate rapid, pot conduce la

ramificări cu adoptarea de structuri tridimensionale, nerecognoscibile biochimic.

131

Page 132: Ghid Complet

Degradarea radiochimică a acizilor nucleici este responsabilă de efectele asupra

sintezelor celulare (alături de inactivarea enzimelor) şi, într-o fază ulterioară, de cele

genetice.

11.5. EFECTELE BIOLOGICE ALE RADIAŢIILOR IONIZANTE

Apariţia efectelor biologice la organismele expuse radierii este rezultatul

desfăşurării în timp a trei faze:

Faza reacţiilor elementare, foarte scurtă, de ordinul a 10–15 secunde, care

corespunde la a) interacţiunea primară care are ca rezultat excitarea şi ionizarea

moleculelor şi b) la reacţiile radio-chimice prin care apar radicali liberi şi rupturi

moleculare. Ea nu este influenţată de temperatură.

Faza reacţiilor chimice, care durează de la câteva secunde la mai multe ore. În

timpul ei, radicalii liberi şi moleculele excitate reacţionează între ele şi cu alte

molecule.Viteza acestor reacţii creşte cu temperatura, din care cauză se mai numeşte

faza termosensibilă.

Faza modificărilor funcţiilor şi structurilor celulare corespunde efectelor

manifeste ale bolii de iradiere. Acest stadiu biologic poate dura de la câteva ore la

mai mulţi ani. (Subiecţii puternic iradiaţi în noaptea accidentului de la Cernobâl au

sucombat până a doua zi la amiaz, pe când unele dintre victimele bombardamentului

de la Hiroşima au supravieţuit cu simptome manifeste 10 ... 20 de ani.)

Studiile experimentale asupra culturilor de celule iradiate cu doze creascătoare de

radiaţii au condus la următoarele concluzii privind unele funcţii celulare:

Funcţia celulară Doze mici Doze mariCreşterea accelerată diminuatăMitoza încetinită oprităMoatea celulară tardivă precoce

Este necesară o precizare a sensului terminologiei utilizate pentru moarte celulară.

Moartea celulară precoce înseamnă că în urma iradierii mor chiar celulele iradiate.

Moartea celulară tardivă caracterizează populaţia care este condamnată să dispară la

tentativa de reproducere a descendenţilor de generaţia a II-a, a III-a, a IV-a . . .etc.. Ea

semnifică faptul că celulele iradiate îşi pierd capacitatea de reproducere indefinită.

132

Page 133: Ghid Complet

Primele constatări asupra radiosensibilităţii au fost făcute de Bergonie-

Tribondeau în 1906. El a enunţat o “lege” care sumarizează caracteristicile celulelor

susceptibile la efecte letale:

O populaţie de celule este cu atât mai sensibilă le radiaţii cu cât 1) are viteza

proceselor metabolice mai mare; 2) este iradiată într-o fază mai precoce a mitozei şi

3) este mai nediferenţiată. Sunt “nediferenţiate” celulele care au un viitor cariocinetic

lung, deci morfologia şi funcţiile nu sunt definitiv fixate.

Această lege oferă un ghid simplu pentru măsurile de radioprotecţie medicală şi

pentru înţelegerea cazurilor în care se practică radioterapia. Radioprotecţia impune

să nu fie expuse radiaţiilor ţesuturile sănătoase sensibile: cele embrionare, cele

hematopoetice, gonadele, epiderma şi mucoasa intestinală. Pe de altă parte,

beneficiază de radioterapie tumorile cu celule de radiosensibilitate mare. Acestea

sunt, în general, sarcoamele (în special blastoamele) care sunt tumori cu celule

derivate din ţesuturile mezenchimale (nediferenţiate). Acestea satisfac în foarte bună

parte cerinţele specificate de Bergonie-Tribondeau.

11.6. UTILIZAREA DETECTORULUI GEIGER-MÜLLER SAU A

DETECTORULUI CU SCINTILAŢIE PENTRU DETERMINAREA

VARIAŢIEI CU DISTANŢA A FLUXULUI DE RADIAŢII

Emiterea spontană de radiaţii alfa, beta şi gamma de către unele nuclee se

numeşte radioactivitate naturală. Prin emiterea unei particule alfa are loc o

transformare a elementului dat într-un alt element pentru ca numărul de ordine al

elementului scade cu 2 unităţi, iar cel de masă cu 4 unităţi. Exemplu:

. În general: ZAX 2

4He + Z-2A-4 Y

În cazul emiterii de radiaţii beta numărul de masă A rămâne constant, iar numărul de

ordine Z creşte cu o unitate. Exemplu:

În general: + .

Particulele beta emise, nu se găsesc în nucleu, ele apar în timpul tranziţiei de la

proton în neutron şi invers când se emit şi particule de masă şi sarcină zero numite

neutrino şi antineutrino. Exemplu: + +10 β + o.

133

Page 134: Ghid Complet

La emisia radiaţiilor gamma, numărul atomic şi cel de masă rămân constante,

deoarece nucleul trece dintr-o stare excitată la una normală.

Dacă la un moment dat t = 0, există N0 nuclee radioactive, dintr-un element oarecare,

atunci numărul de nuclee rămase nedezintegrate N, după timpul t (în sec ) va fi:

N = N0.e- t, unde este constanta de dezintegrare. Valoarea ei depinde numai de

structura internă, specifică fiecărui radionuclid, nu şi de condiţiile exterioare. Legea

de mai sus ne indică faptul că numărul de nuclee rămase nedezintegrate scad

exponenţial cu timpul.

Pentru a caracteriza stabilitatea nucleului se utilizează în loc de , timpul de

înjumătăţire T1/2. El reprezintă intervalul de timp în care se dezintegrează jumătate

din numărul de nuclee iniţiale, N 0/2 , deci relaţia va fi:

= N0.e- t T1/2 =

Timpul de înjumătăţire este foarte diferit de la un nucleu la altul, fiind cuprins între

109 ani şi câteva s (microsecunde).emple de timpi de injumatatire

134

Page 135: Ghid Complet

Altă mărime folosită în practică este activitatea unei surse radioactive, notată cu

şi definită ca numărul de dezintegrări care au loc într-o secundă, într- o cantitate de

substanţă radioactivă. Activitatea este deci dată de scăderea în timp a numărului de

nuclee instabile N:

= - = N

Activitatea se măsoară în dezintegrări pe secundă . O dezintegrare pe secundă se

numeşte becqerel ( Bq). În practică e foloseşte Curie, 1 Ci = 3,7 . 10 10 dez/sec sau

Bq.

Pentru a pune în evidenţă şi pentru a măsura radiaţiile nucleare se folosesc

detectoare de radiaţii Detectoarele de radiaţii se bazează pe faptul că radiaţiile alfa,

beta şi gama produc direct sau indirect o cantitate de ioni prin mediile prin care trec.

Nucleele care apar în urma dezintegrării alfa şi beta sunt în general excitate şi revin

instantaneu la starea fundamentală prin emisia de fotoni gamma. Există însă şi

nuclee care rămân în stare excitată un timp mai îndelungat, stare metastabilă. Aceste

nuclee dau naştere la o radioactivitate gamma veritabilă, caracterizată prin propria

perioadă. Un fascicul de radiaţii emis de o sursă radioactivă, după ce a străbătut un

N

N0

N0/2

N0/4

T1/2 T1/4 t

135

Fig. 11.1. Scăderea în timp a numărului de nuclee instabile

N0.

Page 136: Ghid Complet

mediu oarecare poate fi caracterizat prin viteza de numărare produsă într-un detector

adecvat:

V =

Pentru cazul când ne interesează mai mult efectele biologice produse de către

radiaţiile, alfa, beta sau gama se folosesc alte mărimi ca: doza de ioni (măsurată în

Röentgen), doza de energie absorbită ( măsurată în Gray), sau doza biologică

( măsurată în Sievert) etc.

La trecerea radiaţiilor printr-un mediu oarecare ele sunt aborbite şi intensitatea lor

scade exponenţial cu distanţa parcursă în mediu conform relaţiei:

I = Io.e -

unde I0 este intensitatea fluxului incident, I intensitatea fluxului emergent,

coeficientul de atenuare, iar x distanţa parcursă prin mediul studiat.

 Put 11.Puterea penetranta a radiaţiilor:

Puterea p Hârtie Lemn Beton

Coeficientul se poate determina măsurând vitezele de numărare ale contorului,

V2 şi V1, corespunzătoare grosimilor stratului parcurs x2 şi x1, folosind expresia:

= k

136

α

β

γ

Page 137: Ghid Complet

Pentru a elimina valoarea constantei k, se fac măsurători relative pentru două

materiale, cunoscând coeficientul de atenuare al unuia dintre ele. Pentru fier =

0,455 cm-1, iar pentru plumb = 0,3 cm-1.

Detectorii se clasifică după principiul lor de funcţionare. Un dectector este

format din două părţi: a) un mediu în care radiaţia produce un efect specific

(scintilaţii, ionizări, efect fotoelectric sau efect Compton) şi b) un sistem de

înregistrare a efectului produs de radiaţii.

Detectorii cu scintilaţii se bazează pe apariţia de scintilaţii în cristalele anorganice

sau organice, atunci cînd acestea sunt lovite de particulele respective. Fotonii

scintilaţilor sunt înregistraţi cu ajutorul unui fotomultiplicator producându-se un

impuls de tensiune. Amplitudinea impulsului este proporţională cu numărul de

scintilaţii deci cu energia lor. Din acest motiv detectorul cu scintilaţii se foloseşte atât

la numărarea particulelor emise cât şi la măsurarea energiei lor. Detectorul Geiger-

Muller este un detector cu ionizări în gaz. El este constituit dintr-un tub metalic –

catodul- şi un fir central-anodul- ambele fiind introduse într-un cilindru de sticlă,

etanş. Amestecul de gaze conţine în general heliu sau argon plus vapori de alcool

etilic. Datorită simetriei cilindrice, intensitatea câmpului în jurul anodului va scădea

rapid odată cu distanţa faţă de aceasta. Între cei doi electrozi se aplică o diferenţă de

potenţial relativ mare, până la 2500 V. Radiaţiile alfa şi beta ionizează direct gazul

din tub, pe când radiaţiile gama ionizează gazul indirect prin electronii secundari.

Schema detectorului (contorului) Geiger-Muller: ubul Geiger-Muller

Utilizarea detectorului cu semiconductori „RADIATION ALERT”.

Anod Gaz la presiune joasă Catod

137

Sursa

Aparat demăsură

Page 138: Ghid Complet

Acest tip de detector portabil are tubul GM încasat în instrument. La intrarea unui

flux de particule ionizante în tub, acesta va declanşa un impuls electronic care este

semnalizat prin apariţia unei lumini roşii şi printr-un semnal sonor. Fondul cosmic

existent permanet poate fi înregistrat în fiecare minut şi are valori între 5 – 25

impulsuri pe minut, depinzând de locaţie şi de altitudine. Se selectează nivelul de

alertă la poziţia X1, iar dacă numărătorul depăşeşte scala aparatului se trece la

nivelurile superioare X10, X100. Semnalul sonor poate fi auzit acţionând butonul

ON/OFF/AUDIO. Se observă că atât indicatorul vizual de pe ecran cât şi cel audio

diminuează progresiv pe măsură ce se trece la nivele superioare de alertă. Pentru a

determina ce tip de radiaţie (alfa, beta sau gamma) provine de la o anumită sursă,

procedăm astfel:

- detectorul se poziţionează vertical cu partea din spate în apropierea sursei, iar

dacă se înregistrează un semnal, el poate proveni de la radiaţia gamma sau beta de

energie mare (deoarece razele gamma de energie joasă şi razele X cu energie de 10-

40 keV nu pot penetra peretele tubului GM, dar pot pătrunde prin fereastră).

- Se plasează o folie de aluminiu între instrument şi sursa, iar dacă indicaţia

ecranului se modifică, este vorba de radiaţie beta. Majoritatea izotopilor conţin atât

radiaţie gamma cât şi beta.

- Dacă în poziţia de mai sus nu se inregistrează semnal, se poziţionează

instrumentul cu fereastra spre sursă. Semnalul înregistrat poate proveni în acest caz

de la radiaţie alfa, beta sau gamma de energie joasă. Dacă se plasează o foaie de

hârtie între fereastră şi sursă, iar semnalul încetează, este vorba despre radiaţie alfa.

Intervalul de operare al instrumentului: 0-50 mR/h = miliRőentgens per oră, sau 0-

500 μSv/h = microSieverts per oră (gamma şi X) şi 0-50000 CPM = counts per

minute (alfa si beta). Sensibilitatea instrumentului având ca referinţă izotopul 60Co

este de 25 impulsuri/sec/1mR/h. Dacă se utilizează pentru detecţia 125 I, se recomandă

0.5 mCi sau mai mult. Nivelul minim detecţie este în acest caz aproximativ 0.02 μCi .

138

Page 139: Ghid Complet

Fig.11.3. a) Panoul frontal al detectorului de radiaţii. b) Poziţionarea sursei de radiaţii faţă de

detector.

Modul de lucru:

a) Indiferent ce tip de radiaţie urmează a fi detectată, se va face o determinare iniţială

a fondului cosmic, adică numărul de impulsuri/100 secunde înregistrate de instrument

în lipsa sursei studiate. La fiecare 100 secunde se notează valoarea (timp de cinci

minute) şi apoi se va face media, care reprezintă de fapt fondul cosmic. Determinarea 139

Page 140: Ghid Complet

numărului de particule radioactive care ajung la detector se face plasând sursa

succesiv la diferite distanţe: 20 cm, 15 cm, 10 cm, 5 cm, 1 cm. Se înregistrează de

fiecare dată numărul de impulsuri / 100 secunde, repetându-se măsurătorile de căteva

ori şi apoi se face media pentru fiecare distanţă aleasă. Numărul de particule care

provin exclusiv de la sursă se află prin scăderea fondului cosmic din valoarea medie a

impusurilor pentru fiecare distanţă. Se va reprezenta grafic numărul de impulsuri

provenite de la sursă, în funcţie de distanţă, iar din grafic se va determina distanţa de

înjumătăţire. Se completează tabelul următor:

Distanţa sursa –contorcm

Nr. impulsuri/100 secMăsurat Media

Nr.imp./100sec provenite de la sursa (media)

Infinita(fond cosmic) 0

1cm

5 cm

10 cm........

b) Se fixează distanţa dintre sursa radioactivă şi detector la una din valorile de mai

sus. Se introduc pe rând, între sursă şi detector, plăci de plumb de diferite grosimi şi

se înregistrează de fiecare dată numărul de impulsuri. Se va reprezenta grafic numărul

de impulsuri provenite de la sursă în funcţie de grosimea stratului de material

absorbant, iar din grafic se va determina distanţa de înjumătăţire. Apoi se va calcula

coeficientul de atenuare μ conform relaţiei X1/2 = =

140

Page 141: Ghid Complet

CUPRINS

I. PROPRIETĂŢILE GENERALE ALE LICHIDELOR

1. Determinarea coeficientului de tensiune superficială a lichidelor… ...12. Determinarea coeficientului de vâscozitate…………………………..63. Densimetrie………………………………………………………….114. Metode calorimetrice………………………………………………..18

II. MĂSURAREA PROPRIETǍŢILOR ELECTRICE ALE LICHIDELOR BIOLOGICE5. Conductometrie……………………………………………………..256. Studiul unei pile de concentraţie……………………………………32

III. PROPRIETĂŢI OPTICE ALE LICHIDELOR BIOLOGICE

7. Determinarea indicelui de refracţie al unei soluţii cu ajutorul refractometrului ABBE……………………………………………...................................388. Determinarea concentraţiilor soluţiilor optic active cu ajutorul polarimetrului…………………………………………………………...459. Microscopie optică. Ochiul-un sistem optic complex…………........5810. Spectrofotometrie. Absorbţia şi emisia radiaţiilor de către molecule ……………………………………………………………80

Utilizarea spectrofotometului UV-VIS pentru trasarea unei curbe de etalonare şi determinarea diferitelor forme ale hemoglobinei în

soluţii şi în sânge……………………………………………………89

IV. INTERACŢIUNEA RADIAŢIILOR CU MATERIA VIE

11. Clasificarea radiaţiilor. Surse de radiaţii……………………. …….111Efectele radiaţiilor neionizante………………………………. …....114

141

Page 142: Ghid Complet

Interacţiunea radiaţiilor ionizante cu materia vie, efecte radiochimice………………………………………………………..125Utilizarea detectorului Geiger-Muller sau a detectorului cu

scintilaţie pentu determinarea variaţiei cu distanţa a fluxului de radiaţii …………………………………………………………….130 BIBLIOGRAFIE SELECTIVǍ

SIMONA CAVALU

Colaboratori : Pop Leontin Loredana Bâţ

142

Page 143: Ghid Complet

EDITURA UNIVERSITǍŢII DIN ORADEA 2006

143

Page 144: Ghid Complet

144