МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ ВИННИЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. И.ПИРОГОВА

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ
ВИННИЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н. И.ПИРОГОВА
"Утверждено"
на методическом совещании
кафедры медбиофизики
Заведующий кафедрой
Профессор
И.И. Хаимзон
28. 08. 2012 г.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПО ТЕМЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ
ЗА ПОМОЩЬЮ САХАРИМЕТРА
Учебная дисциплина
Модуль №3
Содержательный модуль
№6
Тема занятия №16.2
Курс
Факультет
Медицинская и биологическая физика
Основы медицинской биофизики
Оптические методы и их использования в биологии
и медицине
Определение концентрации сахара в растворе с помощью сахариметра. Лабораторная работа №24.
1
Стоматологический
Винница - 2012
1.ТЕМA №16.2: ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В
РАСТВОРЕ С ПОМОЩЬЮ САХАРИМЕТРА.
Лабораторная работа №24
Актуальность темы:
Поляризованный свет широко используют в современной науке и практике для:
- изучение разных физических свойств веществ;
- изучение состава и строения молекул и, особенно, биологических
молекул (белков, липидов, ДНК, РНК и тому подобное);
- исследование оптически-анизотропных структур веществ и в том
числе тканей организма (мышцы, кости, нервные волокна и другие);
- исследование механических напряжений в сложных технических деталях и в тканях организма (кости, мышцы, сухожилия) с целью предотвращения их разрушения;
- изучение быстро протекающих процессов в веществах, молекулах,
при действии на них разного света и радиоактивности.
ІІ. УЧЕБНЫЕ ЦЕЛИ:
Знать:
- что такое поляризация светла;
- что такое обычные и необычные лучи, их свойства;
- поляризацию света при отражении и преломлении света; при двойном
лучепреломлении;
- явление дихроизму;
- формулу закона Брюстера и ее физическое содержание;
- источники поляризуемого света; механизмы образования поляризуемого света в них;
- оптическую схему поляриметра (сахариметра);
- строение и принцип действия сахариметра СУ- 3;
- что такое оптически-активное вещество,
- определение оптической вехе кристаллу;
- что такое главная плоскость поляризации кристалла?
- что такое удельное вращение оптически-активного вещества?
- использование поляризуемого света в биологии и медицине;
- что такое спектрополяриметр, их использования?
Уметь:
- определять концентрацию сахара в растворе;
- рисовать и объяснить ход лучей в призме Николя;
- записать и объяснить закон Био;
- записать и объяснить закон Малюса;
- уметь объяснить, как зависит показатель преломления обычного (n0)
и необычного (nе) луча от направления в кристалле;
- уметь объяснить, чем отличаются между собой анализатор и поляризатор в сахариметре и что в них общего.
ІІІ. МЕЖДИСЦИПЛИНАРНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ
Название предыдущих дисциПолученные базовые знания
плин
1. Курс физики в объеме про- 1. Понятие световой волны.
граммы для общеобразовательной школы.
ІV. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСХОДНОГО УРОВНЯ ЗНАНИЙ
Световые волны - это электромагнитные волны, к которым, кроме видимого (невооруженным глазом), относят также инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
V. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ
5.1. Новые определения:
1) Естественный свет: Рассмотрим акт элементарного излучения световой
волны, например, электроном. Такая волна имеет две составляющие: векторы
напряженности и . Вектор (в дальнейшем будем рассматривать лишь
его) всегда будет находиться в какой-то одной плоскости (рис.1), например,
ЕОr
Рис. 1
Такой свет слишком слаб, чтобы на него мог отреагировать наш глаз. Оказывается, что должно быть не менее 90 таких актов излучения в одну секунду,
чтобы человек заметил свет. Обычная вещь, что свет, которым мы в жизни
пользуемся, еще сложнее. У такого света, в результате хаотического движения элементарных источников света (электронов, атомов, молекул) присутствующие всевозможные направления колебаний (плоскостей колебаний)
векторов напряженности электрического поля а не так, как это показано на
рис. 1, где вектор колеблется лишь в одной плоскости EOr. Поэтому такой
свет называется естественным.
2) Поляризованный свет: излучение, в котором колебания вектора Е происходят лишь в одном направлении, называется поляризированым (например, излучение электрона в одиночном акте). Плоскость, в которой расположены вектор Е и вектор r, что определяет направление распространения
излучения (то есть световой луч), называется плоскостью поляризации. На
рис. 2а изображенная плоскость поляризации А, а на рис 2б приведены
условные
обозначения
поляризуемого
света
во
взаимноперпендикулярных плоскостях.
r
А
Рис. 2а
Плоскость поляризации (А)
- - - r
Рис. 2б Условные обозначения поляризуемого света
Свет, в котором колебание вектора Е одного направления преобладает
колебание других направлений, называется частично поляризуемым. Соотношение символических обозначений и характеризует степень поляризации
(рис.3). Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью
приборов, которые называются поляризаторами.
-
- r
Рис. 3 Условное обозначение частично поляризуемого света
3)
Поляризация света при отражении и преломлении: Рассматривают следующие виды поляризации:
- линейная или плоскостная; - круговая; - эллиптическая.
Мы будем изучать лишь первую из них. Как нам уже известно еще из
средней школы, световые волны являются поперечными. Поляризоваться могут лишь поперечные волны.
Свет
называется
плоскополяризованным
или
линейнополяризованным, если в нем происходят колебания только в одном направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны. На грани
разделения двух сред, например, диэлектрика и воздуха, часть световых лучей отражается, а часть преломляется. Оказалось, что отраженный луч и преломленный частично плоскополяризованные. Причем, в отраженном луче
колебания (вектора Е) происходят преимущественно перпендикулярно к
плоскости падения, а в преломленном - в плоскости падения. При определенном угле падения луча естественного света на границу разделения сред, отраженный луч оказывается полностью поляризуемым.
4) Закон Брюстера : Если угол падения мирового луча на предел разделения
сред равен поляризационному углу αБ (углу Брюстера), то отраженный
луч будет полностью линейно поляризованный, а преломленный только
частично поляризованный (рис.4)
N
Рис. 4
Поляризация светла при его отражении под углом Брюстера
где αБ - угол Брюстера; n - показатель преломления среды.
=n
5) Поляризация при двойном лучепреломлении: При прохождении света
сквозь кристаллы (за исключением тех, которые принадлежат к кубической системе) световой луч разъединяется на два луча, которые поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.5). Это явление получило название двойного лучепреломления. Для одного из этих двух лучей не выполняются законы преломления света (он отклоняется от
направления падающего луча даже при перпендикулярном падении на переднюю грань кристалла) и потому он называется необычным е. Второй
луч, который удовлетворяет законам преломления, зовется обычным о.
Двойное лучепреломление объясняют разными скоростями распространения обычных (ν0) и необычных (νе) лучей или разными показателями преломления n0 и ne.
е
-
-
-
-
-
-
-
-
-
о
Рис. 5 Двойное лучепреломление в кристалле
6) Оптическая ось кристалла. Главная плоскость в кристалле: В кристал-
лах существует направление, вдоль которого обычный и необычный лучи
распространяются с одинаковыми скоростями (νе = ν0 ), пространственно
не разделяясь. Это направление называется оптической осью кристалла.
Наибольшая разница скоростей обычного и необычного лучей наблюдается в направлении, перпендикулярном оптической осе кристалла. Плоскость в кристалле, которая проходит сквозь оптическую ось и падающий
луч называется главной. В обычном луче вектор Е колеблется перпендикулярно главной плоскости, а в необычном - в главной плоскости.
7) Призма Николя: Для пространственного разведения лучей используют
разные средства. Наиболее распространенным является использование
призмы Николя. Из кристалла исландского шпата вырезают определенным образом две призмы, а потом склеивают их канадским бальзамом,
показатель преломления nк.б. какого имеет значение, промежуточное между значениями показателей преломление исландского шпата для обычного
n0 и необычного nе излучал:
8) nе< nк.б < n0 (nе = 1,486; nк.б = 1,556; n0 = 1,658).
0
Рис. 6 Получение поляризуемого света с помощью призмы Николя
9) Изотропные среды - среды, в которых физические свойства света во всех
направлениях одинаковы;
10) Анизотропные середовища- среды, в которых эти свойства (например,
угол преломления, скорость светла) разные;
11) Поляризация светла при прохождении сквозь поглощающие анизотропные вещества. Явление дихроизму. Поляроиды:
В некоторых кристаллах, таких как турмалин, герапатит, один из лучей
при двойном лучепреломлении поглощается сильнее другого. Так, например,
в турмалине обычный луч поглощается практически полностью на пути длиной 1мм, а в герапатите - на пути 0,1 мм. Кристаллы герапатита наносят на
целлулоидную пленку, ориентируя их определенным образом. Такой поляризатор называется поляроидом. Следует определить, что для турмалина и герапатита характерное селективное поглощение не только в отношении лучей
с разными плоскостями поляризации, но и с разными длинами волн. Именно
поэтому поляризированый свет, что выходит из кристалла, оказывается
окрашенным, причем в разных направлениях расцветки разные. Это явление
называется дихроизмом. Таким образом, поляризаторы пропускают лучи с
определенной плоскостью поляризации, которую назовем плоскостью поляризатора, и задерживают лучи с колебанием Е, которые отражаются перпендикулярно к плоскости поляризатора.
12) Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами. Закон Био. Спектрополяриметр.
При прохождении плоскополяризованного света сквозь некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К ним относят некоторые кристаллы (например, кварц), жидкости (никотин, раствор сахара, скипидар), растворы биомо-
лекул (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов). Было установлено, что
угол вращения плоскости поляризации φ оптически активным веществом
представляется:
φ = φ0l
где l - расстояние, которое свет проходит в оптически активном веществе; φ0
- стала вращение, или удельное вращение.
Для растворов был установлен такой закон:
φ = [φ0]Cl
где С - концентрация оптически активного вещества; l - толщина слоя раствора (длина кюветы).
Удельное вращение [φ0 ] для данной оптической системы зависит от температуры, свойств растворителя и длины светлой волны. Зависимость [φ0] от
длины волны определяется законом Био:
[φ0] ~ 1/λ2, или φ =
где а - постоянная, которая зависит от природы вещества.
Применяя разные светофильтры, можно исследовать зависимость [φ0 ] от λ.
Эта зависимость называется дисперсией оптического вращения (ДОО). Явление ДОО используется для исследования структуры белков и нуклеиновых
кислот, поскольку в большинстве биомолекул находятся оптически активные центры.
Приборы, которые предназначены для исследования ДОО, называются
спектрополяриметрами. Молекулы оптически активных веществ принадлежат к классу оптических изомеров. Такие молекулы не имеют зеркальной
симметрии. При распространении луча сквозь вещество направление колебаний вектора Е будет постепенно вращаться все больше и больше. Величина
поворота плоскости поляризации раствором оптически активного вещества
окажется тем больше, чем большее количество оптически активных молекул
встретится на пути этого луча, то есть чем большая концентрация раствора и
толщина его слоя.
13) Поляриметрия. Оптическая схема поляриметра: Процесс вращения
плоскости поляризации света оптически активными веществами лежит в основе поляриметрии или сахариметрии - достаточно чувствительного метода
определения концентрации раствора оптически активных веществ. Приборы,
которые позволяют измерять угол поворота плоскости поляризации света
оптически активным веществом, называются поляриметрами. Поляриметры,
предназначенные для определения концентрации сахара в растворе, получили название сахариметры.
Для растворов активных веществ угол φ поворота плоскости поляризации пропорционален длине l пути светового поляризуемого луча в исследуемом растворе, а также его концентрации С :
φ = φ0Cl
Коэффициент пропорциональности φ0 называется удельным углом
Вращение плоскости поляризации или удельным вращением и характеризует
оптическую активность вещества.
Удельное вращение численно равняется углу, на который возвращается
плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны λ = 589
нм при его прохождении через слой раствора оптически активного вещества
толщиной l = 1 дм, который имеет концентрацию С = 1 г/100см3 при температуре 200С. Например, для раствора сахара φ0= 0,665 град/(дм г/100см3).
Следовательно, измерив с помощью поляриметра угол φ поворота плоскости
поляризации света исследуемым раствором, по известным l и φ0 можно
определить концентрацию раствора по формуле:
С=
Физическая суть поляриметрического метода определения концентрации раствора оптически активных веществ заключается в следующем: свет от
источника S поляризуется с помощью поляризатора Р (рис.7).
Р
Р
Рис. 7
При отсутствии кюветы К с исследуемым раствором поляризуемый луч
интенсивностью Іо попадает на анализатор А (на практике очень часто в роли
поляризатора и анализатора используются призмы Николя). Интенсивность I
световой волны, которая прошла через анализатор по закону Малюса
(І = І0соs2α) зависит от угла α между главными плоскостями анализатора и
поляризатора.
Вращая анализатор относительно поляризуемого светового луча как
оси вращения, на определенный угол α можно изменить интенсивность света, который вышел из анализатора, а, следовательно, и освещенность поля
зрения окуляра Ок. При α =𝜋 / 2 поляризуемый луч не попадает в поле зрения окуляра. В этом случае принято говорить, что анализатор установлен на
темноту. При расположении между поляризатором и анализатором кюветы
с раствором оптически активного вещества поле зрения посветлеет в результате поворота этим веществом плоскости поляризации света на некоторый
угол, который предопределяет частичное пропускание света через анализатор. Очевидно, что на такой же угол нужно повернуть анализатор, чтобы
опять установить его на темноту. На измерении этого угла и базируется поляриметрический метод определения концентрации растворов оптически активных веществ.
Поляризатор можно использовать для анализа поляризуемого света, в
этом случае его называют анализатором, или для получения поляризуемого
света и тогда его называют поляризатором.
14) Описание сахариметра СУ – 3 (приложение);
Закон Малюса – показывает зависимость между интенсивностью света
І, что прошла через анализатор и интенсивностью І0 - начальной, запишется так:
І = І0соs2α
где α - угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора;
15)
16) Использование поляризованного света в биологии и медицине: поляри-
зованный свет используется для изучения состава и структуры биологических молекул (белков, аминокислот, ДНК и РНК, пептидов и тому подобное); для количественного анализа биологических веществ; для исследования быстро протекающих процессов, например, структурных превращений в биологических молекулах при действии света или радиоактивного излучения. При действии на организм человека механических нагрузок
в разных местах тела (суставах, мышцах, костях) происходят деформации
тканей, иногда, очень опасные для здоровья
Задание: Обработка результатов измерений.
1.1. Вычислить значение удельного угла вращения α0 для раствора сахара в
пересчете на международную "сахарную" шкалу, то есть в градусах
Вентцке, учитывая правила действия с приближенными числами.
ПРИМЕЧАНИЕ: В угловых градусах α0 = 0,665 град/(дм г/100см3).
По данным таблицы 1 найти среднее значение 0 и
Вычислить среднее значение концентрации сахара в растворе за формулой:
C =
1.2. Для этого использовать найденное значение α0 в градусах Вентцке и l=
1 дм.
1.3.
Вычислить средние квадратичные отклонения Sφ0 i Sφ1, используя
данные таблицы 1.
1.4. Для надежной вероятности α = 99% и соответствующих критериев
Стьюдента вычислить надежные пределы:
δφ0 = ±
tst;
δφ1 = ±
tst
1.5. Воспользовавшись таблицей погрешностей непрямых измерений для
формулы (3), записать и вычислить относительную погрешность полученного результата для концентрации сахара в растворе Ес, а тогда, зная
и Ес,
найти доверительный интервал δс.
Примечание: При вычислении Ес относительными погрешностями Еα0 и Еl
можно пренебречь, как достаточно малыми по сравнению с относительной
погрешностью Еφ1 -φ0.
1.6. Записать конечный результат в виде надежного интервала:
С = C ±c
(для α = 99%)
5.2. Теоретические вопросы к занятию
1) Электромагнитная природа света. Естественный и поляризованный
свет.
2) Поляризация света при двойном лучепреломлении. Обычный и необычный лучи, их свойства.
3) Поляризация светла в анизотропных веществах. Оптическая ось кристалла. Главная плоскость кристалла. Плоскость поляризации.
4) Получение поляризованного света с помощью призмы Николя. Объяснить, используя соответствующий рисунок.
5) Поляризация света при отражении и преломлении. Записать и объяснить закон Брюстера.
6) Явление вращения плоскости поляризации света оптически активными
веществами. Определение удельного угла вращения.
7) Дисперсия оптической активности. Записать и объяснить закон Био.
8) Суть поляриметрических методов исследования. Закон Малюса.
9) Оптическая схема поляриметра (сахариметра). Строение и принцип
действия сахариметра.
10) Применение поляризуемого света для медико-биологических исследований.
5.3. Практическое задание:
Подготовить протокол Лабораторной работы №24 по принятой на кафедре схеме.
5.4. Задание для самоконтроля.
Выберите верные ответы:
1. Плоскость поляризации.
**А) проходит через вектор напряженности электрического поля и
направление распространения волны
Б) проходит через векторы напряженности электрического и магнитного
поля
В) образует угол 30˚ с плоскостью, которая проходит через векторы
напряженностей электрического и магнитного поля
Г) образует угол 60˚ с плоскостью, которая проходит через вектор напряженности электрического поля и направление распространения волны
2. Во сколько раз уменьшится интенсивность поляризованного света после
прохождения анализатора, если угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора представляет 60˚?
А) 3 раза
**Б) 4 раза
В) 2 раза
Г) 6 раз
3. Оптически активной называется среда, которая:
А) рассеивает свет
Б) поглощает свет
В) светится
**Г) способна вращать плоскость поляризуемого света
5.5. Литература
1. Емчик Л. Ф., Кмит Я.М. Медицинская и биологическая физика. - Л.:
2003.
2. Чалый О. В. Медицинская и биологическая физика. - К.: Книга плюс,
2005.
3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М., Высшая школа, 1987
4. Ливенцев Н.М. Курс физики, том 2, М., Высшая школа, 1978.
5. Дяков В.А. и соавторы. Лабораторный практикум из медицинской и
биологической физики. Издательство Вингосмедуниверситета, 1999.
Лабораторная работа № 2и.
6. Сайт кафедры МБФ ВНМУ им. М. И.Пирогова
VІ. АУДИТОРНАЯ РАБОТА
1. Выполнение лабораторной работы :
- 65мин.
 получение результатов измерений;
 обработка и анализ полученных результатов измерений;
 написание выводов к работе.
2. Тестовый контроль знаний студентов
- 10 мин.
3. Защита протокола лабораторной работы
- 10 мин.
4.Объявление результатов работы и задания
к следующему занятию
- 5 мин.