Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы мониторинга развития заболеваний и эффективности лечения 11
1.1. Роль активных ионов в жизнедеятельности живых организмов 11
1.2. Технологии исследования концентрации ионов 21
1.3. Вопросы разработки технологии мониторинга развития заболеваний 30
1.4. Постановка задач исследования 35
Глава 2. Модель проводимости жидкого электролита и метод мониторинга его ионного состава 38
2.1. Математическая модель проводимости жидкого электролита в электрическом поле высокой частоты 38
2.2. Метод оценки концентрации активных ионов жидких электролитов 55
2.3. Система для оценки концентрации активных ионов жидких электролитов 61
2.4. Обработка и анализ результатов исследования концентрации активных ионов жидких электролитов 70
Выводы 77
Глава 3. Метрологическое обеспечение измерения концентрации активных ионов в биосубстратах 80
3.1. Классификация источников погрешностей оценки концентрации активных ионов в биосубстратах 80
3.2. Анализ погрешности измерения концентрации 91
3.3. Методы и средства повышения точности измерения концентрации активных ионов 97
3.4. Метод и средства поверки системы измерения концентрации активных ионов 109
Выводы 115
Глава 4. Разработка измерительного канала системы для измерения активной концентрации ионов биосубстратов и экспериментальные исследования 117
4.1. Разработка измерительного канала системы оценки концентрации активных ионов биосубстратов 117
4.2. Исследование метрологических характеристик системы измерения концентрации активных ионов биосубстратов 120
4.3. Экспериментальные исследования концентрации активных ионов жидких электролитов
4.4. Особенности применения метода для исследования динамики ионного состава биосубстратов человека 144
Выводы 150
Основные результаты диссертации 151
Список литературы 152
- Технологии исследования концентрации ионов
- Метод оценки концентрации активных ионов жидких электролитов
- Анализ погрешности измерения концентрации
- Исследование метрологических характеристик системы измерения концентрации активных ионов биосубстратов
Введение к работе
Актуальность темы. Определение элементного состава биосред организма человека актуально при проведении целого ряда медико-биологических исследований: мониторинге состояния здоровья, оценке уровня работоспособности и эффективности лечения; формировании групп риска по гипо- и гиперэлементозам; скрининг-диагностических исследованиях больших групп населения; подборе рациональной диеты; составлении карт территорий риска заболеваний по различным формам патологий у детей и других возрастных групп населения; оценке взаимозависимости многосторонних связей цепи «человек-среда обитания»; составлении карт экологического природного и техногенного неблагополучия регионов.
Биожидкость организма представляет собой композитный электролит. Сегодня существует широкий спектр методов, позволяющих проводить лабораторный анализ ионного состава биожидкостей организма для рационального решения диагностических и лечебных задач медицинской помощи. Однако эти методы не обеспечивают необходимой точности оценки активной концентрации ионов в биожидкостях. Спектрофотометрические методы не позволяют выявить концентрацию активных ионов. Существующие потен-циометрические методы дают значительные погрешности из-за композита активных ионов. Некоторые методы позволяют определять ионный состав только ограниченного набора ионов, входящих в состав жидкости.
В настоящее время существует потребность развития медицинской аналитической техники для исследования биожидкостей в направлении нахождения универсальных методов, позволяющих определять концентрацию активных ионов и проводить мониторинг динамики их ионного состав.
Целью данной работы является разработка метода и системы для исследования ионного состава композитного электролита, позволяющих оценивать динамику концентрации активных ионов биосубстратов.
Для достижения поставленной цели определены задачи:
- разработка математической модели проводимости жидкого композитного электролита в электрическом поле высокой частоты;
- разработка метода оценки концентрации активных ионов композитного электролита;
- разработка системы для оценки динамики концентрации активных ионов биосубстратов;
- разработка компонентов метрологического обеспечения системы оценки динамики концентрации активных ионов биосубстратов;
- практическая реализация метода и системы;
- экспериментальная апробация предложенного метода и системы. Объектом исследования является система для оценки концентрации активных ионов биосубстратов.
Предметом исследования является информационное, методическое, метрологическое и аппаратное обеспечение системы.
Методы исследования. Исследование базируется на методах математического моделирования электрохимических процессов, методах синтеза информационно-измерительных систем, технологиях исследования метрологических характеристик измерительных систем, методах схемотехнического моделирования.
Новые научные результаты.
Автором получены следующие научные результаты:
1. Математическая модель проводимости жидкого композитного электролита в поле переменного тока, позволяющая выделить вклад отдельных видов ионов в процесс проводимости.
2. Метод оценки концентрации активных ионов жидких электролитов, позволяющий определить качественный и количественный состав жидких электролитов в широком диапазоне изменения концентраций.
3. Обобщенная схема системы оценки динамики концентрации активных ионов биосубстратов, позволяющая выявить содержание в биосубстратах широкого спектра активных ионов.
4. Структура источников погрешности оценки концентрации активных ионов биосубстратов;
5. Алгоритм поверки системы оценки динамики концентрации активных ионов биосубстратов для обеспечения воспроизводимости результатов измерений концентрации ионов биожидкостей организма.
Практическую ценность работы составляют:
1. Аналитические соотношения для оценки качественного и количественного состава жидкого композитного электролита;
2. Методика вычисления концентрации ионов по электропроводности композитного электролита в поле высокой частоты;
3. Измерительная система оценки концентрации активных ионов биосубстратов;
4. Результаты экспериментального исследования жидких композитных электролитов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Для диагностики некоторых заболеваний, основанной на оценке динамики концентрации активных ионов биосубстратов, можно использовать метод, заключающийся в измерении проводимости биожидкостей в поле высокой частоты;
2. Система для оценки концентрации активных ионов в биосубстратах на основе измерения их проводимости в поле высокой частоты должна обеспечить съем амплитудно-частотной характеристики в диапазоне от постоянного тока до частоты, при которой ограничена проводимость, выявить ступенчатый характер спада проводимости, обусловленный частотными свойствами активных ионов, обеспечить косвенное определение состава и концентрации биосубстратов по частным составляющим проводимости;
3. Для повышения чувствительности системы по измерению концентрации активных ионов в биосубстратах среди источников инструментальной погрешности особое внимание следует уделить стабильности и равномерности частотной характеристики генератора переменного тока, снижению емкостной составляющей измерительной ячейки и паразитных емкостей измерительного канала, а среди источников методической погрешности - температурной стабильности биосубстрата.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы нашли применение при выполнении научно-исследовательских работ «Автоматизированная система ранней диагностики онкологических заболеваний человека» (2003-2004 г.г.), «Метод и автоматизированная система для ранней диагностики рака» (2006-2007 г.г.), «Разработка концепции и теоретических основ новых информационных технологий повышения качества и безопасности жизнедеятельности человека» (2006-2008 г.г.), выполняемых в рамках программы Минобразования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы», «Фундаментальные исследования методов и систем природной среды, веществ, живых организмов и материалов», БЭС-60 (2002-2005 г.г.), «Разработка теоретических основ синтеза интеллектуальных биотехнических систем для диагностики, лечения и коррекции состояния человека», БЭС-61 (2003-2005 г.г.), «Разработка теоретических основ, информационных и математических моделей взаимодействия человека и биотехнического комплекса» БЭС-82 (2006-2007 г.г.). Результаты работы внедрены в практику научных исследований кафедры Биомедицинской электроники и охраны среды Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2003 - 2008 гг.), научно-технической конференции НТО РЭС им. А. С. Попова (2003 - 2008 гг.), всероссийской научно-технической конференции «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» (Махачкала, 2003 г.), Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов (Рязань, 2003 г.), 7-й Международной конференции по биомедицинской инженерии и медицинской информатике (Санкт-Петербург, 2003), Международном симпозиуме «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 2004 - 2008 гг.), конференции «Биотехнические системы в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2004 г.), III Международной научно-технической конференции (Минск, 2004), «Дне молодежной науки» (СПбГЭТУ, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 научных работы, из них — 7 статей (6 статей опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 17 работ - в трудах международных и российских научно-технических конференций и симпозиумов.
В первой главе диссертации приводится обоснование необходимости разработки метода и системы исследования ионного состава биожидкостей организма, основанного на процессах проводимости жидкостей в поле переменного тока.
Анализ значения минерального обмена организма показал, что активная концентрация минеральных веществ в биожидкостях организма является существенным диагностическим признаком ряда заболеваний, поскольку основное значение минерального обмена заключается в поддержании определенных физико-химических условий во внутренней среде организма, в формировании и сохранении структур плотных тканей (скелета), а также в специфической регуляции ферментативных реакций.
Исследование характеристик существующих методов и систем выявило, что выделить наиболее предпочтительный в использовании метод не представляется возможным. Главным недостатком рассмотренных методов проблема предварительной оценки пробы: в ней может быть найдена концентрация лишь тех видов ионов, на которые настроен прибор.
В результате анализа стала очевидной необходимость создания универсального метода, позволяющего определять состав пробы без необходимости прогнозирования, какие именно ионы могут быть в ней обнаружены. По совокупности рассмотренных параметров сделан вывод, что пути решения по ставленной задачи следует искать среди электрохимических методов исследования.
Поскольку в настоящее время достаточно хорошо изучены лишь частные случаи проявления электропроводности жидкостей: на постоянном токе и на определенных частотах переменного тока - существует потребность в подробном изучении и разработке полной теории электропроводности жидких сред в широком диапазоне частот.
Во второй главе разработана теория электропроводности жидких электролитов в поле переменного тока, на основе этой теории предложены метод и система оценки активной концентрации ионов в жидкостях.
Поскольку электропроводность композитного электролита есть суперпозиция частных электропроводностей компонентов, входящих в его состав, на первом этапе разработана математическая модель проводимости однокомпонентного жидкого электролита.
На основе данной модели разработана математическая модель композитного жидкого электролита. Данная математическая модель показала, что спад АЧХ электропроводности композитного электролита носит ступенчатый характер: каждая ступень спада АЧХ соответствует исключению из процесса определенного вида ионов.
Анализ полученной математической модели позволил предложить метод оценки концентрации активных ионов в жидких электролитах. Предлагаемый метод оценки концентрации активных ионов состоит в измерении проводимости композитного электролита в заданном диапазоне изменения частоты поля, воздействующего на электролит, и последовательном анализе полученной АЧХ проводимости комплексного электролита.
Разработанная система оценки концентрации активных ионов электролитов позволяет обеспечить реализацию предложенного метода оценки ионного состава жидких композитных электролитов. Данная система относится к классу информационно-измерительных систем.
Третья глава диссертации посвящена аспектам метрологического обеспечения измерения концентраций активных ионов биожидкостей. С це-лью изучения факторов, влияющих на точность оценки концентрации активных ионов, был проведен анализ источников погрешности, возникающих на всех этапах измерения и обработки результатов экспериментов, выделены основные источники инструментальных и методических погрешностей.
Анализ погрешности измерения позволил определить основные пути повышения точности измерения концентрации активных ионов. В целях обеспечения воспроизводимости результатов оценки концентрации активных ионов биосубстратов в работе предложен алгоритм поверки разработанной системы.
В четвертой главе диссертации проведена разработка измерительного канала системы оценки концентрации активных ионов биосубстратов, приведены результаты метрологического исследования системы, результаты экспериментальных исследований качественного и количественного состава биосубстратов.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность практического использования разработанных метода и системы измерения концентрации активных ионов жидких электролитов для исследования динамики концентрации активных ионов биожидкостей организма.
Технологии исследования концентрации ионов
Сегодня существует широкий спектр методов, позволяющих проводить лабораторный анализ ионного состава биожидкостей организма для рационального решения диагностических и лечебных задач медицинской помощи.
В современной клинической медицине наиболее широкое распространение получил биохимический анализ, в ходе которого в биосубстратах (кровь, моча, слюна, спинномозговая жидкость) определяется концентрация ионов А , Na ,Fe ,Zn , Са , фосфат-ионов [12].
Наиболее широко сегодня используется метод атомно-абсорбционной спектрофотомерии, отличающийся высокой чувствительностью и возможностью определения химических элементов, находящихся в биосубстратах в очень низких концентрациях. В последнее время отмечается распространение методов определения с помощью атомной эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и масс-спектрометрии. Эти методы позволяют в одной пробе биосубстрата одновременно определить содержание десятков химических элементов, что необычайно важно для оценки их взаимодействия и взаимовлияния в организме человека.
Наиболее информативными для целей диагностики следует считать ткани или органы, которые вовлечены в процессы депонирования и аккумуляции химических элементов для их дальнейшего функционального использования. Сегодня такими тканями и органами принято считать кровь, мочу и волосы [91].
Кратковременные по экспозиции и значительные по степени отклонения элементного статуса изменения отражены в их концентрациях в жидких средах организма, тогда как твердые ткани характеризуют элементный статус, формирующийся в течение длительного времени (месяцы, годы) [106]. Рассмотрим наиболее распространенные методы определения элементного состава биосубстратов. Эмиссионные спектральные методы: Атомы металлов, присутствующие в растворе в виде солей, попадая в раскаленный газ горячего пламени, теряют часть внешних электронов, превращаясь в положительно заряженные ионы. Электроны остаются в той же среде, суммарный заряд которой, таким образом, нейтрален. В данной высокотемпературной плазме кинетическая энергия движения ионов находится в равновесии с их внутренней энергией, что создает условия для возвращения электронов в прежнее состояние через небольшой промежуток времени. При этом излучается квант света. Если пламя освещается светом с соответствующей длиной волны, ион поглощает квант света, переходя в возбужденное состояние (то есть происходит обратный процесс) [37]. Поскольку квантовые состояния атомов строго детерминированы, переход из одного энергетического состояния в другое сопряжен с испусканием или поглощением света совершенно определенной, строго фиксированной длины волны. Причем, поскольку при реальных температурах пламени в аналитических приборах речь идет только об одном, самом низком уровне возбуждения, следовательно, атом в таких условиях может излучать и поглощать свет только одной определенной длины волны.
Данное явление используется в двух аналитических методах: пламенной фотометрии и атомной абсорбциометрии. В первом случае речь идет об эмиссии света, во втором - о его поглощении. Пламенная фотометрия Метод используется для рутинного определения некоторых элементов в пробах хорошо известных объектов (плазма крови, моча) [56]. При проведении пламенной фотометрии измеряется длина волны излучаемого света при переходе атомов плазмы из возбужденного в невозбужденное состояние. Однако, если в пламени присутствует несколько элементов, более интенсивная линия спектра делает менее интенсивные практически невидимыми, что приводит к помехам при анализе. Помехи возникают и вследствие диффузного, или фонового свечения, которое наблюдается на месте линии и в отсутствие излучающего иона.
Существует несколько возможных схем работы пламенного фотометра: прямой способ определения концентрации электролитов, компенсационный и с внутренним стандартом [111]. В прямом способе, который обычно используют при определении натрия или калия в сыворотке крови или моче, исследуемый материал разводят водой в 50 или 100 раз и сжигают на пламенном фотометре. Эмитируемый свет, проходя через светофильтр, попадает на фотоприемник, сигнал которого пропорционален количеству исследуемого элемента. Такое прямое измерение оказывается эффективным только при условии, что исследуемого элемента много и у него яркие линии, как в случае натрия. Если же концентрация исследуемого вещества невелика по сравнению с содержанием других элементов, спектральные линии которых более интенсивны и создают помехи при анализе, необходимо использовать более сложные приемы. Более эффективным в данном случае представляется использование монохроматоров, однако это неизбежно приводит к удорожанию анализа. Кроме того, светосила монохроматоров, как правило, невелика, поэтому необходимы более чувствительные и, следовательно, более дорогие светоприемники [38].
Используя компенсационный метод, одновременно выделяют два пучка света - первый соответствует линии исследуемого элемента, второй - того элемента, который мешает определению (для биожидкостей в таком положении оказывается натрий). Оба сигнала включаются навстречу друг другу, прибор фиксирует разность между ними, тем самым вводя поправку на концентрацию мешающего элемента [26].
Метод внутреннего стандарта состоит в разведении исследуемой биожидкости не водой, а раствором элемента, которого нет в биологическом материале, чаще всего солями лития. В процессе анализа делают два измерения: на длине волны, характерной для линии определяемого элемента, и на длине волны линии внутреннего стандарта. Если показания стандарта отличаются от того, которое было при калибровке, вносят соответствующую поправку и в измеряемую величину.
Метод оценки концентрации активных ионов жидких электролитов
Анализ полученной нами математической модели проводимости позволяет предложить метод оценки концентрации активных ионов в жидких композитных электролитах. Для определения концентрации активных ионов в таких электролитах необходимо производить съем и анализ АЧХ электропроводности электролита.
Таким образом, предлагаемый метод оценки концентрации активных ионов в жидких электролитах состоит в измерении проводимости композитного электролита в заданном диапазоне изменения частоты поля, воздействующего на электролит, и последовательном анализе полученной АЧХ проводимости комплексного электролита.
В основе метода лежит разработанная модель электропроводности композитного электролита в поле переменного тока. Как было показано (см. раздел 2.1), характер спада амплитудно-частотной характеристики определяется исключительно характеристиками ионов: массой, эффективным радиусом, величиной заряда, активной концентрацией. Ход определения ионного состава жидких электролитов Для оценки ионного состава жидкого электролита используем контактную микрокондуктометрическую ячейку, в которой электроды погружены в исследуемую среду.
Основные параметры, используемые при проведении расчетов (вязкость жидкости, скорость движения ионов) зависят от температуры. Для обеспечения воспроизводимости результатов исследования необходимо стандартизировать условия проведения эксперимента.
Однако, строго говоря, под «нормальными условиями» в различных ситуациях понимаются несколько отличные друг от друга параметры среды.
Рассматриваемая система включает в себя исследуемую жидкость и набор технических средств для ее анализа. Внешние же условия должны отвечать как требованиям к сохранности исследуемого образца, так и требованиям к условиям эксплуатации используемой аппаратуры.
При этом силы ионного взаимодействия приводят к пространственного заряда, в районе каждого иона. Область пространственного заряда, названная Дебаем и Хюккелем ионной атмосферой, не имеет постоянной структуры; ее структура статистически обусловлена.
Электростатическое действие ионной атмосферы на центральный ион уменьшает его активность. Следовательно, можно сделать вывод о необходимости разбавления концентрированных растворов электролитов во избежание дополнительных погрешностей. Измерение комплексной проводимости при изменении частоты сигнала Измерение носит косвенный характер, поскольку напрямую измеряется величина падения напряжения на кондуктометрической ячейке, а затем по ней оценивается значение комплексной проводимости.
На основе полученных данных строится график АЧХ комплексной электропроводности. Его анализ позволяет найти величины частных проводимостей, соответствующих вкладу в процесс проводимости каждого вида ионов. Определение качественного состава электролита Виды ионов, входящих в состав электролита, определяются по данным о характеристических частотах спада проводимости для каждого вида ионов. При этом используется информация из двух источников: - результаты конкретных измерений; - составленные заранее справочные таблицы по соответствию различных частот спада проводимости определенным типам ионов. При работе с данными двумя источниками ведется сравнительный анализ данных, полученных в результате эксперимента, и данных, содержащихся в соответствующих таблицах. Вычисление частных концентраций ионов, входящих в состав электролита Поскольку спад проводимости имеет ступенчатый характер, и на каждой ступени фактически происходит вычитание вклада в электропроводность определенного вида ионов, то не существует опасности недоучета вклада в электропроводность двух находящихся рядом на графике видов ионов, даже если их концентрации в исследуемом растворе практически равны. Анализ полученного результата Данный анализ производится в зависимости от рода электролита и задачи, поставленной в ходе эксперимента. На последнем этапе полученный результат выводится в требуемом виде и при необходимости производится отбор следующего образца. Перед отбором следующего образца обязательным являются процедуры по полной очистке системы от следов изучения предыдущего образца во избежание дополнительных погрешностей при проведении последующих измерений.
Подводя итог, можно сделать вывод о том, что разработанная математическая модель проводимости композитного электролита позволяет построить на ее основе принципиально новый универсальный метод исследования ионного состава жидких композитных электролитов.
Анализ погрешности измерения концентрации
При этом сама поверка представляет собой совокупность следующих этапов, соответствующих приведенному алгоритму: 1. Этап проверки утечек монтажа (коэффициента передачи системы) для его осуществления производится сравнение сигнала на постоянном токе, снимаемого непосредственно на выходе генератора, и сигнала, снимаемого до преобразователя переменного напряжения измерительным вольтметром при исключении из цепи кондуктометрической ячейки. При этом в случае обнаружения значительных несоответствий алгоритм дальнейших действий выглядит следующим образом: - проводится сравнительная оценка точности применяемых вольтметров; - съем сигнала с помощью измерительного вольтметра проводится в разных точках цепи для определения источника помех. Кроме того, при съеме сигнала с генератора следует параллельно оценить его временную стабильность. 2. Этап проверки потерь на выпрямление сигнала - метод проведения проверки остается прежним. Принципиальное отличие состоит в том, что съем сигнала с помощью измерительного вольтметра в данном случае проис ходит после его преобразования. На данном этапе в случае обнаружения несоответствий следует пересмотреть схему выпрямления сигнала, поскольку при подаче переменного сигнала подобные эффекты будут усиливаться. 3. Этап проверки чистоты ячейки и электродов - производится на по стоянном сигнале при помещении в кондуктометрическую ячейку дистилли рованной воды высокой очистки. Измеренное значение проводимости не должно превышать 5 мкСм/см (при 20С). В случае получения значений на более высоком уровне следует усовершенствовать систему очистки ячеек. I 113 4. Этап проверки коэффициента деления напряжения на постоянном токе - производится на постоянном сигнале при помещении в ячейку эталон ного электролита с заранее известным ионным составом и концентрацией. При этом алгоритм проверки следующий: - математический расчет ожидаемого значения коэффициента деления для данного электролита; - съем показаний с измерительного вольтметра; - сравнение полученного результата с ожидаемым. В случае значительной разницы между расчетным и экспериментально полученным значением следует произвести проверку входящего в состав системы эталонного сопротивления. 5. Этап проверки стабильности амплитудно-частотной характеристики генератора на рабочем диапазоне частот. Данная проверка осуществляется путем съема сигнала напрямую с генератора при постепенно увеличении час тоты сигнала в рабочем диапазоне. В случае незначительных отклонений от стабильной работы в ряде частотных областей следует организовать в процессе измерений обратную связь для компенсации данной нестабильности.
Этап проверки отсутствия паразитных емкостей монтажа - произво дится сравнение сигнала на переменном токе, снимаемого непосредственно на выходе генератора, и сигнала, снимаемого до преобразователя переменно го напряжения измерительным вольтметром при исключении из цепи кон дуктометрической ячейки. При этом в случае обнаружения значительных несоответствий алгоритм дальнейших действий выглядит следующим образом: - проводится сравнительная оценка точности применяемых вольтмет ров (в случае, если подобная проверка не потребовалась на первом этапе по верки); - съем сигнала с помощью измерительного вольтметра проводится в разных точках цепи для определения источника помех. 7. Этап проверки схемы выпрямления сигнала на рабочем диапазоне частот - осуществляется путем сравнения сигнала, снятого напрямую с гене ратора, с сигналом, снятым после его преобразования, при постепенно уве личении частоты сигнала в рабочем диапазоне. Кондуктометрическая ячейка при этом по-прежнему исключена из цепи. В случае обнаружения несоответствий, как и на этапе 2, следует пересмотреть схему выпрямления сигнала, поскольку точность сигнала, снятого после выпрямления, в конечном счете, является определяющей для точности метода. 8. Этап проверки коэффициента деления напряжения на переменном токе - производится при помещении в ячейку эталонного электролита с зара нее известным ионным составом и концентрацией. При этом алгоритм проверки полностью соответствует алгоритму, приведенному для этапа 4: - математический расчет ожидаемого значения коэффициента деления для данного электролита; - съем показаний с измерительного вольтметра; - сравнение полученного результата с ожидаемым.
В случае значительной разницы между расчетным и экспериментально полученным значением следует произвести проверку входящего в состав системы эталонного сопротивления, если данная проверка не требовалась на этапе 4. Кроме того, следует произвести аналогичные измерения для кондукто-метрических ячеек с другими параметрами для проверки возможности шунтирования активного сопротивления ячейки реактивной составляющей. 9. Этап сравнения результатов измерений для эталонного электролита с имеющимися данными о его качественном и количественном составе. Данный этап является завершающим этапом поверки и осуществляется с учетом всех изменений и поправок, внесенных в систему и в сам процесс эксперимента по результатам осуществления предыдущих этапов. В случае успешного определения состава эталонного электролита производится практическая оценка точности метода [13]. Следует отметить, что для полной поверки системы эталонных электролитов должно быть несколько, причем, учитывая, что метод предполагается использовать для исследования биожидкостей организма, это должны быть следующие электролиты: - бинарный электролит средней концентрации; - бинарный электролит высокой концентрации; - бинарный электролит низкой концентрации; - композитный электролит с числом видов ионов не менее четырех; - биожидкость, состав которой исследован потенциометрическим методом с применением ионоселективных электродов.
Исследование метрологических характеристик системы измерения концентрации активных ионов биосубстратов
На данном этапе исследования метрологических характеристик системы был проведен параллельный съем сигнала на выходе генератора и на выходе выпрямителя на постоянном сигнале. Результаты проверки показали, что потери на выпрямление сигнала составляют порядка 3%, что следует учитывать при определении концентрации ионов, содержащихся в исследуемом электролите - необходимо внести соответствующий весовой коэффициент при расчете величин проводимости {U3C(3Kcn) - величина падения напряжения на эталонном сопротивлении, измеренная в ходе эксперимента).
Очистка ячеек производится с помощью концентрата для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации медицинского инструментария лизоформина. Данный концентрат не оказывает повреждающего действия на обрабатываемые поверхности, обладает моющими свойствами, не требует добавок моющих средств, не содержит фенолы, фосфаты и окисляющие вещества, средство стабильно в известковой воде, биологически разлагается.
Очистка производится следующим образом: ячейка, предварительно промытая дистиллированной водой, на 15 минут опускается в 2% раствор концентрата. Затем производится сушка ячейки в изолированном пространстве [50].
Данная система позволяет обеспечить высокую степень чистоты ячеек: при температуре 20С измеренное значение проводимости ячейки, заполненной дистиллированной водой высокой очистки, составляет около 5 мкСм/см.
Как видно из приведенного графика, АЧХ выходного напряжения генератора гармонического сигнала стабильна на всем диапазоне частот. Незначительные отклонения возникают лишь на предельных частотах измерения (порядка 20 МГц).
Однако, поскольку речь идет о прецизионных измерениях, данную особенность следует учесть при проведении исследований биосубстратов. Как было показано в разделе 3.2, инструментальные погрешности определения концентрации напрямую связаны с инструментальными погрешностями определения проводимости исследуемого электролита. Однако, как показал этап проверки потерь на выпрямление сигнала, нормированное значение выходного сигнала остается стабильным на всем частотном диапазоне.
Результат практически совпадает с расчетным, следовательно, можно сделать вывод, что выбранный резистор эталонного сопротивления позволяет обеспечить требуемый коэффициент деления на переменном токе.
Этап сравнения результатов измерений для эталонного электролита с имеющимися данными о его качественном и количественном составе
В данном случае поверка проводилась по двум бинарным электролитам: водному раствору NaCl в концентрации Сw = 0,1 моль I л и водному раствору СаС12 в концентрации См =0,005 моль/л (данные концентрации соответствуют содержанию Na+, Са2+ и СГ в плазме крови в норме).
В целях повышения точности результатов измерений для каждого образца электролита была проведена серия экспериментов (каждая серия состояла из 5 измерений) и статистическая обработка полученных результатов.
Все таблицы результатов, представленные в главе, содержат данные о среднем арифметическом результатов. Величины доверительных интервалов для представленных значений указаны на графиках АЧХ и обозначены кривыми gmaxj и gmini. В таблицах приведены наиболее информативные из полученных данных.
