Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологическо. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике красноярск 2004
 Скачать 10.98 Mb.
|
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
ОБОРУДОВАНИЕ:аппарат для электрофореза ПЭФ – 3, буферный раствор, краситель амидочерный, фильтровальная бумага, линейка, часы.ЗНАЧЕНИЕ МЕТОДАЭлектрофорез получил широкое распространение в медико-биологических исследованиях:
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Электрофорез – это направленное движение заряженных частиц (ионов) под действием внешнего электрического поля. Электрофоретическое разделение веществ на компоненты проводят в электролитах. Электролитами называются жидкости, проводящие электрический ток. Электропроводность электролитов обусловлена наличием в них свободных ионов – заряженных частиц, образующихся в результате диссоциации молекул солей, кислот, щелочей под влиянием растворителя (явление электролитической диссоциации). Ионы, сталкиваясь между собой в процессе теплового движения, могут рекомбинировать. Если в электролит поместить два электрода и соединить их с полюсами источника напряжения, то между электродами возникает электрическое поле. Под действием этого поля ионы, находящиеся в беспорядочном тепловом движении, начинают двигаться в определенных направлениях. Перемещение ионов между электродами происходит вдоль силовых линий напряженности электрического поля. Таким образом, электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение ионов под действием электрического поля. Рассмотрим условия, определяющие движение ионов при электрофорезе. Пусть в электролит помещены два электрода на расстоянии L друг от друга и к ним приложено напряжение U. Тогда напряженность электрического поля Е между электродами можно вычислить по формуле:  . (1)Согласно определению напряженности электрического поля (Е=F/q) можно найти силу, действующую на заряженную частицу со стороны данного электрического поля: Fэл=qE, (2) где Fэл – сила электрического поля, q – заряд иона или молекулы. При движении в электролите ион испытывает затруднение при перемещении, так как на него оказывают влияние молекулы окружающей среды. Подобно шарику в вязкой среде он испытывает сопротивление, пропорциональное коэффициенту вязкости η, радиусу исследуемого иона или молекулы R и скорости движения υ. По закону Стокса величина силы трения равна: Fтр= – 6πηRυ = – kυ, где k = 6πηR. (3) При подаче напряжения в начальный момент времени исследуемый ион движется ускоренно. Однако в дальнейшем его движение можно рассматривать как равномерное и прямолинейное. Поэтому можно допустить, что для иона или молекулы вещества при электрофорезе выполняется следующее уравнение: Fэл= Fтр. (4) Подставив в это уравнение выражения (2) и (3), получим: qE = –kυ. (5) Скорость движения исследуемого иона окажется равной:  . (6)Введем обозначение b = (q/k). Эту величину b называют подвижностью иона. Тогда формула (6) примет вид: υ = bE, (7) отсюда b =  . (8)Таким образом, подвижностью иона называют величину, численно равную скорости движения иона в электролите при напряженности электрического поля Е, равной 1 В/м. На практике скорость ионов υ можно определить, измерив расстояние Х, пройденное ими за время t: υ =  . (9)Подставив выражение (1) и (9) в формулу (8), получим:  . (10)Подвижность ионов и молекул является величиной индивидуальной, характерной для каждого конкретного иона или молекулы. Она зависит от величины заряда иона, его размеров, формы, массы, радиуса гидратной оболочки. Кроме того, подвижность определяется вязкостью среды, в которой движутся ионы. Поэтому по величине подвижности можно определить вид иона. Если же имеется смесь ионов или молекул, то можно разделить их в электрическом поле и по величине подвижности определить вид каждого из них. В качестве примера рассмотрим электрофорез ионов с различными значениями электрического заряда (рис. 1).  EMBED PBrush  Рис. 1. Расположение ионов в начале (а) и после (б) электрофореза (пунктиром отмечено место старта ионов). Группы молекул или ионов с одинаковыми или близкими параметрами, выделенные при электрофорезе (или другими методами), называются фракциями. Те молекулы или ионы, параметры которых существенно отличаются, отделить друг от друга несложно. Рассмотрим более подробно разделение на фракции белков сыворотки крови человека. С помощью электрофореза на бумаге выделяют 5 фракций: α1, α2, β, γ – глобулины и альбумины. Однако каждая из перечисленных фракций неоднородна и состоит из белков со слабыми различиями параметров. Чтобы достичь максимальной однородности фракций, для анализа используют усовершенствованные электролиты и носители (поддерживающие среды), на которых происходит разделение исследуемой смеси. Например, замена электролита со щелочного буфера на раствор трис-ЭДТА дала возможность дополнительно разделить альбумины, α1, α2, β, γ – глобулины и получить не 5 , а 9 фракций. Более совершенными носителями по сравнению с фильтровальной бумагой являются крахмальный, агаровый, полиакриламидный гели, ацетат-целлюлозные материалы и т.д. Если на фильтровальной бумаге происходит отделение друг от друга молекул, отличающихся по заряду, то в полиакриламидном геле группируются молекулы, сходные не только по заряду, но и по молекулярному весу. Использование этого геля дало возможность выделить из сыворотки крови уже 14 фракций. Так как белки сыворотки крови бесцветны, то после электрофоретического разделения электрофореграммы окрашивают соответствующими красителями. При этом интенсивность окраски фракции тем больше, чем больше содержится белка в данной фракции. Фотометрирование электрофореграмм дает возможность находить количественные соотношения этих выделенных фракций. На рис. 2. показан пример электрофореграммы сыворотки крови и ее количественный анализ при фотометрировании – денситограмма. а)  б  )5 4 3 2 1 Рис. 2. Электрофореграмма (а) и соответствующая ей денситограмма (б) сыворотки крови. (1– альбумин, 2– α1– глобулин, 3– α2–глобулин, 4 – β– глобулин, 5– γ–глобулин. Стрелкой показано движение ионов при электрофорезе). Другой прием расшифровки электрофореграмм заключается в разделении бумажной полоски по длине на отрезки, в каждой из которых содержится отдельная окрашенная фракция, отличающаяся от других подвижностью молекул. Каждый из отрезков помещают в отдельную пробирку с соответствующим растворителем. Через определенное время происходит элюирование (переход в раствор) содержимого данной фракции. Затем содержание белка в этих фракциях определяется на спектрофотометре или фотоэлектроколориметре. Чем выше концентрация белка в растворе, тем больше поглощение. Разделение белков и других биологических веществ на фракции применяется в клинической практике с целью диагностики заболеваний. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ В 2  данной лабораторной работе используется прибор ПЭФ – 3, применяемый в медицинской практике. Он состоит из электрофоретической камеры (рис. 3) и источника питания. Рис. 3. Электрофоретическая камера (объяснения в тексте). Электрофоретическая камера (рис. 3) разделена перегородкой на два отсека (1,2), в которые помещены две электролитические ванны (3,4), наполненные электролитом (5), и два электрода (6). Между электролитическими ваннами помещают полоску специальной бумаги (7), на которой происходит разделение исследуемого вещества на фракции. Перед включением камеру закрывают крышкой (8). ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
(ВНИМАНИЕ! СНИМАТЬ КРЫШКУ МОЖНО ТОЛЬКО, КОГДА КАМЕРА ОТКЛЮЧЕНА ОТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ!)
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЛИТЕРАТУРА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
ОБОРУДОВАНИЕ: электронный осциллограф, звуковой генератор, источник переменного напряжения. ЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ Электронный осциллограф – это измерительное устройство для визуального наблюдения функциональной зависимости двух величин, преобразованных в электрический сигнал. Электронный осциллограф широко используется для наблюдения зависимости переменной величины от времени, анализа быстропротекающих процессов и т.д. Изучение электронного осциллографа позволяет понять принципы работы большого спектра электронно-лучевых приборов, применяемых в медицине. К ним относятся:
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка, генератор развертки, блок синхронизации, усилители вертикального (Y - усилитель) и горизонтального (X - усилитель) каналов отклонения, блок питания (рис. 1).  Рис. 1. Блок-схема электронного осциллографа. Электронно-лучевая трубка (главная часть электронного осциллографа, рис. 2) представляет собой стеклянный баллон, в котором создан вакуум. На торец его расширенной части, являющейся экраном (Э), нанесен слой вещества, светящегося при бомбардировке электронами (катодолюминесценция), чаще всего это сульфид цинка и кадмия, излучающие зеленый свет. Совокупность электродов, позволяющая получить сфокусированный пучок электронов, называется электронной пушкой. Сюда относятся:
 Рис. 2. Электронно-лучевая трубка (пояснения в тексте). Таким образом, электронная пушка создает узкий направленный поток электронов – электронный луч. На пути электронного луча стоят две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: вертикально отклоняющие (ПY) и горизонтально отклоняющие (ПX). Если на какую-либо пару пластин подать напряжение, то между пластинами образуется электрическое поле, которое отклоняет электронный луч. Пластины ПY отклоняют луч в вертикальной плоскости, пластины ПX – в горизонтальной. Электроны, попавшие на экран (Э), необходимо отвести, чтобы экран не получил отрицательный потенциал, тормозящий полет последующих электронов. Для этого на внутреннюю часть боковой поверхности трубки наносится проводящий графитовый слой (A3), имеющий небольшой положительный потенциал относительно экрана. Сфокусированный пучок электронов на экране изображается светящейся точкой. Если на вертикально отклоняющие пластины ПY подать переменное напряжение, например синусоидальное, то на экране возникает вертикальная прямая (электронный луч под действием этого напряжения будет совершать колебания в вертикальной плоскости в такт исследуемому напряжению). Для развертки изображения исследуемого сигнала во времени нужно на горизонтально отклоняющие пластины ПX подать напряжение, линейно зависящее от времени. Причем электронный луч, пройдя постепенно по горизонтали путь от одного края экрана до другого, должен быстро возвратиться в первоначальное положение, повторив свою траекторию на экране. Такому условию удовлетворяет пилообразное напряжение (рис. 3), которое подается на горизонтально отклоняющие пластины от генератора развертки. При изучении периодических процессов применяется непрерывная развертка. При изучении непериодических процессов применяется однократная (ждущая) развертка – электронный луч “прописывает” на экране только одну строчку, а новую строчку может записать лишь после специального сигнала, запускающего генератор развертки.  Рис. 3. Пилообразное напряжение генератора развертки а) и сигнал поступающий на пластины ПX б). Часто запуск генератора развертки производится самим исследуемым сигналом. Для получения на экране электронно-лучевой трубки устойчивого неподвижного изображения необходимо, чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний. Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока синхронизации, изменяющего частоту пилообразного напряжения. Усилители горизонтального и вертикального каналов позволяют изменять напряжение, подаваемое на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. При этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлению. Блок питания обеспечивает преобразование сетевого переменного напряжения и подачу необходимых напряжений на электроды электронно-лучевой трубки (через делитель напряжения), усилитель, генератор развертки и другие узлы осциллографа. С помощью электронного осциллографа можно измерять величину исследуемого напряжения, т. е. использовать осциллограф в качестве вольтметра. Для этого необходимо знать чувствительность осциллографа -отклонение луча от центра экрана в миллиметрах при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1 В. Так как имеются две независимые отклоняющие системы ПX и ПY, то соответственно можно указать и две чувствительности SX и SY: SX=  , (1)SY=  , (2)где LX , LY – длины светящихся отрезков при подаче исследуемого напряжения соответственно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины, LX/2 и LY/2 – максимальные (амплитудные) отклонения луча от центра экрана, UXЭФ и UYЭФ – величины подаваемых синусоидальных напряжений по вольтметру (эффективные значения напряжений),  и  - амплитудные значения подаваемых напряжений.Зная чувствительность S и измерив длину светящегося отрезка L, можно найти величину отклоняющего напряжения по формуле: UЭФ=  . (3)Используя осциллограф, можно определить частоту исследуемого сигнала. Для этого на пластины ПX подают напряжение известной частоты (обычно 50 Гц) от сети, а на пластины ПY – напряжение неизвестной частоты. Генератор развертки при этом необходимо выключить. Электронный луч в данном случае участвует в двух взаимно перпендикулярных колебательных движениях. При сложении двух взаимно перпендикулярных синусоидальных колебаний электронный луч будет описывать фигуры Лиссажу (рис. 4), форма которых зависит от соотношения  Рис. 4. Фигуры Лиссажу при различных соотношениях частот 12 и фаз в вертикальном и горизонтальном направлениях (Y:X): а) 1:1, 0=0, б) 1:1, 0=/4, в) 1:1, 0=/2, г) 1:1, 0=3/4, д) 1:1, 0=, е) 2:1, 0=/2, ж) 3:1, 0=/2, з) 3:2, 0=/4, где 0 - разность фаз в начальный момент времени t=0. частот, фаз и амплитуд суммируемых колебаний. Фигуры Лиссажу будут неподвижны, если подаваемые частоты относятся как целые числа 1:1, 1:2, 1:3 и т.д. (см. рис. 4). Учитывая, что световое пятно на экране под действием переменных напряжений, подаваемых на пластины ПX и ПY, за каждый период дважды пересекает соответственно вертикальную и горизонтальную оси, соотношения частот можно определить по отношению числа точек пересечения фигуры Лиссажу с вертикалью и горизонталью:  , (4)где X и Y – частоты подаваемых напряжений на пластины ПX и ПY, nX и nY – число точек пересечения фигуры Лиссажу с горизонталью и вертикалью. Определив соотношение частот и зная одну из них (например, X=50 Гц), легко определить частоту изменений второго напряжения:  . (5)Заметьте, что вертикаль и горизонталь для определения частоты не следует проводить через узловые точки, точки внутренних пересечений фигуры Лиссажу. Для сложения двух синусоидальных колебаний вдоль одной прямой можно использовать следующую схему (рис. 5). Выход схемы подключают обычно к пластинам ПY.  Рис. 5. Схема для сложения двух переменных напряжений, совершающихся по одной прямой. (К1, К2 – размыкающие ключи, Тр1, Тр2 – согласующие трансформаторы). Ключи К1 и К2 служат для отключения/подключения одного из колебательных сигналов. Схема позволяет наблюдать гашение колебаний, если два колебания имеют одинаковую частоту и амплитуду, но совершают колебания в “противофазе” (то есть возрастание одного сопровождается убыванием другого и наоборот). В результате гашения UВЫХ уменьшается до нуля, и на экране будет видна прямая линия. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Задание 1. Подготовить электронный осциллограф к работе.
Задание 2. Получить развертку переменного напряжения.
Задание 3. Определить чувствительность пластин ПX и ПY.
Таблица 1
Задание 4. Измерить величину неизвестного напряжения.
Задание 5. Измерить частоту неизвестного напряжения.
Таблица 2
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЛИТЕРАТУРА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛЯРИМЕТРА ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
ОБОРУДОВАНИЕ: поляриметр, набор кювет с растворами. ЗНАЧЕНИЕ МЕТОДА Основные направления применения поляризованного света в медико-биологических исследованиях:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||