double arrow

Несколько слов об обработке спектральной информации


 

Задачи, относящиеся к проблеме пространственно-временной организации живых систем, решаются, в том числе, и методами спектрального анализа. Известно. что спектральные характеристики нативных клеток, полученные, в частности, в инфракрасном диапазоне, несут большое количество информации. Эти характеристики могут содержать информацию о концентрации биохимических компонентнов в клетке, об анизотропных свойствах образца, о дисперсии показателя преломления, о коэффициенте поглощения, об изменении градиентов биохимических составляющих клетки, о степени пространственной организации и т.д. Задача же исследователя заключается в трансформации огромного числа полученных данных на физиологическое состояние организма.

Методы НПВО позволяют вести анализ нативных клеток без их разрушения и по "слоям" (а клетки - это многокомпонентные гетерогенные сильнорассеивающие системы). Количественный анализ каждого из указанных выше параметров клетки требует создание адекватных моделей, в которых необходимо учитывать и структуру клеток, и их форму и размеры, и заполнение ими рабочих поверхностей измерительных элементов...

Для реализации сказанного требуется использование ЭВМ при работе со спектральными приборами, а также разработка целого пакета программ для получения и анализа перечисленной выше информации. Сейчас, с нашей точки зрения, исследователи стоят только в начале пути при решении новых компьюторных задач, поставленных для анализа интактных клеток.

В работе были использованы самые разнообразные спектральные приборы, работающие в различных спектральных диапазонах. С целью повышения интесивности использования ряда приборов разработаны аппаратные и програмные средства, обеспечивающие сопряжение с ЭВМ типа IBM/PC.

Например, регистрирующая часть спектрофотометра Spekord 75 IR содержит прецизионный потенциометр-датчик, ползунок которого синхронно передает движение измерительной диафрагмы и пера самописца. Это позволяет подавать измеряемую величину (коэффициент пропускания Т), т.е. пропорциональное ей напряжение на внешнее регистрирующее устройство, в нашем случае - на 10-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с пределами входного напряжения от 0 до 10 V и временем преобразования 20 мкс. Опорное напряжение VО подается на потенциометр от внешнего прецизионного источника. Величина VО согласована с верхним пределом входного напряжения АЦП. Напряжение смещения нуля на выходе АЦП при продолжительной работе не превышает ± 2 ед. М.З.Р., что обеспечивает измерение Т с погрешностью не более 0.2%. Погрешность же измерения Т по шкале ординат диаграммной бумаги в диапазоне от 1 до 0,1 составляет ± 1%, а в диапазоне от 0,1 до 0 - ± 1,5%.




Соединение АЦП с ЭВМ возможно осуществить посредством платы сопряжения, конструктивно выполненной в виде полуплаты в стандарте кросса ЭВМ. Сигнал запуска и готовности АЦП формируется и контролируется этой же платой. Цифровой код в ЭВМ передается двумя последовательными байтами. Программные средства обеспечивают синхронную работу прибора и ЭВМ, запись спектров и их обработку. Подпрограммное управление обеспечивает в диалоговом режиме задание режима записи спектра - диапазон по длинам волн, время записи спектра, полное число отсчетов. Подпрограмма обработки обеспечивает цифровую фильтрацию данных, измерение расстояния между пиками в спектре, вычисление площади под пиком, расчет показателей поглощения, оптической плотности и концентрации.

Как известно, сложные органические вещества имеют сравнительно широкую и немонотонную полосу поглощения. Для определения концентрации поглощающего вещества необходимо определить площадь под полосой поглощения. Графическое определение площади представляет весьма трудоемкую задачу. С помощью ЭВМ эта задача решается быстро и с высокой точностью. Рассмотрим некоторые методические аспекты, связанные с вычислением площадей.



В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера коэффициент пропускания Т определяется следующим образом:

 

I( ν )

Т( ν ) = ——— = exp [-k(ν)·c·d] , (2.1)

IО( ν )

 

где IО( ν ) - поток, падающий на кювету, I( ν ) - поток, прошедший через кювету, k(ν)- показатель поглощения, характеризующий поглощающее вещество, с - концентрация поглощающего вещества, d - толщина поглощающего слоя.

Конструкция спектрофотометра обеспечивает непосредственную регистрацию Т(ν) в линейном масштабе. Для определения коэффициента поглощения A(ν) = 1 - Т(ν) или оптической плотности D(ν) необходимо выполнить соответствующие вычисления. При проведении количественного

и с высокой точностью. Рассмотрим некоторые методические аспекты, связанные с вычислением площадей.

Оптическая плотность поглощающего вещества определяется следующими соотношениями:

 

 

IО(υ) 1

D(υ) = ln ------ = ln [ ----- ] = k(υ)cd, (2.2)

Ф(υ) Т(υ)

 

или

D*(υ) = lg [ ----- ] = e(υ)cd, (2.3)

Т(υ)

 

где e(υ) = 0,434 k(υ) - показатель ослабления.

При проведении количественного спектрального анализа обычно используют оптическую плотность, т.к. она, как правило, является аддитивной величиной. Формально выражения 2 и 3 эквивалентны, и на первый взгляд, безразлично, какое из них использовать для определения концентраций поглощающего вещества. Однако, это не совсем так. Пусть пик поглощения имеет ширину Δυ = 1 cм -1, а его форма - прямоугольник. В этом случае площадь S под пиком поглощения определяется довольно просто. Найдем следующие три площади [S1 = f(A), S2 = f(D), S3 = f(D*)] и построим графически зависимость от Т (рис. 2.1). Из представленных графиков следует, что наиболее быстро при изменении Т меняется площадь под пиком оптической плотости, выраженной через натуральный логарифм. Определим чувствительность SО = dS/dT и найдем ее соответственно для всех трех площадей:

 

 

df(A) d(1-T)

SО1 = ----- = ------ = -1, dS1 = ¦1¦dT

dT dT

 

 

df(D) d ┌ 1 ┐ 1 ¦ 1 ¦

SО2 = ------ = --- ¦ln -- ¦= - ---, dS2 = ¦ --- ¦dT

dT dT└ T ┘ T ¦ T ¦

 

 

df(D*) d ┌ 1 ┐ 1 ¦ 1 ¦

SО3 = --------- = ----- ¦lg ----- ¦ = - --------- , dS3 =¦ -------- ¦dT

dT dT └ T ┘ Тln10 ¦ Tln10 ¦

 

 

Cопоставление результатов, представленных на рис. 2.2, показывает, что чувствительность "натурального логарифма" имеет наибольшее значение, особенно в области малых значений Т. Таким образом приходим к выводу, что при автоматизации спектрофотометрических измерений целесообразно результаты представлять в виде D(υ) (2.2).

Спектрофотометр записывает спектры пропускания Т(ν) в аналоговой форме. Синхронно с отклонением пера регистрирующего самописца аналоговая величина преобразуется в цифровой код и передается в ЭВМ. На мониторе ЭВМ в реальном масштабе отображается регистрируемая спектрограмма. По завершении записи, если в этом есть необходимость, можно осуществить фильтрацию данных - провести сглаживание выбросов, обусловленных шумами. После чего первоначальные данные представляются в виде двух зависимостей D(υ) и D*(υ). Последовательно записываются два спектра - спектр фона То(ν) и спектр образца с фоном Т1(ν). На следующей стадии обработки происходит вычитание фона с формированием файла данных D(ν) = D1(ν) - Dо(ν). После этой операции оператор задает ширину полосы, в пределах которой подсчитывается площадь поглощения. Результаты расчетов автоматически записываются в файл протокола обработки с указанием всех параметров эксперимента.

Подобные аппаратные и программные средства могут быть легко адаптированы к любому спектральному прибору.

 


 

 


 

Заказать ✍️ написание учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Сейчас читают про: