Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Po dvou minulých dílech máme v epoxidu zalité uhlíky z baterky alias konduktometrickou celu a sadu kalibračních roztoků vyrobených rozpouštěním NaCl nebo KCl ve vodě, nebo alepoň ocet z Kauflandu, který by teda měl mít 1700 us/cm.

Zbývá poslední věc a to je samotná elektronika. Musím přiznat, že za svou vidláckou kariéru jsem vyrobil několik konduktometrů od úplně prasáckých - kde střídavý signál generovala NE555 a ani mi nevadilo že nemá přesně 50% střídu a tím nulový DC offset - po pokusy o "vědu elektronickou" a tedy různé monstrózní konstrukce s "DC servem" aby ten offset byl nulový.

Konduktometr na obrázku je "přistroj střední složitosti", který za málo peněz poskytne dostatečné množství muziky. Takže postupujeme zleva první operační zesilovač je oscilátor, který vyrábí pravoúhlý signál na frekvenci kolem 5 kHz - konduktometrie střídavým proudem se obvykle dělá na jedné ze 3 frekvencí 1, 2, nebo 5 kHZ - z důvodu rychlé odezvy pro připadnou digitalizaci procesorem jsem vždy používal 5 kHz.

Amplitudu oscilátoru omezují a vlastně celou přesnost přístroje garantují dvě diody 1N4148 - které zajišťují, že rozkmit výstupního napětí je asi od +750 mV do -750 mV. Zdánlivě se toto řešení jeví jako hrubě nespolehlivé, protože napěťový spád na diodě klesá o 2 mV na stupeň celsia. Ve skutečnosti konduktivita roztoků se mění ještě rychleji u většiny iontů o 2% na stupeň - takže měření mimo "referenční teplotu" 25 stupňů je stejně hrubě orientační a diody za to nemohou. Jenom taková poznámka - jelikož jsou 1N4148 ve skleněném pouzdře - je výhodné umístit je do tmy a navíc do míst kde nesálá zdroj, nejdou horké dráty a tak....

Pak už je celé zapojení jednoduché jako facka. OZ 2 je předzesilovač a OZ3a 4 jsou "precizní dvoucestný usměrňovač" na konci je nějaká ta ochrana a filtrace před digitalizací pinem MCU. Jako obvykle zbývá pár otázek - proč není elektroda oddělena od zbytků DC offsetu generátoru kondenzátorem ? V nad minulým článkem se rozvinula diskuse jestli než konduktometrická cela z baterek by nebylo lepší rozloupnout kondenzátor a ten použít jako elektrodu.

Tedy asi nikoliv - moje zkušenosti s kondenzátory "před" nebo "za" měřící celou - jsou vyloženě špatné - pokud vezmete dostatečně velkou kapacitu - má takový kondenzátor nezanedbatelný svod a pokud vezmete keramiku malé kapacity - měl jsem často nepříjemný pocit že v rámci ferroelektrických vlastností hmoty kondenzátoru byl tento sám zdrojem DC offsetu většího než offset operačního zesilovače.

Zbývá poslední avšak nejsložitější část konduktometru - a to je volba odporů označených R5, 6, 13. Volba tohoto odporu souvisí s kalibrací konduktometru a tím souvisí i s tím jaký chceme mít výstup. Osobně jsem vždy jako výstup používal multimetr kde 0-1999 mV napěťového rozsahu bylo 0-1999 uS/cm. Takže nejednodušší způsob jak "kalibrovat" konduktometr - je ponořit vaši celu do octa a měnit odpor ve zpětné vazbě tak až multimetr ukazuje 1,7V.

Tento postup je však příliš vidlácký i na vidláka - takže mám nutkání rozebrat otázku kalibrace podrobněji. Pro naši úvahu nyní ignorujme, že jsem tam nakreslil více přepínacích rozsahů a soustřeďme se jenom na hodnotu R5.

Napětí na výstupu je dáno vztahem

kde G_cell je vodivost konduktometrické cely. Jak už jsme zmiňovali v minulých dílech - vodivost roztoku se zjistí podle vzorečku

Kde tedy S je plocha elektrod a l je vzdálenost elektrod. Jelikož konstrukce celly není tak jednoduhá aby se S nebo l dalo měřit pravítkem - výrobci to většinou řeší tak, že dodávají cely, ke kterým udávají podíl l/S jako tzv "konstantnu konduktometrické cely" obvyklé hodnoty jsou samozřejmě pěkně kulaté 1 cm^-1, 0,1 cm^-1 atd...

Vtip je v tom, že cela s nejoblíbenější konstantou 1 cm^-1 má při 1 uS/cm odpor 1 megaohm. Takže nejjednodušší je tento postup - místo cely zapojit "nasucho" odpor známé hodnoty třeba 100 K což odpovídá 10 us/cm. Jako R5 dát taky 100k a pozorovat jestli na výstupu bude přibližně 0,75 V (spád na diodách diodového limiteru)

Pokud tento "suchý test" projde je vhodné připravit si roztok té vodivosti, kterou budete nejčastěji měřit (podle tabulek z minula) - namočit do něj celu a zkusmo měnit R5 až nás hodnota napětí na výstupu uspokojuje - pokud bude vaše cela mít -+ autobus taky -cm-1 a budete při této vodivosti chtít mít na výstupu 1mV - bude R5 přibližně 1K2 - což je hodnota od které se můžete odrazit při ladění vašeho konduktometru.

Při přechodu od méně vodvého roztoku k vodivějšímu - stačí celu nechat okapat. Pokud ale postupujete opačně je třeba celu velice pečlivě a mnohokrát oplachovat super-čistou destilovanou vodou jinak vám zbytky koncentrovaného roztoku zkazí nízkou vodivost méně koncentrovaného.

Nepatrná poznámka na závěr - toto je zapojení, které přímo prosí o použití záporného napájení operačních zesilovačů - generovaných třeba nábojovou pumpou - nikoliv o podvod s "virtuálními zeměmi".

To by pro dnešek bylo vše - jako obvykle si vyhrazuju právo na 2-3 méně závažné a 1 hrubou chybu - zejména ve vzorečcích. Zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - našla jste v šuplíku robotické pracovny rozestavěný konduktometr ? Udělala jste scénu, že platina na elektrody se kupovat nebude ? Divíte se, že místo 4 platinových prstenů jste dostala 4 zinkouhlíkové velké monočlánky na domácí výrobu konduktometrické cely ?

Kdykoliv se zmíním o tom, že současná medicína má už docela slušné povědomí o příčinách chorob a jejich léčení - vyždy se najde osoba, která prohlásí - pchá copak dneska někdo pátrá po příčině chorob - podívejte se jak mám "zanesené čakry" a místo vývaru z netopejra jsem od doktora dostala "jenom prášky". Proto není špatné připomenout že ještě před 100 lety byl zhnisaný slepák poukázkou na smrt v krutých bolestech do týdne a ještě před 30 lety byl srdeční infarkt pokukázkou na několik dalších infarktů a smrt za 2-3 roky...

Takže ač dnešní doktoři vypadají jako "nerudní předepisovači prášků", kteří se většinou nezabývají "psýchou" ani "principem jing a jang" - tak současné zdravotnictví "průmyslovým způsobem" zlikvidovalo většinu, hromadně se vyskytujících, nebezpečných chorob - a tím lidem uvolnilo mysl pro zabývání se blbostmi, jako jsou různá nesmrtící, leč nevyléčitelná loupání, brnění, svědění, zadýchávání, necítění se - a jiná ujímání.

Veřejnost ač na jedné straně je se zdravotnictvím výrazně nespokojená, a často si pak nechá od léčitele předepstat zmiňovaný "vývar z netopejra" na druhé straně má o schopnostech zdravotnictví přehnané představy. V hlavách zejména mužů často haraší skrytá analogie "špitál = autoservis" takže každý zdravotník se setkal s pacientem, který se vyvrátí na lůžko a nepřímo žádá "generálku". OK pokud vezmeme tuto analogii, tak i ve zdravotnictví se můžeme (často však neúspěšně) udělat generálku. Na druhé straně - slušný autoservis - když stav vozidla překročí určitý práh, začne nenápadně, ale rezolutně, přicvakávat k účtence letáček s nabídkou na nové auto....

Podobné je to i ve zdravotnictví, akorát tam chybí ta odvaha - kdy doktor předstoupí před pacienta a řekne - "už jsme udělali všechno a je jisté, že brzy zemřete". Pokud by tato otevřenost a tato statečnost sdělit i přijmout pravdu, byla na obou stranách, bylo by to relativně jednoduché. Pacient by obešel několik doktorů a pokud by mu všichni dali jen několik měsíců - mohl by v klidu zařizovat chod rodiny po své smrti.

Místo toho je smrt "selhání systému" - právníci umírajícího prohledávají ISO směrnice jestli špitál udělal "opravdu všechno". "Proč jste nevyšetřili HCHKRDTN ?" - Jakoby to něco měnilo na špatném stavu pacienta. Pak nastane ten okamžik, kdy znervóznělý doktor na otázku "To se opravdu nedá nic dělat ?" vysloví nějakou kravinu ve stylu "Četl jsem v Americkém časopise, že BFLMPSVZ může pomoci !" Kde BFLMPSVZ je jakýkoliv "buzzword" současné medicíny - kmenové buňky, monolklonální protilátky, nanovlákna, exotické preparáty a další seriozně se tvářící "vývary z netopejra".

Toho se pacient i rodina většinou chytne a když to psal "Americký časopis" - začnou se exotické léčby dožadovat. Dovolil bych si poznamenat, že za svoji 20 letou kariéru jsem zažil snad jenom 1-2 léčebné postupy, které se z "článku v časopisu" přetavily na skutečně účinnou léčbu. Tohoto faktu si pacienti a často ani lékaři nejsou vědomi, ale dobře jsou si této věci vědomy zdravotní pojišťovny, které jednohlasně tvrdí, že "experimentální léčbu nehradí", přestože u ověřených metod jako jsou transplantace, nebo umělá ledvina, se nebojí jít ani do milionových nákladů.

Výsledkem jsou pak smutné historky typu - rodiče unášejí děcko z Anglie do Prahy na "protonovou léčbu tumoru mozku". Chlapík s amyotrofickou laterální sklerózou utratil milión za "kmenové buňky" - s pochybným (reálně nulovým) efektem - místo aby za stejnou sumu udělal pro sebe - invalidu - stavební úpravy svého domu. Rodiče shánějí v "TV NOVA" peníze pro "malou Nikolku" nebo jiné děcko, které stejně nemá šanci dožít se dospělosti atd ....

Takže je čas vyslovit "Kubáčovu cynickou větu". Představte si, že by vám doktor dal na vybranou "buď v klidu zemřete za dva roky, nebo se dožijete o rok více za cenu finančního rozvratu rodiny, kterou připravíte o prostředky k existenci po vaší smrti." Ano - takto to v realitě bývá s "výkřiky medicíny z Amerického časopisu".

Mimochodem kterou variantu byste si vybrali ?

Sir Chandrasekhar Venkata Raman v roce si v roce 1929 uvědomil, že spektrum které se rozptyluje na prachových zrnkách v jeho kanceláři není totéž spektrum, které zaří ze slunce na celý svět a za popis tzv. Ramanova jevu dostal Nobelovu cenu. Mimochodem byl jediný kdo dostal Nobelovu cenu ač stejný jev ve stejné době popsali i dva Rusové - L. I. Mandelštamov a G. S. Lansbergov a teorii k ramanovu jevu popsali jiní dva rádoby Rakušáci - rádoby Češi - rádoby Židi - Georg Placzek a Adolf Gustav Stephan Smékal. Asi už tehdy fungoval mechanismus, kterým dostali Nobelovy ceny Arafat, Obama a Evropská unie ;-)))

Ale neplivejme po Chandrasekharovi Venkatovi a postupme dále - jestli má nějaká technologie blízko k Trikordéru ze Star Treku je to právě Ramanova spektroskopie. Mohli bychom začít klasicky "Již staří Římané" ale takhle daleko nepůjdeme - stačí když se dostaneme do 18 století kde francouzi Foulcault a Fourrier a němci Bunsen a Fraunhofer se zabývali spektry ionizovaných látek a zjistíli, že jsou složeny z jednotlivých monochromatických linií. Pokud si chcete doma užít monochromatické světlo - sviťte si zářivkami neboli úspornými "žárovkami" neboli rtuťovými výbojkami a ven choďte za svitu sodíkových výbojek.

Pak si někdo všiml, že "spojité" spektrum slunce není tak úplně spojité a obsahuje tisíce "tmavých" spektrálních čar na stejných vlnových délkách, kde na zemi plyny vyzařují své monochromatické záření. Tím byla definitivně objevena EMISNÍ a ABSORBČNÍ spetra a nakonec to došlo Georgu Robertu Kirhoffovi, který prohlásil že pokud pustíme ionizovaným plynem spojité spektrum - molekuly plynu absorbují tytéž vlnové délky, které za jiných okolností vyzařují. A bylo - pak už celá věc čekala na Jamese Clercka Maxwella, který definoval "kvantovou podstatu" našeho světa.

OK takže každá spektroskopická metoda funguje na principu "výběrové" podmínky, která je definovaná tak že molekuly přijímají a vydávají energii jen v přesně definovaných kvantech. Jelikož energie fotonů roste s jejich klesající vlnovou délkou vznikají nám kombinací "výběrových podmínek" a kvantového charakteru světla - klasická spektra tak jak je známe. V 7 třídě husákovské základky jsme si vysvětlovali že spektrální čáry vznikají "přeskokem elektronů" - což je pravda pro viditelné světlo a je to pro organickou ananlýzu prakticky k ničemu. Stejný kvantový charakter však mají i vibrace molekul. Tedy aby bylo jasno - každá část molekuly potřebuje k rozvibrování jistým způsobem přesně danou energii, kterou absorbuje ze světla - a projeví se jako "spektrální čára" v infračervené oblasti - tohle jsme už jednou probírali - tak si to když tak přečtěte.

Ale pojďmě už konečně k Ramanovi - představte si že svítíte zeleným laserovým ukazovátkem na vlnové délce 532 nanometrů do flašky s nějakým roztokem - co se stane? Drtivná většina paprsků projde beze změny.

Menšina se v roztoku rozptýlí - což z kvantového hlediska znamená několik věcí

Rozdíl mezi Ramanovým a Rayleighovým rozptylem je v tom, že u Rayleighova rozptylu jsou srážky fotonů a molekul tzv. elastické - jako kulečníkové koule, kde nedojde ke ztrátě žádné energie. U Ramanova rozptylu dojde ke ztrátě energie - ergo svítíme zeleným laserovým ukazovátkem do flašky methanólu (chlastu) z "Likérky Drak" a ven leze světlo na původních 532 nanometrech a pak nepatrné množství fotonů na jiných vlnových délkách. Když mluvíme o tom, že se energie ztratí - lze očekávat že tyto fotony budou na delších vlnových délkách - tzv Stokesův posun, ale existuje i tzv Anti- Stokesův posun, tedy že část fotonů je i na vlnových délkách kratších než námi uvažovaných 532 nm - k tomu dochází mechanismem - dva fotony pozřu a jeden vyzářím.

OK - to je všechno hezké a Nobelovu cenu si to nepochybně zaslouží, ale až Placzek a Smékal si všimli, že pokud spočteme rozdíl energie fotonů které do roztoku vstupují a energii fotonů z Ramanova rozptylu - zjistíme že rozdly energií fotonů tvoří jakési "virtuální spektrum" v infračervné oblasti.

Jak tedy finguje Ramanův spektroskop ? Vyzařujeme do flašky laserový paprsek a rozptýleným paprskům postavíme do cesty extrémně úzkopásmový "notch filtr" - tedy zádrž která nám odfiltruje vlnovou délku původního laseru - z toho, co přijmeme na jiné vlnové délce vytvoříme spektrum ve viditelné oblasti - pak spočteme energii fotonů na každé vlnové délce a odečteme od energie původního "excitačního" laseru a vykreslíme IR Ramanovo spektrum.

Jinými slovy v apokalyptické budoucnosti roku 2030 stisknete na displeji ajFounu verze 666 tlačítko a z "dírky vzadu" začne svítit laser, který namíříte do štamrple a na displeji se objeví seznam Voda, Alkohol, Methanol, Kyanid draselný a vy se zeptáte "miláčku nechceš mě náhodou otrávit" ?

Zbývá jediná nepatrná otázka - proč ta pruda s odečítáním energie excitačního laseru ? Protože Ramanova spektra takto matematicky zpracovaná nezávisí na vlnové délce excitačního laseru (teoreticky). Ramanova spektrometrie tak spadá do kategorií infračervených spektrofotometrických metod, přestože daleké IR spektrum (v mikrometrovém pásmu) se tam nikde nevyskytuje. Obrovskou a neocenitelnou výhodou je, že můžete chemicky analyzovat - bez poškození - cokoliv na co se dá zaměřít laser - existují "Ramanovy mikroskopy" kde prohlížíte mikroskopem třeba starý obraz a na monitoru vedle vám rovnou vysakují spektra (a chemické složení) kousku barvy který "máte v zaměřovači". Stejně tak je možné - a v dnešní ustrašené realitě vítané - získat Ramanova spektra a tím představu o složení různých "neznámých tekutin", "bílých prášků", obsahu "podezřelých zavazadel" a tak.

OK - berte to třeba jako další "Open source ideu co vestavět do ajFounu". Pokud to začnete na Kickstarteru Inzerovat - nezapomeťe se ozvat - udělám vám reklamu.

Rada robotům ke zničení lidstva dnes zní - trávit lidi kyanidem je primitivní. Až vás zlenivělé lidstvo hromadně zaměstná ve veřejném stravování - uvařte smaženici z pavučince plyšového - otrava nastává selháním ledvin až za několik týdnů - v době kdy houbový jed již nelze detekovat. Totéž by ovšem mohla být i rada paní Kubáčové novomanželkám....

Poznámka při druhém čtení - jen taková zajímavost - pan Georg Placzek - jakožto Brněnský Žid a fyzik - byl jediným československým občanem, který pracoval na vývoji americké atomové bomby a viděl v Los Alamos první atomový výbuch na vlastní oči....