AMAÇ Bu projede amacımız, farklı glikoz çözeltilerinin polarizasyon açısına olan etkilerini tespit ederek optik bir sistem üzerinde glikoz tayini yapabilmek ve polarizasyon de i imine dayalı bu sistemi eker hastalarında, hastalara zarar vermeden (kansız) kullanılabilecek düzenek geli tirilmesi için incelemektir. G R Önerilen sistemde glikozun optikçe aktiflik özelli i kullanılmaktadır. Bu malzemeler içinden geçen (kullanılan ı ı ın dalga boyunda saydam olanlar için) ı ı ın polarizasyonunu de i tirebilmektedirler. Bir madde, geçen ı ı ın kutuplanma düzlemini döndürüyorsa optikçe aktiftir denir. Bu özellikle polarizasyon de i imini ölçebilen bir sistemin kullanılabilece i oldukça geni uygulama alanları vardır. Optik aktivite gösteren malzemelerin karakterizasyonu, organik olanlar için bir çözelti veya saydam ortam içindeki oranlarının belirlenmesi bu uygulamalardan bir kaçıdır. Bu konudaki ilk çalı ma 1800 lerin sonunda endüstriyel eker üretimi i lemlerinde eker konsantrasyonunu belirlemek için kullanılmı tır. Bu çalı madan günümüze kadar de i ik fiziksel ve kimyasal sistemler glikoz miktarını ölçmek için önerilmi tir. Son 10 yıldır bu tür ugulamalar hız kazanmı tır(4). Sistemin geli tirilmesindeki hedef ı ı ın polarizasyon özelli i kullanılarak göz sıvısı içindeki glikoz konsantrasyonunu belirleyen optik ölçüm cihazının yapılabilece ini göstermektir. Bu sistemde gözün yapısında ön odada bulunan göz sıvısından glikoz tayini yapılması önerilmektedir. Çünkü ön tarafta bulunan, saydam kornea ve lensi glikoz ve oksijenle besleyen ve temiz bir akı kan olan su bazlı göz sıvısı filtrelenmi kan ürünü oldu u bilinmektedir. Bu yüzden vücut sıvısında bulunan glikoz miktarı ile kandaki glikoz miktarı yakın de erdedir(4). 1
TEOR 1.I I IN KUTUPLANMASI (POLAR ZASYON) I ık, insan gözünün algılayabildi i elektromanyetik dalgalar biçiminde yayılan enerjidir. Di er elektromanyetik ı ınımlar gibi, ı ık da uzayın her noktasında yayılma do rultusuna ve birbirine dik elektrik ve manyetik alanların bo lukta yayılması ile belirlenebilir. ekil 1. I ı ın yayılma biçimi I ı ın kutuplanması -polarlanma ya da polarizasyon- elektromanyetik ı ınımların, içlerinde titre en elektrik alanın büyüklü ü ile do rultusunun belirli bir biçimde birbirine ba lı olması özelli idir. Bu ekilde elektrik alan vektörleri tek do rultu üzerine indirgenmi elektromanyetik dalgaya, lineer polarize edilmi veya kısa polarize edilmi elektromanyetik dalga denir. ekil 2.Polarize düzlemi xy olan ve y ekseninde polarize edilmi bir elektromanyetik dalga Elektromanyetik dalganın polarize edilmesi ilk defa 1938 de E.H.Land tarafından adına polaroid dedi i maddeyi ke fetmesi ile gerçekle mi tir. Polaroid maddeler polarizör de denilmektedir. Polarizör sadece belirli yönde polarize ı ı ı geçiren bir materyaldir ve yapısındaki dizilmi moleküllerle ı ı ı polarize edebilmektedir. Polarizörden geçen dalgalar 2
polarize ekseni yönünde polarize edilmi olur. Polarize edilmi dalgayı tekrar polarize eden ikinci polarizöre analizör denir. ekil 3. Normal ı ı ın polarize edilmesi Elektromanyetik dalgaların polarize edilmesi sadece polaroid maddelerle olmayabilir, ekil 4 de görüldü ü gibi herhangi bir yüzeyden yansıyan ve kırılarak di er ortama geçen ı ık da polarize olabilir. Ancak yansım açısına ba lı olarak polarize miktarı de i ir. Dik yansımalarda polarize sıfırdır. Yansıyan ı ık ile kırılan ı ık arasındaki açı 90 olması durumunda yansıyan ı ın tamamen polarize olur. ekil 4.Polarize olmu ı ık Bu artı sa layan gelme açısına polarizasyon açısı (Brewster açısı) i p denir. I ık yukarıda açıklanan yollarla üç ekilde polarize olur. 1. Do rusal(lineer) polarizasyon 2. Dairesel polarizasyon 3. Eliptik polarizasyon Do rusal Dairesel Eliptik ekil 5. Do rusal dairesel eliptik polarizasyon 3
Do rusal polarizasyonda dalgalar ölçülece i gözlem düzlemine do ru ilerlerler. Bu düzlemde, tek bir E bile kesinin, e ik bir do ru boyunca zamanla harmonik olarak titre ti i dü ünülebilir. E alanı bir dalga ekseni boyunca bir dalga boyu yol aldı ında tam bir titre im devri yapar. Bu toplama i leminin aynı ekilde terside yapılabilir, yani bir düzlem kutuplu dalga birbirine dik iki bile ene ayrılabilir. Dairesel ve eliptik polarizasyonda gönderilen ı ın polarizöre daire ve elips eklinde yani tüm alanı tarayarak ula ır. 2. MALUS KANUNU Malus kanunu polarizörden geçen ı ık iddeti bilgisini sa lamaktadır. Malus kanununa göre lineer polarize bir ı ı ın iddeti polarizörden geçtikten sonra I=I 1 *cos 2 ( ) olacaktır. Bu denklemde gelen ı ı ın polarizasyon ekseni ile polarizör ekseni arasındaki açıdır. I 1 ise gelen lineer polarize ı ı ın iddetidir. I ık polarizörden geçtikten sonra polarizasyon ekseni polarizör ekseni ile aynı olacaktır. Sistem eması ekil 6. da verilmi tir. E 1 (polarize ı ık) E 2 E E 2 1 I E 2 cos LP I 2 2 I1 cos ekil 6. Malus Kanununda Sistem eması 4
MATERYAL-YÖNTEM Projede ı ık kayna ı olarak He-Ne laser (632,8nm,1mW), 2 adet lineer polarizör glikoz çözeltisinin konuldu u küvet, 2 adet ince kenarlı mercek(f=15cm), polarizörü döndüren redüktörlü motor, fotodiyot, veri ta ıyıcı (data logger) ve 200mg/3mL, 300mg/3mL lik glikoz çözeltileri kullanılmı tır. He-Ne LASER FOTOD YOT DATALOGGER POLAR ZÖR ANAL ZÖR DC MOTOR GL KOZ ÇÖZELT S MERCEK PC NCE KENARLI MERCEK ekil 7. Sistem eması ekil-7 de görüldü ü gibi He-Ne lazer kayna ından çıkan ı ık polarizörden geçirilerek do rusal polarize hale getirilmi tir. Polarize hale gelen ı ının içinde glikoz çözeltisi bulunan küvetten geçmesi sa lanmı tır. I ın glikoz çözeltisinden geçerken glikozun polarizasyon özelli ine ba lı olarak polarizasyonda belirli bir sapma açısı olu mu tur. Sonrasında ı ık göz modeli olu turacak ekilde yerle tirilmi ince kenarlı mercekten Brewster açısıyla yansıyarak 2.merce e yönlendirilerek analizöre odaklanmı tır. Sistemde DC motora ba lı olarak sabit hızda dönen analizöre gelen ı ık iddetinin Malus kanununa göre sürekli olarak de i ti i gözlenmi tir. 5
Resim 1: Optik yöntemle glikoz ölçüm sistemi Sistemde göz modeli olu turacak ekilde yerle tirilen ince kenarlı mercekte Brewster açısı ayarlanmı tır. Yani ı ı ın mercekten geçerken kırılmadan yansıyabildi i maksimum açı alınmı tır. Böylece göze minimum lazer ı ı ı geçi i olmasına önem verilmi tir. Sistemde kullanılan polarizörler ideal de ildir. Motor 360 döndü ü için polarizasyon eksenini ideal olmayan polarizörlerde tam olarak belirlemek zordur. Bu zorluk ikinci polarizör üzerinde küçük bir bölmeye siyah parça yapı tırılarak referans noktası elde edilmesiyle çözülmü tür. Böylece farklı deri imlerde glikoz çözeltisi olan ve olmayan durum arasında kar ıla tırma yapılabilmektedir. Sistemde do rusal polarizasyon kullanılmı tır. Farklı polarizasyon durumlarındaki ı ıkta ı ık iddetinin ikinci polarizör sonraki de i imi Cos 2 ile de i mez. Örne in dairesel polarizasyonda ikinci polarizörden sonra ı ık iddeti de i mez. Malus kanununa dayanarak, sistemde olu acak ve Cos 2 ile de i ecek ı ık iddetleri belirlenen referans noktasına göre farklı olması gerekti i bilinmektedir. Bunu do rulamak için sistemden çıkan ı ının fotodiyota gelince voltaj de erleri ölçülmü tür. Fotodiyot, üzerine dü en ı ık iddeti ile orantılı mikroamper seviyede akım akıtan bir parçadır. Bu akım yükseltici kullanılarak 0-1V aralı ına çekilmi tir. Daha sonra alınan voltaj de erleri kullanılarak Datalogger ın LJscope programı yardımıyla voltaj de i imi- zaman grafi i çizdirilmi tir. 6
Sistemde referans noktasına göre minimum de erlerin kayması gözlendi i için sistem kullanılan elemanlardan kaynaklanabilecek hatalardan en az derecede etkilenmektedir. Sistem hassasiyeti sadece datalogger ve fotodiyot yükseltici hassasiyetine ba lıdır. Aynı zamanda bir periyot boyunca motorun hızının sabit olması da önemlidir. Datalogger ile 1 sn de 512, toplamda ise 2048 veri alınabilmektedir. Sistemin hassasiyeti idealde (4/2048).(360/ periyot) olacaktır. Dataloggerdan elde edilen voltaj grafi i ile Cos 2 Matlab programı kullanılarak kar ıla tırılmı tır. Teorik ve deneysel sonuçların uyumu görülmü tür. ÖLÇÜMLER ve HESAPLAMALAR lk olarak eczaneden alınan glikoz(dextrose monohidrat) ile hazırlanan glikoz çözeltilerinin sapma açısı, Ege Üniversitesi Kimya Bölümü nde bulunan polarimetre cihazı ile elde edilen de erler kullanılarak hesaplanmı tır. Bu hesaplamalardan elde edilen referans de erlerinin 200 mg/3ml çözelti için 2,8 o ve 300mg/3ml çözelti için 4,2 o oldu u görülmü tür. Bu de erler, kurdu umuz ölçüm sisteminde bulunan de erler -gelen ı ı ın polarizasyon ekseni ile polarizör ekseni arasındaki ( ) açılar - ile kıyaslanmı tır. 7
Datalogger ile alınan ölçümler Excel dosyası olarak kaydedilmi tir. Buradan alınan veriler Matlab programına aktarılmı tır. Datalogger cihazından bilgisayara aktarılan veriler 0,001953 sn aralıklarla alınmaktadır. Bu sebeple Matlab ortamında çalı ılan grafiklerde dataların indeks de erleri kullanılmı tır. ki indeks arasındaki zaman farkı 0,001953 sn olacaktır. Malus Kanunu na göre görülmesi gereken Cos 2 grafi i Matlab programında çizdirilmi ve elde edilen data ile uyumu Grafik 1 te gösterilmi tir. Fotodiyot voltajı(v) Zaman(s) Grafik 1. Fotodiyot voltajı- zaman de i imi Daha sonra bu alınan verilerle Fotodiyot voltajı(v) - Data ndeks grafikleri çizdirilmi tir. Elde edilen grafik Matlab de smooth kodu yardımıyla sadele tirilmi ve düzgün bir grafik olu turulmu tur. (Grafik 2) Grafik 2. Fotodiyot voltajı- data indeks de i imi 8
Daha sonra alınan ölçümlerde ekersiz ortamla, 200 mg/3 ml deri imindeki glikoz çözeltisi grafikleri kar ıla tırılmı tır. (Grafik 3), Grafik 3. ekersiz ve 200mg/3mL eker çözeltisi için fotodiyot voltajı- data indeks de i imi ekersiz ortam ile glikoz çözeltili ortamların ilk minimum de eri ile 0 olması gereken data de erleri bulunmu tur. Elde edilen grafiklerden periyotların yakla ık e it oldu u gözlenmi tir.(grafik 4) Grafik 4. ekersiz ve 200mg/3mL eker çözeltisi için periyot gösterimi 9
Bir periyot 360 derecelik polarizasyon dönmesine kar ılık gelmektedir. Ölçülen de erlerde polarizöre yapı tırdı ımız parçadan dolayı gözüken minimum de erleri ile Malus Kanununa göre olu an minimum de erler arasındaki kayma miktarına bakılarak farklı deri imlerdeki glikoz çözeltisi ve bo durum kar ıla tırılmı tır. Bu de erler arasındaki farkın periyota oranı ekerden dolayı polarizasyon kaymasının 360 dereceye oranına e it olacaktır. (1) Grafik 5. Farklı eker çözeltilerinin kar ıla tırılması Grafik 5 te hesaplanan polarizasyon farkları kullanılarak yukarıda gösterilen denklemle farklı glikoz deri imleri için polarizasyon de i imleri hesaplanmı tır. 10
SONUÇ VE TARTI MA Çözeltiler Polarimetre cihazı ile hesaplanan açı de erleri Sistemimizle hesaplanan açı de erleri 200 mg / 3 ml 2,718 o 2,8 o 300 mg / 3 ml 4,228 o 4,2 o Tablo 1. Farklı glikoz deri imleri için açı de erlerinin kar ıla tırılması Yukarıdaki tabloda verilen Ege Üniversitesi Kimya Bölümü nde bulunan polarimetre cihazı ile elde edilen de erler kullanılarak hesaplanan referans de erleri ile kurdu umuz ölçüm sisteminde bulunan de erlerin -gelen ı ı ın polarizasyon ekseni ile polarizör ekseni arasındaki ( ) açıların - yakın olması sistemimizle yapılan ölçümlerin do rulu unu göstermi tir. Polarizasyon açısındaki de i im, glikoz deri imi ve ı ı ın çözelti içerisinde aldı ı yolla do ru orantılıdır. Sistem, bu oranlar de i tirilerek ileriki a amalarda eker hastalarında göz sıvısından glikoz ölçümü yapılabilmesine olanak sa layacaktır. Bu yöntem, diabet hastalarının düzenli olarak ekerinin ölçülmesinin gereklili i dü ünülürse kansız, enfeksiyon riski olmayan bir yöntem olacaktır. Bunun için göz sıvısındaki glikoz deri imi olan 51mmol/L (10,10mg/mL) ve sıvı kalınlı ı olan 5,7763-6,3740mm yi göz önünde bulundurmak gerekmektedir( ekil 8). Normal kan ekerinde polarizasyon dönmesi 22 mdeg civarındadır(4). Kurdu umuz sistemin hassasiyeti de i tirilerek gözden ölçüm yapabilecek seviyeye getirilebilir. Hassasiyetin arttırılması daha iyi bir lazer kayna ı kullanılarak ve optik sistemin yanında dataloggerdan bir periyot boyunca alınan data sayısı arttırılarak yapılabilir. Bu artlar uygun teknolojik tasarım ve olanaklarla birle ti inde sistem göz merkezlerinde hatta ki isel kullanım alanında da tercih edilebilecektir. Bunun için kullanılacak bir arayüz programı ve daha küçük boyutta yapılacak cihaz bu sistem baz alınarak uygulanabilir. Kornea ris I ın Lensin Üzerinden Brewster Açısıyla Ayrılır Göz Sıvısı Ön Oda ekil 8. Göz modeli üzerinde sistemin ilerleyi i 11
Ayrıca bu sistemde ölçümler daha uzun bir borunun içinde hazırlanan çözeltiyle alındı ında, laboratuarlarda polarimetre ölçüm cihazı olarak da kullanılabilir. 12
KAYNAKÇA 1. Giancoli D.C.,(2005), Physics, Pearson Education Publishing Company, NJ;USA 2. Hecht E.,(1999),Optik, Akademi Yay, stanbul 3. New Optical Scheme for a Polarimetric-based Glucose Sensor, Journal of Biomedical Optics, Ansari RR, Bockle S, Rovati L. Feb 2004 4. Polarized Mueller Matrix Analytical Model for Glucose Measurement in Vitro, Firdous S, kram M.,Turk J Med Sci 35(2005) 149-155 5. Tekin L., Özer A., Candan H., Fizik 4 Dalgalar ve Atom, Sürat Yayınları, 1998 6. http://www.laserfocusworld.com/display_article/209686/12/none/none/news/eye 13
TE EKKÜR Bu projede; teorik çalı malarımızda ve laboratuvar uygulamalarımızda bize rehberlik yapan Ege Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisli i Bölümü Ö retim görevlisi Ar. Gör. Yavuz Öztürk e, fizik ö retmenlerimiz A. Ruh ah Erduygun ve ncifer Tekeli ye, polaritme ölçüm cihazı kullanımında destek veren Ege Üniversitesi Kimya Bölümü ö retim üyesi Doç.Dr.Hasan Erta a, tüm çalı ma sürecinde bize destek veren okul müdürümüz Yavuz Kahraman, müdür yardımcımız Aylin Musluo lu na ve son olarak bize inanan, çalı malarımız boyunca hep yanımızda olan ailelerimize, te ekkür ediyoruz. Saygılarımızla, Tezcan Ünlü, Umut Öza kın 14