Начало >> Статьи >> Архивы >> Лазерная диагностика в биологии и медицине

Калориметрические методы диагностики - Лазерная диагностика в биологии и медицине

Оглавление
Лазерная диагностика в биологии и медицине
Взаимодействие лазерного излучения с биологическими системами
Лазеры для диагностики биологических объектов
Техника безопасности
Лазерная нефелометрия
Лазерная поляризационная нефелометрия
Индикатор иммунологических реакций
Проточные анализаторы микрочастиц
Лазерная спектроскопия квазиупругого рассеяния
Методы обработки сигнала
Диагностика биологических объектов на основе измерения коэффициентов диффузии
Диагностика на основе регистрации скоростей направленного движения
Лазерная доплеровская спектроскопия живых клеток
Лазерная интерферометрия
Голографические методы диагностики
Абсорбционно-трансмиссионный анализ с использованием перестраиваемых лазеров
Абсорбционная спектроскопия быстропротекающих процессов
Калориметрические методы диагностики
Экспериментальные исследования оптико-акустическим методом
Конструкции спектрофонов и зондов
Области применения калориметрических методов
Физические основы спектроскопии КР
Применение спектроскопии КР в биохимических исследованиях
КР-микроскопия биологических структур
Применение спектроскопии КР в офтальмологии
Лазерный флуоресцентный анализ
Микроскопия и микроспектрофлуориметрия
Примеры применения лазерной флуоресцентной диагностики
Дистанционная флуоресцентная диагностика растений
Заключение

Классификация и основы калориметрических методов диагностики
Классификация. В основе калориметрических методов микродиагностики или спектроскопии лежат поглощение света с возбуждением уровней энергии молекул вещества биообъекта, последующая безызлучательная релаксация этих уровней и нагрев объекта. Информационным параметром является изменение температуры образца АТ. Очевидно, что степень нагрева определяется поглощательной способностью вещества, интенсивностью света и эффективностью конкурирующих процессов (флуоресценция, фотохимические и фотоэлектрические эффекты). Все это и определяет достоинства калориметрических методов, главным из которых является возможность исследования поглощения свете сильно рассеивающими средами, применительно ко многим областям науки и техники, но особенно к биологическим и медицинским задачам. Эти методы позволяют исследовать непрозрачные (оптически плотные) и слабо флуоресцирующие объекты, контролировать протекание фотохимических и фотоэлектрических процессов. Поскольку измеряемым параметром является изменение температуры, то в качестве детекторов применяются неселективные приемники, отсутствует ограничение по используемым в эксперименте длинам волн со стороны приемника.
Оптико-калориметрические (или, как их иногда называют, оптико-термические) методы имеют много модификаций, отражающих способы регистрации изменения температуры [П. 23, П. 41—П. 46, 1.26, 1, 8—24]. Возможны непосредственные измерения температуры с помощью контактных датчиков и сопутствующих изменений объема образца. Эти методы не получили очень широкого распространения. Перспективным, особенно при исследованиях объектов in vivo, представляется метод оптико-термической радиометрии, основанный на измерении интенсивности теплового излучения нагретого лазерным светом тела. В последние годы этот метод становится все более популярным.
Благодаря своей простоте, надежности, высокой чувствительности и универсальности наиболее широкое распространение получил оптико-акустический (ОА) метод, который заключается в преобразовании тепловых колебаний в акустические и последующей их регистрации микрофоном или любым другим приемником акустических колебаний. Для детального знакомства с ОА методом и его широкими возможностями можно рекомендовать монографию [П. 41], а также обзоры и труды конференций по ОА спектроскопии [П. 23, П. 42 — П. 46, 1, 81. Сравнительно широкое распространение получили также безконтактный оптикотермический способ, когда измеряемым параметром является температура окружающего объект газа, и оптико-рефракционные методы, в которых измеряются вариации показателя преломления среды, вызванные температурными изменениями,— это метод тепловой линзы, тепловой дефлекции дополнительного (измерительного) лазерного пучка и разнообразные интерферометрические методы.
Импульсный метод. Пусть пучок лазерного излучения Радиуса w проходит через кювету, заполненную жидкостью. Длительность импульса света равна т„, частота повторения
импульсов /, длина столба жидкости, освещаемая Импульсом, I. Приемник ОА сигнала расположен на расстоянии R от оси лазерного пучка. Предположим, что длительность- импульса значительно больше времени безызлучательной релаксации, времени распространения акустического импульса поперек освещаемого столба жидкости и постоянной, времени акустического детектора тд. При условии, что безызлучательная релаксация является основным процессом, определяющим ослабление светового пучка, а само ослабление не слишком велико, а/<^1, выделяющаяся при поглощении энергия находится на основании закона Бугера:
где Ея — энергия импульса света, а — коэффициент поглощения. Поглощение энергии сопровождается локальным повышением температуры АТ, которое находится из соотношения
(5.4)
где ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении, V=nwH — освещаемый объем, р — плотность среды.
Предполагая, что процесс расширения освещаемого объема происходит адиабатически при; постоянном давлении, можно подсчитать изменение этого объема:
(5.5)
где Р — температурный коэффициент объемного расширения вещества. Такое расширение создает волну, распространяющуюся в радиальном направлении со скоростью звука va. Соответствующее изменение давления Ар пропорционально амплитуде механических колебаний Ax~Aw:


где /а — частота акустических колебаний. Используя (5.5)у при условии, что Aw<g.w, окончательно получим
Эти соотношения дают представление о принципах работы калориметрических методов. Непосредственную информацию о коэффициенте поглощения среды а на определенной длине волны можно получить на основе измерений АТ (оптико-термический эффект), A V (оптико-геометрический эффект) или Ар (ОА эффект). Используя связь фокусного расстояния F «тепловой линзы», угла отклонения <р пробного лазерного луча и сдвига фазы волны Дг|> в измерительном интерферометре с изменениями температуры АТ образца, получим приближенные соотношения и для других методов [П. 41, П. 43].
Метод «термолинзы»:

Дефлекционный метод:

Интерферометрический метод:

где dnldT — температурный градиент показателя преломления среды п, V — длина области пространственного совмещения возбуждающего и пробного пучков света, А,„ — длина волны пробного пучка.
Чувствительность калориметрических методов и основные области применения представлены в табл. 5.1. Дальнейшее обсуждение проведем в основном на примере ОА метода. Важным параметром, который необходимо учитывать при практической реализации импульсного ОА метода, является временная задержка тд между световым и акустическими импульсами. В простейшем случае тд определяется очевидным соотношением
(5.6)
где R — радиус ячейки. Эта временная задержка определяет период времени, в течение которого полезный сигнал регистрируется без помех.
В случае газообразных сред, в частности молекулярных газов, для которых скорость столкновительной релаксации возбужденных состояний существенно превышает скорость излучательной релаксации, ОА сигнал имеет следующий вид:
(5.7)
где 7—cjcv, тт — время тепловой релаксации ячейки:
(5.8)
1'ле о, — температуропроводность, р — плотность газа, k — теплопроводность газа. Эти соотношения получены на основе газокинетических представлений для ячейки, заполненной молекулами одного сорта, равномерно распределенными в объеме.

Таблица 5.1

Чувствительность и основные области применения калориметрических методов
Чувствительность и основные области применения калориметрических методов

Для газовой смеси поглощающих молекул разного сорта общее изменение давления в ячейке складывается из соответствующих парциальных изменений давления с учетом временных задержек, обусловленных различиями скоростей тепловой релаксации.
Важным параметром среды является термодиффузионная (тепловая) длина, которая для импульсного возбуждения оценивается как [П. 43]
(5.9)
Импульсный нагрев биообъекта приводит также к изменению характера собственного теплового излучения тела — это явление лежит в основе импульсной оптико-термической радиометрии (ОТР) [18, 21]. Максимум теплового излучения живых биообъектов лежит в области 10 мкм. Детальный анализ ОТР сигнала требует знания распределения температуры по объекту, скорости тепловой диффузии среды, коэффициентов поглощения на длинах волн зондирования а (обычно УФ или видимый диапазон) и теплового  излучения а' (10 мкм). И обратно, знание некоторых и» указанных параметров позволяет по измеренному ОТР сигналу определять другие параметры, например а.
В простейшем случае сравнительно слабого поглощения зондирующего излучения (а<фх') и воздействия короткими импульсами света (значительно меньшими по длительности времени термодиффузии) сигнал ОТР определяется соотношением [18, 21]

где S (т„) ~ WE„а — значение сигнала в начальный момент времени после прекращения действия импульса света длительностью ти, W — коэффициент, пропорциональный ширине спектральной области регистрации ИК излучения биообъекта, z=a[aT(t—ти)],/2.
В данном случае имеет место поверхностное тепловое излучение тел, поскольку зондирующее излучение проникает внутрь тела довольно глубоко, а тепловое излучение °т глубинных его слоев эффективно поглощается при выходе наружу. В связи с тем, что для большинства биообъектов коэффициент поглощения в ИК области определяется содержащейся в них водой и лежит в диапазоне (1—2)-103 см-1, представленное соотношение может быть использовано при исследовании широкого класса биотканей.
Метод, использующий непрерывное модулированное излучение. Отличительной особенностью применения лазеров непрерывного действия по сравнению с импульсными является получение дополнительной информации о характере поглощения исследуемого вещества за счет сигнала, пропорционального сдвигу фаз между переменными составляющими мощности лазера и давления. Для газообразных сред при гармонической модуляции мощности излучения Р на частоте со амплитуда ОА сигнала bр и сдвиг фаз Ф имеют вид
(5.10)
где тт определяется соотношением (5.8). Эти выражения получены при тех же предположениях, что и (5.7). Термодиффузионная длина равна
(5.11)
Изучение оптических и тепловых свойств жидкостей и твердых тел с помощью газовой ОА ячейки (косвенный метод) является довольно распространенным методом исследования. Модулированный свет поглощается конденсированной средой и частично преобразуется в тепло. Это тепло создает возмущения давления в окружающем газе, которые регистрируются микрофоном. При описании ОА сигнала используют три характерные длины образца: геометрическую I, длину пробега фотона /ф=1/а и «тепловую» /т. В зависимости от соотношения этих длин возможны шесть различных вариантов газомикрофонного метода. Различают оптически и термически толстые и тонкие среды. Очевидно, что для £>/т«^ф возможны эффекты насыщения амплитуды ОА сигнала, которых следует избегать. Для данного образца величина /т определяется длительностью импульса или частотой модуляции со. Разделение сигналов, возбуждаемых в объеме образца и в тонком слое на границе вещество — окно (или подложка), возможно при использовании фазового метода, когда регистрируется не только амплитуда, но и фаза ОА сигнала.



 
« Кровохарканье и легочное кровотечение   Лапароскопическая аппендэктомия у детей »