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

Лазерная нефелометрия - 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

Глава 2
ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ
УПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА
В данной главе основное внимание уделено методам диагностики параметров биологических частиц и тканей с помощью исследования угловых и поляризационных характеристик упруго рассеянного излучения. Причем если исследование угловой зависимости интенсивности рассеянного света (так называемая нефелометрия) имеет длительную историю и широко применяется в самых различных областях медицины и биологии [П. 20, 1], то анализ поляризационных эффектов при рассеянии света используется значительно реже, хотя именно он позволяет получить значительно больше информации о рассеивающем объекте. Поэтому в данной главе подробно рассмотрены вопросы лазерной поляризационной нефелометрии, методы автоматизированного измерения индикатрис элементов матрицы рассеяния света и открывающиеся при этом диагностические возможности. Рассмотрение проведено в основном на примере тканей глаза, в то же время оно позволяет охватить различные аспекты, касающиеся большинства других слабопоглощающих биологических объектов. Обсуждены также прикладные вопросы использования упругого рассеяния при анализе концентраций рассеивающих частиц и иммунологических реакций.

2.1 Лазерная нефелометрия

Рассеяние, наряду с поглощением, является основным процессом, определяющим распространение света в газообразных, жидких и твердых телах, в том числе и в биологических объектах. Методы упругого рассеяния обычно используют для исследования бактерий, форменных элементов крови, тканей глаза и т. д. Эти биообъекты характеризуются разнообразием форм (сферы, цилиндры, диски, эллипсоиды и пр.) и размеров (0,1—100 мкм). В видимой области спектра чаще всего исследуемые частицы, взвешенные в базовом веществе, имеют малое значение как действительной части относительного показателя преломления т (1,02—1,2), так и мнимой части и (10-6—10-2), n—m-\-i% 11, 2].
Решение задачи о рассеянии света с учетом формы, микроструктуры, полидисперсности, спектральной зависимости показателей поглощения отдельной частицы дает теория Ми, однако это решение достаточно громоздко [3]. В простейшем случае дифракции плоской электромагнитной волны на однородной сферической частице радиуса а решение Ми для интенсивности светорассеяния под уголом 0 определяется выражением
(2.1)
где /0 — интенсивность света, падающего на объект, р= = (2па/Х), R — расстояние от точки наблюдения до частицы, ii и г2 — коэффициенты Ми, содержащие функции Бесселя и полиномы Лежандра, их явный вид приведен в [3]. Поэтому обычно при анализе рассеяния света на «мягких» частицах, т. е. на частицах с т&1, удовлетворяющих условию р<<51, используют приближение Рэлея — Ганса, а при р> 500 — формулы геометрической оптики [4]. В промежуточных случаях обычно используют приближение Хюлста [3], при котором фактор эффективности рассеяния Q, т. е. коэффициент рассеяния, отнесенный к геометрическому поперечному сечению рассеивающей частицы, определяется по формуле
(2.2)
где %=2р (т—1).
Итак процесс рассеяния приводит к изменениям в пространственном распределении интенсивности света, поэтому одной из основных характеристик при изучении светорассеяния является индикатриса, определяющая интенсивность света как функцию угла рассеяния. Измерение индикатрисы рассеяния заключается в освещении объекта пучком света и регистрации интенсивности рассеянного веществом света под различными углами. Поэтому основой нефелометра — прибора для измерения интенсивности рассеянного света — является источник света с малой угловой расходимостью и приемник излучения с определенным углом зрения. Благодаря значительной направленности и вы-
сокой интенсивности лазерных пучков лазеры оказываются наиболее подходящими источниками света в этом случае.
В настоящее время разработано довольно много типов нефелометров. При «рутинных» измерениях обычно используют приборы с фиксированным углом, чаще всего выбирают углы, равные 45 или 90°. Для расширения возможностей нефелометра, особенно в научных исследованиях с малоизученными объектами, используют, как правило, приборы с переменным углом регистрации рассеянного света [5, 6].
В качестве примера применения упругого рассеяния лазерного излучения в диагностических целях рассмотрим метод измерения деформируемости эритроцитов. Этот метод, получивший название экмацитометрии, используется для диагностики ряда заболеваний [7]. При экмацитометрии лазерный луч пропускают через суспензию эритроцитов, помещенных между вращающимися прозрачными цилиндрами, и наблюдают на экране дифракционную картину, вид которой зависит от формы эритроцитов. При этом недеформированные эритроциты дают картину рассеяния в виде концентрических окружностей, деформированные — в виде эллипсов. Если в образцах содержится достаточное количество недеформированных эритроцитов, то наблюдается наложение этих картин, и для оценки концентрации используется так называемый индекс недеформированных эритроцитов, представляющий собой отношение числа деформированных (N) к числу недеформированных (А^0) эритроцитов:
In = N/N0 = 1/(I0-I),   (2.3)
где /о, I — интенсивности рассеянного излучения на краю круговой дифракционной картины от покоящихся эритроцитов и при действии напряжения сдвига соответственно. Измерения индекса недеформированных эритроцитов при анемии плазматических клеток (ПК), наследственном сферозе (НС) показывают увеличение концентрации деформированных эритроцитов по сравнению с нормальными образцами (НО): ПК — /jv = 1,3—2,35; НС — 2,7 и НО — 0,7—1,4 [7].
Большая работа по применению методов светорассеяния для определения геометрических параметров отдельных компонентов крови проведена А. λ. Хайруллиной с соавторами 18—10]. В результате был разработан ряд физически обоснованных методов исследования крови в условиях, близких к нативному. В частности, сильная зависимость индикатрис рассеяния от размеров эритроцитов, выявленная в диапазонах углов 0,5—35°, позволяет получить функцию их распределения по размерам. В то же время неровности поверхности («городчатость») патологических эритроцитов, с высокой точностью определяются по значительному возрастанию интенсивности рассеяния лазерного излучения в углах, больших 90°.
Лазерная нефелометрия широко применяется в иммунологии, где она используется для количественной оценки реакции антиген — антитело и определения концентрации участвующих в реакции компонентов. В частности, изучено влияние различных факторов (температура, pH среды, концентрация и др.) на скорость протекания реакции и образования комплексов антиген — антитело [11, 12]. Проведенное сравнение метода обнаружения реакции антиген — антитело (система глобулин человека — кроличья сыворотка против глобулина человека) показало выигрыш в чувствительности не менее 10 раз по сравнению с традиционными методиками при наличии феномена, отсутствие последнего позволило получить выигрыш во времени до 24 часов [13, 14]. Метод лазерной нефелометрии белков крови и мочи является также более чувствительным методом (в 4—8 раз), чем традиционные методы [15].
Следует отметить, что использование в нефелометрах лазеров позволило упростить оптические устройства, уменьшить необходимое количество исследуемого образца, повысить чувствительность.
В настоящее время лазерная нефелометрия является одним из наиболее распространенных методов оптического исследования биологических объектов. Для определения размеров частиц в диапазоне 0,02—0,2 мкм используются метод асимметрии индикатрис, который заключается в регистрации отклонения индикатрисы рассеяния от рэлеевской при увеличении размера частицы; метод полной индикатрисы применяется для измерения размеров частиц в диапазоне 0,1—10 мкм, а метод исследования рассеяния света на малые углы — для измерения размеров и распределения частиц по размерам в интервале 1—300 мкм [16]. Некоторые из лазерных нефелометров, основанные на этих методах, будут описаны ниже.



 
« Кровохарканье и легочное кровотечение   Лапароскопическая аппендэктомия у детей »