Калориметрические методи діагностики - лазерна діагностика в біології та медицині

Відео: КІЕМ. Омолодження, косметологія, стоматологія. Професор Федоров Сергій Маркович

Класифікація та основи калориметричних методів діагностики
Класифікація. В основі калориметричних методів мікродіагностікізастосовується або спектроскопії лежать поглинання світла з порушенням рівнів енергії молекул речовини біооб`єкту, подальша безизлучательним релаксація цих рівнів і нагрів об`єкта. Інформаційним параметром є зміна температури зразка АТ. Очевидно, що ступінь нагріву визначається поглощательной здатністю речовини, інтенсивністю світла і ефективністю конкуруючих процесів (флуоресценція, фотохімічні і фотоелектричні ефекти). Все це і визначає гідності калориметричних методів, головним з яких є можливість дослідження поглинання світлі сильно розсіюють середовищами, стосовно до багатьох областях науки і техніки, але особливо до біологічних і медичних завданням. Ці методи дозволяють досліджувати непрозорі (оптично щільні) і слабо флуоресцирующие об`єкти, контролювати перебіг фотохімічних і фотоелектричних процесів. Оскільки вимірюваним параметром є зміна температури, то в якості детекторів застосовуються неселективні приймачі, відсутнє обмеження по використовуваних в експерименті довжинах хвиль з боку приймача.
Оптико-калориметричні (або, як їх іноді називають, оптико-термічні) методи мають багато модифікацій, що відображають способи реєстрації зміни температури [П. 23, П. 41-П. 46, 1.26, 1, 8-24]. Можливі безпосередні вимірювання температури за допомогою контактних датчиків і супутніх змін обсягу зразка. Ці методи не отримали дуже широкого поширення. Перспективним, особливо при дослідженнях об`єктів in vivo, представляється метод оптико-термічної радіометрії, заснований на вимірюванні інтенсивності теплового випромінювання нагрітого лазерним світлом тіла. В останні роки цей метод стає все більш популярним.
Завдяки своїй простоті, надійності, високої чутливості та універсальності найбільш широке поширення отримав оптико-акустичний (ОА) метод, який полягає в перетворенні теплових коливань в акустичні і подальшої їх реєстрації мікрофоном або будь-яким іншим приймачем акустичних коливань. Для детального знайомства з ОА методом і його широкими можливостями можна рекомендувати монографію [П. 41], а також огляди та праці конференцій по ОА спектроскопії [П. 23, П. 42 - П. 46, 1, 81. Порівняно широкого поширення набули також безконтактна оптікотерміческій спосіб, коли вимірюваним параметром є температура об`єкту має площу газу, і оптико-рефракційні методи, в яких вимірюються варіації показника заломлення середовища, викликані температурними змінами, - це метод теплової лінзи, теплової дефлекціі додаткового (вимірювального) лазерного пучка і різноманітні інтерферометричні методи.
Імпульсний метод. Нехай пучок лазерного випромінювання радіусі w проходить через кювету, заповнену рідиною. Тривалість імпульсу світла дорівнює т&bdquo-, частота повторення
імпульсів /, довжина стовпа рідини, що освітлюється Імпульсом, I. Приймач ОА сигналу розташований на відстані R від осі лазерного пучка. Припустимо, що длітельность- імпульсу значно більше часу безизлучательной релаксації, часу поширення акустичного імпульсу поперек освітлюється стовпа рідини і постійної, часу акустичного детектора тд. За умови, що безизлучательним релаксація є основним процесом, що визначає ослаблення світлового пучка, а саме ослаблення не надто велике, а / lt; ^ 1, що виділяється при поглинанні енергія знаходиться на підставі закону Бугера:
де Ея - енергія імпульсу світла, а - коефіцієнт поглинання. Поглинання енергії супроводжується локальним підвищенням температури АТ, яке знаходиться зі співвідношення
(5.4)
де ср - питома теплоємність при постійному тиску, V = nwH - освітлюваний обсяг, р - щільність середовища.
Припускаючи, що процес розширення освітлюється обсягу відбувається адіабатично при- постійному тиску, можна підрахувати зміна цього обсягу:
(5.5)
де Р - температурний коефіцієнт об`ємного розширення речовини. Таке розширення створює хвилю, що поширюється в радіальному напрямку зі швидкістю звуку va. Відповідну зміну тиску Ар пропорційно амплітуді механічних коливань Ax ~ Aw:


де / а - частота акустичних коливань. Використовуючи (5.5) у за умови, що Aw
Ці співвідношення дають уявлення про принципи роботи калориметричних методів. Безпосередню інформацію про коефіцієнт поглинання середовища а на певній довжині хвилі можна отримати на основі вимірів АТ (оптико-термічний ефект), A V (оптико-геометричний ефект) або Ар (ОА ефект). Використовуючи зв`язок фокусної відстані F «теплової лінзи», кута відхилення lt; р пробного лазерного променя і зсуву фази хвилі ДГ | gt; в вимірювальному інтерферометрі зі змінами температури АТ зразка, отримаємо наближені співвідношення і для інших методів [П. 41, П. 43].
Метод «термолінзи»:

Дефлекціонний метод:

Інтерферометричний метод:

де dnldT - температурний градієнт показника заломлення середовища п, V - довжина області просторового поєднання збудливого і пробного пучків світла, А,&bdquo- - довжина хвилі пробного пучка.
Чутливість калориметричних методів і основні області застосування представлені в табл. 5.1. Подальше обговорення проведемо в основному на прикладі ОА методу. Важливим параметром, який необхідно враховувати при практичній реалізації імпульсного ОА методу, є тимчасова затримка тд між світловим і акустичними імпульсами. У найпростішому випадку тд визначається очевидним співвідношенням
(5.6)
де R - радіус осередки. Ця тимчасова затримка визначає період часу, протягом якого корисний сигнал реєструється без перешкод.
У разі газоподібних середовищ, зокрема молекулярних газів, для яких швидкість зіткнень релаксації збуджених станів істотно перевищує швидкість радіаційної релаксації, ОА сигнал має наступний вигляд:
(5.7)
де 7-cjcv, тт - час теплової релаксації осередки:
(5.8)
1`ле про, - температуропровідність, р - щільність газу, k - теплопровідність газу. Ці співвідношення отримані на основі газокінетичний уявлень для осередку, заповненої молекулами одного сорту, рівномірно розподіленими в обсязі.

Таблиця 5.1

Чутливість і основні області застосування калориметричних методів

Для газової суміші поглинають молекул різного ґатунку загальну зміну тиску в осередку складається з відповідних парціальних змін тиску з урахуванням тимчасових затримок, зумовлених відмінностями швидкостей теплової релаксації.
Важливим параметром середовища є Термодифузійна (теплова) довжина, яка для імпульсного збудження оцінюється як [П. 43]
(5.9)
Імпульсний нагрів біооб`єкту призводить також до зміни характеру власного теплового випромінювання тіла - це явище лежить в основі імпульсної оптико-термічної радіометрії (ОТР) [18, 21]. Максимум теплового випромінювання живих біооб`єктів лежить в області 10 мкм. Детальний аналіз ОТР сигналу вимагає знання розподілу температури по об`єкту, швидкості теплової дифузії середовища, коефіцієнтів поглинання на довжинах хвиль зондування а (зазвичай УФ або видимий діапазон) і теплового випромінювання а `(10 мкм). І назад, знання деяких і »зазначених параметрів дозволяє за вимірюваним ОТР сигналу визначати інші параметри, наприклад а.
У найпростішому випадку порівняно слабкого поглинання зондуючого випромінювання (Аlt; ФГ `) і впливу короткими імпульсами світла (значно меншими за тривалістю часу термодифузії) сигнал ОТР визначається співвідношенням [18, 21]

де S (т&bdquo-) ~ WE&bdquo-а - значення сигналу в початковий момент часу після припинення дії імпульсу світла тривалістю ти, W - коефіцієнт, пропорційний ширині спектральної області реєстрації ІК випромінювання біооб`єкту, z = a [aT (t-ти)], / 2.
В даному випадку має місце поверхневе теплове випромінювання тіл, оскільки зондуючого випромінювання проникає всередину тіла досить глибоко, а теплове випромінювання ° т глибинних його верств ефективно поглинається при виході назовні. У зв`язку з тим, що для більшості біооб`єктів коефіцієнт поглинання в ІЧ області визначається міститься в них водою і лежить в діапазоні (1-2) -103 см-1, представлене співвідношення може бути використано при дослідженні широкого класу биотканей.
Метод, який використовує безперервне модульоване випромінювання. Відмінною особливістю застосування лазерів безперервної дії в порівнянні з імпульсними є отримання додаткової інформації про характер поглинання досліджуваної речовини за рахунок сигналу, пропорційного зсуву фаз між змінними складовими потужності лазера і тиску. Для газоподібних середовищ при гармонійної модуляції потужності випромінювання Р на частоті зі амплітуда ОА сигналу bр і зрушення фаз Ф мають вигляд
(5.10)
де тт визначається співвідношенням (5.8). Ці вирази отримані при тих же припущеннях, що і (5.7). Термодифузійна довжина дорівнює
(5.11)
Вивчення оптичних і теплових властивостей рідин і твердих тіл за допомогою газової ОА осередки (непрямий метод) є досить поширеним методом дослідження. Модульований світло поглинається конденсованої середовищем і частково перетворюється в тепло. Це тепло створює обурення тиску в навколишньому газі, які реєструються мікрофоном. При описі ОА сигналу використовують три характерні довжини зразка: геометричну I, довжину пробігу фотона / ф = 1 / а і «теплову» / т. Залежно від співвідношення цих довжин можливі шість різних варіантів газомікрофонного методу. Розрізняють оптично і термічно товсті і тонкі середовища. Очевидно, що для gt; / т «^ ф можливі ефекти насичення амплітуди ОА сигналу, яких слід уникати. Для даного зразка величина / т визначається тривалістю імпульсу або частотою модуляції з. Поділ сигналів, порушуваних в об`ємі зразка і в тонкому шарі на кордоні речовина - вікно (або підкладка), можливо при використанні фазового методу, коли реєструється не тільки амплітуда, але і фаза ОА сигналу.