Лазерна нефелометрія - лазерна діагностика в біології та медицині
глава 2
ДІАГНОСТИЧНІ МЕТОДИ, ВИКОРИСТОВУЮТЬ
ПРУЖНЕ РОЗСІЯННЯ СВІТЛА
В цьому розділі основна увага приділена методам діагностики параметрів біологічних частинок і тканин за допомогою дослідження кутових і поляризаційних характеристик пружно розсіяного випромінювання. Причому якщо дослідження кутової залежності інтенсивності розсіяного світла (так звана нефелометрія) має тривалу історію і широко застосовується в самих різних областях медицини і біології [П. 20, 1], то аналіз поляризаційних ефектів при розсіянні світла використовується значно рідше, хоча саме він дозволяє отримати значно більше інформації про розсіюється об`єкті. Тому в цьому розділі детально розглянуті питання лазерної поляризаційної нефелометрії, методи автоматизованого вимірювання индикатрис елементів матриці розсіювання світла і вікна, що при цьому діагностичні можливості. Розгляд проведено в основному на прикладі тканин ока, в той же час воно дозволяє охопити різні аспекти, що стосуються більшості інших слабопоглощающіх біологічних об`єктів. Обговорено також прикладні питання використання пружного розсіювання при аналізі концентрацій розсіюють частинок і імунологічних реакцій.
2.1 Лазерна нефелометрія
Відео: Лазерна зброя проти раку. 2010 рік
Розсіювання, поряд з поглинанням, є основним процесом, що визначає поширення світла в газоподібних, рідких і твердих тілах, в тому числі і в біологічних об`єктах. Методи пружного розсіювання зазвичай використовують для дослідження бактерій, формених елементів крові, тканин ока і т. Д. Ці біооб`єкти характеризуються різноманітністю форм (сфери, циліндри, диски, еліпсоїди і ін.) І розмірів (0,1-100 мкм). У видимій області спектра найчастіше досліджувані частинки, зважені в базовому речовині, мають мале значення як дійсної частини відносного показника заломлення т (1,02-1,2), так і уявної частини і (10-6-10-2), n -m - - i% 11, 2].
Рішення завдання про розсіянні світла з урахуванням форми, мікроструктури, полідисперсності, спектральної залежності показників поглинання окремої частки дає теорія Мі, проте це рішення досить громіздко [3]. У найпростішому випадку дифракції плоскої електромагнітної хвилі на однорідної сферичної частинки радіуса а рішення Мі для інтенсивності світлорозсіювання під уголом 0 визначається виразом
(2.1)
де / 0 - інтенсивність світла, що падає на об`єкт, р = = (2па / Х), R - відстань від точки спостереження до частки, ii і г2 - коефіцієнти Мі, що містять функції Бесселя і поліноми Лежандра, їх явний вигляд наведено в [3 ]. Тому зазвичай при аналізі розсіювання світла на «м`яких» частинках, т. Е. На частинках з т&1, б відповідала умовам рlt; lt; 51, використовують наближення Релея - Ганса, а при рgt; 500 - формули геометричної оптики [4]. У проміжних випадках зазвичай використовують наближення Хюлст [3], при якому фактор ефективності розсіювання Q, т. Е. Коефіцієнт розсіювання, віднесений до геометричного поперечному перерізі розсіює частинки, визначається за формулою
(2.2)
де% = 2р (т-1).
Отже процес розсіювання призводить до змін в просторовому розподілі інтенсивності світла, тому однією з основних характеристик при вивченні светорассеяния є індікатріса, що визначає інтенсивність світла як функцію кута розсіювання. Вимірювання індикатриси розсіяння полягає у висвітленні об`єкта пучком світла і реєстрації інтенсивності розсіяного речовиною світла під різними кутами. Тому основою нефелометра - приладу для вимірювання інтенсивності розсіяного світла - є джерело світла з малою кутовий расходимостью і приймач випромінювання з певним кутом зору. Завдяки значній спрямованості і ви-
сокой інтенсивності лазерних пучків лазери виявляються найбільш підходящими джерелами світла в цьому випадку.
В даний час розроблено досить багато типів нефелометрія. При «рутинних» вимірах зазвичай використовують прилади з фіксованим кутом, найчастіше вибирають кути, рівні 45 або 90 °. Для розширення можливостей нефелометра, особливо в наукових дослідженнях з маловивченими об`єктами, використовують, як правило, прилади зі змінним кутом реєстрації розсіяного світла [5, 6].
Як приклад застосування пружного розсіювання лазерного випромінювання в діагностичних цілях розглянемо метод вимірювання деформованості еритроцитів. Цей метод, що отримав назву екмацітометріі, використовується для діагностики ряду захворювань [7]. При екмацітометріі лазерний промінь пропускають через суспензію еритроцитів, поміщених між обертовими прозорими циліндрами, і спостерігають на екрані дифракційну картину, вид якої залежить від форми еритроцитів. При цьому недеформовані еритроцити дають картину розсіювання у вигляді концентричних кіл, деформовані - у вигляді еліпсів. Якщо в зразках міститься достатня кількість недеформірованних еритроцитів, то спостерігається накладення цих картин, і для оцінки концентрації використовується так званий індекс недеформірованних еритроцитів, що є відношенням числа деформованих (N) до числа недеформірованних (А ^ 0) еритроцитів:
In = N / N0 = 1 / (I0-I), (2.3)
де / о, I - інтенсивності розсіяного випромінювання на краю кругової дифракційної картини від покояться еритроцитів і при дії напруги зсуву відповідно. Вимірювання індексу недеформірованних еритроцитів при анемії плазматичних клітин (ПК), спадковому сферозе (НС) показують збільшення концентрації деформованих еритроцитів у порівнянні з нормальними зразками (ПЗ): ПК - / jv = 1,3-2,35- НС - 2,7 і АЛЕ - 0,7-1,4 [7].
Велика робота по застосуванню методів світлорозсіювання для визначення геометричних параметрів окремих компонентів крові проведена А. . Хайруллін з співавторами 18-10]. В результаті був розроблений ряд фізично обґрунтованих методів дослідження крові в умовах, близьких до нативному. Зокрема, сильна залежність индикатрис розсіювання від розмірів еритроцитів, виявлена в діапазонах кутів 0,5-35 °, дозволяє отримати функцію їх розподілу за розмірами. У той же час нерівності поверхні ( «городчатий») патологічних еритроцитів, з високою точністю визначаються по значному зростанню інтенсивності розсіювання лазерного випромінювання в кутах, більших 90 °.
Лазерна нефелометрія широко застосовується в імунології, де вона використовується для кількісної оцінки реакції антиген - антитіло і визначення концентрації беруть участь в реакції компонентів. Зокрема, вивчено вплив різних чинників (температура, pH середовища, концентрація і ін.) На швидкість протікання реакції і утворення комплексів антиген - антитіло [11, 12]. Проведене порівняння методу виявлення реакції антиген - антитіло (система глобулін людини - кроляча сироватка проти глобуліну людини) показало виграш в чутливості не менше 10 разів в порівнянні з традиційними методиками при наявності феномена, відсутність останнього дозволило отримати виграш у часі до 24 годин [13, 14 ]. Метод лазерної нефелометрії білків крові і сечі є також більш чутливим методом (в 4-8 разів), ніж традиційні методи [15].
Слід зазначити, що використання в нефелометрія лазерів дозволило спростити оптичні пристрої, зменшити необхідну кількість досліджуваного зразка, підвищити чутливість.
В даний час лазерна нефелометрія є одним з найбільш поширених методів оптичного дослідження біологічних об`єктів. Для визначення розмірів частинок в діапазоні 0,02-0,2 мкм використовуються метод асиметрії индикатрис, який полягає в реєстрації відхилення індикатриси розсіяння від релєєвськой при збільшенні розміру частки- метод повної індикатриси застосовується для вимірювання розмірів частинок в діапазоні 0,1-10 мкм, а метод дослідження розсіювання світла на малі кути - для вимірювання розмірів і розподілу часток за розмірами в інтервалі 1-300 мкм [16]. Деякі з лазерних нефелометрія, засновані на цих методах, будуть описані нижче.
