На базі напівпровідникового лазера з довжиною хвилі випромінювання 0,630,68 мкм і оптоволоконної системи транспортування лазерного випромінювання створена ек сперіментальная установка для лазерного діагностики стану біологічних об'єктів. Вивчений ни особливості зворотного розсіювання низькоінтенсивного лазерного випромінювання рідкої біологічної середовищем зі сформованими центрами розсіювання в ній.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Гуреєв А. Д., Котова С. П.


LASER DIAGNOSTIC OF LIQUID BIOLOGICAL MEDIUMS

On the basis of semiconducting laser with radiation wavelength equal 0.63 0.68 microns and fiber-optic system of transporting of a laser radiation is created the trial plant for laser diagnostic of a state of biological samples. The singularities of a backscatter of the low intensive laser radiation by a liquid biological medium with the formed scattering centers in it are studied.


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва 2000


    Журнал: Известия Самарського наукового центру Російської академії наук


    Наукова стаття на тему 'Лазерна діагностика рідких біологічних середовищ'

    Текст наукової роботи на тему «Лазерна діагностика рідких біологічних середовищ»

    ?УДК 621.373.826: 57.08

    ЛАЗЕРНА ДІАГНОСТИКА РІДКИХ БІОЛОГІЧНИХ СРЕД

    © proUA.com, 2000 А.Д. Гуреєв, С.П. Котова

    Самарський філія Фізичного інституту ім. П.Н. Лебедєва РАН

    На базі напівпровідникового лазера з довжиною хвилі випромінювання 0,63 .. .0,68 мкм і оптоволоконної системи транспортування лазерного випромінювання створена експериментальна установка для лазерного діагностики стану біологічних об'єктів. Вивчено особливості зворотного розсіювання низькоінтенсивного лазерного випромінювання рідкої біологічної середовищем зі сформованими центрами розсіювання в ній.

    Вступ

    Серед широкого кола медико-біологічних досліджень, заснованих на використанні лазерного випромінювання, найбільший інтерес, з нашої точки зору, представляє розробка ефективних методів неруйнуючої лазерної діагностики стану біологічних об'єктів. Фізичні основи взаємодії лазерного випромінювання з біотканямі і області практичного застосування лазерів в біології та медицині досить повно узагальнені в роботі [1]. У нашій попередній роботі [2] за допомогою методики реєстрації назад розсіяного низькоінтенсивного лазерного випромінювання (НИЛИ) виявлені загальні закономірності і характерні особливості процесу зворотного розсіювання НИЛИ щільними біотканямі з різною оптичною щільністю. У розвиток цих досліджень в даній роботі нами здійснено модернізацію експериментальної установки в напрямку її практичної адаптації і в зіставленні з раніше отриманими результатами вивчені особливості зворотного розсіювання НИЛИ рідкої біологічної середовищем з штучно вводяться в неї і природно, що формуються в ній центрами розсіювання.

    Методика експерименту

    Компактна мобільна установка для лазерного діагностики стану біологічних об'єктів розроблена на базі напівпровідникового лазера з довжиною хвилі випромінювання 0,63.0,68 мкм і оптоволоконної системи транспортування лазерного випромінювання. Деталировка вузлів установки і її вигляд в збірці показані на рис.1 і 2. До складу установки входять блок введення лазерного випромінювання через об'єктивним-

    тив в оптоволокно; оптична головка зі стаціонарно закріпленими в ній сім'ю оптоволокно, одне з яких є подає, а шість інших - діагностують назад розсіяне біологічним об'єктом лазерне випромінювання; револьверний блок почергової реєстрації фотодиодом інтенсивності розсіяного лазерного випромінювання, транспортованого кожним з шести диагностирующих оптоволокон; вольтметр з блоком попереднього посилення сигналу фотодіода.

    У попередній нашій роботі [2] було показано, що характер розподілу інтенсивності назад розсіяного НИЛИ щільними біотканямі підпорядковується експоненціальним законом

    і (г) = іоехр (-кг), (1)

    де ио = і (г = 0), до - коефіцієнт зі-

    Мал. 1. Деталировка вузлів експериментальної установки для лазерної діагностики стану біологічних об'єктів

    Мал. 2. Зовнішній вигляд експериментальної установки для лазерної діагностики стану біологічних об'єктів

    1 - напівпровідниковий лазер, 2 - блок введення лазерного випромінювання в оптоволокно, 3 - оптична головка, 4 -револьверний блок реєстрації назад розсіяного лазерного випромінювання, 5 - блок попереднього посилення сигналу фотодіода, 6 - вольтметр

    1

    осередком, зворотна величина до якого відповідає відстані г, на якому інтенсивність і0 спадає в е раз. З аналізу результатів даної роботи випливає, що вираз (1) справедливо і щодо рідких біологічних середовищ. Це лягло в основу конструктивних особливостей оптичної головки і системи реєстрації назад розсіяного НИЛИ з математичною обробкою реєстрованих сигналів.

    Схема розташування оптоволокон в оптичній голівці показана на рис.3. З семи стаціонарно закріплених оптоволокон шість (одне - подає, п'ять - диагностирующих лазерне випромінювання) розташовані в один ряд, а сьоме - окремо, поруч з подає оптоволокном, під прямим кутом до шести іншим. П'ять оптоволокон ряду призначені для реєстрації назад розсіяного НИЛИ в поздовжньому напрямку, а окремо розташоване оптоволокно - для його реєстрації в поперечному напрямку з метою виявлення анізотропії розсіяння. Діаметр кожного оптоволокна і відстань між осями сусідніх оптоволокон рівні 1 мм.

    Реєстрація назад розсіяного НИЛИ здійснюється фотодиодом черзі з кожного діагностуючого оптоволокна. При цьому кожне з диагностирующих оптоволокон транспортує до фотодіоду лазерне випромінювання, розсіяне під заданим кутом, обумовленим діаметром оптоволокон і відстанню між їх осями, з одного сто-

    ку, і відстанню між торцями оптоволокон і поверхнею, що діагностується, - з іншого (рис.3).

    Математична обробка реєстрованих сигналів грунтувалася на рішенні системи рівнянь

    і = і0 ехр (-к), і 2 = в.о. ехр (2К), з = в.о. ехр (-3к),

    і 4 = і про ехр (-4к), і 5 = в.о. ехр (-5к)

    (2)

    для п'яти значень і. (г) (г = 1, 2, 3, 4, 5) вирази (1) при г = 1, 2, 3, 4, 5 мм відповідно до відстанями між осями подає оптоволокна і кожного з п'яти послідовно розташованих в один ряд диагностирующих оптоволокон. Основні параметри розсіювання і0 і до визначалися покроковим перетворенням системи (2). Для до:

    ехр (к) =

    и1 = Ч * = і3 = і і і і і

    (3)

    и1 і 2 і3 і4

    4ехр (к) = ---------------------------------------- 1-1-1 - = А (4)

    і 2 і3 і4 і 5, (4)

    ехр (к)

    А

    4

    к = 1п

    4

    (5)

    (6)

    0 1 2 3 4 5

    Рис.3. Схеми розташування оптоволокон в оптичній голівці (а) і реєстрації назад розсіяного біологічним об'єктом лазерного випромінювання (б)

    0 - оптоволокно, подає лазерне випромінювання до поверхні біологічного об'єкту;

    1, 2, 3, 4, 5, 6 - оптоволокна, що діагностують назад розсіяне лазерне випромінювання в поздовжньому (1, 2, 3, 4, 5) і поперечному (6) напрямках і потім транспортують його до фотодіоду

    Для і0:

    ио = и1 ехр (к) = і 2 ехр (2К) = і ,, ехр (3к) = = Ч4 ехр (4к) = Ч5 ехр (5к)

    54. - ч (А) + і 2 (А) 2 + і 3 (А 1 + + 44 (414 + 4 (А 5

    , (7)

    (8)

    (9)

    При вивченні особливостей процесу зворотного розсіювання лазерного випромінювання рідкої біологічної середовищем з зіставленням результатів з раніше отриманими даними для щільних биотканей [2] в якості модельної середовища використовувалося молоко. Штучно вводяться сторонніми центрами розсіювання служили сині чорнило і чорна туш. Формування природних центрів розсіювання як результат протікання процесу зародження і розвитку нової культури в початковій середовищі моделювалося введенням в молоко кефіру, з одного боку, і скисанням молока, - з іншого.

    Експериментальні результати та їх обговорення

    Як і для щільних биотканей розподіл інтенсивності назад розсіяного НИЛИ рідкої біологічної середовищем підпорядковується експоненціальним законом (1). Внаслідок цього основними параметрами процесу розсіювання, що характеризують стан біологічного об'єкта, є і0 і к. В роботі [2] нами було встановлено, що для щільних биотканей параметри і0 і до взаємопов'язані однозначним чином. Збільшення оптичної щільності биоткани супроводжується зростанням і і0, і до, т. Е. При реєстрації зростання пікової інтенсивності назад розсіяного НИЛИ можна з упевненістю говорити про одночасне звуження апертурного кута розсіювання. Тим самим для лазерного діагностування стану щільних биотканей цілком достатнім виявляється вимір всього лише одного параметра, зокрема і0 як найкращого з практичної точки зору.

    Для рідких біологічних середовищ картина інша. Це наочно ілюструє рис.4, на якому наведені залежності і0 і до від процентного вмісту синіх чорнил і чорної

    Процентний вміст синіх чорнил в молоці

    Мал. 4. Залежності параметрів розсіювання і0 і до від процентного вмісту синіх чорнил в молоці

    туші в молоці. Характерним є те, що введення в вихідний склад молока всього лише

    0,1__0,2% сторонніх розсіюючих центрів

    помітно зменшує і0 і, на відміну від щільних биотканей, збільшує до.

    Аналіз коефіцієнтів відбиття і пропускання показує, що зі зростанням процентного вмісту чорнила і туші в молоці збільшується поглинання лазерного випромінювання в суміші. Наслідком цього є зменшення інтенсивності назад розсіяного НИЛИ, і зокрема в.о.. Зростання параметра до, що характеризує коефіцієнт розсіювання, при збільшенні концентрації чорнила і туші обумовлено зростанням числа розсіюючих центрів в молоці, що виявляється як зростання оптичної щільності середовища.

    Для підтвердження визначальної ролі вводяться сторонніх розсіюючих центрів в характері процесу розсіювання були проведені експерименти з модельною середовищем, що є сумішшю молока з водою. Результати досліджень, які помітно відрізняються від даних рис.4, наведені на рис.5. За характером поведінки залежностей і0 і до від процентного вмісту води в молоці можна зробити висновок про зменшення оптичної щільності молока в міру розведення його водою. На результат також впливає зростання коефіцієнта пропускання лазерного випромінювання сумішшю.

    При вивченні процесу зародження і розвитку нової спорідненої культури в складі вихідної середовища на прикладі суміші молока з кефіром і процесу скисання молока отримані результати, представлені на рис.6. Графіки залежностей і0 і до від процентного вмісту кефіру в молоці характеризуються початковим спадом кривих, відповідним

    100.00 -

    U, мВ

    Для закисає молока: Для закислого молока:

    |V • *

    Процентний вміст води в молоці

    Мал. 5. Залежності параметрів розсіювання в.о. і до від процентного вмісту води в молоці

    стадії зародження нової культури, що супроводжується процесом поділу вихідної середовища на фракції, і їх подальшим зростанням в міру розвитку зародилася культури. На початкове зменшення в.о. і до впливає не стільки формування розсіюючих центрів, скільки утворюється водна прошарок між ними, яка сприяє зростанню коефіцієнта пропускання лазерного випромінювання, з одного боку, і зменшення оптичної щільності середовища в цілому, - з іншого. Збільшення в.о. і до відображає переважний внесок у процес розсіювання сформувалася нового середовища, яка характеризується меншим коефіцієнтом пропускання і зростанням оптичної щільності.

    З даних рис.6 слід, що чутливість використаного нами методу лазерної діагностики процесу зародження нової спорідненої культури в вихідної рідкої біологічному середовищі обмежена 3.5%.

    висновки

    Таким чином, на базі напівпровідникового лазера створена компактна мобільна установка для неруйнуючої діагностики стану біологічних об'єктів. Вивчено особливості процесу зворотного розсіювання низ-

    0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

    Процентний вміст кефіру в молоці

    Мал. 6. Залежності параметрів розсіювання в.о. і до від процентного вмісту кефіру в молоці

    коінтенсівного лазерного випромінювання рідкої біологічної середовищем при формуванні в ній центрів розсіювання. На прикладі молока показано, що методика реєстрації та аналізу характеру розподілу інтенсивності назад розсіяного лазерного випромінювання дозволяє надійно діагностувати появу малої

    частки сторонніх включень (до 0,1 _____ 0,2%) і

    розвивається нової культури (до 3_5%) в початковому складі рідкої біологічного середовища. Результати роботи можуть бути покладені в основу експрес діагностики початку критичних змін в рідких біологічних середовищах при їх мікробіологічних дослідженнях, а також екологічного стану водойм.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Прикладна лазерна медицина. Навчальний і довідковий посібник / За ред. Х.П. Бер-ліена, Г.Й. Мюллера: Пер. з нім. під ред. Н.І. Коротеева, О.С. Медведєва. М .: АТ Інтерексперт. одна тисяча дев'ятсот дев'яносто сім.

    2. Гуреєв А.Д., Котова С.П. Неруйнуюче діагностування биотканей з використанням методики зворотного розсіювання низькоінтенсивного лазерного випромінювання // Препринт ФІАН. 1999. № 22.

    LASER DIAGNOSTIC OF LIQUID BIOLOGICAL MEDIUMS

    © proUA.com, 2000 A.D. Gureev, S.P. Kotova

    Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences

    On the basis of semiconducting laser with radiation wavelength equal 0.63 ... 0.68 microns and fiber-optic system of transporting of a laser radiation is created the trial plant for laser diagnostic of a state of biological samples. The singularities of a backscatter of the low intensive laser radiation by a liquid biological medium with the formed scattering centers in it are studied.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити