Absorpcija in analiza prenosnega pomočjo nastavljivih laserji - laserski diagnostika v biologiji in medicini

Absorpcija in kalorimetrični metoda
DIAGNOZA
Ob odločitvi številnih diagnostičnih v biologiji in medicini so dokazano načine absorpcije, ki se običajno uporabljajo v laserske spektroskopije in analitično spektroskopije ultrahitro procesov, [P. 1 - P. 3 str 40 - P. 43, 1,12, 1]. Te tehnike se nanašajo na postopke mikrodiagnostiki ker uporabljajo informacije o atomov in molekul biološke objekta snovi. Shematski prikaz nekaterih metod mikrodiagnostiki je prikazano na sliki. 5.1. V splošnem primeru metode absorpcija vključuje tako absorpcijo in prenos, ki temelji na merjenju jakosti incidenta / "in mimo / svetlobo različnih valovnih dolžin, in metode na osnovi zajemanja od absorbirane energije z merjenjem grelno temperaturo pri bioobject (opto-kalorimetrično metodo) ali intenzivnost / ž svojem fluorescence (laserski analize fluorescence).
Ker je analiza lasersko fluorescenco, kot se uporablja v biologiji prejela zelo razširjena in ima neodvisno vrednost, bo obravnavano v ločenem delu, saj bodo tukaj obravnavali možne absorpcije in prenosne metode in možnosti za uporabo optično-kolorimetričnimi metodami. absorpcijski Klasifikacija diagnostičnih metod in nekatere modifikacije le-teh so podani v shemi 2.

Absorpcija in prenos analiza
s pomočjo nastavljivih laserji

Merilni postopek, ki omejuje občutljivost. Merjenje prenosnega spektra snovi v različnih državah seštevanja je podlaga za spektrofotometrično metodo, ki je bila uspešno uporablja že vrsto let na različnih področjih znanosti, vključno z biologijo in medicino. To je značilna izredna preprostost, vsestranskost, relativno visoka občutljivost in natančnost analize, je dovolj, da rešiti veliko težav biomedicine.

2. absorpcijski Klasifikacija diagnostičnih metod in nekatere njegove modifikacije

Sl. 5.1. Shematski prikaz številnih metod mikrodiagnostiki
Merjenje prenosnega spektra na podlagi intenzivnosti registracije vpadnega (/ 0) ter intenzivnosti prepuščene absorpcijsko sredstvo v r svetlobno pot (/) v odvisnosti od valovne dolžine, da:
(5.1)
(5.2)
in pri čemer (A) - pogloscheniya- koeficient (,) - učinkovito presek vpojnih delcev (cm2) - A ^ - koncentracija (cm-3). Predpostavlja se, da je intenziteta vpadne svetlobe zelo majhna. Za majhne koeficientov absorpcije, ko exp (-az) «l-ar, težko najti
(5.3)
V ne-laser spektrofotometrih uporabljajo vire širokopasovni svetlobe in prestrukturiranje valovno dolžino se izvaja s pomočjo prizme ali uklonskih mrežic. Za ozkih absorpcijskih črt na občutljivost ni odvisna samo od sposobnosti naprave za registracijo majhne spremembe v / v ozadju pomemben signal iz preteklosti, ampak tudi o reševanju instrumenta. Značilno je, da je največja občutljivost dosežena, kadar A ///>10-4- 10-5.
Uporaba laserjev omogoča: 1) znatno izboljšala spektralno ločljivost metode, določiti obliko in zgradbo absorpcijske črte moleculesÐ 2) za ozke absorpcijske črte poveča občutljivost več 3) poenostaviti in zmanjšati stroške postavitvi preskusa, v nekaterih primerih, ker vročega monokromatorjem (običajno predstavljajo najbolj obsežna in draga del instalacije) v prisotnosti laserja je nepotrebno (to je treba upoštevati, da so nekateri nastavljivi laserjev tudi tehnično zapleten in drag v troystva) - 4) zaradi visoke gostote spektralne laserjev manjši vpliv fotocelica hrupa (laser sam zaradi nestabilnosti izhodne moči in pogostosti lahko uvedejo napake v rezultatih meritev, tako da je treba za nadzor ali stabilizirali laserskih parametrov, ki preprosto uresničiti v praksi) - 5) zaradi visoke usmerjenosti in prostorsko skladnost laserske svetlobe za opravljanje meritev razdalje in absorpcijske sled. Pri šibko merjenje absorpcije pri plinov in tekočin se lahko uporabljajo MULTIPASS celico, ki vsebuje do 30-100 prehode [P. 42] in votlo steklo ali kremenov dolžine optičnih vlaken 150 m [P. 43].
Prednosti laserski svetlobni izvori so še posebej očitno v IR spektru pri študijah posamezne rotacijski linij vibracijske pasov, ki jih ni mogoče odpraviti z običajnimi spektralnih instrumenti.
Tako je občutljivost prag metode določen z absorpcijsko kapaciteto zapisovalni napravi določiti najmanjšo vrednost razmerja A / min / 7. Občutljivost te metode se lahko označena na različne načine [P. 42]. Občutljivost prag optične gostote

ali absorpcijski koeficient

kje - dolžina vzorca. Značilno sistem registracije z laserjem določa vrednost A / min // = 10-5.
Najmanjše število detektirati na poti polmera žarka laserske w molekul

koncentracija
in minimalne detektirati koncentracije nečistoč molekule
za>= 0,6 cm, c = 10-17 cm2 / = 10 cm, N0 = 1018 cm-3 (skupno število molekul) in A / S1G // = 1-6 imajo Afmln «1012- Nmin« 10u cm3>' «Min« cm ® 10-1- Cmin «10-7 (100 ppb) [P. 42]. Ta značilnost sledeh ene snovi v drugo: rrsh (MN-1 ppm, g / g) - ppb (ppb 1 ppb, ng / g) - ppt (trillion-1 delov na bilijon, m / g).
Aplikacije MULTIPASS kivete in razlika modulacija koristnih merilne tehnike signala lahko znatno poveča občutljivost metode. Če se amplitudna modulacija intenzitete sondiranje sevanja in absorpcijsko modulacije lahko izvedejo za vse vire svetlobe, lahko ponovi prehod medija (100-krat) in frekvenčno modulacijo svetlobe sonde dobiti le ob uporabi laserji. Tako je zapis za IR spektroskopijo izvajali za vbrizganje laserji prag občutljivosti amln »3-10-10 cm-1. Za laserske spektrometri zaradi visokih skladnosti grede močni učinki motečih vplivov faktor v napravah optičnih vezij. To se predvsem doseže in definirane vrednosti ayu1p [P. 42].
Bistveno povečanje občutljivosti metode (včasih 102- 10B) se lahko uporabi absorpcijo intracavity ko je celica s preskusno snovjo nameščen znotraj votline [P. 42, str 43, 1,12]. To povečanje poteka po treh glavnih razlogov. Prvič, z velikim številom prehodov samodejno izvajati (do nekaj sto, če ne celo predmet spremljanja uvaja precejšnje izgube). Drugič, zaradi lastnosti izhodne moči laserjev z odpravo izgube resonatorja glavni vzrok nizke občutljivosti absorpcijsko metodo, saj ni dejansko izmerjene razmerju /// ter vrednost /. In tretjič, v načinih skupaj valov, ki ustvarjajo (dva zrcalno multimode laserjem ali obročnem laser) učinki konkurence, povezanih valov laserji znatno poveča občutljivost na spremembe v izgubo znotraj resonatorja.
Intracavity obetavna metoda za odkrivanje zelo šibke absorpcijske črte v ozračje, kemičnih izdelkov kratkotrajna (biokemijske) reakcije radikale in nestabilne molekule. Če želite ustvariti zelo občutljive spektrometri, ki delujejo na principu absorpcije intracavity merjenja, bolj primerne nastavljivi laserji s splošnimi smernicami in veliko prostora za glavo. V vidni - je pulzni laser z barvilom v infrardečem - barvne laserji.
Glavne vloge v biologiji in medicini. Analiza Absorpcija-menjalnik je zelo raznoliki in jih lahko uspešno uporabimo v študiji pline, tekočine in trdne snovi. Raziskovalnih okolij v različnih državah seštevanja je predmet biomedicinskih diagnostike. Analiza plin, na primer, zahteva določitev plinastih sestavin bistveno delovanjem živih organizmov, določanje koncentracije sledovih kontaminantov (težave sanitarnih in patologijo) in tako naprej.
Za kontrolo laserja se onesnaževanje ozračja razvita številna orodja, od katerih so mnogi na osnovi meritev absorpcije [P. 40, str 42]. Nadzor se izvede z vzorčenjem z naknadno absorpcijo v kivete analize multi-prelaz zmanjšanim tlakom. Merjenje absorbance sled izvedena kontaminantov z razmaknjenih virom svetlobe in fotodetektor, daljinsko zrcalni reflektor ali naravne leče, s pomočjo merilnih razlika tehnik. Uporablja tudi heterodinske meritev.
Značilno onesnaževalcev ima značilne absorpcijske črte v infrardečem delu spektra, tako da je najpogosteje uporabljena laserskih spektrometri injekcijo in molekularna CO in C02 laserji, ki zagotavlja potrebno preureditev v območju 2,5-46,2 mm.
Z injekcijsko detekcijo lasersko praga onesnaževanja zraka kot SO2, N20, NH3, in N02, je v razponu od 1 do 10 RRB ppt, in za HCl - 0,1 ppm, HF - 0,5 rrsh. Možno je, da se določi vsebnost HCN, H20, CH4, S2Nv v cigaretnem dimu in toksično vsebino
nečistoče v izpušnih plinih vozil, kot so benzen, na nivoju 1 ppm [P. 42]. Za C02 laser z diskretnim merjenje frekvence uravnavanja pri atmosferskem tlaku absorpcijsko metodo razlika (atmosfera zaznavanjem na dveh valovnih dolžinah) dobimo tipičen prag Detekcija reda onesnažujejo organskih molekul 2,5-10-7-5,5 * 10-5% za en kilometer [ AP 40].
Biološke predmeti v večini predstavljata zlito mediju - tekoče ali trdne snovi. Absorpcija linije znatno razširila take medije, pa se ne zahteva visoko stopnjo monochromaticity laserskega sevanja v načelu. Vendar, laserji in v teh primerih so zelo koristne. Prvič, ozek linija sevanja omogoča zgraditi iz središča okoljih absorpcijske črte z visoko optično gostoto in tako zagotovi linearno odvisnost absorpcijo koncentracije. Drugič, visoka spektralna svetilnost laserja omogoča merjenje absorpcije v optično gostih vzorcih. Na primer, za injiciranje laserjev Dmax = (a /) max «12 [P. 42].
Biološka Okolje - je optično nehomogene mediji, zato se nagibajo k razpršijo svetlobo močno. To dejstvo močno otežuje ali celo onemogoča merjenje prenosa spektra, zaradi česar je potrebno preklopiti na druge metode merjenja absorpcije spektrov. V navzočnosti koeficienta sipanja a (x) (5.1) (5.2) ima pomen že definiran slabljenje koeficient in koncentracija ne samo ponore, pa tudi leče v laserskim žarkom. Izrazi (5.1) in (5.2) obdržijo svojo obliko, toda = A0. Učinkovito oddelek slabljenje vključuje tako absorpcijo in raztros:

Za sferična delca polmera

Qn in QP koeficienti so praviloma določi na podlagi teorije Mie. Največja vrednost teh koeficientov dosežemo medtem 1-5 [P. 40]. V prisotnosti več komponent, ki absorbira in sipanje svetlobe, kar je značilno tudi Biosystems (5.2) obliko
kjer je a0 = stpg + ogrg, Nt - delcev koncentracija t-ro komponento.
Očitno je, da pri takšnih pogojih znotraj absorpcije spektrofotometrični metode ni mogoče definirano brez udeležbe značilnosti sipanja. Pri relativno transparentnega medija z uporabo kombiniranih tehnik, ki temeljijo na meritvah difuznega odboja spektrov in prenosnega spektra bioloških predmetov. Na primer, v študijah parametrov krvi (ki določa delež kisika v polni krvi, koncentracija vsote (skupno) blood Koncentracija hemoglobina metagemoglobinov) je velikega pomena pri postopku z uporabo merjenje difuzne odbojne Rn in relativni prenos krvnih plasti dveh debelin T12 [2, 3] . V tem primeru je absorpcijski koeficient debeline enote


kjer / in 2 / x - y sloev- debelina dveh - parameter določijo na podlagi izmerjenih Koeficient
Laserji so dokaj uspešno uporabljajo za diagnosticiranje različnih bolezni, čeprav to ni laserske tehnike so pridobili popularnost zaradi. V [P. 39] je kratek pregled metod za potrebe medicinske diagnostike, kot glavni material za tuje patentov, od katerih jih veliko uporabljajo meritve absorpcije ali kombinaciji metod. Na primer, je bilo predlagano, preprost in hiter način, da število rdečih krvnih celic in trombocitov, ki temeljijo na merjenju intenzitete prepuščene in razpršene svetlobe na valovnih dolžinah močno absorpcijo rdečih krvnih celic (415 ali 540 nm). krvnih delcev mimo enega po enega skozi območje za svetlobo osvetljeni. Svetlobni izvori lahko sprejme ali laserski barvni ali Ar laser z ali = 413.1 nm. Obetavna za ta namen, in je - Ne laser, = 543,3 nm.
Možno je, da izvajajo razvrstitev in štetje velikosti krvnih delcev in njihovo preživetje pri meritvah intenzivnosti sevanja, ki ga delec ne absorbira - NE laserjem, = 632.8 nm. Z uporabo te laser lahko določimo tudi koncentracijo sposobnih trombocitov v vzorcu krvi za transfuzijo. Pregled optičnih metod in naprav za štetje delcev, vključno s tistimi biološkega izvora, onemogočena
v tekočem mediju je podan v [P. 48]. Metode, ki temelji na absorpcijo in sipanje svetlobe in sence in difrakcijo.
Vsebnost kisika, ogljikovega dioksida, ogljikovega monoksida in drugih snovi, vključno z različnimi produktov presnove (sečnino, glukozo, etanola, polipeptidov, itd), raztopimo v človeški krvi je najbolj pomembne informacije o ključnih procesov, ki se pojavljajo v telesu. Merjenje stopnje nasičenosti krvi s kisikom, ki temelji na bistvenih sprememb v absorpcijskih spektrih nasičenih ali krvi s kisikom.
Iz preglednice. 1.1 je razvidno, da je zmanjšanje nasičenja s kisikom v krvi vodi do skoraj trikratno povečanje koeficienta absorpcije pri A = 620 nm. Iz tega sledi, lahko preprosto metodo za oceno vsebnosti kisika v krvi z uporabo najbolj cenovno je - NE laser z A = 632.8 nm. Vendar pa se lahko natančno merjenje z natančnostjo 1-5% zagotavljajo le bolj izpopolnjene tehnike [2, 3], z uporabo mimo meritve kot tudi difuzno odbite svetlobe v različnih valovnih dolžin, vključno isobestic valovno dolžino X = 805 nm, za katere nasičenih absorpcijski koeficienti in oksidirano kri sovpadeta (glej tabelo 1.1.).
Prednosti laserji so podrobno razloženo v merjenje koncentracije raztopljenih plinov v krvi in ​​metaboličnih produktov neposredno skozi človeško kožo [P. 39]. Metoda temelji na dejstvu, da je ogljikov monoksid, kisik, ogljikov dioksid in različne organske snovi dobro absorbira v IR delu spektra, kjer nastavljivi CO, C02 in vbrizgavanje laserji delujejo. Na primer, za kri z visoko vsebnostjo CO, C02 in 02, so opazili absorpcija maksimumi pri valovnih dolžinah 5,13 4,3 in 9 mikronov. Za glukozo značilne absorpcijske črte so na 2,8-4.8 in 6.1 um.
merilne tehnike so lahko različne. Eden lahko izmerimo koeficient tanko plastjo tkiva glavo v območju med palcem in kazalcem osebe v uhlja in t. D. Ali uporabiti ploščo za popolnega notranjega odboja, ki jih, ki oddaja svetlobo (5 odbojev), ki se nanese na preskusno predmet (kože, jezika, in pr.). V študiji notranjih organov lahko uporabi z optičnimi vlakni kateter. Za določitev kvantitativno vsebnosti teh snovi v krvi zahteva predhodno kalibriran naprav z uporabo referenčnih vzorcev. Točnost določanja odvisna predvsem od stabilnosti laserskega sevanja. Mnogi izmed predlaganih naprav se lahko uporabljajo v laboratorijski diagnostiki vzorcev krvi in ​​drugih bioloških tekočinah, kot je urin.
Merjenje odbojnih koeficientov tkiv v procesu koagulacije je potrebno nadzorovati termokemični procesov v izbruhu koagulacije določitvi končne povratne informacije. Tak nadzor je zlasti za uporabo v oftalmologiji koagulacijski očesno tkivo 14]. To je bilo ugotovljeno, na primer, močno povečan refleksijo sevanja = 441,6 nm iz tkiv fundus mrežnice koagulacijski sevanja z argonskim laserjem (514,5 nm).
Posebej zasnovan za uporabo v medicini, laserski biophotometer za določanje kaže, absorbira in prenaša moč biotissue površino in notranji organi [P. 28, str 37]. V kombinaciji z nastavljivi laserji (ali nizom laserjev različnih valovnih dolžinah) naprave za čiščenje odplak iz optičnih vlaken sevanja in rezultatov meritev na računalniku bi bili takšni photometers uporaben za diagnostiko patoloških tkiv na številnih področjih medicine (npr, stomatologije, oftalmologija, itd).
V študiji optično gostih bioloških vzorcih zgolj informativne narave parameter je koeficient difuzno refleksijo, ki nosi informacijo o absorpcijski spekter snovi. Primeri takih študijah, so ekspresne metode biotesta vrednosti različnih žit poljščine uspešno izvajajo v napravah z viri toplote, v katerih valovna dolžina je izbor se izvede z uporabo niza ozkih filtrov pasu [5]. Sondiranje vzorec (celih, zmletega zrna (semena obrok ali moko)) pri značilnih valovnih dolžin v območju 1,5-2,5 mikronov, z ustrezno kalibracijo in matematično obdelavo rezultatov v računalniku omogoča ugotavljanje vsebnosti proteinov, maščob in vlage.
Kalibracijska, ki je najbolj zamuden del postopka, je vzpostaviti povezavo med spektru analita in refleksijski spekter celotnega in tal zrn, čemur sledi iskanje vsebin funkcionalno razmerje komponento, s kemičnimi sredstvi in ​​iz refleksijski spektri pri izbranih valovnih dolžin določena. Kalibracija se izvaja na velikem paleto vzorcev (30-60). Značilne vrednosti korelacijskih koeficientov na operacijski valovni dolžini za različne poljščine so v območju 0,78- 0,99. Standardna napaka spektrofotometrična preizkus je navadno 10-25% na 90-98% zanesljivost. Podobne študije v vidnem območju (410-500 nm) omogočajo določanje vsebnosti karotenoidov v pšeničnega Krupka (standardna napaka 24% s 90% zanesljivostjo, korelacijski koeficient 0,9).
Uporaba laserjev v okviru tega postopka, poleg povečanja razmerje signala / šuma, morajo zagotavljati visoko lokalno analizo, do študija posameznih zrn, in celo posamezni majhna območja celih zrn, ki se lahko uporabljajo pri gojenju na razvrščanje semena.