Калориметрични диагностични методи - лазерни диагностика в биологията и медицината

Класификация и диагностични методи основава калориметрични
Класификация. В основата на калориметрични методи mikrodiagnostiki или лежи светлина абсорбционна спектроскопия с възбуждане енергийни нива на молекули на bioobject веществото, последващо radiationless релаксация на тези нива и отопление обект. опция информация е да се промени температурата на пробата AT. Очевидно е, че степента на нагряване се определя от абсорбцията на веществото, интензитетът на светлината и ефективността на конкурентни процеси (флуоресценция, фотохимични и фотоелектрически ефект). Всичко това определя достойнствата на калориметрични методи, основната от които е способността да се учи усвояването на светлина силно разсейване медии, във връзка с много области на науката и технологиите, но най-вече за биологични и медицински проблеми. Тези методи позволяват да се изследват непрозрачен (оптично плътни) и слабо флуоресцентни обекти, контролира изпълнението на фотоволтаични и фотохимични процеси. Тъй измерваната величина е промяна в температурата, детекторите се използват като неселективни приемници, няма ограничение за използваните дължини на вълните в експеримента в приемника.
Оптоелектронни калориметричен (или, тъй като понякога се наричат, оптични-термични) методи са много модификации отразяващи методите за откриване промяна на температурата [P. 23, стр 41-P. 46, 1.26, 1, 8-24]. Възможно директно измерване на температура с помощта на контактни сензори и съпътстващи промени на обема на пробата. Тези методи не са били много широко разпространени. Обещаващ, особено в изследователски центрове ин виво, е методът на опто-термична радиометрия се основава на измерване на интензивността на топлинното излъчване на нагретия тялото с лазерна светлина. През последните години този метод става все по-популярен.
Поради своята простота, надеждност, висока чувствителност и гъвкавост на optoacoustic метода на най-широко разпространена (ОА), което е за преобразуване на топлината в акустични трептения и последващото им микрофон регистрация или други акустични вибрации приемник. За подробности относно метода на OA и неговите широки възможности да препоръчват монографията [P. 41], както и прегледи и конференции на ОА спектроскопия [P. 23, AP 42 - AP 46, 1, 81. Сравнително широко използван като метод безконтактен optikotermichesky когато измерваната величина е температурата на околната съоръжението газ и методи пречупване оптичен в който измерва промяната на индекса на пречупване, причинено от температурни промени, - метод за термично леща, допълнителна топлинна деформация (измерване) на лазерния лъч и различни интерферометрични техники.
метод на импулса. Нека радиуса на лазерен лъч w преминава през клетката напълни с течност. Продължителността на светлинния импулс е T&bdquo-, честота на повторение
импулси / дължината на колоната течност, осветен импулс, I. OA сигнал приемник е разположен на разстояние R от оста на лазерния лъч. Да предположим, че пулс dlitelnost- значително по-nonradiative време за релаксация, времето за разпространение на акустичен импулс през осветената течност колоната и акустичен детектор постоянна време TD. При условие, че процес radiationless релаксация е основен определящ фактор за отслабване на светлинен лъч и затихване само по себе си не е твърде голям, и /<^1, выделяющаяся при поглощении энергия находится на основании закона Бугера:
Й при което - светлинен импулс енергия, и - коефициент на абсорбция. Поглъщането на енергия е съпроводено с локално увеличаване на температурата, при която се установи, от връзката
(5.4)
където ср - специфична топлина при постоянно налягане, V = nwH - осветен обем, р - плътност на средата.
Ако приемем, че процесът на разширяване на обема осветен е адиабатно приори- постоянно налягане, е възможно да се изчисли промяната на този обем:
(5.5)
където F - температурен коефициент на обемно разширение агент. Тази експанзия създава вълна посадъчен в радиална посока със скорост ва звук. Съответният промяната в налягането АР пропорционална на амплитудата на механичните трептения Ах ~ Aw:


където / и - честотата на акустични трептения. Използването на (5.5) в условието, че О
Тези съотношения дават представа за принципите на методите на калориметрия. Директен на коефициента на поглъщане на средата и при определена дължина на вълната може да бъде получена на базата на измервания AT (опто-термичен ефект), A V (геометричен оптичен ефект) или Аг (ОА ефект). Използването на отношенията на фокусно разстояние F «топлинна обектива", на ъгъла на отклонение <р пробного лазерного луча и сдвига фазы волны Дг|> в измерительном интерферометре с изменениями температуры АТ образца, получим приближенные соотношения и для других методов [П. 41, П. 43].
метод "Топло обектива":

метод Деформация:

Интерферометричен метод:

където dnldT - температурен градиент на индекса на пречупване п, V - дължината на пространствения подравняването на вълнуваща и светлината на сондата греди А,&bdquo- - дължината на вълната на сондата светлина.
Чувствителността на калориметрични техники и основни области на приложение са показани в таблица. 5.1. Допълнително обсъждане държи главно например метода на ОА. Важен параметър, който трябва да се вземе под внимание при практическото прилагане на метода на пулса ОА е време на закъснение ТД между светлината и акустични импулси. В най-простия случай очевидно TD определя от отношението
(5.6)
където R - радиус клетка. Това закъснение определя периода от време, през който полезният сигнал се записва без смущения.
В случай на газообразни среди, по-специално молекулни газове, за която степента на колизионни релаксация на възбудени състояния значително по-големи от излъчващ OA степен на отпускане сигнал има следната форма:
(5.7)
където 7-cjcv, TT - термичен време на релаксация на клетката:
(5.8)
1`le за, - термично, р - плътност на газа, к - топлопроводимост на газа. Тези съотношения са получени от газ кинетични изображения за клетката изпълнен с молекулите на един вид, равномерно разпределени по обем.

Таблица 5.1

Чувствителност и основни приложения методи калориметрични

За газова смес от различни видове молекули абсорбиращи промяната на налягането в общата сума на клетката, съответстваща на промяната на парциалното налягане с закъсненията време поради разликите в топлинните проценти релаксация.
Важен параметър на околната среда е thermodiffusion (топлина), чиято дължина на импулса за възбуждане се изчислява като [P. 43]
(5.9)
Pulse отопление на bioobject също води до промяна в собственото тяло топлинно излъчване характера на - явление основата импулс опто-термична радиометрия (OTR) [18, 21]. Максимална топлинна радиация, живеещи биологични обекти намира в района на 10 микрона. Подробен анализ на сигнала ОТП изисква познаването на разпределението на температурата на обект, термичната скоростта на дифузия на средата, коефициентът на абсорбция при дължина на вълната на сондата и (обикновено UV или видимия диапазон) и топлинното излъчване a` (10 микрона). От друга страна, някои знания и "споменатите параметри дава OTR от измерената сигнал за определяне на други параметри, като.
В най-простия случай, относително слаба абсорбция на излъчване на сондата (а<фх`) и воздействия короткими импульсами света (значительно меньшими по длительности времени термодиффузии) сигнал ОТР определяется соотношением [18, 21]

където S (т&bdquo-) ~ WE&стойност на сигнала при първоначалното време след прекратяване на светлинен импулс продължителност TI на, W - - bdquo-а коефициент пропорционална на спектралната ширина на инфрачервена регистрация bioobject радиация площ, Z = на [AT (т-ти)] / 2.
В този случай има повърхностна топлинното излъчване органи като сонда радиация прониква а дълбоко в тялото, и топлинното излъчване ° м дълбоки слоеве се абсорбира ефективно при изхода към външната страна. Поради факта, че за най-абсорбционен коефициент биологични обекти в региона IR се определя вода, съдържаща се в него се намира в диапазона от (1-2) -103 см-1, представени от съотношението могат да се използват за изучаване на широк клас биологични тъкани.
Един метод, който използва непрекъснат модулиран радиация. Отличителна черта на прилагане на непрекъснати лазери в сравнение с импулс е да се получи допълнителна информация за характера на абсорбцията на веществото поради пропорционален сигнал на фазовото изместване между променливите съставляващи лазерната енергия и налягането. За газообразни среди в хармонична радиация мощност P в честотна модулация амплитуда OA т.к. сигнал и фазовото изместване са на формата F
(5.10)
където Тт се определя от (5,8). Тези изрази са получени при същите допускания както в (5.7). Термично дължина дифузия е
(5.11)
Изследване на оптичните и топлинни свойства на течности и твърди вещества чрез optoacoustic клетка газ (индиректен метод) е доста общ метод изследвания. Модулираният светлината се абсорбира от кондензирано среда и частично се превръща в топлина. Тази топлина създава смущения налягане в околната газ, който се записват микрофон. В описанието на използването на ОА сигнал три типична дължина проба: геометрична I, фотон път дължина / е = 1 / а и "топлинна" / т. В зависимост от съотношението на тези дължини са възможни шест различни изпълнения gazomikrofonnogo метод. Видни оптично и термично дебели и тънки медии. Очевидно е, че за >/ Т "^ F насищане ефекти са възможни OA амплитуда на сигнала, който трябва да се избягва. За дадена стойност проба / т определя чрез модулация времетраене на импулса или честота W. Разделяне на сигнали възбужда в общата проба и в тънък слой на веществото - прозорец (или субстрат) е възможно по метода на фаза при записа не само амплитудата но също ОА фаза сигнал.

Видео: Лазерно оръжие срещу рака. 2010