Калориметрические методы диагностики - лазерная диагностика в биологии и медицине
Классификация и основы калориметрических методов диагностики
Классификация. В основе калориметрических методов микродиагностики или спектроскопии лежат поглощение света с возбуждением уровней энергии молекул вещества биообъекта, последующая безызлучательная релаксация этих уровней и нагрев объекта. Информационным параметром является изменение температуры образца АТ. Очевидно, что степень нагрева определяется поглощательной способностью вещества, интенсивностью света и эффективностью конкурирующих процессов (флуоресценция, фотохимические и фотоэлектрические эффекты). Все это и определяет достоинства калориметрических методов, главным из которых является возможность исследования поглощения свете сильно рассеивающими средами, применительно ко многим областям науки и техники, но особенно к биологическим и медицинским задачам. Эти методы позволяют исследовать непрозрачные (оптически плотные) и слабо флуоресцирующие объекты, контролировать протекание фотохимических и фотоэлектрических процессов. Поскольку измеряемым параметром является изменение температуры, то в качестве детекторов применяются неселективные приемники, отсутствует ограничение по используемым в эксперименте длинам волн со стороны приемника.
Оптико-калориметрические (или, как их иногда называют, оптико-термические) методы имеют много модификаций, отражающих способы регистрации изменения температуры [П. 23, П. 41—П. 46, 1.26, 1, 8—24]. Возможны непосредственные измерения температуры с помощью контактных датчиков и сопутствующих изменений объема образца. Эти методы не получили очень широкого распространения. Перспективным, особенно при исследованиях объектов in vivo, представляется метод оптико-термической радиометрии, основанный на измерении интенсивности теплового излучения нагретого лазерным светом тела. В последние годы этот метод становится все более популярным.
Благодаря своей простоте, надежности, высокой чувствительности и универсальности наиболее широкое распространение получил оптико-акустический (ОА) метод, который заключается в преобразовании тепловых колебаний в акустические и последующей их регистрации микрофоном или любым другим приемником акустических колебаний. Для детального знакомства с ОА методом и его широкими возможностями можно рекомендовать монографию [П. 41], а также обзоры и труды конференций по ОА спектроскопии [П. 23, П. 42 — П. 46, 1, 81. Сравнительно широкое распространение получили также безконтактный оптикотермический способ, когда измеряемым параметром является температура окружающего объект газа, и оптико-рефракционные методы, в которых измеряются вариации показателя преломления среды, вызванные температурными изменениями,— это метод тепловой линзы, тепловой дефлекции дополнительного (измерительного) лазерного пучка и разнообразные интерферометрические методы.
Импульсный метод. Пусть пучок лазерного излучения Радиуса w проходит через кювету, заполненную жидкостью. Длительность импульса света равна т&bdquo-, частота повторения
импульсов /, длина столба жидкости, освещаемая Импульсом, I. Приемник ОА сигнала расположен на расстоянии R от оси лазерного пучка. Предположим, что длительность- импульса значительно больше времени безызлучательной релаксации, времени распространения акустического импульса поперек освещаемого столба жидкости и постоянной, времени акустического детектора тд. При условии, что безызлучательная релаксация является основным процессом, определяющим ослабление светового пучка, а само ослабление не слишком велико, а/<^1, выделяющаяся при поглощении энергия находится на основании закона Бугера:
где Ея — энергия импульса света, а — коэффициент поглощения. Поглощение энергии сопровождается локальным повышением температуры АТ, которое находится из соотношения
(5.4)
где ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении, V=nwH — освещаемый объем, р — плотность среды.
Предполагая, что процесс расширения освещаемого объема происходит адиабатически при- постоянном давлении, можно подсчитать изменение этого объема:
(5.5)
где Р — температурный коэффициент объемного расширения вещества. Такое расширение создает волну, распространяющуюся в радиальном направлении со скоростью звука va. Соответствующее изменение давления Ар пропорционально амплитуде механических колебаний Ax~Aw:
где /а — частота акустических колебаний. Используя (5.5)у при условии, что Aw
Эти соотношения дают представление о принципах работы калориметрических методов. Непосредственную информацию о коэффициенте поглощения среды а на определенной длине волны можно получить на основе измерений АТ (оптико-термический эффект), A V (оптико-геометрический эффект) или Ар (ОА эффект). Используя связь фокусного расстояния F «тепловой линзы», угла отклонения <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 «термолинзы»:
Дефлекционный метод:
Интерферометрический метод:
где dnldT — температурный градиент показателя преломления среды п, V — длина области пространственного совмещения возбуждающего и пробного пучков света, А,&bdquo- — длина волны пробного пучка.
Чувствительность калориметрических методов и основные области применения представлены в табл. 5.1. Дальнейшее обсуждение проведем в основном на примере ОА метода. Важным параметром, который необходимо учитывать при практической реализации импульсного ОА метода, является временная задержка тд между световым и акустическими импульсами. В простейшем случае тд определяется очевидным соотношением
(5.6)
где R — радиус ячейки. Эта временная задержка определяет период времени, в течение которого полезный сигнал регистрируется без помех.
В случае газообразных сред, в частности молекулярных газов, для которых скорость столкновительной релаксации возбужденных состояний существенно превышает скорость излучательной релаксации, ОА сигнал имеет следующий вид:
(5.7)
где 7—cjcv, тт — время тепловой релаксации ячейки:
(5.8)
1`ле о, — температуропроводность, р — плотность газа, k — теплопроводность газа. Эти соотношения получены на основе газокинетических представлений для ячейки, заполненной молекулами одного сорта, равномерно распределенными в объеме.
Таблица 5.1
Чувствительность и основные области применения калориметрических методов
Для газовой смеси поглощающих молекул разного сорта общее изменение давления в ячейке складывается из соответствующих парциальных изменений давления с учетом временных задержек, обусловленных различиями скоростей тепловой релаксации.
Важным параметром среды является термодиффузионная (тепловая) длина, которая для импульсного возбуждения оценивается как [П. 43]
(5.9)
Импульсный нагрев биообъекта приводит также к изменению характера собственного теплового излучения тела — это явление лежит в основе импульсной оптико-термической радиометрии (ОТР) [18, 21]. Максимум теплового излучения живых биообъектов лежит в области 10 мкм. Детальный анализ ОТР сигнала требует знания распределения температуры по объекту, скорости тепловой диффузии среды, коэффициентов поглощения на длинах волн зондирования а (обычно УФ или видимый диапазон) и теплового излучения а` (10 мкм). И обратно, знание некоторых и» указанных параметров позволяет по измеренному ОТР сигналу определять другие параметры, например а.
В простейшем случае сравнительно слабого поглощения зондирующего излучения (а<фх`) и воздействия короткими импульсами света (значительно меньшими по длительности времени термодиффузии) сигнал ОТР определяется соотношением [18, 21]
где S (т&bdquo-) ~ WE&bdquo-а — значение сигнала в начальный момент времени после прекращения действия импульса света длительностью ти, W — коэффициент, пропорциональный ширине спектральной области регистрации ИК излучения биообъекта, z=a[aT(t—ти)],/2.
В данном случае имеет место поверхностное тепловое излучение тел, поскольку зондирующее излучение проникает внутрь тела довольно глубоко, а тепловое излучение °т глубинных его слоев эффективно поглощается при выходе наружу. В связи с тем, что для большинства биообъектов коэффициент поглощения в ИК области определяется содержащейся в них водой и лежит в диапазоне (1—2)-103 см-1, представленное соотношение может быть использовано при исследовании широкого класса биотканей.
Метод, использующий непрерывное модулированное излучение. Отличительной особенностью применения лазеров непрерывного действия по сравнению с импульсными является получение дополнительной информации о характере поглощения исследуемого вещества за счет сигнала, пропорционального сдвигу фаз между переменными составляющими мощности лазера и давления. Для газообразных сред при гармонической модуляции мощности излучения Р на частоте со амплитуда ОА сигнала bр и сдвиг фаз Ф имеют вид
(5.10)
где тт определяется соотношением (5.8). Эти выражения получены при тех же предположениях, что и (5.7). Термодиффузионная длина равна
(5.11)
Изучение оптических и тепловых свойств жидкостей и твердых тел с помощью газовой ОА ячейки (косвенный метод) является довольно распространенным методом исследования. Модулированный свет поглощается конденсированной средой и частично преобразуется в тепло. Это тепло создает возмущения давления в окружающем газе, которые регистрируются микрофоном. При описании ОА сигнала используют три характерные длины образца: геометрическую I, длину пробега фотона /ф=1/а и «тепловую» /т. В зависимости от соотношения этих длин возможны шесть различных вариантов газомикрофонного метода. Различают оптически и термически толстые и тонкие среды. Очевидно, что для >/т«^ф возможны эффекты насыщения амплитуды ОА сигнала, которых следует избегать. Для данного образца величина /т определяется длительностью импульса или частотой модуляции со. Разделение сигналов, возбуждаемых в объеме образца и в тонком слое на границе вещество — окно (или подложка), возможно при использовании фазового метода, когда регистрируется не только амплитуда, но и фаза ОА сигнала.
