Рассеяние лазерного излучения на эритроцитах и моделирующих их частицах

• Автор: Луговцов, Андрей Егорович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАССЕЯНИЯ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧАСТИЦАМИ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
1.1. Рассеяние света эритроцитами: экспериментальные исследования
1.2. Рассеяние света эритроцитами: теоретические расчеты
1.3. Строгие теории для решения задачи однократного рассеяния 20 излучения
1.3.1. Методы решения задачи светорассеяния 20 несферическими частицами
1.3.2. Теория Ми
1.3.3. Метод конечных разностей во временном 22 представлении (Г'ГОТ)
1.4. Приближенные методы описания светорассеяния «мягкими» 22 частицами
1.4.1. Приближение аномальной дифракции
1.4.2. Приближение Релея - Ганса - Дебая
1.5. Выводы по главе
ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ И МИКРОРЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ЭРИТРОЦИТОВ
2.1. Микрореологические параметры эритроцитов крови
2.1.1. Параметр деформируемости эритроцитов
2.1.2. Распределение эритроцитов по размерам
2.2. Реологические и оптические свойства крови
2.2.1. Морфология эритроцитов
2.2.2. Деформируемость эритроцитов
2.2.3 Оптические характеристики эритроцитов
2.3. Выводы по главе
ГЛАВА 3. ЛУЧЕВОЛНОВОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ В ТЕОРИИ РАССЕЯНИЯ
СВЕТА ПРОЗРАЧНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ
3.1. Дискретно-дипольное приближение
3.2. Приближение геометрической оптики
3.2.1. Геометрия отражения и преломления
3.2.2. Преобразование энергии и поляризации при отражении 46 и преломлении.
3.2.3. Алгоритм вычисления
3.2.4. Расчеты рассеяния в приближении геометрической 53 оптики
3.3. Лучеволновое приближение
3.3.1. Расчет рассеяния в луче-волновом приближении
3.3.2. Вычисление дифракционного интеграла в лучеволновом 62 приближении
3.4. Расчет рассеяния лазерного излучения на сферической и
цилиндрической частицах. Область применимости лучеволнового приближения.
3.5. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ РАССЕЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧАСТИЦАМИ, МОДЕЛИРУЮЩИМИ ЭРИТРОЦИТЫ И ИХ АГРЕГАТЫ
4Л. Сравнение расчетов рассеяния света сфероидальными частицами в лучеволновом и дискретно-дипольном приближении
4.2. Влияние формы частицы, моделирующей эритроцит, на картину рассеяния лазерного излучения
4.3. Рассеяние света сфероидальными частицами, моделирующими линейные агрегаты: расчет в лучеволновом приближении
4.4. Расчет рассеяния света усредненного по ориентациям частицы в пространстве ,
4.5. Выводы по главе
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИИ И РАССЕЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА ЭРИТРОЦИТАМИ
5.1. Дифрактометрический метод определения деформируемости эритроцитов в сдвиговом потоке и параметров распределения эритроцитов по размерам
5.1.1. Расчет дифракции в лучеволновом приближении
5.1.2. Дифракция света на суспензии эритроцитов в сдвиговом потоке
5.1.3. Параметры распределения эритроцитов по размерам
5.1.4. Описание экспериментальной установки
5.1.5. Подготовка объекта (суспензии эритроцитов) к эксперименту
5.2. Метод лазерной агрегометрии
5.3. Деформируемость и распределение эритроцитов по размерам в норме и патологии
5.3.1. Изменения деформируемости эритроцитов у геморрагических крыс
5.3.2. Влияние препарата семакс на деформационные свойства эри троцитов ишемических крыс
5.3.3. Связь деформационных свойств эритроцитов с жесткостью мембраны и вязкостью внутреннего наполнения
. клеток
5.3.4. Решение обратной задачи светорассеяния лазерного излучения на эритроцитах. Определение параметров распределения эритроцитов по размерам
5.4. Агрегация и дезагрегация человеческих эритроцитов в норме и патологии
5.5. Выводы по главе 5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Одной из фундаментальных проблем современной науки является изучение оптических свойств дисперсных сред в связи с формирующими их факторами. Результаты подобных исследований имеют определяющее значение для астрофизики, теорий климата, видимости, переноса излучения; служат основой для разработки быстрых лазерных методов мониторинга состояния окружающей среды, состояния и эффективности лечения живых организмов.
Комплексный подход к изучению характеристик рассеяния и поглощения лазерного излучения позволяет быстро и интактно получать информацию о морфологических изменениях в живых клетках, обусловленную различными факторами (температура, химические воздействия, и др.), автоматически сортировать клетки с помощью проточных систем, производя быстрый количественный анализ. Так, например, по ослаблению зондирующего излучения прослеживают изменение формы и жизнеспособности клеток крови (тромбоцитов, лимфоцитов и эритроцитов), исследуют упругие свойства мембран и агрегацию биологических частиц [1-6]. Большую роль методы светорассеяния играют в дистанционном зондировании атмосферы, контроле состояния аэрозолей на наличие примесей [7-9].
Когда мы имеем плотноупакованную среду (например, цельную кровь), то в процессе распространения света в среде происходит последовательность актов однократного рассеяния на частицах с произвольной ориентацией и формой (эритроциты, тромбоциты и лейкоциты). Основные аспекты расчета многократного рассеяния отражены в монографиях Ван де Хюлста, Исимару А., Морено Ф., и др., а также в многочисленных научных статьях [10-15]. Однако недостатками изложенных в этих работах методов можно назвать то, что они либо позволяют получать лишь интегральную интенсивность излучения, рассеянного средой вперед и назад, и не дают информации об индикатрисе рассеяния, либо очень громоздки и требуют большого времени компьютерного счета, или ие имеют четких границ применимости. Поэтому для точного описания взаимодействия света с плотноупакованными средами необходимо

Большое разнообразие биологических частиц не позволяет сформулировать точную теорию поглощения и рассеяния ими света, однако исследования взаимодействия света с модельными частицами могут дать важную информацию об оптических свойствах.
С оптической точки зрения цельная кровь представляет собой мутную среду, рассеивающие и поглощающие свойства которой определяются эритроцитами. Анализ распространения света в такой среде сводится к рассмотрению характеристик рассеяния и поглощения отдельной частицей с учетом в последующем полидисперсности взвеси [49].
Оптические свойства однородного вещества определяются комплексным показателем преломления т = п - Не. Здесь пик- соответственно показатели преломления и поглощения. Величины пик являются функциями длины волны и связаны между собой соотношениями Крамерса - Кронига. Процессы рассеяния внутри среды зависят не от абсолютного значения показателей преломления фаз, а от отношения показателей преломления частиц и жидкой фазы пг (относительного показателя преломления).
Плазму крови и растворы гемоглобина считают оптически однородными, пренебрегая рассеянием на молекулах плазменных белков и гемоглобина по сравнению с рассеянием на клетках в целом. Показатель преломления плазмы в диапазоне видимого света составляет п = 1.35. При исследовании растворов гемоглобина, как оксигенированного (оксигемоглобина), так и деоксигенированного (деоксигемоглобина), используется закон Бугера-Ламберта-Бера, согласно которому оптическая плотность раствора пропорциональна толщине слоя и концентрации растворенного в нем вещества. Однако этот закон не выполняется для толстых слоев цельной крови вследствие ее гетерогенности [68].
Значения коэффициентов преломления гемоглобина, измеренные в широком диапазоне длин волн от 0.25 до 1.88 мкм, показали, что в видимом диапазоне п — 1.4 ±0.02 или, с учетом показателя преломления плазмы, пг= 1,02-н
1.05. Показатель преломления мембраны эритроцита незначительно отличается от показателя преломления раствора гемоглобина и составляет 98-100% от