Министерство образования и науки Российской Федерации
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НИ ТГУ)
Физический Факультет
Кафедра оптики и спектроскопии (ОиС)
Реферат
по дисциплине «Биомедицинские лазерные технологии»
Тема: Определение размеров частиц в биомедицине лазерными методами
Проверил:
Томск, 2020
Оглавление
Введение
Тема данной работы - применение лазерных методов определения размеров частиц в биомедицине.
Анализ литературы показал, что в настоящее время для определения размеров частиц в медицине наиболее широко используется метод лазерной дифракции.
Метод в целом получает все наибольшее распространение, так как является универсальным и эффективным, с возможностью применения к широкому кругу объектов из самых различных областей исследования.
Исходя их этого, в данной работе будет описан метод лазерной дифракции, его основы и применение на практике в разных областях медицины.
1. Метод лазерной дифракции
Метод лазерной дифракции позволяет на основании применимой модели светорассеяния получить информацию о распределении частиц по размеру путем измерения интенсивности светорассеяния и определения ее зависимости от угла рассеяния, длины волны и поляризации света. Это абсолютный метод, не требующий калибровки. Лазерная дифракция обладает рядом преимуществ, включая простоту и быстроту измерений, высокую воспроизводимость и широкий динамический диапазон размеров, охватывающий почти пять порядков величины: от нанометров до миллиметров.
За последние два десятилетия лазерная дифракция заменила традиционные методы определения размера частиц: гель-фильтрацию и седиментацию в случае, если размер частиц меньше нескольких миллиметров, оптическую и электронную микроскопию в случае, если размер частиц больше 50 мкм.
Первоначально оценка размеров частиц методом лазерной дифракции имела ограничения из-за применения теории дифракции Фраунгофера. Современные лазерные дифракционные анализаторы выходят за рамки простых дифракционных эффектов. Основные принципы метода в настоящее время базируются на теории Ми и измерении интенсивности светорассеяния в широком угловом диапазоне. Кроме того, в случае частиц субмикронных размеров для получения дополнительной информации помимо лазеров зачастую используют нелазерные источники света.
2. Теории дифракции Ми и Фраунгофера
Рассматривая только видимую часть электромагнитного спектра, взаимодействие света и материи порождает четыре неразрывно связанных явления рассеяния. Мы различаем эти явления по словам «дифракция», «преломление», «отражение» и «поглощение». Используя определение в одном предложении для каждого из вышеперечисленных явлений, мы можем определить дифракцию как изгиб света краями объекта; преломление изменений, которые происходят, когда свет пересекает границу между объектом и окружающей его средой; отражение - как возврат света с поверхности объекта; и поглощение света затуханием объектом. На рисунке 1 изображены три явления рассеяния света, обычно используемые при анализе размера частиц (отражение опущено - почти для всех мелкодисперсных материалов любой эффект отражения пренебрежимо мал).
Рисунок 1: Рассеяние сферической частицы
Случаи таких (казалось бы, явных) явлений рассеяния не редкость в повседневной жизни. Например, изображение в зеркале создается отражением света. Поглощение - это то, что заставляет чувствовать себя теплее в одежде темного цвета при солнечном свете, чем в одежде белого или пастельного цвета. Очевидный изгиб карандаша, наполовину погруженного в стакан воды, иллюстрирует один эффект преломления. Наше понимание преломления также помогает нам в создании корректирующих линз. Примеры дифракции встречаются реже, но знакомую демонстрацию во многих классах физики можно легко воссоздать с помощью лазера и листа бумаги, в котором было вырезано небольшое отверстие. В этом эксперименте свет «сгибается» (дифракционируется) по краям проема, создавая регулярный, чередующийся рисунок света и тени на стене или экране на некотором расстоянии друг от друга. На рисунке 2 изображена картина рассеяния, производимого сферой.
Рисунок 2. Схема рассеяния сферической частицы
3. Дифракция Фраунгофера
Математическое описание дифракции было разработано в начале 1800-х годов Йозефом фон Фраунгофером. На заданной длине волны теория Фраунгофера предсказывает угловое расположение максимумов и минимумов рассеяния как функцию от размера объекта.
Хотя теория Фраунгофера объясняет, как создаются эти закономерности света и тени, дифракция света - это явление, возникающее в результате взаимодействия света и объекта, который по существу является двумерным, например, диска или отверстия в листе ткани. Взаимодействие света и трехмерного объекта, например, частицы, приводит к рассеянию, которое является не просто продуктом дифракции, но возникает также в результате преломления и поглощения света. В этом смысле теория Фраунгофера является лишь приближением к полному решению проблемы рассеяния света любым «реальным» объектом, и поэтому ее применение при определении размеров частиц по своей природе ограничено теми случаями, когда: а) размер частицы велик по отношению к длине волны, б) угол наблюдения мал, в) частицы непрозрачны.
Для частиц, больших по отношению к длине волны, приближения Фраунгофера к полной теории Ми функционально эквивалентны. Однако, по мере приближения диаметра частицы к длине волны эффекты преломления и поглощения все больше влияют на картину рассеяния. Уравнение Фраунгофера о дифракции света круговым объектом описывает относительную интенсивность рассеянного света исключительно с точки зрения длины волны, угла и диаметра частицы (этот диаметр является расстоянием между краями объекта). Описание взаимодействия света и трехмерного объекта должно учитывать свойства материала объекта, например, его показатель преломления.
4. Теория Ми
Лишь после того, как Джеймс Клерк Максвелл установил уравнения, устанавливающие фундаментальную связь между электричеством и магнетизмом, стала возможной полная и строгая теория рассеяния света. Сегодня эта теория широко известна как Теория Ми, названная по трактату 1908 года физиком Густавом Ми. Теория предсказывает относительную интенсивность рассеянного света как функцию размера частицы, угла наблюдения, длины волны и поляризации падающего луча. Это при условии, что частица является гладкой, сферической, внутренне (оптически) однородной и имеет известный показатель преломления. Теория Ми обязательно включает теорию Фраунгофера, поскольку она описывает не только эффекты дифракции, но и способна моделировать рассеяние, возникающее в результате преломления, отражения и поглощения света (явления, которые возникают только в результате взаимодействия света и трехмерного объекта). Возвращаясь к рисунку 1, следует отметить, что рассеяние света маленькой частицей создается не только дифракцией, но и преломлением и поглощением.
Однако, несмотря на то, что теория Ми была получена почти сто лет назад, ее применение в разрешении сферического гранулометрического распределения частиц посредством измерения угловой картины лазерного рассеяния было непрактичным из-за ее математической сложности. Например, для расчета матрицы рассеяния размером 100x100, т.е. ста детекторов с сотней размерных бункеров, в начале 1990-х годов потребовался почти час с помощью компьютера IBM совместимого с 386. В те времена, когда вычислительная мощность была недостаточной, можно было использовать только приближение Фраунгофера. В настоящее время при мощности компьютера Pentium одна и та же матрица 100x100 может быть вычислена за доли секунды, и в реальном времени возможно вычислить распределение частиц по размерам из измеренной интенсивности рассеяния. Поэтому, за исключением случаев, когда показатель преломления пробы неизвестен, в технологии лазерной дифракции нет необходимости использовать аппроксимацию Фраунгофера. Особенно для частиц размером менее ~25 мкм, использование аппроксимации Фраунгофера приведет к большой и неожиданной ошибке в найденном размере частиц. Однако, по вышеуказанной исторической причине и по причине, не путающей эту технологию с другой технологией статического рассеяния света, которая применяется главным образом для измерения молекулярной массы макромолекул, эта технология до сих пор называется лазерной дифракцией во всей промышленности.
5. Типичная схема лазерного дифракционного анализатора и основные функции каждого элемента
Процесс анализа начинается с того, что источник света испускает луч монохроматического света. Пройдя через несколько оптических компонентов, исходный луч превращается в толстый коллимированный пучок. Этот световой пучок направляется на частицы и рассеивается ими в так называемом рассеивающем объеме. Генерируемые при этом уникальные паттерны углового светорассеяния регистрирует многоэлементная фотодетекторная матрица. Возникающие в матрице фототоки оцифровываются и анализируются с построением диаграммы интенсивностей и оценкой распределения частиц по размерам.
Некоторые промышленные частицы не сферичны, но эффекты рассеяния на их углах и краях сглаживаются из-за вращения, происходящего благодаря циркуляции пробы во время измерения. Это позволяет применять как теорию Ми, так и теорию Фраунгофера к системам с одним параметром - диаметром. Важно понимать, что такой подход позволяет только примерно оценить размеры частиц и что результаты, получаемые большинством методов (включая лазерную дифракцию) могут сильно отличаться от реальных характеристик. Пока что в современных коммерческих инструментах для определения размеров частиц в широком спектре образцов используется только сферическая модель независимо от настоящей формы частиц.
Рисунок 3. Типичная схема лазерного дифракционного анализатора
6. Области применения в медицине
лазерный дифракция лекарственный анализатор
Метод имеет достаточно широкую сферу применения в медицине:
Фармацевтическая область, где метод применяется для анализа суспензий, эмульсий и порошкообразных материалов. Применение здесь в первую очередь связано с технологическим контролем производства и позволяет в значительной степени автоматизировать его;
Медико-биологическая область применения, где данный метод используется в различных лабораторных исследованиях, например, для глубокого анализа крови.
К тому же, в ходе анализа литературы обнаружено, что метод использовался в стоматологии с целью определения диспергирования пищевого комка в зависимости от микрорельефа зубной поверхности.
Применение метода лазерной дифракции в этих сферах будет рассмотрено далее по порядку.
7. Контроль качества лекарственных препаратов
Метод лазерной дифракции прекрасно зарекомендовал себя для определения размеров частиц и уже сейчас имеются ГОСТы для его применения в фармакологии [2]. Далее, рассмотрим метод, опираясь на официальный ГОСТ, который наиболее детально отражает специфику работы в данном направлении.
Традиционно метод позволяет измерять частицы в диапазоне от 0,1 мкм до 3,0 мм. Современные достижения в приборостроении позволили расширить этот диапазон (от 0,1 мкм до 8,0 мм).
Метод предназначен для контроля качества лекарственных препаратов (порошки, суспензии, эмульсии, пасты, настойки и др.) по показателю «Размер частиц и их распределение». Метод позволяет также определять, а затем и нормировать размер частиц и их распределение в субстанциях.
Оборудование
Взаимодействие луча падающего света и частиц дисперсной фазы приводит к образованию профиля рассеяния света с разными значениями интенсивности света при различных углах. Общее распределение угловой интенсивности, состоящее из прямого и рассеянного света, фокусируется линзой на многоэлементном детекторе. Линза создает профиль рассеяния света, который не зависит от расположения частиц в световом луче.
Схема прибора для определения размера частиц методом лазерной дифракции
1 - источник лазерного излучения, 2 - модуль обработки лазерного излучения, 3 - частицы, 4 - рассеянный свет, не собранный линзой (6), 5 - рабочее расстояние линзы (6), 6 - линза Фурье, 7 - прямой луч, 8 - фокусное расстояние линзы (6), 9 - рассеянный луч, 10 - детектор затемнения, 11 - многоэлементный детектор