Прикладное значение решения прямых и обратных задач светорассеяния.

При решении многих биологических проблем, например, для экспресс-анализа образца, достаточно знать усреднённые показатели большого количества индивидуальных клеточных и субклеточных образований [6]. Вместе с тем возможность учёта гетерогенности клеточной популяции представляет интерес для дифференциации клеток по отдельным признакам. Такую задачу решает метод проточной цитометрии, который заключается в следущем. Клетки строго по одной пропускают через специальную камеру, где их пересекает лазерный луч. В проточных системах регистрация светорассеяния осуществляется одним или несколькими детекторами, расположенными под разными углами к направлению распространения первичного лазерного луча и сочетается с измерением других параметров (флуоресценции, объёма Коултера и др.). Этот метод позволил автоматизировать процесс контроля и сортировки клеток по различным признакам, проводить сравнительный анализ популяции нормальных и опухолевых, мёртвых и живых клеток, клеток, находящихся на различных стадиях жизненного цикла, подвергшихся воздействию лекарственных средств, радиации.

Индикатриса светорассеяния может служить источником информации морфологии, формы, структуры клеток суспензии. В результате установления аналитических соотношений между статистическими характеристиками поля и параметрами среды в ряде случаев решена обратная задача светорассеяния, что позволило определять концентрацию, размеры клеток, их форму, скорость, направление движения, соотношение биологически активных и пассивных клеток и т.д. Метод абсорбционной спектроскопии заключается в измерении ослабления интенсивности света при прохождении через слой изучаемого вещества. Это позволяет определить концентрацию поглощающего вещества в образце. По виду спектра поглощения можно также определить молекулярный состав вещества в образце, а также количественное содержание отдельных компонент в смеси. При этом исследователю необходимо учитывать долю рассеянного света в образце [6,7].

Задание.

1. Измерить индикатрису рассеяния лазерного излучения (зависимость интенсивности рассеянного света от направления наблюдения) на установке, блок-схема которой приведена на рис. 6, для предложенных преподавателем образцов модельных сред. В качестве фоторегистрирующего элемента использовать волоконно-оптический датчик.

2. Построить график полученных зависимостей.

3. Оценить размер рассеивающих частиц в исследованных образцах. (длина волны Не-Nе-лазера, используемого в установке, λ = 632,8 нм, полупроводникового лазера с выходом через волоконный световод ─ 685 нм, лазера на азоте ─ 337 нм).

4. Представить отчет о проделанной работе.

Рис. 6. Схема измерительной установки:

1 ─ источник излучения; 2 ─ поворотный столик; 3 ─ закрепленный относительно направления падающего излучения образец; 4 ─ волоконный световод; 5 ─ фотоприемник; 6 ─ измерительный усилитель; 7 ─ интерфейс; 8 ─ персональный компьютер.

Контрольные вопросы.

1. В электродинамике связь между диэлектрической проницаемостью и показателем преломления среды может содержать либо магнитную проницаемость , либо диэлектрической проницаемости приписывается комплексный характер . Пояснить влияние на соотношение между поглощением и рассеянием магнитной проницаемости и мнимой части диэлектрической проницаемости.

2. Атмосфера, как известно, состоит из смеси многих газов, причем концентрация их сильно меняется с высотой. Как должен меняться цвет неба по мере набора высоты, если считать, что преобладает рэлеевское рассеяние?

3. Белый цвет облаков объясняется наличием в них крупных рассеивающих частиц. Почему грозовые облака темные, если размер частиц в них по меньшей мере не мельче, чем в кучевых, перистых или слоистых?

4. В силу сильной зависимости интенсивности рассеянного излучения от длины волны излучения красный свет обладает наибольшей «проникающей способностью» среди всего видимого спектра. Почему противотуманные фары на автомобилях делаются не красными, а желтыми?

5. Почему теория Ми для проводящих рассеивающих сфер представляет значительно бóльшие вычислительные трудности, чем для диэлектрических сфер?

6. Интенсивность рассеянного излучения в УФ диапазоне значительно больше, чем в видимом и ближнем ИК диапазонах. Объяснить, почему фотоприемник, имеющий сопроставимую чувствительность в указанных диапазонах, регистрирует в УФ диапазоне значительно меньший уровень сигнала в УФ диапазоне при рассеянии биообъектом.

7. Объяснить возникновение «снежной слепоты» (временной потери зрения) в высокогорных районах при попадании в глаза солнечного излучения, рассеянного поверхностью снега.

8. Почему при визуальном наблюдении диаметр падающего на поверхность биообъекта пучка лазерного излучения его поперечник кажется значительно большим, чем при непосредственном измерении пучка задиафрагмированным фотоприемником или волоконно-оптическим датчиком?

Литература.

1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики, изд. 2-е. Перевод с английского.― М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1973, 719 с.

2. Ландсберг Г. С. Оптика.― М.: Наука, Главная ред. физико-математической литературы, 1976, 928 с.

3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика.― М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980, 752 с.

4. Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику.— М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981, 640 с.

5. Эскин В. Е. Рассеяние света растворами полимеров и свойства макромолекул.― Л.: Наука, 1986,. 288 с.

6. Лопатин В. Н., Сидько Ф. Я. Введение в оптику взвесей клеток. — Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1988, 240 с.

7. Саржевский А.М. Оптика. Полный курс. Изд. 2-е. — М., Едиториал УРСС, 2004, 608 с.