Методы светорассеяния в анализе дисперсных биологических сред - Лопатин В.Н.
ISBN 5-9221-0547-7
Скачать (прямая ссылка):
— особенно важным использование аппроксимаций становится при решении обратной задачи светорассеяния — выявлении обобщённых параметров, влияющих на характеристики светорассеяния, информация о которых в точном решении чаще всего представлена в «скрытой» форме;
— для получения адекватных результатов для характеристик однократного рассеяния излучения большими оптически «мягкими» части-
цами необходимо использовать гибридные аппроксимации, основанные на соотношениях приближений РГД и АД и строгой теории Ми;
— основные имеющиеся методы расчёта многократного рассеяния лазерного зондирующего излучения суспензиями больших «мягких» частиц либо очень громоздки, имеют большое число варьируемых параметров, лишь косвенно связанных с параметрами среды, и требуют большого времени компьютерного счёта, либо не имеют чётких границ применимости, или позволяют рассчитать лишь часть интересующих характеристик светорассеяния;
— для решения поставленных экспериментальными работами задач необходимо разработать новые методы расчёта многократного рассеяния излучения суспензиями больших «мягких» несферических частиц.
Глава 2
ОДНОКРАТНОЕ РАССЕЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛЬШИМИ «МЯГКИМИ» НЕСФЕРИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ
В дальнейшем все полученные результаты будут сравниваться с экспериментальными данными для толстого и тонкого слоя цельной крови, состоящей в основном из эритроцитов и их агрегатов. Поэтому первый параграф настоящей главы посвятим краткому описанию оптических и морфологические свойств эритроцитов и эритроцитарных агрегатов.
Точное решение задачи о рассеянии излучения частицами такой сложной и нерегулярной формы требует больших мощностей компьютера и не имеет отработанных алгоритмов счёта, поэтому приходится строить некоторую модель эритроцита, а расчёт светорассеяния вести с помощью приближённых методов. В параграфе 2 обсуждается зависимость индикатрисы однократного рассеяния от формы хаотично ориентированной модельной частицы в применении к процессу спонтанной агрегации частиц. Приводятся сравнения различных аппрокси-мационных теорий применительно к расчёту обратного светорассеяния. Данные, полученные в этом параграфе, будут использованы в дальнейшем при расчёте многократного рассеяния излучения агрегирующей суспензией эритроцитов.
Однако во многих экспериментальных работах авторы имеют дело не с покоящейся статической суспензией эритроцитов, а с находящейся в сдвиговом потоке. Одним из наиболее интересных явлений при рассеянии лазерного зондирующего излучения движущейся суспензией эритроцитов является экспериментально обнаруженное явление асимметрии индикатрисы рассеяния в правую и левую полуплоскости рассеяния, связанную с ориентированием и деформированием частиц в потоке. Параграф 3 настоящей главы посвящён проблеме расчёта асимметрии индикатрисы рассеяния в случае однократного рассеяния, и результаты этого параграфа будут использованы в дальнейшем в разработанном нами методе для расчёта характеристик многократного рассеяния, а также для Монте-Карло-моделирования.
В последнем параграфе приводится сравнение полученных результатов с экспериментальными данными для монослоя эритроцитов.
2.1. Оптические характеристики, морфология эритроцитов и эритроцитарных агрегатов в покое
и потоке
С оптической точки зрения цельная кровь представляет собой высококонцентрированную мутную среду, рассеивающие и поглощающие свойства которой определяются главным образом эритроцитами. Поэтому в дальнейшем мы будем предполагать, что в крови присутствуют только эритроциты, а влиянием на светорассеяние остальных форменных элементов будем пренебрегать. Анализ распространения и рассеяния волн в такой среде сводится к рассмотрению характеристик рассеяния и поглощения отдельной частицы с последующим учётом концентрационных эффектов и полидисперсности взвеси.
Показатель преломления эритроцита относительно плазмы является комплексной величиной: т = п + В окне прозрачности крови (А = 0.6 ч- 1 мкм) п = 1.037 ^ 1.055, х = Ю-5 + Ю"4 [118]. Реаль-ная часть относительного показателя преломления эритроцита близка к единице, поэтому он является оптически мягкой частицей.
Нормальный эритроцит человека в покое имеет двояковогнутую дискоидную форму («дискоцит»). В экспериментальных условиях и при патологии эритроциты могут превращаться в эхиноциты (поверхность покрывается шипами), стомациты (односторонне вогнутый диск), сфе-роциты и др. без изменения объёма [139]. Различные формы эритроцитов показаны на рис. 2.1. Возможна также и обратная трансформация эритроцитов в дискоциты. На рис. 2.2 представлена диаграмма трансформаций дискоцит-эхиноцит-стомацит.
Размеры эритроцитов неодинаковы. Их диаметры распределены примерно по гауссовскому закону. Эритроциты человека имеют диаметр 7.1 9.2 мкм (в среднем около 8 мкм). Толщина на утолщённом
крае — около 1.7 2.4 мкм, в центре — 0.9 1.2 мкм, объём
эритроцитов — 70 + 100 мкм3.
В потоке эритроциты могут испытывать два типа движений. При низких сдвиговых скоростях эритроцит вращается как целое, а при высоких — деформируется и движется под определённым установившимся углом наклона относительно направления сдвиговой скорости. При этом мембрана эритроцита вращается относительно внутреннего содержимого с некоторой угловой скоростью. Сдвиговая скорость, при которой первый тип движения переходит во второй, невелика и может составлять несколько обратных секунд. Точное значение данной критической скорости зависит от многих параметров, в том числе от свойств самого эритроцита и окружающей его плазмы крови. Вопросы, связанные с движением одиночного эритроцита в сдвиговом потоке, хорошо изучены теоретически [140, 141]. Найдены зависимости угла наклона, деформируемости и угловой скорости вращения мембраны от таких параметров, как вязкость эритроцита и плазмы крови, а также
