Методы светорассеяния в анализе дисперсных биологических сред - Лопатин В.Н.
ISBN 5-9221-0547-7
Скачать (прямая ссылка):
Несмотря на признание многими исследователями важности роли взвешенного неорганического вещества в жизнедеятельности водных экосистем, к настоящему времени этот компонент изучен чрезвычайно слабо.
В настоящей главе в рамках модельного эксперимента предпринята попытка определения величины слоя адсорбированного органического вещества (АОВ) на различных частицах взвеси. Используются два различных подхода к исследованию состава дисперсных сред: измерение отклика системы как целого и анализ её отдельных элементов (метод интегральной индикатрисы рассеяния света и метод «пролётной» индикатрисы рассеяния — FLSI). Проведённый теоретический анализ позволил оценить структурную неоднородность частиц взвеси.
Исследование проведено на оригинальной оптической аппаратуре: сканирующем проточном цитометре [7, 270] (работы выполнены на аппаратуре и при участии сотрудников Института химической кинетики и горения СО РАН и Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор», г. Новосибирск) и дифференциальном спектрофотометре ДСФГ-2 Института вычислительного моделирования СО РАН [313, 314].
В качестве объекта исследования были выбраны два типа частиц, обладающих разной сорбционной способностью: латексы, представляющие собой водные дисперсии однородных сферических частиц с узким распределением по размерам и показателям преломления, и суспензия глины (каолин AI2O3 • 2Si02 • 2Н2О — вещество, вносящее значительный вклад в состав терригенного взвешенного компонента природных водоёмов), частицы которой имеют сложную форму и могут иметь пористую структуру. В качестве адсорбата был выбран раствор гуми-новых кислот. Отметим, что гуминовые кислоты являются постоянным компонентом растворённого органического вещества в природных водоёмах. Особенно повышено их содержание в почвенных водах, водах болот и таёжно-лесных рек, которые характеризуются высоким содержанием почвенных гумусовых веществ.
4.1. Оборудование
Для измерения первичных гидрооптических характеристик (показателей поглощения, ослабления и рассеяния света), дифференциальных спектров поглощения и рассеяния, интегральных индикатрис рассея-
ния света использовался дифференциальный спектрофотометр ДСФГ-2 (см. параграф 2.1 части 2).
Как было указано в гл. 1, основная идея проточных сканирующих цитометров заключается в измерении характеристик одиночных частиц. Для этого с помощью гидрофокусирующей головки создаётся два ламинарных коаксиальных потока — внутренний (с диаметром порядка 10-30 мкм), представляющий собой пробу с измеряемыми частицами взвеси, и внешний, состоящий из дистиллированной и отфильтрованной воды. За счёт малого сечения внутренней струи и ла-минарности потока в рабочей зоне прибора создаётся возможность измерения характеристик одиночной частицы. При этом максимальная скорость измерений на проточных цитометрах достигает сотен тысяч частиц в минуту [315]. Такие измерения свойств одиночных частиц, не требующие каких-либо предположений о характере их распределения, позволяют легко отслеживать малые изменения во всей системе. С другой стороны, высокая скорость накопления данных позволяет измерять большое количество частиц, что даёт высокую статистическую достоверность результатов.
Основным отличием сканирующего проточного цитометра (СПЦ), используемого в эксперименте, от проточного цитометра стандартной конфигурации является наличие сканирующей оптической кюветы, в которой свет, рассеянный одиночной частицей, сканируется в апертуре фотоприёмника во время её движения в потоке по капилляру кюветы. Основное излучение — пучок аргонового лазера, 488 нм, 6 мВт — распространяется вдоль оси канала, по которому движутся частицы, и фокусируется в кювету через оптическое окно в нижней части сканирующей оптической кюветы. Фокусировка пучка обеспечивает постоянную освещённость движущейся частицы во время измерения. Сигнал от рассеяния частицей света вперёд, регистрирующийся с помощью фотодиода, позволяет определить положение частицы на оси канала в определённый момент времени.
Однозначная связь местоположения частицы и угла рассеяния, при котором свет попадёт на ФЭУ, позволяет восстановить зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния — индикатрису светорассеяния. Данная установка позволяет получать индикатрису светорассеяния в диапазоне азимутальных углов 0 от 5° до 120°. Индикатриса светорассеяния определяется морфологическими свойствами частицы (зависит от формы, размеров, показателя преломления). С помощью аппроксимационных уравнений метода «пролётной» индикатрисы рассеяния (раздел 1.4), полученных для однородного непоглощающего шара [8], возможно определить параметры частиц (размер, показатель преломления) по измеренным индикатрисам. Как уже упоминалось, средняя погрешность определения размера и показателя преломления методом FLSI составляет не более 5% для диапазона 0.5 < р < 90 и 0.5 < А < 9, при этом для малых частиц погрешность не превышает 1 %.
В качестве эталонного метода определения размера и показателя преломления одиночной частицы используется метод наименьших квадратов (МНК). Для сферических частиц размер и показатель преломления подбираются так, чтобы обеспечить наилучшую аппроксимацию экспериментальных данных значениями, рассчитанными по теории Ми. Это требует значительного времени для обработки одной индикатрисы и точного задания начальных параметров подгонки. Как следствие, теряется экспрессность метода. Выходом из такой ситуации является использование аппроксимационных решений и полученных на их основе простых связей.
