Методы светорассеяния в анализе дисперсных биологических сред - Лопатин В.Н.
ISBN 5-9221-0547-7
Скачать (прямая ссылка):
Часть I
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ И «ПРОЛЁТНОЙ» ИНДИКАТРИС ДЛЯ ОПТИЧЕСКИ МЯГКИХ ЧАСТИЦ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ И СТРУКТУРЫ
Введение
Одним из наиболее эффективных путей получения информации о различных дисперсных средах (океан, атмосфера, различные биологические среды) является исследование их оптических свойств в связи с формирующими их факторами. При этом использование методов светорассеяния, не искажая свойств среды и обеспечивая объективность получения данных об ансамбле исследуемых частиц взвеси, позволяет зафиксировать с высоким временным разрешением динамику изменения состояния вещества, особенно важную для различных физикохимических и биологических процессов. Базой подобных исследований являются методы математического моделирования, основанные на решении прямых и обратных задач светорассеяния. Результаты решения подобных задач, имеющих прикладной характер, особенно важны в области биофизики, экологии, биологии, биохимии, геофизики, гидрооптики, медицины; служат основой для разработки экспрессных оптических методов мониторинга природных экосистем и т. д.
Зачастую отличительной особенностью указанных сред является оптическая мягкость частиц (показатель преломления вещества частиц близок к показателю преломления окружающей их среды).
Несмотря на то, что точная количественная теория о поглощении и рассеянии света произвольными биологическими дисперсными средами отсутствует, важную информацию об их оптических свойствах можно получать на основе исследований взаимодействия излучения с модельными средами.
Общая постановка задачи рассеяния электромагнитного излучения произвольной частицей достаточно проста и существенно зависит только от геометрии рассеивателя, от свойств и структуры его вещества. Поэтому в зависимости от конкретных условий задачи применяются различные методы: как аналитические, так и численные.
В настоящее время разработано много различных методов для вычисления рассеянного электромагнитного поля. Все они базируются на решении уравнений Максвелла. Особое место в ряду методов решения подобных задач занимает метод интегральных уравнений, поскольку является общим подходом и, фактически, основой для других методов (например, метода моментов, метода Т-матриц, метода связанных диполей), а также апроксимационных решений для оптически мягких частиц. В частности, метод интегральных уравнений лежит в основе аппроксимации Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВКБ), включающей наиболее известные приближения для оптически мягких частиц [1-2].
При реализации строгих методов расчёта характеристик светорассеяния дисперсными средами нередко возникают вычислительные затруднения, связанные с усложнением модели, что не позволяет оперативно решать обратные задачи, а иногда просто не удаётся получить решение в общем виде [3].
Альтернативой в этом случае является использование аппрокси-мационных механизмов, которые, несмотря на ограниченную область применения, позволяют получать достоверные решения в простой аналитической форме для достаточно широкого класса оптически мягких частиц. При этом простота и наглядность физических механизмов рассеяния света, лежащих в основе аппроксимаций, позволяют сделать значительные упрощения в расчётах и реализовать схему решения обратных задач [4-5]. Наиболее известные аппроксимации для оптически мягких частиц: Релея, Релея-Ганса-Дебая (РГД), аномальная дифракция (АД), дифракция Фраунгофера (ДФ), геометрическая оптика (ГО) и так называемые приближения высоких энергий — ВКБ и эйконал.
Решения задач рассеяния электромагнитных волн, как указано выше, имеют широкие границы практического применения. В частности, помогают в интерпретации экспериментальных данных и служат основой для развития экспериментальных методов. К основным результатам последнего десятилетия, связанным с индикатрисой светорассеяния, можно отнести развитие двух экспериментальных методов исследования биологических дисперсных систем: метода интегральной индикатрисы светорассеяния [6] и метода «пролётной» индикатрисы рассеяния света [7], отличающихся непрерывной угловой развёрткой сигнала. Суть первого метода заключается в использовании связи характеристик энергетических потоков, рассеянных в разные телесные углы, с размером, структурой и типом вещества частиц взвеси. Второй метод базируется на возможностях проточного сканирующего цитометра [8] и позволяет определять характеристики исследуемых частиц, используя калибровочные коэффициенты и эмпирические уравнения для параметров дифференциальной индикатрисы. Теоретической основой методов является точное решение рассеяния света на шаре, поэтому интерпретация экспериментальных данных может не в полной мере отражать характеристики исследуемых дисперсных сред. Таким образом, актуальным является анализ структуры формирования как дифференциальной, так и интегральной индикатрис светорассеяния частиц, отличных от сферической формы либо имеющих внутреннюю структуру, используя различные аппроксимационные подходы и модель шара как базовую.
