CC BY
29
54
новые лечебные и диагностические технологии драившая и щшшш
ПОРТАТИВНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ МЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Учреждение Академии Наук Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова РАН
Арутюнян Александр Владимирович, научный сотрудник ПИЯФ РАН, 188300, Россия, г. Гатчина, Орлова роща, тел.: 8 (813) 714-61-60, e-mail: [email protected]
Представлены медицинские аспекты применения портативного лазерного корреляционного спектрометра для оценки воздействия факторов окружающей среды на здоровье населения.
Ключевые слова: лазерный корреляционный спектрометр, мониторинг окружающей среды.
PORTABLE CORRELATION LASER SPECTROMETER. SOME ASPECTS OF MEDICAL USE
A.V. Arutyunian, S.B. Landa, E.A. Drobchenko, L.A. Noskin
St.Petersburg Academy of Science Institution,
Konstantinov Institute of Nuclear Physics, Academy of Sciences of Russia
Medical aspects of the portable correlation laser spectrometer use are represented in the article to appreciate the ambient environment influence to the health of population. The key words: correlation laser spectrometer, environment monitoring.
Введение
Метод, который лежит в основе работы лазерного корреляционного спектрометра (ЛКС), относится к классу методов светорассеивания, когда та или иная информация об исследуемом образце содержится в рассеянном им свете. В случае ЛКС анализируется релеевское уширение рассеянного на определенный угол лазерного луча на «свободно» диффундирующих в растворе рассеивателях, происходящее вследствие эффекта Доплера. Величина уширения Г пропорциональна коэффициенту диффузии D рассеивающих частиц:
Г = Dq2
(здесь q - обратный переданный вектор рассеяния).
В случае монодисперсных образцов из коэффициента диффузии определяется размер (гидродинамический радиус Rh) рассеивающих частиц по формуле Эйнштейна-Стокса
D = КТ / (6п^ (К - константа Больцмана, Т- температура, ц - вязкость растворителя).
Задача существенно усложняется, когда исследуемый раствор состоит из нескольких монодисперсных составляющих, или полидисперсен. В этом
случае вклад в интегральное уширение дают разные по размеру рассеиватели, и возникает знакомая из других областей науки обратная спектральная задача: когда по имеющемуся интегральному спектру надо определить «состав участников», давших каждый свой вклад в интегральную картину.
Материалы и методы
В рамках лаборатории лазерной корреляционной спектроскопии создана и прошла многолетнюю апробацию (с 1986 года) одна из первых успешно работающих математических процедур регуляризации, позволяющая определить вклад в интегральный спектр и полуширину Г соответствующих рассеивателей. Таким образом, в результате измерения спектра рассеивания возможно получить распределение по размерам частиц-рассеивателей, составляющих исследуемый раствор в диапазоне размеров от 1 нм до ~ 5000 нм. В настоящее время эта процедура представляет собой часть программы, реализованной на персональном компьютере с интуитивно понятным пользователю графическим интерфейсом. В той же программе реализован и в необходимой мере автоматизирован процесс измерения спектра рассеивания.
КЯвати1н9я1ницуРпия1и18нкоВВпиЯ
новые лечебные и диагностические технологии
На рис. 1 приведен типичный пример гистограммы распределения частиц по размерам (ГРР) в сыворотке крови, полученной в результате матоб-работки спектра рассеивания. Площадь каждого столбика пропорциональна вкладу частиц данного диапазона размеров в интегральный спектр. Шкала размеров очевидно дискретна и состоит из 32-х точек.
Рис. 1. Типичная гистограмма распределения частиц по размерам в сыворотке крови
Результаты и обсуждение
В рамках излагаемого ниже аспекта применения ЛКС спектры всех изучаемых биологических жидкостей, и сывороток крови в том числе, измерялись при одинаковых условиях и параметрах, т.е. в одной и той же частотной полосе, на одном угле рассеивания, при одной и той же температуре (в узком диапазоне температур). Результаты измерений сывороток крови заносились в многолетний банк данных (с 1988 года), организованный на магнитном носителе персонального компьютера для классификации результатов.
Визуальный анализ гистограмм малоэффективен. Необходимы специальные классификационные программы, которые позволят провести анализ большого количества данных для диагностических целей. Поэтому разработана специальная методика статистического анализа ГРР исследуемых биологических жидкостей. Каждую гистограмму можно представить в виде 32-мерного вектора Аi (поскольку 32 точки шкалы размеров), т.е. точкой в 32-мерном пространстве. Естественно предположить, что для группы людей с определенным заболеванием или сдвигом го-меостаза точки будут группироваться в определенной области этого 32-мерного пространства. Т.о., исследовав достаточно представительную группу таких людей, можно очертить область, в которой лежат значения Аi для них, а значит, получить возможность качественно судить о принадлежности конкретного случая к данной группе. Разумеется, области нормы и различных болезней могут частично перекрываться. Но обследование достаточно представительных групп различных болезней позволяет в ряде случаев утверждать, что данный человек не относится к какой-то группе или группам (рис. 2).
Рис. 2. Графическая классификация трех групп: информативной (о), больных раком прямой кишки 2-й стадии (+) и 4-й стадии (а)
На наш взгляд, одной из наиболее перспективных возможностей использования ЛКС и данного подхода является задача мониторинга окружающей среды. Т.е. обследование достаточно представительной выборки клинически здоровых людей может сразу дать информацию о наличии постоянно действующих вредных факторов, вызывающих системный ответ организма, «визуализируемый» в спектрах ЛКС его биологических жидкостей (рис. 3).
Рис. 3. Графическая классификация ЛКС-спектров сыворотки крови репортерских групп из Архангельска (+) и Чернобыля (о)
В настоящее время в лаборатории действуют 2 установки ЛКС. Первая - стационарная, с мощным и стабильным He-Ne лазером, позволяющая проводить измерения в диапазоне углов рассеяния от ~ 15° до 150°. На ней производятся все новые методические апробации, а также измерения «сложных» (мелких, слаборассеивающих, с малым вкладом по сравнению с другими рассеивателями и т.д.) образцов. Вторая установка представляет собой миниатюрный и упрощенный вариант ЛКС с рассеиванием на угол в 90°. Ее прототипы являются коммерческим вариантом ЛКС. За последние годы уже около 40 таких установок действуют в исследовательских и медицинских лабораториях. В этой установке реализована оригинальная геометрия рассеивания на 90°, с разделением лазерного луча на опорный и рассеиваемый в пределах одного стеклянного «кристалла» - так называемого «шеврона». Кювета для образца представляет собой стандарт-
55
56
НОВЫЕ лечебные И диаги°стические Технологии креативная шр®™ и ошомия
ную одноразовую пластиковую кювету от спектрофотометра с объемом образца 150 мкл. Можно также использовать специальную стеклянную съемную кювету. В последнее время в установке в качестве источника света используется лазерный светодиод, позволивший существенно упростить и миниатюри-зировать установку.
Рис. 4. Спектрометр динамического светорассеяния
Изменения частоты лазерного луча (спектральное уширение) в результате рассеивания на типичных образцах очень незначительны по сравнению с частотой самого луча (~ 10-10 - 10-15). Поэтому для их регистрации используется «биение» рассеянного луча на опорном, не претерпевшем рассеивания, луче, гораздо большей интенсивности. Это так называемая схема гетеродинирования. Либо используется «самобиение» рассеянного луча на самом себе (схема гомодинирования, или гомодинная схема). В первом случае предполагается совмещение фронтов двух лучей на фотоприемнике (рассеянного и нерассеянного), т.е. тщательная юстировка. Во второй схеме регистрируется лишь один рассеянный луч, и специальная юстировка не требуется. Именно по второй, более упрощенной схеме, работают
все мировые аналоги ЛКС. В наших установках изначально реализована схема гетеродинирования как более устойчивая к присутствию посторонних сильных рассеивателей в исследуемом образце, а значит, не требующая специальной очистки образца от оптической «пыли». Работа на портативном ЛКС таким образом становится доступной оператору средней квалификации (например медсестре), а не только научному работнику, что крайне удобно и дает возможность массового и быстрого мониторинга. В качестве образцов могут быть исследованы водные и неводные растворы (суспензии). Диапазон размеров исследуемых частиц от 0.001 до 2 мкм. Объем образца - 150-200 мкл. Концентрационная чувствительность ЛКС относительно белка составляет менее 100 мкг/мл.
Выводы
1. Разработан вариант миниатюрного лазерного корреляционного спектрометра. Мировых аналогов такого прибора не существует.
2. Возможно медицинское применение ЛКС в целях оценки воздействия факторов окружающей среды на здоровье населения.
Список литературы
1. Бажора Ю.И., Носкин Л.А. Лазерная корреляционная спектроскопия в медицине. - Одесса: Друк, 2002. - 400 с.
2. Лебедев А.Д., Левчук Ю.Н., Ломакин А.В., Носкин В.А. Лазерная корреляционная спектроскопия в биологии. - Киев: Наукова думка, 987. - 256 с.
