CC BY
51
УДК 534:535
Г.Ю. Джуплина, И.Б. Старченко
СИСТЕМА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ
АРТЕФАКТОВ В КРОВОТОКЕ
Рассмотрен метод обнаружения артефактов в кровотоке, основанный на использовании оптоакустического эффекта. Спроектирована схема экспериментальной установки, использующая свойство нанотрубок излучать акустические волны при облучении их светом инфракрасного диапазона. Исследование предполагается проводить на образце крови, помещенном в ванну с водой. Обоснованы необходимые параметры эксперимента и выбор .
Оптоакустический эффект; нанотрубки; лазерное излучение.
G.Yu. Dzhuplina, I.B. Starchenko
SYSTEM AND TECHNOLOGY OF INVESTIGATION OF NANOSIZED ARTIFACTS IN BLOOD CURRENT
The method of detecting artifacts in blood current was considered in the given article. The experimental block-scheme using the property of nanotubes to emit acoustical waves on sonifica-tion by infrared light was worked out. The investigation will be provided on the blood sample immersed into water basin. The necessary parameters of experiment and the choice of equipment were done.
Optoacoustical effect; nanotubes; laser emission
Одним из приоритетов технологического развития лидирующих мировых держав в XXI веке являются нанотехнологии, которые открывает новые возможности для эффективного развития многих отраслей науки и техники, в частности медицины. Медицина и биология являются перспективными областями примене-, -вых и даже нанометровых масштабах (100 нм и меньше). Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей ( ) . -ний в области нанотехнологий и нанонауки является как создание новых лекарственных препаратов и устройств мониторинга, так и разработка новых диагностических средств и методов, необходимых для своевременной диагностики переходных физиологических процессов и подбора необходимой терапии.
Методика обнаружения артефактов в кровотоке исследовалась В. Жаровым и его коллегами из Университета Медицинских Наук Арканзаса в Литл-Роке. Они использовали как одностенные, так и многостенные углеродные нанотрубки для обнаружения в реальном времени единичных бактериальных клеток, циркулирующих в организме живых мышей. В эксперименте [1] инфракрасным лазером ближнего диапазона (850 нм) с импульсом скважностью 50 Гц и интенсивностью 20 мкДж/см2 облучали кровеносные сосуды в ухе или живой коже обезболенных мышей в течение короткого времени. В ответ на лазерный импульс углеродные , , интенсивности для регистрации ультразвуковым преобразователем. Поэтому акустический сигнал может рассматриваться как диагностический признак.
Ранее в работах [2,3] был рассмотрен прибор для диагностики тканей живого организма in vivo, построенный на принципе оптоакустического эффекта - возникновение рассеянного акустического сигнала вследствие поглощения светового импульса лазера нанотрубками, имеющими сродство к компонентам тканей и вне-
клеточного матрикса, например к форменным элементам крови или бактериальным клеткам. Углеродные нанотрубки сильно поглощают лазерное излучение с длиной волны 850 нм, и вследствие оптоакустического эффекта генерируется зву, . -ные нанотрубки имеют сильную адгезию к бактериальным клеткам, а не к собственным клеткам живого организма, то наличие сигнала говорит о присутствии бактерий в кровотоке.
В данной работе описана экспериментальная установка для обнаружения бактериальных клеток с использованием наночастиц методом оптоакустической диагностики тканей. Ее схема представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для обнаружения бактериальных клеток с использованием наночастиц методом оптоаку>стической диагностики
тканей
В качестве источника излучения предполагается использовать лазерную указку. Лазерная указка - портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. В большинстве случаев изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635-670 нм. Из-за того, что диод излучает не направ, -глощается. В связи с этим КПД лазерной указки низкий. Для организации излучения в узконаправленный луч, как правило, используется двояковыпуклая линза-коллиматор. Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно, подкручивая прижимную гайку линзы) указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом. Мощность луча указки со-1-5 .
Зелёные лазерные указки имеют сложное строение и больше напоминают по устройству настоящие лазеры. Устройство намного сложнее, чем у обычных красных указок, и зелёный свет получают следующим способом (рис. 2).
Сначала мощным (обычно >100 мВт) инфракрасным лазерным диодом с Х=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием (Ш:УУ04), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (КТЮР04, сокращенно КТР), частота излучения сдваивается (1064 нм —* 532 нм) и получается видимый зелёный свет. КПД схемы около 20 %, большая часть приходится на комбинацию 808 и 1064 нм ИК. Если убрать из конструкции удвоитель частоты, то получим излучение требуемого для
- .
. 2.
Таким образом, требуемые параметры излучения следующие: цвет луча -красный, выходная мощность - 5-100 мВт, длина волны - (640-660) - 1000 нм, диаметр луча - 2-12 мм.
Образец представляет собой каплю крови с введенным в нее посредством шприца раствором из нанотрубок. Емкость представляет собой широко используемую в биологических экспериментах чашку Петри, закрытую герметичной крышкой. Образец помещается в бассейн размером 50x50 см2, заполненный водой. Луч лазера проходит через слой воды 10 см и падает перпендикулярно на образец. При этом интенсивность света, прошедшего через слой воды можно вычислить по
-
I2 = I1 exp (-kd),
d - , k - .
Ослабление лазерного пучка в биологической ткани проходит по экспоненциальному закону [4,5]. Интенсивность коллимированного излучения оценивается по закону Бугера-Вера:
I(z) = (1 - R) I0 exp(-« t z),
где R = n -1 - коэффициент отражения при нормальном падении пучка, n +1, n - показатель преломления биологической ткани, I0 - интенсивность падающего света, ц, = /ua + [is - полный коэффициент затухания, ца - коэффициент поглощения, s - , z - . -
бега однократно рассеянного фотона в биологической ткани определяется как l Ph = И, -1 .
Для регистрации акустических сигналов используется пьезокерамический гидрофон с полосой регистрации приемного тракта, не превышающей 5 МГц, при чувствительности приемника 5 мкВ/Па, помещенный в воду на расстоянии 1 см от , , ,
, .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Shenkenberg D.L. Can the Miracles Promised by Carbon Nanotubes Be Realized? // Boipho-tonics. May, 2008. - P. 34-39.
2. Джуплина ГМ., Старченко КБ., Соботницкий КС, Шишкин М.С Ультразвуковые исследования крови с применением наноразмерных объектов in vivo и in vitro // Сб. тр. XXII сессии Российского акустического общества и сессии Научного совета РАН по акустике. - М.: ГЕОС, 2010. - Т. Ш. - С. 158-162.
3. . ., . ., . ., . .
// III -
ной научно-практической конференции Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины». - Ростов-на-Дону, 2009. - С. 273.
4. . ., . .
// . . - 2009.
- № 10 (99). - С. 189-192.
5. . ., . ., . . . - .: -
строение, 1981. - 254 с.
Д жуплипа Галина Юрьевна
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: U_gali_net@mail.ru.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
.: 88634371795.
Старченко Ирина Борисовна
E-mail: star@tsure.ru.
Dzuplina Galina Yur’evna
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: U_gali_net@mail.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371795.
Starchenko Irina Borisovna
E-mail: star@tsure.ru.
УДК 615.47:616-072.7
B.B. Жилин, A.A. Кузьмин, Мохаммед Авад Али Абдо
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ АРТЕРИЙ
Рассмотрено программно-аппаратное обеспечение для идентификации моделей артериального русла с целью определения степени жесткости сосудов для последующего использования этого показателя в качестве маркера сердечного риска. Для формирования признакового пространства используются авторегрессионные модели тонов Короткова, а для классификации моделей - нейросетевое моделирование.
Вязкоупругие свойства артерий; авторегрессионные модели; тоны Короткова.
V.V. Zhilin, A.A. Kuzmin, Mohammed Avad Ali Abdo
SOFTWARE AND HARDWARE FOR THE SYSTEM ANALYSIS OF VISCOELASTIC PROPERTIES OF ARTERIES
Authors have considered hardware-software maintenance for identification of arterial’s models for the definition of degree of vessel’s rigidity. Properties of models were used as a marker of heart risk. Autoregression models of Korotkov's tones were used for formation of the factor spaces. Neuronet modelling is used for classification of models.
Viscoelastic properties of arteries; autoregression models; Korotkov's tones.
