CC BY
21
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т.ХУЬ Научна сесия „Техника и технологии, естествени и хуманитарни науки", 30-31 Х 2013 Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVI.,ISSN 1311-9192, Technics, Technologies, Natural Sciences and Humanities Session, 30-31 October 2013
ЛАБОРАТОРНО УПРАЖНЕНИЕ ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ РАЗМЕРИТЕ НА ЕРИТРОЦИТИ С ПОМОЩТА ЛАЗЕРНА ДИФРАКТОМЕТРИЯ
Тодорка Л. Димитрова, Валентин Г. Кабаджов
Пловдивски университет „Паисии Хилендарски", ул. Цар Асен 24, 4000 Пловдив, e-mail: [email protected], [email protected]
Todorka L. Dimitrova, Valentin G. Kabadzhov
Student laboratory experiment for measuring the erythrocytes dimensions
via laser difractometria
Abstract
Optical coherence methods based on the diffraction of laser light have undergone a significant development during the past decades. Diffraction is a fast and effective method for obtaining information about microscopic objects with a minimal impact. Erythrocytes, because of their size, are among the best studied biological entities using diffractometry. They present 96% of the blood cells of human blood (erythrocytes, leukocytes and trombonists). The researchers' interest in these particles is driven by their high sensitivity to pathological changes of the human tissue and of living organisms. Here we present a new student laboratory experiment for measuring the size of erythrocytes via laser diffraction, developed for the course of Biophysics.
Въведение
Еритроцитите, наречени още червени кръвни клетки, са основна част от формените елементи на кръвта. Белтъкът хемоглобин, които съставлява 2/3 от органичното вещество в еритроцитите, осигурява транспорта на кислорода до тъканите и органите, както и транспорта на въглероден диоксид в организма. В състава на еритроцита се съдържа белтъкът хемоглобин, осигуряващ транспорта на кислорода до тъканите и органите, както и транспорта на въглероден диоксид в организма. Нормалният еритроцит има форма на двойновдлъбната леща с дебелина около 1,8-2,2 цш и диаметър около 7,1- 7,9 цш. Основни характеристики на еритроцитите в кръвта, имащи отношение към здравословното състояние на човека са: концентрация на хемолгобина (НОВ), хематокрит (НСТ - обемът, който еритроцитите заемат в кръвта) и средния обем на еритроцитите (МСУ). Средният обем на еритроцитите (а оттам и размерите им) се изчислява по формулата [1]:
я ^т^ нет
Ы^ =--(1)
брой еритроцити
Броят на еритроцитите обикновено се определя с помощта на микроскопско преброяване, докато хематокритът - посредством центрофугиране и утаяване.
Еритроцитите силно поглъщат светлината и в кръвната намазка върху предметно стъкло изглеждат като плоски непрозрачни дискове, чийто размери са съпоставими с дължината на светлинната вълна [2,3]. При облъчването на еритроцити с плоска монохроматична светлина се наблюдава дифракционна картина, подобна на дифракция от кръгла преграда. От анализа на дифракционната картина могат да бъдат определени размерите на еритроцитите.
1. Кратки теоретични бележки
Дифракцията на светлината е една от проявите на вълновата й природа, която се изразява в отклонение на светлинните лъчи от праволинейното им разпространение при достигане до препятствия (прегради, отвори) или нехомогенности на средата. Това явление е характерно за всички видове вълни (електромагнитни, механични, гравитационни) и зависи от съотношението на дължината на вълната Я и размера на ширината на вълновия фронт d, достигащ препятствието. Дифракционната картина може да бъде описана като интерференция от голям брой непрекъснато разположени източници (интерференция на вторични вълни), чийто характер (разположение на светлите и тъмните ивици) се определя и от формата на препятствието.
Дифракцията от кръгъл диск играе важна роля за утвърждаването на вълновата природа на светлината (появата на светло петно в центъра на сянката на кръгъл диск, известно като петно на Поасон, Френел и Араго), но освен това има и голяма практическа стойност за измерване размерите на малки обекти с кръгла форма. Френелова дифракция се наблюдава когато обектът, разположен на разстояние L от екрана се осветява от точков източник или разходящ лазерен сноп, при което е изпълнено условието:
d2 ,
—> 1 (1) Я
За изчисляване на осветлението Френел разделя фронта на вълната на концентрични пръстеновидни зони такива, че разстоянието от всяка следваща зона до точката на наблюдение върху екрана нараства с Я/2. Дифракционната картина представлява редуващи се светли и тъмни кръгове, в центъра на които има тъмно или светло петно, в зависимост от това дали са открити четен или нечетен брой зони. Теорията на Френел за дифракция на светлината от кръгла преграда дава следната зависимост на ъгъла на дифракция:
• /1 тЯ
=- (2)
d
където стойностите на параметъра т за първи, втори и трети порядък на максимумите
mmax и минимумите ттт са дадени в Табл. 1 [4]. Тъй като интензитетът на светлината
рязко намалява с увеличаване на порядъка, кръговете от по-висок порядък са трудни за наблюдение и практически не се използват.
Порядък на ттт ттах
максимума/
минимума
1 1,220 1,635
2 2,233 2,679
Табл. 1
Стойности на параметъра т за първи, втори и трети порядък на максимумите ттах и минимумите ттт .
3,238
3,690
3
Синусът от ъгъла на дифракция в може да бъде определен геометрически от правоъгълния триъгълник (Фиг.1) с катети L (разстоянието от пробата до екрана) и r (радиуса на
съответния интерференчен кръг) от формулата:
sin# =
vr
L
(3)
а)
б)
Фиг. 1 Дифракция от еритроцит - а) 1- лазерен лъч; 2 - еритроцит; 3 - екран; 4 -дифракционна картина; d - диаметър на еритроцита; L - разстояние от еритроцита до екрана; г - радиус на дифракционния пръстен; б) разпределение на интензитета в
дифракционната картина
Може да бъде показано теоретично, [5] че дифракционната картина от много на брой близко разположени малки кръгли прегради е идентична с тази от една такава преграда. На Фиг. 2 е показана микроскопска снимка на този тип дифракция.
r
0
а)
б)
Фиг. 2 Дифракция от много на брой близко разположени кръгли прегради: а) микроскопска снимка на преградите; б) дифракционна картина.
2. Експериментална постановка
Експерименталната постановка е представена на Фиг. 2а,б. Всички оптични елементи са разположени по оста на оптична релса (1) върху конници, позволяващи грубо юстиране на оптичната система с помощта на странично разположени винтове за хоризонтално и вертикално фиксиране. Източникът на светлина (2) е хелий-неонов лазер (He-Ne laser) с дължина на вълната 632,8 nm, поставен в два механични държателя. Всеки от държателите има три винта, с чиято помощ се осъществява финото юстиране на лазера. Пробата (3) представлява кръвна намазка върху предметно стъкло. Нейното положение по дължина на
релсата може да бъде променяно плавно. Тя може също така да бъде премествана в хоризонтална и вертикална посока с помощта на винтовете на държателите. Дифракционната картина се наблюдава на екран 4. Върху екрана може да бъде поставен лист хартия или милиметрова хартия за определяне размерите на дифракционните пръстени. За практически цели е по-удобно да бъдат измервани диаметрите на тъмните дифракционни пръстени.
а) б)
Фиг. 3 Схема на експерименталната постановка: 1 - оптична релса; 2 - Не^е лазер; 3 - проба (кръвна намазка върху предметно стъкло); 4 - екран.
3. Експериментални резултати
В Табл. 1 са представени експериментални резултати за определяне на размера на еритроцити по дифрактомертичния метод, описан по-горе. Измерени са радиусите на първия и втория тъмни пръстени. Радиусите, представени в таблицата, са усреднени за 10 измервания.
№ r [mm] avg sin 0 0 [°] d[^m]
1 20,2 0,100 5,77 7,68
2 37,17 0,183 10,53 7,71
Табл.2
Експериментални резултати
4. Заключение
В тази работа е представено едно ново лабораторно упражнение за измерване на размерите на еритроцити. Използван е методът на лазерната дифрактометрия. Упражнението ще бъде включено в лабораторния практикум по биофизика към Факултета по физика и инженерни технологии при ПУ "Паисий Хилендарски", Пловдив. Благодарности:
The authors acknowledge financial support from the Scopes program (grant no. IZ73Z0-127942-1 and grant no. IZ76Z0_147548 / 1) of the Swiss National Science Foundation and prof. Antoine Weis from the University of Fribourg, Switzerland, for offering the He-Ne laser.
Литература
1. Марин Пенев, Полет Дукова-Пенева, Лабораторна хематология, София, 2007
2. Луговцов Андрей Егорович, Разсеяние лазерного излучения на еритроцитах и моделирующих их частицах, Автореферат, Москва, 2008
3. С.С. Бессмельцев, А.В. Лендяев, В.А. Тарлыков, Лазерная дифрактрометрия агрегации еритроцитов, Дисертация, Санкт Петербург, 2004
4. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/phyopt/cirapp2.html
5. Г. С. Ландсбер, Оптика, издателство „Наука", Москва, 1976
