Введение к работе
Актуальность темы. Проблема распространения и рассеяния волн в океане, атмосфере и биологических средах в последние года становится вс более важной, особенно в таких областях науки и техники, как связь, физика полимеров и коллоидных систеи, биофизика, геофизика, гидрооптика, в таких методах контроля и исследования окрудапдеЯ среды, как радиолокация и радионавигация, дистанционное зондирование и мониторинг состояния триродиих экосистем.
Световое рассеяние и поглощение является уникалыщии источниками определенной информации о морфологии клеток и больших субклеточных структур. Тестирование механизмов рассеяния помогает выяснить как эта информация кодируется и ее количественное содержание в информационных потоках. Так, в частности, по ослаблених) зондирующего излучения прослеживают изменение формы и жизнеспособности тромбоцитов, эритроцитов, лимфоцитов, исследуют гибкость и агрегацию биологических частиц, вариация длины саркомероа мышечного волокна, различного рода реакции фотосиитезируыдах клеток на световое воздействие и др.
Методы светорассеяния давно и довольно успепно применяются в исследоваїшях океана для изучения структуры и изменения состава взвешенного и растворенного вещества, разделения терригешюа и биологической составляющих этих взвесей, оценки ЧИСТОТЫ ВОд И т.д. Большую роль они играют в работе метеорологов, климатологов, в дистанционном зондировании, контроле состояния аэрозолей
на наличие микропримесей.
Состояние вопроса. Постольку прямая и обратная задача светорассеяния могут быть решены для ограниченного круга объектов, то обычно в практических расчетах информацию об оптических свойствах сред получают на основе исследования взаимодействия излучения с ыодельньши иоъектами и на основе различных аппроксимаций. Причем модельные представления при всей своей простоте зачастую адекватно отражают структурно-сложные биологические системы, учитывая лишь ключевые взаимодействия.
Наиболее физически наглядным является геометрооптическое приближение (Борен К., Хафмен Д., 1586; Стерлядкин В.В., 1990; Болотова Х.К., Шифрия К.С, 1993), которой дает разумные результаты даже при резонансных частотах, однако область его применимости ограничивается большши частотами и усложнением для вогнутых и неоднородных частиц. Широкое распространение в последнее время получили приближения эйконала и его модификации (Chen T.W., 1988; Ferrln J.-M., Ьвшу P.I., 1986), а также метод Парселла-Пешатакера или метод связанных диполей {Slneham S.B., 1989; Lakhtakla А., 1990). Метод Парселла-Пенштаакера отличается простотой физической модели, так как светорассеивакгцая частица заменяется системой диполей, однако окончательно приводит к решению самосогласованной системы линейных уравнений с большим числом уравнений, что вызывает вычислительные трудности. Метод B03MJ .ений (Волков Н.Г., Ковач B.C., 1992) может быть полезен при рассмотрении задачи светорассеяния не частице, по форме не сильно отличающейся от сферической.
Среди Сольного количества аппроксимаций, предсказывающих
светорассеяние биологическими взвеслш, наиболее простиш а адекватными являются методы Рзлея-Ганоа-Дес<ія (РГД) и Аномальной дифракга (АД) (Ван де Хвлст, 1951; Кегкег, 1%9| Лопатил В.Н., Сидько Ф.Я., 1988). Кроие того» достаточно эффективный является приближение Веитцеля-Крвыерса-Бриллвзка (ВКВ), которое при незначительном усложнении структурj включает в себя и приближение РГД, и АД ( Шфф Л.И., 1955, 1956( Исииару А., 1981). Однако аппроксимации имеют существетше ограничения а практических расчетах, что, к сожалеют, на всегда учитывается. Часто это приводит к оаибочнш результатам;и выводам. Поэтому дальнейшее развитее аппроксимаций и оценка границ их прниешшости-достаточію важная теоретическая я практическая задача.
Изложению выше соображения в значительной степени предопределили основные направления проведении исследований. Цель робота- исследование и дальнейшее развитие приближенных ыетодов решения задачи светорассеяния биологичаскгшя дисперсными средаші. В соответствии с этим балл сфорцулироваш следуи-цио задачи:
- исследование вошояюстєй ВКВ оппроксшоцші для описания
оптических характеристик дисперсной среда в. "резонанс..ой"
области (первый максіогті фактора эффективности светорассея
ния),
количественное определогаїе условий форыаропашп "луча" внутри "цягаїх" частиц,
определение границ прішакииости ЕКБ аппроксшіащш для описания дифференциальных характеристик сиеторасс*..вшя сферической частина»
- б -
- исследование зависимости малоугловой и интегральной индикат
рис от фазові го сдвига,
- поиск приемлемых обобщенных параметров для полидисперсной
интегральной индикатрисы светорассеяния в приближении РГД,
разработка экспрессного оптического метода оценки среднего размера частиц полидисперсных .сред нв базе интегральной индикатрисы,
оценка средних размеров частиц биологических взвесей с помощью модифицированного спектротурбидиыетрического иетода.
Основу иетода исследования составило математическое моделирование процессов поглацеїмя и рассешпш излучения дисперсными средами.
На защиту выносятся следующие основные полокевня:
-
Область возможного описания оптических эффектов в приб-лилеіши В1СБ соответствует значениям фактора эффективности светорассеяния і не превтевдии четырех;
-
Количественные оценки условий формирования "луча" внутри "мягких" частиц получаются в смежной РГД и АД области;
3. Нормированная малоугловая и интегральная индикатрисы
светорассеяния качественно зависят от фазового сдвига анало
гично фактору эффективности светорассеяния;
4. Для дифференциальных оптических характеристик рассеяшш
"мягких" дисперсных сред существуют классы оптической экви
валентности; взвеси, имеющие равные шестой к четвертый моменты
функции распределения, в первом приближении оптически экви
валентны;
6. Метод интегральной индикатрисы - позволяет определять
средние размеры частиц по"идисперсішх взвесей.
Научная новизна роботы заключается в той, что на осново ыо-тода «итогу ільішх уравнения развито приближение БКБ, указана границы его применимости для описания интегральных оптических характеристик. Продемонстрированы возможности ШСБ ашпмкеимацаи в описании индикатриси светорассеї^мя сферических частиц. Предложены обобщенные параиетрц полидисперснои юпогральноЯ индикатрисы, в координатах которых она инвариантна в первой приближении. Впервые получены количественные оценки условна формирования 'луча" внутри оптичесиі "мягких'* частиц. Разработан и экспериментально апробирован метод определения средних размеров дисперсных биологических частиц по интегральной индикатрисе светорассеяния.
Практическая значимость результатов раооти состоит в той, что они могут быть использованы в качество теоретической основи при инженерное разработке к создании измерительной аппаратура, предназначенной для оперативного контроля микроструктуринх характеристик дисперсных сред кок при гндрооптических исследованиях, зондировании атмосфер"', так и при изучеюпі физико-химических реакция, протекавши в процессе образования і элл-керов, росте микроорганизмов и других суспензиях биологических частиц. Разработан способ экспрессной оценки параметров "ьлг-шіхп дисперсных частиц.
Достоверность результатов и выводов работы обоспечкваетоя использованием выводов строгой мотеиатической теории дифракция электромагнитных волн на однородных сферических частицах, a тзїсїо параллельным вачиеяечнеи по существукЕМ методикой.
.-8-
Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации теоретические результата получены лично автором или при его непосредственном учаотии. В экспериментальных исследованиях автор принимал непосредственное участие в постановке эксперимента, обработке и іштерпретацшш полученных результатов.
Апробация работы Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XI Международном биофизическом конгрессе , г. Будапешт, Венгрия (шаль, 1993), XIX Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного, излучения в атмосфере и водных средах, г. Томск (июнь, 1993), Международном симпозиуме Biomedical Optics, г. Лос-Анжелес, США (январь, 1993), семинарах лаборатории биоспектрофотометрии (Щ-т биофизики СО РАН, г. Красноярск) и кафедры биофизики Красноярского госуниверситета (19Э0-1993гт.).
Выигранные гранты. Доследования по теме диссертации были поддержаны персональным грантом для молодых ученых Красноярского краевого фонде науки (1993).
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в пяти статьях (1-4,6), опубликованных в российских изданиях и за рубежом (США, Франция), а также препринте 15].
Объем и структура работы. Диооертационнвя работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 98 страницах машинописного текста, описка цитируемой литературы из 86 найменований н приложения на S страницах, включает 3 таблицы и иллюстрируется 28 рисунками.