Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМІ!
В природе широко распространен класс объектов. называемых дисперсными системами (ДС), для которых дисперсионной средой чаще всего является вода или воздух, а дисперсной фазой -частицы различного происхоядения. Под биологическими ДС понимаются ДС, дисперсной фазой которых являются частицы биологического происховдения или назначения. Это - белки, нуклеиновые кислоты, липиды , нуклеопротеидн, липопротеидн. вирусы, клетки, липосомы, кровезаменители, вировые эмульсии, и т.д. С биологическими ДС тесно связаны природные ДС. Большинство ДС являются поликомпонентными (ПК) и полимодальными (ПИ) : кровь-биологическая ПК ПИ ДС, природная вода - биоминеральная ПК ПИ ДС. В ДС происходят процессы агрегации, седиментации, флотации, флокуляции, коалесценции. гетороагрегации и т.д. Так как ДС могут реагировать на либие изменения физико-химических условии, то - с одной стороны, их моано рассматривать как датчики, чувствительные к состоянии окруїаицеи среды, а с другой стороны, сами ДС необходимо постоянно контролировать.
Разработка методов экспресс-контроля состояния биологических дисперсных систем является актуальной задачей биофизики, как мендисци'плинарной науки, а такяе сменных наук : экологии, биотехнологии, клеточной биологии, медицины, иммунологии, фармакологии и т.д.
Оптические методы. позволяющие автоматизировать измерение и обработку данных, являются наиболее удобными для контроля ДС. Это связано с применением лазеров, развитием волоконной оптики и оптических методов исследования потоков газовых и конденсированных сред.
Проблема понимания поведения и контроля сложных ДС, таких как онрукающие нас воздух и вода . актуальна и с экологической точки зрения. В природных ДС происходят взаимодействия меяду компонентами, приводящие к появлению новых свойств . Эти вопросы требуют ' фундаментальных исследований на модельных систем??. Так, закономерности поведения воды с различными примесями и в различных физико-химических условиях остаются практически не изученный.
В настоящее время существует значительная теоретическая и. экспериментальная основа оптического исследования ДС.
- 4 -в том числе биологических [ Кифрин 1951, 1956, 1983 ; Волькенштейн 1951, 1975; Розенберг, 1955, 1967 ; Фриш, Тиморева, 1957; Слоним, 1360; Левин, 1960; Ван де Хслст, 1361; Дерягин и др., 1961; Слуцкер, Карихин, 1961; Шифрин, Раскин ,1961; Цветков и др., 1964; Френкель и др., 1965; Верклифф, 1965; Петухов, 1965; Фихман ,1967; Теренин, 1967; Перельман. 1967.1994; Плученничак и др., 1971; Паркер, 1972; Бреслер, 1973; Печатников, 1973; Иванов, 1975,1991 ; Остаиевский и др., 1975; Вавилов,1976; Кадыиевич и др.,1976; Любовцева, Плахина, 1976; Буритейн, 1977; Вукс, 1977; Кленин и др., 1977; Байвель, Лагунов. 1977; Рвачев, 1978 ; Тихоненко, Добров. 1978; Благой и др.,1980, 1981; Владимиров, Добрецов, 1980; Ерлов, 1980; Еськов, Арефьев, 1980; Исимару,1981; Фрисиан и др.,1981; Чернобереяский и др.,1981,1987; Зуев, Наац, 1982; Фролов, 1982; Туроверов, Кузнецова,1983; Иоффе, 1983; Александров и др., 1983; Андреева, 1984; Больааков и др.,1984; Науменко. 1984; Пришивалко и др., 1984; Фридрихсберг, 1S84 ; Щеголев, Хлебцов, 1984 ; Хайруллина, 1985, 1991 ; Сивухин.1985; Сунгуров, 1985; Брагинская, Клюбин, 1986; Борен , Хафмен,і986; Лакович.1986; Зскин,1986; Карякин, Грибовская, 1987; Кутузов, 1987; Лебедев и др., 1937; Лекнев, 1987; Толстой и др.,1987; йварцбурд, 1987; Барский. 1988; Верхотуров, Рубин.1988; Кошевой, 1988; Лопатин, Сидько, 1988; Ощепков, Сорокина, 1988; Петряноз-Соколов,1988; Франк, 1988; Приезяев и др.,1989; Сидько и др.,1990; Фарафонов,1390; Додонова и др.,1991, Зеге.1ЭЭ1; Клюбик, 1931; Копелевич.1991; Кузьмин,1991;Малеев и др.,1991, Рамы и др., 1991; Рапопорт, 1993; Хлебцов, 1993; Дубнищев, 1994; Зимон, Лещенко.1Э95; Кленин, 1995; и т.д.].
'В последнее время значительно возросло число оптических исследований ДС в области биофизики [ например : Stelnke , Shepherd, 1988 ; Sloot et al. ,1989; Черников, 1990; Демидов, Чернявская 1991; Какорин и др.,1391; Казарян и др.,1991; Bronk et al..l9S2; Broglla, 1393; Durkln et ai..1993; Lopatln et al..1993; Королевич и др.,1994 ; Лобышев и др., 1994; Парамонов , 1994; Тесёлкин. I9S4; Якайкина, Черницкий. 1994; Huller et al., 1994. Ramsey ,';"unk ,1994; Streekstra, 1994; идр.1, коллоидной химии Інаприіят', Stublcar et al., 1989 ; Zemb et al.. 1990 ; Zana. Lang, 1990; Rosta. Von Gunten, 1990; Макоед, Сорокина,1991; Cortl et al..1991: Schnableeser . Clatter, 1991; Spalla, Cabane. 1993; Kerzog et al..1994 ; Chow , Zukoskl, 1994; Uon Berlepsh, Strey, 1994; Thonas et al., 1994; Карпов и др., 1995; и др. ],
- 5 -астрофизики [ Foeke Kuik et al.. 1991 ; Hest , 1991 ; Mishchenko. Travis, 1994; и др. ), оптики атмосферы ( Tonna, Shlfrin, 1992 ; Васильев 0., Васильев А., 1994; Hanel. 1994; Hess, Hteener, 1994 ; и др.1 и оптики океана [ Lofftus, 1992; Splnrad. Broun, 1993; Глувков и др., Г994; Крекова и др.,1994; Kachel et al., 1994; Stramski, Sedlak, 1994; Ulloa et al., 1994; и др.]. Использование оптических методов для контроля ДС представляется перспективным, так как при этом не оказывается разруоапщего действия на систему, возможен дистанционный контроль и осуществление измерения в экстремальных условиях, например, при действии ионизирующей радиации, при спекании сверхпроводящих керамических порошков ICharalaiapopoulos, 1993 1 или для анализа сажи при сгорании [Sorensen et al.;l992L Имеется большое количество методов решения обратной физической задачи оптики ДС. Появляются также и работы, посвященные анализу смепанных ДС [например, Rochon et al., 1908; Graaf et al., 1992; и др 1. Однако, сложность биологических и природных ДС указывает на необходимость перехода на новый уровень их исследования. Помимо автоматизации эксперимента существенным аспектом является разработка методологии анализа оптических данных. Следует отметить, что в области оптики биологических ДС образовался некоторый разрыв между бурным развитием теоретических исследований и их использованием. Это можно объяснить, трудностями экспериментального воплощения теоретических разработок, сочетания теоретических и экспериментальных исследований, необходимости тщательной оценки всех деталей эксперимента и т.д.. Данная работа в значительной мере направлена на преодоление этих трудностей.
Исследования проводились в рамках госбюджетной тематики: "Разработка методик анализа дисперсных систем биологического происхождения" и " Многопараметрический невозмущающий оптический анализ сложных дисперсных систем для экспресс-контроля их состава и состояния ".
Цель работы - разработка методологии оптического анализа состояния биологических и природных ПК ПМ ЯС.
Общей задачей работы является характеристика ДС с диаметрами частиц меньше 10 микрометров .
- б -
Для разработки методологии необходимо было исследовать физико-химические особенности и оптические характеристики различных классов ДС : биологических ДС ; органических ДС искусственного или природного происхождения ( например, дисперсии жидких кристаллов, аиров, нефти ); неорганических ДС ( металлы, минералы ); технологических смешанных ДС ( липосомы с различными добавками, вирусосодержащие аллантоисные їидкости, дисперсии «идких кристаллов с поверхностно-активными веществами и т.д. ); модельных смешанных ДС ; образцов слоеных ДС ( кровь, плазма и сыворотка крови, природные воды и т.п.). Для кавдой конкретной ДС необходимо было провести специальное изучение методических особенностей и ограничений того или иного метода с учетом исходного состояния ДС ( концентрированная или разбавленная ), коллоидного-химического поведения , размеров частиц, их структуры и т.д., а такае попытаться реиить обратную оптическув задачу с целью получения характеристики состояния ДС.
1. Впервые получены экспериментальные данные:
а) о главных оптических параметрах интегрального и дифференциального ."бокового" статического светорассеяния -приведенных ( в расчете на одну частицу) оптической плотности и интенсивности светорассеяния под углом ЭО градусов для биологических частиц в интервале средних диаметров 0.09 - 12 мкм ; б) о сравнении данных статического и динамического светорассеяния для ряда слонных биологических и других ДС: в) об изменении комплекса оптических параметров биологических и других ДС при изменении физико-химических условий.
-
Впервые предловено представление оптической характеристики ДС в виде многомерного вектора в бесконечномерном пространстве оптических параметров второго класса, не зависящих от концентрации частиц и полученных в результате соответствупщей обработки экспериментальных данных. Такое представление открывав^ возиокности использования аппарата многомерного статистического анализа для изучения ДС.
-
Для анализа смеванных ДС. состояких из клеток кишечной палочки и частиц глины, впервые применен иногоальтернативный классификационный принцип ннфоркационко-статистической
- 7 -теории для ренения обратной задачи компонентного состава ДС при полимодальности распределения частиц по размерам.
Использование методологии информационно-статистической теории предполагает создание банка знаний по соответствующей тематике. Собственный экспериментальный материал по оптическим исследованиям нескольких десятков биологических, минеральных, сиеаанных и природных ДС полокен в основу Банка Оптических Данных о Дисперсных Системах и дополняется экспериментальными и тепреткческимии данными мировой литературы по различным научный направлениям .