Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Хряшевая ткань и коллаген 11
1.1.1. Состав хрящевой ткани 11
1.1.2. Структура и денатурация коллагена II в хряще 13
1.1.3. Определение содержания коллагена в образцах ткани биохимическими методами . 20
1.2. Влияние лазерного ИК нагрева на протеогликановую подсистему и выделение воды.26
1.3. Взаимодействие лазерного излучения с биологическими тканями 37
1.3.1. Распределение энергии при лазерном облучении биологических тканей 37
1.3.2. Виды лазерного воздействия по типу инициируемых процессов 38
1.3.2.1. Фотохимическое воздействие. 38
1.3.2.2. Тепловое воздействие 39
1.3.3. Виды лазерного воздействия на биоткани по интенсивности 41
1.3.3.1. Низкоинтенсивное лазерное воздействие 41
1.3.3.2. Субабляционное лазерное воздействие. 41
1.3.3.3. Абляционное лазерное воздействие 42
1.4. Метод спекл-интерферометрии 44
1.4.1. Когерентность: пространственная и временная 44
1.4.2. Формирование спеклов в дальней зоне дифракции 48
1.4.3. Дифракция и спеклы 49
1.4.4. Биоспеклы 53
1.4.5. Статистические функции описания спеклов 58
1.4.6. Использование оптоволоконного жгута для передачи спекл-картин 59
1.5. Заключение 63
Глава 2. Спекл-интерферометрический анализ состояния вещества при нагреве 64
2.1. Введение 64
2.2. Схема экспериментальной установки 66
2.2.1. Общая аппаратная схема 66
2.2.2. Основные элементы 68
2.2.2.1. Держатель ткани. 68
2.2.2.2. He-Ne лазер 68
2.2.2.3. ПЗС-камера. 69
2.2.2.4. Апертурная диафрагма. 70
2.2.2.5.ИК лазер 71
2.2.2.6. ИК радиометр 74
2.2.2.7. Оптоволоконный жгут 76
2.2.3. Расположение и временная синхронизация 77
2.3. Сбор и расчет данных 78
2.3.1. Сбор данных 78
2.3.2. Расчет статистических функций спеклов 79
2.3.3. Расчет интегральной приповерхностной температуры 81
2.4. Методика проведения спекл-интерферометрического анализа 82
Глава 3. Динамика спеклов при нагреве низкомолекулярных соединений и белков 89
3.1. Введение 89
3.2. Материалы 95
3.3. Результаты и обсуждение 96
Глава 4. Динамика спеклов при ИК лазерном нагреве хрящевой ткани 101
4.1. Введение 101
4.2. Материалы 105
4.2.1. Интактная хрящевая ткань 105
4.2.2. Хрящевая ткань без протеогликановой подсистемы 105
4.3. Анализ коллагена биохимическим методом 107
4.3.1. Предварительная подготовка образцов 107
4.3.2. Анализ гидроксипролина 108
4.3.2.1. Реагенты 108
4.3.2.2. Техника эксперимента 109
4.3.3. Определение степени денатурации 110
4.4. Термический анализ 111
4.5. Результаты и обсуждение 112
4.5.1. Динамика спеклов при диффузии и испарении воды в биологических тканях в процессе ИК лазерного нагрева 112
4.5.2. Динамика спеклов при ИК лазерном нагреве хрящевой ткани, обработанной трипсином 116
4.5.3. Динамика спеклов при ИК лазерном нагреве интактной хрящевой ткани 121
4.5.4. Использование оптоволоконного жгута для регистрации спекл-картин. 129
Выводы 132
Список литературы
- Определение содержания коллагена в образцах ткани биохимическими методами
- Общая аппаратная схема
- Расчет статистических функций спеклов
- Анализ коллагена биохимическим методом
Введение к работе
В связи с бурным развитием новых методов лазерной коррекции формы хрящей и лазерной регенерации межпозвоночных дисков и суставных хрящей увеличивается разрыв между практическим применением этих методов и фундаментальными исследованиями. Решение этой проблемы лежит в области междисциплинарных исследований и требует проведения дополнительных исследований.
В настоящее время для коррекции формы перегородки носа,
регенерации межпозвоночных дисков, гипертермии опухолевых
новообразований успешно применяется умеренный локальный нагрев (до 70
- 80С) биологических тканей лазерным излучением. Требуемый лечебный
эффект достигается, когда в нагреваемом объеме биологической ткани
происходят заданные условиями эксперимента (воздействия) изменения
физико-химических свойств, прежде всего механических, оптических и
термических. Особое научное и практическое значение приобретает
мониторинг этих свойств, который позволяет управлять процессом лазерного
воздействия на ткани с помощью систем обратной связи. Такой контроль
значительно снижает вероятность осложнений после лазерных процедур в
медицинской практике. Для мониторинга биологических тканей наиболее
оптимальны неинвазивные (неразрушающие), экспрессные,
высокочувствительные методы, к которым можно отнести и метод динамического измерения спеклов.
Формирование спекл-картин обычно происходит при отражении когерентного света от случайно рассеивающей среды. В результате интерференции световых лучей, пришедших от случайно распределенных рассеивателей, на экране создается случайная структура распределения интенсивности света в виде ярких и темных пятен (их и называют спеклами)
— спекл-картина. Если в случайно рассеивающей среде происходит изменение движения рассеивателеи или изменение их физико-химического состояния, то эти изменения обязательно найдут отражение на спекл-картине. Динамика спеклов отличается высокой чувствительностью к движению внутритканевой жидкости, к изменению скорости движения рассеивателеи и к структурным переходам. Так, например, неинвазивное экспрессное измерение скорости кровотока - это один из способов практического применения метода спекл-интерферометрии.
Однако при ИК лазерном нагреве биологических тканей, как правило, одновременно происходят несколько физико-химических процессов, что значительно усложняет интерпретацию динамических характеристик спекл-картин. В частности, ИК лазерный нагрев хрящей вызывает переход связанной внутритканевой воды в свободное состояние, усиливает процессы диффузии.и испарения воды, приводит к денатурации белков, таких, как коллаген. Поэтому для диагностики и контроля методом спекл-интерферометрии процессов, протекающих в биологических тканях под действием ИК лазерного излучения, необходимо было выявить характерные особенности поведения спекл-картин во время протекания изолированных друг от друга (одиночных) процессов.
Кроме характерных особенностей поведения спекл-картин при ИК лазерном нагреве, необходимо было выявить и факторы, влияющие на динамику спеклов.
Хрящевая ткань является сложным объектом для исследований из-за своего строения и состава. В ней крайне трудно разделить протекание большинства физико-химических процессов. В связи с этим становятся актуальными как проведение серии экспериментов на модельных системах для изучения заданных физико-химических процессов, так и сопоставление результатов этих экспериментов с результатами экспериментов, полученных для интактной (незатронутой) хрящевой ткани. В частности, для
моделирования процессов диффузии и испарения воды была предложена модельная система "фильтровальная бумага - вода", для моделирования процесса денатурации коллагена - модельная система "хрящевая ткань, обработанная трипсином, с разрушенной протеогликановой подсистемой".
При изучении динамики спеклов важны и способы доставки изображения. Для внедрения метода спекл-интерферометрии в хирургическую практику необходимо обеспечить передачу спекл-картин из труднодоступных зон (полость носа, суставная сумка, межпозвоночный диск). Передача изображения осуществляется посредством оптических жгутов, какими обычно пользуются в эндоскопии. Оптический жгут состоит из множества тонких оптических волокон, каждое из которых независимо передает интенсивность света с входной поверхности жгута на выходную. Для расширения области практического применения спекл-интерферометрии важно сопоставить результаты измерения динамики спеклов с помощью оптического жгута с результатами, полученными регистрацией спекл-картин напрямую.
Целью данной работы являлось выявление и исследование взаимосвязей динамического поведения спекл-картин и физико-химических процессов, протекающих при ИК лазерном нагреве хрящей, в частности, при денатурации коллагена, диффузии и испарении воды, а также развитие неинвазивного (бесконтактного) метода диагностики и контроля состояния хрящевой ткани при ИК лазерном нагреве на основе спекл-интерферометрического анализа. В связи с поставленной целью работа была направлена на решение следующих задач:
1. Создание методики спекл-интерферометрического анализа. Разработка аппаратной схемы эксперимента для проведения в режиме реального времени с осуществлением системы обратной связи спекл-
интерферометрического анализа структурных изменений в веществах при умеренном ИК лазерном нагреве.
Исследование динамики спеклов при структурном переходе "твердое тело - жидкость" (плавление низкомолекулярных органических соединений). Определение характерных зависимостей статистических функций спекл-картин для данного процесса.
Исследование динамики спеклов при диффузии и испарении воды, вызванных умеренным ИК лазерным нагревом, как в случае модельной системы "фильтровальная бумага - вода", так и в случае интактной хрящевой ткани. Определение характерных зависимостей статистических функций спекл-картин для данного процесса.
Исследование динамики спеклов при структурных изменениях, вызванных денатурацией коллагена при умеренном ИК лазерном нагреве, в модельной системе - "хрящевая ткань, обработанная трипсином, с разрушенной протеогликановой подсистемой". Определение характерных зависимостей статистических функций спекл-картин для данного процесса.
Исследование динамики спеклов при структурных изменениях, вызванных умеренным ИК лазерным нагревом, в интактных (неповрежденных) хрящевых тканях. Сопоставление полученных результатов с результатами от модельных систем. Определение характерных зависимостей статистических функций спекл-картин для данного процесса.
6. Изучение возможности регистрации с помощью оптического жгута
динамики спеклов из скрытых для прямого наблюдения участков.
Сопоставление результатов измерения динамики спеклов с помощью
оптического жгута с результатами, полученными съемкой спекл-картин
напрямую.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Впервые была представлена методика проведения спекл-
интерферометрического анализа при умеренном ИК лазерном нагреве с
обеспечением временной и пространственной синхронизации измерительных
приборов, объединенных в систему с обратной связью в режиме реального
времени, для регистрации структурных превращений в веществах при
нагреве.
2. Впервые показана и изучена чувствительность статистических
функций спекл-картин к структурным переходам, вызванным фазовыми
переходами первого рода, в частности, к процессу плавления
низкомолекулярных органических соединений.
3. Впервые выявлены и изучены факторы, приводящие к изменениям
динамики спеклов при умеренном ИК лазерном нагреве интактной
(незатронутой) хрящевой ткани. Показано, что основными факторами,
влияющими на статистические функции спекл-полей при умеренном ИК
лазерном нагреве биологических тканей, являются диффузия и испарение
воды, денатурация коллагена.
4. Впервые была показана возможность использования
оптоволоконного жгута для регистрации динамики спеклов из скрытых для
прямого наблюдения участков, что может найти широкое применение в
медицинских системах.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
Создан комплекс программ и предложена аппаратная схема проведения спекл-интерферометрического анализа в режиме реального времени с системой обратной связи для управляемого лазерного нагрева.
На основе найденных закономерностей показана возможность контроля мощности умеренного ИК лазерного излучения методом спекл-
интерферометрии для предотвращения денатурации коллагена в хрящевых тканях, что может найти широкое применение в медицинских системах.
3. Показана возможность использования метода спекл-интерферометрии для неинвазивной (бесконтактной), экспрессной регистрации структурных изменений, вызванных фазовыми переходами первого рода, в частности, плавления низкомолекулярных органических соединений.
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены на международных конференциях "Saratov Fall Meeting: Coherent Optics of Ordered and Random Media IV" (Саратов, Россия, 2003, 2005), на конференции "IV Съезд фотобиологов России" (Саратов, Россия, 2005), на юбилейной конференции, посвященной 25-летию ИПЛИТ РАН и 70-летию академика Е.П. Велихова (Шатура, Московская область, 2005), на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам (Москва, Россия, 2005).
Результаты работы включены в книгу "Лазерная инженерия хрящей"
Публикации.
По материалам работы опубликованы 5 статей и 2 тезиса докладов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, изложения результатов и их обсуждения (три главы), выводов, списка цитируемой литературы и приложения.
Работа изложена на 146 страницах машинописного текста и содержит 66 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 142 наименования.
Определение содержания коллагена в образцах ткани биохимическими методами
На рентгенограммах таких систем брегговские рефлексы исчезают. Это свидетельствует о том, что коллаген перешел в аморфное состояние, которое называется желатиной [13,26-35]. Разрушение упорядоченной структуры волокна сопровождается его усадкой [26,33], потерей двойного лучепреломления [34], кроме того, коллаген становится подвержен действию протеолитических ферментов [35]. Денатурация коллагена происходит в узком температурном диапазоне, сопровождается значительным тепловым эффектом (60-70 Дж/г) и изменением объема (увеличением), давление в ходе денатурации не зависит от соотношения фаз нативного и денатурированного коллагена. В тоже время, при охлаждении коллагена и выдерживании в течение нескольких часов, наблюдалось некоторое уменьшение объёма и восстановление рентгеновских рефлексов, что было связано с частичным восстановлением упорядоченной структуры. [19]. Все эти данные подтверждают, что денатурация коллагена в фибриллах обладает, подобно плавлению синтетических полимеров, характеристиками фазового перехода первого рода [18,26]. Теоретический анализ плавления коллагена методами статистической термодинамики, проведенный Флори, показал, что температура плавления Тт коллагенового волокна должна увеличиваться по мере уменьшения гидратации коллагеновых фибрилл (явление, аналогичное криоскопии) [18]. Этот факт подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями плавления коллагена методами калориметрии и дилатометрии. Так, в работах Церетели [27,36-38] было показано, что при уменьшении содержания воды от 80% до 5% температура пика денатурации увеличивается от 65С до 150С. Второй особенностью плавления коллагена является зависимость Тт от количества поперечных сшивок в коллагеновом волокне. Восстановление образующихся в первой стадии конденсации оснований Шиффа и искусственное сшивание коллагенового волокна органическими и неорганическими агентами увеличивает температуру денатурации. Так, было показано, что искусственное увеличение количества кросс-сшивок добавлением глутарового альдегида приводит к увеличению температуры денатурации коллагена с 49,5С до 70С. [29-31, 33]. Температура плавления коллагена І в нативном, полностью гидратированном волокне (30 и более молекул на трипептид или свыше 70 % воды по весу), достигает 60-70С. В работах Игнатьевой [39,40,41] было показано совпадение термических свойств коллагена II с термическими свойствами коллагена I (Тд = 65-80С, АНД = 55-60 Дж/г коллагена), была установлена, стабилизирующая роль протеогликановых агрегатов на степень денатурации коллагена II в гиалиновом хряще, препятствующая полной денатурации коллагена II в биологических тканях.
Таким образом, коллаген является наиболее важным структурным компонентом хрящевой ткани, выступая её каркасом, который, тем не менее, имеет сложную структуру и взаимодействие с другими компонентами биологической ткани. Биологическая ткань - динамическая система, претерпевающая модификацию на протяжении всего времени своего функционирования, что приводит к постоянному изменению свойств коллагеновой подсистемы, например, температуры денатурации. Это существенно усложняет контроль состояния ткани и требует разработки специальных методов, позволяющих учесть индивидуальность строения заданного образца хрящевой ткани.
Оценка степени денатурации коллагена при умеренном ИК лазерном нагреве является ключевым при проведении термических экспериментов на хрящевой ткани. В силу сложности строения биологической ткани очень важно разработать методику определения коллагена нечувствительную к другим компонентам ткани, которые могут внести в методику измерения существенную ошибку. Как уже отмечалось выше, коллаген имеет специфические маркеры гидроксипролин и гидроксилизин, поэтому анализ степени денатурации коллагена должен быть основан на анализе содержания именно этих специфических маркеров для избегания влияния других компонентов.
Методы определения коллагена в образцах ткани можно разделить на две большие группы, в одну из которых входят иммунохимические методы, а в другую - все остальные. Иммунохимический анализ позволяет определять непосредственно конкретные типы коллагена как определенной белковой структуры, детектируемой как единое целое. Другой подход состоит в первоначальном разрушении данной структуры на отдельные фрагменты (а именно, полный гидролиз до аминокислот) и дальнейшем определении заданной группы фрагментов или отдельных фрагментов. Именно такой подход реализуется во всех остальных методах, основанных на аминокислотном анализе гидролизата белка.
Из иммунохимических методов применяется ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay). Данный метод основан на абсолютной специфичности связывания Антиген-Антитело. Он широко применяется во многих биохимических исследованиях и позволяет оперативно получать данные о наличии или отсутствии коллагена в образце, кроме того дает возможность детектирования определенного типа коллагена [42,43].
Общая аппаратная схема
Эти три явления взаимосвязаны друг с другом и не имеют четкого разделения в случае биологической ткани. Тем не менее, на основе проведенного анализа метода спекл-интерферометрии можно предположить, что в случае субабляционного ИК лазерного нагрева хрящевой ткани спеклы окажутся чувствительными к диффузии, испарению воды и денатурации коллагена, так как эти два процесса приводят к существенным изменениям положения и структуры рассеивающих центров. Так, денатурация коллагена должна приводить к трансформации поверхности и приповерхностного слоя, а диффузия и испарение воды к появлению воды на поверхности, что обязательно должно найти отражение в динамике спеклов. Анализ литературных источников показал отсутствие научных данных, связывающих изменение статистики спекл-картин с одиночными, изолированными друг от друга, процессами, такими, например, как испарение, плавление, денатурация, что важно для контроля состояния при нагреве биологических тканей. Не были также детально изучены факторы, приводящие к изменению статистики спекл-картин в случае нагрева коллагенсодержащих тканей. Таким образом, требовалось провести дополнительные исследования, расширяющие возможность применения метода спекл-интерферометрии для анализа и контроля структурных и фазовых переходов при нагреве в биологических объектах.
В настоящее время метод спекл-интерферометрии широко используется для измерения скоростей рассеивателей, находящихся в приповерхностном слое, для регистрации трансформаций поверхности и изменений её микрорельефа, которые могут быть вызваны, как внутренними массопереносами (например, ток крови в капиллярах), так и механическими или акустическими воздействиями. Тем не менее, несмотря на большой объем публикаций, посвященных развитию и применению метода спекл-интерферометрии, и на имеющиеся, в частности, сведения о чувствительности спеклов к нагреву биологических тканей, до сих пор нет примеров использования этого метода для фиксирования структурных изменений в тканях во время ИК лазерного нагрева, а также не были детально установлены причины чувствительности поведения спеклов к нагреву. Поэтому было необходимо определить основные факторы, которые могут влиять на поведение спеклов при нагревании биологических объектов, а также при нагревании чистых белков и низкомолекулярных органических соединений. Для этого требовалось разработать и реализовать схему эксперимента и цифровой обработки спекл-картин во время нагрева. Кроме того, было необходимо разработать схему эксперимента, которая удовлетворяла бы следующим дополнительным требованиям: бесконтактный способ регистрации - данное требование важно для последующего практического использования в медицинских системах; работа в режиме реального времени - данное требование необходимо для реализации систем с обратной связью, что позволяет использовать систему для широкого круга научных и прикладных задач, где значения статистических функций спекл-картин выступают измеряемыми параметрами, по которым ведется контроль; устойчивость к изменению конфигурации - данное требование важно для упрощения практического использования; цифровая регистрация и сохранение данных на компьютерах для последующей реконструкции эксперимента с целью более детального изучения оптических и термических параметров.
Данным требованиям удовлетворяют ИК радиометрический метод регистрации температуры и электронный метод регистрации спекл-картин -их и использовали в качестве основы для реализации методики проведения спекл-интерферометрического анализа.
Поставленная задача обозначила ряд методических проблем: 1) разработка аппаратной схемы эксперимента; 2) разработка алгоритма расчетов спекл-интерферометрических данных; 3) разработка методики проведения спекл-интерферометрического анализа.
Расчет статистических функций спеклов
Все приборы запускались одновременно для обеспечения временной синхронизации по сигналу с программного таймера или с внешнего триггера.
Зона облучения лазеров совпадала с зоной наблюдения камер как в случае нагрева биологических тканей, так и в случае нагрева чистых белков или низкомолекулярных органических соединений и имела размер 2x2 мм., что соответствовало размеру зоны наблюдения 200x200 пикселей (размер зерна - 0,01 мм) на кадрах ПЗС камеры, и размеру зоны наблюдения 20x20 пикселей (размер зерна - 0,10 мм) на кадрах ИК камер. Во всех экспериментах все лазеры и камеры были сфокусированы и центрированы относительно одной и той же точки поверхности объекта. Пространственное центрирование и временная синхронизация позволяли соотносить временные зависимости, полученные отдельно на каждом измерительном приборе, для последующего расчета и построения производных зависимостей от температуры.
Для связывания всех приборов в единую информационную систему управления с обратной связью было разработано и создано программное обеспечение на основе программного продукта LabView (National Instruments, США).
Сбор информации производился со всех камер в исходном необработанном формате, который конвертировался в набор интенсивностей, в режиме реального времени с сохранением на компьютер. Для ИК камер дополнительно переводили значения интенсивностей в температуры но экспериментально определенной градуировке. Значения интенсивностей, регистрируемые ПЗС камерами, использовались для расчетов статистических функций спекл-картин, таких как контраст, среднее значение интенсивности, кросскорреляционный коэффициент Пирсона.
На рисунке 27 представлен фрагмент спекл-картины. регистрируемой ПЗС камерой. Каждой точке этого рисунка, или пикселю, соответствует значение интенсивности, диапазон которого зависит от разрешающей способности (битности) ПЗС камеры. Таким образом, каждую спекл-картину можно рассматривать в качестве двумерной матрицы значений интенсивностей /,v, каждый элемент которой соответствует пикселю реального изображения.
Таким же образом из данных ИК камер можно построить двумерные матрицы температур Т„, соответствующие реальным температурным полям поверхности объектов. На рисунке 28 представлен пример температурной карты поверхности, по вертикальной оси которой отложены значения температур.
Расчет статистических функций спеклов. Спекл-картины (Рис. 16), регистрируемые ПЗС камерой, использовались для расчета статистических функций спекл-картин, таких, как средняя интенсивность света, контраст (автокорреляционная функция), кросскорреляционный коэффициент Пирсона (декорреляционная функция).
Среднее значение интенсивности рассчитывалось по уравнению: Где Ik - значение средней интенсивности для кадра.A:, h - значение интенсивности в точке кадра к с координатами {т,п}. Для вычисления функции контраста пользовались следующим соотношением: где Vk - значение функции контраста, вычисляемое для каждого кадра к, М- ширина спекл-картин в пикселях, N- высота спекл-картин в пикселях, Ik- значение интенсивности в точке кадра к с координатами {т,п}.
Анализ коллагена биохимическим методом
Нагрев вещества вызывает протекание ряда физико-химических процессов, среди которых можно выделить такие недеструктивные процессы, как фазовые переходы первого рода - плавление, испарение, и тепловое расширение (сжатие), которые, в свою очередь, могут приводить к модификации объема и трансформации поверхности. Эти процессы приводят к изменениям оптических свойств матрикса вещества, оптических свойств и числа рассеивающих частиц (центров) в глубине и в приповерхностном слое изучаемого объекта, что находит отражение в эволюции спекл-картин и динамике спеклов.
В работе [123] была предложена методика измерения коэффициента теплового расширения методом спекл-интерферометрии, подробно были рассмотрены теоретическая сторона вопроса, преимущества и ограничения метода. Суть предложенной методики заключалась в измерении разницы ходов двух оптических лучей L\ и 1,2, вызванной и связанной со смещением поверхности вдоль оси Хъ результате теплового расширения, при этом лучи направлялись под одинаковым углом к поверхности, как это показано на рисунке 36, для существенного упрощения математического аппарата.
Если поверхность деформируется на величину и, то в плоскости регистрации происходит смещение спекл-картины из-за изменения разницы оптических путей лучей Lj и 1,2, которая может быть оценена по уравнению: Lx -L2 =2ucos6, где в - угол наклона обоих лазерных лучей к поверхности.
При вычитании интерференционных картин, зарегистрированных до и после нагрева, проявляется картина (Рис. 37), на которой можно отчетливо наблюдать интерференционные полосы, расстояние между которыми прямо пропорционально величине деформации и [124-126].
Если параметры оптической и регистрирующей систем не меняются во время эксперимента, то число интерференционных полос п можно связать с величиной деформации и следующим уравнением: пЛ =2wcos#, где Я-длина волны лазерного излучения.
На основе вышеприведенных уравнений можно выявить связь между коэффициентом теплового расширения а и расстоянием между интерференционными полосами F (Рис. 37): X 2FATcos0 где AT - разница температур, достигаемая во время эксперимента. Данное уравнение было выведено в работе [123] и показывает применимость инертные газы, металлы, неорганические соли [127-132]. В работе [128] были подробно рассмотрены причины чувствительности спеклов к фазовому переходу "твердое тело-жидкость", описана методика практического применения спекл-интерферометрии для регистрации плавления веществ. Следует отметить, что большинство работ, где метод спекл-интерферометрии был использован для детектирования фазовых переходов, были посвящены плавлению веществ при сверхвысоких давлениях, где традиционные методы менее точны и более сложны в реализации. Суть предложенной методики заключалась в детектировании изменений интерференционных спекл-картин во время проведения нагрева, которые претерпевали существенную модификацию при достижении точки плавления вещества. Интерференционная картина, формируемая в отраженном от поверхности твердого тела свете, остается стабильной в отсутствии любых движений и нагрева поверхности. При нагреве вещества спекл-картина претерпевает плавные изменения, характеризующееся, в первую очередь, изменением расстояния между интерференционными полосами, как это было описано выше. При достижении точки плавления плавные изменения прекращаются, происходит резкое разрушение структуры спекл-картины, как из-за появления новой жидкой фазы, так и из-за исчезновения твердой фазы, характеризующиеся стохастическим изменением положения и числа интерференционных полос, резким изменением в распределении интенсивностей, а также их временной эволюции. Обычно эти изменения поверхности можно наблюдать визуально, как это показано на рисунке 38, взятом из работы [127].
Рисунок 38. Приведены примеры спекл-картин до (с) и после (d) начала плавления твердого аргона. В овалах показаны спекл-картины при использовании интерференционного фильтра (апертурная диафрагма). Отчетливо видно изменение структуры спекл-картины при плавлении. [127].
Спекл-интерферометрия является методом. регистрирующим процессы, происходящие на поверхности и в приповерхностном слое. Как известно, термодинамические величины для приповерхностного слоя отличаются от величин, полученных для объема, так как энергия границ (а значит, и химический потенциал атомов (молекул) в границе) выше, чем в объеме, тем самым граница может перейти в жидкое состояние раньше (то есть при более низкой температуре), чем объем. Кроме того, для кристаллических веществ было обнаружено явление "предплавление" (нелинейная термодинамика), которое приводит к существенному изменению структуры приповерхностного слоя за несколько градусов до равновесной температуры плавления в объеме. В настоящее время намечается рост числа публикаций в связи с бурным развитием нанотехнологий, посвященных обнаружению этого явления для других веществ, характеристике соответствующего этому процессу неравновесного состояния вещества -"квазижидкость" (quasiliquid, disordered state, premelting), хотя до сих пор нет ясного понимания этого процесса и стройного математического аппарата для его описания [133]. Для состояния "квазижидкость" обнаруживается
