Введение к работе
Актуальность темы. В исследованиях дисперсных систем различной природы широко используются методы, основанные на эффекте рассеяния света малыми частицами. Для биологических систем решающее значение имеет тот факт, что эти методы позволяют получать информацию о размере, концентрации, форме частиц и т.д. без серьезного препаративного вмешательства в систему. В этом состоит основное преимущество метода светорассеяния перед другими традиционными методами анализа, например, световой и электронной микроскопией (ЭМ).
В обычных условиях ориентация частиц дисперсных систем хаотична, поэтому измеряемые характеристики рассеянного света являются усредненными по всем ориентациям. С точки зрения обратных задач светорассеяния подобные системы в той или иной мере аналогичны суспензиям сферических частиц, определение эквивалентных параметров которых является целью анализа. При такой постановке проблемы форма частиц является фактором, усложняющим решение обратной задачи в терминах сферической модели. Однако ориентация, созданная внешним полем, приводит к возникновению специфических оптических эффектов и создает новые возможности в анализе дисперсных систем. Например, двойное лучепреломление (ДЛП) или дихроизм зависят от размера и формы частиц. Относительно легко измеряемым эффектом является изменение прозрачности, индуцированное внешним полем. Кроме определения геометрических и оптических параметров частиц, для упорядоченных систем появляется новый тип обратных задач - определение параметров взаимодействия частиц с ориентирующим полем. В частности, электрооптический эффект успешно применяется в физической химии коллоидов [Stoylov, 1991], биофизике микробных популяций [Мирошников и др., 1986], клинической иммунодиагностике [Сирота, 1978]. Однако интерпретационные модели, лежащие в основе этих методик, часто основаны на упрощенной трактовке рассеяния и ослабления света упорядоченными частицами дисперсных систем (приближения Релея и Релея-Дебая-Ганса (РДГ))- Таким образом, дальнейший прогресс в развитии теории и практики электрооптических методов во многом зависит от разработки и экспериментальной проверки более адекватных моделей оптического взаимодействия упорядоченных частиц с зондирующим световым излучением.
Среди разнообразных вариантов метода светорассеяния в неупорядоченных и ориентированных системах мы рассматриваем только вариант, основанный на измерении спектра прошедшего света. В первую очередь, выбор этого варианта метода связан с доступностью аппаратуры для большинства биологических и биофизических лабораторий. Это означает, что те или иные методики, отработанные в рамках научного исследования, имеют определенную перспективу реального практического использования.
Цель работы. Основное содержание диссертационной работы относится к исследованию спектральной прозрачности упорядоченных биологических дисперсных систем. Вместе с тем, целый ряд методических проблем, рассматриваемых в данной работе, тесно связан с известным методом исследования неупорядоченных взвесей - методом спектра мутности [Heller et al., 1964; Кленин и др., 1977]. В частности, это относится к учету малоугловых эффектов при измерении спектральной прозрачности грубодисперсных систем, оценке эффектов спектральной зависимости оптических констант частиц и дисперсионной среды, спектротурбидиметрии (СТ) дрожжевых суспензий, разработке строгой оптической модели для золей золота и их конъюгатов со специфическими биомакромолекулами. Таким образом, в диссертации решались следующие задачи:
1. Разработка программного обеспечения для описания эффектов дихроизма,
ДЛП и ориентационного турбидиметрического эффекта (ОТЭ) в суспензиях
изотропных и анизотропных частиц с использованием:
а) метода интегрального уравнения (IEM) для тензора рассеяния
б) приближений аномальной дифракции (АД) и РДГ
в) анизотропного варианта приближения АД.
-
Разработка пакета программного обеспечения для строгого расчета характеристик рассеяния сфероидов на основе метода Г-матриц.
-
Расчет ориентационных эффектов с использованием строгого Г-матричного подхода.
-
Разработка и испытание приставки к спектрофотометру "Specord М-40" для корректных измерений оптической плотности взвесей крупных частиц.
-
Экспериментальная проверка методики спектротурбидиметрического анализа (СТ-анализа) дрожжевых суспензий.
-
Экспериментальная проверка полидисперсного варианта метода спектра мутности с учетом спектральной зависимости оптических констант.
-
Экспериментальное исследование дихроизма и ОТЭ бактериальных и дрожжевых взвесей. Сравнение спектральных и полевых зависимостей ориентационных эффектов с данными теоретического анализа.
-
Компьютерное моделирование спектров ослабления коллоидного золота (метод Г-матриц) и сравнение с экспериментом в области размеров частиц 5-40 нм.
Научная новизна работы состоит в том, что с помощью численного моделирования исследована зависимость ориентационных оптических эффектов от геометрических и оптических параметров частиц и параметров их взаимодействия с ориентирующим полем. Показано, что полевые зависимости стационарных эффектов и релаксационные временные зависимости переходных эффектов в общем случае не совпадают с универсальными зависимостями релеевского приближения и могут быть использованы для решения обратных задач только на основе тщательного анализа оптических факторов.
Экспериментально доказана применимость приближения оптически мягких частиц для описания спектральной зависимости и зависимости от напряженности электрического поля ОТЭ и дихроизма в бактериальных и дрожжевых суспензиях.
Экспериментально доказана достоверность методики СТ-анализа дрожжевых суспензий (включая определение среднего размера, показателя полидисперсности и показателя преломления клеток) и варианта решения обратной задачи метода спектра мутности с учетом спектральной зависимости оптических констант и полидисперсности частиц.
Численным моделированием на основе метода Г-матриц найдена теоретическая модель для количественного описания экспериментальных спектров ослабления золей золота (5 - 40 нм) с учетом полидисперсности и полиморфности частиц, а также зависимости оптических констант от размеров частиц в нанометровом диапазоне.
Практическая значимость. Разработанная приставка для СТ-исследований к спектрофотометру "Specord М-40" используется несколькими лабораториями ИБФРМ РАН при СТ-анализах микробных взвесей. Элементы программного обеспечения для расчета ориентационных оптических эффектов включены в разработку электрооптического спектротурбидиметра, выполняемую в рамках международного научно-технического проекта "EOST", финансируемого Министерством науки РФ. СТ-методика исследования дрожжевых суспензий использована при
5 разработке эффективных флоккулянтов для биотехнологии этих культур [Курмае-ва и др., 1989]. Пакет программного обеспечения, реализующий метод Г-матриц, использован при выполнении госзаказа Мин. науки РФ по разработке биоспецифических маркеров на основе конъюгатов коллоидного золота, а также для интерпретации экспериментов по деполяризации света, рассеянного фрактальными дымовыми кластерами сажи [Lu, Sorensen, 1994].
Достоверность результатов. Достоверность основных результатов теоретических расчетов подтверждена экспериментальными проверками для биологических дисперсных систем и совпадением с известными теоретическими результатами для предельных случаев.
На защиту выносятся следующие основные научные положения и результаты:
-
Программное обеспечение для расчета ориентационных оптических эффектов дисперсных систем, позволяющего адекватно описывать основные оптические эффекты в прошедшем свете для бактериальных и дрожжевых суспензий.
-
Пакет программного обеспечения с модульной структурой для метода Г-матриц и его адаптация к различным задачам оптики ориентированных и неупорядоченных дисперсных систем.
-
Модификация кюветного отделения спектрофотометра "Specord М-40", позволяющая корректно измерять спектральную прозрачность дисперсных систем с размером частиц до 5 - 6 мкм.
-
Результаты экспериментальной проверки методик СТ-анализа дрожжевых суспензий (включая определение их показателя преломления) и латексов (с учетом спектральной дисперсии оптических констант).
-
Теоретическая модель, включающая полидисперсность и полиморфность частиц, а также размерную зависимость оптических констант и строгий расчет по методу Г-матриц, позволяющей дать количественное описание спектров ослабления коллоидного золота в диапазоне размеров частиц 5-40 нм.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции "Биофизика микробных популяций" - Красноярск, 1987; Га Всесоюзной конференции "Теория и практика электрооптических исследований коллоидных систем" - Велигож, 1990; 20"lh Meeting of the FEBS - Budapest (Hungary), 1990; VI International Symposium "Colloid and Molecular Electrooptics" - Varna (Bulgaria), 1991; International Symposium on Biomedical Optics "EUROPE'93" - Budapest (Hungary), 1993; а также на отчетных научных конференциях ИБФРМ РАН.
Исследования по теме диссертации были частично поддержаны Государственной научной стипендией для молодых ученых России, а также Министерством науки и технической политики РФ, Российским фондом фундаментальных исследований (код проекта 94-03-09286) и Международным научным фондом Дж. Сороса (номер гранта RNRO0O).
Публикации. Соискатель является соавтором 23 статей и одного изобретения, опубликованных в отечественной и зарубежной печати в процессе выполнения диссертации.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 173 страницах, списка цитируемой литературы из 270 наименований на 25 страницах и приложения на 25 страницах, включает 5 таблиц и иллюстрирована 76 рисунками.
