Содержание к диссертации
Содержание 2
Введение 6
1. ЛИНЕЙНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ 16
1Л. Эллипсометрия как метод диагностики в биологии и
медицине ] 6
Нелинейная оптика и эллипсометрия 25
Постановка задачи 33
2. ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ ТИЕІА РОГОВИЦЫ ЕЛАЗА 35
Морфология и физиология роговицы 35
Рассеяние излучения форменными элементами роговицы 39
2.2.1. Бесконечный круговой цилиндр как модель
коллагеновых нитей 39
2.2.2. Амплитудная матрица рассеяния 43
2.3. Эллипсометрия как метод диагностики 44
2.3 Л. Теория расчета эллипсометрических параметров
многослойных сред 44
2.3.2. Метод измерения эллипсометрических параметров 49
2.4. Экспериментальное определение оптических параметров
роговицы глаза 53
Пропускание света слоем 63
Эффективная диэлектрическая проницаемость слоя
роговицы 75
Диагностика вируса герпеса методами эллипсометрии 81
Резюме 87
3. ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ ОРЕАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ ТИПА КОЛЛАГЕНА 89
3.1. Строение и биологическое значение органических
соединений типа коллагена. 89
Моделирование оптических параметров органических соединений типа коллагена 93
Расчет эллипсометрических параметров органических соединений на примере желатины 106
Экспериментальное определение пропускательных эллипсометрических параметров органических соединений на
примере желатины 111
3.5. Резюме 114
4. СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ И
ДРУГИХ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 116
4.1. Эллипсометрия и метод нарушенного полного внутреннего 116
отражения
Эллипсометрия и комбинационное рассеяние 120
Нелинейная эллипсометрия при генерации второй гармоники 127
Резюме 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
Приложение 1, Сила вращения аминокислот коллагена 135
Приложение 2. Комбинационное рассеяние света органическими
молекулами типа коллагена 141
Приложение 3. Сила вращения при КР для аминокислот коллагена 159
ЛИТЕРАТУРА 165
4 Список сокращений и обозначений
НПВО нарушенное полное внутреннее отражение
ПГТ поверхностные плазмоны
ИК инфракрасный
КР комбинационное рассеяние
ГКР гигантское комбинационное рассеяние
РКР резонансное комбинационное рассеяние
ВЭС возбужденное электронное состояние
Ё; поле падающей волны
s поле рассеянной волны
Ё напряженность электрического ПОЛЯ
В напряженность магнитного поля
3 электрическая индукция
В магнитная индукция
3 энергетический коэффициент пропускания
5R энергетический коэффициент отражения
\j/ эллипсометрический угол, отвечающий за изменение амплитуды
А эллипсометрический угол, отвечающий за изменение фазы
X длина электромагнитной волны
п действительная часть показателя преломления
к мнимая часть показателя преломления
п эффективны комплексный показатель преломления
Ala аланин
Arg аргинин
Asp аспарагиновая кислота
Glu глутаминовая кислота
Gly глицин
His гистидин
Введение к работе
Актуальность темы
На сегодняшний день современная медицина и биология в большом объеме используют новейшие достижения физики. Методы оптической обработки информации занимают одно из важных мест в развитии медицинской техники и средств для обеспечения медико-биологических исследований. К их числу можно отнести томографические, спектроскопические, голографические и многие другие способы диагностики и изучения биологических объектов.
Исследования сложных органических структур ведутся либо на макроуровне, когда используются методы упругого и квазиупругого рассеяния света, интерферометрии, дифрактометрии и голографии [1-8], либо на микроуровие, когда используются все средства молекулярной, линейной и нелинейной оптики [8,9].
Значительным звеном в изучении органических и биологических объектов также является теоретическое исследование воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) на них [10-12]. Немаловажным моментом здесь является изучение взаимодействия ЭМИ с подобными объектами. В простейшем случае на макроуровне эту проблему можно свести к взаимодействию ЭМИ с комбинациями цилиндров, сфер и эллипсоидов [13-22]. Для более сложных сред требуется решение трудоемкой электродинамической задачи. Такого рода усложнения происходят вследствие того, что традиционные методы исследования для своего развития требуют построения более совершенных моделей тканей, учитывающих неоднородность, рассеяние, оптическую активность и другие их свойства [3-5,7,8,13,16,21,23]. А это, в свою очередь, делает необходимым совершенствовать методы решения обратных задач.
Появление мощного лазерного излучения открыло новые возможности в диагностике и исследовании процессов, проходящих в биотканях, и как
следствие, породило множество вопросов в области нелинейного взаимодействия. Возникла необходимость более подробно исследовать взаимодействие мощного ЭМИ с органическими средами и построение более точных моделей их отклика.
Совершенствование компьютерной техники и теоретического моделирования биологических тканей и процессов потянуло за собой развитие методов измерения (повышением чувствительности, точности и локальности измерений и расширением возможностей их проведения). Па этом фоне широкое распространение получил метод эллипсометрии [24]. Сущность его заключается в исследовании изменения состояния поляризации ЭМИ в результате его отражения или прохождения через изучаемый образец. Препятствием для эллипсометрии долгое время служило сложность и громоздкость математической обработки результатов. Развитие вычислительной техники дало возможность использовать эллипсометрию во многих областях (биология, медицина, химия, электроника и т.д.). Наряду с незначительными трудностями в интерпретации результатов эллипсометрический метод имеет ряд очень важных преимуществ.
Во-первых, очень высокая чувствительность к малейшим изменениям поляризации, что, в свою очередь, дает возможность определять незначительные флуктуации параметров в изучаемом образце. Во-вторых, это неразрушаю щи й и невозмущаю щий характер эллипсометрических измерений, что делает их привлекательными для in situ и in vitro измерений. В-третьих, эллипсометрические измерения могут проводиться при большой вариации температур и давлений. В-четвертых, возможность использования эллипсометрии в сочетании со многими методами линейной и нелинейной оптики.
Подводя итог выше изложенного можно сказать, что среди многих методов диагностики и исследования биологических и органических сред одним из наиболее перспективных является эллиисометрия. Она, в свою очередь, требует развития оптических моделей исследуемых объектов и
8 процессов, отвечающих требованиям более простого решения обратной задачи. Возможность сочетания эллипсометрии и линейной и нелинейной оптики ставит перед нами проблему интерпретации данного эксперимента и открывает широкий потенциал для выявления новых закономерностей и расширения спектра использования эллипсометрии, чем и обусловлена актуальность темы.
Цель диссертационной работы
Построение оптических моделей линейной и нелинейной эллипсометрии многослойных рассеивающих сред типа роговицы глаза для проведения экспресс диагностики такого объекта.
Научная новизна работы
Впервые получены оптические параметры модели роговицы глаза и выделений из пораженной герпесом ткани с учетом затухания (комплексные показатели преломления твердой фазы роговицы, эффективные комплексные показатели преломления для отдельных ее слоев и комплексный показатель преломления выделений из пораженной герпесом ткани).
Впервые получены отражательные эллипсометрические параметры многослойной среды типа роговица глаза для различных концентраций твердой фазы в отдельных ее слоях и для случая поверхностного герпетического поражения.
Впервые рассчитаны пропускательные эллипсометрические параметры \\i и Л с учетом оптического вращения для органического соединения типа коллаген.
Впервые рассчитаны спектры HUB О для случая поверхностного герпетического поражения роговицы при различных концентрациях вируса.
Впервые рассчитаны эллипсометрические параметры для случая нелинейного взаимодействия ЭМИ с органическими соединениями типа коллагена.
9 Достоверность результатов
Достоверность основывается на строгих теоретических моделях взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Достоверность полученных результатов также обусловлена использованием проверенных методов измерения и обработки экспериментальных данных, которые находят согласие с результатами, полученными другими авторами.
Практическая значимость работы
Полученные в диссертации результаты могут:
составить базу для разработки оптических установок экспресс диагностики роговицы глаза и органических объектов;
быть использованы для моделирования линейных и нелинейных оптических характеристик органических соединений типа коллагена, образующего значительную часть других живых тканей.
Основные положения выносимые на защиту
Предложенная оптическая модель роговицы глаза, представляющая собой трехслойную систему с заданными эффективными комплексными показателями преломления, адаптирована для задач эллипсомстрии.
Развит метод І-ШВО для диагностики поверхностных герпетических поражений.
Оптическая модель органических соединений типа коллагена с учетом пространственной дисперсии (в линейном по волновому вектору приближении) для расчетов эллипсометрических параметров \\i и Д.
Предложенная нелинейная эллипсометрическая модель органического соединения типа коллагена позволяет учитывать межмолекулярные взаимодействия в ангармоническом приближении.
10 Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на I международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов1' (Самара. 2001 г.); X международной школе семинаре "Электродинамика и техника СВЧ. КВЧ и оптических частот" (Москва, 2002 г.); VII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград. 2002 г,); VII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2002 г.); международной конференции "Saratov fall meeting" (Саратов, 2003 г.); междисциплинарной (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика...) конференции с международным участием "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека" ("НБИТТ-21") (Петрозаводск, 2003 г.); VIII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2003 г.); II международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2003 г.); IX межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2004 г.); III международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Волгоград, 2004 г.); конференции " Лазеры. Измерения. Информация," (Санкт-Петербург, 2004 г.); конференции "Лазеры для медицины, биологии и экологии" (Санкт-Петербург, 2005 г.); X региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005 г.); конференции "Лазеры для медицины, биологии и экологии" (Санкт-Петербург, 2006 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 работ (2 статьи в рецензируемых журналах, 2 статьи в международных научных сборниках, 13 статей в сборниках тезисов докладов международных и общероссийских конференций и 3 статьи в сборниках тезисов докладов региональных конференций):
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Расчет эллипсометрических параметром неоднородных биологических объектов // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы", I Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Самара. - 2001. т. 2. -134 с.
Щелоков Р. В.. Яцышен В. В. Эллипсометрический метод диагностики биологических объектов // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". I Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов".-Самара.-2001. т. 2. - С. 145 - 136.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Пропускательные поляризационные характеристики роговицы глаза // X Международная школа семинар "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот". Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. - Москва. -2002. т. 10 (X), вып. 2(34).-241 с.
Щелоков Р, В., Яцышен В. В. Эллипсометрический метод в диагностике сред со сложной молекулярной структурой (роговица глаза) // X Международная школа семинар "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот". Электродинамика и техника СВЧ: КВЧ и оптических частот. - Москва. - 2002. т. 10 (X), вып. 2(34). - 246 с.
Щелоков Р. В. Эллипсометрический метод в диагностике роговицы глаза // VII Межвузовская конференция студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области. Физика и математика. - Волгоград. -2002. вып. 4.-С. 41-42.
Щелоков Р. В. Комплекс программ по расчету свойств роговицы глаза // VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тезисы докладов. -Волгоград. -2002. - С. 189-190.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Эллипсометрический метод диагностики состояния роговицы глаза // Материалы междисциплинарной (медицина,
12 биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика...) конференции с международным участием "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека" ("НБИТТ-21"). -Петрозаводск.-2003.-С. 9-Ю.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Определение оптических параметров биологических объектов методами эллипсометрии // Приложение к журналу ''Физика волновых процессов и радиотехнические системы". II Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Самара. - 2003. - 381 с.
Щелоков Р. В,, Яцышен В. В. Расчет дисперсионных и спектральных характеристик поверхностных плазмонов для неоднородного анизотропного слоя // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". III Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Волгоград. - 2004. - 133 с.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. КР-спектры органических соединений // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". III Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Волгоград. - 2004. - 412 с.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Метод НПВО в диагностике биологических и органических объектов // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". III Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Волгоград. - 2004. -427 с.
Schelokov R. V., Yatsishen V. V. Diagnostics of virus diseases of a cornea by ellipsometry methods//Proceedings of SPIE. -2004. vol. 5474. -P. 312-320.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. НЇЇВО спектры на границе со смесью, содержащей органические вещества // Лазеры. Измерения. Информация. Тезисы докладов конференции. - Санкт-Петербург. - 2004. - 35 с.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Определение оптических параметров роговицы глаза методами эллипсометрии // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2004. т. 7. № 3. - С. 75-79.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Оптическая поляризационная диагностика вируса герпеса // Вестник Волгоградского государственного университета. Исследования молодых ученых. - 2003-2004. сер. 9. вып. З.ч. 2,-С. 61-66.
Щелоков Р. В., Яцышеи В. В. Расчет интенсивности резонансного комбинационного рассеяния света органическими молекулами // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. -Санкт-Петербург. - 2005. - С. 37-38.
Schelokov R. V., Yatsishen V. V. ATR spectra on boundary with mixture containing organic substances II Proceedings of SPIE. - 2005. vol. 5447. - P. 125-133.
Щелоков P. В., Яцышен В. В. Влияние поперечных сшивок коллагена на форму их спектров поглощения // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. - Санкт-Петербург. - 2006. -С. 22-23.
Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Экспериментальное определение эллипсометрических параметров денатурированного коллагена // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. -Санкт-Петербург. - 2006. - С. 23-24.
Щелоков Р. В. Экспериментальная установка по измерению эллипсометрических параметров биологических объектов // X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тезисы докладов. - Волгоград. - 2006. - С. 245-246.
14 Личный вклад
Постановка задач осуществлялась научным руководителем профессором, д.т.н. Яцышеным В. В. Личный вклад диссертанта: вывод аналитических решений, составление компьютерных программ и численный расчет, а также самостоятельная постановка экспериментов, разработка и изготовление экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка и интерпретация результатов. Анализ и обсуждение результатов выполнены совместно с научным руководителем.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 3 приложений и списка литературы из 115 наименований. Общий объем диссертации составляет 177 страниц текста, включая приложения, иллюстрирована 129 рисунками.
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, ее новизна и практическая значимость, сформулирована цель работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава диссертации носит обзорный характер.
В первой части главы анализируются работы по решению прямых и обратных задач эллипсометрии, представлена историческая ремарка ее развития как метода исследования в биомедицине.
Во второй части рассматриваются работы по комбинационному рассеянию, по генерации второй гармоники и по совместному использованию эллипсометрии и этих методов.
Вторая глава построена следующим образом.
В первой части рассматриваются морфологическое и физиологическое строение роговицы, основные ее параметры.
Во второй части рассматривается рассеяние на бесконечном цилиндре, так как основным структурным элементом являются коллагеновые волокна, имеющие вытянутую нитевидную форму и расположенные в базовом веществе.
В третьей части рассматривается теория эллипсометрии, методы расчета и экспериментального определения ее параметров. В четвертой части
рассмотрено экспериментальное определение эффективного комплексиого показателя отдельных слоев роговицы.
В пятой части рассмотрены отражательные эллипсометрические зависимости при различных изменениях роговицы.
В последней части данной главы рассмотрен случай герпетического поражения роговицы глаза.
Третья глава построена следующим образом.
В первой части рассматривается белки типа коллагена (структура, аминокислотный состав и биологическое значение).
Вторая часть посвящена моделированию их оптических параметров, где рассмотрены линейные восприимчивости, поглощение и оптическая активность.
В третьей части с использованием этой модели произведен численный расчет эллипсометрических параметров.
В четвертой рассмотрен эксперимент по определению эллипсометрических параметров.
Четвертая глава посвящена совместному использованию эллипсометрии и других оптических методов диагностики и построена следующим образом.
В первой часта рассматривается совместное использование эллипсометрии и НПВО.
Во второй части рассматривается эллипсометрия комбинационного рассеяния на примере органического соединения типа коллагена.
В третьей части рассматривается нелинейные оптические параметры органического соединения типа коллагена, а на основе этого эллипсометрия для случая генерации второй гармоники.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
