Принципи лазерної діагностики

Лекція 3

Як уже відзначалося, методи лазерної діагностики діляться на мікродіагностичні (на рівні атомів і молекул) і макродіагностичні (на рівні клітин і органів). Мікродіагностика використовує всі засоби лінійної і нелінійної лазерної спектроскопії, а макродіагностика - методи пружного і квазіпружного розсіювання, інтерферометрію і голографію.

Лазерна спектроскопія виявляється особливо ефективною при дослідженні забруднень навколишнього середовища (флори і фауни, харчових продуктів і ін.) токсичними і патогенними речовинами. Навіть порівняно простий флюоресцентний аналіз у комбінації з хроматографією при використанні лазерів виявляється дуже чутливим. Лазерно– флюоресцентна спектроскопія з застосуванням сенсибілізаторів патологічних тканин, наприклад похідних гематопорфірину, виявляється дуже ефективною при ранній діагностиці ракових і інших захворювань [3].

Оптико-акустична спектроскопія має свої особливі переваги при дослідженні біологічних об'єктів, головна з який полягає в малому впливі розсіювання на результати вимірювання спектрів поглинання, що дуже важливо для неоднорідних за структурою біологічних середовищ. Лазерне збудження забезпечує і тут високу спектральну роздільність, локальність аналізу, можливість використання волоконної техніки.

Жорстке фокусування потужних лазерних пучків використовується в цілому ряді методик, що реалізують мікроспектральний аналіз біологічних об'єктів.

Існують і методи мікроспектрального аналізу, що не руйнують біооб'єктів, наприклад, лазерна мікрофлюорометрія окремих живих клітин або органел. Просторова і часова роздільність методу складає, відповідно, 0.3 мкм і 0,2 нс.

Лазерні імпульси пікосекундної і субпікосекундної тривалості знайшли найширше застосування для вивчення первинних процесів фотосинтезу, зору і біохімічних реакцій за участю гемоглобіну, ДНК і інших біологічно важливих молекул. Ультрашвидкі процеси є характерними для біології, причому для одного і того ж об'єкта часи фотофізичних і фотохімічних процесів можуть займати дуже широкий діапазон, наприклад, для гемоглобіну 10^-5-10^-15 с. Дослідження цих процесів потребують застосування імпульсних лазерів і нових методик спектроскопії, включаючи спектроскопію комбінаційного розсіювання (КР) у наносекундному і пікосекундному діапазонах, швидкодіючі абсорбційні методи в часовому масштабі від наносекунд до фемтосекунд і пікосекундну флюоресцентну спектроскопії.

Одержав розвиток і такий напрямок у діагностиці, як дистанційне лазерне зондування біологічних об'єктів (фітопланктону і нафтових забруднень водяних середовищ, біологічно активних домішок в атмосфері, наземної рослинності й інi.), засноване на КР і флуоресцентній спектроскопії [3].

У основі біомедичної макродіагностики лежить використання високої монохроматичності і когерентності лазерного випромінювання, що дозволяє вимірювати положення, швидкість, малі переміщення і форму різноманітних компонентів біологічних об'єктів. Зауважимо, що більшість із перерахованих нижче прикладів у принципі не можуть бути реалізовані за допомогою теплових джерел світла.

Голографія і інтерферометрія є потужними засобами діагностики взагалі і біомедичної зокрема. Голографічні методи дозволяють одержувати тривимірні зображення біооб'єктів, контури цих об'єктів можуть бути картовані, а їх деформації проаналізовані в реальному масштабі часу. Ці нові можливості можуть вплинути на розвиток багатьох розділів медицини: ортопедію, радіологію, офтальмологію, урологію й отологію. Великі потенційні можливості в цьому сенсі має класична інтерферометрія при використанні лазерних джерел (наприклад, при створенні ретинометрів - пристроїв для визначення ретинальної гостроти зору), а також спекл - інтерферометрія (наприклад, для визначення структури і шорсткості деяких біотканин).

Пружне розсіювання при використанні лазерних джерел світла в сполученні з повним аналізом поляризаційних характеристик індикатриси розсіювання дозволяє ефективно вивчати поглинальні, слабко анізотропні двокомпонентні біотканини, наприклад тканини ока. Пружне світлорозсіювання виявляється також ефективним у ряді задач імунології, вірусології і гематології. Застосування лазерів у цих дослідженнях дозволяє істотно спростити вимірювання і підвищити їх надійність [3].