Способ измерения интенсивности люминесценции в объеме среды, преимущественно биологических объектов

 

Использование: в медицинской технике при исследовании внутренних полостей организма или мутных сред. Сущность изобретения: для повышения чувствительности измерений используется боковая поверхность световода для приема излучения люминесценции среды. При этом проводят преобразование излучения люминесценции с помощью добавок, введенных в сердцевину световода со смещением спектра в длинноволновую сторону. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к люминесцентной эндоскопии, и может быть использовано для исследования внутренних полостей организма, различных биологических объектов или объемных мутных сред, в частности для диагностики опухолевых заболеваний в организме человека.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения интенсивности люминесценции объемной среды, включающий сбор чувствительной поверхностью световода части излучения люминесценции среды, передачу полученного сигнала по световоду к фотоприемнику, изменение выходного сигнала и оценку интенсивности люминесценции среды.

Однако недостатки аналога, обусловленные использованием в качестве чувствительной поверхности торцевой поверхности световода, хотя и в меньшей степени, но также свойственны прототипу.

Целью изобретения является повышение чувствительности, а также повышение точности и эффективности при исследовании мутных или неоднородных сред.

С этой целью в известном способе определения интенсивности люминесценции объемной среды в качестве чувствительной поверхности дополнительно используют боковую поверхность световода, находящуюся в оптическом контакте с излучающей средой, при сборе чувствительной поверхностью световода излучения люминесценции среды его преобразуют в излучение люминесцирующих добавок материала части световода, ограниченной его чувствительной поверхностью, при этом смещают спектральный максимум собранного излучения в сторону более длинных волн. При оценке интенсивности люминесценции учитывают ослабление в световоде преобразованного излучения.

С целью повышения точности и эффективности при исследовании мутных или неоднородных сред создают оптический контакт чувствительной поверхности световода со всей исследуемой средой. С целью повышения точности и чувствительности формируют такие связанные между собой фрагменты объема исследуемой среды, участки которых максимально удалены от соответствующих участков чувствительной поверхности световода, с которыми они находятся в оптическом контакте на расстоянии, не превышающем величины, на которой экспоненциальный коэффициент, учитывающий поглощающие свойства среды, был бы меньше 0,7.

С целью повышения чувствительности и точности при исследовании крахмала, в качестве материала световода, обеспечивающего преобразование излучения люминесценции крахмала в сигнал, распространяющийся по световоду, используют кумарин и предварительно облучают объем с крахмалом ультрафиолетовым излучением длиной волны, равной 320 - 380 нм.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в сердцевину части световода, которая размещается внутри исследуемой полости, вводят люминесцирующие добавки. В этом случае по световоду может быть передано не только излучение люминесценции, ограниченное аппертурой торца световода, но и то излучение, которое попадает на боковую поверхность оболочки световода. Излучение люминесценции проходит через прозрачную оболочку световода и попадает в сердцевину волокна, содержащую люминесцирующие добавки. Добавки преобразуют (изотопно переизлучают) свет люминесценции среды в излучение фотолюминесценции, спектральный максимум которого смещен относительно спектра излучения люминесценции среды относительно спектра излучения люминесценции среды в сторону более длинных волн, при этом обеспечивается "захват" части преобразованного излучения сердцевиной световода за счет полного внутреннего отражения на границе сердцевина-оболочка. Эта часть преобразованного излучения попадает либо непосредственно на фотоприемник, либо на световод без люминесцирующих добавок, находящийся в оптическом контакте с фотоприемником.

Предлагаемый способ определения интенсивности люминесценции обладает значительно большей чувствительностью, чем прототип, так как позволяет резко увеличить площадь чувствительной поверхности, захватывающей излучение люминесценции. Помимо этого, он эффективен при определении интенсивности люминесценции мутных и малопрозрачных жидкостей, так как позволяет осуществлять светосбор из всего исследуемого объема жидкости. В этом случае геометрия переизлучающей части световода выбирается такой, что исследуемый объем рассекается частями световода, выполненного например в виде "метелки", на фрагменты, каждый из которых находится в оптическом контакте с тем или иным участком чувствительной поверхности световода. Степень разветвления "метелки" зависит от светопоглощающих свойств мутной или неоднородной жидкости. Возможны другие пространственные конфигурации переизлучающей части световода.

Как показали экспериментальные данные оптимальным является такое "разбиение" исследуемого объема на фрагменты, когда каждый из максимально удаленных участков этих фрагментов находится от соответствующей чувствительной поверхности на расстоянии, на котором экспоненциальный множитель, учитывающий поглощение свойства среды, не превышал бы 0,7.

Оценивают выигрыш в чувствительности, обеспечиваемый предлагаемым способом по сравнению с прототипом, если используется пространственная структура в виде "метелки" из N волокон диаметром d. Общая площадь торцов оптоволокон в прототипе составит S₁= N. . Так как апертурный угол волокна Θ<π, то эффективная площадь захвата света будет: S= κ·N, где X= = ; Θ - апертурный угол волокна; n_к, n_o, n_c - показатели преломления материалов керна волокна, оболочки и окружающей среды, соответственно.

В предлагаемом способе эффективная площадь захвата света S_2эффсовпадает с площадью боковой поверхности S₂, так как апертурный угол равен π радиан, поэтому S_2ээф = N ˙ π ˙ d ˙ h, где h - глубина погружения волокон в жидкость.

Таким образом, выигрыш в эффективной площади захвата света составляет G= = = (1) Пусть коэффициент преобразования света люминесценции в свет фотолюминесценции добавок в волокне с люминесцирующими добавками К_пр, коэффициент затухания света в волокне с добавками К_з^л, коэффициент затухания света в обычном волокне К_з^о, тогда выигрыш в чувствительности, обеспечиваемый предлагаемым способом при одинаковой длине световодов в данном способе и прототипе, будет G= = (2) Оценим, например, выигрыш в чувствительности, обеспечиваемый предлагаемым способом при использовании полимерного волокна с люминесцирующими добавками кумарина-6 в керне.

Для волокна с керном из полистирола и оболочкой из фторзамещенного полиметилметакрилата характерны следующие значения величин, входящих в формулу (2): К_пр≈ ≈0,08; К^л_з ≈ 2,5 1/м; d = 0,01 - 0,06 см.

Если в прототипе использовать многомодовое волокно с керном из тяжелых флинтов и полимерной оболочкой из полиметилметакрилата, то К_з^о≈1,002 1/м (≈10 дБ/км); n_к = 1,75; n_o = 1,42.

Выбирают для остальных величин, входящих в формулы (2), (3) следующие значения: h = 1 см = 10^-2 м; d = 0,05 см = 5 ˙ 10^-4 м; n_c= 1,33 (вода).

Вычисляют коэффициенты Х по формуле (3): X= arcsin 0,279. По формуле (2) находят выигрыш в чувствительности: G= ≈ 9,2.

Таким образом, в рассмотренном примере предлагаемого способа обеспечено повышение чувствительности практически на порядок.

П р и м е р. В качестве исследуемого объема использовалась кювета диаметром 10 мм и высотой 15 мм, наполненная коллоидным раствором крахмала. Кювета облучалась модулированным с частотой 100 Гц ультрафиолетовым излучением с λ = 320 - 380 нм через дно. УФ-излучение возбуждало люминесценцию раствора с λ = 450 нм, излучение которой регистрировалось фотоприемником через светофильтр, отрезающий возбуждающее УФ-излучение, непосредственно с верхнего торца кюветы. В качестве альтернативной постановки был использован предлагаемый способ, в котором применялись полимерные оптоволокна диаметром 0,6 мм, разнесенные друг от друга на расстояние 1 мм, противоположные концы которых, сведенные в жгут, находились в оптическом контакте с ФЭУ. В качестве люминофора, внесенного в сердцевину оптоволокон, подбирался такой люминофор, который возбуждался бы люминесценцией крахмала, но не возбуждался бы первичным УФ-излучением. В данном случае использовался кумарин-6. Оптоволокна вводились в коллоидный раствор на глубину 15 мм. Равенство выходных сигналов ФЭУ наблюдалось при количестве оптоволокон равном 42, что находится в хорошем согласии с численными оценками.

Данный способ распространяется на проведение экспресс-анализа в реальном масштабе времени в медицине, биологии, технологии пищевых и непищевых продуктов и материалов. (56) Авторское свидетельство СССР N 891062, кл. A 61 B 1/00, 1983.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В ОБЪЕМЕ СРЕДЫ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, включающий облучение среды возбуждающим люминесценцию излучением, прием торцом световода излучения люминесценции, передачу принятого излучения к фотоприемнику и оценку интенсивности люминесценции по уровню выходного сигнала фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности измерений, дополнительно для приема излучения люминесценции используют боковую поверхность световода, находящуюся в контакте со средой, при этом преобразуют излучение люминесценции среды в излучение со спектром, смещенным в длинноволновую область с помощью люминесцирующих добавок, введенных в сердцевину световода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при исследовании мутных сред, для приема излучения люминесценции используют дополнительные световоды, при этом предварительно формируют фрагменты объема среды, в каждом из которых размещают световод, причем границы фрагментов определяют из условия, чтобы экспоненциальный коэффициент, учитывающий поглощение излучения люминесценции среды, не превышал 0,7 на расстоянии от поверхности световода до этой границы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при исследовании коллоидного раствора крахмала, облучение проводят модулированным во времени излучением с длиной волны в диапазоне 320 - 380 нм, при этом в качестве люминесцирующей добавки в сердцевину световода вводят краситель кумарин-6.