Молекулярное рассеяние света является важнейшим методом исследования вещества, и, прежде всего, исследованием его акустических и фотоупругих свойств. Интенсивность молекулярного рассеяния света на
несколько порядков меньше интенсивности падающего на объект исследования света. Поэтому для этих исследований необходимы чувствительные приемники излучения и достаточно интенсивные источники
излучения.
С появлением лазеров-источников мощного монохроматического излучения оптического диапазона длин волн- метод молекулярного (рассеяние света на акустических волнах, возбуждаемых в исследуемых объектах теплом
окружающей среды, принято называть Мандельштам-Бриллюэновским рассеянием света) рассеяния света широко применяется в экспериментальной физике.
Применительно к исследованию жидких сред обычно в спектрах рассеянного света наблюдают центральную (несмещенную компоненту рассеянного света), обусловленную Релеевским рассеянием света на энтропийных (температурных) флуктуациях рассеивающей среды, а также наблюдают симметрично расположенные относительно несмещенной компоненты две смещенные компоненты - стоксовую и антистоксовую (компоненты Мандельштама-Бриллюэна), обусловленные рассеянием света на адиабатических флуктуациях исследуемой среды.
Для целей исследования объектов биологической природы требуются спектрометры с аппаратной функцией не более нескольких десятков мегагерц. Аппаратная функция оптических спектрометров, применяемых для наблюдения спектров молекулярного рассеяния, в лучшем случае составляет порядка нескольких сотен мегагерц. Поэтому для биологических объектов разрабатываются электронные спектрометры, имеющие ширину аппаратной функции нескольких десятков и даже единиц герц.
Для этого используется техника фотоэлектрического смешения с применением фотоумножителя. Поскольку фотоумножители реагируют на квадрат напряженности электрического поля падающего на него света,
фототок содержит частотные компоненты, являющимися линейными комбинациями частот, присутствующих в свете. То есть, каждая частотная компонента светового поля испытывает биения с каждой другой частотной
компонентой, и фототок содержит все частоты биений в полосе пропускания фотоумножителя (обычно до нескольких гигагерц).
Форрестор показал, что в таком устройстве возникает спектр частот Sc(Ω) имеющий следующую связь со спектром E (ω) поля падающего излучения:
Sc(Ω)= ∫ E (ω)х E* (ω- Ω)d ω
Заметим¸ что частотный спектр фототока не зависит от частоты лазера. Следовательно, рассеяние от возбуждений с низкой частотой Ω может наблюдаться с использованием многомодового лазера, так как компоненты
внутри каждой моды испытывают биения только сами с собой. Условием применения многомодовых лазеров является соотношение:
Ω« с/2L
где с - скорость света, L- длина резонатора лазера. Если световое поле E (ω) описывается Лоренцевой формой линии излучения с шириной γ, то спектр фототока Sc(Ω) описывается кривой Лоренцевой формы с шириной 2 γ.
Приведена анимированная схема http://bez-tabletok.ru/physical/ разработанного нами электронного спектрометра для исследования ширины линии релеевского рассеяния света в жидких средах, и в частности, в жидких средах с биологическими включениями.
Схема работает следующим образом:
Излучение из лазера 1 проходит светоделительный куб, попадает в кювету с исследуемой биологической жидкостью и затем поглощается в роге Вуда. Излучение от лазера 2 поворотной призмой направляется в
светоделительный куб. Одна часть этого излучения, прошедшая светоделительный куб, поглощается в роге Вуда, а вторая часть (отраженная кубом) поступает в исследуемую жидкость и затем поглощается в роге Вуда.
Результат взаимодействия излучения лазера 1 и лазера 2 на поверхности катода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) может наблюдаться в виде биений на анализаторе спектра.
Питание ФЭУ осуществляется стабилизированным высоковольтным блоком. Для настройки и проверки
работы ФЭУ использован светодиод, укрепленный вблизи катода ФЭУ. Питание на светодиод подается с генератора импульсов, который включается на время настройки ФЭУ. Выход с ФЭУ подключен к осциллографу.
После настройки ФЭУ генератор отключается, после настройки анализатора лазер 2 также отключается, и на фотокатод ФЭУ с помощью объектива L подается только свет лазера 1, рассеянный кюветой с исследуемой жидкостью. Спектр частот биений Sc(Ω), описывающих форму линии Релеевского рассеяния света, наблюдается на анализаторе и записывается на самописце.
Таким образом можно исследовать спектры Релеевского рассеяния света в жидких средах, в том числе биологических объектов. Данное устройство целесообразно использовать при комплексных исследованиях биологических объектов с применением спектрометров на поверхностных электромагнитных волнах (ПЭВ).
На случай исследования спектров слабопоглощающих жидких сред, например растворов биологических объектов на стенку кюветы с жидкой средой, противоположную объективу L жестко закрепляется микрофонный
датчик, который улавливает акустические колебания жидкой среды. Кроме того, устанавливается высокочувствительная антенна, связанная через усилитель со сканирующим радиоприемником.
В качестве лазера 1 в этом случае применяется перестраиваемый по частоте лазер на красителях. Если частота лазера совпадает с частотой линии поглощения, то в месте нахождения луча в жидкости возникает локальный нагрев. Этот локальный нагрев путем амплитудной модуляции лазерного луча, например с помощью модулятора, превращается в акустическую волну, которая достигает стенки кюветы и регистрируется микро- микрофоном.
Записывая интенсивность звукового сигнала как функцию частоты лазерного излучения мы можем записать спектр поглощения лазерного излучения исследуемой жидкости. Одновременно сканирующий приемник фиксирует ЭМИ радиодиапазона. При этом параметры лазера соотносятся со спектром поглощения (рассеивания,
флюоресценции) конкретной биологической жидкости (клеточной культуры, крови, спермы).
Кроме того, данную схему можно применить для исследования гигантского комбинационного рассеяния в тонких пленках, применяя разновидность спектрометра поверхностных электромагнитных волн. В этом случае луч лазера в обход кюветы с жидкостью направляется на бипризму, состоящую из двух усеченных призм, соединенных большими основаниями друг с другом с зазором. Величина зазора d<λ/2 (λ-длина волны лазерного
излучения). На большее основание одной усеченной призмы наносится пленка благородного металла (золота). Поверх этой пленки наносится тонкий слой исследуемого вещества.
Падающий под углом полного внутреннего отражения на поверхность призмы луч лазера проникает в зазор и возбуждает в металлической пленке поверхностную электромагнитную волну. Эта волна взаимодействует с
оптическими фононами пленки исследуемого вещества и в виде гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света выходит в зазор между призмами. Свет комбинационного рассеяния наблюдается через наружную поверхность призмы. С бипризмы свет ГКР фокусируется на щель спектрофотометра.
В отличие от других методов оптической спектроскопии, метод спектроскопии ГКР дает возможность изучить состояния отдельных групп атомов, находящихся на поверхности биологических макромолекул и надмолекулярных комплексов. Это очень важная информация, поскольку огромное число биохимических процессов в клетке протекает именно на поверхности границ раздела фаз.
Для исследований мембранных процессов биологических макромолекул методом ГКР разработаны так называемые электрохимические ячейки, которые позволяют контролировать состояния групп атомов биомолекул, меняющих свои окислительно-восстановительные свойства в процессе функционирования.
Имеется также возможность фиксировать электро - фотохимические превращения некоторых биомолекул, адсорбированных на поверхностях электродов или гидрозолей, что позволяет изучить отдельные стадии функционирования таких биологических соединений в стационарных условиях.
Особенностью разработанного нами устройства является возможность (Блок кратко показан на схеме, но не описан, охраняется Патентом РФ) применения данного устройства в практической медицине (через кожное и
внутривенное облучение крови) и для исследовательской работы в биологии по перепрограммированию стволовых и соматических клеток с помощью промодулированного лазерного излучения.
Для модуляции лазерного излучения используются оптические колебательные и радиоизлучательные процессы облученных клеток доноров здоровых организмов (в том числе близких родственников)
подобранных по HLA и KIR системам. Это принципиальное отличие данного устройства от всех используемых в настоящее время с лечебной или исследовательсткой целью систем.
Информация об оптических колебательных и поглощательных способностях клеток через программируемый широкополосный акустооптический анализатор спектральных составляющих поступает в компьютер. В компьютер также поступает информация о радиоизлучательных свойствах клеток, облученных лазером.
В компьютере эти данные сравниваются с аналогичными данными пациента и принимается решение о дозе облучения, амплитуде и спектре модуляции лазерного излучения, направляемого для лечения пациента.
В настоящее время получены обнадеживающие результаты применения данной технологии при лечении некоторых аутоиммунных заболеваний, сахарного диабета 1 типа и некоторых ревматоидных заболеваний.