Лазерная диагностика сильнорассеивающих сред и изменение их оптических свойств путем имплантации наночастиц, страница 5

12 (a), что ведет кслабому взаимодействию между частицами и фотонами. В противоположностькривой ослабления для 310-нм, большие частицы (более 100 нм в диаметре)поглощают 400-нм излучение более интенсивно, чем малые (рис. 13 (а)).λ = 310 нмλ = 400 нм403530252015105050100150200Суммарное отражение, %Поглощение (часть с TiO2), %10459λ = 310 нмλ = 400 нм8765450100150Диаметр частиц TiO2 (d), нмДиаметр частиц TiO2 (d), нм(а)(б)200Рис. 13. Зависимость поглощения (а) внутри верхней части рогового слоя (с частицами TiO2) исуммарного отражения (б) для падающего излучения с длинами волн 310 (■) и 400 нм (□) отдиаметра частиц. Объемная концентрация частиц TiO2 составляет 1%.На рис. 13 (б) показана зависимость излучения, суммарно отраженного (зеркальнои диффузно в заднее полупространство) от всего рогового слоя, частичнозаполненного частицами TiO2, от диаметра частиц.

Детектирование происходитна поверхности образца. Отражение 310-нм излучения довольно слабое и непревосходит 6.5% даже для самых отражающих частиц диаметром 70 нм. Такойразмер соответствует максимуму кривой рассеяния на рис. 12 (a), хотя 62-нмчастицы (соответствующие максимуму кривой ослабления) лишь чуть менееотражающие. Частицы диаметром 100 нм и более отражают 310-нм излучениепочти на одном уровне, т.к. кривая рассеяния на рис. 12 (a) не является крутойпри таких размерах и умеренно спадает.

Картина радикально меняется, еслирассматривается кривая, соответствующая 400-нм излучению (рис. 13 (б), верхняякривая). При размере 130 нм существует отчетливый максимум, который, однако,не совпадает ни с первым (при 122 нм), ни со вторым (при 170 нм) максимумамикривой ослабления (рассеяния) на рис. 12 (a). Это положение обусловленоповедением кривых как ослабления (рис. 12 (a)), так и фактора анизотропии (рис.12 (б)).

Интенсивное рассеяние (максимум около размера 122 нм), соединенное сумеренным значением фактора анизотропии g (локальный минимум околоразмера 140 нм), дает в итоге значение 130 нм как самого “отражательного”размера для 400-нм излучения. Стоит заметить, что фактор g незначительновлияет на отражение 310-нм излучения, т.к.

рассеяние в значительной степениподавляется высоким поглощением.50804575407065λ = 310 нмλ = 400 нм605550λ = 310 нмλ = 400 нм35302520154540Пропускание, %Поглощение (полное), %851050100150200Диаметр частиц TiO2 (d), нм(а)50100150200Диаметр частиц TiO2 (d), нм(б)Рис. 14. Зависимость полного поглощения (а) и пропускания (б) всем роговым слоем (толщиной 20мкм) излучения с длинами волн 310 (●) и 400 нм (○) от диаметра частиц. Объемная концентрациячастиц TiO2 составляет 1%.На рис.

14 (а) показана зависимость полного поглощения в обеих частяхрогового слоя от диаметра частиц. Видно, что поглощение 310-нм излученияпревосходит поглощение 400-нм излучения более, чем в полтора раза. Интересно,что максимум кривой, соответствующей 310-нм, совпадает с максимумом кривойна рис. 12 (a), то же можно сказать и о максимумах кривой для 400-нм излучения:наибольшее поглощение соответствует 122- и 170-176-нм частицам. Это следуетиз особенностей кривых на рис.

12. Стоит отметить, что в случае 400-нмизлучения нижний слой (без частиц) дает намного более существенный вклад (вдевять раз) в суммарное поглощение, чем верхний (с частицами), что вытекает изсравнения графиков на рис. 13 и 14. Ситуация с 310-нм излучением другая: частьслоя с частицами дает около половины от общего поглощения, что связано соспособностью как частиц, так и самого рогового слоя поглощать на этой длиневолны.Полное пропускание всем роговым слоем показано на рис. 14 (б). Этохарактеристика слоя с частицами TiO2 наиболее важна, т.к.

показывает, какаядоля от падающего на поверхность кожи УФ-излучения достигает живых клетокэпидермиса. Защитный эффект фотозащитных препаратов направлен науменьшение этой величины. Пропускание будет наименьшим при наличии 56- и62-нм частиц (для 310-нм излучения) – около 12%, а при наличии 122-нм частиц(для 400-нм излучения) – чуть более 40%. Результаты свидетельствуют, чтооптимальные размеры (с точки зрения минимизации пропускаемого излучения)совпадают с максимумами кривых ослабления и поглощения – для 310-нмизлучения, и ослабления (т.е., фактически, рассеяния) – для 400-нм излучения.Рисунок 15 иллюстрирует эффект оптимальных частиц TiO2 в случае, когдаони распределены равномерно внутри верхней части (толщина 1-мкм) 20-мкмрогового слоя с концентрацией 1%.

Как видно из рис. 15 (а), пропускание 310-нмизлучения в роговом слое без частиц (0% - колонка) составляет около 25% ивызвано, в большей степени, поглощением в нижней части (65%), т.к. толщинаэтой части больше, чем верхней; суммарное отражение несущественно (5%). Еслидобавлены 62-нм частицы, пропускание уменьшается вдвое, до 13%, в основном,благодаря увеличению поглощения в верхней части (около 43%); отражениевозрастает незначительно (примерно до 6%).

В случае 400-нм излучения картинатакая: роговой слой без частиц пропускает почти половину падающего излучения(49%), причем 45% поглощается суммарно в обеих частях (42% - в нижней части),а 6% - отражается. В присутствии 122-нм частиц полное пропусканиеуменьшается до 41% почти в равной степени из-за возросших отражения ипоглощения.1001008070706060ПропусканиеСуммарное отражениеПоглощение в нижней частиПоглощение в верхней части4030%%805040302010100%1%------ПропусканиеСуммарное отражениеПоглощение в нижней частиПоглощение в верхней части50200λ = 400 нм90λ = 310 нм900Концентрация 62-нм частиц TiO20%1%Концентрация 122-нм частиц TiO2(a)(б)Рис. 15.

Влияние имплантированных оптимальных частиц TiO2 (диаметры 62 (а) и 122 нм (б)),равномерно распределенных внутри верхней части рогового слоя толщиной 1 мкм (объемнаяконцентрация 1%), на взаимодействие рогового слоя кожи с излучением с длинами волн 310 (а) и400 нм (б).Далее показаны преимущества использования 800-нм излучения перед 400нм для восстановления глубинной структуры рогового слоя.

Алгоритмреконструкции глубинного распределения веществ внутри рогового слоя основанна их псевдопоглощении (т.е., поглощении и рассеянии в заднееполупространство). Признавая, что такой подход хорош для поглощающихвеществ, он должен быть тщательно протестирован в случае применения кматериалам, которые вместе с поглощающими, обладают также и рассеивающимисвойствами. Частицы диоксида титана размером до десятков и сотен нанометровявляются примером такого типа материалов. Как показано выше, частицыувеличивают долю поглощенного излучения в пределах рогового слоя даже в томслучае, если они сами и не поглощают.

В работе экспериментально и с помощьюмоделирования методом Монте-Карло исследовано изменение псевдопоглощенияв полосках кожи толщиной 0.2 – 1.0 мкм, обусловленное присутствием частицTiO2 различных размеров (25 – 200 нм) с объемной концентрацией 1%, ипроведено сравнение величины этого эффекта для излучения с длинами волн 400и 800 нм.Рисунок 16 показывает, как псевдопоглощение зависит от размеров частиц,находящихся в 1-мкм полоске рогового слоя. Абсолютные значения изображенына рис.

16 (a), а относительные (по отношению к нулевой концентрации частицОтн. псевдопоглощение, у.е.TiO2) – на рис. 16 (б). Эффект фактора ослабления (рассеяния) превалирует наддействием фактора анизотропии рассеяния, т.к. эти кривые похожи назависимости сечений рассеяния от размера частиц. Уровни псевдопоглощениялишенной частиц полоски рогового слоя показаны (для сравнения) на рис. 16 (a)как горизонтальные линии. Видно, что частицы намного меньше влияют нахарактер распространения излучение с длиной волны 800 нм, чем с 400 нм.Уровни служат нормализующими величинами для кривых, представленных нарис. 16 (б). Кружками отмечены величины, соответствующие размеру частиц вэксперименте.Псевдопоглощение, %252015105501001502003.53.02.52.01.51.050100150Диаметр частиц TiO2, нмДиаметр частиц TiO2, нм(а)(б)200Рис. 16.

Абсолютное (a) и относительное (по отношению к нулевой концентрации частиц) (б)псевдопоглощение в зависимости от размера частиц для 400- (▲) и 800-нм (■) падающегоизлучения. Объемная концентрация частиц TiO2 равна 1%. Толщина полоски составляет 1 мкм.Полоска кожи без частиц: псевдопоглощение 400- (▼) и 800-нм (●) света.В заключении приведен перечень основных выводов, полученных врезультате проведенных исследований, и кратко суммируются основныерезультаты при выполнении данной работы.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫПоказано, что при прохождении лазерного импульса через рассеивающуюсреду кратность рассеяния в максимуме рассеянных в переднее полупространствофотонов зависит экспоненциально от коэффициента рассеяния среды притолщине, большей 2.5 транспортных длин фотона.При распространении в среде с сильным рассеянием относительноеуширение коротких импульсов больше, чем длинных.

Критерием длительностислужит время прохождения среды.Исследована возможность диагностики изменения содержания глюкозы впределах физиологического диапазона (0-500 мг/дл) в 2-мм слое водного раствораинтралипида-2%, моделирующего по оптическим параметрам кожу человека вцелом, с помощью сверхкоротких лазерных импульсов с центральной длинойволны в ближней ИК-области (820 нм). Наиболее чувствительным параметромимпульсов к изменениям содержания глюкозы является энергия (площадь подвременным профилем) импульса, линейно зависящая от концентрации глюкозы,причем детекторы с большей числовой апертурой являются более эффективными.В случае трехслойного фантома кожи абсолютная чувствительность энергииимпульса в несколько раз превосходит абсолютную чувствительность пиковойинтенсивности (0.40 против 0.06).

Относительная чувствительность ксодержанию глюкозы как пиковой интенсивности, так и энергии импульса близкидруг к другу (5-25%).Разработана методика определения размеров частиц, наиболее эффективноослабляющих УФ-излучение. Они соответствуют максимумам зависимостиотносительного фактора эффективности ослабления, отнесенного к диаметру(кривая ослабления), от размера частицы. Фотозащитный препарат,обеспечивающий наиболее эффективное ослабление излучения всего УФ-Вдиапазона спектра (280-315 нм), должен содержать смесь наночастиц сдиаметрами в диапазоне 50-120 нм. Максимум распределения должен бытьсдвинут к размерам порядка 60 нм. Использование 800-нм излученияпредпочтительнее 400-нм для восстановления глубинного профиля рогового слоя.СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ1.