Диссертация (1097617), страница 26

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 26)

Однако, по сравнению с матричнымибиочипами, все это приводит к увеличению размера, более медленной кинетике, и болеесложному анализу.Для обеих технологий характерны одни и те же проблемы: большие размеры иизбыточное количество антител, увеличивающие стоимость диагностической матрицы.Решением проблемы может быть использование точечной лазерной наплавки при созданиидиагностической матрицы, результаты исследования которой представлены в этой главе.Важность рассматриваемой проблемы обусловлена тем, что диагностика (особенноранняя диагностика) заболеваний иммунной системы или типа новообразованной ткани прирегенерации биологических тканей [Breitling et al., 2009] остаются одними из важнейшихзадач медицинской физики.

Для решения этих задач могут быть эффективно использованыдиагностические матрицы, взаимодействующие с биологическими тканями. Этим иопределена актуальность создания дианостических матриц высокой плотности методамилазерной физики.142За основу данной работы была взята обобщенная матрично-гелевая технология, прикоторой иммобилизация чувствительных элементов, заключенных в специальнуюполимерную оболочку, производилась с помощью точечной лазерной наплавки.Использованный подход был основан на ранее разработанном новом методе [Stadler et al.,2008] для твердотельных микрочастиц, содержащих активированные включенияаминокислот, которые селективно наносились на поверхность в виде матриц с помощьюлазерного принтера [Beyer et al., 2007] или компьютерного чипа [Баум и др., 2016] (10000пикселей на см2), генерирующего локальные электростатические поля на своей поверхности.В данной диссертационной работе представлены результаты воздействия лазеров надлинах волн 810 нм и 1560 нм на трехкомпонентную среду, а непосредственным объектомисследования являлась пористая трехкомпонентная среда на стеклянной подложке, котораясостояла на 88% из полимерных сфер радиусом 3-4 микрон из полистирола, в которыхсодержался чувствительный элемент - «biotin-pentafluorophenyl-ester» 10% от полного объемаматериала, и 2% наночастиц графита для увеличения показателя поглощения среды.В работе [Баум и др., 2016] для облучения, приводящего к расплавлению полимера иобразованию точечных капель на подложке, использовался лазер с длиной волны 810 нм.

Вработе [Баум и др., 2015] на аналогичную систему воздействовали с помощью лазера VentusVIS (Laser Quantum LTD) на кристалле титанила фосфата калия с длиной волны 532 нм,позволяющий перейти к меньшему лазерному пятну и большей поверхностной плотностинаплавления. Параметры воздействия в обои случаях были выбраны в пределах допустимогодиапазона, границы которого были найдены с помощью теоретического моделирования.Измерения динамики нагрева образцов проводились с помощью термографа ИРТИС 2000С(Россия, Иртис). Для исследования возможных изменений химического состава полимерапосле лазерного воздействия применялся КР-спектрометр Nicolet Almega XR (США, Thermalphysics). Для исследования сохранности чувствительного элемента после лазерноговоздействия на подложку наносился слой люминофора «streptavidin alexa fluor 546»,вступающий в химическую реакцию с чувствительным элементом в случае сохранения егобиолого-химической активности.

После этого с помощью GenePix 4000B Microarray Scaner(США, Molecular Devices) наблюдалась люминесценция, на основании которой делалосьзаключение о сохранении активности чувствительных элементов.1435.2.1. Теоретическое описание процесса лазерного плавления трехкомпонентнойсреды без повреждения чувствительных элементов диагностических матрицДля построения теоретической модели лазерного нагрева трехкомпонентной среды наподложке необходимо учитывать соотношения основных описывающих систему величин, откоторых будет зависеть выбор приближения (Рис. 5.12): H - толщина подложки, h - толщинанапыленного слоя, dL - диаметр лазерного пучка, глубина поглощения лазерного излучения,z0 - характерный размер прогретого слоя, зависящий от а - температуропроводности слоя и t времени облучения.А) сравниваются толщины облучаемых слоев:Если h << H, то можно использовать приближение «тонкого слоя» на толстойподложке.Если h ~ H, то рассматривается задача облучения двух пластин.Б) сравниваются толщина верхнего трехкомпонентного слоя (h), диаметр лазерногооблучения (dL) и характерный размер прогретого слоя z0:1) Если dL << h, то имеем точечный источник и задача может быть решена вприближении сферической симметрии (Рис.

5.12, №1).2) Если dL ~ h, то источник сравним по величине с рассматриваемыми расстояниями инадо учитывать поток тепла, как в глубину, так и вбок. В общем случае не имеетаналитического решения и решается численно в центральной симметрии (Рис. 5.12, №2).3) Одномерная задача: Если dL >> h, то имеем плоскопараллельный поток иравномерное облучение двух плоскопараллельных пластин (Рис. 5.12, №3).Если h >> z0 то нагревается только верхний слой и влияние подложки можно неучитывать, так как все излучение превратиться в тепло в приповерхностном слое полимера идо подложки не дойдет.Если h ~ z0 то прогреваются оба слоя плоскопараллельным потоком, но так как dL >>h, то отток вбок не играет роли и задача может быть сведена к задаче о стержне, нагреваемомс одной стороны.Если h << z0 то в первом приближении температура в подложке одинакова, а всеперераспределение температуры происходит в подложке, влияние которой в этом случаесущественно.144Рис.

5.12. Схема соотношения параметров соотношения толщины подложки (H), толщиныслоя полимерных частиц (h) и диаметра лазерного пучка (dL) для трех приближений.Для пленки толщиной 30 мкм при диаметре лазерного пятна 100 мкм может бытьприменено одномерное приближение для тонкой (равномерно прогретой по толщине) пленкина подложке. Температурные зависимости оптических и теплофизических коэффициентовтрех компонент пленки считались постоянными и брались средними в рассматриваемомтемпературном интервале.Для определения допустимых режимов лазерного воздействия в выбранномприближении рассмотрим возможные механизмы разрушения чувствительных элементовпри лазерном плавлении полимерной матрицы на подложке.Термическое разрушение, приводящее к плавлению чувствительного элементаДля создания теоретической модели, позволяющей получить распределениетемпературного поля в системе пленка-подложка, рассматривалась задача о распространениитепла через пористое трехкомпонентное полупространство, образующее тонкую пленку настеклянной подложке.

При этом учитывается, что в реальной ситуации ленка состоит на 88%из полимерных сфер полистирола радиусом 3-4 микрон, в которых содержитсячувствительный элемент - «biotin-pentafluorophenyl-ester» - 10% от полного объемаматериала, и 2% наночастиц графита для увеличения показателя поглощения среды.В первом приближении материал, облучаемый лазерным пучком, считалсяизотропным, а оптические и теплофизические коэффициенты не зависящими оттемпературы.

При этом концентрация графита, являющаяся основным поглощающимагентом системы, считалась равномерной. Для достаточно тонких напыленных пленок(толщиной менее 7 микрон), высокая температуропроводность графита обеспечиваларавномерный прогрев пленок по толщине. Для диаметра лазерного пучка 15 мкм,145значительно превышающего толщину пленки, можно рассматривать одномерную задачутеплопроводности о нагреве «тонкой пленки на подложке»; при этом предполагается, чтопоглощательная способность пленки является функцией ее толщины и вся энергия,поглощенная в пленке, равномерно выделяется по ее толщине[Либенсон и др., 2005;Либенсон и др., 2006]. Такие допущения позволили в первом приближении воспользоватьсяаналитическим решением задачи теплопроводности в виде [Sobol, 1995]:T (t ) =q a2 t  211 +ψ exp 2 erfc − 1 λ2  πψ  ψ(5.1)где ψ = c1 h / c 2 a 2 t , здесь индекс 1 относится к пленке, а 2 - к подложке.

Уравнение(5.1) не описывает отток тепла вбок и не учитывает затраты энергии на частичное плавлениеобразца.В таком виде уравнение подходит для оценок максимальной температуры сверху. Дляучета отвода тепла через боковые поверхности, учитывалось, что за время t теплораспространяется по объёму пропорциональномусчиталось q =at . Т.е. если в предыдущем приближенииPP, то с учетом бокового теплоотвода q = ξ, где ξ , ζ 2πrπ (r + ζ at ) 2параметры, находящиеся в пределах [0.5;1], подбираемые с учетом экспериментальныхданных, полученных с помощью ИК-спектрометрии. Здесь ξ компенсирует потериизлучения пошедшего не на нагрев вещества (напр. отражение), а ζ компенсирует потериизлучения при распространении перпендикулярно направлению первоначального излучения(например, потери излучения при взаимодействии с анизотропным материалом).В первом приближении для учета затрат энергии на плавление, вводится эффективнаятемпература T'эф = T (1 −Cλ) , где λ - теплота плавления полимера, а С - удельнаятеплоёмкость.

На распространение тепла оказывает существенное влияние пористостьматериала пленки. Предполагается, что часть теплового потока распространяется черезостов, а другая часть через поры пленки (с соответствующими коэффициентамитеплопроводности λ 0 и λ air), а эффективный коэффициент теплопроводности приближенноописывается известной формулой Рибо:λef = λair m1/ 3 + λ0 (1 − m 2 / 3 ) , где m - коэффициент объёмной пористости.Подставив в модифицированное уравнение (1) величины температур,соответствующие началу процесса плавления (70° С) и максимальной температуры,146соответствующей сохранению работоспособности [Bavykin et al., 1997] биологическогокомплекса из biotin-pentafluorophenyl-ester (90° С), были получены границы диапазонаплотностей мощности, в котором происходит плавление внешней полимерной оболочкимикрочастиц без повреждения находящихся внутри них чувствительных элементов.Таким образом найденный диапазон допустимых лазерных интенсивностей дляпроведения эффективного и безопасного лазерного воздействия при длительности лазерногоимпульса 10 мс составляет 25-33 Вт/см2.Полная мощность q, падающая на площадь S прогревает объем V, зависящий отглубины распространения теплаa2τ :qSτ = c2 ∆TV = c2 (TM − T0 ) S (h + a2τ ) ,где h - толщина слоя микрочастиц на подложке.Если пленка из микрочастиц считается тонкой, то есть h << a1τ , то максимальнаятемпература на ее поверхности:TM =2q a2τλ2 π, где λ2 - коэффициент теплопроводности подложки(5.2)Если чувствительный элемент разрушается при определенной температуре T*, тоформула (5.2) позволяет определить зависимость пороговой интенсивности лазерногоизлучения от времени воздействия.Термомеханическое разрушение чувствительного элементаВторой возможный механизм разрушения чувствительного элемента связан свозникновением термомеханических напряжений под действием неоднородного лазерногонагрева.

Характеристики

Список файлов диссертации