Терагерцова спектроскопія іммерсійних оптичних очищувальних агентів DMSO, PG, EG, PEG

ЗБЕРЕГТИ В МОЮ БІБЛІОТЕКУ

КУПІТЬ ЦЕ ЗМІСТ

ПЕРЕДПИСАТИСЯ НА ЦИФРОВУ БІБЛІОТЕКУ

50 завантажень за 1 рік підписки

25 завантажень за 1 рік підписки

КУПИТИ ОДИН СТАТТІ

Включає PDF, HTML і відео, коли вони доступні

Застосування терагерцової (ТГц) спектроскопії для біологічних тканин сильно обмежене надзвичайно низькою глибиною проникнення через поглинання ТГц тканинною водою. Одним із можливих рішень такої проблеми є використання засобів, що посилюють проникнення хвилі ТГц (PEA) для оптичного очищення тканин. У цій роботі проведено ТГц-спектроскопію набору ПЕА (поліетиленгліколь з різною молекулярною масою, пропіленгліколь, етиленгліколь та диметилсульфоксид) для того, щоб відновити їх діелектричні властивості та порівняти їх із властивостями води . Отримані результати підкреслюють доцільність використання ПЕГ для посилення глибини проникнення хвилі ТГц у тканини.

ВСТУП

Протягом останніх десятиліть терагерцова (ТГц) спектроскопія інтенсивно вивчалася як новий метод неінвазивної, найменш інвазивної та інтраопераційної діагностики без міток злоякісних утворень в різних локалізаціях, включаючи шкіру, 1-4 ротову порожнину, 5 печінку, 6 шлункові, 7, 8 товста кишка 9–11 та молочна залоза. 12–17 Маючи гостру чутливість до вмісту води, ТГц-спектроскопія використовує її для виявлення злоякісних тканин. 18–22 У той же час сильне поглинання хвилею ТГц водою утворює істотний недолік діагностики ТГц - мала глибина проникнення в тканини із високим вмістом води; таким чином, хвилі ТГц можуть бути використані для зондування лише поверхневих властивостей тканин. 23

Для зменшення поглинання води ТГц у тканинах використовується кілька підходів. Серед них - заморожування тканин, 24–26 дегідратація нагріванням, 27 фіксації формаліну, 28 вкладання парафіну, 26, 29–31 та ліофілізація. 32 Однак ці методи вимагають багато часу, потребують складних препаратів і переважно не можуть застосовуватися in vivo. Крім того, деякі з них також призводять до значних структурних змін у біотканинах при тривалому впливі. Ще однією методикою, яка демонструє досить помітні результати, є занурення в оптичне очищення. 26, 33–44

Він базується на застосуванні специфічних хімічних агентів, що посилюють проникнення (PEA), таких як поліетиленгліколь. Ці агенти взаємодіють з тканинами і змінюють їх оптичні властивості. В оптичному діапазоні це призводить до змін діелектричного контрасту та коефіцієнта згасання; в діапазоні ТГц - зміна вмісту води і, відповідно, показника заломлення. Ці агенти повинні характеризуватися гіперосмотичним статусом, високим коефіцієнтом дифузії та низьким поглинанням хвилі ТГц. Тим не менше, відсутність даних про діелектричні властивості різних ПЕА не дозволяє вибрати оптимальний для застосування на ТГц і гальмує використання методів іммерсійного оптичного очищення в діапазоні ТГц.

У цій роботі було використано спектроскопію THz у часовій області для дослідження набору PEA, тобто поліетиленгліколю (ПЕГ) з молекулярною масою 200, 300, 400, ПЕГ біохімічного класу (БК) з молекулярною масою 400, пропіленгліколю ( PG), етиленгліколь (EG) та диметилсульфоксид (DMSO). 19, 45 Отримані результати підкреслюють потенціал використання занурення оптичного очищення для поліпшення глибини проникнення ТГц випромінювання.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ

Засоби, що підсилюють проникнення

В експериментальних дослідженнях ми використовували вихідні розчини наступних речовин без подальшого очищення та розчинення:

• ПЕГ з молекулярною масою 200, 300, 400 (ПЕГ 200, Нижньокамскнефтехім, Росія; ПЕГ 300, Сігма-Олдріч, Німеччина; ПЕГ 400, Нижньокамскнефтехім, Росія);

• біохімічний розчин ПЕГ з молекулярною масою 400 (ПЕГ 400 (до н. Е.) AppliChem, Німеччина);

• DMSO (SpektrChem, Росія);

• EG (SpektrChem, Росія);

• PG (Chemical Line Co. Ltd, Росія).

Експериментальне встановлення

Застосований ТГц спектрометр часової області (TDS) працює в режимі передачі в діапазоні від 0,1 до 2,0 ТГц з максимальною спектральною роздільною здатністю ∼ 0,015 ТГц. Фотопровідні антени LT-GaAs використовувались для випромінювання та виявлення ТГц. Фемтосекундний лазер Toptica FErb780 був використаний як для накачування випромінювачів антен, так і для зондування антени-детектора.

TDS був обладнаний розробленою кюветою для вимірювання властивостей передачі ТГц перерахованих рідких речовин (див. Рис. 1). Він складався з двох металевих частин, тобто корпусу та кришки, які з’єднувались за допомогою 6 затяжних гвинтів. Два високоомних кремнієвих вікна з поплавковою зоною (HRFZ-Si) були розміщені всередині кювети; PEA шар закріплювали між ними за допомогою тонкої поліетиленової (PE) прокладки. Нижнє вікно було приклеєне до нижньої частини корпусу кювети. Гумову прокладку помістили між верхнім вікном і кришкою кювети, щоб виключити витіснення агента. Після кожного вимірювання кювету розбирали, очищали водою і сушили; а в разі надмірно в'язких речовин її очищали в ультразвуковій ванні Elmasonic S30H (Elma Schmidbauer GmbH, Німеччина). Нарешті, вікна HRFZ-Si промивали деіонізованою водою.

Фігура 1.

Розроблена кювета для вимірювання речовин PEA у двох положеннях; (а) виявлення форми сигналу зразка; (b) виявлення опорного сигналу; (c) 3D-кювета.

Реконструкція параметрів матеріалу

Реконструкція діелектричних властивостей ТГц ПЕА проводилась на основі двох сигналів часової області TDS - зразка та опорних сигналів. 19, 45 Для першого PEA було розміщено між вікнами HRFZ-Si (див. Рис. 1 (а)); для другого шар агента був видалений, а випромінювання ТГц передавалось лише через два закриті вікна (див. рис. 1 (b)). Товщина та показник заломлення вікон HRFZ-Si були відомі апріорі, будучи незрівнянно вищими, ніж показники розглянутих агентів. Ми проігнорували перешкоди у вікнах HRFZ-Si для процедури реконструкції, тоді як аподізація Тукі (фільтрація вікон у часовій області) застосовувалася для того, щоб відфільтрувати внесок супутникових імпульсів, спричинених множинними перешкодами хвилі ТГц у вікнах HRFZ-Si.

Отримані сигнали використовувались далі в алгоритмі реконструкції матеріалу, який базується на мінімізації функціоналу векторної помилки

де Hго (n) і Hexp - це теоретична та експериментальна залежні від частоти передавальні функції, n = n ′ - у ″ - комплексний залежний від частоти показник заломлення, що відповідає діелектричній проникності ε = ε ′ - iε ″ як ε = n 2, n ″ = αc/ 4πv де α - частотно-залежний коефіцієнт поглинання інтенсивності та c - швидкість світла у вакуумі; оператори |… | і ∠ […] позначають модуль та фазу аргументу відповідно. Експериментальна передавальна функція покладається на виміряні форми хвиль

де і означають спектри Фур'є еталонного та зразкового сигналів відповідно. Теоретична передавальна функція імпульсу ТГц передбачає незнання перешкод у опорних вікнах і представляється як

де індекси 0, 1 та 2 означають повітря, HRFZ-Si та PEA відповідно; T, R, P є частотно-залежними операторами пропускання, відбиття та поширення комплексної амплітуди; л - товщина матеріалу. Припустимо нормальний падіння плоскої ТГц електромагнітної хвилі на вікно, амплітуду відбиття та пропускання імпульсу ТГц на межі розділу м тис і k го середовища, а також його фазова затримка та ослаблення під час поширення через q го об'ємне середовище можна описати за допомогою формул Френеля та закону Бугера-Ламберта-Біра

де індекси m, k, q = 0, 1, 2 відповідають повітрю, HRFZ-Si та PEA відповідно. Складні показники заломлення повітря n0, HRFZ-Si n1, PEA n2, і товщину опорних вікон л1 відомі апріорі.

РЕЗУЛЬТАТИ

На рисунку 2 показані експериментальні результати для розглянутих агентів та води, отримані згідно з вищезазначеною процедурою. Діелектричні властивості були відновлені в діапазоні частот від 0,1 до 2 ТГц. Синя область вказує на спектральний діапазон, де на реконструйовані діелектричні властивості можуть впливати спотворення внаслідок дифракції пучка ТГц на апертурі кювети. Відтворюваність експериментальних даних та коливання відповіді ТГц досліджували, враховуючи різну товщину розчинів зразків. Як показано на рис. 2, спостережувані результати добре узгоджуються з раніше повідомленими даними. 35, 46, 47

Малюнок 2.

Результати ТГц-спектроскопії розглянутих ПЕА з товщиною л порівняння з водою (лінії); референтні дані раніше виміряних матеріалів (маркери); Діапазон помилок (позначений сірим кольором) являє собою 3σ, тут σ означає стандартне відхилення вимірювань. Умови вимірювання включають кімнатну температуру та вологість, отже, чітко видно типові спектральні характеристики, пов'язані з коливаннями вологості. Синя область вказує на спектральний діапазон, де на реконструйовані діелектричні властивості можуть впливати спотворення внаслідок дифракції пучка ТГц на апертурі кювети.

Результати спектроскопічних вимірювань різних ПЕА демонструють, що найменше поглинання в широкому спектральному діапазоні ТГц належить полімерній групі, тобто агентам ПЕГ; таким чином, вони, здається, є потенційними кандидатами для оптичного очищення тканин у застосуваннях ТГц. Тим не менш, більш детальний аналіз повинен враховувати конкретну частоту біотканини та ТГц, а також швидкість дифузії та неінвазивність ПЕА, щоб вибрати оптимальний протокол оптичного очищення.

ВИСНОВКИ

У цій роботі ми продемонстрували результати ТГц-спектроскопії очищуючих речовин ПЕГ 200, 300, 400, ПГ, етиленгліколю та ДМСО. Для експериментальних вимірювань ми використовували спектрометр часової області ТГц та порівнювали оцінені діелектричні властивості з властивостями води. Отримані результати показують знижений показник заломлення та коефіцієнт поглинання полімерних очищувальних агентів порівняно з агентами PG, EG та DMSO у широкосмуговому діапазоні ТГц. Ці результати підкреслюють перевагу використання полімерних ПЕА для поліпшення глибини проникнення ТГц випромінювання.

ПОДЯКИ

Робота була підтримана грантом Російського наукового фонду (RSF), проект № 18-12-00328.

• Наукове харчування; s 7 Харчові речовини для схуднення для зменшення талії!
• Оптична ілюзійна пластина допомагає контролювати порції, показує дослідження штату Кент
• Джерело китайської трави жиру очищення капсули для схуднення таблетки для схуднення таблетки на
• Оптичний анапольний метаматеріал ACS Nano
• Огляд нехірургічного та хірургічного лікування та роль інсуліносенсибілізуючих агентів у