1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
Основная проблема экспериментального исследования коллоидных систем заключается в адекватной характеризации составляющих ее частиц. Полная характеризация коллоидной среды, не требующая априорного знания о распределении составляющих ее микрочастиц по свойствам, достигается при поштучном анализе всех микрочастиц системы. Существующие анализаторы одиночных частиц, которые напрямую измеряют функции распределения, в подавляющем большинстве не позволяют характеризовать частицы по морфологическим параметрам (размер, показатель преломления, параметры формы и внутренней структуры) и, поэтому, не используются для кинетических исследований. Экспериментальные ограничения обусловливают и недостаточное развитие теории химических реакций в коллоидах. Традиционные теоретические и экспериментальные подходы зачастую не учитывают распределения диспергированных микрочастиц по параметрам (оперируют средними значениями), а если и учитывают, то априори предполагают определенный вид функции распределения, что может не соответствовать реальности. Решению данной проблемы в инструментальном обеспечении и посвящен цикл работ, представленных на конкурс.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
Конкретная задача состоит в создании новой высоко-скоростной и высоко-информативной технологии анализа одиночных микрочастиц коллоидной системы на основе сканирующей проточной цитометрии. При этом частицы характеризуются по их угловой зависимости интенсивности светорассеяния - индикатрисе. При наличии у частицы сложной формы и внутренней структуры решение обратной задачи светорассеяния сталкивается с недостаточным объемом независимых данных, получаемых при измерении одной индикатрисы от одиночной частицы. При наличии одной индикатрисы технология обеспечивает приемлемую точность определения характеристик только для гомогенных сфероидальных частиц. Задачей развития технологии является создание инструментального подхода, позволяющего измерять несколько индикатрис в различных состояниях поляризации и/или двумерной индикатрисы от одиночной частицы. Увеличение количества независимых измеряемых данных улучшает возможности решения обратной задачи светорассеяния для частиц сложной формы и внутренней структуры. Новые возможности сканирующей проточной цитометрии существенно расширяют перечень дисперсных сред, которые могут быть проанализированы с детальной характеризацией.
3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.
Стратегическим направлением развития инструментальных основ анализа одиночных частиц по светорассеянию является стремление измерить максимально возможный объем информации о поле рассеяния. В представленных работах продемонстрировано развитие технологии сканирующей проточной цитометрии с измерением одномерной индикатрисы светорассеяния, но в разных состояниях поляризации и/или двумерной индикатрисы. Существующие технические решения позволяли измерять состояние поляризации рассеянного излучения в ограниченном количестве фиксированных телесных углах или индикатрису в различных состояниях поляризации от суспензии частиц. Измерение двумерной индикатрисы осуществлялось с использованием высокочувствительных низкотемпературных фотоматриц. В новой реализации сканирующий проточный цитометр (СПЦ) позволяет измерять две индикатрисы в различных состояниях поляризации. Модернизированная оптическая схема и электронное обеспечение позволяют измерять двумерную индикатрису с использованием обычной фотоматрицы в широком угловом диапазоне.
4. Полученные результаты и их значимость.
Для преодоления ограничений возможности решения обратной задачи светорассеяния была предложена и реализована модернизация технологии в виде экспериментальной установки оптическая схема СПЦ с измерением поляризационной индикатрисы [ 1 ]. Поляризационный СПЦ использовался для измерения деполяризирующих свойств излучения, рассеянного клетками фитопланктона. В работе [ 2 ] измерены поляризационные индикатрисы от димеров латексных микросфер, и определены размеры микросфер с точностью 50 нм. Полученное решение обратной задачи светорассеяния для частицы, описываемой шестью параметрами, является максимально возможной при современном развитии теории и инструмента. Предложена и математически протестирована оптическая схема СПЦ с функцией измерения двумерной индикатрисы светорассеяния одиночной частицы [ 3 ]. Функциональная особенность реализована на базе решения интегрального уравнения. На оба устройства были получены патенты [ 4, 5 ].
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Развиваемые авторами оригинальные экспериментальные и теоретические методы находятся на уровне современных достижений в данной области мировой науки. Работы поддерживались международным (NATO SfP977976) и российскими (РФФИ 03-04-48852, 02-02-08120, 07-04-00356, 08-02-91954; МНТЦ 1777; ФЦП П2497, П1039, П422; интеграционные междисциплинарные проекты СО РАН) грантами, а также грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ "Научная школа НШ-387.2008.4" (руководитель С.В. Нетесов). Результаты работы докладывались авторами на международных конференциях. По теме работы опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах и получено 2 патента.
6. Вклад авторского коллектива.
Данная работа была выполнена в сотрудничестве научных коллективов нескольких институтов. Авторский коллектив ИХКГ СО РАН (В.П. Мальцев, В.М. Некрасов, К.В. Гилев, Д.И. Строкотов, А.Е. Москаленский) внес основной вклад в постановку задачи и ее решения теоретическими и экспериментальными методами.
Список прилагаемых статей.
- Fiorani L., Maltsev V.P., Nekrasov V.M., Palucci A., Semyanov K.A., and Spizzichino V. “Scanning flow cytometer modified to distinguish phytoplankton cells from their effective size, effective refractive index, depolarization,and fluorescence” Applied Optics, 47 (2008) 4405-4412.
- Dmitry I. Strokotov, Alexander E. Moskalensky, Vyacheslav M. Nekrasov, Valeri P. Maltsev “Polarized Light-Scattering Profile - Advanced Characterization of Nonspherical Particles with the Scanning Flow Cytometry” Cytometry Part A, Volume 79A, Issue 7, pages 570–579, 2011
- Dyatlov G.V., Gilev K.V., Semyanov K.A., Maltsev V.P. «The scanning flow cytometer modified for measurement of two-dimensional light-scattering pattern of individual particles» Meas. Sci. Technol. 19 (2008) 015408.
- Мальцев В.П., Семьянов К.А., Тарасов П.А. «СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ АНАЛИЗОВ КРОВИ И АНАЛИЗАТОР КРОВИ». Патент РФ. Номер заявки 2007101151/15(001213). Положительное решение от 27 мая 2008 года. Диплом «100 лучших изобретений России».
- Fiorani L., Palucci A., Maltsev V.P., Semyanov K.A. «Laser flow cytometer (CLASS) for the simultaneous measurement of size, refractive index, depolarization and fluorescence of microscopic particles in liquid suspensions». Patent application in Italy from July 3, 2007.