Альманах клинической медицины. 2017; 45: 163-169
Анализ люминесценции в мутных биологических средах
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2017-45-2-163-169Аннотация
Актуальность. Количественный люминесцентный анализ широко используется в биологии, лабораторной диагностике и клинической медицине для исследования объектов на различных уровнях. Однако существующие упрощенные алгоритмы расчета концентрации люминофоров в разбавленных линейных растворах не могут быть применены к условиям мутных сред с сильным светорассеянием, к которым относятся большинство живых биологических тканей. Сегодня развитие люминесцентного анализа в медицине идет по пути создания неразрушающих и неинвазивных методик контроля in vivo. В этой связи вопрос о постановке задачи исследования и разработки алгоритмов вычислений концентрации люминофоров по регистрируемым спектрам люминесценции в условиях мутных сред представляется актуальным. Цель – формулировка и обоснование задачи разработки алгоритмов вычислений концентрации люминофоров по регистрируемым спектрам люминесценции в условиях оптически мутных сред. Материал и методы. Рассматривалось физико-математическое моделирование процесса формирования вынужденного излучения флюоресценции в светорассеивающей среде на основе модифицированной двухпотоковой модели Кубелки – Мунка. Проводилась серия лабораторных экспериментов с макрооднородными светорассеивающими модельными средами на основе натуральных препаратов крови для выяснения характера реальной зависимости регистрируемой с поверхности оптически мутной биологической среды интенсивности флюоресценции от фактора светорассеяния и концентрации флюорофора в среде. Результаты. И теоретические, и экспериментальные результаты демонстрируют сложную нелинейную зависимость регистрируемой интенсивности флюоресценции от оптических свойств среды и концентрации флюорофора в среде. Эта зависимость сильно отличается от известного линейного решения Паркера для прозрачных сред, что приводит к невозможности его применения в условиях оптически мутных сред. Заключение. Необходимо дальнейшее развитие исследований в направлении поиска замкнутого аналитического решения обратной задачи оптики светорассеивающих и флюоресцирующих сред для вычисления по регистрируемому потоку люминесценции концентрации люминофора в светорассеивающей среде.
Список литературы
1. Гладков АА. Люминесцентный анализ в медицине. Кишинев: КГУ; 1958. 389 с.
2. Lakowicz JR. Principles of fluorescence spectroscopy. New York: Plenum Press; 1983. 488 p.
3. Udenfriend S. Fluorescence assay in biology and medicine. New York, London: Academic Press; 1962. 517 p.
4. Рогаткин ДА. Физические основы лазерной клинической флюоресцентной спектроскопии in vivo. Медицинская физика. 2014;(4): 78–96.
5. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. М.: Техносфера; 2007. 368 с.
6. Siraj N, El-Zahab B, Hamdan S, Karam TE, Haber LH, Li M, Fakayode SO, Das S, Valle B, Strongin RM, Patonay G, Sintim HO, Baker GA, Powe A, Lowry M, Karolin JO, Geddes CD, Warner IM. Fluorescence, phosphorescence, and chemiluminescence. Anal Chem. 2016;88(1): 170–202. doi:10.1021/acs.analchem.5b04109.
7. Mycek MA, Pogue BW, editors. Handbook of biomedical fluorescence. New York: Marcel Dekker Inc.; 2003. 665 p.
8. Rogatkin D, Shumskiy V, Tereshenko S, Polyakov P. Laser-based non-invasive spectrophotometry – an overview of possible medical applications. Photonics & Lasers in Medicine. 2013;2(3):225–40. doi:10.1515/plm-2013-0010.
9. Smirnova OD, Rogatkin DA, Litvinova KS. Collagen as in vivo quantitative fluorescent biomarkers of abnormal tissue changes. J Innov Opt Health Sci. 2012;(5):250010. doi: http://dx.doi.org/10.1142/S1793545812500101.
10. Rogatkin DA, Tereschenko SG, Lapaeva LG, Gorenkov RV. Complex therapeutic-diagnostic endoscopy with laser irradiation and in-Situ spectrophotometry of erosive-ulcerative impairments of upper part of the gastrointestinal tract. Proc. SPIE 4613. Optical Biopsy IV; 286 (May 7, 2002). doi:10.1117/12.465257.
11. Sunar U, Rohrbach DJ, Morgan J, Zeitouni N, Henderson BW. Quantification of PpIX concentration in basal cell carcinoma and squamous cell carcinoma models using spatial frequency domain imaging. Biomed Opt Express. 2013;4(4):531–7. doi:10.1364/BOE.4.000531.
12. Rogatkin D, Guseva I, Lapaeva L. Nonlinear behavior of the autofluorescence intensity on the surface of light-scattering biotissues and its theoretical proof. J Fluoresc. 2015;25(4): 917–24. doi:10.1007/s10895-015-1572-7.
13. Parker CA. Photoluminescence of solutions. Amsterdam: Elsevier; 1968. 510 p.
14. Rogatkin DA, Sokolovski SG, Fedorova KA, Stewart NA, Sidorov VV, Rafailov EU. Basic principles of design and functioning of multifunctional laser diagnostic system for non-invasive medical spectrophotometry. Proc. SPIE 7890. Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic Systems IX, 78901H (February 21, 2011). doi:10.1117/12.874258.
15. Рогаткин ДА. Базовые принципы организации системного программного обеспечения многофункциональных неинвазивных спектрофотометрических диагностических приборов и комплексов. Медицинская техника. 2004;(2):8–12
Almanac of Clinical Medicine. 2017; 45: 163-169
Analysis of luminescence in turbid biological media
https://doi.org/10.18786/2072-0505-2017-45-2-163-169Abstract
Background: Quantitative luminescent analysis is widely used in biology, laboratory diagnostics and clinical medicine to study objects at various levels. However, the existing simplified algorithms for calculation of the luminophore concentration in diluted linear solutions cannot be applied to the turbid media with strong light scattering, which include the majority of living biological tissues. Today, the development of luminescence analysis in medicine goes towards the creation of non-destructive and non-invasive methods of in vivo monitoring. Therefore, the urgent question is about a formulation of the research purpose and the development of algorithms to compute the luminophore concentration based on the luminescence spectra recorded in the turbid media. Objective: To formulate and justify the tasks of elaboration of the algorithms to compute the luminophore concentration based on the luminescence spectra recorded under conditions of the optically turbid media. Materials and methods: We looked upon the physico-mathematical simulation of the process of formation of the induced fluorescence emission in the light-scattering medium based on the modified 2-flux Kubelka-Munch model. We conducted a series of laboratory experiments with macro-homogenous light-scattering model media to determine characteristics of the dependence of the fluorescence intensity detected from the surface of an optically turbid biological medium upon the factor of light scattering and the concentration of the fluorophore in the medium. Results: Both theoretical and experimental results demonstrate complex nonlinear dependence of the fluorescence intensity detected upon the optical properties and a concentration of a fluorophore in the turbid media. This dependence is very different from the known linear C. Parker's solution for transparent media, which makes it impossible to use it in the optically turbid media. Conclusion: Further studies searching a closed-form analytical solution of the inverse optical problem for light-scattering and fluorescent media are necessary to calculate the luminophore concentration in a light-scattering media based on the recorded luminescence spectra.
References
1. Gladkov AA. Lyuminestsentnyi analiz v meditsine. Kishinev: KGU; 1958. 389 s.
2. Lakowicz JR. Principles of fluorescence spectroscopy. New York: Plenum Press; 1983. 488 p.
3. Udenfriend S. Fluorescence assay in biology and medicine. New York, London: Academic Press; 1962. 517 p.
4. Rogatkin DA. Fizicheskie osnovy lazernoi klinicheskoi flyuorestsentnoi spektroskopii in vivo. Meditsinskaya fizika. 2014;(4): 78–96.
5. Shmidt V. Opticheskaya spektroskopiya dlya khimikov i biologov. M.: Tekhnosfera; 2007. 368 s.
6. Siraj N, El-Zahab B, Hamdan S, Karam TE, Haber LH, Li M, Fakayode SO, Das S, Valle B, Strongin RM, Patonay G, Sintim HO, Baker GA, Powe A, Lowry M, Karolin JO, Geddes CD, Warner IM. Fluorescence, phosphorescence, and chemiluminescence. Anal Chem. 2016;88(1): 170–202. doi:10.1021/acs.analchem.5b04109.
7. Mycek MA, Pogue BW, editors. Handbook of biomedical fluorescence. New York: Marcel Dekker Inc.; 2003. 665 p.
8. Rogatkin D, Shumskiy V, Tereshenko S, Polyakov P. Laser-based non-invasive spectrophotometry – an overview of possible medical applications. Photonics & Lasers in Medicine. 2013;2(3):225–40. doi:10.1515/plm-2013-0010.
9. Smirnova OD, Rogatkin DA, Litvinova KS. Collagen as in vivo quantitative fluorescent biomarkers of abnormal tissue changes. J Innov Opt Health Sci. 2012;(5):250010. doi: http://dx.doi.org/10.1142/S1793545812500101.
10. Rogatkin DA, Tereschenko SG, Lapaeva LG, Gorenkov RV. Complex therapeutic-diagnostic endoscopy with laser irradiation and in-Situ spectrophotometry of erosive-ulcerative impairments of upper part of the gastrointestinal tract. Proc. SPIE 4613. Optical Biopsy IV; 286 (May 7, 2002). doi:10.1117/12.465257.
11. Sunar U, Rohrbach DJ, Morgan J, Zeitouni N, Henderson BW. Quantification of PpIX concentration in basal cell carcinoma and squamous cell carcinoma models using spatial frequency domain imaging. Biomed Opt Express. 2013;4(4):531–7. doi:10.1364/BOE.4.000531.
12. Rogatkin D, Guseva I, Lapaeva L. Nonlinear behavior of the autofluorescence intensity on the surface of light-scattering biotissues and its theoretical proof. J Fluoresc. 2015;25(4): 917–24. doi:10.1007/s10895-015-1572-7.
13. Parker CA. Photoluminescence of solutions. Amsterdam: Elsevier; 1968. 510 p.
14. Rogatkin DA, Sokolovski SG, Fedorova KA, Stewart NA, Sidorov VV, Rafailov EU. Basic principles of design and functioning of multifunctional laser diagnostic system for non-invasive medical spectrophotometry. Proc. SPIE 7890. Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic Systems IX, 78901H (February 21, 2011). doi:10.1117/12.874258.
15. Rogatkin DA. Bazovye printsipy organizatsii sistemnogo programmnogo obespecheniya mnogofunktsional'nykh neinvazivnykh spektrofotometricheskikh diagnosticheskikh priborov i kompleksov. Meditsinskaya tekhnika. 2004;(2):8–12
