RU2012213C1 - Method of measuring luminescence intensity in medium, particularly of biological objects - Google Patents

Method of measuring luminescence intensity in medium, particularly of biological objects Download PDF

Info

Publication number
RU2012213C1
RU2012213C1 SU4768219A RU2012213C1 RU 2012213 C1 RU2012213 C1 RU 2012213C1 SU 4768219 A SU4768219 A SU 4768219A RU 2012213 C1 RU2012213 C1 RU 2012213C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
medium
radiation
luminescence
luminescence radiation
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.А. Монич
Е.А. Монич
В.М. Голиков
А.Р. Жирков
С.Л. Малиновская
Original Assignee
Монич Виктор Анатольевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Монич Виктор Анатольевич filed Critical Монич Виктор Анатольевич
Priority to SU4768219 priority Critical patent/RU2012213C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2012213C1 publication Critical patent/RU2012213C1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: method is characterized in that a side surface of light guide is used for receiving luminescence radiation of medium to enhance measurement sensitivity, luminescence radiation being converted with the aid of additives introduced into the light guide core with spectrum shift towards a long wave length side. EFFECT: enhanced sensitivity. 3 cl

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к люминесцентной эндоскопии, и может быть использовано для исследования внутренних полостей организма, различных биологических объектов или объемных мутных сред, в частности для диагностики опухолевых заболеваний в организме человека. The invention relates to medical equipment, namely to luminescent endoscopy, and can be used to study the internal cavities of the body, various biological objects or volumetric turbid environments, in particular for the diagnosis of tumor diseases in the human body.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения интенсивности люминесценции объемной среды, включающий сбор чувствительной поверхностью световода части излучения люминесценции среды, передачу полученного сигнала по световоду к фотоприемнику, изменение выходного сигнала и оценку интенсивности люминесценции среды. Closest to the claimed one is a method for determining the luminescence intensity of a volume medium, including collecting a part of the luminescence radiation of a medium by a sensitive surface of the fiber, transmitting the received signal through the fiber to the photodetector, changing the output signal and estimating the luminescence intensity of the medium.

Однако недостатки аналога, обусловленные использованием в качестве чувствительной поверхности торцевой поверхности световода, хотя и в меньшей степени, но также свойственны прототипу. However, the disadvantages of the analogue due to the use as a sensitive surface of the end surface of the fiber, although to a lesser extent, are also characteristic of the prototype.

Целью изобретения является повышение чувствительности, а также повышение точности и эффективности при исследовании мутных или неоднородных сред. The aim of the invention is to increase the sensitivity, as well as improving the accuracy and efficiency in the study of turbid or heterogeneous environments.

С этой целью в известном способе определения интенсивности люминесценции объемной среды в качестве чувствительной поверхности дополнительно используют боковую поверхность световода, находящуюся в оптическом контакте с излучающей средой, при сборе чувствительной поверхностью световода излучения люминесценции среды его преобразуют в излучение люминесцирующих добавок материала части световода, ограниченной его чувствительной поверхностью, при этом смещают спектральный максимум собранного излучения в сторону более длинных волн. При оценке интенсивности люминесценции учитывают ослабление в световоде преобразованного излучения. To this end, in the known method for determining the luminescence intensity of a volume medium, the lateral surface of the optical fiber in optical contact with the radiating medium is additionally used as a sensitive surface; when the sensitive surface of the optical fiber is collected, the medium luminescence radiation is converted into the radiation of luminescent additives of the material of the fiber part limited by its sensitive surface, while shifting the spectral maximum of the collected radiation in the direction of longer waves. When assessing the luminescence intensity, the attenuation of the converted radiation in the fiber is taken into account.

С целью повышения точности и эффективности при исследовании мутных или неоднородных сред создают оптический контакт чувствительной поверхности световода со всей исследуемой средой. С целью повышения точности и чувствительности формируют такие связанные между собой фрагменты объема исследуемой среды, участки которых максимально удалены от соответствующих участков чувствительной поверхности световода, с которыми они находятся в оптическом контакте на расстоянии, не превышающем величины, на которой экспоненциальный коэффициент, учитывающий поглощающие свойства среды, был бы меньше 0,7. In order to increase accuracy and efficiency in the study of turbid or inhomogeneous media, optical contact of the sensitive surface of the fiber with the entire medium under study is created. In order to increase accuracy and sensitivity, such interconnected fragments of the volume of the medium under study are formed, the portions of which are maximally distant from the corresponding sections of the sensitive surface of the fiber with which they are in optical contact at a distance not exceeding the value at which the exponential coefficient taking into account the absorbing properties of the medium would be less than 0.7.

С целью повышения чувствительности и точности при исследовании крахмала, в качестве материала световода, обеспечивающего преобразование излучения люминесценции крахмала в сигнал, распространяющийся по световоду, используют кумарин и предварительно облучают объем с крахмалом ультрафиолетовым излучением длиной волны, равной 320 - 380 нм. In order to increase the sensitivity and accuracy in the study of starch, coumarin is used as the material of the fiber, which converts the luminescence radiation of starch into a signal propagating through the fiber, and the volume with starch is irradiated with ultraviolet radiation with a wavelength of 320 - 380 nm.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в сердцевину части световода, которая размещается внутри исследуемой полости, вводят люминесцирующие добавки. В этом случае по световоду может быть передано не только излучение люминесценции, ограниченное аппертурой торца световода, но и то излучение, которое попадает на боковую поверхность оболочки световода. Излучение люминесценции проходит через прозрачную оболочку световода и попадает в сердцевину волокна, содержащую люминесцирующие добавки. Добавки преобразуют (изотопно переизлучают) свет люминесценции среды в излучение фотолюминесценции, спектральный максимум которого смещен относительно спектра излучения люминесценции среды относительно спектра излучения люминесценции среды в сторону более длинных волн, при этом обеспечивается "захват" части преобразованного излучения сердцевиной световода за счет полного внутреннего отражения на границе сердцевина-оболочка. Эта часть преобразованного излучения попадает либо непосредственно на фотоприемник, либо на световод без люминесцирующих добавок, находящийся в оптическом контакте с фотоприемником. The essence of the proposed method lies in the fact that luminescent additives are introduced into the core of the part of the fiber, which is located inside the investigated cavity. In this case, not only luminescence radiation limited by the aperture of the fiber end face can be transmitted through the fiber, but also that radiation that falls on the side surface of the fiber sheath. Luminescence radiation passes through the transparent sheath of the fiber and enters the core of the fiber containing luminescent additives. Additives convert (isotope re-emit) the medium’s luminescence light into photoluminescence radiation, the spectral maximum of which is shifted relative to the medium’s luminescence emission spectrum relative to the medium’s luminescence emission spectrum towards longer wavelengths, which ensures that the part of the converted radiation is captured by the fiber core due to total internal reflection on the core-shell boundary. This part of the converted radiation falls either directly on the photodetector or on the fiber without luminescent additives, which is in optical contact with the photodetector.

Предлагаемый способ определения интенсивности люминесценции обладает значительно большей чувствительностью, чем прототип, так как позволяет резко увеличить площадь чувствительной поверхности, захватывающей излучение люминесценции. Помимо этого, он эффективен при определении интенсивности люминесценции мутных и малопрозрачных жидкостей, так как позволяет осуществлять светосбор из всего исследуемого объема жидкости. В этом случае геометрия переизлучающей части световода выбирается такой, что исследуемый объем рассекается частями световода, выполненного например в виде "метелки", на фрагменты, каждый из которых находится в оптическом контакте с тем или иным участком чувствительной поверхности световода. Степень разветвления "метелки" зависит от светопоглощающих свойств мутной или неоднородной жидкости. Возможны другие пространственные конфигурации переизлучающей части световода. The proposed method for determining the luminescence intensity has a significantly greater sensitivity than the prototype, as it allows you to drastically increase the area of the sensitive surface that captures the luminescence radiation. In addition, it is effective in determining the luminescence intensity of turbid and non-transparent liquids, as it allows light collection from the entire investigated volume of the liquid. In this case, the geometry of the re-emitting part of the fiber is selected such that the volume under investigation is dissected by parts of the fiber, made for example in the form of a “panicle”, into fragments, each of which is in optical contact with one or another part of the sensitive surface of the fiber. The degree of branching of the panicle depends on the light-absorbing properties of a turbid or inhomogeneous liquid. Other spatial configurations of the re-emitting part of the fiber are possible.

Как показали экспериментальные данные оптимальным является такое "разбиение" исследуемого объема на фрагменты, когда каждый из максимально удаленных участков этих фрагментов находится от соответствующей чувствительной поверхности на расстоянии, на котором экспоненциальный множитель, учитывающий поглощение свойства среды, не превышал бы 0,7. As shown by experimental data, such a “partition” of the test volume into fragments is optimal when each of the most remote sections of these fragments is located at a distance from the corresponding sensitive surface at which the exponential factor taking into account the absorption of the medium’s properties would not exceed 0.7.

Оценивают выигрыш в чувствительности, обеспечиваемый предлагаемым способом по сравнению с прототипом, если используется пространственная структура в виде "метелки" из N волокон диаметром d. Общая площадь торцов оптоволокон в прототипе составит S1= N

Figure 00000001
. . Так как апертурный угол волокна θ<π, то эффективная площадь захвата света будет: S
Figure 00000002
= κ·N
Figure 00000003
, где X=
Figure 00000004
=
Figure 00000005
; θ - апертурный угол волокна; nк, no, nc - показатели преломления материалов керна волокна, оболочки и окружающей среды, соответственно.The gain in sensitivity provided by the proposed method is evaluated in comparison with the prototype if a spatial structure in the form of a “panicle” of N fibers of diameter d is used. The total area of the ends of the optical fibers in the prototype will be S 1 = N
Figure 00000001
. . Since the aperture angle of the fiber is θ <π, the effective area of light capture will be: S
Figure 00000002
= κ
Figure 00000003
where X =
Figure 00000004
=
Figure 00000005
; θ is the aperture angle of the fiber; n k , n o , n c are the refractive indices of the core materials of the fiber, sheath and the environment, respectively.

В предлагаемом способе эффективная площадь захвата света S2эффсовпадает с площадью боковой поверхности S2, так как апертурный угол равен π радиан, поэтому S2ээф = N ˙ π ˙ d ˙ h, где h - глубина погружения волокон в жидкость.In the proposed method, the effective area of light capture S 2eff coincides with the area of the side surface S 2 , since the aperture angle is π radian, therefore S 2eff = N ˙ π ˙ d ˙ h, where h is the immersion depth of the fibers in the liquid.

Таким образом, выигрыш в эффективной площади захвата света составляет
G=

Figure 00000006
=
Figure 00000007
=
Figure 00000008
(1)
Пусть коэффициент преобразования света люминесценции в свет фотолюминесценции добавок в волокне с люминесцирующими добавками Кпр, коэффициент затухания света в волокне с добавками Кз л, коэффициент затухания света в обычном волокне Кз о, тогда выигрыш в чувствительности, обеспечиваемый предлагаемым способом при одинаковой длине световодов в данном способе и прототипе, будет
G=
Figure 00000009
=
Figure 00000010
(2)
Оценим, например, выигрыш в чувствительности, обеспечиваемый предлагаемым способом при использовании полимерного волокна с люминесцирующими добавками кумарина-6 в керне.Thus, the gain in effective area of light capture is
G =
Figure 00000006
=
Figure 00000007
=
Figure 00000008
(1)
Let light conversion coefficient luminescence light PL additives in the fiber with luminescent additives K, etc., light attenuation coefficient in the fiber, with the additives K of L, the light attenuation coefficient in the conventional fiber K s o, then the gain in sensitivity provided by the proposed method for the same length of fibers in this method and prototype will be
G =
Figure 00000009
=
Figure 00000010
(2)
Let us evaluate, for example, the gain in sensitivity provided by the proposed method when using a polymer fiber with luminescent coumarin-6 additives in the core.

Для волокна с керном из полистирола и оболочкой из фторзамещенного полиметилметакрилата характерны следующие значения величин, входящих в формулу (2): Кпр≈ ≈0,08; Кл з ≈ 2,5 1/м; d = 0,01 - 0,06 см.For a fiber with a polystyrene core and a fluorine-substituted polymethylmethacrylate sheath, the following values of the quantities included in formula (2) are characteristic: K pr ≈ ≈0.08; K l z ≈ 2.5 1 / m; d = 0.01 - 0.06 cm.

Если в прототипе использовать многомодовое волокно с керном из тяжелых флинтов и полимерной оболочкой из полиметилметакрилата, то Кз о≈1,002 1/м (≈10 дБ/км); nк = 1,75; no = 1,42.If in the prototype to use a multimode fiber with a core made of heavy flints and a polymer shell of polymethyl methacrylate, then K z about ≈ 1.002 1 / m (≈10 dB / km); n k = 1.75; n o = 1.42.

Выбирают для остальных величин, входящих в формулы (2), (3) следующие значения: h = 1 см = 10-2 м; d = 0,05 см = 5 ˙ 10-4 м; nc= 1,33 (вода).For the remaining quantities included in formulas (2), (3), the following values are selected: h = 1 cm = 10 -2 m; d = 0.05 cm = 5 ˙ 10 -4 m; n c = 1.33 (water).

Вычисляют коэффициенты Х по формуле (3):
X= arcsin

Figure 00000011
0,279. По формуле (2) находят выигрыш в чувствительности:
G=
Figure 00000012
≈ 9,2.The coefficients X are calculated by the formula (3):
X = arcsin
Figure 00000011
0.279. By the formula (2) find the gain in sensitivity:
G =
Figure 00000012
≈ 9.2.

Таким образом, в рассмотренном примере предлагаемого способа обеспечено повышение чувствительности практически на порядок. Thus, in the considered example of the proposed method provides an increase in sensitivity by almost an order of magnitude.

П р и м е р. В качестве исследуемого объема использовалась кювета диаметром 10 мм и высотой 15 мм, наполненная коллоидным раствором крахмала. Кювета облучалась модулированным с частотой 100 Гц ультрафиолетовым излучением с λ = 320 - 380 нм через дно. УФ-излучение возбуждало люминесценцию раствора с λ = 450 нм, излучение которой регистрировалось фотоприемником через светофильтр, отрезающий возбуждающее УФ-излучение, непосредственно с верхнего торца кюветы. В качестве альтернативной постановки был использован предлагаемый способ, в котором применялись полимерные оптоволокна диаметром 0,6 мм, разнесенные друг от друга на расстояние 1 мм, противоположные концы которых, сведенные в жгут, находились в оптическом контакте с ФЭУ. В качестве люминофора, внесенного в сердцевину оптоволокон, подбирался такой люминофор, который возбуждался бы люминесценцией крахмала, но не возбуждался бы первичным УФ-излучением. В данном случае использовался кумарин-6. Оптоволокна вводились в коллоидный раствор на глубину 15 мм. Равенство выходных сигналов ФЭУ наблюдалось при количестве оптоволокон равном 42, что находится в хорошем согласии с численными оценками. PRI me R. A cuvette with a diameter of 10 mm and a height of 15 mm filled with a colloidal starch solution was used as the test volume. The cuvette was irradiated with ultraviolet radiation modulated at a frequency of 100 Hz with λ = 320 - 380 nm through the bottom. UV radiation excited the luminescence of the solution with λ = 450 nm, the radiation of which was detected by a photodetector through a filter that cuts off the exciting UV radiation directly from the upper end of the cell. As an alternative formulation, the proposed method was used in which polymer optical fibers with a diameter of 0.6 mm were used, spaced 1 mm apart, the opposite ends of which, bundled together, were in optical contact with a PMT. As a phosphor introduced into the core of the optical fibers, a phosphor was selected that would be excited by the luminescence of starch, but not excited by primary UV radiation. In this case, coumarin-6 was used. The optical fibers were introduced into the colloidal solution to a depth of 15 mm. Equality of the PMT output signals was observed with the number of optical fibers equal to 42, which is in good agreement with numerical estimates.

Данный способ распространяется на проведение экспресс-анализа в реальном масштабе времени в медицине, биологии, технологии пищевых и непищевых продуктов и материалов. (56) Авторское свидетельство СССР N 891062, кл. A 61 B 1/00, 1983. This method extends to conducting real-time rapid analysis in medicine, biology, technology of food and non-food products and materials. (56) Copyright certificate of the USSR N 891062, cl. A 61 B 1/00, 1983.

Claims (3)

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В ОБЪЕМЕ СРЕДЫ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, включающий облучение среды возбуждающим люминесценцию излучением, прием торцом световода излучения люминесценции, передачу принятого излучения к фотоприемнику и оценку интенсивности люминесценции по уровню выходного сигнала фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности измерений, дополнительно для приема излучения люминесценции используют боковую поверхность световода, находящуюся в контакте со средой, при этом преобразуют излучение люминесценции среды в излучение со спектром, смещенным в длинноволновую область с помощью люминесцирующих добавок, введенных в сердцевину световода. 1. METHOD FOR MEASURING LUMINESCENCE INTENSITY IN THE VOLUME OF THE MEDIUM, PREVIOUSLY OF BIOLOGICAL OBJECTS, including irradiating the medium with exciting luminescence radiation, receiving the end face of the light guide of the luminescence radiation, transmitting the received radiation to the photodetector, and evaluating the luminescence signal with the aim of increasing the luminous intensity measurement sensitivity, in addition to receive luminescence radiation, use the side surface of the fiber in contact with the medium d, in this case, the luminescence radiation of the medium is converted into radiation with a spectrum shifted to the long-wavelength region using luminescent additives introduced into the core of the fiber. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при исследовании мутных сред, для приема излучения люминесценции используют дополнительные световоды, при этом предварительно формируют фрагменты объема среды, в каждом из которых размещают световод, причем границы фрагментов определяют из условия, чтобы экспоненциальный коэффициент, учитывающий поглощение излучения люминесценции среды, не превышал 0,7 на расстоянии от поверхности световода до этой границы. 2. The method according to p. 1, characterized in that, in order to improve the accuracy of measurements in the study of turbid media, additional optical fibers are used to receive luminescence radiation, while fragments of the medium volume are preliminarily formed, in each of which a fiber is placed, and the boundaries of the fragments are determined from the condition that the exponential coefficient taking into account the absorption of the luminescence radiation of the medium does not exceed 0.7 at a distance from the surface of the fiber to this boundary. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при исследовании коллоидного раствора крахмала, облучение проводят модулированным во времени излучением с длиной волны в диапазоне 320 - 380 нм, при этом в качестве люминесцирующей добавки в сердцевину световода вводят краситель кумарин-6. 3. The method according to p. 1, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements in the study of a colloidal starch solution, the irradiation is carried out with time-modulated radiation with a wavelength in the range of 320 - 380 nm, while introducing as a luminescent additive into the core of the fiber Coumarin-6 dye.
SU4768219 1989-12-22 1989-12-22 Method of measuring luminescence intensity in medium, particularly of biological objects RU2012213C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4768219 RU2012213C1 (en) 1989-12-22 1989-12-22 Method of measuring luminescence intensity in medium, particularly of biological objects

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4768219 RU2012213C1 (en) 1989-12-22 1989-12-22 Method of measuring luminescence intensity in medium, particularly of biological objects

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2012213C1 true RU2012213C1 (en) 1994-05-15

Family

ID=21484203

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4768219 RU2012213C1 (en) 1989-12-22 1989-12-22 Method of measuring luminescence intensity in medium, particularly of biological objects

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2012213C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1037874C (en) * 1993-12-31 1998-03-25 黄志仁 short wave ultraviolet light filter and manufacturing method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1037874C (en) * 1993-12-31 1998-03-25 黄志仁 short wave ultraviolet light filter and manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8263947B2 (en) Method and device for localising fluorophores or absorbers in a surrounding medium
CN103635131B (en) The equipment that optical analysis is carried out to linked groups&#39; sample
JP2625098B2 (en) Method and apparatus for detecting sample using electromagnetic signal
US5917190A (en) Object imaging using diffuse light
JP4391714B2 (en) Radiation probe and tooth detection
US9377351B2 (en) Angle of incidence selective band pass filter for implantable chemical sensor
US7818154B2 (en) Monte Carlo based model of fluorescence in turbid media and methods and systems for using same to determine intrinsic fluorescence of turbid media
US6070583A (en) Optical imaging of tissue using inelastically scattered light
Zeng et al. A computerized autofluorescence and diffuse reflectance spectroanalyser system for in vivo skin studies
RU2011135621A (en) MULTI-POINT MULTI-PARAMETER FIBER OPTICAL SIDE LIGHTING SENSOR
US7054002B1 (en) Characterization of luminescence in a scattering medium
EP0253492A2 (en) Fibre-optic probe
CN109350012A (en) A kind of fluorescent material detection system based on doubly clad optical fiber
US7536213B2 (en) Reduction in scattering from a turbid medium by photo-bleaching
RU2012213C1 (en) Method of measuring luminescence intensity in medium, particularly of biological objects
Jaillon et al. Beveled fiber-optic probe couples a ball lens for improving depth-resolved fluorescence measurements of layered tissue: Monte Carlo simulations
Qu et al. Excitation-and-collection geometry insensitive fluorescence imaging of tissue-simulating turbid media
CA2346728C (en) Characterization of luminescence in a scattering medium
CN209215224U (en) Optical system tectosome and optical detecting device
JP3502076B2 (en) Light scattering medium absorption measurement device
US6615068B1 (en) Technique for examining biological materials using diffuse reflectance spectroscopy and the kubelka-munk function
SU1103119A1 (en) Non-contact method of determination of natural water characteristics
RU2698548C1 (en) Device for determining absolute quantum luminescence output
Tromberg et al. Frequency-domain photon migration in turbid media
SU1695189A1 (en) Method of determination of absolute quantum yield of luminescence