Spectroscopia Terahertz a agenților de curățare optică prin imersiune DMSO, PG, EG, PEG

SALVAȚI LA BIBLIOTECA MEA

CUMPĂRAȚI ACEST CONȚINUT

ABONAȚI-VĂ LA BIBLIOTECA DIGITALĂ

50 de descărcări pe abonament de 1 an

25 de descărcări pe abonament de 1 an

CUMPĂRAȚI UN ARTICOL UNIC

Include PDF, HTML și video, atunci când sunt disponibile

Aplicarea spectroscopiei terahertz (THz) pentru țesuturile biologice este puternic limitată de adâncimea de penetrare extrem de scăzută datorită absorbției THz de către apa din țesuturi. Una dintre soluțiile posibile la o astfel de problemă este utilizarea agenților de intensificare a penetrării undelor THz (PEA) pentru curățarea optică a țesuturilor. În lucrarea de față, spectroscopia THz în mod de transmisie a unui set de PEA (polietilen glicol cu ​​greutate moleculară diferită, propilen glicol, etilen glicol și dimetil sulfoxid) a fost efectuată pentru a reconstitui proprietățile lor dielectrice și a le compara cu cele ale apei . Rezultatele obținute subliniază fezabilitatea utilizării PEG pentru a spori adâncimea de penetrare a undelor THz în țesuturi.

INTRODUCERE

În ultimele decenii, spectroscopia terahertz (THz) a fost intens studiată ca metodă nouă de diagnostic neinvaziv, cel mai puțin invaziv și intraoperator, fără etichete, a tumorilor maligne în diferite localizări, inclusiv în piele, 1-4 pe cale orală, 5 pe ficat, 6 gastric, 7, 8 colon 9-11 și sân. 12-17 Având o sensibilitate puternică la conținutul de apă, spectroscopia THz o folosește pentru detectarea țesuturilor maligne. 18–22 În același timp, absorbția puternică a undelor THz de către apă formează un dezavantaj esențial al diagnosticului THz - adâncime mică de penetrare în țesuturi cu conținut ridicat de apă; astfel, undele THz ar putea fi utilizate pentru sondarea numai a proprietăților superficiale ale țesuturilor. 23

Pentru reducerea absorbției de apă THz în țesuturi sunt utilizate mai multe abordări. Printre acestea se numără înghețarea țesuturilor, 24-26 deshidratarea prin încălzire, 27 fixarea formalinei, 28 încorporarea parafinei, 26, 29-31 și liofilizarea. 32 Cu toate acestea, aceste tehnici consumă mult timp, necesită pregătiri dificile și nu au putut fi aplicate in vivo. Mai mult, unele dintre ele au ca rezultat și schimbări structurale semnificative în biotesuturi în cadrul expunerii pe termen lung. O altă tehnică, care demonstrează rezultate destul de proeminente, este compensarea optică prin imersiune. 26, 33-44

Se bazează pe aplicarea unor agenți chimici specifici pentru îmbunătățirea penetrării (PEA), cum ar fi polietilen glicolul. Acești agenți interacționează cu țesuturile și își schimbă proprietățile optice. În domeniul optic, acest lucru duce la modificări ale contrastului dielectric și a coeficientului de extincție; în gama THz - modificări ale conținutului de apă și, în consecință, ale indicelui de refracție. Acești agenți ar trebui să fie caracterizați prin stare hiperosmotică, coeficient ridicat de difuzie și absorbție scăzută a undelor THz. Cu toate acestea, lipsa datelor despre proprietățile dielectrice ale diferitelor PEA nu permite selectarea celei optime pentru aplicațiile THz și întârzie utilizarea tehnicilor de compensare optică prin imersie în gama THz.

În prezenta lucrare, spectroscopia THz în domeniul timpului a fost aplicată pentru a investiga un set de PEA, adică polietilen glicol (PEG) cu greutatea moleculară 200, 300, 400, grad biochimic (BC) PEG cu greutatea moleculară 400, propilen glicol (PG), etilen glicol (EG) și dimetil sulfoxid (DMSO). 19, 45 Rezultatele obținute subliniază potențialul utilizării compensării optice prin imersiune pentru îmbunătățirea adâncimii de penetrare a radiației THz.

MATERIALE ȘI METODE

Agenți care îmbunătățesc penetrarea

În studiile experimentale am utilizat soluții inițiale ale următorilor agenți fără purificare și dizolvare ulterioară:

• PEG cu greutatea moleculară 200, 300, 400 (PEG 200, Nizhnekamskneftekhim, Rusia; PEG 300, Sigma-Aldrich, Germania; PEG 400, Nizhnekamskneftekhim, Rusia);

• soluție PEG de calitate biochimică cu greutatea moleculară 400 (PEG 400 (BC) AppliChem, Germania);

• DMSO (SpektrChem, Rusia);

• EG (SpektrChem, Rusia);

• PG (Chemical Line Co. Ltd, Rusia).

Setare experimentala

Spectrometrul în domeniu de timp THz (TDS) aplicat funcționează în modul de transmisie în intervalul de la 0,1 la 2,0 THz cu rezoluție spectrală maximă ∼ 0,015 THz. Au fost utilizate antene fotoconductive LT-GaAs pentru emisie și detectare THz. Laserul cu femtosecundă Toptica FErb780 a fost utilizat atât pentru pomparea antena-emițător, cât și pentru sondarea detectorului de antenă.

TDS a fost echipat cu cuva dezvoltată pentru măsurarea proprietăților de transmisie THz ale agenților lichizi enumerați (vezi Fig. 1). Acesta consta din două părți metalice, adică carcasă și capac, care au fost unite între ele prin 6 șuruburi de strângere. Două ferestre din siliciu cu rezistență ridicată (HRFZ-Si) cu grosime de 2 mm au fost plasate în interiorul cuvei; Stratul PEA a fost fixat între ele prin garnitura subțire din polietilenă (PE). Fereastra de jos a fost lipită de partea inferioară a carcasei cuvei. Garnitura de cauciuc a fost plasată între fereastra superioară și capacul cuvei pentru a exclude deplasarea agentului. După fiecare măsurare, cuva a fost demontată, curățată cu apă și uscată; iar în cazul agenților excesiv de vâscoși, acesta a fost curățat în baia cu ultrasunete Elmasonic S30H (Elma Schmidbauer GmbH, Germania). În cele din urmă, ferestrele HRFZ-Si au fost clătite cu apă deionizată.

figura 1.

Cuva dezvoltată pentru măsurarea agenților PEA în două poziții; (a) detectarea formei de undă a eșantionului; (b) detectarea formei de undă de referință; (c) Vizualizare 3D a cuvei.

Reconstrucția parametrilor materiale

Reconstrucția proprietăților dielectrice THz ale PEA a fost realizată pe baza celor două semnale ale domeniului timp al TDS - eșantionul și formele de undă de referință. 19, 45 Pentru prima, PEA a fost plasat între ferestrele HRFZ-Si (vezi Fiq. 1 (a)); pentru al doilea, stratul de agent a fost îndepărtat și radiația THz transmisă numai prin două ferestre închise (vezi Fiq. 1 (b)). Grosimea și indicele de refracție al ferestrelor HRFZ-Si erau cunoscute a priori, fiind incomparabil mai mari decât cele ale agenților considerați. Am ignorat interferențele din ferestrele HRFZ-Si pentru procedura de reconstrucție, în timp ce apodizarea Tukey (filtrarea ferestrei domeniului de timp) a fost aplicată pentru a filtra o contribuție a impulsurilor de satelit, cauzată de interferența multiplă a undelor THz într-o fereastră HRFZ-Si.

Formele de undă primite au fost utilizate în continuare în algoritmul de reconstrucție a materialului, care se bazează pe minimizarea erorii funcționale vectoriale

Unde Han) și Hexp sunt funcțiile de transfer teoretice și experimentale dependente de frecvență, n = n ′ - în ″ este indicele de refracție complex dependent de frecvență corespunzător permitivității dielectrice ε = ε ′ - e ″ la fel de ε = n 2, n ″ = αc/ 4πv unde α este coeficientul de absorbție a intensității dependent de frecvență și c este viteza luminii în vid; operatorii |… | și ∠ [∠] denotă modulul și, respectiv, faza argumentului. Funcția de transfer experimental se bazează pe formele de undă măsurate

unde și reprezintă spectrele Fourier ale formelor de undă de referință și respectiv ale eșantionului. Funcția de transfer teoretic al impulsului THz presupune ignorarea interferențelor în ferestrele de referință și este prezentată ca

unde indicii 0, 1 și 2 reprezintă aer, HRFZ-Si și, respectiv, PEA; T, R, P sunt operatorii de transmisie, reflectanță și propagare a amplitudinii complexe dependenți de frecvență, respectiv; l este grosimea materialului. Presupunând incidența normală a undei electromagnetice plane THz pe fereastră, reflexia amplitudinii impulsului THz și transmisia la interfața dintre m th și k th media, precum și întârzierea fazei și atenuarea acesteia în timpul propagării prin q th mediul în vrac poate fi descris prin intermediul formulelor Fresnel și legii Bouguer-Lambert-Beer

unde indicii m, k, q = 0, 1, 2 corespund aerului, respectiv HRFZ-Si și PEA. Indicii de refracție complexi ai aerului n0, HRFZ-Si n1, PEA n2 și grosimea ferestrelor de referință l1 sunt cunoscute a priori.

REZULTATE

Figura 2 prezintă rezultatele experimentale pentru agenții considerați și apă, obținute conform procedurii menționate anterior. Proprietățile dielectrice au fost reconstituite în intervalul de frecvență de la 0,1 la 2 THz. Regiunea albastră indică intervalul spectral, unde proprietățile dielectrice reconstituite ar putea fi afectate de distorsiunile datorate difracției fasciculului THz de pe diafragma cuvetei. Reproductibilitatea datelor experimentale și fluctuațiile răspunsului THz au fost examinate luând în considerare grosimea diferită a soluțiilor probei. Așa cum se arată în FIG. 2, rezultatele observate sunt de acord cu datele raportate anterior. 35, 46, 47

Figura 2.

Rezultatele spectroscopiei THz a PEA-urilor considerate cu grosime l comparativ cu apa (linii); date referențiale ale materialelor măsurate anterior (markeri); intervalul de erori (indicat cu culoare gri) reprezintă 3σ, Aici σ reprezintă o abatere standard a măsurătorilor. Condițiile de măsurare includ temperatura și umiditatea camerei, prin urmare, atributele spectrale tipice legate de oscilațiile umidității sunt clar vizibile. Regiunea albastră indică intervalul spectral, în care proprietățile dielectrice reconstituite ar putea fi afectate de distorsiunile datorate difracției fasciculului THz pe deschiderea cuvetei.

Rezultatele măsurătorilor spectroscopice ale diferitelor PEA demonstrează că cea mai mică absorbție în domeniul spectral larg THz aparține grupului polimeric, adică Agenți PEG; astfel, ei par a fi potențiali candidați pentru curățarea optică a țesuturilor în aplicațiile THz. Cu toate acestea, analiza mai detaliată ar trebui să ia în considerare un anumit biotesut și frecvențe THz, precum și viteza de difuzie și neinvazivitatea PEA, pentru a selecta protocolul optim de compensare optică.

CONCLUZII

În această lucrare, am demonstrat rezultatele spectroscopiei THz a agenților de curățare PEG 200, 300, 400, PG, etilen glicol și DMSO. Am folosit spectrometru în domeniu de timp THz pentru măsurătorile experimentale și am comparat proprietățile dielectrice estimate cu cele ale apei. Rezultatele obținute arată indicele de refracție scăzut și coeficientul de absorbție al agenților de curățare a polimerilor în comparație cu agenții PG, EG și DMSO într-o gamă largă de THz. Aceste rezultate evidențiază avantajul utilizării PEA-urilor polimerice pentru a îmbunătăți adâncimea de penetrare a radiației THz.

MULȚUMIRI

Lucrarea a fost susținută de grantul de la Russian Science Foundation (RSF), proiect # 18-12-00328.

• Nutriție științifică; s 7 agenți de slăbire pentru a slăbi talia!
• Placa de iluzie optică ajută la controlul porțiunilor, arată studiul Kent State
• Sursă capsula de curățare a grăsimii din plante din China, pierderea în greutate pastile de slăbire a capsulei
• Anapol optic metamaterial ACS Nano
• Revizuirea tratamentului nechirurgical și chirurgical și a rolului agenților sensibilizatori la insulină în