Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
величин могут быть полезны для многокомпонентного анализа (табл. 28.1).
Это потребует распространения указанных моделей на биологические
суспензии и, несмотря на их сложность, может дать биологически значимые
результаты.
Ультразвуковые поля используют также для поляризации и агрегации
клеточных популяций. Важным объектом приложения подобных эффектов
являются способы электроакустического слияния клеток [24, 25]. Когда
клеточные суспензии экспонируются в ультразвуковых полях, возникают две
силы, способствующие сближению клеток. Первая сила, возникающая в стоячей
волне, заставляет клетки двигаться ближе к максимумам скорости звукового
поля. Вторая - направлена на то, чтобы клетки пришли в контакт, двигаясь
перпендикулярно направлению амплитуды скорости в отсутствие клеток.
Комбинация этих эффектов будет перемещать клетки преимущественно в те
области звукового поля, где агрегационные силы максимальны [84].
28.5. Акустическая микроскопия
Хотя акустическую микроскопию нельзя рассматривать как биосенсорный
метод, все же имеет смысл обсудить ее последние достижения, открывающие
новые воз-
Мульти-плексер
Трехслойн ый пьезоэлектри чес-кий преодразо 8а -те ль с металлическими
(Au) обкладками
Стержень трансмиттера и приемника (отражения)
OSpa йот ка сигнала
Антиотража-.- тельный слой J Плоскость предмета или поверхность отражения
Измерительна± среда
Стержень
приемника
0 Выходящий о отраженный сигнал
Коллимирую -щая диадзрагма
Cantp ировая
акустическая
линза
Х-Y плоскость сканирования
Обработка
сигнала
Выходящий трансмиссионный сигнал
Рис. 28.5. Схема сканирующего акустического микроскопа, работающего как в
режиме пропускания, так и в режиме отражения звуковых волн (подробности
см. в тексте).
29*
452
Глава 28
можности для биологов. Эти возможности обусловлены не только высоким
разрешением акустической микроскопии, сравнимым с разрешением оптической
микроскопии, но и тем, что проникновение акустических волн через твердое
вещество успешно используется для получения структурной информации на
различных глубинах (см. обзоры [4, 86, 87]). Кроме того, обширные
исследования, предпринятые в последнее десятилетие, значительно углубили
понимание в ряде смежных областей.
Метод сканирующей акустической микроскопии, впервые продемонстрированный
авторами [58, 69], основан на обнаруженном Соколовым в 1949 г. [79]
факте, что акустические волны с частотой в диапазоне нескольких гигагерц
в воде имеют длины волн, близкие к длинам волн видимого света.
Рис. 28.5 схематически иллюстрирует принцип работы акустического
микроскопа одновременно как в трансмиссионном, так и в отражательном
режимах. В первом случае используют два идентичных пьезоэлектрических
преобразователя (ниобат лития при частоте ниже 150 МГц и оксид цинка при
более высоких частотах) с сапфировыми линзами, тогда как во втором случае
применяют конфигурацию с одним линзовым преобразователем, попеременно
переключаемым в режимы возбуждения и приема. Возбуждающими
радиочастотными (РЧ) сигналами воздействуют на пропускающие линзы,
которые генерируют в сапфировом стержне продольные волны. Последние
фокусируются оконечными линзами в пучок с сужением, ограничиваемым
дифракцией. В трансмиссионном микроскопе приемная линза, конфокальная
передающей, собирает и коллимирует акустический сигнал перед превращением
его в электрический. Разрешение такого микроскопа в основном определяется
сужением пучка. При использовании высококачественной широкоапертурной
линзы (//0,7) диаметр пучка может достигать 0,7X. Ясно, что теоретическое
разрешение акустической микроскопии можно было бы увеличить еще больше с
помощью методов обработки данных. Экспериментально показано [85], что при
использовании итерационного алгоритма экстраполяции спектра, основанного
на методе Герхберга, достижимо разрешение изображений выше критерия
Релея.
Многие способы создания изображений, разработанные в оптической
микроскопии (а именно создание стереоизображений, темнопольный, фазовый и
дифференциальный фазовый контраст), имеют точные аналогии в акустической
микроскопии [86]. При возбуждении РЧ-сигналом пьезоэлектрические
преобразователи генерируют когерентные волны, которые в режиме приема
снова превращаются в когерентный РЧ-сигнал. Следовательно, в каждой
исследуемой точке развертки можно измерить как фазу, так и амплитуду. Для
получения стереоизображения берут два изображения при различных углах
плоскости сканирования; при формировании темного поля излучатель заменяют
плосковолновым преобразователем, а перед приемной линзой помещают
апертурную диафрагму нулевого порядка. Принципы фотоакустической
спектроскопии используют также в акустических микроскопах. При этом в
каждой исследуемой точке возможны количественные измерения.
Биологические материалы отличаются высокой акустической контрастностью
без использования каких-либо -методов окрашивания. С помощью сканирующей
акустической микроскопии исследовали живые красные кровяные клетки и
