5.3. Особенности неинвазивного количественного анализа сложных объектов

Анализ оптических эффектов, возникающих при взаимодействии света с многокомпонентными гетерогенными системами, показывает большие возможности оптической информации для оценки этих объектов. Поскольку они, как правило, являются многокомпонентными гетерогенными сильно рассеивающими непрозрачными объектами с целым рядом специфических оптических эффектов, то необходимо рассмотреть их влияние на особенности получения информации, что крайне важно при количественных измерениях в решении перечисленных выше задач.

Анализ современных методов исследования показывает, что получение информации из таких объектов перспективно осуществлять через регистрацию изменений в электромагнитном излучении при его взаимодействии с объектом. Подчеркнем еще раз, что эти объекты, как правило, многокомпонентны гетерогенны и сильно рассеивают свет (могут быть непрозрачными), то вести анализ без их разрушения необходимо еще и по слоям (например, для определения градиентов концентрации тех или иных компонентов или градиентов степени их пространственной организации). Наиболее полно перечисленным выше требованиям отвечают методы спектроскопии внутреннего отражения.

Любой метод анализа требует знания количества прореагировавшего с электромагнитным излучением образца. Следовательно, одним из самых важных вопросов подобного анализа является разработка методов количественного определения характеристик и параметров этого образца. Особенностью при количественном анализе параметров исследуемых объектов методами внутреннего отражения (в том числе и нарушенного полного внутреннего отражения – НПВО) является зависимость эффективных оптических свойств среды, представляющей совокупную систему (состоящую, например, из твердого образца, воздуха, жидкой среды и т.д.), от объема прореагировавшего с электромагнитным излучением вещества или же от объема заполненного объектами пространства на измерительном элементе. Для решения сформулированных задач предлагаем следующие подходы.

1. В основу первого способа был положен принцип «подходящего индикатора»: если к нанесенным на рабочую поверхность ИЭ, например неразрушенным волокнам, добавить известное количество другого вещества, то разность показаний оптических плотностей в аналитической полосе индикатора при отсутствии образца и в их присутствии пропорциональна концентрации (объему) вещества или же объему незаполненного волокнами пространства (параметры ИЭ изначально известны).

2. Известно, что явление полного внутреннего отражения (ПВО) наступает при падении светового потока на границу раздела «измерительный элемент – образец» под углом θ, большим критического угла падения θ_кр. При этом световой поток проникает в анализируемый образец на некоторую величину d (глубина проникновения). Величина d пропорциональна той части образца, которая прореагировала со светом и которую определяют как эффективную толщину d_эф. Она связана с оптической плотностью D = αNd, где α – показатель поглощения образца, N – число отражений светового потока в ИЭ. Определить θ_кр можно из выражения sin θ_кр = n₂₁ = n₂ /n₁, где n₁ и n₂ – показатели преломления материала измерительного элемента и образца, соответственно. Для воздуха n = 1,0, а для стенок клеток примерно 1,5. Тогда θ воздуха составляет 40º, а для волокон биологического происхождения примерно 52º. Следовательно, при изменении угла падения от 0 до 90º ПВО для воздуха наступает при меньших углах падения, чем для образца, контактирующих с рабочей поверхностью ИЭ. Поэтому интенсивность светового потока на выходе ИЭ при углах падения, меньших критического для образцов, будет пропорциональна объему незаполненного пространства образцом на ИЭ. Это объясняется тем, что при углах, меньших критического, имеет место явление преломления, и световой поток в ИЭ не возвращается. Зная же параметры ИЭ, определяем объем прореагировавшего со светом образца.

3. При использовании поляризованного светового потока, распространяющегося в ИЭ, при каждом отражении его от границы «ИЭ – образец» скачком изменяется фаза параллельной и перпендикулярной составляющих вектора напряженности электрического поля. Причем размер этого сдвига фаз различен для каждой составляющей и зависит от разности показателей преломления совокупной измеряемой системы и ИЭ, а также от угла падения светового потока. При отсутствии образца показатель второй среды постоянен (скажем, для воздуха). Следовательно, разность фаз также постоянна. При наличии образца на части рабочей поверхности ИЭ изменяется показатель преломления. При этом изменяются сдвиги фаз каждой из составляющих электрического вектора и соответственно их разность, которая и является мерой объема прореагировавшего со светом вещества.