Низкокогерентная полнопольная интерферометрия объемной структуры кристаллизовавшейся капли солевого раствора белка

Кальянов А.Л., Лычагов В.В., Малинова Л.И., Пайзиев А.А., Рябухо В.П.

Аннотация:
Разработаны программный комплекс визуализации внутренней структуры прозрачного слоистого биологического объекта и алгоритмы измерения его оптических и физических свойств с использованием компьютеризированного метода низкокогерентной полнопольной интерферометрии. Показана возможность применения метода для исследования объемной пространственной структуры кристаллизовавшейся капли биологической жидкости, получаемой методом клиновидной дегидратации, и изучения динамики процессов ее структуризации. Представлены микротомограммы фрагментов капли, предложена методика измерения краевого угла и локального показателя преломления. Обнаружено значительное отличие локального показателя преломления различных участков исследуемого объекта. Продемонстрирована динамика изменения краевого угла капли в процессе высыхания.

Abstract:
Low-coherence full-field interferometry method is proposed to investigate inner structure of transparent layered biological objects. Visualization program and algorithm of optical and physical property measurements were worked out. It was shown in the paper that this method can be used in volume structure of crystallized drop of biological liquid investigation in static and dynamic process. Microtomograms of fragments of the drops are shown. Methods of contact angle and local refractive index measurements are investigated. Significant differences of local refractive index of different parts of drops are detected. Dynamic of contact angle of drying drop are shown.

Ключевые слова: полнопольная низкокогерентная интерферометрия, томография, интерференционные измерения, визуализация, клиновидная дегидратация белка.

Key words:full-filed low coherence interferometry, tomography, interference measurements, visualization, wedge dehydration of protein.

Литература:

  1. Матюнин, С.А. Моделирование состояния эндотелиальных клеток по их фотоизображению / С.А. Матюнин, Н.С. Селиверстова // Компьютерная оптика. – 2002. – Т. 24. – С. 173–177.
  2. Куприянов, А.В. Оценивание диагностических параметров сосудов на изображениях глазного дна в области диска зрительного нерва / А.В. Куприянов, Н.Ю. Ильясова, М.А. Ананьин // Компьютерная оптика. – 2006. – Т. 29. – С. 141-145.
  3. Ильясова, Н.Ю. Метод выделения центральных линий кровеносных сосудов на диагностических изображениях / Н.Ю. Ильясова, А.О. Корепанов, П.М. Чикулаев // Компьютерная оптика. – 2006. – Т. 29. – С. 146-150.
  4. Жулькова, Е.С. Технология выделения лейкоцитов на изображениях препаратов крови / Е.С. Жулькова, Н.Ю. Ильясова, А.В. Куприянов // Компьютерная оптика. – 2007. – Т. 31. -№ 2. – С. 77-81.
  5. Пластинин, А.И. Разработка методов формирования цвето-текстурных признаков для анализа биомедицинских изображений / А.И. Пластинин, А.В. Куприянов, Н.Ю. Ильясова // Компьютерная оптика. – 2007. – Т. 31, № 2. –С. 82-85.
  6. Шабалин, В.Н. Морфология биологических жидкостей человека / В.Н. Шабалин, С.Н. Шатохина. - М.: Хризостом, 2001. – 304 с.
  7. Рапис, Е.Г. Изменение физической фазы неравновесной пленки комплекса белков плазмы крови у больных с карциномой / Е.Г. Рапис // Журнал технической физики. – 2002. – Т. 72. -№ 4. – С. 139–142.
  8. Яхно, Т.А. О существовании регулярных структур в жидкой сыворотке (плазме) крови человека и фазовых переходах в процессе ее высыхания / Т.А. Яхно, О.А. Седова, А.Г. Санин, А.С. Пелющенко // Журнал технической физики. – 2003. – Т.73. -№4. 23–27.
  9. Малинова, Л.И. Диагностическое значение дегидратационной самоорганизации плазмы крови больных ишемической болезнью сердца / Л.И. Малинова, Ю.В. Сергеева, Г.В. Симоненко, Т.П. Денисова, П.Я. Довгалевский, В.В. Тучин // Клиническая лабораторная диагностика. – 2007. – №10. – С. 14-16.
  10. Функциональная морфология сыворотки крови больных ишемической болезнью сердца: атлас / сост.: Л.И. Малинова, А.А. Свистунов, Т.П. Денисова, Ю.В. Сергеева. – Саратов: Новый ветер, 2008. – 56 с.
  11. Тарасевич, Ю.Ю. Качественный анализ закономерностей высыхания капли многокомпонентного раствора на твердой подложке / Ю.Ю. Тарасевич, Д.М. Православнова // Журнал технической физики. – 2007. – Т. 77. -№ 2. – С. 17–21.
  12. Рапис, Е.Г. Образование упорядоченной структуры при высыхании пленки белка / Е.Г. Рапис // Письма в ЖТФ. – 1988. – Т. 14. -№ 17. – С. 1560–1564.
  13. Рапис, Е.Г. Автоволновой процесс в динамике фазового перехода в пленке белка / Е.Г. Рапис, Г.Ю. Гасанова // Журнал технической физики. – 1991. – Т. 61, № 4. – С. 62–71.
  14. Рапис, Е.Г. Свойства и виды симметрии твердотельной кластерной фазы белка. / Е.Г. Рапис // Журнал технической физики. – 2001. – Т. 71. -№ 10, – С. 104–111.
  15. Рапис, Е.Г. К проблеме нуклеации (образования клеток) при самоорганизации наноструктур белка in vitro и in vivo / Е.Г. Рапис // Журнал технической физики. – 2005. – Т.75. -№. 6. – С. 107–113.
  16. Гольбрайх, Е. О формировании узора трещин в свободно высыхающей пленке водного раствора белка / Е. Гольбрайх, Е.Г. Рапис, С.С. Моисеев // Журнал технической физики. – 2003. – Т.73. -№ 10. – С. 116–121.
  17. Рапис, Е.Г. Самоорганизация и супермолекулярная химия пленки белка от нано- до макромасштаба / Е.Г. Рапис // Журнал технической физики. – 2004. – Т. 74. -№ 4. – С. 117–122.
  18. Рапис, Е.Г. Неравновесное состояние наноструктур белка при его самоорганизации / Е.Г. Рапис // Журнал технической физики. – 2006. – Т. 76. -№ 2. – С. 121–127.
  19. Рапис, Е.Г. Самосборка кластерных пленок белка в процессе конденсации (аллотропная неравновесная некристаллическая форма) / Е.Г. Рапис // Журнал технической физики. – 2000. – Т. 70, № 1. – С. 122–133.
  20. Тарасевич, Ю.Ю. Влияние диффузии на разделение компонентов биологической жидкости при клиновидной дегидратации / Ю.Ю. Тарасевич, А.К. Аюпова // Журнал технической физики. – 2003. – Т. 73, № 5. – С. 13–18.
  21. Терасевич, Ю.Ю. Механизмы и модели дегидратационной самоорганизации биологических жидкостей / Ю.Ю. Тарасевич // Успехи физических наук. –2004. – Т. 174, № 7. – С. 779–790.
  22. Яхно, Т.А. Белок и соль: пространственно-временные события в высыхающей капле / Т.А. Яхно, В.Г. Яхно, А.Г. Санин, О.А. Санина, А.С. Пелюшенко // Журнал технической физики. – 2004. – Т. 74, № 8. – С. 100–108.
  23. Яхно, Т.А. Основы структурной эволюции высыхающих капель биологических жидкостей / Т.А. Яхно, В.Г. Яхно // Журнал технической физики. – 2009. – Т. 79, № 8. – С. 133–141.
  24. Лычагов, В.В. Низкокогерентная микроинтерферометрия внутренней структуры кристаллизовавшейся плазмы крови / В.В. Лычагов, А.Л. Кальянов, В.П. Рябухо / Оптика и спектроскопия. – 2009. – Т. 107, № 6. – С. 909–916.
  25. Dubois, A. High-resolution full-field optical coherence tomography with a Linnik microscope / A. Dubois, L. Vabre, A. Boccara, E. Beaurepaire // Applied Optics. – 2002. – Vol. 41, N. 4. – P. 805–812.
  26. Vabre, L. Thermal-light full-field optical coherence tomography / L. Vabre, A. Dubois, A.C. Boccara // Optics Letters. – 2002. – Vol. 27, N. 7. – P. 530–532.
  27. Laude, B. Full-field coherence tomography with thermal light / Laude B., De Martino A., Dravillon B., Benattar L., Schwartz L. // Applied Optics. – 2002. – Vol. 41, N. 31. – P. 6637–6645.
  28. Вишняков, Г.Н. Томографическая микроскопия трехмерных фазовых объектов в частично когерентном свете / Г.Н. Вишняков, Г.Г. Левин, В.Л. Минаев // Оптика и спектроскопия. – 2003. – Т.95, № 1. – С. 142–146.
  29. Oh, W.Y. Ultrahigh-resolution full-field optical coherence microscopy using InGaAs camera / Oh W.Y., Bouma B.E., Iftimia N., Yun S.H., Yelin R., Tearney G.J. // Optics Express. – 2006. – Vol.14, N. 2. – P. 726–735.
  30. Ohmi, M. Ultra-high resolution optical coherence tomography (OCT) using a halogen lamp as the light source / M. Ohmi, M. Haruna. // Optical Review. – 2003. – Vol. 10, N. 5. – P. 478–481.
  31. Akiba, M. In vivo video-rate cellular-level full-field optical coherence tomography / M. Akiba, Kin Pui Chan. // Journal of biomedical optics. – 2007. – Vol. 12, N. 6. – P. 064024.
  32. Dubois, A. Ultrahigh-Resolution Full-Field Optical Coherence Tomography / A. Dubois, K. Grieve, G. Moneron, R. Lecaque, L. Vabre, C. Boccara // Applied Optics. – 2004. – Vol. 43, N. 14. – P. 2874–2883.
  33. Angelsky, O.V. Optical correlation diagnostics of rough surfaces with large surface inhomogeneities / O.V. Angelsky, A.P. Maksimyak, P.P. Maksimyak, S.G. Hanson // Optics express. – 2006. – V. 14, N. 6. – P. 7299–7311.
  34. Dubois, A. Spectroscopic ultrahigh-resolution full-field optical coherence microscopy / A. Dubois, J. Moreau, C. Boccara // Optics Express. – 2008. – Vol. 16, N. 21. – P. 17082–17091.
  35. Moneron, G. Polarization-sensitive full-field optical coherence tomography / G. Moneron, A.C. Boccara, A. Dubois // Optics letters. – 2007. – Vol. 32, N. 14. – P. 2058-2060.
  36. Lingfeng, Yu Full-color three-dimensional microscopy by wide-field optical coherence tomography / Yu Lingfeng, M.K. Kim // Optics Express. – 2004. – Vol. 12, N. 26. – P. 6632–6641.
  37. Ахманов, С.А. Введение в статистическую радиофизику и оптику / С.А. Ахманов, Ю.Е. Дьяков, А.С. Чиркин – М.: Наука. – 1981. – 640 с.
  38. Гудмен, Дж. Статистическая оптика / Дж. Гудмен; – пер. с англ. М.: Мир, – 1988. – 528 с. (J.W. Goodman. Statistical optics. John Wiley & Sons, New York, 1985).
  39. Fercher, A. F. Optical coherence tomography - principles and applications / A. F. Fercher, W. Drexler, C. K. Hitzenberger, T. Lasser // Report Prog. Phys. – 2003. – Vol. 66. N. 2.– P. 239–303.
  40. Гуров, И.П. Оптическая когерентная томография: принципы, проблемы и перспективы / И.П. Гуров // В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики, под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. – СПб :СПбГУ ИТМО. – 2004. – С. 6-30.
  41. Бородин, С.А. Автоматизированное устройство для оценки степени чистоты подложки по динамическому состоянию капли жидкости, наносимой на ее поверхность / С.А. Бородин, А.В. Волков, Н.Л. Казанский // Компьютерная оптика. – 2005. – Т. 28. – С. 69-76.

References:

  1. Matunina, S.A. Endothelial cells status modeling using its photos / S.A. Matunina, N.S. Seliverstova // Computers optics. – 2002. – Vol. 24. – P. 173-177.
  2. Kupriyanov, A.V. Diagnostic parameters of eye grounds blood vessels near optic disk estimation / A.V. Kupriyanov, N.Yu. Il'yasova, M.A. Anan'in // Computers optics. – 2006. – Vol. 29. – P. 141-145.
  3. Il'yasova, N.Yu. Method of central lines of blood vessels separation on diagnostic images / N.Yu. Il'yasova, A.O. Korepanov, P.M. Chikulaev // Computers optics. – 2006. – Vol. 29. – P. 146-150.
  4. Gul'kova, E.S. Technique of leukocyte separation on images of blood preparation / E.S. Gul'kova, N.Yu. Il'yasova, A.V. Kupriyanov // Computers optics. – 2007. – Vol. 31, N. 2. – P. 77-81.
  5. Plastinin, A.I. Develop of methods of color and texture characters forming for biomedical images analyzing / A.I. Plastinin, A.V. Kupriyanov, N.Yu. Il'yasova // Computers optics. – 2007. – Vol. 31, N. 2. – P. 82-85.
  6. Shabalin, V.N. Morphology of human biological liquids / V.N. Shabalin, S.N. Shatohina – Moscow, Hrizostom, 2001. – 304 p. – (in Russian).
  7. Rapis, E. A change in the physical state of a nonequilibrium blood plasma protein film in patients with carcinoma / E. Rapis // Technical Physics. – Vol. 47, N. 4. – P. 510–512.
  8. Yakhno, T.A. On the existence of regular structures in liquid human blood serum (plasma) and phase transitions in the course of its drying / T.A. Yakhno, O.A. Sedova, A.G. Sanin, A.S. Pelyushenko // Technical Physics. –2003. – Vol. 48, N. 4. – P. 399–403.
  9. Malinova, L.I. Diagnostic significance of plasma dehydration self-organization of patients with hart ischemia disease / L.I. Malinova, Yu.V. Sergeeva, G.V. Simonenko, T.P. Denisova, P.Ya. Dovgalevskii, V.V. Tuchin // Clinical Laboratory Diagnostic. – 2007. – N. 10. – P. 14-16. – (in Russian).
  10. Fundamental morphology of blood serum of patients with hart ischemia disease / edited by L.I. Malinova, A.A. Svistunov, T.P. Denisova, Yu.V. Sergeeva. – Saratov, Novii Veter, 2008. – 56 p. – (in Russian).
  11. Tarasevich, Yu.Yu. Drying of a multicomponent solution drop on a solid substrate: Qualitative analysis / Yu.Yu. Tarasevich, D.M. Pravoslavnova // Technical Physics. –2007 – Vol. 52, N. 2. – P. 159–163.
  12. Rapis, E.G. Regular structure formation of drying protein film / E.G. Rapis // Technical Physics Letters. – 1988. – Vol. 14, N. 17. – P. 1560–1564. – (in Russian).
  13. Rapis, E.G. Autowave process of protein film phase change / E.G. Rapis // Technical Physics. – 1991. – Vol. 61, N. 4. – P. 62–71. – (in Russian).
  14. Rapis, E. Properties and symmetry of the solid cluster phase of protein / E. Rapis // Technical Physics. – Vol. 46, N. 10. – P. 1307–1313.
  15. Rapis, E. On the problem of nucleation (cell formation) in self-organization of protein nanostructures in vitro and in vivo / E. Rapis // Technical Physics. – Vol. 50, N. 6. – P. 780–786.
  16. Golbraikh, E. On the crack pattern formation in a freely drying protein film / E. Golbraikh, E.G. Rapis and S.S. Moiseev // Technical Physics. – Vol. 48, N. 10. – P. 1333–1337.
  17. Rapis, E. Self-organization and supramolecular chemistry of protein films from the nano-to the macroscale / E. Rapis // Technical Physics. – Vol. 49, N. 4. – P. 494–498.
  18. Rapis, E. Nonequilibrium state of self-organized protein nanostructures / E. Rapis // Technical Physics. – Vol. 51, N. 2. – P. 268–273.
  19. Rapis, E.G. Self-assembly of cluster protein films (allotropic nonequilibrium noncrystalline modification) during the process or their condensation / E.G. Rapis // Technical Physics. – 2000. – Vol. 45, N. 1. – P. 121–131.
  20. Tarasevich, Yu.Yu. Effect of diffusion on the separation of components in a biological fluid upon wedge-shaped dehydration / Yu.Yu. Tarasevich, A.K. Ayupova // Technical Physics. –2003. – Vol. 48, N. 5. – P. 535–540.
  21. Tarasevich, Yu.Yu. Mechanisms and models of the dehydration self-organization in biological fluids / Yu.Yu. Tarasevich // Physics-Uspekhi. – 2004. – Vol. 47, N. 7. – P.717.
  22. Yakhno, T.A. Protein and salt: Spatiotemporal dynamics of events in a drying drop / T. A. Yakhno, V. G. Yakhno, A. G. Sanin, O. A. Sanina and A. S. Pelyushenko // Technical Physics. –2004. – Vol. 49, N. 8. – P. 1055–1063.
  23. Yakhno, T.A. Structural evolution of drying drops of biological fluids / T.A. Yakhno, V.G. Yakhno // Technical Physics. – 2009. –Vol. 54, N. 8. – 1219–1227.
  24. Lychagov, V.V. Low_Coherence Interference Microscopy of the Internal Structure of Crystallized Blood Plasma / V.V. Lychagov, A.L. Kalyanov, V.P. Ryabukho // Optics and Spectroscopy. – 2009. – Vol. 107, N. 6. – P. 859–865.
  25. Dubois, A. High-resolution full-field optical coherence tomography with a Linnik microscope / A. Dubois, L. Vabre, A. Boccara, E. Beaurepaire // Applied Optics. – 2002. – Vol. 41, N. 4. – P. 805–812.
  26. Vabre, L. Thermal-light full-field optical coherence tomography / L. Vabre, A. Dubois, A.C. Boccara // Optics Letters. – 2002. – Vol. 27, N. 7. – P. 530–532.
  27. Laude, B. Full-field coherence tomography with thermal light / Laude B., De Martino A., Dravillon B., Benattar L., Schwartz L. // Applied Optics. – 2002. – Vol. 41, N. 31. – P. 6637–6645.
  28. Vishnyakov, G.N. Tomographic microscopy of three-dimensional phase objects in spatially incoherent light / G.N. Vishnyakov, G.G. Levin, V.L. Minaev // Optics and Spectroscopy. –2003. – Vol. 95, N. 1. – P. 134–138.
  29. Oh, W.Y. Ultrahigh-resolution full-field optical coherence microscopy using InGaAs camera / Oh W.Y., Bouma B.E., Iftimia N., Yun S.H., Yelin R., Tearney G.J. // Optics Express. – 2006. – Vol.14, N. 2. – P. 726–735.
  30. Ohmi, M. Ultra-high resolution optical coherence tomography (OCT) using a halogen lamp as the light source / M. Ohmi, M. Haruna. // Optical Review. – 2003. – Vol. 10, N. 5. – P. 478–481.
  31. Akiba, M. In vivo video-rate cellular-level full-field optical coherence tomography / M. Akiba, Kin Pui Chan. // Journal of biomedical optics. – 2007. – Vol. 12, N. 6. – P. 064024.
  32. Dubois, A. Ultrahigh-Resolution Full-Field Optical Coherence Tomography / A. Dubois, K. Grieve, G. Moneron, R. Lecaque, L. Vabre, C. Boccara // Applied Optics. – 2004. – Vol. 43, N. 14. – P. 2874–2883.
  33. Angelsky, O.V. Optical correlation diagnostics of rough surfaces with large surface inhomogeneities / O.V. Angelsky, A.P. Maksimyak, P.P. Maksimyak, S.G. Hanson // Optics express. – 2006. – V. 14, N. 6. – P. 7299–7311.
  34. Dubois, A. Spectroscopic ultrahigh-resolution full-field optical coherence microscopy / A. Dubois, J. Moreau, C. Boccara // Optics Express. – 2008. – Vol. 16, N. 21. – P. 17082–17091.
  35. Moneron, G. Polarization-sensitive full-field optical coherence tomography / G. Moneron, A.C. Boccara, A. Dubois // Optics letters. – 2007. – Vol. 32, N. 14. – P. 2058-2060.
  36. Lingfeng, Yu Full-color three-dimensional microscopy by wide-field optical coherence tomography / Yu Lingfeng, M.K. Kim // Optics Express. – 2004. – Vol. 12, N. 26. – P. 6632–6641.
  37. Ahmanov, S.A. Introduction in statistic radiophysics and optics / S.A. Ahmanov, Yu.E. D'yakov, A.S. Chirkin – Moscow, Nauka. – 1981. – 640 p.
  38. Goodman, J.W. Statistical optics / J.W. Goodman – John Wiley & Sons, New York, 1985.
  39. Fercher, A. F. Optical coherence tomography - principles and applications / A. F. Fercher, W. Drexler, C. K. Hitzenberger, T. Lasser // Report Prog. Phys. – 2003. – Vol. 66. N. 2.– P. 239–303.
  40. Gurov, I.P. Optical coherence tomography: principles, problems and perspectives / I.P. Gurov // Problems of coherence and nonlinear optics, edited by I.P. Gurov, S.A. Kozlova. – Sent-Petersburg, SPbGU ITMO. – 2004. – P. 6–30. – (in Russian).
  41. Borodin, S.A. Automated device for substrate cleanness estimation using dynamic status of liquid drop on substrate surface / S.A. Borodin, A.V. Volkov, N.L. Kazansky // Computers optics. 2005. – Vol. 28. – P. 69-76.

© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846 2) 332-56-22, факс: +7 (846 2) 332-56-20