3.2. Измерительные эффекты для аналитических исследований

Все виды исследования в лабораторной практике можно разделить в соответствии с разделами физики [7], соответствующие эффекты будут вытекать из соответствующего раздела биофизики:

1) механические эффекты (вязкость, плотность, объем, коэффициент диффузии, упругости, поверхностного натяжения);

2) электрохимические (подвижность ионов, количество электричества, электропроводность, поляризуемость);

3) оптические эффекты (пропускание света, отражение, преломление, квантовый выход люминесценции, поглощение спектра волн);

4) магнитные (восприимчивость биожидкости, магнитофорретическая подвижность, магниторезонансные свойства);

5) термохимические (теплоемкость, теплопроводность, энтропия);

6) физико-химические (растворение, ионный обмен, абсорбция, расслаивание, сегментация);

7) химические (скорость реакции, структура молекул, ионный состав);

8) атомно-физические (рассеяние, излучение).

Различают простые, двойные и тройные методические измерительные эффекты. Все виды эффектов делится:

– на внутренние эффекты (внутри клеток, молекул, ионов, ядер) – вторичная эмиссия;

– внешние эффекты – макроскопические, связанные с дозированием, изменением механических свойств биожидкости.

При проведении аналитических исследований с биологическими пробами используются разнообразные приемы выполнения исследований, основанные на использовании различных физических эффектов, одни из которых необходимы для подготовки пробы к анализу, а другие – для выполнения измерений некоторых медико-биологических показателей – информативных параметров этих биопроб.

Определим эффекты, которые возникают на этапах подготовки биопроб к исследованию как методические, а эффекты, на которых основаны методы измерения показателей-параметров, – как измерительные. Многообразие методических и измерительных эффектов, нашедших применение в медико-биологической лабораторной практике, создает известные трудности для их изучения.

С методическими эффектами связаны различные виды воздействий на биопробу. Все виды воздействий можно условно разделить на несколько групп:

- физические: нагревание, охлаждение, атомизация, перемешивание, отстаивание, приложение физического поля, облучение, ионизация, центрифугирование, фильтрование и т.д.;

- физико-химические: разделение компонентов проб с помощью электромиграционных и хроматографических методов, разбавление, флотация, экстрагирование, перегонка и т.п.;

- химические: инициирование различных трансформаций путем добавления различных веществ;

- биологические: посев и выращивание в различных питательных средах, заражение различных животных и т.п.

Группа физических воздействий приводит к эффектам, связанным с изменением физического состояния биопробы (температуры или агрегатного состояния), структуры и химического состава (термо- и фотохимические реакции, отделение компонентов различной дисперсности), физико-химических или биологических свойств пробы (коллоидно-химических характеристик, фазового состояния, изменения типа и структуры микрообъектов и др.).

Физико-химические воздействия позволяют [8] изменять различные физико-химические свойства, молекулярный и фазовый составы пробы. Они приводят к фракционированию, разбавлению, гомогенизации, извлечению, концентрированию, высушиванию или диспергированию каких-либо компонентов пробы.

Химические воздействия обеспечивают выполнение химической трансформации пробы (химические реакции при титровании, каталитические реакции при использовании кинетических методов, и т.п.) с изменением их физических, физико-химических и биологических характеристик.

Биологические воздействия применяются чаще всего при микробиологических, вирусологических и цитологических исследованиях и приводят к изменениям физических и физико-химических характеристик биопробы, к изменениям скорости реакций, подвижности (для микроорганизмов ), скорости роста популяций клеток и др.

Измерительные эффекты можно связать с природой воздействий.

1. Механические воздействия вызывают несколько измерительных эффектов:

- механические, в числе которых упругие деформации, изменения вязкости, коэффициента диффузии, параметров движения, поглощение и дисперсия звука и т.п.;

- тепловые, возникающие в биопробах (в жидком состоянии ) при изменении режима течения в результате вязкого трения, за счет эффекта объемной вязкости, благодаря кинетике экзо- и эндотермических процессов и др.;

- оптические, проявляющиеся в изменениях оптической плотности, угла поворота плоскости поляризации, коэффициентов рассеяния и отражения, показателя преломления и др.;

- электрические, связанные с изменениями электрической проводности, диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь, электрокинетическими эффектами;

- биологические, а также многочисленные химические и физико-химические эффекты – изменения скорости реакций и физико-химических процессов, характера массопереноса, фазовые превращения, поверхностные явления и т.п.

2. Тепловые воздействия вызывают следующие измерительные эффекты:

- механические, отражающиеся в объемном расширении биопроб в жидких фазах, термоконвекции, изменениях скорости, коэффициента и дисперсии звука, вязкости;

- тепловые – вследствие излучения, фазовых переходов, испарения, кипения, сублимации, конденсации, плавления, конвекции или теплопроводности;

- оптические – изменения оптической плотности, коэффициентов светорассеяния и отражения, угла поворота плоскости поляризации, показателя преломления, излучение света вследствие термолюминесценции и др.;

- электрические – изменения электропроводности, диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь;

- магнитные – например, изменение магнитной восприимчивости;

- биологические – изменение характера развития популяций микроорганизмов, иммунологической и биохимической активности и др.

3. Оптические воздействия обуславливают следующие измерительные эффекты:

- механические – например такой, как световое давление;

- тепловые, выражающиеся в изменении температуры среды в результате интегрального или селективного поглощения лучистой энергии;

- оптические – интерференция, изменения поляризации, спектральных и пространственных характеристик излучения (фотолюминесценция, дифракция, рэлеевское и комбинаторное рассеяние), дисперсия электромагнитных волн, нелинейные оптические эффекты, эффект Мандельштамма–Бриллюена и т.п.;

- электрические – внутренний и внешний фотоэлектрические эффекты, фотодиффузионный эффект Дембера, изменение диэлектрической проницаемости под действием оптического излучения;

- химические, физико-химические и биологические – изменение агрегатного состояния, фотохимические реакции, фотоадсорбция, фотосинтез органических веществ в растительных и бактериальных клетках, фотодинамические эффекты, приводящие к сенсибилизированному красителю, повреждению органических веществ, белков, клеток и т.п.

4. Электрические воздействия вызывают следующие эффекты:

- механические – электрострикция, изменение массы электродов и раствора в результате электролиза и электродиффузии, электроосмотический и электрокапиллярный эффекты, электрофоретические явления;

- тепловые – эффект Джоуля, нагрев диэлектриков в переменном поле, эффект Пельтье;

- оптические – эффекты Покельса и Керра, круговой дихроизм, излучение при разрядах, электролюминесценция, изменения оптической плотности, спектральной характеристики, показателя преломления, коэффициентов отражения и рассеяния;

- электрические – поляризация электродов, нелинейные эффекты электропроводимости, угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, изменения общего импеданса и электродного импеданса в зависимости от потенциала электрода и частоты поля, дисперсия электропроводности, диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь;

- магнитные – например, изменение индуктивности и добротности с частотой поля;

- химические, физико-химические и биологические – изменение скорости реакции, диссоциация молекул в полях высокой напряженности, электрокоагуляция коллоидов, возникновение градиентов pH в растворах под действием поля, стерилизация биожидкостей, возбуждение нервных клеток, изменения биохимической активности и роста микроорганизмов и т.п.

5. Магнитные воздействия мало изучены, тем не менее, в лабораторной практике нашли применение следующие эффекты:

- механические – например, магнитострикция;

- тепловые – магнитокалоритмический эффект;

- оптические – изменения оптической плотности, коэффициентов рассеяния и отражения, эффекты Фарадея, двойного лучепреломления, Коттон–Мутона, Зеемана, дисперсия магнитооптического вращения, круговой дихроизм в продольном магнитном поле;

- электрические – связаны с изменением электропроводности и диэлектрической проницаемости в магнитном поле;

- магнитные – ядерный магнитный и электронный парамагнитный резонансы.

6. Воздействия проникающих излучений приводят к различным химическим и биологическим эффектам и, как следствие, к изменениям физических и физико-химических свойств, которые могут быть изучены техническими средствами:

- химические – ионизация, окисление, галоидирование, выделение газовых составляющих, образование или уничтожение двойных связей, возникновение свободных радикалов и т.п.;

- биологические – замедление роста, гибель или угнетение роста микроорганизмов, вирусов, клеток, нарушение синтеза белков и нуклеиновых кислот, генетические изменения;

- физические (радиационные) – например, испускание гамма-квантов в результате радиационного захвата нейтронов.

7. Химические, физико-химические и биохимические воздействия также могут привести к нескольким видам измерительных эффектов:

- механические – изменения объема, давления, упругости, масс различных частей пробы, скорости, коэффициента поглощения и дисперсии звука;

- тепловые – изменения температуры;

- оптические – изменения оптической плотности, коэффициентов рассеяния и отражения, оптической активности, спектральных характеристик люминесценции;

- электрические – изменение пассивных электрических свойств среды, их дисперсии, изменения ЭДС гальванических элементов и диффузионных потенциалов;

- магнитные – изменение магнитной проницаемости;

- физические (радиационные) – появление радиоактивности и возникновение химических реакций изотопного обмена в результате введения в пробу изотопных индикаторов.

Случайные воздействия извне могут привести к побочным эффектам, которые могут повлиять на выходной измерительных эффект. Это приводит к необходимости стабилизировать существенные для исследования условия и параметры биопробы; к таким процедурам можно отнести: термостатирование, pH-статирование, баростатирование, герметизацию, чернение поверхностей реакционных объемов и другие приемы защиты исследуемых биопроб.