异形粒子测量中粒子有序排列问题的研究

　　引　言

　　Mie氏曾对球形粒子给出了完整的散射理论公式。近年来,对异形粒子的测量和识别取得巨大进展.A.G.Nglor用傅氏变换方法对粒子轮廓进行形状分析。B.P.James对波长寸大小的非球形粒子散射给出半经验理论。K.K.Mei等将矩量法、有限元等方法用于任意形状非均匀粒子的散射的计算。以上诸多工作[1,2]均说明异形粒子的识别是一项既有一定难度,又有重要实际意义的研究。基于光散射原理的颗粒测量技术具有非接触测量,不干扰待测粒子场和易于实现在线测量等特点而发展较快,但由于种种原因,测量结果往往相差甚远。对于异形粒子的测量、识别,很多工作有待完成。作为实例,文中所提出的测量仪器具体说明了被测粒子有序排列的方法及意义,该仪器由微机系统完成,具有重复性好、测量迅速、造价低等优点,为临床检验红细胞提供更多的依据。

　　1　测量原理

　　夫琅和费衍射理论指出[3],除局部涨落外,总强度是单个粒子衍射光强度的N倍:

　　在不相关散射条件下,总的光强分布是单个光强的线性叠加。此处必须注意以下几点:(1)若被测粒子取体积分布,则前后粒子互相遮挡,因此所有粒子要保持在同一平面上。(2)若被测粒子相距很近,则因二次散射而降低信噪比。若被测粒子相距过远,则因浓度过低而使总光强减小。为此需适当配制浓度以保证粒子相距一定间隔。(3)为保证上述公式成立,须使单个衍射图样均相同,为此被测红细胞旋转对称轴应取向一致,见图1。结果表明衍射和反向散射图样均为一亮斑,周围是一圈圈同心的明、暗圆环,但具有不同的光强分布。

　　选用面阵CCD光电探测器为接收元件,宜于悬浮液中粒子测量。通过对衍射和反向散射图样的数据采集、图象处理和有限元计算,可以计算出红细胞的几何尺寸和表面凹陷深度。

　　氦氖激光器发出的激光经平面反射镜(2)直射到样品池(3)中悬浮的待测红细胞群。射及反向散射光由傅立叶变换物镜(4)接收并在其后焦面上形成轴对称的散射功率谱。位于焦面处的CCD光电探测阵列(5)在计算机控制下,通过数据采集电路完成功率谱光强分布的采样,见图2。数据处理软件以此为原始数据,首先搜寻中心对称点,再对径向分布求平均,最后求出光强径向分布曲线[4]-[5]。

　　2　测量结果

　　不同浓度生理盐水中红细胞具有不同的尺寸和凹陷深度,因而产生不同的衍射和反向散射图样。采用0.9%生理盐水时,样品为等渗浓度。初步试验表明,将生理盐水稀释至0.4%附近时图象最为清晰。

　　取血样实际测量后,获得透射衍射图样及光强分布曲线如图3。反向散射图样及其光强分布曲线如图4。用有限元法[6]-[7]计算出单个不同凹陷深度的红细胞散射功率谱。正常制备的红细胞凹陷深度较大。若将生理盐水浓度降低,外部溶液将渗入红细胞内部,红细胞凹陷深度较小。待测红细胞群凹陷深度分布则可通过使计算光强分布与实际测量光强分布相拟合获得。先设定一个初始解X(0),按最优化得到一系列新解X(1),X(2)…,反复迭代最终得到最接近实际测量光强分布的计算光强分布,此解X*唯一地决定了待测红细胞群凹陷深度的分布。