В Лаборатории нелинейной оптики и рассеяния света ФИАНа проведены исследования размерных характеристик частиц в плазме крови методом динамического рассеяния. Результаты экспериментов выявили неожиданную закономерность: с ростом размера частиц (r) от единиц нанометров до 1 микрона концентрация этих частиц уменьшается как r^–4, т.е. почти на 12 порядков. Характерно, что математических моделей, объясняющих это, пока нет.

    В природе подмечено немало эмпирических закономерностей, не имеющих строгого теоретического обоснования. Широко известен закон Мура (Gordon E. Moore), согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Известен и закон Дамута (John Damuth), который показывает, что плотность популяции млекопитающих N соотносится с массой тела m как N = a·m^–3/4.

    Ученым Лаборатории нелинейной оптики и рассеяния света (ЛНОРС) Отделения оптики ФИАН, проводившим систематические эксперименты по исследованию плазмы крови человека, удалось зарегистрировать необычную закономерность, связывающую концентрацию частиц в плазме N с их размерами r: N = a·r^–4.

    Исследования сотрудников ЛНОРС (руководитель к.ф.-м.н. Л.Л. Чайков) связаны с изучением размерных характеристик частиц в биологических жидкостях и разработкой методов их измерения, что входит в число наиболее актуальных задач современной аналитической медицины.

    Особый интерес представляют методы измерений размеров частиц в диапазоне от единиц до сотен нанометров, которые недоступны для традиционной микроскопии.

    Среди существующих методов важное место занимает метод динамического рассеяния света, в котором по измерениям временны’х флуктуаций рассеянного света изучается подвижность частиц в зависимости от их размеров. Метод хорошо зарекомендовал себя при исследованиях жидкостей с частицами, близкими по размерам. В случае биологических жидкостей (как, например, плазма крови) состав частиц по размерам может быть крайне широк. В подобных ситуациях известные методы обработки данных по светорассеянию либо дают сбой, либо демонстрируют невоспроизводимые результаты.

    В ЛНОРС исследования размерных характеристик частиц в плазме крови методом динамического рассеяния света проводились, в том числе, с целью адаптировать этот метод к случаю состава частиц с широким разбросом по размерам. В результате было обнаружено, что регистрограммы распределения частиц по размерам, построенные с помощью стандартного программного обеспечения, демонстрируют неустойчивость поведения.

Рисунок 1. Серия регистрограмм, характеризующих распределение частиц по размерам в образце плазмы крови здорового донора. Набор первичных данных в серии произведен в одном и том же образце с интервалом в 2 минуты и обработан стандартным программным обеспечением метода динамического светорассеяния. Серия демонстрирует неустойчивость распределений

    В результате многочисленных опытов исследователям удалось разработать методику обработки данных по светорассеянию, которая надежно выявляет отдельные группы частиц со сравнительно узким разбросом размеров. Методика основана на информационном сжатии первичных регистрограмм с последующей статистической обработкой сжатых данных, в результате чего достигается воспроизводимость результирующих данных о распределении частиц по размерам (см. рисунки 2 и 3).

Рисунок 2. Набор размеров, отвечающих максимумам первичных регистрограмм (см. рис. 1), в зависимости от времени сбора данных. Диаграмма иллюстрирует группировку размеров частиц и позволяет выполнить дальнейшую статистическую обработку

Рисунок 3. Справа – результат обработки массива размеров частиц из рисунка 2. Частота проявления характерных размеров (число регистраций) имеет устойчивый вид. Такая диаграмма может быть построена по данным, полученным в различные промежутки времени, и использована для оценки динамики изменений в плазме крови, а также для сопоставления разных образцов

    При использовании новой методики в исследованиях образцов плазмы крови здоровых доноров результаты измерений, организованные в виде диаграммы «размер частиц – концентрация частиц» (см. рисунок 4), позволили выявить неожиданную закономерность: с ростом размера частиц от единиц нанометров до 1 микрона концентрация этих частиц уменьшается как r^–4, т.е. почти на 12 порядков. 

Рисунок 4. Диаграмма «размер частиц – концентрация частиц» в двойном логарифмическом масштабе демонстрирует степенную связь концентрации с размером N = a·r^K с показателем степени K = –4,0 ± 0,1 (см. аппроксимацию данных прямой линией)

    Комментируя результаты исследований, руководитель Отделения оптики ФИАН д.ф.-м.н. Анатолий Викторович Масалов сообщил следующее.

    «На данный момент математических моделей, объясняющих подобную зависимость, нет. Возможно, коллективом сотрудников открыта новая закономерность для биологических жидкостей сложного состава. В практическом плане, особенности данной зависимости и отклонений от нее могут служить диагностическим признаком в распознавании различных заболеваний».

    Описание экспериментов и полученные результаты изложены в кандидатской диссертации м.н.с. ЛНОРС Марины Кириченко, которая успешно защитила её в ФИАНе в июне 2015 года.

    Наиболее важные результаты представленных исследований опубликованы в статьях:

1. М.Н. Кириченко, А.В. Масалов, Л.Л. Чайков, А.Р. Зарицкий. Соотношение размеров и концентраций частиц в неразбавленной и разбавленной плазме крови по данным светорассеяния. Краткие сообщения по физике ФИАН, 42 (2), стр. 3, 2015.

2. L.L. Chaikov, M.N. Kirichenko, S.V. Krivokhizha, A.R. Zaritskiy. Dynamics of statistically confident particle sizes and concentrations in blood plasma obtained by the dynamic light scattering method. Journal of Biomedical Optics, 20 (5), 057003 (2015).

В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»