книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

1Ье РгоёисПоп о! Ьепз ОрасШез Ьу 12, 3 сш Мкгоугачез, Кер1. № 55—94, А1г Рогсе 5с1юо1 о! Ау^аНоп Меё., Аи^ив! 1955.

3 1 . С а г р е п 1 е г Р. Ь., В 1 ё ё 1 е Б . К.. У а п И ш ш е г-

41.О биологическом воздействии сверхвысоких частот, под ред. А. А. Летавета и 3. В. Гордон, Труды Института гигиены труда и профзаболеваний, Изд-во АМН СССР, вып. 1 (1960).

говорилось ранее, электрические свойства биологических систем на СВЧ отражают их структуру (состав) [1] и могут стать основой для создания новых методов изуче­ ния состава биологических систем. В качестве примера на фиг. 1 и 2 показаны сильные зависимости проводимости

Ф и г. 2. Проводимость жировой ткани (частота 300 М гц, температура 25 °С) в зависимости от количества содержащей­

ся в ней воды.

Разброс точек отчасти объясняется ошибками и определении содержа­ ния воды.

и диэлектрической проницаемости жировой ткани от содержания в ней воды. Таким образом, очевидно, что по измерениям диэлектрической проницаемости или прово^- димости можно определить содержание воды в жировой ткани — характеристику, которая представляет интерес в диагностике и которую нелегко получить каким-либо иным методом.

Еще одно направление, о котором нужно упомянуть,— это исследование повышения температуры и чувствитель­ ности кожи, подвергнутой облучению. Несомненно, что отмеченное повышение температуры будет зависеть от количества поглощенной энергии, глубины проникновения падающего излучения и терморегуляторных процессов, определяющих отвод генерируемой при облучении тепло­ вой энергии. Поскольку глубина проникновения в кожу для СВЧ значительно больше, чем для ИК-излучения, эксперименты, выполняемые с обоими типами излуче­ ний, особенно полезны при изучении таких терморегуля­ торных механизмов. В этой области было выполнено не­ сколько превосходных работ, но потенциальные возмож­ ности метода пока еще полностью не использованы. Читателя, интересующегося этим вопросом, мы отсылаем

кработам [2—5].

II.Свойства связанной воды

имакромолекул на сверхвысоких

частотах

Диэлектрические свойства белков исследовались рядом авторов в диапазоне частот вплоть до 10000 Мгц. Особый интерес представляют работы [6—81, выполненные на частотах выше 100 Мгц.

Диэлектрические свойства белков можно определить по результатам измерений свойств белков, взвешенных в электролите. Можно показать [1], что в нашем случае применима формула Максвелла [91 для смесей, записан­ ная в комплексных обозначениях:

где индексы а и р относятся к взвешивающей и взвешен­ ной фазам соответственно, Р — доля, которая приходит­ ся на объем взвешенных частиц, а комплексная диэлек­ трическая проницаемость определяется уравнением (3) в разд. 5.2.2. При выводе выражения (1) предполагается, что тело имеет сферическую форму. В случае несфериче­ ской формы коэффициент 2 в знаменателях надо заменить

на «коэффициент формы» х, определенный в работах [10, 11]. Белки в электролите обычно окружены слоем свя­ занной воды, которая в структурном отношении и, вполне вероятно, в электрическом отличается от обычной воды. Удобно ввести понятие о комплексной проницаемости гидратированного белка [1, р. 1951. Решение уравне­ ния (1) относительно эффективной диэлектрической про­ ницаемости показывает, что этот параметр гидратирован­ ного белка гемоглобина сильно меняется с частотой. При изменении частоты от 100 до 1000 Мгц диэлектрическая проницаемость падает от значений выше 30 до значений ниже 10. Объяснить такое падение можно необычным поведением связанной воды, диэлектрические свойства которой претерпевают изменения в этом диапазоне. Воз­ можно также, что полярные боковые цепи белковых мо­ лекул могут участвовать в процессе электрической поля­ ризации по-разному на разных частотах. Недавно было установлено, что, по всей вероятности, ответственность за изменение диэлектрической проницаемости несут оба механизма [8].

В более ранних работах предполагалось, что диэлек­ трические проницаемости белка- и связанной с ним воды малы и что поэтому можно рассчитать долю объема, при­ ходящегося на гидратированные белки, и, исходя из этого, определить количество связанной воды [12, 131. Однако оказалось, что результаты таких вычислений кри­ тично зависят от выбранных значений диэлектрической проницаемости связанной воды и белка, вследствие чего их ценность сомнительна [1, р. 197]. '

Несмотря на то что надежды создать простые методы для определения связанной воды не оправдались, иссле­ дователи значительно углубили существующие представ­ ления о свойствах и структуре связанной воды. Чтобы использовать имеющиеся в этой области потенциальные возможности, необходимо провести дополнительные ра­ боты.

Другие применения СВЧ-техники в биологических исследованиях излагаются ниже.

А. Измерение подвижностей носителей заряда в бел­ ковых порошках с использованием фарадеевского вра­ щения. Когда плоскополяризованная электромагнитная

волна распространяется через некоторую среду, в кото­ рой вдоль направления распространения действует ста­ тическое магнитное поле, в соответствии с теорией [14] происходит вращение плоскости поляризации волны. Если эта среда состоит из таких биологических субстан­ ций, как белок, то выбрать подходящую модель для ана­ лиза весьма трудно из-за отсутствия данных о ряде фи­ зических параметров системы. Тем не менее определенное приближение достигается, если характеризовать среду проводимостью сг, магнитной проницаемостью ,и и диэлек­ трической проницаемостью е.

Угол поворота плоскости поляризации при фарадеевском вращении был вычислен в работе [15] в предположе­ нии, что токи проводимости и .смещения в среде взаимо­ действуют с приложенным магнитным нолем и генери­ руют ноля Холла. Авторы работ [16, 17] построили свои выводы формулы угла вращения плоскости поляризации на модифицированных уравнениях Максвелла, в которых учитывается эффект Холла. Ток смещения в белках зна­ чительно больше тока проводимости; следовательно, вы­ ражение для угла вращения 0, вызванного присутствием магнитного поля В в образце толщиной 5, будет иметь вид

где еотн — относительная диэлектрическая проницаемость; р0 — магнитная проницаемость вакуума; % — диэлек­ трическая проницаемость вакуума; в — диэлектрическая проницаемость среды; со — угловая частота падающего электромагнитного излучения; /?с — постоянная Холла для тока смещения.

Авторы работы [17] воспользовались формулой (2) для объяснения состояния молекул воды, адсорбирован­ ных поверхностью белка. Угол 0 содержит в этом случае две компоненты, одна из которых связана с белком, а другая — с адсорбированной водой:

Поскольку диэлектрическая проницаемость белка на частотах 3-сантиметрового диапазона постоянна [18, 19], любые изменения угла вращения будут обусловлены из­ менениями диэлектрической проницаемости гидратиро­ ванного белка вследствие дипольной поляризации адсор­ бированных молекул воды.

Чтобы связать величину А90 с концентрацией Ы0 сво­ бодных дипольных молекул воды, можно выразить Де через концентрацию диполей, воспользовавшись для этого теорией Кирквуда и Шумакера [20] для связанной воды в равновесном состоянии:

где Де — изменение диэлектрической проницаемости изза присутствия воды; й — дипольный момент; § — коэф­ фициент корреляции Кирквуда, учитывающий эффекты ориентации между центральной молекулой и ее соседями; к — постоянная Больцмана; Т — абсолютная темпера­ тура.

Выражая постоянную Холла /?2, связанную с током смещения, через концентрацию свободных диполей, по­ лучаем

где <70 — электрическим заряд полюса диполя, а т — поправка на рассеяние. В результате приходим к следую­ щей зависимости Д0В от концентрации диполей Л^>:

Измерения относительных изменений угла вращения в зависимости от гидратации молекул гемоглобина пока­ зали линейное возрастание числа свободных диполей до точки «критической» гидратации, определенной в ра­

число молекул имеет возможность поворачиваться с элек*

тромагнитным полем вследствие образования между ними водородных связей.

Б. Бесконтактные измерения эффекта Холла на орга­ нических полупроводниках. Одной из проблем, с которыми приходится сталкиваться при измерении подвижностей носителей заряда в органических полупроводниках, яв­ ляется трудность получения хорошего омического кон­ такта с такими материалами. Избежать такого рода труд­ ностей можно, если воспользоваться бесконтактным ме­ тодом измерений, основанным на эффекте фарадеевского вращения. Однако ожидаемые малые подвижности носи­ телей заряда обусловливают необходимость измерения очень малых углов вращения (порядка 1(Г4°). Кроме того, приходится проводить независимые измерения про­ водимости и диэлектрической проницаемости образца, поскольку в выражение для угла вращения входят по­ стоянные Холла как для тока смещения /?с, так и для тока проводимости Лп:

0 = 4 - В5(вМн) - ,/* ( 1 7 У '2 [0)2( е - е 0) ^ с- а ^ п]. (7)

5,06 экспериментах по использованию данного метода определения подвижностей в органических полупровод­ никах пока не сообщалось. Измерительная техника для проведения таких экспериментов описана в работе [21].

В. Измерения диэлектрической проницаемости в ходе ферментативных реакций. Как указывалось в предшест­ вующих разделах, молекулы воды связываются с поверх­ ностями белковых молекул. Некоторые белки действуют как катализаторы биохимических реакций, и в ходе этих химических преобразований структура молекул воды, окружающих каталитический центр, будет меняться. Использование СВЧ-методов измерений позволяет в ходе реакции оценивать относительную долю молекул связан­ ной воды как функцию времени. Это может дать ответы на важные вопросы при изучении кинетики и энерге­ тических соотношений в преобразуемых структурах, со­ держащих связанную воду. Один из таких СВЧ-методов описан в работе [22]. Проводя дифференциальные измере­ ния параметров СВЧ-резонаторов, можно повысить точ­ ность и чувствительность метода измерений, а условия

взаимодействия фермента с субстратом можно сделать более стабильными и воспроизводимыми, если присоеди­ нить белок к таким полимерным матрицам, как этиленмалеиновый ангидрид. В подобной системе ферментатив­ ный полимер заключается в тонкую стеклянную трубку и помещается в резонатор вблизи минимума электрического поля. Затем в трубку с различными скоростями вводится субстрат и производятся измерения изменений диэлек­ трической проницаемости в зависимости от скорости по­ тока. Полученные результаты можно коррелировать с количественными показателями активности фермента, ^тобы оценить полное количество связанной воды, следует отдельно измерить относительные молярные объемы ма­ трицы, фермента и фермент-субстратного комплекса и выполнить корреляцию результатов с теорией смесей веществ, обладающих разными диэлектрическими прони­ цаемостями.

Диэлектрический образец помещают в резонатор, до­ бротность и резонансная частота которого непрерывно контролируются. Небольшие изменения в е' или е" образца, вызванные добавкой молекул субстрата, взаи­ модействующих с «активным центром» фермента, отража­ ются в изменениях резонансной частоты и (2 соответст­ венно. Оба эти параметра можно определить из измерений фазы отраженной волны в процессе изменения резонанс­ ной частоты резонатора внешними средствами. Другие методы измерения комплексных диэлектрических про­ ницаемостей водных растворов, например метод, исполь­ зованный в работе [23], менее пригодны для непрерывных измерений меняющихся диэлектрических проницаемостей.

Вполне возможно, что в конце концов с помощью СВЧ-методов измерений диэлектрической проницаемости удастся выполнить анализ биологических мембранных систем, таких, как хлоропласты, хондросомы или нейро­ ны, и выяснить роль, которую играет структурная, или связанная, вода в их функциях.

Г. Моделирование оптической вращательной диспер­ сии на СВЧ. Оптическая активность молекул со спираль­ ной конфигурацией, имеющих биологическое значение, побудила ряд исследователей рассмотреть взаимодей­ ствие моделей из медных спиралей с поляризованным

электромагнитным излучением’ 124—26]. Цель этих иссле­ дований заключалась в том, чтобы уточнить и проверить различные теории, предложенные в работах [27—29], путем измерения вращения плоскости поляризации волн сантиметрового диапазона на ориентированных спиралях, размеры которых можно было плавно изменять.

В результате было установлено [26], что оптическое вращение на медных спиралях диаметром 1 см можно опи­ сать уравнением Друде. Оптически активные полосы по­ глощения связаны с длиной проволоки спирали. Этот вы­ вод нельзя полностью распространить на случай полипеп­ тидов спиральной конфигурации. По-видимому, лучшей моделью могли бы быть спирали, образованные из чере­ дующихся отрезков проводника и изолятора. В такой модели проводник соответствовал бы поляризуемой амид­ ной связи, а изолятор — СНК-группе. Остальные опти­ ческие параметры можно было бы промоделировать так, чтобы получить близкое соответствие с теорией.

Так как сейчас стало известно сравнительно большее число молекулярных структур макромолекул и посколь­ ку структурные изменения таких молекул, по-видимому, играют решающую роль в их функционировании, вероят­ но, целесообразно снова промоделировать некоторые ди­ намические реакции, наблюдавшиеся в оптическом диапа­ зоне, с помощью СВЧ-техники.

Об о з н а ч е н и я

й— дипольный момент молекулы воды;

& — коэффициент корреляции, учитывающий дефекты ориентации;

к — постоянная Больцмана; т — поправка на рассеяние;

Чо — электрический заряд полюса диполя; В — магнитная индукция;

N0 — число дипольных молекул;

Р — относительный объем взвешенных частиц; С? — добротность резонатора; /?п — постоянная Холла для тока проводимости;

/?с — постоянная Холла для тока смещения;