Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Виды поляризации.




Вещества обладают свободными и связанными зарядами. Свободные заряды – электроны и ионы под действием поля перемещаются от одного электрода к другому, создавая ток проводимости.

Особенности для биологических систем: в клетках свободные ионы могут перемещаться под действием поля в ограниченном объёме от одной мембраны до другой.

Связанные заряды под действием поля перемещаются только в очень ограниченных пределах, создавая при этом токи смещения.

Процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образование ЭДС, направленной против внешнего поля, называется поляризацией.

Виды поляризации:

1) Электронная;

2) Ионная;

3) Дипольная (ориентационная);

4) Макроструктурная;

5) Поверхностная;

6) Электролитическая.

1) Электронная поляризация представляет собой смещение электронов на своих орбитах относительно положительно заряженных ядер в атомах и ионах. В результате – атом или ион превращается в индуцированный, наведённый диполь с направлением, противоположным внешнему полю. Время возникновения электронной поляризации после мгновенного наложения поля, называется временем релаксации, равняется 10-16 – 10-14с. Возникающий дипольный момент имеет небольшую величину.

2) Ионная поляризация – смещение иона относительно узлов кристаллической решётки. Вследствие этого возникает дипольный момент с направлением, противоположным внешнему полю. Время релаксации ионной поляризации 10-14 - 10-12с.

3) Дипольная (ориентационная) поляризация. Если вещество содержит полярные молекулы и эти молекулы свободны, то под действием внешнего поля они ориентируются в соответствии с этим полем.

Этот вид поляризации имеет большое значение в веществах, молекулы которых обладают большим дипольным моментом (вода, спирт). Молекулы белков. а также других высокомолекулярных соединений, вследствие диссоциации ионогенных групп, а также вследствие адсорбции ионов обладают значительными дипольными моментами. Поэтому в растворах данных веществ структурная поляризация, обусловленная вращением их полярных молекул, имеет большое значение. Время возникновения дипольной поляризации – время релаксации – совпадает со временем поворота молекул. Время релаксации полярных молекул t зависит от вязкости среды m,T, радиуса молекулы r и вычисляется по формуле Стокса.

где К – постоянная Больцмана.

t дипольной поляризации изменяется в зависимости от указанных факторов в пределах от 10-13 до 10-7с.

4) Макроструктурная поляризация возникает под действием электрического поля вследствие неоднородности электрических свойств вещества. Для её возникновения необходимо наличие слоёв с различной электропроводностью. Под действием поля свободные ионы и электроны, содержащиеся в проводящих субстанциях, перемещаются в пределах каждого включения до границы проводящего слоя. Дальнейшее перемещение свободных зарядов невозможно из-за низкой проводимости соседних слоёв. В результате этого включения проводящее включение приобретает дипольный момент и ведёт себя подобно гигантской поляризационной молекуле.

Время релаксации макроструктурной поляризации 10-8 – 10-3с.

Биообъекты представляют собой гетерогенные структуры. Гетерогенность тканей обусловлена наличием мембран. К ним относятся клеточные мембраны и мембраны, окружающие клеточные органоиды и образующие эндоплазматическую сеть. Если цитоплазма обладает малым сопротивлением из-за наличия большого количества свободных ионов, то мембраны, наоборот, - большим (1000 Ом/см2) в результате их малой проницаемости для ионов.

Макроструктурная поляризация происходит во всём объёме клеток, а не только на клеточной мембране, т.к. гетерогенность структуры имеется во всём объёме клеток. За счёт макроструктурной поляризации, которая играет основную роль в биологических объектах, диэлектрическая проницаемость тканей, измеренная в постоянном электрическом поле, достигает очень больших величин – нескольких миллионов.

5) Поверхностная поляризация – происходит на поверхностях, имеющих двойной электрический слой. При наложении внешнего поля происходит перераспределение ионов диффузионной части двойного электрического слоя: частицы дисперсной фазы смещаются в одну сторону, а ионы диффузионного слоя в другую. В результате частицы дисперсной фазы с противоионами диффузионного слоя превращаются в наведенные диполи. Время релаксации поверхностной поляризации лежит в пределах от 10-3 до 1с.

6) Электролитическая поляризация возникает между электродами, опущенными в раствор электролита, при пропускании тока. До протекания тока концентрация потенциалопределяющих ионов у обоих электродов была одинакова, потенциалы электродов также были равны:

где:

Е0 – нормальный потенциал электрода;

R – газовая постоянная;

n – валентность;

а – активность потенциалобразующих ионов при электродной зоне.

При наложении разности потенциалов на электроды произойдёт перераспределение потенциалобразующих ионов диффузионной части двойного электрического слоя: в области катода концентрация ионов (катионов) увеличится, а в области анода – уменьшится.

Обозначим активности ионов в приэлектродной зоне катода и анода через а1 и а2. Тогда собственные потенциалы катода Ек и анода Еа будут:

Между электродами возникает ЭДС поляризации , направленная против внешней ЭДС:

Таким образом, и при электролитической поляризации появление ЭДС поляризации обусловлено смещением зарядов, которое проявляется как изменение концентрации ионов в приэлектродной зоне. Время релаксации электролитической поляризации 10-4 – 102с.

Все описанные явления поляризации присущи биологическим объектам в той или иной мере. При наложении внешней разности потенциалов в тканях возникает противоположно направленное электрическое поле, которое значительно уменьшает внешнее поле и обусловливает высокое удельное сопротивление тканей постоянному току (106 - 107 Ом×см). Причем вначале возникают те виды поляризации, которые имеют меньшее время релаксации.

Удельное сопротивление тканей и жидкостей организма постоянному току (Ом×м)

1. Спинномозговая жидкость.............. 0,55

2. Кровь.................................................. 1,66

3. Мышцы.............................................. 2,00

4. Ткань мозговая и нервная................ 14,3

5. Ткань жировая................................... 33,3

6. Кожа сухая.......................................... 105

7. Кость без надкостницы...................... 107

Все явления поляризации могут быть описаны с помощью диэлектрической проницаемости вещества.

где:

Е0 – напряжение электрического поля в вакууме;

Е - напряжение электрического поля в веществе.


3. Электропроводность клеток и тканей для переменного тока.

Биологические системы способны накапливать электрические заряды при прохождении через них тока, поэтому их электрические свойства описываются с помощью омического сопротивления и электрической ёмкости.

- электрическая ёмкость зависит от поляризации.

Для плоского конденсатора

Ёмкость биологического объекта определяется поляризационной ёмкостью, которая возникает в момент прохождения тока. Поляризационная ёмкость показывает отношение изменения заряда объекта к изменению его потенциала при прохождении переменного тока.

Изменение заряда:

Изменение потенциала:

Тогда поляризационная ёмкость:

где:

I – мгновенный ток;

I0, It – начальный и конечный ток.

К поляризационной ёмкости биологического объекта присоединяется значительная по величине статистическая ёмкость мембран (1мкФ/см2). Как следует из уравнения (12) величина поляризационной ёмкости на низких частотах в зависимости от времени действия поля может значительно превышать величину статистической ёмкости. На более высоких частотах (10 кГц) статистическая ёмкость на несколько порядков выше поляризационной. А т.к. эти ёмкости соединены последовательно, то на высоких частотах общая величина ёмкости определяется меньшей по величине поляризационной ёмкостью.

Ткани организма состоят из клеток. При прохождении по ним электрического тока ионы перераспределяются. В области мембраны клеток возникает распределение зарядов, т.к. мембраны представляют собой препятствие для движения ионов. Это показано на эквивалентной схеме в виде С1 и С2. Резистор R1 отражает сопротивление цитоплазмы, а R2 сопротивление межклеточной жидкости.

Электрическая модель биологического объекта может быть представлена в виде различных эквивалентных схем (комбинации R и C).

Т.к. биологические объекты обладают как электрической проводимостью, так и ёмкостью, то они будут характеризоваться как активным, так и реактивным сопротивлением. Реактивное ёмкостное сопротивление:

Суммарное сопротивление объектов называется импедансом.

Для последовательного соединения R и С импеданс определяется по формуле:

или:

для параллельного:

где:

Z – импеданс;

i – мнимая единица .

Т.к из формул следует, что импеданс объектов изменяется при изменении частоты тока – при увеличении частоты реактивная составляющая уменьшается.

Можно представить эквивалентную схему биологического объекта.

Поляризационные процессы на границе раздела – на мембране – обуславливают появление поляризацион-ного сопротивления Rp и ёмкости Ср зависят от результирующих ионных потоков через мембрану, т.е. от её проницаемости и статистической ёмкости.

Ri – сопротивление цитоплазмы;

Rm – сопротивление межклеточной жидкости.

В данной схеме Rp и Ср – частотнозависимые, а Ri и Rm – частотнонезависимые. На низких частотах общее сопротивление будет обусловлено в основном сопротивлением Rp, т.е. является в определённых условиях мерой проницаемости мембран. При увеличении частоты уменьшается Rp и Ср, что приводит к уменьшению эффекта поляризации границ раздела в биологических системах.

На высоких частотах (несколько МГц) Rp и Ср – станут стабильными и их можно исключить из схемы.

Частотнозависимый характер ёмкостного сопротивления является одной из причин зависимости импеданса биологических объектов от частоты тока, т.е. дисперсии импеданса.

Электрические свойства тканей и клеток изучают с помощью мостовых схем.

R – омическое сопротивление уравновешенных плеч моста;

Rх и Cx – параметры объекта;

Сn и Rn – ёмкость и сопротивление, компенсирующие параметры объекта;

U – измерительный прибор.

При изучении частотных зависимостей сопротивления и ёмкости биологических объектов было обнаружено 3 области дисперсии.

Частотная зависимость диэлектрической проницаемости мышечной ткани

 

 

С увеличением частоты уменьшается, образуя 3 зоны дисперсии a, b, и g.

a-дисперсия – область низких частот звукового диапазона до 1 кГц. Уменьшение диэлектрической проницаемости биологических систем обусловлено уменьшением поляризации поверхности клеток, т.к. сопротивление клеток для токов низкой частоты велико и высотное сопротивление будет представлено сопротивлениями электролитов Ri и RМ, т.е. при ВЧ сопротивление биологических объектов является показателем содержания в них свободных ионов.

b - дисперсия при частотах 103 – 107Гц.

Наиболее полно электрические свойства биологических объектов в области b - дисперсии описываются теорией макроструктурной поляризации. Согласно этой теории, ёмкость и проводимость биологических объектов в данной области частот определяется гетерогенностью структуры – наличием мембран.

g - дисперсия на частоте >1000 МГц.

Уменьшение диэлектрической проницаемости в данном диапазоне обусловлено ослаблением эффекта поляризации, вызываемой диполями воды. g - дисперсия зависит от содержания свободной воды в биологических тканях. В области 400 МГц (между b и g дисперсиями) E тканей (кроме жировой, костной и мозговой) в пределах 40 – 60. При СВЧ >1010 Гц эффект поляризации отсутствует. E будет небольшое значение, определяемое ионной и электронной поляризацией, имеющей малое время релаксации. На три основных дисперсионных явления, обусловленных поверхностной поляризацией, макроструктурной и дипольной поляризацией воды, накладываются сравнительно меньшие эффекты поляризации.

1) поляризация белковых и других органических молекул, обладающая дипольным моментами. Дисперсия на частотах в несколько МГц.

2) поляризация гидратных оболочек макромолекул (связанной воды). Частота (100 – 1000) МГц.

3) поляризация связанных групп макромолекул. Частота (100 – 1000) МГц.

Общая картина частотной зависимости электрических параметров сохраняется для всех тканей, что обусловлено единством структуры и химического состава клеток. Индивидуальные особенности (размеры и форма клеток, величина их проницаемости, содержание свободных ионов в клетках, содержание свободной воды) объектов обуславливают характер частотной зависимости.


4. Применение метода измерения электропроводности в биологии медицине.

Метод измерения электропроводности широко применяется в биологических и медицинских исследованиях. Напряжение <50 МВ не вносит изменений в физико-химические процессы, происходящие в биологическом объекте, не повреждая его. Используют при изучении процессов, происходящих в живых клетках и тканях при изменении физиологического состояния, при патологических состояниях, при действии повреждающих факторов: излучения, УЗ и др.

Изучают проницаемость мембран методом электропроводности. Так, при воспалительных процессах в тканях на первых стадиях происходит увеличение сопротивления. Особенно сильно на низких частотах, когда сопротивление представлено в основном R межклеточных пространств. При воспалении происходит набухание клеток, объём межклеточных пространств уменьшается, а R – увеличивается. В первой стадии процесса структура клетки ещё не изменяется и ёмкость сохраняется прежней.

Следовательно, увеличение R при С = const всегда говорит о набухании тканей, а уменьшение R при С = const, наоборот – уменьшение объёма клетки.

В более поздних стадиях глубокие изменения структуры клетки, R и С уменьшаются. Таким образом, измерение электрических параметров тканей может средством для диагностики воспалительных процессов.

При повреждении тканей происходит увеличение проницаемости М, что приводит к падению R и С на низких частотах. На высоких частотах эффект отсутствует.

Таким образом, при повреждении и отмирании тканей дисперсия её электрических параметров снижается. При полной гибели – отсутствует.

 

 

1 – норма;

2 – при нагревании до 50°С, 2 мин;

3 – то же в течении 4 мин;

4 – кипячение, 20 мин.

 

Тарусов для оценки жизнеспособности тканей предложил использовать коэффициент поляризации К.

- отношение сопротивления на низких частотах к R на высоких.

К – характеризует величину дисперсии. Для печени млекопитающих К=9 – 10, для печени лягушки К=2 – 3, зависит от интенсивности обмена веществ. При отмирании ткани К уменьшается, а при гибели=1.

Метод регистрации изменений сопротивления органов, обусловленных изменением кровенаполнения, называется реографией. При наполнении органа кровью во время систолы сердца – R уменьшается, при диастоле – увеличивается. Можно изучать перераспределение крови между органами в различных условиях. Так исследуют кровообращение крови в почках, печени, сердце и др., кровоток в магистральных и более мелких сосудах.

Кровь обладает, практически, только активным сопротивлением, окружающие ткани обладают в значительной мере также и реактивным (ёмкостным) сопротивлением.

При определённой частоте переменного тока линии тока проходят через ткань будут концентрироваться в основном в кровеносных сосудах.

Изменение сопротивления участка ткани зависит от степени кровенаполнения и синхронно меняется с прохождением пульсовой волны.

График, изменяющийся со временем активной составляющей импеданса ΔR участка биоткани, называется реограммой.

Пусть ΔR – уменьшение сопротивления органа в момент прохождения по сосудам пульсовой волны, а R – его базовое сопротивление при отсутствии пульсовой волны.

Δv – изменение объёма органа за счёт притока крови (пульсовое приращение кровенаполнения), а V- базовый объём, то ΔR/R= ΔV/V

Таким образом пульсовое приращение ΔV=V · ΔR/R= a · ΔR

Где a = V/R – примерно постоянная величина во время диагностической процедура.

Сложность регистрации реограммы заключается в такой величине R » (0,05¸1)%R

Реограф состоит из мостовой схемы, в одно из плечей которого включен исследуемый орган пациента – RxCx. Конденсатор CP и резистор RP (магазин емкости и магазин сопротивления) предназначены для компенсации активных и реактивных свойств исследуемого органа пациента. R – сопротивление уравновешенных плечей моста. В реографе имеется генератор высокочастотных электрических колебаний 1, подающий напряжение на одну из диагоналей моста, усилитель 2 усиливающий изменение напряжения на другой диагонали моста, и регистрирующее 3 реограмму устройство. Регистрируется изменение напряжения в диагонали моста, пропорциональные измению сопротивления органа пациента ΔR. Применяется биполярная (двухэлектродная) и тетраполярная (четырехэлектродная) реография.

Реэнцефалография - метод исследования мозгового кровообращения. С помощью метода электропроводности можно изучать процессы связывания ионов молекулами белков. По уменьшению электропроводности можно вычислить количество ионов, связанных одной молекулой белка.

 







Дата добавления: 2015-09-04; просмотров: 5890. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2020 год . (0.013 сек.) русская версия | украинская версия