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 а_{2 .} Тогда собственные потенциалы катода Е_к и анода Е_а 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, I_t – 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 R_p и ёмкости С_р зависят от результирующих ионных потоков через мембрану, т.е. от её проницаемости и статистической ёмкости.

R_i – сопротивление цитоплазмы;

R_m – сопротивление межклеточной жидкости.

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

На высоких частотах (несколько МГц) R_p и С_р – 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;

R_х и C_x – параметры объекта;

С_n и R_n – 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 R_i и R_М, 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 – R_xC_x. 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.