Діелектричні властивості біологічних тканинТеорія поляризації, яку ми розглянули, належить в основному Дебаю та Ланжевену. Згідно з цією теорію за експериментально встановленою температурною залежністю діелектричної проникності можна визначити, який тип поляризації має місце в даному діелектрику, розрахувати значення поляризованості b та дипольні моменти молекул p. Ці величини дають цінну інформацію про полярність молекули і її окремих зв’язків, про валентні кути, розподіл електронної густини тощо. Характеризуючи живі тканини, варто враховувати, що вони є композиційними середовищами, причому одні структурні елементи можуть бути провідниками, інші діелектриками, деякі – напівпровідниками. Діелектричні властивості живих тканин визначаються біоструктурами, які за значеннями дипольних моментів можна поділити на три групи. До першої групи належать внутрішньоклітинні органоїди, значення їхніх дипольних моментів є максимальними. Для цих об’єктів характерна власна (спонтанна) поляризація. Властивості таких утворень обумовлені, по-перше, їхньою шаруватою структурою, по-друге, наявністю різниці потенціалів на межі шарів із суттєво відмінними значеннями електропровідності. Клітинні органоїди є, по суті, замкненими об’ємами, утвореними біомембраною – типовим діелектриком, заповнені та оточені електролітом. Питомі електропровідності поза- та внутрішньоклітинної рідини відрізняються від питомої електропровідності мембран (sм» 10–9 Ом –1 ×м –1) у 109–1011 разів. На біомембранах існує різниця потенціалів близько 60–70 мВ. За поведінкою в електричному полі та значеннями P такі внутрішньоклітинні органоїди подібні до доменів сегнетоелектрика. Завдяки їхній наявності живі тканини мають значну діелектричну проникність і деякі інші сегнетоелектричні властивості. Другу групу складають біологічно активні полярні макромолекули, що містяться як у цитоплазмі, так і у мембранах. До третьої групи належать, в основному, молекули води і розчинених в ній різних неорганічних речовин. Дипольні моменти таких речовин мають значення 1–2 Дебая. Дипольні моменти молекул змінюються за будь-якої, навіть зовсім незначної, перебудови структури речовини, тому дослідження динаміки діелектричної проникності дають можливість виявляти тонкі зміни (непомітні навіть в електронний мікроскоп), котрі відбуваються на молекулярному рівні. У змінному полі діелектрична проникність e оточуючих тканин, як і інших речовин,зменшується при збільшенні частоти зовнішнього поля (табл. 4.2). Справа в тому, що процеси появи дипольного моменту (поляризація) ійогозникнення (деполяризація) є інерційними, тобто відбуваються не миттєво,а за певний проміжок часу t,який називають часом релаксації. Величину, обернену до t,називають частотою релаксації nх. Інерційність процесів поляризації є причиною їхнього відставання відносно змін поля, яким вони зумовлені: . (4.25) Таблиця 4.2.
Зсув фаз d називають кутом діелектричних втрат, а – тангенсом кута діелектричних втрат. Величина d, а, отже, і , залежить від співвідношення між частотою змін зовнішнього поля n та частотою релаксації nх. Величина t (чи nх) залежить,насамперед,від структури елементів,які поляризуються. Характеристичній частоті релаксації nх відповідає максимальначастота n зовнішнього електричного поля,яку диполь може повторити своїми поворотами. Із зростанням n зменшується кількість структурних елементів, які можуть брати участь в процесах поляризації. Для внутрішньоклітинних органоїдів, як і для всяких доменів, nх має невеликі значення, що знаходяться у межах від 0.1 Гц до 1 кГц. Для різних білкових макромолекул nх охоплюєдіапазон від 10 кГц до 100 МГц і залежить не тільки від їхніх розмірів і форми,а також від в’язкості оточуючого середовища: nx , (4.26) де k – стала Больцмана, Т – температура середовища, h – його в’язкість, r – радіус полярної молекули. Характеристична частота релаксації внутрішньоклітинної води така ж, як і дистильованої. Причому, внаслідок досить складної структури молекули води, для неї характерна наявність декількох значень nх, близьких до 20 ГГц = 2×1010 Гц. Цій частоті відповідає електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі сантиметрового (НВЧ) діапазону (l = ). Зауважимо, що перетворення енергії електромагнітного поля в теплову в середовищах, які містять полярні молекули, відбувається найбільш ефективно при збігу частоти зовнішнього поля n з характеристичною частотою релаксації nх. Наприклад, при дії НВЧ випромінювання на організм нагрівання зумовлюється діелектричними втратами, котрі припадають в основному на молекули води.
|