Діелектричні властивості біологічних тка­нин

Теорія поляризації, яку ми розглянули, належить в ос­новному Дебаю та Ланжевену. Згідно з цією теорію за ек­спериментальне встановленою температурною залежністю діелектричної проникності можна визначити, який тип по­ляризації має місце в даному діелектрику, розрахувати зна­чення поляризованості /3 та дипольні моменти молекулу. 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, причомуодні 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 разів. На біомембранах існує різниця потенціалів близько 60-70 мВ. За поведінкою в електричному полі та значеннями Р такі внутрішньоклітинні органоїди подібні до доменів сегнетое­лектрика. Завдяки їхній наявності живі тканини мають значну діелектричну проникність і деякі інші сегнетоелек-тричні 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 1-2Дебая.

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 ε оточуючих тканин, як і інших речовин, зменшується при збільшенні частоти зовнішнього поля (табл. 2.2). Спра­ва в тому, що процеси появи дипольного моменту (поляри­зація) і його зникнення (деполяризація) є інерційними, тоб­то відбуваються не миттєво, а за певний проміжок часу який називають часом релаксації. Величину, обернену до , називають частотою релаксації . Інерційність процесів поляризації є причиною їхнього відставання відносно змін поля, яким вони зумовлені:

(2.25)

Таблиця 2.2

Зсув фаз називають кутом діелектричних втрат, а - тангенсом кута діелектричних втрат. Величина , а, отже, і , залежить від співвідношення між частотою змін зо­внішнього поля v та частотою релаксації . Величина (чи ) залежить, насамперед, від структури елементів, які по­ляризуються. Характеристичній частоті релаксації відповідає максимальна частота v зовнішнього електрично­го поля, яку диполь може повторити своїми поворотами. Із зростанням v зменшується кількість структурних елементів, які можуть брати участь в процесах поляризації. Для внутрішньоклітинних органоїдів, як і для всяких доменів, має невеликі значення, що знаходяться у межах від 0.1 Гц до 1 кГц. Для різних білкових макромолекул охоплює діапазон від 10 кГц до 100 МГц і залежить не тільки від їхніх розмірів і форми, а також від в'язкості оточуючого середовища:

(2.26)

де k — стала Больцмана, Т — температура середовища, -його в'язкість, г - 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 , близьких до 20 ГГц = 2-10'° Гц. Цій частоті відповідає електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі сантиметрового (НВЧ) діапазону ( = - ). Зауважимо, що перетворення енергії електромагніт­ного поля в теплову в середовищах, які містять полярні мо­лекули, відбувається найбільш ефективно при збігу частоти зовнішнього поля v з характеристичною частотою релак­сації v_x. Наприклад, при дії НВЧ випромінювання на ор­ганізм нагрівання зумовлюється діелектричними втратами, котрі припадають в основному на молекули води.