Материалы для подготовки к лабораторной работе №1 «Исследование дисперсии электропроводности биологической ткани»

Материалы для подготовки к лабораторной работе №1 «Исследование дисперсии электропроводности биологической ткани» по биофизике Цель работы: экспериментальное определение частотной дисперсии электропроводности биологической ткани, определение импеданса биологической ткани, его активной и реактивной составляющих, в интервале частот зондирующего тока от 50 Гц до 1 МГц. Задачи работы: 1) изучить теоретический материал по пассивным электрическим свойствам биологических тканей и импедансным методам анализа биологических тканей; 2) провести измерения необходимых параметров в соответствии с предлагаемой методикой и с помощью предложенной схемы и оборудования; 3) вычислить импеданс образцов тканей животного и растительного происхождения в интервале частот от 50 Гц до 1 МГц по измеренным параметрам; определить активную и емкостную составляющие импеданса ткани животного происхождения (мышечной) для различных эквивалентных электрических схем замещения, оценить поляризационную емкость и удельное сопротивление исследуемого образца; 4) построить графики частотной дисперсии определяемых в п.3. параметров; 5) проанализировать полученные в процессе лабораторной работы результаты и сделать выводы. 1. Теоретическая часть (Материал теоретической части построен на материалах литературных источников [1-5], рекомендуемых для изучения по программе курса биофизики). Первое упоминание об исследовании электрической проводимости биологических объектов принято относить к работам В. Томсона, датированным 1880 г. (Вильям Томсон (W/ Thomson, 1824-1907), с 1892 г. Лорд Кельвин – англ. Физик, президент Лондонского королевского общества (1890-1895). Дал одну из формулировок второго начала термодинамики, предложил абсолютную шкалу температур, разработал метод определения возраста Земли. Ему принадлежит ряд других крупных трудов и изобретений). Основополагающие результаты в этой области были получены в начале и середине ХХ в. К ним относятся установление типичных значений удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости тканей, органов и жидких сред живого организма, а также выявление и частичное объяснение зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости биологических жидкостей и клеточных суспензий от частоты зондирующего тока. С этими достижениями связаны имена Г. Фрике, К.Коула, Х. Шванна. Современные представления об электрических и магнитных свойствах живых тканей основаны на фактах о молекулярной организации биомембран и, в значительно меньшей степени, на сведениях о квантово-механических свойствах физиологически активных молекул. Характеризуя электрические свойства живых тканей, следует учитывать, что они являются композиционными средами, поскольку одни структурные элементы обладают свойствами проводников а другие – диэлектриков. При анализе действия электромагнитного поля (ЭМП) на живой организм его ткани принято рассматривать как сруде, образованную проводниками и диэлектриками. Электропроводность биологической ткани – это количественная характеристика способности биомембран, клеток и тканей проводить электрический ток. Биологические ткани обладают свойствами проводников и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обусловливает проводимость. Диэлектрические свойства и величина диэлектрической проницаемости  определяются структурными компонентами биологических тканей и явлениями поляризации. Характерная особенность биологических тканей, как многокомпонентных гетероструктурных сред – наличие высокой поляризационной ёмкости, высокой диэлектрической проницаемости на низких частотах внешнего воздействующего электромагнитного поля. При постоянном зондирующем токе закон Ома для биологической ткани, как проводника электрического тока, можно записать в виде I(t)=(U-E(t))/R, где U – приложенное напряжение, E(t) – возникающая в ткани противо ЭДС, R – эквивалентное активное сопротивление цепи «электрод-биообъект». Уменьшение во времени тока через биоткань обусловлено явлениями поляризации в ткани. При прохождении постоянного тока через биологическую ткань в ней возникает нарастающая до некоторого предела ЭДС противоположного направления, которая уменьшает приложенную к ткани эффективную ЭДС, что приводит к уменьшению тока. Характеристикой поляризации является время релаксации , соответствующее максимальной частоте внешнего поля, которую индуцированные диполи способны отслеживать своими поворотами на 180. Выделяют несколько видов поляризации, возникающих во внешнем ЭМП: электронная поляризация – смещение электронов на своих орбитах относительно положительно заряженного ядра; в результате возникает индуцированный диполь с направлением вектора дипольного момента, противоположным направлению внешнего поля; характерна для неполярных молекул H2, O2, N2; 1=10-16 – 10-14 с; ионная поляризация – вызывается смещением иона относительно кристаллической решётки; характерна для кристаллических диэлектриков; 2=10-14 – 10-12 с; дипольная (ориентационная) поляризация – характерна для полярных молекул (воды, спиртов, малых органических молекул), которые под действием внешнего поля ориентируются в соответствии с этим полем; 3=10-13 – 10-7 с; макроструктурная поляризация – связана с гетерогенностью структуры, чередованием слоев с высокой и низкой электропроводностью, скоплением свободных зарядов на границах слоев с разной электропроводностью, а в биотканях – и с наличием крупных органических молекул-полиэлектролитов (белков); 4=10-8 – 10-3 с; другие виды поляризации, связанные с поляризационными явлениями на границах электрод-электролит-среда (биоткань); 5=10-3 – 100 с. Для импедансных измерений при исследовании биологических тканей наименее существенную роль играют электронная и ионная виды поляризации. ЭДС поляризации обусловливает высокое удельное сопротивление (=106-107 Ом*см) тканей постоянному току. Величина поляризационной ёмкости может быть вычислена по следующей формуле: , где ^ I0 – начальное значение тока; IT – установившееся через время T значение тока (рис. 1). При прохождении переменного тока электрические свойства биологических тканей описываются не только активным, но и емкостным сопротивлением. Все явления поляризации могут быть описаны с помощью диэлектрической проницаемости вещества. Диэлектрическая проницаемость  характеризует уменьшение величины электрического поля в веществе по сравнению с величиной электрического поля в вакууме. Если Е0 – напряженность однородного поля, образуемого некоторыми зарядами в вакууме, а Е – напряжённость поля, создаваемого этими же зарядами, в веществе, то  = Е0/Е. Если, например, диэлектрическая проницаемость воды равняется 80, то это значит, что напряжённость поля между двумя пластинами, между которыми находится вода, в 80 раз меньше напряженности поля, создаваемого этими же зарядами в вакууме. И это уменьшение напряженности поля обусловлено дипольной поляризацией, вызванной ориентацией (вращением) полярных молекул воды в электрическом поле. Величина определяется  также как отношение ёмкости С конденсатора, между обкладками которого находится данное вещество, к ёмкости С0 того же конденсатора в вакууме:  = С/С0. Электрическая модель биологического объекта (исследуемого образца биологической ткани) может быть представлена упрощённо в виде комбинаций поляризационных ёмкостей (C) и активных сопротивлений (R): последовательной (рис. 2, а) и параллельной (рис. 2, б) схемами замещения. Реактивное ёмкостное сопротивление определяется по формуле , где  - скорость изменения фазы тока (круговая частота); С – эквивалентная ёмкость биоткани на определенной частоте. Электрическое сопротивление образца биоткани (или между какими-либо участками тела) представляет собой комплексное сопротивление – импеданс. Комплексное сопротивление биоткани для последовательного соединения C и R определяется как , для параллельного – , где Z – импеданс; - мнимая единица. Импеданс биоткани и его составляющие, активная и ёмкостная, изменяются с изменением частоты тока, на котором производится измерение. 1.1. Электрические эффекты электромагнитного поля в веществе Под действием ЭМП в любом веществе происходит перемещение электрических зарядов. Различают свободные и связанные электрические заряды. В зависимости от преобладания того или иного вида зарядов электрические среды подразделяются на проводники и диэлектрики. В проводнике под действием ЭМП приходят в движение свободные электрические заряды (электроны, ионы). Тем самым осуществляется объёмная поляризация среды (вещества), т.е. пространственное разобщение разноимённых электрических зарядов (разведение их в разные участки объема – «макроскопического» по сравнению с объёмом молекулы). Электрическое поле (ЭП), создаваемое разобщенными зарядами, полностью экранирует внутренность проводника от внешнего ЭМП, вызвавшего объёмную поляризацию. Поэтому внутри проводника ЭП отсутствует. Движение свободных электрических зарядов под действием внешнего ЭМП называют электрическим током проводимости (Iпр). Его величина, а следовательно, и значение плотности тока проводимости (jпр), фигурирующей в одной из пар материальных уравнений Максвелла, зависят как от напряжённости внешнего ЭМП, так и от удельной электропроводности (, См/м) среды, в которой возникает ток проводимости (jпр=). Удельная электропроводность среды определяется числом свободных зарядов (Nсв) в ней (обычно их приводят к единице объёма) и их подвижностью (u0). Подвижность характеризуется скоростью движения свободных зарядов под действием внешнего ЭП напряжённостью 1В/м. Она зависит от величины заряда (q), массы (m) заряженной частицы, а также от времени её свободного пробега (): . В параметре  отображается взаимодействие свободных электрических зарядов с другими структурными элементами среды (вещества). В среде (веществе), кроме свободных, могут присутствовать связанные электрические заряды. Молекула, содержащая связанные заряды, поворачивается в ЭМП таким образом, чтобы её вращающий момент () совпал по направлению с вектором . Кроме того, связанные заряды смещаются относительно положения равновесия. Движение связанных электрических зарядов под действием внешнего ЭМП называется током смещения. Простейшей системой связанных зарядов является электрический диполь, основным параметром которого служит электрический момент диполя (дипольный момент): , где q – абсолютное значение заряда; – плечо диполя; – расстояние между положительным и отрицательным зарядами, образующими диполь. Единица измерения дипольного момента:[Клм]. Внесистемная единица – Дебай (D или Дб); 1D=3,310-30 Клм. Вектор дипольного момента направлен от отрицательного полюса диполя к положительному. Дипольный момент связан с вращающим моментом следующей формулой: , т.е. , где  – угол между направлениями и . Вследствие возникновения вращающего момента диполь под действием вектора напряжённости внешнего ЭМП поворачивается так, что противодействует этому полю. В ЭМП все диэлектрики ведут себя подобно диполю – в них происходит сдвиг электрических зарядов противоположного знака относительно друг друга. Такое взаимное перемещение наблюдается в пределах атома или молекулы. Поэтому в единице объёма диэлектрика сохраняется электронейтральность – заряды не разобщаются в пространстве. Однако на противоположных поверхностях диэлектрической среды, в которой распространяется ЭМП, «выстраиваются» разноимённые заряды, что создаёт разность потенциалов между этими поверхностями. Такое явление называется поверхностной поляризацией. За счёт поверхностной поляризации среды частично компенсируется внешнего ЭМП, а не полностью, как при объёмной поляризации. У разных диэлектриков степень компенсации внешнего поля неодинакова – у полярных она выше, чем у неполярных. Это обусловлено относительно высоким диполей, образующих полярный диэлектрик. Их порядка 1-10 D. Так, у некоторых аминокислот (глицин, аланин) он достигает 12-15 D, у воды – 1,84 D, у соляной кислоты – 1,03 D, у аммиака – 1,49 D, тогда как у неполярных диэлектриков на несколько порядков меньше (например, у гелия – около 10-8 D). Мерой способности диэлектрика создавать собственное ЭП, направленное против внешнего, и тем самым в той или иной степени компенсировать его действие, может служить не только величина отдельных диполей (её трудно оценить на макроуровне), но и такой интегральный параметр, как диэлектрическая проницаемость (). Ею определяется вектор поляризации (поляризованность): , где =-1. Физическую величину, обозначенную , называют диэлектрической восприимчивостью. Вектор поляризации представляет собой суммарный дипольный момент единицы объёма диэлектрика (V): . Он служит характеристикой источников собственного ЭП, возникающего в диэлектрике под действием внешнего ЭМП, и имеет размерность [Асм-2]. Рассмотрим диэлектрик цилиндрической формы, помещённый во внешнее электрическое поле с вектором напряжённости

Похожие:

	Методические указания к лабораторной работе №6 Исследование и изучение... Исследование автоматических выключателей. Методические указания к лабораторной работе №6 по дисциплине "Электрические и электронные...		Методические указания к лабораторной работе №2 Экспериментальное... Методические указания к лабораторной работе составлены профессором Е. П. Поляковым и доцентом О. А. Евлановой и обсуждены на заседании...
	Методические указания и задания к лабораторной работе для студентов... Методические указания предназначены для самостоятельной подготовки и выполнения лабораторной работы с топографической картой студентами...		Методические указания к лабораторной работе №11 Тиристорный пускатель... Нхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Методические указания к лабораторной работе №11 по дисциплине "Электрические и электронные...
	Лабораторно – практические занятия по биологической химии Учебное пособие предназначено для студентов педиатрического и стоматологического факультетов медицинских вузов. Материалы пособия...		Отчёт п о лабораторной работе: “ Исследование параметров магнитных... Общие требования к магнитомягким материалам можно сформулировать следующим образом
	Исследование отделяемого уретры. Исследование простатического сока Основы организации лабораторной службы. Структура клд. Общеклинические исследования. Оформление документации. Штат кл. Основа дифференциальной...		Отчет по лабораторной работе №9: Спектрофотометрическое исследование абсорбционных светофильтров Цель работы: научиться измерять характеристики абсорбционных светофильтров на спектрофотометрической установке по точкам. Научиться...
	Рисунки для лабораторной работе по ихтиологии (пищеварительная система рыб)		Отчет по лабораторной работе №4 на тему: «Исследование и расчет временных... ...