Содержание к диссертации
Введение
1 Общие вопросы взаимодействия низкоинтенсивных ЭМВ КВЧ-диапазона и биологических структур различной степени организации 14
1.1 Распространение и взаимодействие миллиметровых волн в биологических средах 14
1.1.1 Собственные электромагнитные поля и излучения биологических объектов 14
1.1.2 Биофизические аспекты взаимодействия КВЧ ЭМИ с биообъектами 21
1.2 Основные эффекты, возникающие в биологических структурах в КВЧ полях и их практическое применение 28
1.3 Выводы и поставленные задачи по главе 1 34
2 Методы моделирования и анализа резонансных свойств биологических структур 35
2.1 Макромоделирование биологических структур в условиях воздействия на них электромагнитных полей 35
2.2 Влияние КВЧ-излучения на молекулярную структуризацию водосодержащих сред 47
2.3 Методы выявления частот структуризации водосодержащих объектов и сред при прямых воздействиях ЭМИ КВЧ-диапазона 54
2.4 Методы определения диэлектрической проницаемости сред с различной концентрацией воды 57
2.5 Выводы и поставленные задачи по главе 2 71
3 Исследование процессов влияния степени киральности среды при расчётах электронной проводимости биологических структур 73
3.1 Cреды обладающие киральными свойствами 73
3.1.1 Общие особенности естественных и искусственных киральных сред 73
3.1.2 Материальные уравнения для киральной среды 76
3.1.3 Особенности биизотропной киральной среды з
3.1.4 Распространение электромагнитных волн в киральной среде 79
3.2 Оценка взаимодействия электромагнитных волн КВЧ-диапазона с биологическими средами, содержащими киральные элементы 84
3.3 Методы учета киральных свойств в биологических средах с различной концентрацией воды 93
3.4 Выводы и поставленные задачи по главе 3 99
4 Разработка методов обнаружения и регистрации реакции биологических объектов на мм-облучение и устройств на их основе 100
4.1 Косвенные методы обнаружения и регистрации реакции биологических объектов на мм-облучение 100
4.2 Радиометрические методы для контроля и выявления метаболических частот биообъектов 104
4.2.1 Особенности радиометрических методов измерения параметров биообъектов 104
4.2.2 Радиометрические комплексы (РК) для измерения отражающих и поглощающих свойств биообъектов 107
4.2.3 Радиометрический комплекс для измерения собственных резонансных частот биообъектов 113
4.3 Динамические методы выявления метаболических частот биологических объектов в СВЧ- и КВЧ-диапазонах 123
4.4 Исследовательский КВЧ-комплекс для воздействия на биологические объекты, позволяющий учитывать объёмно-резонансные свойства контейнера со средой 130
4.5 Выводы по главе 4 134
Заключение 136
Список сокращений
- Основные эффекты, возникающие в биологических структурах в КВЧ полях и их практическое применение
- Методы выявления частот структуризации водосодержащих объектов и сред при прямых воздействиях ЭМИ КВЧ-диапазона
- Материальные уравнения для киральной среды
- Радиометрический комплекс для измерения собственных резонансных частот биообъектов
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Электромагнитные волны (ЭМВ) миллиметрового диапазона, называемые крайне высокочастотными (КВЧ), в последние годы широко исследуются и применяются в различных областях науки, техники и медицины. КВЧ-устройства нашли применение как в составе отдельных элементов, так и в сложных радиометрических комплексах.
Важно отметить, что необходимость использования ЭМВ КВЧ-диапазона на
сегодняшний день очень актуальна. Особый интерес представляют те
возможности, которые открываются при использовании ЭМВ для влияния на
процессы жизнедеятельности биологических объектов: микроорганизмов,
животных, в том числе и человека.
Изучением вопросов, связанных с терапевтическим воздействием КВЧ-волн, занимались с конца 80-х годов прошлого века известные учёные: Н.Д. Девятков, М.Б. Голант, О.В. Бецкий, И.В. Лебедев, А.Н. Веткин, В.Д. Искин, А.Х. Тамбиев и другие. Этими и другими авторами обнаружено важное свойство, проявляющееся при взаимодействии биообъектов с КВЧ-полями – зависимость процессов метаболизма от конкретных частот.
Одной из определяющих особенностей, которые демонстрирует частотная зависимость гомеостаза биообъекта, является содержание в нём воды. В последние годы такие исследования ведутся особенно интенсивно. Существует значительное количество публикаций, посвящённых структуризации водных растворов биологических объектов и сред под воздействием КВЧ-поля, которое вызывает изменение проводимости и в итоге, влияет на жизненную активность биообъектов и сред и может привести к их гибели.
Наряду с такими исследованиями, которые предполагали разработку моделей, объясняющих поведение биосред в КВЧ-полях, большую важность представляют разработки радиометрических комплексов, способных осуществлять различные сложные воздействия на исследуемые образцы и регистрировать отклик на них. При этом использование сложных многочастотных преобразований позволяет регистрировать частоты, оказывающие наибольшее влияние на различные биологические среды в указанном диапазоне. Все эти исследования в конечном счёте позволяют разрабатывать установки, способные влиять на процессы жизнедеятельности как, например, бактерий или дрожжей, так и сложных клеточных структур.
На сегодняшний день КВЧ-установки являются важным инструментом не только при лечении целого ряда заболеваний, но и для воздействия на метаболические процессы различных микроорганизмов (активацию или угнетение их жизнедеятельности). При этом воздействии КВЧ-излучение осуществляется чаще всего на основных четырёх частотах 7,1 мм (42,25 ГГц), 5,6 мм (53,57 ГГц), 4,9 мм (61,22 ГГц), или 2,53 мм (118,57 ГГц), оказывающих максимальное воздействие на биологические среды и организмы различной степени организации. Очевидно, это не полный частотный перечень, поэтому основной задачей, стоящей перед исследователями, является выявление именно тех частот, которые наиболее
эффективно влияют на жизнедеятельность организмов. Для этого необходимо определить основные механизмы, лежащие в основе этого воздействия.
Целью работы является разработка методов моделирования поведения биологических структур при взаимодействии c электромагнитными волнами миллиметрового диапазона и создание устройств, позволяющих влиять на их метаболизм, что позволит регулировать жизнедеятельность таких структур и организмов.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач диссертационной работы:
разработать и проанализировать макромодели клетки, построенные на базе нескольких электрических эквивалентных схем структуры мембрана-протоплазма и усреднённых электрофизических параметров;
разработать и проанализировать усреднённую модель эритроцита человека в виде обобщенной электрической эквивалентной схемы;
- модифицировать объёмную трёхмерную электродинамическую модель
киральной биосреды и получить соотношения, определяющие пространственные
компоненты волн в объёме среды;
- провести оценку взаимодействия электромагнитных волн КВЧ-диапазона c
биологическими средами, содержащими киральные элементы (молекулы белка,
ДНК, РНК);
разработать методы учета киральных свойств в биологических средах с различной концентрацией воды с помощью введения квазилинейных параметров для расчета коэффициента киральности;
разработать эффективные радиометрические способы выявления частот влияющих на метаболизм биологических объектов, а также описать структурную и аппаратурную реализации этих методов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложены макромодели биологической клетки, учитывающие реальные усреднённые электрофизические параметры мембраны и протоплазмы, проанализированы их свойства в КВЧ-диапазоне длин волн и выявлена возможность применения некоторых из них для моделирования биологических сред;
предложена обобщённая модель эритроцита человека, которая объясняет резонансные свойства этой структуры в КВЧ-диапазоне;
- модифицирована обобщённая трехмерная модель киральной биосреды,
учитывающая электродинамические и материальные уравнения и описывающая
распространение электромагнитного излучения (ЭМИ) в её объёме;
- проведена оценка киральности водосодержащих биосред при их
взаимодействии с электромагнитными волнами КВЧ-диапазона. Определено, что
большинство биологических водосодержащих сред обладают киральными
свойствами и это, в ряде случаев, необходимо учитывать в КВЧ-диапазоне;
- получены уточнённые частотные зависимости для величин амплитуды и
фазы проводимостей водосодержащей и водонесодержащей сред, позволяющие
сделать выводы о необходимости учёта киральных свойств в моделях некоторых
водосодержащих биосред;
- предложены радиометрические динамические методы «на проход» и «на
отражение», позволяющие выявлять терапевтические частоты по изменениям
проводимости сред в сверхвысокочастотных (СВЧ-) и КВЧ-полях;
- предложен метод эффективного исследования воздействия КВЧ-волн на биообъекты, учитывающий низкочастотные объёмно-резонансные свойства среды, помещённой в специальный контейнер.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- проведены классификация и анализ методов исследования параметров
проводимости водосодержащих биосред в результате которых выяснено, что
большинство из них носят ограниченный характер, требуют больших
аппаратурных затрат и не исследуют их свойства в широком частотном диапазоне;
- предложены радиометрические комплексы (РК), позволяющие
регистрировать изменение проводимости биологической среды по методу «на
проход» и «на отражение». Данные РК были использованы для исследования роста
и угнетения колоний Candida albicans и Escherichia coli в диапазоне 38,02 – 48,00
ГГц. Выявлены характерные частоты, которые дают рост колоний бактерий до
160 %, а также частоты, которые угнетают их рост и могут привести к гибели.
Излучения на этих частотах позволяют активно влиять на процессы
жизнедеятельности биологических сред различного уровня организации;
- разработаны два радиометрических комплекса, позволяющих определять
собственные излучения биообъектов в спектре КВЧ-колебаний находящихся на
уровнях тепловых шумов;
- предложена установка для исследования воздействия на биосреды
импульсно-модулированными КВЧ-волнами, частота модуляции которых
совпадает с собственной частотой объёма системы, состоящей из контейнера с
исследуемым образцом.
Положения, выносимые на защиту:
-
Макромодели клеточной структуры и модель эритроцита человека в виде обобщенных электрических эквивалентных схем, позволяющие объяснить проявление резонансных свойств этих структур в КВЧ-диапазоне;
-
Результаты оценки взаимодействия водосодержащих дисперсных биосред, содержащих киральные элементы, с ЭМВ КВЧ-диапазона, для последующих разработок методов учёта обнаруженных эффектов в биологических средах с различной концентрацией воды. Получение уточнённых частотных зависимостей для величин амплитуды и фазы проводимостей водосодержащих и водонесодержащих сред.
3. Радиометрические методы контроля изменений проводимости
биологической среды на основе регистрации отклика на воздействующий КВЧ-
сигнал по методикам «на проход» и «на отражение».
4. Метод исследования воздействия модулированных КВЧ-волн на
биообъекты, учитывающий низкочастотные собственные объёмно-резонансные
свойства специально разработанного контейнера с биоматериалом.
Реализация результатов работы:
- диссертационные исследования проводились согласно плану научно-
исследовательских работ кафедры радиотехнической электроники ЮФУ в 2012-
2017 годах и использовались в учебном процессе.
- в научно-исследовательских работах кафедры молекулярной генетики Академии Биологии и Биотехнологии ЮФУ проведённых совместно с кафедрой радиотехнической электроники ИНЭП ЮФУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на
следующих научных конференциях: Международная Научно-техническая
конференция «Нанотехнологии – 2012» (Таганрог, 25-29 июня 2012 г.); Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» («КРЭС-2012»). (Таганрог, ЮФУ, 2012 г.); Фестиваль Недели науки Юга России. Региональная студенческая конференция (Ростов-на-Дону, ЮФУ, 2013 г.); Х Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2014 г.), Молодежная научная конференция «NanoTech-2015» (г. Таганрог, 21–25 сентября 2015 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них 6 статей – в журналах, включенных в Перечень ВАК и 1 статья, индексируемая в базе SCOPUS.
Личный вклад автора. Основные научные результаты: анализ
макромоделей биологических структур, расчёты проводимостей биосред, а также результаты исследований, аналитические выражения для описания трехмерной киральной модели и разработка радиометрических комплексов, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, списка сокращений, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 157 страниц, в том числе 47 рисунков и 1 таблица, список литературы из 119 наименований и приложение, содержащее акты о внедрении результатов, полученных в кандидатской диссертации.
Основные эффекты, возникающие в биологических структурах в КВЧ полях и их практическое применение
Методы и средства измерений ЭМП позволяют осуществлять эффективные исследования собственных температурных полей живых организмов в предположении, что эти поля является тепловыми по своей природе. При этом в зависимости от характера молекулярных процессов в веществе можно выделить следующие области частот ЭМП[3, 4]: - низкочастотная область от 0 до 3103 Гц, которая соответствует тепловым хаотическим (броуновским) движениям носителей тока (электронам, ионам, диполям и др.), находящимся в тепловом равновесии с молекулами вещества; - область средних частот от 3103 до 3106 Гц, в которой источником ЭМП являются тепловые шумы в электропроводящей среде. При этом ЭМП, создаваемое электрическими флуктуациями в телах, в свою очередь действует на элементарные заряды этих тел и перераспределяет их; - область высоких частот от 3106 до 31010 Гц, в которой наряду с тепловым шумом, являющимся «белым» в спектральном отношении, проявляются спектры ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного спинового резонанса (ЭПР). Изменение энергии на уровне 0,001...10 Дж/моль происходит при перевороте спина ядра или электрона; - области сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот: от 31010 до 31012 Гц и выше соответствуют вращательной спектроскопии. Изменение энергии на уровне 10...100 Дж/моль происходит при энергетических переходах между вращательными уровнями молекул.
В области СВЧ распределение энергии в спектре излучения определяется законом Релея-Джинса: Uv=p8 kT, (1.2) где Uv - плотность излучения, соответствующая частоте v; /? - коэффициент излучательной способности; с - скорость распространения ЭМВ в вакууме; к -постоянная Больцмана; Т - термодинамическая температура тела.
Коэффициент излучательной способности р зависит от состояния поверхности излучающего тела и равен единице только в объектах, приближающихся по физическим свойствам к абсолютно черному телу (АЧТ). Для кожи человека 1 и зависит от коэффициента отражения Гv: P = -rv , (1.3) где Г,2 - коэффициент отражения по мощности внешнего облучения на частоте v. В настоящее время, электрическая составляющая собственного низкочастотного ЭМП человека неравновесного характера достаточно полно изучена и широко применяется для диагностики заболеваний методами электрокардиографии и электроэнцефалографии. Проводятся работы по исследованию магнитной составляющей ЭМП человека, особенно в низкочастотной области.
Например, биоэлектрические потенциалы различных органов участвуют в генерации собственного слабого магнитного поля человека. При этом напряженность магнитного поля сердца не превышает 810-5 А/м, в то время как собственное магнитное поле земли составляет 10 - 20 А/м.
Все указанные проявления электромагнитной активности живого организма обусловлены неравновесными процессами и, следовательно, имеют нетепловую природу. Исследование нетепловых спектров излучения организма человека позволяет установить новые критерии возникновения тех или иных болезней.
На протяжении длительного времени многие ученые вообще не могли представить, что биологические объекты в отличие от физических (неживой природы) генерируют в области высоких и сверхвысоких частот какие-либо излучения, кроме теплового. Однако расширение понятия ЭМИ не только как процесса образования волн от ускоренно-движущихся заряженных частиц, но и как процесса возникновения фотонов при изменении состояния квантовой системы, дали толчок к пониманию возникновения ЭМИ от неравновесных процессов. Открытие собственных характеристических частот живого организма стимулировало создание квантовой физики живого, прикладным направлением которой является квантовая медицина [1, 3]. В рамках этого подхода к человеку, как живому существу, присуще когерентное электромагнитное излучение клеток, резонансные частоты мембран которых, по утверждению ряда ученых, находятся в мм-диапазоне (10...100 ГГц) [3, 4]. При этом плазматические мембраны являются активными центрами когерентной системы организма. Наличие зарядов на мембранах при их колебаниях превращает их в источник ЭМИ КВЧ-диапазона, мощность которых пропорциональна квадрату ускорения. В результате внутри тела человека действует собственное когерентное поле, которое поддерживается благодаря электромагнитной активности каждой клеточки организма. Сохранение устойчивости когерентного поля организма обеспечивается условием падения бегущей волны изнутри на кожный покров под углом равным или большим угла полного внутреннего отражения. Благодаря отражению в энергетических каналах человека (меридианах) образуются стоячие волны с соответствующей интерференционной структурой. Большое поглощение ЭМИ КВЧ-диапазона межклеточной жидкостью компенсируется непрерывной генерацией волн мембранами клеток. Вследствие энергетической подпитки когерентное поле существует в живом организме постоянно и направляет, координирует работу всех органов и систем организма, создавая электромагнитный каркас живого [4].
Методы выявления частот структуризации водосодержащих объектов и сред при прямых воздействиях ЭМИ КВЧ-диапазона
Среди известных методов активации клеточных структур внешними воздействиями в последние годы стали популярными методы низкоинтенсивного КВЧ-облучения как фотосинтезирующих организмов и бактерий [11], так и высокоорганизованных структур [19, 37]. Наиболее перспективными для упомянутых активаций считают частоты с длинами волн: 8,34 мм, 7,1 мм, что дает значительный (до 216 %) по сравнению с контрольной группой прирост массы биоматериалов с различной клеточной организацией [11] и с длинами волн 4,9 мм, 5,6 мм и 7,1 мм, используемых в физиотерапевтической лечебной практике [19].
При определении ответной реакции биологического объекта на ЭМП важным параметром является не только мощность излучения, но и его частота, на которой происходит наибольшее взаимодействие объекта исследования с ЭМИ.
Максимальный отклик биологической среды на воздействующее мм-излучение наблюдается при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебаний системы, т.е. при резонансном взаимодействии (клеточного резонанса») [12, 15].
Этим объясняется необходимость нахождения собственных частот электромагнитных колебаний различных биологических структур.
Такие структуры в зависимости от входящих в них элементов и размеров представляют собой, с электромагнитной точки зрения, сложные многорезонансные контуры [38, 39, 40]. Частоты, соответствующие собственным резонансным колебаниям клетки и клеточных структур биосистемы, различны и лежат в определенном частотном диапазоне. Анализ подобных контурных цепей позволит определить эти частоты и промоделировать поведение биологической системы в диапазоне частот. Учитывая, что проводимость клетки определяется совокупностью её электрических параметров (сопротивления мембраны и среды, заполняющей клетку, относительная диэлектрическая проницаемость, емкость), можно представить отдельную клетку (или группу клеток) в виде электрической схемы замещения, состоящей из распределённых RLC-элементов: сопротивлений R, электрических емкостей С и индуктивностей L, и определить для такой системы собственные (резонансные) частоты.
Смысл проведения частотного анализа биологических структур (БС), с точки зрения выявления в них резонансных свойств, состоит в их приближенности к вышеперечисленным частотам и, таким образом, к перспективной восприимчивости этих объектов к КВЧ-полю [37].
Учитывая вышесказанное, рассмотрим макромодель клеточной мембраны в составе протоплазмы и липидно-белковой среды, как электрической эквивалентной схемы замещения (ЭЭСЗ) с пассивными RLC-элементами [38, 39, 40]. Формы клеток и особенности строения различных биологических объектов разнообразны и зависят от функций, выполняемых клеткой (в случаи многоклеточных организмов) и от условий среды обитания, образа жизни (в случаи простейших микроорганизмов). Клетка представляет собой сложное образование, состоящее из ядра, цитоплазмы, наружной мембраны. Эти компоненты являются основными для всех видов клеток. При этом, значения относительной диэлектрической проницаемости среды внутри клетки и среды, окружающей клетку различны [41, 42].
На рис. 2.1 приведена одна из возможных структур клеточной мембраны, которая показывает сложность построения ЭЭСЗ.
Данные о формах, особенностях строения, значениях геометрических размеров составляющих клеток и их самих взяты из различных источников [40 -42]. Радиус клетки гк имеет значение порядка 10 6...10 5 м [19, 41, 43], толщина мембраны составляет hM = 7,5...8,0 нм [41-44], ширина межклеточного пространства, заполненного волокнистым веществом, не превышает 15...20 нм, размер глобулярных белков 2... 10 нм, толщина фосфолипидного слоя 3...6 нм [40, 41].
Существует широкий разброс электрических параметров мембран [18, 40 -44]. Если выбрать значение удельного поверхностного сопротивления мембраны 107 Омм2 [40], тогда для определения величины электрического сопротивления, необходимо эту величину разделить на площадь поверхности мембраны SM = 4тг(гм)2. Если величина радиуса клетки гк равна значению внешнего радиуса мембраны (гм = гк), то получаем SM = SK, при радиусе мембраны гм 10"6 м имеем R 8Ю17 Ом.
В расчетах полагалось, что мембрана может быть представлена в виде пористой поверхности, которая пронизана каналами для транспортировки ионов.
В [40] отмечается, что сопротивление канала для транспортировки иона 1С равно RmH = 51010 Ом, откуда в предположении концентрации таких каналов NKaH = 50 на 1 мкм2, получено, что сопротивление мембраны может быть рассчитано как: Ясон = м , (2.1) где NKaH - количество каналов, ам = 100 Ом см2 - удельное сопротивление мембраны [40], SKaH - поперечное сечение каждого из каналов. Формула (2.1) используется в случае, когда радиусы всех каналов гшн одинаковы, и если они имеют разные значения, тогда используют формулу:
На всей площади мембраны SM находится NKaH= 628 каналов. Сопротивление одного канала, находящегося на мембране, составляет: RKaH = oJSKaH = 510 14 Ом, тогда сопротивление всех каналов, соединенных параллельно между собой, будет: RKOH = RKaH / NKaH 81011 Ом (эти каналы занимают площадь равную 0,01 % от площади мембраны).
Если напряжении на мембране составляет 100 мВ, то через каждый канал идёт ток 4,5 пА, таким образом, значение сопротивления одного канала определяется как: RKaH = U/I = 2,21010 Ом [40].
Данные о сопротивлениях мембраны получены из разных источников и имеют большой разброс от 1011 ... 1018 Ом до 103... 108 Ом [40-42, 44]. Межклеточная жидкость представляет собой водный раствор различных химических веществ и величина её сопротивление изменяется в пределах от 1 до 10 кОм.
Таким образом, интервалы изменения значений физических параметров биологических систем могут достигать нескольких порядков. Так, например, изменение значений сопротивления мембраны в пределах 12 порядков в определенной степени может быть обусловлено количеством открытых каналов. Моделируя, различные физические процессы в биологических системах, приходится сталкиваться с таким большим разбросом значений параметров.
Материальные уравнения для киральной среды
Простейшим объектом для любого излучения является вода, которая играет важную роль в процессе взаимодействия ЭМВ с биологическими объектами. Экспериментально было обнаружено, что действие излучений СВЧ- и КВЧ-диапазонов стимулирует возникновение в воде перекиси водорода Н2О2 (т.е. в ней присутствуют радикалы ОН–) [46 - 48].
Вода представляет собой ассоциированную жидкость с большой диэлектрической проницаемостью = 81. Это объясняется тем, что вода является сильнополярной жидкостью и, следовательно, обладает большим дипольным моментом молекул. Последнее из указанных свойств приводит к самоорганизованности воды, а также к её пространственной структуризации.
Результаты, полученные в ходе исследований с водой, можно объяснить, основываясь на кластерно-фрактальной модели, в которой вода представляется как смесь свободных молекул и фрагментов с упорядоченной гексагональной структурой, в вершинах шестиугольников которой находятся радикалы ОН– [48].
Молекулу воды можно представить, как маленький диполь с положительным и отрицательным зарядами на полюсах. При этом электронное облако смещается в сторону ядра кислорода, так как его масса и заряд больше чем у ядер водорода. В результате этого, ядра водорода «обнажаются» и электронное облако приобретает неоднородную плотность и возле ядер водорода наблюдается недостаток электронной плотности, а около ядра кислорода, наблюдается её избыток. Если провести прямую линию между центрами положительных и отрицательных зарядов образуется правильный тетраэдр. Таким строением и объясняется полярность молекулы воды. Электронная и пространственная модели строения молекулы воды показано на рис. 2.14.
Неоднородности в структуре воды можно объяснить наличием водородных связей каждой молекулы воды с 4-мя соседними молекулами, при этом образуется сложный сетчатый каркас в молекуле льда. В жидком состоянии вода имеет неупорядоченную межмолекулярную структуры и короткоживущие водородные связи.
Для понимания роли воды в процессе взаимодействия КВЧ-излучения и биологических объектов рассмотрим присущие ей необычные свойства [49 - 53]: - Плотность жидкости больше, чем плотность кристаллического льда. Если повышать температуру после плавления, то плотность воды продолжит увеличиваться и достигнет максимальной величины при 4 C. Практически у всех других веществ кристалл плотнее жидкой фазы. - Аномальное температурное поведение сжимаемости воды. Обычно, при увеличении температуры сжимаемость жидкости тоже растёт. Вода ведёт себя так только при высоких температурах, при низких происходит всё наоборот. Пороговое значение температуры, при которым происходит изменение поведения сжимаемости составляет 45 C. - Теплоёмкость воды зависит от температуры немонотонно (при увеличении температуры от 0 до 37 C теплоемкость уменьшается, а затем возрастает при дальнейшем росте температуры). - Вода представляет собой смесь двух компонентов, которые отличаются друг от друга свойствами (плотность и вязкость) и структурой. - Водородный показатель рН воды изменяется, если её перемешать, а затем после того, как вода отстоится водородный показатель становится прежним. Исследования свойств воды ведутся долгие годы и за это время были предложены различные модели строения воды. Наиболее популярными были: 1) модель Бернала-Фаулера – одна из первых моделей представления воды. В основе модели лежал тетраэдрический характер структуры воды, при этом считалось, что в пределах короткоживущих групп молекул воды («мерцающих кластеров») водородные связи в жидком состоянии воды постоянно образуются и рвутся; 2) модель Попла - модель непрерывной сетки. Вода представлялась в виде тетраэдрической сетки, где связи между молекулами имеют различную длину и искривлены; 3) кластерная модель - вода представляется в виде кластеров, состоящих из молекул, объединённых друг с другом водородными связями, которые хаотично перемещаются среди молекул, в таких связях, не участвующих; 4) клатратная модель – вода рассматривается как непрерывная сетка (каркас) водородных связей, содержащая пустоты, в которых находятся молекулы, не имеющие связей с молекулами каркаса.
Сейчас, выяснено, что проявляемые особенности воды и короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), которые могут принимать, хранить и передавать информацию [51]. Основным элементом такой модели является кластер, состоящий из клатратов, механизм действия которых определяется дальними кулоновскими силами. В кластерах зашифрована информация о происходящих взаимодействиях с данными молекулами воды.
Радиометрический комплекс для измерения собственных резонансных частот биообъектов
Киральную среду можно представить, как совокупность равномерно распределённых в изотропной диэлектрической среде проводящих зеркально-асимметричных элементов. Понятие киральность впервые ввёл английский ученый - физик Уильям Томсон в XIX веке, определив её, как свойство объекта не совпадать, не совмещаться со своим зеркальным отображением ни при каких перемещениях и вращениях [70]. Слово «киральный» в переводе с греческого означает – «рука, зеркально-несимметричный объект».
Киральные среды могут содержать элементы естественного (молекулы сахаров, аминокислот, ДНК) и искусственного происхождения (проволочная спираль, лист Мёбиуса и неправильный тетраэдр).
Естественные среды, обладающие киральными свойствами, были известны в оптике с XIX века и получили название оптически-активных. Сущность явления молекулярной асимметрии впервые объяснил французский биолог Луи Пастер. Основным свойством естественной киральной среды является вращение плоскости поляризации ЭМВ, проходящей через неё [70, 71].
Надо отметить, что помимо кольцевых право- и левовинтовых спиралей (L- и D-изомеров), к естественным киральным элементам могут относится и цилиндрические элементы (глюкоза и галактоза).
В конце XX века резко увеличился интерес к изучению композитных искусственных сред, для которых характерно наличие пространственной дисперсии в СВЧ- и КВЧ-диапазонах. Примером таких материалов может служить киральная среда, состоящая из проводящих зеркально-асимметричных микроэлементов, равномерно распределённых в изотропной магнито диэлектрической среде. В качестве киральных микроэлементов могут использоваться право- и левовинтовые металлические спирали, кольца с ортогональными прямолинейными концами и др.
Таким образом, искусственная материальная среда, которая состоит из электромагнитных элементов зеркально-асимметричной формы (киральных частиц), равномерно вкраплённых в однородный магнитодиэлектрик [71] (рис. 3.1), является киральной средой. При этом расстояние l между соседними киральными элементами в усредненном объеме соизмеримо с длиной волны , а их линейные размеры d значительно меньше (d ). Это значит, что спирали и другие киральные частицы, представляющие собой диполи, могут также группироваться относительно друг друга с созданием электродинамических и магнитодинамических моментов. В этом случае полагают, что киральная среда обладает пространственной дисперсией.
Для описания свойств киральной среды, кроме диэлектрической и магнитной ju проницаемостей, вводят параметр киральности /. При этом / 0 в случаи среды из правовинтовых спиралей и / О - в случае левовинтовых спиралей. Материальные уравнения для описания киральных сред связывают векторы электрической и магнитной индукций с напряжённостью электрического и магнитного полей. Это объясняется тем, что падающее на киральный элемент электрическое поле индуцирует на нём электрический и магнитный дипольные моменты. В свою очередь, переменное магнитное поле в киральном элементе создаёт как магнитный, так и электрический дипольный момент, что объясняется своеобразной формой кирального элемента. Например, наведённый ток в проводящей спирали будет протекать не только по кольцевым виткам спирали, но и будет иметь составляющую вдоль её оси, так как переход от одного к другому витку осуществляется как раз вдоль этой оси [72].
Существует две модели представления киральной среды: объёмная и плоская. Первая, состоит из двух- или трехмерных киральных микроэлементов, расположенных в магнитодиэлектрической среде, сюда можно отнести: лево- и правовинтовые спирали, сферические частицы со спиральной проводимостью и др. Вторая содержит проводящие микрополосковые элементы зеркально-асимметричной формы, распределённые на поверхности диэлектрической или ферритовой подложке (например, полосковые элементы в виде буквы S и ее зеркального эквивалента, ленты Мёбиуса и др.) [70, 71, 73].
Эти объёмные и плоские киральные структуры относятся к «физически киральными» [72], так как их киральность определяется не формой всей структуры, а формами, входящих в нее микроэлементов.
Такие структуры, создаваемые искусственно, для технических нужд имеют ряд недостатков, которые несколько затрудняют их применение: 1. На практике технология их изготовления весьма трудоёмка. 2. Пространственная дисперсия таких структур наблюдается только вблизи длин волн равных = 2nt где t - пространственный период структуры; n = 1, . 3. Диаграмма излучения сильно зависит от отношения t/. 4. Наличие сильной зависимости входного сопротивления от частоты в таких структурах затрудняет их согласование при включении в СВЧ-цепь. В [71] рассмотрена классификация киральных сред с точки зрения внутреннего механизма образования киральности. Искусственно созданные проводники СВЧ- или КВЧ-волн относятся к категории метаматериалов. Если киральность структуры в целом связана с зеркальной асимметрией элементов, входящих в её состав, то метаматериал называется физически киральным. Если же киральность связана с зеркально асимметричным расположением самих элементов-композитов, образующих структуру, то метаматериал называется геометрически киральным.
Основоположниками теории взаимодействия киральных сред с электромагнитными полями с можно считать Lindell В., Varadan V., Lakhtakia А. и др. В России большой вклад в это научное направление внесли Третьяков С.А., Сивов А.Н., Шатров А.Д., Каценеленбаум Б.З., Шевченко В.В., Неганов В.А., Осипов О.В. и ряд других авторов [70-81].
Можно выделить две группы задач, направленных на исследование электродинамических свойств киральных сред. Первая группа включает в себя моделирование киральных среды при помощи использования различных зеркально-асимметричных элементов и расчёт параметров /, ju и є. Вторая группа задач связана с изучением характеристик киральной среды на основе заданных материальных уравнений без уточнения её физической модели [70, 74].