8.4.2. Характеристика биожидкостей как носителей диагностической информации

Существуя в промежуточном диапазоне температур, ниже которого вещество переходит в твердое, а выше - в газообразное состояние (см. рис. 8.5), биожидкости сохраняют отдельные свойства, как твердых тел, так и газов. В частности, сжимаемость жидкостей близка к сжимаемости веществ в твердом состоянии, а коэффициенты диффузии и самодиффузии в большинстве случаев ближе к значениям, характерным для газов. Текучесть (величина обратная вязкости) и упругость, характерные для газов и твердых тел, одновременно присущи жидкости. Однако эти два последних свойства проявляются при соответствующих формах силового воздействия на жидкую среду.

По типу электропроводности жидкие среды принадлежат к проводникам второго рода, значительно реже - третьего рода. Полупроводниковые электрические свойства наиболее изучены только у некоторых биологических структур.

Реологические свойства биожидкостей определяются реологическими уравнениями, устанавливающими зависимость касательных напряжений от градиента скорости жидкости в пределах ее пограничного слоя. При ламинарном течении картина распределения скоростей движения для разных слоев жидкости вдоль неподвижной плоской стенки представляется в виде, изображенном на рис. 8.6. Вследствие тормозящего влияния стенки слои жидкости двигаются с разными скоростями w_i, величины которых возрастают от 0 у стенки L по мере удаления от стенки по координате n, перпендикулярной к потоку, формируя некий “профиль скоростей” движения W. Известно, что при ламинарном течении по жесткой трубе, профиль скоростей имеет параболическую форму, а максимальное значение скорости достигается на оси трубы.

Для большого класса жидких сред, относящихся к так называемым ньютоновским жидкостям, справедлив закон внутреннего трения, который связывает касательное напряжение (напряжение сдвига, напряжение внутреннего трения)  линейной зависимостью с градиентом скорости потока

, ( )

где  - коэффициент динамической вязкости (Пас); dw/dn -градиент потока.

Касательное напряжение  всегда положительно, поэтому в приведенной зависимости следует ставить знак плюс или минус с учетом знака градиента скорости dw/dn. Важно также отметить, что вязкость биожидкостей зависит от температуры, причем с повышением температуры она падает.

Для характеристики движения жидкости обычно вводят еще один показатель - кинематический коэффициент вязкости:

, ( )

где  - плотность жидкости.

При аналитических исследованиях жидких биологических сред часто приходится иметь дело с “неньютоновскими” жидкостями, для которых даже при постоянной температуре и давлении внутреннее трение зависит от гидромеханической предыстории. К ним относятся псевдопластические, вязкопластичные, дилатантные и другие жидкости [ ], реологические свойства которых не соответствуют выражению ( ). Например, растворы многих коллоидов, и суспензий, характерной особенностью которых является асимметрия включенных в них частиц, ближе к псевдопластическим жидкостям; для них реологическое уравнение принимает следующий вид:

,

где _к - кажущаяся вязкость; m - константа (0< m < 1).

Концентрированные суспензии, пасты, пастообразные шламы и растворы (так называемые вязкопластичные или бингамовские жидкости) характеризует другое реологическое уравнение:

,

где _п - пластическая вязкость, ₀ - .

Все типы неньютоновских биожидкостей объединены общим свойством стационарности, т. е. независимостью функции dw/dn = f() от времени.

Известны также два типа неньютоновских жидкостей, кажущаяся вязкость которых зависит от продолжительности сдвига - это тиксотропные и реопектантные, а вязкоупругие жидкости обладают свойством лишь частичного восстановления своей формы после снятия напряжений, напоминая этим упругие твердые тела.

Характерно, что кажущиеся вязкости всех неньютоновских жидкостей, как правило, значительно превышают вязкость воды.

Не менее важную роль при исследовании жидкостей играют процессы массопередачи, связанные с переносом вещества в пределах различных фаз и через межфазные границы. Как правило, такие процессы лимитируются диффузией молекул, ионов, атомов, свободных радикалов, частиц дисперсной фазы. Диффузионные характеристики, в свою очередь, зависят от свойств среды, распределяемого компонента, температуры и давления. Величина коэффициента диффузии D определяется из выражения первого закона Фика:

где М - масса продиффундировавшего компонента; S - площадь сечения диффузионного потока; t - время; dС/dn - градиент концентрации диффундирующего компонента.

Коэффициенты диффузии различных компонентов жидких сред близки по порядку к величине 10^-10-10^-9 м²/с, поэтому для интенсификации массообмена широко используется явление конвекции (конвективный перенос). Суммарная массопередача вследствие диффузии и конвективного переноса получила название конвективной диффузии.

Для оценки отношения масс вещества, перемещаемых путем конвективного переноса и диффузии, используют так называемое диффузионное число Пекле:

,

где l - характерный линейный размер тела, взаимодействующего со средой.

Если Ре>1, то массоперенос осуществляется преимущественно за счет инерционных сил, а при Ре<1 – за счет тепловых процессов.

При выполнении аналитических исследований очень часто используют физико-химические взаимодействия, возникающие между компонентами жидких систем. Эти взаимодействия определяют состояние и физико-химические свойства биожидкостей.

Известно несколько типов химических реакций, в которых возникают химические связи с энергиями, превышающими энергию теплового движения молекул в 5 кДж/моль при комнатных температурах:

- реакции присоединения (аддитивные взаимодействия, например в водных растворах неэлектролитов) не сопряжены с глубокими перестройками химической структуры реагирующих компонентов А и В и выражаются зависимостью:

mA+nВ  А_m В_n ,

где m, n – стехиометрические коэффициенты компонентов А и В;

- реакции соединения (предельный случай реакции присоединения) приводят к глубокой перестройке связей; они проходят до конца в силу своей необратимости, а их результатом является образование нового компонента C в соответствии с зависимостью:

mА + nВ  рС ;

- реакции обменного взаимодействия (весьма широкий класс химических реакций, например, окислительно-восстановительные реакции, реакции нейтрализации, осаждение, комплексообразование и др.) связаны с образованием новых компонентов C и D , определяемых выражением:

mА+nВ  рС+qD;

- реакции с ионизацией соединений - являются достаточно типовым процессом для аналитических исследований, в результате которого образуются ионизированные соединения (ассоциаций), описываемые зависимостью:

А_mВ_n  рК^q++qL^p-;

- реакции с электролитической диссоциацией в полярных растворителях при высоких диэлектрических проницаемостях среды, когда межионные связи в ассоциате существенно ослабляются (квадратные скобки обозначают концентрацию веществ в моль/л.):

[рK^q+][qL^p-]  pК^q+ + qL^p-.

- процессы ионизации и диссоциации характеризуется константой К ионизации и деионизации веществ (электролитов):

,

где а₊, а_- и а - активности катионов, анионов и нейтральных молекул, причем а_i= С_if_i,, С_i и f_i – соответственно концентрация и коэффициент активности j-го компонента.

- реакции с ассоциативно-диссоциативными процессами могут быть описаны уравнениями:

A_x + mxS  xAS_m;

nyA_x + xS_y  хyA_nS .

Исследования жидких сред сводятся к проведению количественных и качественных анализов и связаны с определением вида и концентрации компонентов жидких смесей, а также с определением структурного состояния жидкостного объекта. Решив в комплексе задачи указанных двух типов, можно узнать все о любой жидкой среде при данных условиях. Однако чаще всего бывает достаточно определить одно или несколько характерных свойств жидкостного объекта, выявить какой-то специфический компонент или небольшую их группу, чтобы сделать необходимый вывод по существу поставленной диагностической задачи.

Весьма распространенным в практике исследования биосубстратов является подход, основанный на изучении факторов, влияющих на объект, выяснении формы проявления и степени подобного влияния, выявлении всех возможных последствий. При этом вводятся как бы новые переменные величины или параметры, характеризующие изменяющиеся начальные условия (исходное состояние объекта) или условия проведения эксперимента. Очень часто подобные изменения условий могут осуществляться искусственно с помощью специальных устройств.