4.1.4. Діелектричні властивості біологічних тканин

Теорія 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  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 (_м  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  оточуючих тканин, як і інших речовин, зменшується при збільшенні частоти зовнішнього поля (табл. 4.2). 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 _х. Інерційність процесів поляризації є причиною їхнього відставання відносно змін поля, яким вони зумовлені:

. (4.25)

Таблиця 4.2.

Тканина	100 Гц	1000 Гц	2108 Гц	3109 Гц
Скелетний м’яз Печінка Жирова тканина	800 820 150	130 145 50	56 50–56 4–7	42 34–38 4–7

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

_x , (4.26)

де k – стала Больцмана, Т – температура середовища,  – 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 _х, близьких до 20 ГГц = 210¹⁰ 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  з характеристичною частотою релаксації _х. Наприклад, при дії НВЧ випромінювання на організм нагрівання зумовлюється діелектрич­ни­ми втратами, котрі припадають в основному на молекули води.