Дослідження електричних параметрів біологічних обєктів методом електропроводності

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № б

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ БІОЛОГІЧНИХ ОБЄКТІВ МЕТОДОМ ЕЛЕКТРОПРОВОДНОСТІ

Мета роботи: Дослідити частотну залежність електричних пара­метрів м»язової тканими жаби уздовж та поперек волокон. Дослідити вплив пошкодження на елект­ричні параметри м’язу.

Необхідне приладдя: звуковий генератор, посилювач, осцилограф, електрична мостова схема резисторів та ємностей, електродна камера, розчин Рінгера, м’язова тканина, препарувальні інструменти, нитки.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Методом електропровідності вимірюють опір речовини елект­ричному струму.

Зміна електропровідності використовується в біології для характеристики фізичних якостей речовини, для вивчення змін, зв'язаних з його функціональним становищем. Метод електропро­відності дозволяє вивчати структуру живої речовини, не пошкод­жуючи її.

Фундаментальні дослідження електричних параметрів біоло­гічних об'єктів проведені Філіпсоном, Фріке, Колом, Шваном, Тарасовим та інш. Виявлено, що різноманітні біологічні об'єк­ти, починаючи від бактерій та закінчуючи клітинами людини, во­лодіють схожими електричними параметрами, що указує на віднос­ну схожість їх будови.

Основним механізмом, який забезпечує проходження струму че­рез живу тканину, є електричне проведення. Електропровідність тваринних та рослинних тканин під час проходження через них постійного струму змінюється відразу при включенні струму, опір дуже малий, потім він швидко підвищується до означеної постійної величини, яка при значеннях напруги, яка пошкоджує клітину, тримається на одному рівні досить довго.

Відхилення від закону Ома, яке виявляється при проходженні струму через тканину, пояснюється поляризацією біологічних об»єктів. Поляризація у тканинах виникає не тільки на поверхні об'єктів. Поляризація у тканинах виникає не тільки на поверх­ні електродів, як у електролітах, але і по всій товщі самої тканини та, можливо, в різних її тканинах. Остаточна сумарна поляризація складається з поляризації окремих елементів ткани­ни.

З'явлення у тканинах під впливом постійного струму вто­ринної електрорушійної сили протилежного знаку викликає гадане
відхилення від закону Ома.

Якщо по закону Ома, I=U/R то
постійне зменшення сили струму викликано не збільшенням опору
тканини, а з'явленням вторинної електрорушійної сили Е поляризації.

Через це І = U - Е пол. / R

Виникнення вторинної електрорушійної сили зв»язане з утворенням усередині тканини додаткових зарядів за рахунок накопичення іонів проти­лежного знаку.

Під впливом застосованої напруги при дослідженні на по­стій йому струмі на всіх межах розділу виникає поляризація вна­слідок того, що для постійного струму біологічний об'єкт значною перешкодою та має дуже великий опір. Крім того, про­никність мембран дія іонів відносно мала, через це струм йде тільки через міжклітинні проміжки, запевнені добре провідним розчином солей. У зв'язку зі значній важкістю методики (склад­ність виключення впливу поляризації) дослідження електропро­відності проводяться тільки на простих системах (клітина, ок­ремі волокна та інш.).

Для зменшення поляризаційного ефекту було запропоновано використати перемінний електричний струм. Протягом малого про­міжку часу електрорушійна сила (ЕДС) поляризації не може досягати свого максимального значення. Чим менше цей проміжок, тим менше буде позначатися поляризація лінії розділу.

У біологічних об'єктах при дослідженні з використанням
перемінного струму для повторної характеристики системи треба
знати дві величини - активний та реактивний (ємкісний) опори.
Реактивник опір визначається величиною струму та його частотою,
у той же час активний опір від частоти не залежить, опір виз­начається не тільки його величиною, але і частотою.

Реактивний опір,

де кругова частота;

С - ємкість.

Величина загального опору - імпедансу:

Для зручності аналізу одержаних даних при дослідженні електричних параметрів систем на перемінному струмі об'єкт зобразять у вигляді еквівалентної схеми, яка складається з ак­тивного опору та ємкості. Схеми можуть бути послідовними та па­ралельними. (Мал.1)

Мал. І. Найпростіші еквівалентні електричні схеми подання біологічного:

об'єкту:

І - послідовна;

2 - паралельна.

Для послідовної схеми - уявна одиниця (2), яка показує, що струм та напруга в реактивному опо­рі зміщені по фазі на 90°.

Для паралельної схеми

Для послідовної схеми, отже, (3)

а для паралельної

Уже в перших працях по дослідженню електричних властиво­стей біологічних об'єктів було відмічено, що при збільшенні частоти імпеданс системи зменшується. Крім того, було знай­дено, що еквівалентна схема подання біологічного об'єкту в най­простішому випадку повинна складатись із з'єднаних послідовно чи паралельно активного опору та ємкості. Активний опір визначався вільними зарядами в клітині (розчин електроліту). Ємкість системи визначається наявністю поляризаційного імпедансу мембрани або точніше, меж в біологічному об'єкті. Цей поляризаційний імпеданс залежить від частоти, зі збільшенням якого опір падає.

В залежності від частоти, на якій проводиться дослідження, вимірювання виконується різними методами. На звукових і низин­них частотах використовуються мостові методи вимірювання. Мостова установка складається з джерела змінного струму (генератор – Г), мостової схеми (моста, рис.2) і індикатора балансу, підсилювача і осцилографа.

Мал.2 Схема симетричного моста змінного струму для біологічних досліджень:

РІ і Р2 - постійні резистори однакового номіналу;
х - вимірюваний імпеданс;

вим. -вимірюваний імпеданс, який складається з паралельного з'єднання: активного змін­ного опору і змінної ємкості (Р та С)

Г -генератор синусоїдальних коливань;

Інд. -індикатор балансу, який складається з підсилювача та осцилографа.

Умова балансу моста, коли струм через індикатор балансу
не проходить:,звідси, або,якщо.

В момент балансу моста величини досліджуваного і виміряно­го імпедансів дорівнюють один одному, по величині вимірюваного імпедансу в момент балансу відлічують величину активного опору R і ємкості С досліджуваного об'єкту.

При вимірюванні електропровідності біологічних об'єктів по­трібно дотримуватись наступних правил:

1. Об'єкт повинен бути у нормальному фізіологічному стані.

2. Проходження струму через не об'єкт повинно викликати непоправних змін чи значно змінювати його властивості, тому при вимірюванні слід давати мінімальну напругу і саме вимірю­вання повинно бути як можливо коротшим.

З. Струм, який проходить через об'єкт при вимірюванні по­винен мати підпорогову для збуджуваних утворень величину.

4. Під час замірювання не повинно змінюватись місце контакту об'єктів з електродом.

Вимірювання параметрів м»язу на змінному струмі провади­ться на частотах 20, 50, 100, 200, 500 ГЦ, І, 2, З, 5, 10, 20 кГц. Така кі­лькість точок дозволить одержати необхідне уявлення про харак­тер дисперсії активного опору і якісного на всьому діапазоні дисперсії.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Дослідити частотну залежність електричних параметрів м'язової тканини жаби вздовж і поперек волокон. Відпрепарувати ікроножні м»язи жаби, помістивши їх в розчин Рінгера на 15-20 хвилин, а потім щільно покласти на електроди камери таким чином, щоб в одному випадку напрям струму був вздовж м'язового волокна, а з другому - поперек, виміряти ак­тивний опір і ємкість м»язу на вказаних вище частотах. Побуду­вати графік частотної залежності активного опору з напівлогарифмічному масштабі: по осі абсцис відкласти логарифм частоти, а по осі ординат - активний опір в лінійному масштабі. В лога­рифмічному масштабі будувати графік частотної залежності ємкості С.

2. Дослідити вплив пошкодження на електричні параметри м» язу. Після препарування м»яз помістити в пробірку з роз­чином Рінгера і нагріти до кипіння. Виміряти електричні пара­метри на вказаних частотах і побудувати графіки частотної за­лежності, як вказано вище. Порівняти одержані результати. Результати всіх вимірювань занести в таблицю:

М’язова тканина	Частота Гц	Р1 Ом	С пф	С
Вздовж волокон
Поперек волокон

ВІДОМОСТІ ПО ТЕХНИЦІ БЕЗПЕКИ

І. Прилади повинні бути заземлені.

2.Ретельно слідувати за справністю ізоляції з'єднуваль­них проводів.

3. Не залишати схему під напругою без нагляду.

ЗМІСТ ЗВІТУ

1. Короткі теоретичні відомості.

2. Короткий опис порядку виконання роботи.

3. Таблиця з результатами вимірювані та графіки.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

І. Дати характеристику поляризації живих тканин в полі постійного струму.

2. Дати характеристику метода електропровідності при дослідженні пасивних електричних параметрів, живих тканин.

3. Дати характеристику імпедансу живих тканин.

Дата добавления: 2015-09-30