Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
Спектроскопия электрического адмиттаиса
355
24.6. Диэлектрическая спектроскопия биологических веществ
Из множества книг, посвященных диэлектрическим свойствам конденсированных
веществ, особенно рекомендуем [54, 58, 91, 100, 163, 178], как имеющие
наибольшее отношение к биологии. Несколько превосходных обзоров написано
старейшим исследователем в области измерений импеданса биологических
объектов Шваном [183, 184, 187-191, 193, 207]. Общее представление об
этом предмете можно также получить из обзорных статей [164, 167, 168,
178, 226]. В работе [164] подробно обсуждается приложение этого метода к
белкам. Этот вопрос рассматривается также в обзорах [88-90, 101, 119,
120, 156, 210, 211, 218]. Наши собственные работы [94, 95, 97, 116, 117,
118] в основном касались микробных мембран, причем в двух последних
статьях имеется довольно обширный обзорный материал. Можно также отметить
ряд работ по природным мембранам [9, 11, 69, 109, 160, 161], чисто
фосфолипидным везикулам [7,169, 175, 194] и плоским мембранам [73, 92,
103, 128, 214]. Введением в литературу по мембранам микробов могут
служить также работы [8, 10, 22, 50, 51, 96, 159]. Почти все заряженные
полиэлектролиты обладают чрезвычайно высокой диэлектрической
проницаемостью при низких частотах (см., например, [66, 155]). Поведение
ДНК при низких частотах в той или иной степени обсуждается в работах
[201, 217]. В большинстве упомянутых в этом разделе работ измерения
проводили при частотах ниже 100 мГц. Явления в области более высоких
частот, которые мы до сих пор не затрагивали, обсуждаются авторами [52,
53, 76, 77, 79, 107, 125, 141, 209]. Этот список ясно показывает
обширность и глубину литературы по измерениям импеданса у биологических
объектов. Какие же полезные сведения можно извлечь из этих работ?
Обычно подчеркивают, что в дисперсии диэлектрической проницаемости клеток
и тканей можно выделить три более или менее отчетливо выраженные широкие
полосы, соответствующие низко-частотному, радио- и СВЧ-диапазону и
обозначаемые как а-, (3- и у-дисперсии. Можно также отметить подобласти
S- [1,-дисперсий, расположенные между Р- и у-дисперсиями и особенно
выраженные в случае белковых растворов [66,88], а также низкочастотную р-
дисперсию, описанную автором и его коллегами [95, 97, 116].
Предполагается, что в основе этих дисперсий лежат следующие основные
механизмы: релаксация ионного облака в направлении, тангенциальном
заряженным поверхностям мембран (а-дисперсия); релаксация типа Масквелла
- Вагнера на границе раздела между клеточными мембранами с низкой
проводимостью и окружающими их водными растворами (Р-дисперсия); вращение
небольших заряженных молекул и/или диполей (у-дисперсия); релаксация
связанной в ткани воды (8-дисперсия); вращение белков (Pj-дисперсия) и
диффузионное движение компонентов мембраны (р-дисперсия). Принцип
суперпозиции (в тех случаях, когда он применим) гласит, что все эти
механизмы независимы и аддитивны. Здесь мы хотели бы только подчеркнуть,
что любая потенциальная подвижность заряда или диполя приводит к
возникновению дисперсии диэлектрической проницаемости. В этом смысле
вращение диполей электрически неотличимо от любых других движений,
например перескакивания зарядов между различными центрами [114, 129,
159]. Поэтому очевидно, что в основе наблюдающихся на практике широких
дисперсий диэлектрической проницаемости может лежать множество разных
механизмов.
Как уже говорилось, дисперсию диэлектрической проницаемости можно
охарактеризовать разностью ее низкочастотной и высокочастотной
диэлектрических проницаемостей, "средним" временем релаксации и шириной
распределения времен релаксации, выражаемой фактором Коул-Коула а. Теперь
можно сказать, что разность низко- и высокочастотной диэлектрических
проницаемостей является внешним или видимым признаком такой молекулярной
характеристики, как дипольный момент (или эффективный дипольный момент в
случае перескакивания зарядов и т. п.). Дипольный
23:
356
Глава 24
Рис. 24.9. Функция Ланжевена. Она связывает величину среднего угла 0
между низкочастотным (относительно fc) полем и направлением
представляющего интерес (эффективного) диполя с напряженностью поля Еу и
эффективным диполъным моментом и. По оси ординат отложена величина (cos
0), а по оси абсцисс рЕу/kT, где к-константа Больцмана и Т- абсолютная
температура. При х ( - рЕу/кТ) < 1 функция Ланжевена переходит в
уравнение (cos 0) = рЕу/ЗкТ, а разность диэлектрических проницаемостей
становится независимой от напряженности поля. Таким образом, в этой
области функция Ланжевена линейна, а число частиц, фактически движущихся
под воздействием электрического поля, пропорционально Еу .
х=/1Е1/КГ
момент традиционно измеряют в дебаях (Д); I Д = 3,33• Ю~30 Клм, или
иными
словами, поскольку единичный заряд равен 1,6-10 19 Кл, пара
единичных зарядов
противоположного знака, разделенных расстоянием 10_1ом(1 А), имеет
дипольный момент 4,8 Д. Молекулярный дипольный момент показывает, какая
