РАЗДЕЛ 2
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕРИАЛЫ
2.1. Методы дифференциально КВЧ диэлектрометрии и
кондуктометрии
Изменение физико-химических свойств биополимеров сопровождается перестройкой их структуры, что часто приводит к изменению общего состояния связанной и свободной воды в образце. Логично предположить, что радиационное воздействие может вызвать изменения во взаимодействии макромолекул с водным окружением. Такие общие изменения гидратации могут быть выявлены при измерениях диэлектрических параметров биологических систем.
Исследовать гидратацию в растворе и получить сравнительно легко интерпретируемые данные позволяет наиболее точный и чувствительный метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости ?* = ?? - i?? для жидкостей с большими потерями в мм-диапазоне длин волн в области дисперсии свободной воды - метод вариации толщины диэлектрика [103].
Возможность применения метода КВЧ-диэлектрометрии для изучения растворенных в воде веществ определяется тем, что молекулы связанной воды и растворенного вещества менее подвижны, чем молекулы свободной воды. Это приводит к снижению диэлектрической проницаемости раствора ??, ?? по сравнению с диэлектрической проницаемостью чистой воды, что может быть использовано для определения количества воды с измененными свойствами.
2.1.1. Техника измерений разностей коэффициентов поглощения и разностей фазовых сдвигов. Блок-схема волноводного моста, разработанного в отделе биофизики ИРЭ НАНУ [104, 105], приведена на рис.2.1. Основным элементом измерительного устройства является ячейка, состоящая из двух последовательно расположенных кювет переменной толщины.
Рис. 2.1 Конструкция измерительной ячейки. 1 - кювета для контрольного образца; 2 - кювета для исследуемого раствора; 3,4 - входной и выходной волноводы; 5 - диэлектрические пластинки; 6 - "челнок"; 7 - микровинт; 8 - термостатирующие рубашки; 9 - индикатор; 10 - сильфон.
Волновод, сочленяющий кюветы ("челнок"), закрыт с обоих концов диэлектрическими пластинками и перемещается с помощью микровинта, при этом общая геометрическая длина пути, проходимого сигналом в обеих кюветах, остается постоянной (l = 2 мм).
Если в обеих кюветах содержатся одинаковые вещества, то амплитуда и фаза выходного сигнала сохраняют постоянное значение при движении челнока в пределах экспоненциального участка зависимости затухания от длины пути. Если же в кюветах находятся разные вещества, то при перемещении подвижного волновода происходит изменение амплитуды и фазы прошедшего через ячейку сигнала, связанное с отличием в диэлектрических проницаемостях этих веществ.
Отношение выходных сигналов Е1 и Е2 для двух каких-либо положений челнока:
, (2.1)
где ?l - изменение толщины слоя раствора в ячейке (?l = 0,5 мм),
а ?? - изменение постоянной распространения электромагнитной волны, определяемой как
? = ? + i?,
где ? - коэффициент поглощения, ? - фазовый сдвиг.
Действительная часть выражения (2.1) определяет разность коэффициентов поглощения
, (2.2)
а мнимая - разность фазовых сдвигов ?? исследуемого и контрольного веществ.
Учитывая, что условия согласования при перемещении челнока не меняются, определение изменений затухания и фазового сдвига удобно производить по продетектированному сигналу. Изменение затухания определяется при закрытом канале сравнения измерением амплитуды продетектированного сигнала. В случае фазовых измерений помещенные в канал сравнения аттенюатор и фазовращатель используются для уравнивания двух сигналов по амплитуде и создания между ними такого сдвига фаз, чтобы общий сигнал на детекторе был достаточно чувствителен к изменению фазы в измерительном канале.
При измерениях характеристика детектора остается квадратичной, поэтому общая интенсивность сигнала на детекторе I определяется формулой
, (2.3)
где и - интенсивности сигналов после прохождения соответственно первого и второго канала при произвольном положении челнока;
? - сдвиг по фазе между сигналами.
Определяя независимо амплитуду сигналов , , , и для двух положений челнока, можно найти фазовые сдвиги ?1 и ?2, а затем разность фаз ??.
2.1.2. Расчет диэлектрических параметров и степени гидратации образца. Итак, определяя различие в затуханиях ?? и различие в фазовых сдвигах ??=??/?l исследуемого и контрольного растворов, легко вычислить действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости изучаемого раствора:
, (2.4)
, (2.5)
где ? - длина волны в свободном пространстве (? = 7,58 мм),
?кр - критическая длина волны типа H11 в круглом волноводе с сечением 5,2 мм (?кр = 20,2 мм).
Ошибка определения ?? составляет 0,005 дБ/мм при затухании раствора ~20 дБ/мм, а ошибка определения ?? - 0,1?/мм при фазовом сдвиге раствора ~300?/мм, что соответствует погрешности определения ??? и ??? порядка 0,1% от полного значения комплексной диэлектрической проницаемости раствора.
Поскольку молекулы связанной воды и растворенного вещества менее подвижны по сравнению с молекулами чистой воды, в миллиметровом диапазоне длин волн происходит снижение диэлектрической проницаемости раствора ?? и ?? по сравнению с этими величинами для чистой воды. Декремент диэлектрической проницаемости при переходе от чистой воды к раствору обусловлен уменьшением объема растворителя с высокой диэлектрической проницаемостью (?? = 16,5; ?? = 27,8 при t=20°C [106]) за счет введения обладающих малой проницаемостью молекул биополимера (?? = 4, ?? = 0) и связанных с ним молекул воды (?? = 4,3; ?? = 0 при t=20°C). Таким образом, для раствора низкочастотное предельное значение величины ?? в диапазоне КВЧ ( ), будет меньше, чем эффективная статическая диэлектрическая проницаемость свободной воды ().
В мм-диапазоне длин волн вода с достаточной точностью может рассматриваться как жидкость с одним временем релаксации. Наличие в растворе гидратированного биополимера пра