CC BY
27ISSN 0868-5886 НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2018, том 28, № 2, c. 3-10
^^ПРИБОРОСТРОЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ =
УДК577.3; 537.311 © А. Г. Варехов
ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
В статье приводятся результаты измерений импульсных параметров (проводимости, сопротивления потерь, диэлектрической проницаемости и др.) проводящих жидкостей (дистиллированной воды, буферного раствора TrisH2SO4 pH 7.5 и физиологического раствора 0.154 M NaCl) при действии быстрозатухающего почти гармонического сигнала (всплеск, или wavelet) длительности 5-10 мкс и амплитуды (без нагрузки) до 30 кВ. Показано, что высокая электропроводность для буферного и физиологического растворов сильно уменьшает амплитуду импульса, но приводит к уменьшению тепловыделения, что позволяет исключать термические эффекты при изучении импульсного электрического воздействия на биологические системы.
Кл. сл.: проводящие жидкости, высоковольтный импульс, импульсные электрические параметры
ВВЕДЕНИЕ
При взаимодействии электрического поля с биологической средой можно выделить две наиболее существенные концепции и задачи. Первая из них имеет достаточно утилитарное назначение, в частности, освобождение среды от нежелательных или опасных бактериальных примесей или их стерилизация. Например, минимальная доза E.Coli для инфицирования в водной среде составляет примерно 1 000 000 (миллион) клеток при среднем времени жизни их, равном примерно 416 дней. Однако для Entamoeba coli эти значения составляют соответственно 10 и 10-16, для Salmonella typhi — 3 и 4-35, а для Hepatitis A — 1 (одна клетка) при достоверно неизвестном времени жизни [1]. Для стерилизации это может потребовать очень высоких значений напряженности электрического поля, что для электропроводной среды возможно только при коротком (микросекундном или наносекундном) воздействии. Ниже будет отмечено, что только для очень коротких импульсов может быть исключена диффузионная ионная проводимость биологических жидкостей. При экстремально коротком воздействии действующим фактором является не электрический ток и джоулево тепло, а напряженность поля. Поскольку внутренние (локальные) электрические поля в интактном биологическом материале имеют очень высокую напряженность, короткие импульсные высоковольтные воздействия становятся полезным инструментом исследования.
В этом состоит вторая задача изучения специфического, т. е. нетеплового взаимодействия внешнего электрического поля с биологической
средой. С практической точки зрения изучение сводится к измерениям импульсных параметров биологической среды. Эти измерения определяют применение многих медицинских технологий, число которых в настоящее время быстро увеличивается. Среди этих технологий отметим заживление ран [2]; сращивание костей, например [3], путем формирования в сильном электрическом поле мостов из полярных диэлектрических жидкостей и коллоидных взвесей; электропорация, т. е. генерация короткими импульсами электрического поля короткоживущих открытых пор в коже или в клеточных мембранах [4, 5]; биологические эффекты при воздействии электрошоковых устройств [6, 7]; электростимуляция нервных путей [8] и многие другие.
ВЫБОР ПРОВОДЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
При оценке воздействия электрического поля на биологический субстрат практическая задача заключается в том, чтобы получить в электропроводной среде предельно высокие значения напряженности.
Изучение электропроводности клеточных суспензий или тканевых электролитов, экранирующей действие внешних полей высокой напряженности, продолжает оставаться актуальным, хотя и имеет длинную историю. В этой работе проведено детальное исследование электрических параметров дистиллированной воды, буферного раствора рН 7.5 и раствора 0.154 М №С1 (физиологический раствор) при действии быст-розатухающего почти гармонического сигнала
о л
К 5 К
3 Я н
л
«
о и о и о о 3 м
Время, мкс
0 1 > А 50 В 10 1
.4 мкс
800 В
PQ
и
IS и
со ^
Л
я
со <D
ю а о л
п
л
Г
с
3S
U-U++U.
Рис. 1. Выходной импульс генератора
О 5 10 15
Ступени переключателя амплитуды
Рис. 2. Ступенчатая амплитуда выходного импульса генератора в режиме холостого хода
(всплеск, или wavelet) длительностью до 5-10 мкс и амплитудой (без нагрузки) до 30 кВ. Определялись импульсная проводимость, полное сопротивление (импеданс), сопротивление потерь (измеренное калориметрически), эффективная диэлектрическая проницаемость и диффузионная емкость жидкого объема.
Электрическая схема генератора импульсов содержала управляющий транзистор, тиристор и повышающий трансформатор. При каждом замыкании транзистора со временем переключения около 0.1 мкс замыкался тиристор и интегрирующая емкость Си разряжалась через первичную обмотку трансформатора, содержащую 4 витка.
На вторичной обмотке формировался высоковольтный импульс напряжения. Трансформатор был выполнен на разомкнутом сердечнике в соответствии с рекомендациями, содержащимися в монографии Фрюнгеля [9]. При достаточно малой индуктивности первичной обмотки 2.1 мкГн и интегрирующей емкости Си = 0.25мкФ длительность импульса напряжения на первичной обмотке составляла примерно 1.1 мкс. Осциллограмма выходного импульса представлена на рис. 1.
Увеличение емкости Си повышало мощность воздействующего импульса, но одновременно за-
тягивало импульс в первичной обмотке; кроме того увеличивалось и время зарядки этой емкости, что также ухудшало быстродействие схемы. Максимальная частота переключений тиристора в условиях эксперимента не превышала 50 Гц, что соответствовало паузе между воздействующими импульсами, равной примерно 20 мс. За это или меньшее время должны были возвратиться в исходное состояние не только электрическая схема, но и объект воздействия, т. е. клеточная суспензия. По отношению к суспензии эти вопросы еще будут обсуждаться.
Выходное напряжение генератора имело десять дискретных ступеней (показаны на рис. 2) и устанавливалось специальным переключателем. Число воздействующих на клетки импульсов определялось временем работы генератора, задаваемым реле времени при замыкании ключа, и частотой импульсов от внешнего генератора. Время воздействия могло изменяться в пределах от 1 до 100 с с шагом в одну секунду. Следовательно, максимальное число воздействующих импульсов не превышало приблизительно 50 х 100.
При холостом ходе на выходных зажимах генератора импульс имеет вид быстро затухающего почти гармонического колебания (рис. 1). Амплитуда импульса, понимаемая как сумма и+ + и_,
измерялась при помощи электростатического вольтметра; для измерения слагаемых и+ и и_ в отдельности в измерительную цепь включался высоковольтный выпрямительный столб с обратным сопротивлением не ниже 1090м. Параллельно вольтметру, имеющему собственную емкость не более 6пФ, включалась дополнительная емкость 200пФ. Таким образом, постоянная времени разрядной цепи 200мс была значительно больше паузы между импульсами (20 мс) и в зависимости от направления включения выпрямительного столба фиксировалась одна из амплитуд и+ или и_. Фурье-спектр такого выходного сигнала, т. е. / (t ) = а^ ) ехр (_аt ) smю1t, выражается частотной зависимостью вида [10]
5 = ^
1
ю
о ( ю V . 1 _ — +1
I ю0 )
ю
ю
1 ^ ^ — = —+ 1ю С ,
2 R
Z1
(2)
ио
R
О
Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема электролита жидкостной ячейки
1
I
ражение е = е'_ 1 [е" + (ст/ю)/е0] , получаем сто (1) равенство
вме-
1 = -1 + [е" + (а/ю)/ е0 ]юС0 + 1юе 'С0, (2)
2 RP
где 1/Rр— проводимость растворителя; е" — потери в растворителе; (ст/ю)/е0 — потери за счет
растворенного электролита; е" — дисперсионная диэлектрическая проницаемость растворителя (е' = 80). Таким образом, в соответствии со схемой рис. 3 и сравнивая соотношения (2) и (1), получаем равенства
1 = ^ + [е" + (^ю)/е0 ]юС0 и С = е "С0. (3)
R RP
Для случая больших потерь благодаря высокой проводимости электролита выполняются неравенства
где ю02 = а2 + ю12 и ё = 2а/ю0; 5 — безразмерная спектральная плотность. При ю1 = 2я'-106с_1 и а = 105с_ выполняется приближенное равенство а2 + юЮ = Юц = юЮ, и, таким образом, максимум спектра соответствует частоте ю1.
Для расчетов используем эквивалентную схему, представленную на рис. 3, для которой можно записать общее соотношение вида
(а/ю)/е0 » е" и аС0/е0 >> уRр,
(4)
и потому из общего выражения (2) следует равенство
1/2 = стС0/е0 + 1юеС0.
(5)
Для случая сравнительно низких потерь (дистиллированная вода) также из (2) получаем:
1/ 2 = 1/ Rр + е "ю С0 + 1юе С0.
(6)
(1)
в котором С = ¿С0 (£ — комплексная диэлектри-
ческая проницаемость; С0— емкость электродной
системы в вакууме). Записывая далее для е вы-
В любом из случаев (5) или (6) активная составляющая проводимости 1/R , равная стС0 /е0
или (уRр ) + е"ю С0, может быть определена калориметрически из соотношения
1 г
— ] и2^)dt = стЫх,
(7)
где At1— повышение температуры в ячейке при действии одиночного импульса; с — теплоемкость; т — масса электролита. Интегрирование выполняется по полной длительности импульса, для чего требуется тщательное осциллографиро-вание формы импульса. Далее можно определить значение емкости С0, использовав соотношение (5), т. е. равенство R = е0/сгС0, в котором а— импульсная проводимость, соответствующая параметрам используемого импульса. Эта проводимость измерялась отдельно в измерительной кювете с плоскопараллельными электродами, о чем будет сказано ниже. Кроме того, из того же соотношения (5) при известном из прямого измерения
значении Z можно определить величину се'С0, а далее, задаваясь значением е', вычислить эквивалентную частоту со, соответствующую максимуму спектра импульса. При этом следует иметь в виду, что значение е' слабо зависит от концентрации электролита; в частности, для №С1 0.154М (физиологический раствор) величина е' монотонно убывает при 25 °С от 78 до 65 при изменении концентрации №С1 от 0.125М до 1.0М [11]. Поэтому можно считать, что значение е' = 77.5 для физиологического раствора, полученное интерполяцией, достаточно точное. Отметим далее, что частота с = 2 -105сч , соответствующая воздействующему импульсу (рис. 2), на диаграмме Коула—Коула для дистиллированной воды соответствует низким частотам, т. е. условию е"<<е', и потому, как показывает расчет, приведенный ниже, в соотношении (6) выполняется неравенство е"сС0 <<(1 Rр ) • Следовательно,
из соотношения (6) при известных значениях
и сое'С0 можно найти Rр; кроме того, найденное
таким способом значение Rр должно совпадать со
значением R, найденным из (7). Таким образом, соотношения (2)-(7) позволяют определить все компоненты схемы рис. 3, причем при высокой проводимости среды составляющая R определяется проводимостью электролита, а при низкой проводимости — проводимостью растворителя; в обоих случаях емкость С определяется произведением С = е С0.
Определим здесь же эквивалентное внутреннее сопротивление источника импульсов Zl (рис. 3). Нетрудно получить для схемы рис. 3 дифференциальное уравнение тэкви' ^) + и(t) = К1и0 ^) , в котором эквивалентная постоянная времени и коэффициент использования (коэффициент полезного действия) источника импульсов определяются соответственно выражениями
тэкв =[|+ R)]С и К1 = + R).
Мы можем использовать прямые измерения напряжения на электродах ячейки, а также и напряжение холостого хода и0 (t), чтобы определить К1, а затем и • Для трех случаев (дистиллированная вода, TrisH2SO4 и №С1) рассчитанные значения равны соответственно 56.3кОм ,52.1кОм и 53.6кОм, что дает среднее значение = 54кОм. Коэффициент полезного действия источника высоковольтных импульсов
можно определить как отношение напряжения на электродах к напряжению холостого хода источника, т. е. так же, как и коэффициент К в дифференциальном уравнении для схемы рис. 3. При этом считается, что выполняется равенство
= R, справедливое для проводящих жидкостей. Соответственно для дистиллированной воды, Tr1sH2SO4 и №С1 получаем значения К1, равные
0.457; 1.65-10~2; 1.55•10"3. Этот коэффициент, как и следовало ожидать, имеет гораздо большее значение для дистиллированной воды по сравнению с используемыми электролитами.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Импульсная проводимость
Для этой цели использовалась измерительная ячейка с плоско-параллельными платиновыми электродами-дисками диаметром 22 мм и с расстоянием между ними, равным 0.92 мм (вычислено, исходя из измерений межэлектродного объема). При заполнении ячейки дистиллированной водой, буферным раствором Tr1sH2SO4 рН7.5 и физиологическим раствором измерены значения импульсной проводимости, равные соответственно <и = 5.49 • Ю-3 Ом"1 • м-1; 6.73 • Ю-2 Ом"1 • м-1; 5.74•Ю-1 Ом 1 • м-1. Эти значения не зависели от напряжения на электродах, которое было максимальным для дистиллированной воды и = 180В. Для измерений проводимости использовались те же импульсы, что и для электрофизических воздействий. Так как напряжение на электродах было сравнительно небольшим, высоковольтные эффекты (эффект Вина, т. е. диссоциация дипольных молекул, в частности, воды в сильном электрическом поле), как можно предполагать, не проявлялись.
Сравним полученные значения проводимости <и с низкочастотными значениями. Для дистиллированной воды низкочастотная проводимость равна < = 10-4Ом-1 • м-1 [12] и, следовательно, <и >> < , что, вероятно, определяется качеством воды, а не импульсной кинетикой. Для буфера тп8н2804 рН7.5 проводимость определяется кислотой, добавляемой к исходному буферному раствору для получения заданного значения рН. При
концентрации Н2804, равной 6.1 мМ, т. е. при рН7.5, эквивалентная электропроводность раствора при 25°С равна Л = 836 0м"1 • г-экв"1 • см2 [12], или в используемых в этой статье единицах соответственно < = Л • С/10 = 5.1 • 10" Ом1 • м-1
(С — концентрация электролита в молях на литр). Таким образом, отношение а/аи = 7.6 показывает, что в импульсном электрическом поле проводимость существенно снижается. Аналогично для физиологического раствора при концентрации №С1, равной 0.154М, Л =
= 102.3 Ом1 • г-экв1 • см2 (при 25°С) [12], а проводимость а = 1.575 Ом_1 • м_1. Это последнее значение близко соответствует величине, определяемой диффузионным током ионов электролита и вычисленной на основании известной формулы
а = е2п (Dш+ + DC1_ )/(^Т) = 1.71 Ом_1 • м_1 при
следующих данных: е = 1.6 • 10_19 Кл; п = = 9.275 • 1025 м_3; суммарный коэффициент диффузии ионов электролита DNaC1 = 1.48 -10_9м2 • с_1; kB = 1.38 •10_23Дж • град1; Т = 298 К . Отношение проводимостей для физиологического раствора а/аи = 2.74 соизмеримо с таким же отношением для TrisH2SO4, однако в пересчете на одновалентный электролит (для сравнения необходимо отношение проводимостей а/аи = 7.6 для Н2804 уменьшить вдвое, т. е. до значения 3.8). В целом ясно, что в условиях экспериментального импульса проводимость снижается в 3-4 раза по сравнению с низкочастотной, однако этого недостаточно для радикального увеличения амплитуды импульсов. Как уже отмечалось во вводной части статьи, переход к наносекундному диапазону длительностей импульсов сопряжен со значительными техническими трудностями. Отметим также, что соотношение импульсных проводимостей аи в ряду
[дистиллированная вода— TrisH2SO4 —физиологический раствор]
определяется как 1 : 12.2 : 104.6, т. е. приблизительно десятикратное возрастание для каждой пары, и соответствует обратному соотношению амплитуд для электропроводных компонентов (Н^04 и №С1). Более резко это выражено для дистиллированной воды по причине существенного возрастания для воды коэффициента использования напряжения источника К.
Калориметрическое измерение R
Для измерения изменений температуры в ячейке в результате воздействия электрических импульсов использовалось полупроводниковое мик-ротермосопротивление марки МТ-64 конструкции В.Т. Карманова (производство СКБ Агрофизического научно-исследовательского института в Санкт-Петербурге). Погрешность измерений
в мостовой схеме в температурном диапазоне (20 ± 2.5) °С за счет нелинейности характеристики
^) составляла 0.001 град, а в диапазоне (20 ±5) °С — 0.009 град. Сопротивление терморезистора при 20 °С было равным R20 = 37кОм, а собственный разогрев пропускаемым током соответствовал рассеиваемой мощности Р = 4мкВт . Чувствительность по температуре была равной
= 10мВ • град1; таким образом, дрейфовые и шумовые составляющие измеряемого сигнала начинали сказываться по измеряемому потенциалу, начиная от значений 30-40 мкВ, что соответствовало по температуре 0.003-0.004 град. Этим значением, следовательно, и определяется практически погрешность температурных измерений. Постоянная времени измерений при этом составляла около 0.3 с.
При измерениях на жидкостной ячейке использовались максимальная амплитуда импульса высокого напряжения и максимальное время экспозиции. Максимальное число импульсов при п = 10 и t = 100 было равно N = 100 х 50. Максимальное время экспозиции, таким образом, составляло 100 с. Измерялось поступление тепла при действии импульсов в теплоизолированную ячейку с непрерывным перемешиванием жидкого объема, содержащую 3 мл исследуемой жидкости. Для дистиллированной воды (аи = 5.49 •10"3Ом"1 • м"1), буферного раствора Тг18Н2804 рН7.5 (аи = = 6.73 •10_2Ом_1 • м1) и физиологического раствора (аи = 5.74•10_1Ом_1 • м_1) приросты температуры в объеме были равны соответственно АЕ = 1.057; 0.069; 0.01 град, т. е. в расчете на один воздействующий импульс — А^ = 2.25 •10_4; 1.47•10_5; 2.13•10_6 град. Эти значения представляют собой усредненный по объему тепловой эффект воздействия.
Вычисление тепловыделения
Вычисление интеграла в выражении (7) производилось на основе детальных осциллограмм межэлектродной разности потенциалов. При п = 10, т. е. для максимальной амплитуды, интегрирование дало для дистиллированной воды, TrisH2SO4 и физиологического раствора значения интегралов, равные соответственно 181.8; 0.216;
0.00224 В2 • с. Значения R, вычисленные на основании (7) при т = 3г и с = 4.18 Дж• г 1, соответственно равны R = 64.46кОм; 1173 Ом; 84 Ом . Высокое значение тепловыделения для дистиллированной воды определяется высокой амплитудой
Сводная таблица результатов
0пределяемый параметр Вода дистил. Буфер 1шН^04 рН7.5 Физиолог. раствор
Импульсная проводимость си, 0м 1 • м-1 5.49-10-3 6.73^ 10-2 5.74-10-1
*Нагрев в ячейке, град. 1.057 0.069 0.01
*Нагрев в ячейке в расчете на один импульс, град. 2.25-10-4 1.4710-5 2.13-10-6
Интеграл |и2 (/) d/ при п=10, В2 • с 181.8 0.216 0.00224
Сопротивление потерь в ячейке Я, 0м 64460 1173 84
Полное сопротивление межэлектродного промежутка \2\, 0м (45.5 ±2)х х103 904 ±8 83.7 ±2.0
Эквивалентная частота спектра ю, с-1 (Г, Гц) 1.08106 (1.72^ 105) (1.08 106) (1.72^ 105) (1.08-106) (1.72-105)
Геометрическая емкость электродной системы С0, пФ 0.18 0.18 0.18
Эффективная диэлектрическая проницаемость, еэф 574 7041 60054
Диффузионная емкость электродной системы Сдиф, пФ 102 2046 28600
Коэффициент использования напряжения источника, К 0.457 1.65-10-2 1.55-10-3
* — нагрев в ячейке объемом 3 мм3 при максимальном числе импульсов N = 5000) максимальной амплитуды (п = 10).
импульса напряжения, так что отношение и2/Я остается большим даже при гораздо большем значении R.
Определение полного сопротивления межэлектродного промежутка
Полное сопротивление , полученное как отношение напряжения на электродах, измеренного осциллографически, к току, вычисленному по падению напряжения на эталонном резисторе, для тех же случаев дистиллированной воды, буфера TrisH2SO4 и физиологического раствора было соответственно равным = 45.5кОм; 9040м; 83.70м. Такие же измерения были проделаны для всех ступеней напряжения, так что после усреднения были получены значения = = 45.5 ± 2к0м; 904 ± 80м;83.7 ± 20м. Таким образом, электродная система была линейна.
Вычисление С0,с
Геометрическая емкость электродной системы С0 вычислялась для наиболее низкоомной среды, т. е. физиологического раствора; при этом в соответствии с равенством R = е0/С0сти было получено значение С0 = 0.18пФ. Для вычисления эквивалентной частоты со использовались данные для дистиллированной воды, для которой различия между и R были наибольшими, что связано с емкостной составляющей се'С0 = = ((1/|)_(1/R)) . При е' = 80 вычисления дают с= 1.08-106с-1 (Г = 1.72• 105Гц). 0тметим, что аналогичные вычисления для TrisH2SO4 ведут к значительно большей частоте — Г = 7.8 •106Гц, что не соответствует действительности. Это связано
с неточностью определения R и далее — с неточностью определения прироста температуры. Таким образом, остается принять, что для TrisH2SO4 значение R = 1173Ом на самом деле значительно ближе к 2 = 904Ом, а емкостная составляющая проводимости соответственно меньше. Точно так же для физиологического раствора примем значение 2 = 83.7Ом.
Вычисление эффективной диэлектрической проницаемости и диффузионной емкости
Для этого использовалась временная задержка выходного напряжения относительно пускового импульса или относительно напряжения на первичной обмотке трансформатора, запаздывающего относительно пускового импульса не более чем на 0.5мкс. Типичная осциллограмма импульса представлена на рис. 1. Значения временной задержки для дистилированной воды, буфера TrisH2SO4 и физиологического раствора были соответственно равны tзад = 3.0; 2.4; 2.4мкс. Эта задержка определяется постоянной времени ячейки, т. е. ^ = т = RC. Постоянство RC при высокой проводимости тг18н2804 и физиологического раствора объясняется тем, что эффективная диэлектрическая проницаемость еэф определяется
в основном членом а/(ю е0) , т. е. пропорциональна проводимости, в то время как R пропорционально 1/ а ; следовательно, величина RC не зависит от проводимости, а сама емкость С определяется, как уже было отмечено выше, в основном диффузионным слагаемым. Для дистиллированной воды, TrisH2SO4 и 0.154М раствора №С1 получаем соответственно значения эф = 574; 7041; 60054, а диффузионная емкость ячейки объемом 3 мм3 составляла соответственно значения Сдиф = 102; 2046; 28600 пФ. Результаты всех вычислений представлены в таблице.
ВЫВОДЫ
В статье приводятся результаты измерений импульсных электрических параметров при действии микросекундных импульсов напряжения на дистиллированную воду, а также на широко используемые в медико-биологических исследованиях буферный и физиологический растворы. Результаты измерений могут быть использованы в исследованиях, связанных с изучением воздействия
электрического поля высокой напряженности на биологические системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Johnstone P.T., Bodger P.S. High voltage disinfection of liquids // IPENZ Transactions. 1997. Vol. 24, no. 1. P. 30-35.
2. Jaffe L.F., Vanable J.W. Electric fields and wound healing // Clinics in Dermatology. 1984. Vol. 2, no. 3. P. 3444. Doi: 10.1016/0738-081X(84)90025-7.
3. Wexler A.D., Lopez S.M., Schreer O., Woisetschlaeger J., Fuchs E.S. The preparation of electrohydrodynamic bridges from polar dielectric liquids // J. of Visual. Exp. 2014. No. 91. e51819. Doi: 10.3791/51819.
4. Pliquett V., Schoenbach K. Changes in electrical impedance of biological matter due to the application of ultrashort high voltage pulses // IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation. 2009. Vol. 16, no. 5. P. 1273-1279. Doi: 10.1109/TDEI.2009.5293938.
5. Warindi, Hadi S.P., Berahim H., Suharyanto. Impedance measurement system of a biological material undergoing pulsed electric field exposed // Procedia Engineering. 2017. Vol. 170. P. 410-415.
Doi: 10.1016/j.proeng.2017.03.066.
6. Lukyanova S., Grigoriev O., Koklin A., Andrianova T. Biological effects of high-voltage pulse current at medical-biological tests for safety of electroshock devices // Proc. of 5th European Symp. on non-lethal weapons. Ettlingen, Germany, May 10-15, 2009. P. 161-164.
7. Григорьев О.А., Коклин А.Е., Лукьянова С.Н., Алексеева В.А. Биологические эффекты импульсного электротока по данным лабораторных испытаний электрошоковых устройств // Саратовский научно-медицинский журнал, 2013. Т. 9, № 4. C. 828-830.
8. Grill W.M. Modeling the effects of electric fields on nerve fibers: influence of tissue electrical properties // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1999. Vol. 46, no. 8. P. 918-928. Doi: 10.1109/10.775401.
9. Фрюнгель Ф. Импульсная техника. Генерирование и применение разряда конденсаторов. М.-Л.: Энергия, 1965. 488 с.
10. Харкевич А.А. Спектры и анализ. Изд. 4-е. М.: Физ-матгиз, 1962. 236 с.
11. Ахадов А.Ю. Диэлектрические свойства бинарных растворов. М.: Наука, 1977. 399 с.
12. Таблицы физических величин / Справочник под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Контакты: Варехов Алексей Григорьевич, varekhov@mai1. ги
Материал поступил в редакцию 16.04.2018
ISSN 0868-5886
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2018, Vol. 28, No. 2, pp. 3-10
MEASUREMENT OF PULSE ELECTRIC PARAMETERS OF BIOLOGICAL LIQUIDS
A. G. Varekhov
St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Russia
Results of measurements of impulse parameters (conductivity, loss, permittivity and others) of the conducting liquids (distilled water, buffer solution TrisH2SO4, pH 7.5 and physiological solution 0.154 M NaCl) in case of action of rapidly damping almost harmonic signal (wavelet) of duration 5-10 ps and amplitude (without loading) of up to 30 kV are given in the article. It is shown that the high electric conduction for buffer and physiological solutions strongly reduces pulse amplitude, but leads to heat release reduction that allows to exclude thermal effects in studies of pulse electrical action on biological systems.
Keywords: conducting liquids, high-voltage pulse, impulse electrical parameters
REFERENСES
1. Johnstone P.T., Bodger P.S. High voltage disinfection of liquids. IPENZ Transactions, 1997, vol. 24, no. 1, pp. 30-35.
2. Jaffe L.F., Vanable J.W. Electric fields and wound healing. Clinics in Dermatology, 1984, vol. 2, no. 3, pp. 3444. Doi: 10.1016/0738-081X(84)90025-7.
3. Wexler A.D., Lopez S.M., Schreer O., Woisetschlaeger J., Fuchs E.S. The preparation of electrohydrodynamic bridges from polar dielectric liquids. J. of Visual. Exp., 2014, no. 91, e51819. Doi: 10.3791/51819.
4. Pliquett V., Schoenbach K. Changes in electrical impedance of biological matter due to the application of ultrashort high voltage pulses. IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation, 2009, vol. 16, no. 5, pp. 1273-1279. Doi: 10.1109/TDEI.2009.5293938.
5. Warindi, Hadi S.P., Berahim H., Suharyanto. Impedance measurement system of a biological material undergoing pulsed electric field exposed. Procedia Engineering, 2017, vol. 170, pp. 410-415.
Doi: 10.1016/j.proeng.2017.03.066.
6. Lukyanova S., Grigoriev O., Koklin A., Andrianova T. Biological effects of high-voltage pulse current at medical-biological tests for safety of electroshock devices. Proc. of 5th European Symp. on non-lethal weapons. Ettlingen, Germany, May 10-15, 2009, pp. 161-164.
Contacts: Varekhov Aleksey Grigor'evich, varekhov@mail. ru
7. Grigor'ev O.A., Koklin A.E., Luk'yanova S.N., Aleksee-va V.A. [Biological effects of an impulse current according to laboratory tests of electroconvulsive devices]. Sara-tovskiy nauchno-medizinskiy zhurnal [Saratov scientific and medical journal], 2013, vol. 9, no. 4, pp. 828-830. (In Russ.).
8. Grill W.M. Modeling the effects of electric fields on nerve fibers: influence of tissue electrical properties. IEEE Trans. Biomed. Eng., 1999, vol. 46, no. 8, pp. 918-928. Doi: 10.1109/10.775401.
9. Fryungel' F. Impul'snaya technika. Generirovanie i pri-menenie razryada kondensatorov [Impulse technique. Generation and application of discharge of condensers]. Moscow, Leningrad, Energiya Publ., 1965. 488 p. (In Russ.).
10. Charkevich A.A. Spektry i analiz. Izd. 4-e [Spectrums and analysis. 4th issuing]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1962. 236 p. (In Russ.).
11. Achadov A.Yu. Dielektricheskie svoystva binarnych rast-vorov [Dielectric properties of binary solutions]. Moscow, Nauka Publ., 1977. 399 p. (In Russ.).
12. I.K. Kikoin, ed. Tablizy fizicheskich velichin. Spravoch-nik [Tables of physical quantities. Reference manual]. Moscow, Atomizdat Publ., 1976. 1008 p. (In Russ.).
Article received in edition: 16.04.2018
