CC BY
47
• 7universum.com
UNIVERSUM:
, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
РАДИОФИЗИЧЕСКАЯ СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ У ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ
Копылов Алексей Филиппович
канд. техн. наук, доцент кафедры радиотехники Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета,
РФ, г. Красноярск E-mail: kopaph@yandex. ru
Круглик Ольга Витальевна
научный сотрудник Международного научного центра исследований экстремальных состояний организма при Президиуме Красноярского научного
центра Сибирского отделения Российской Академии наук, аспирант кафедры Экологии и природопользования Института экономики, управления и природопользования Сибирского федерального университета,
РФ, г. Красноярск E-mail: [email protected]
Хлебопрос Рем Григорьевич
д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры Экологии и природопользования Института экономики, управления и природопользования Сибирского
федерального университета, директор Международного научного центра исследований экстремальных состояний организма при Президиуме Красноярского научного центра
Сибирского отделения Российской Академии наук,
РФ, г. Красноярск E-mail: [email protected]
Копылов А.Ф., Круглик О.В., Хлебопрос Р.Г. Радиофизическая свч-установка для исследования биологических эффектов у лабораторных животных // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2013. № 1 (1) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/785
MICROWAVE RADIOPHYSICAL PLANT FOR INVESTIGATION THE BIOLOGICAL EFFECTS ON LABORATORY MICE
Alexey Kopylov
candidate of technical sciences, associate professor of Radio Engineering Department of Radio and Technical Physics Engineering Institute
of Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk
Olga Kruglik
research scientist of International Scientific Centre for Organisms Extreme State Research attached to Presidium of Krasnoyarsk Scientific Centre of SB RAS, postgraduate of Department of Ecology on Economics, Management and Environmental
Studies Institute of Siberian Federal University,
Russia, Krasnoyarsk
Rem Khlebopros
doctor ofphysic-mathematical sciences, professor of Department of Ecology on Economics, Management and Environmental Studies Institute of Siberian Federal University, director of International Scientific Centre for Organisms Extreme State Research attached to Presidium of Krasnoyarsk Scientific Centre of SB RAS,
Russia, Krasnoyarsk
АННОТАЦИЯ
Цель работы: разработка и создание СВЧ-установки радиофизического воздействия на лабораторных животных для исследования биологических эффектов влияния на них СВЧ-излучения. Частота работы установки выбрана равной 1 ГГц. Полученные результаты свидетельствуют об изменении метаболизма у мышей в период воздействия электромагнитного поля.
ABSTRACT
This research is concerned with development of radiophysical plant for investigation the biological effects of microwave radiation on mice in laboratory. Results obtained demonstrate the mice metabolism changes under electromagnetic field influence.
Ключевые слова: радиофизическая СВЧ-установка, дыхательный коэффициент, глюкоза, метаболизм.
Keywords: radiophysical plant, metabolism changes, glucose.
Одним из актуальных направлений развития современной прикладной радиоэлектроники является создание радиофизических устройств и установок для изучения воздействия сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения на биологические объекты для различных целей. Необходимость такого рода исследований продиктована, с одной стороны, все возрастающим уровнем электромагнитной нагрузки на население, с другой, несмотря на большое количество исследований о влиянии СВЧ-излучения на организм животных, вопрос о вреде для здоровья остается открытым [1—6].
В настоящей работе описана установка, предназначенная для оценки изменений физиологических и биохимических параметров, происходящих в организме мелких лабораторных животных под действием СВЧ-излучения.
Структурная схема установки приведена на рис. 1.
Рисунок 1. Структурная схема установки радиофизического воздействия
СВЧ-излучения на мышей
Основой установки является генератор СВЧ-энергии Г4-122, вырабатывающий гармонический СВЧ-сигнал мощностью до 100 мВт и настроенный нами на частоту 1 ГГц. Поскольку выходное сопротивление генератора составляет 75 Ом, а волновые сопротивления всех остальных элементов СВЧ-тракта установки составляют 50 Ом, для согласования на выходе генератора установлен трансформатор сопротивлений 75/50 Ом.
Уровень выходной мощности генератора Г4-122 на частоте 1 ГГц измерялся нами до сборки тракта СВЧ-измерителем мощности М3-21А, подключаемым через аттенюатор с вносимым затуханием 30 дБ, использование которого необходимо для исключения возможности выхода из строя измерительной термоголовки измерителя мощности. Это измерение проводилось для того, чтобы определить максимально возможную мощность, отдаваемую генератором в нагрузку на заданной рабочей частоте. Рабочая частота 1 ГГц задавалась постановщиками задачи исследования — биологами и определялась из соображений максимального взаимодействия облучаемых животных с электромагнитным полем СВЧ-излучения.
СВЧ энергия поступает от генератора Г4-122 через согласующий трансформатор и СВЧ коаксиальный кабель в тройник, где часть энергии ответвляется с затуханием 20 дБ для измерения уровня мощности, поступающей на облучаемый объект. Измеритель мощности М3-21А подключен для измерения проходящей в канале СВЧ мощности через дополнительный аттенюатор с затуханием 10 дБ для предотвращения перегрузки измерительной термоголовки прибора М3-21А. Далее основная СВЧ-энергия проходит через отрезок коаксиального кабеля волновым сопротивлением 50 Ом с тройника в штыревую четвертьволновую антенну, осуществляющую облучение подопытного животного.
СВЧ коаксиальные кабели позволяют осуществить передачу энергии в пространстве, занимаемом установкой, вначале от генератора к тройнику, а затем от тройника к антенне, облучающей исследуемый объект.
Антенна, облучающая исследуемый объект, представляет собой разомкнутый на конце четвертьволновой штыревой резонатор, выполненный из 1,5 мм медной проволоки длиной 7,5 см (четверть длины волны частоты 1 ГГц в свободном пространстве). СВЧ-энергия подается на антенну через коаксиальный корпусной разъем, установленный на стенке металлической камеры. Камера представляет собой металлический ящик со съемной крышкой и вентиляционными щелями для обеспечения подачи воздуха животному,
находящемуся под облучением. В одной из стенок ящика закреплен корпусной коаксиальный разъем, обеспечивающий подводку СВЧ-энергии к штыревой антенне от кабеля с одной стороны и передающий эту энергию к припаянной к центральной жиле разъема штыревой антенне с другой стороны. Метаболическая камера (плексигласовый бокс с присоединенным к нему насосом, подающим воздух в камеру и отводом для забора проб) с облучаемым животным внутри расположена под антенной на расстоянии около 1 см, то есть все электромагнитное поле концентрируется в объекте, мало распространяясь в окружающее пространство. Расстояния от антенны до стенок ящика составляют на менее 10 см во все стороны от объекта, над которым расположена антенна. Наличие измерителя мощности М3-21А в составе представленной установки позволяет осуществлять постоянный контроль уровня мощности в канале передачи СВЧ-энергии на облучаемый объект, а также осуществлять подстройку уровня мощности в канале до желаемого значения.
Исследование проводили на белых лабораторных мышах, которых разделили на 2 группы: первая группа — контроль — здоровые животные, которые не подвергались воздействию; вторая группа — здоровые животные, ежедневно в течение 1 часа облучаемые ЭМИ СВЧ в установке на протяжении 10 суток. Пробы газовой смеси из метаболической камеры, находящейся внутри установки, забирали через 1, 15, 30, 45 и 60 минут в течение времени воздействия. Кровь у мышей забирали на 6, 8, 10 сутки после начала облучения.
Содержание кислорода и углекислого газа в выдыхаемой животным газовой смеси, а также глюкозы и лактата в крови определяли с использованием анализатора газов и метаболитов ABL 800 FLEX (Radiometer, Дания).
Показатель дыхательного коэффициента рассчитывали как отношение объема выделяемого из организма животного углекислого газа к объему поглощаемого за то же время кислорода.
Важное значение для оценки обмена веществ в организме животного имеет показатель дыхательного коэффициента. Поскольку в организме все
питательные вещества подвергаются окислению, то, определяя величину дыхательного коэффициента, можно судить о преимущественном использовании в качестве субстратов окисления жиров, белков или углеводов. Известно, что при окислении в организме углеводов и полном доступе кислорода, дыхательный коэффициент будет равен 1, жиров — 0,7, белков — 0,8. Значения дыхательного коэффициента для животных исследуемых групп представлены в табл. 1—2.
Таблица 1.
Изменение дыхательного коэффициента в группе 1
Время облучения, сутки Время забора проб
1 мин 15 мин 30 мин 45 мин 60 мин
1 0.8 ±0.04 0.8 ±0.03 0.8 ±0.04 0.8 ±0.03 0.7 ±0.05
2 0.7 ±0.03 0.7 ±0.01 0.7 ±0.01 0.7 ±0.01 0.7 ±0.01
3 0.8 ±0.04 0.9 ±0.01 0.9 ±0.01 0.8 ±0.01 0.8 ±0.02
4 0.7 ±0.01 0.8 ±0.01 0.7 ±0.01 0.7 ±0.02 0.8 ±0.05
5 0.8 ±0.02 0.9 ±0.00 0.9 ±0.01 0.9 ±0.02 0.9 ±0.01
6 0.9 ±0.01 0.8 ±0.03 0.8 ±0.02 0.8 ±0.01 0.8 ±0.04
7 0.7 ±0.01 0.8 ±0.01 0.8 ±0.03 0.8 ±0.01 0.7 ±0.01
8 0.8 ±0.05 0.8 ±0.02 0.8 ±0.01 0.8 ±0.03 0.8 ±0.01
9 0.7 ±0.03 0.8 ±0.01 0.7 ±0.05 0.7 ±0.04 0.8 ±0.01
10 0.7 ±0.04 0.7 ±0.05 0.8 ±0.01 0.8 ±0.01 0.8 ±0.01
Таблица 2.
Изменение дыхательного коэффициента в группе 2
Время облучения, сутки Время забора проб
1 мин 15 мин 30 мин 45 мин 60 мин
1 0.8 ±0.02 0.8 ±0.01 0.8 ±0.01 0.8 ±0.02 0.8 ±0.01
2 0.8 ±0.01 0.8 ±0.02 0.8 ±0.02 0.8 ±0.02 0.8 ±0.02
3 0.8 ±0.02 0.8 ±0.04 0.8 ±0.03 0.8 ±0.03 0.8 ±0.02
4 0.8 ±0.01 0.8 ±0.02 0.8 ±0.01 0.8 ±0.01 0.8 ±0.01
5 0.8 ±0.03 0.8 ±0.03 0.8 ±0.03 0.8 ±0.02 0.8 ±0.02
6 0.8 ±0.01 0.9±0.03 0.8 ±0.01 0.8 ±0.01 0.8 ±0.03
7 0.8 ±0.02 0.8 ±0.01 0.8 ±0.05 0.9±0.04 0.8 ±0.02
8 0.8 ±0.02 0.8 ±0.05 0.8 ±0.05 0.8 ±0.05 0.8 ±0.05
9 0.8 ±0.03 0.8 ±0.02 0.8 ±0.03 0.8 ±0.01 0.8 ±0.01
10 0.8 ±0.03 0.8 ±0.02 0.8 ±0.01 0.8 ±0.02 0.8 ±0.00
В контрольной группе значения дыхательного коэффициента на протяжении всего времени исследования были от 0.7 до 0.9. Такие колебания показателя связаны с индивидуальными особенностями обмена веществ мышей, находящихся в эксперименте. У животных, находящихся в установке для облучения при включенном генераторе СВЧ-энергии, преимущественно значение дыхательного коэффициента было равно 0.8. Такого рода выравнивание значений дыхательного коэффициента у мышей под действием ЭМИ СВЧ-диапазона может являться проявлением ответной реакции организма на стресс, вызванный влиянием фактора внешней среды. После воздействия электромагнитного поля в венозной крови животных происходит одновременное снижение содержание глюкозы и лактата в крови относительно контрольных значений после 8 суток облучения. Эти данные могут объяснить смещение показателя дыхательного коэффициента в сторону включения белков в процесс окисления и получения энергии организмом альтернативным путем.
В целом, полученные данные свидетельствуют о запуске процессов адаптации в организме животных, подвергавшихся воздействию электромагнитного поля сверхвысокочастотного диапазона.
Список литературы:
1. Баджинян С.А., Малакян М.Г., Егиазарян Д.Э. и др. Влияние электромагнитного излучения с частотой 900МГц на некоторые показатели крови// Радиационная биология. Радиоэкология. — 2013. — Т. 53. — № 1. — С. 63—71.
2. Григорьев Ю.Г., Григорьев О.А. Мобильная связи и здоровье населения: оценка опасности, социальные и этические проблемы // Радиационная биология. Радиоэкология. — 2011. — Т. 51. — № 3. — С. 357—368.
3. Bassi M., Caruso M., Khan M.S., Bevilacqua A., Capobianco A., Neviani A. An Integrated Microwave Imaging Radar With Planar Antennas for Breast Cancer Detection // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., V. 61, 2013, № 5, Part 2 (Special Issue on Biomedical Applications of RF/Microwave Technologies), P. 2108 — 2118.
4. Bilgici B., Akar A., Avci В., Tuncel O.K. Effect of 900 MHz Radiofrequency Radiation on Oxidative Stress in Rat Brain and Serum // Electromagnetic Biol. and Med. 2013. — V. 32. — № 1. — P. 20—29.
5. Hancock C.P., Dharmasiri N., White M., Goodman A.M. The Design and Development of an Integrated Multi-Functional Microwave Antenna Structure for Biological Applications_// IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., V. 61, 2013, № 5, Part 2 (Special Issue on Biomedical Applications of RF/Microwave Technologies). — P. 2230—2241.
6. Mottawie H., Ibrahiem A. Biochemical Changes in Liver and Kidney of Rats Exposed to Electromagnetic Waves from Mobile Phone: Protective Role of Antioxidant Vitamins // Med. J. Cairo Univ. 2011. — V. 79. — № 1. — Р. 17—22.
