Способ генерирования электрических колебаний

Изобретение относится к способу генерирования электрических колебаний с помощью полупроводников и жидких диэлектриков и может найти широкое применение в биологии, экологии, медицине и других отраслях, связанных с биологическими объектами. Способ включает воздействие электрическим полем на жидкую среду, помещенную между двумя электродами. В качестве жидкой среды используют белковые растворы на основе веществ, имеющих водородные связи, выделенные из биологических объектов и содержащие нано- и микрокластеры. Воздействие на белковые растворы осуществляют переменным электрическим полем с напряженностью 10-100 В/м и частотой 1-90 Гц. В качестве белковых растворов используют водные или водно-спиртовые растворы. Техническим результатом является создание эффективного и нетоксичного способа генерирования электрических колебаний широкого частотного диапазона, имитирующих колебания биологических объектов, позволяющего моделировать в них биофизические и биохимические процессы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Заявляемое изобретение относится к способам генерирования электрических колебаний с помощью полупроводников и жидких диэлектриков и может найти широкое применение в биологии, экологии, медицине и других отраслях, связанных с биологическими объектами.

В настоящее время использование широкополосных электрических сигналов, генерируемых различными способами, с применением элементов твердотельной микроэлектроники и вакуумной электроники нашло широкое применение в различных областях промышленности, жизни и деятельности человека (см., например, патенты России №№2305891, 2185020, 22174282, 2288519 и другие). В связи с интенсивным развитием биологии и медицины возникает потребность генерирования электрических колебаний внутри биологических объектов. Для этой цели традиционные устройства твердотельной микроэлектроники и тем более вакуумной электроники не подходят, т.к. при внедрении их в биологический объект происходит купирование соединительной тканью, что затрудняет работу и препятствует их внедрению на длительное время. Поэтому наиболее продуктивным подходом для решения этой задачи является применение электронных устройств, в частности генераторов, состоящих из органических веществ природного происхождения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ генерирования электрических колебаний с частотами, близкими к наблюдаемым у биологических объектов (патент России №2285982, опубл. 20.10.2006). Этот способ включает пропускание электрического тока и приложение разности потенциалов к полупроводниковому генератору, в котором в качестве полупроводника р-типа используют водный раствор органического полупроводника р-типа, на который наносят жидкий органический полупроводник п-типа с погруженными в него электродами, между которыми прикладывают разность потенциалов 5-70 В, а между электродами, имеющими положительный потенциал и опущенным в полупроводник р-типа электродом, пропускают ток от 1 до 500 мкА. При этом в качестве органического полупроводника р-типа используют водный раствор трифенилметанового красителя фуксина, водный раствор органического красителя метиленового голубого или анилин.

Этот способ имеет следующие недостатки:

- т.к. в нем использованы органические вещества синтетического происхождения, в частности, такие как анилин, фуксин и метиленовый голубой, являющиеся токсичными, что не позволит широко использовать способ для биологических объектов;

- этим способом могут генерироваться только единичные релаксационные колебания, а т.к. передача информации в биологических объектах, как правило, производится широкополосными сигналами, применение для них этого способа малоэффективно и его реализация высокозатратная.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности способа и получение возможности его широкого применения за счет ликвидации токсичности.

В результате исследований, проведенных за последние 20 лет в России и за рубежом, было установлено, что в жидкостях, имеющих способность образовывать водородные связи, создаются кластеры, размеры которых лежат в пределах от нано- до микрообъектов, которые могут изменяться с помощью электрической или магнитной составляющей электромагнитного поля (смотри автореферат диссертации «Влияние низкоинтенсивного электромагнитного поля на водные кластеры в присутствии ионов». - М.: МГУ, 2006 г., а также книгу В.И.Классен. Омагничивание водных систем. - М.: Химия, 1982 с.24-28), а согласно некоторым отдельным исследованиям размеры кластеров могут достигать нескольких мм (см. Необычные свойства обычной воды http://www.infkrmnauka.ru/rus/1999/30_r/htm).

Техническая задача предлагаемого изобретения решается за счет того, что в способе генерирования электрических колебаний, включающем воздействие электрическим полем на жидкую среду, помещенную между двумя электродами, в качестве жидкой среды используют белковые растворы на основе веществ, имеющих водородные связи, выделенные из биологических объектов и содержащие нано- и микрокластеры, при этом воздействие на белковые растворы осуществляют переменным электрическим полем с напряженностью 10-100 В/м и частотой 1-90 Гц. В качестве белковых растворов используют водные или водно-спиртовые растворы.

В качестве одного из компонентов жидкой среды в заявленном решении используют жидкость, обладающую диэлектрическими свойствами и способностью образовывать водородные связи, которые в свою очередь создают кластеры (смотри Журнал структурной химии, т.46, №4, 2005, с 648, 651). Это, например, вода (см. статью Исследование кластеров воды методом молекулярной динамики, авторов Б.Н.Бродская А.И.Русанов. Сборник научных трудов «Физика кластеров» под ред. А.А.Вострикова, А.К.Реброва. Сибирское отделение академии наук, Новосибирск, 1987. г. с 116-121), спирты (см. статью Диэлектрическая релаксация диацетонового спирта, авторы М.И.Велиев, Р.М.Касимов, Ч.О.Каджар, http://www.chem.msu.su/rus/publ/Buchachenko/buch3.html Химия в макро- и микрореакторах). Второй компонент - природные органические вещества, в частности белки.

Техническим результатом изобретения является создание эффективного и нетоксичного способа генерирования электрических колебаний широкого частотного диапазона, имитирующих колебания биологических объектов, позволяющего моделировать в них биофизические и биохимические процессы.

Способ может быть реализован с помощью установки, изображенной на чертеже.

Установка состоит из емкости 1 с погруженными в нее электродами 2, соединенными с осциллографом 3, и электродами 4, соединенными с генератором 5.

Способ осуществляется следующим образом.

В емкость 1 заливают белковый раствор на основе веществ, имеющих водородные связи, выделенные из биологических объектов, содержащих нано- и микрокластеры.

В частности, раствор белка уреаза (сои) экстрагировался следующим способом. В цилиндр емкостью 250 мл наливали 100 мл воды, добавляли 10 г соевой муки и 5 мл 0,1 Н соляной кислоты. Полученный раствор перемешивали и доводили общий объем до 150 мл дистиллированной водой. Образец получался разбавленным в 15 раз. Экстракция длилась в течение 15 часов в холодильной камере при периодическом перемешивании. Затем взвесь отфильтровывалась в пробирку через фильтровальную бумагу на средней воронке диаметром ≤10 см.

С генератора 5 на электроды 4 подаются гармонические электрические колебания, выбранные из диапазона 1-90 Гц частоты, в результате чего создается переменное электрическое поле напряженностью от 10 до 100 В/м, которое воздействует на раствор, находящийся в емкости 1. В результате на осциллографе 3 наблюдаются широкополосные электрические колебания, вызванные перестройкой структуры нано- и микрокластеров электрическим полем. Благодаря перестройке кластеров происходит конформационная перестройка белков, что сопровождается генерированием широкополосных электрических сигналов, максимальная амплитуда которых составляет 30 мВ, а частота от 1 кГц до 300 МГц.

Авторами был проведен ряд экспериментов, подтверждающих наличие эффекта возникновения широкополосных колебаний при воздействии на белковые растворы.

Пример 1. Водный белковый раствор сои уреаза помещался в кондуктометрическую ячейку. Температура раствора соответствовала температуре окружающей среды (+2°С). С генератора 5 типа Г3-118 на электроды 4 подаются гармонические электрические колебания с частотой 1 Гц, в результате чего создается переменное электрическое поле напряженностью 10 В/м, которое воздействует на раствор, находящийся в емкости 1. На осциллографе 3 наблюдали широкополосные электрические колебания, максимальная амплитуда которых составляет 30 мВ, а частота от 1 кГц до 300 МГц. Этот эффект наблюдался течение 5 секунд. При включенном поле с сохраненными параметрами периодичность повторения эффекта варьировалась от 30 до 180 с. При выключении электрического поля сразу после прекращения генерации электрических колебаний и повторном его включении через 10 с вновь наблюдался эффект возникновения колебаний с аналогичными первичному включению параметрами.

Пример 2. Аналогичен примеру 1, кроме того, что частота гармонических электрических колебаний, подаваемых на электроды 4, составляла 18 Гц, а напряженность создаваемого электрического поля была 50 В/м. В результате на осциллографе 3 наблюдали широкополосные электрические колебания, максимальная амплитуда которых составляет 30 мВ, а частота от 1 кГц до 300 МГц. Этот эффект наблюдался в течение 3 секунд. При включенном поле с сохраненными параметрами периодичность повторения эффекта варьировалась от 30 до 200 с.

Пример 3. Аналогичен примерам 1 и 2, кроме того, что частота гармонических электрических колебаний, подаваемых на электроды 4, составляла 37 Гц, а напряженность создаваемого электрического поля была 100 В/м. В результате на осциллографе 3 наблюдали широкополосные электрические колебаний, максимальная амплитуда которых составляет 30 мВ, а частота от 1 кГц до 300 МГц. Этот эффект наблюдался в течение 2 с. При включенном поле с сохраненными параметрами периодичность повторения эффекта варьировалась от 30 до 160 с.

Пример 4. Аналогичен примеру 1, кроме того, что использовался водно-спиртовый (2% спирта) белковый раствор и частота электрического поля составляла 42 Гц.

Пример 5. Аналогичен примеру 2, кроме того, что использовался водно-спиртовый (5% спирта) белковый раствор и частота электрического поля составляла 64 Гц.

Пример 6. Аналогичен примеру 3, кроме того, что использовался водно-спиртовый (7% спирта) белковый раствор и частота электрического поля составляла 71 Гц.

Пример 7. Аналогичен примеру 1, кроме того, что использовался водный раствор интерферона (содержание белка 30%). В результате на экране осциллографа 4 наблюдали широкополосные электрические колебания, максимальная амплитуда которых составляет 20 мВ, а частота лежала в пределах от 1 кГц до 200 МГц.

Примеры 8 и 9 аналогичны примерам 2 и 3, кроме того, что использовался 30% водный раствор интерферона и частота электрического поля составляла 90 Гц.

Данные примеров приведены в таблице

Из приведенных примеров видно, что путем простого воздействия на органическое вещество природного происхождения возможно осуществлять генерацию широкополосных электрических колебаний.

Наблюдаемые электрические колебания можно объяснить следующим образом. В результате действия переменного электрического поля происходит перестройка кластерной структуры жидкости, которая взаимодействует с компонентами белков. В результате происходит изменение туннельных токов между молекулами жидкости и отдельными атомами, входящими в состав структуры белка. В результате происходит изменение конформационной структуры белка, что сопровождается изменением местоположения его отдельных участков относительно друг друга. Т.к. эти участки имеют дипольные электрические моменты, то смещение диполей приводит к генерации электрических колебаний, т.е. изменения конформационной структуры жидкости вызывают конформационную перестройку белка. Таким образом, для уменьшения промежутков времени между актами генерации электрических колебаний следует постоянно перестраивать кластерную структуру жидкости. В этом случае белковая структура будет вынуждена постоянно перестраивать свою конформацию. Как показывают примеры, это можно осуществить периодическим включением-отключением электрического поля.

Таким образом, воздействуя электрическим полем на кластеры в жидкостях, имеющих водородные связи, возможно осуществить перестройку их структуры, вследствие которой произойдет перестройка макромолекул белков, что вызовет при определенных условиях (в случае интенсивной перестройки кластеров смену типов кластеров) электрические колебания.

Предложенный способ может найти широкое применение при управлении (стимулировании или подавлении) процессами в биологических объектах, например, в сельском хозяйстве, в медицине для лечения и диагностики заболеваний, в экологии.

1. Способ генерирования электрических колебаний, включающий воздействие электрическим полем на жидкую среду, помещенную между двумя электродами, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды используют белковые растворы на основе веществ, имеющих водородные связи, выделенные из биологических объектов и содержащие нано- и микрокластеры, при этом воздействие на белковые растворы осуществляют переменным электрическим полем с напряженностью 10-100 В/м и частотой 1-90 Гц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве белковых растворов используют водные или водно-спиртовые растворы.