Применение метода импедансной спектрометрии при оценке

УДК 637.073.051
Алейников А.Ф., Пальчикова И.Г.*, Чугуй Ю.В.*, Гляненко В.C.*
ГНУ СибФТИ Россельхозакадемии, Новосибирск,
* ФГБУН КТИ НП СО РАН, Новосибирск
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ИМПЕДАНСНОЙ
СПЕКТРОМЕТРИИ ПРИ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА
МЯСНОГО СЫРЬЯ
Научно обоснован метод «импедансной спектроскопии», рассмотрены особенности
электропроводности животной биологической ткани, предложена электрическая
эквивалентная схема ткани. Показан характер изменения импеданса ткани мяса в
зависимости от частоты воздействия.
Ключевые слова: мясное сырьё, мембраны, электропроводность животных тканей.
Мясо животного можно отнести к группе своеобразных полимеров
– биополимеров, химических соединений, состоящих из большого
числа структурных единиц. Оно обладает сложнейшей комплексной
электропроводностью,
включающей
все
известные
виды
проводимости, обусловленной сложнейшими биофизическими и
биохимическими
процессами.
Электрические
параметры
биологических жидкостей и тканевых структур животных являются
важным индикатором процессов жизнедеятельности, протекающих в
организме [1]. Во-первых, измерение этих параметров используется в
биологии для характеристики физических свойств живого вещества и
изучения динамики функций и функционального состояния тканей и
систем организма; во-вторых, данные, полученные при изучении
электропроводности биологической ткани, позволяют оценивать её
структуру после убоя животного.
Среди параметров, имеющих важное информационное значение в
оценке состояния биологического объекта, следует указать на
активное сопротивление R, реактивное сопротивление (емкостное XC),
полное электрическое сопротивление (импеданс Z), диэлектрическую
проницаемость  и тангенс угла потерь tg . Существование
электрического тока в любой проводящей среде (твёрдой, жидкой,
газообразной)
обусловлено
наличием
свободных
носителей
электрических зарядов (электрического тока). Другими словами, если
исследуемая среда обладает свойством электропроводности, то это
значит, что в ней имеются свободные носители электрического тока.
По своей природе носителями электрического тока бывают
электронные, ионные, дырочные и заряженные частицы коллоидных
1
растворов. В соответствии с природой носителей электрического тока
различают 3 основных типа электропроводности: электронная
(проводимость первого рода), ионная (проводимость второго рода),
электрофоретическая
(проводимость
третьего
рода).
В
электропроводности среды принимают участие i различных типов
3
носителей зарядов с концентрацией ni в 1 м объёма и величиной
заряда в единицах e  (заряд электрона). Следовательно, каждый
носитель тока обладает суммарным зарядом
e i , выраженным в зарядах
электрона. Общий заряд одного знака носителей в единице объема
равен n i ei . Скорость движения носителей в единичном
электрическом поле называется подвижностью  и измеряется в
м/сек.,
поэтому
электропроводность
среды
определяется
концентрацией свободных носителей, их зарядом и подвижностью:
  [ei ni i ] , причём суммирование идёт по всем видам носителей
( Na  , K  , Cl  , Ca  и др.). Подвижность свободных носителей является
важной характеристикой сопротивления проводящей среды, по
которой движутся носители. Она характеризует силу сопротивления
среды, через которую движутся свободные носители, и обусловлена
структурными
особенностями
проводящей
среды,
её
упорядоченностью.
Обычно концентрация свободных носителей в единице объёма,
например, металлического проводника, остаётся неизменной даже при
изменении температуры T среды. В органическом проводнике можно
увеличить концентрацию свободных носителей с помощью
воздействия температуры и приложенного электрического поля путём
инжекции носителей из электрода Особенно эффективной бывает
генерация свободных носителей при исследовании темновой
проводимости и фотопроводимости в присутствии кислорода. Такой
методический подход приводит к увеличению концентрации
протонных носителей H  концентрации водородных ионов ( pH ) и
возрастанию фототока. В биологических тканях тоже можно
наблюдать такой эффект.
Таким образом, увеличение концентрации свободных носителей
зарядов влияет на электропроводность среды. Однако, если
температурный фактор сам по себе не меняет концентрацию
свободных носителей в проводниках первого рода, то в органических
проводниках этот фактор начинает работать, а в сочетании с другими
обусловливает увеличение генеза электрического тока.
2
Электропроводность биологических тканей обусловлена рядом
явлений, совершающихся в проводящих средах. Важнейшие из них –
энергетические превращения субстратов (глюкоза, аминокислоты и
липиды), из которых, благодаря структурному и функциональному
метаболизму, осуществляется генез градиентов, поляризованного
вещества и структуры. Градиенты обеспечивают генез основных форм
энергии биологического объекта – электрической, осмотической и
механической. Вместе с градиентами поляризация обеспечивает
функциональную готовность и активность всех клеток биологического
объекта. Поскольку уровень энергетического обмена – величина
переменная и зависит от действия на организм внешних и
внутриорганизменных возмущающих факторов, надо ожидать
увеличения или убывания уровня поляризации структуры и вещества.
Очевидно, эту тенденцию можно выявить и на уровне градиентов, и в
функциональной активности клеток исследуемой ткани. Основной
особенностью структурной организации биологических тканей
является их клеточное строение и наличие в них плазматических
мембран, а также мембран субклеточных органелл, митохондрий и
поляризованных
элементов
цитоплазмы
и
околоклеточных
пространств.
Поэтому, с точки зрения электропроводности, проводящая среда
биологической ткани даже на малых участках является относительно
неоднородной как в структурном, так и в функциональном отношении.
Она насыщена свободными носителями зарядов в виде ионов
( Na  , K  , Cl  , Ca  и др.), поляризованных коллоидных частиц и, как
следует из экспериментальных данных, электронов, т.е. она, в
основном, рассматривается как проводник второго и третьего рода,
хотя не лишена и электронной проводимости [2].
При пропускании постоянного электрического тока через ткани
возникает заметное падение силы тока, тогда как прикладываемое
напряжение при этом не меняется. В данном случае биологический
объект как бы не подчиняется закону Ома. Причина этого феномена
состоит в том, что при прохождении постоянного тока в результате
явления поляризации, вызванной в ткани, под электродами
генерируется
встречная
электродвижущая
сила
(ЭДС)
с
противоположным знаком по отношению к знаку прикладываемого
тока. Эту встречную ЭДС можно зарегистрировать, если быстро
отключить от электродов ток, вызвавший поляризацию ткани, и
присоединить их к электроизмерительному устройству. Естественно,
электроды должны быть неполяризующимися. В электрофизиологии
явление поляризации, возникающее при прохождении электрического
3
тока, называется физическим электротоком. Оно обусловлено
емкостными свойствами мембраны клетки Cm, тогда как межклеточная
жидкость Rm и цитоплазма Rz имеют омическое сопротивление.
Емкостные
свойства
биологической
ткани
довольно
чувствительны к внешним воздействиям. Например, структура
мембран изменяется при изменении пищевого рациона животного, при
заболеваниях,
стрессах,
действии ионизирующей
радиации,
авитаминозах и других изменениях среды обитания клеточной
мембраны. Все эти факторы, влияя на структуру мембран, изменяют её
поляризационные свойства. Поляризационная ёмкость определяется по
формуле: C 
p
t
 Idt ,
0
R( I 0  I t )
где I – мгновенное значение силы тока; I0, It – начальное и
конечное значение силы тока, соответственно. Поляризационная
ёмкость различных биологических структур достигает больших
величин – от 0,1 мкФ на 1 кв. см. до 10 мкФ на 1 кв. см. и более.
Следует заметить, что высокая поляризационная ёмкость –
характерное свойство неповрежденных клеток и их мембран.
Однако следует отметить, что наличием особенностей поведения
мембраны нельзя объяснить ряд закономерностей прохождения тока
через биологические объекты, в частности, поляризацию. Наиболее
правильное и полное объяснение этого явления может быть дано,
исходя из теории поляризации диэлектриков Вагнера. Согласно этой
теории, явление поляризации может возникать в сложном диэлектрике,
если он состоит из слоев различной электрической проводимости.
Биологические ткани животного происхождения в электрофизическом
отношении можно рассматривать как сложный диэлектрик, состоящий
из двух или нескольких слоёв различной проводимости. В таком
гетерогенном
проводнике
напряжение
включенного
тока
распределяется так, что большая часть его будет уменьшаться в слое с
меньшей проводимостью. При одной и той же силе тока количество
ионов одного знака, например, ионов Na  , уходящих из слоя с
большей проводимостью к границе двух фаз, будет больше количества
ионов, уходящих в проводящий слой меньшей проводимости.
Вследствие этого у границы раздела произойдёт избыточное
накопление ионов, т.е. появится вторичная ЭДС обратного знака. Сила
тока в этих случаях определяется величиной встречной ЭДС,
обусловленной поляризацией.
Следует заметить, что высокая поляризационная ёмкость –
характерное свойство неповрежденных клеток и их мембран.
4
Сопротивление биологической ткани переменному току находится
в прямой зависимости от прикладываемой частоты f.
Мембранные структуры, которые в естественных условиях
жизнедеятельности
способны
накапливать
и
задерживать
электрические заряды против их градиента концентрации, используют
для этого соответствующий энергетический механизм. Как было
изложено выше, электрические свойства исследуемых тканей
определяются не только наличием активного сопротивления, но и
статической и поляризационной ёмкостью. На низких частотах
величина поляризационной ёмкости может превышать величину
статической. На более высоких частотах (≈10 кГц) статическая
ёмкость выше поляризационной. Но эти ёмкости соединены
последовательно, поэтому на высоких частотах общая суммарная
ёмкость будет определяться меньшей по величине поляризационной
емкостью. Таким образом, биологические объекты обладают как
активной проводимостью, так и ёмкостными свойствами. Если
рассматривать живую ткань с позиции электропроводности, то она
будет характеризоваться как активным, так и реактивным
сопротивлением. Такой тип суммарной проводимости называют
импедансом (модуль полного электрического сопротивления).
Реактивное, или емкостное, сопротивление можно определить по
формуле X  1 ,
(1)
C
 C
где   2f – круговая частота. Суммарное сопротивление ткани Z
при применении переменного тестирующего тока для последовательно
соединенных элементов C и R определяется по формуле:
1 или 2
1
(2)
Z  R j
Z  R2 
C
 2C 2
При параллельном соединении уравнение будет иметь вид:
1 1
(3)
  C
Z
R
Как видно из приведённых уравнений (1,2,3), значение
электрического импеданса ткани обусловлено её ёмкостными
свойствами, активное сопротивление при увеличении частоты остается
неизменным. Высокочастотное сопротивление обычно рассматривают
как сопротивление, обусловленное наличием свободных ионов в
измеряемой биологической среде. В частности, было обнаружено, что
основная часть ионов цитоплазмы находится в свободном состоянии и,
следовательно, принимает участие в явлениях естественной
поляризации мембран, клеток и субклеточных органелл, т.е. на
границе макроструктурного объема возникает электрическая
5
поляризация границы раздела сред. Такой подход дает возможность
учитывать на основании электрических свойств исследуемой ткани ее
биологические особенности – клеточную проницаемость и наличие
ионных потоков через мембрану. Например, при отмирании ткани ее
электрические свойства приближаются к свойствам электролита,
потому что происходит разрушение мембран. В этом случае
проводимость среды тождественна ионной проводимости.
На рисунке а показана зависимость частотной дисперсии
сопротивления биологической ткани, на рисунке б изображена
предлагаемая эквивалентная электрическая схема биологической ткани
у электродов Э1, Э2.
На нём по оси ординат отображены "активное" и "емкостное"
сопротивления, а по оси абсцисс – выбранная частота при
исследовании ткани.
Э1
Z, Ом
Э2
б
а
R1
Cp
R2
Cp
Rp
Cp
Rm
Rp
Ri
Rm
Ri
Rp
R0
0
104
105
106
f, Гц
Cp
Рисунок - Изменение полного электрического сопротивления ткани от частоты
тестирующего тока: а) частотная дисперсия ёмкостной составляющей полного
электрического сопротивления ткани (R0, Cp – соответственно активное и
поляризационное сопротивления); б) эквивалентная схема биологической ткани (R1, R2 –
активное сопротивление электродов; Rp, Rc –поляризационные составляющие
сопротивления ткани; Ri – сопротивление цитоплазмы; Rm – сопротивление
межклеточной жидкости
Поляризационные явления, возникающие на границе раздела,
которыми являются плазматические мембраны и мембраны органелл
цитоплазмы,
обусловливают
изменения
поляризационных
сопротивления и ёмкости. Они зависят от потока ионов через
мембраны, т.е., в конечном итоге, от электропроводности этих
6
структур. Последовательно с Rp и Cp включено сопротивление Ri,
которое является собственным сопротивлением протоплазмы. Эти
сопротивления
шунтируются
параллельно
включённым
сопротивлениям межклеточной жидкости Rm.
При регистрации импеданса ткани двумя поверхностными
электродами они имеют активные сопротивление R1 и R2. В этой
эквивалентной схеме активные сопротивления не являются частотно
зависимыми элементами. На низких частотах тестируемый ток будет
течь по путям, сопротивление которых намного ниже сопротивления
Rp, обусловленного поляризационными явлениями. При течении
процессов деградации тканей размеры межклеточных пространств
обычно уменьшаются, и сопротивление их току заряженных частиц
существенно возрастает. Такое состояние тканей влияет на
проницаемость мембран, уменьшая сопротивление Rp, нивелирует
ёмкостные свойства клеточных мембран, поэтому измерение
электрических
параметров
биологических
тканей
является
объективным методическим подходом к оценке интегрального
показателя мяса и мясных продуктов.
Выводы. Анализ теории «импедансной спектроскопии» и
источников информации позволяет сделать следующие утверждения:
1) сопротивление биологических структур переменному току
ниже, чем постоянному току;
2) сопротивление не зависит от значения тока, если его значение
не оказывает влияние на изменение физико-химических свойств ткани;
3) на фиксированной частоте сопротивление биологической
структуры постоянно, если не изменяются её свойства при автолизе
ткани;
4) компоненты сопротивления существенно изменяются при
гибели (отмирании) клеточных культур (сопротивление падает на
несколько порядков);
5) дисперсия электропроводимости, как и способность к
поляризации, присущи только живым клеткам.
Проведённые исследования подтверждают высказанную ранее
гипотезу о том, что процесс ухудшения качества мясного сырья
обусловлен биохимическими процессами, связанными с отмиранием
тканей, их деградацией под воздействием факторов окружающей
среды. При этом происходит увеличение проницаемости мембран и,
как следствие, увеличение ионных потоков и ослабление эффекта
поляризации на границе раздела.
Библиографический список
7
1. Алейников А.Ф., Осенний А.С. Оценка интегрального функционального состояния
организма по показателям электрической поляризуемости ткани: метод. реком. –
Новосибирск, РПО СО РАСХН, 1993. – 40с.
2. Электрический импеданс биологических тканей /Ю.В. Торнуев, Р.Г. Хачатрян, А.П.
Хачатрян [и др.]. – М.: Изд-во ВЗПИ, 1990. –156 с.
Aleinikov A.F., Palchikova I.G. *,Chugui Yu.V. *,Glyanenko V. S. *
GNU SibFTI, Novosibirsk,
*FGBU KTINP of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science,
Novosibirsk
APPLICATION OF THE METHOD OF IMPEDANCE
SPECTROMETRY AT THE ASSESSMENT OF QUALITY
OF MEAT RAW MATERIALS
Application a method "impedance spectroscopy»from the scientific point of view is
proved to. The biological fabric considers as an electric equivalent. The schedule of change of
impedance from frequency is shown.
Keywords: raw materials of meat, membrane, conductivity of fabrics.
8