Введение к работе
Актуальность темы. Микроорганизмы, биологические клетки и их суспензии по степени своей дисперсности являются типичными коллоидными объектами. Поэтому широкое распространение получили экспериментальные методы исследования таких систем, основанные на методологии современной коллоидной химии, физики дисперсных систем и поверхностных явлений, в частности - методы, связанные с воздействием внешнего электрического' поля на биологические суспензии (электрофорез, диэлектрическая спектроскопия, диполофоре-тические и электрооптические измерения, электровращение и электрокоагуляция клеток).
Биологические клетки обладают таким общим для коллоидных объектов свойством, как наличие вблизи заряженной клеточной поверхности в водной среде двойного электрического слоя (ДО. Это позволяет широко применять при исследованиях электроповерхносткых свойств границы раздела клетка/среда представления современной теории неравновесных электроповерхностных явлений, развитой для модели непроводящих заряженных частиц в водном растворе электролита (Дерягин, Овербек, Духин, Шилов с сотрудниками).
В то же время фундаментальной особенностью живых биологических клеток, определяющей их специфику, являются внутриклеточные обменные процессы и обмен веществ между клеткой и окружающей ее средой. Влияние жизнедеятельности клеток на их коагуляцию и на гетерокоагуляцию микроорганизмов и минеральных частиц было рассмотрено в теоретических исследованиях Овчаренко, Эстрела-Льопис и, независимо - Дерягиным, Духиным и Полом. Шесте с тем в теоретических моделях , описывающих поведение живых клеток во внешнем электрическом поле эта фундаментальная особенность биологических клеток не получила адекватного отражения.
Влияние обменных процессов на неравновесные электроповерхностные явления в клеточных суспензиях проявляется в непосредственных и в опосредованных эффектах. К последним относятся, например, физиологически обусловленное изменение потенциала клеточной поверхности (который входит в теоретические модели неравновесных эффектов как независимый экспериментально определяемый параметр) и изменение состава дисперсионной среды за счет прижизненных клеточных выделений. Непосредственное влияние обменных процессов на неравновесные электроповерхностные явления связано с потоками вещества через клеточную поверхность. На основе качественных соображений Шилов показал, что последний эффект наиболее ярко выражен для низкочастотной дисперсии диэлектрической прони-
- ч -
цаемости (< -дисперсии) клеточных суспензий. Однако до настоящего времени в теории низкочастотной диэлектрической спектроскопии суспензий биологических клеток не учтены такие характерные черты этих суспензий, как проницаемость клеточной мембраны для ионов и сложный многокомпонентный состав электролита. Поэтому важной задачей, вытекающей как из логики развития теории, так и из практики эксперимента является построение теории низкочастотной диэлектрической спектроскопии для суспензии биологических клеток с проницаемой мембраной в электролите произвольного состава. Учет многокомпонентности состава электролита и проницаемости клеточной мембраны для ионов часто желателен или неизбежен. Во-первых, из-за обмена веществ между клетками и дисперсионной средой, последняя, как правило, содержит три и более сорта ионов. Во-вторых, многокомпонентность состава электролита приводит к появлению нескольких эффективных коэффициентов диффузии и связанных с ними характерных времен релаксации системы. При этом могут возникнуть качественно новые особенности, для описания и предсказания которых необходима соответствующая теория. Учет многокомпонентности состава электролита актуален и для небиологических суспензий. Наконец, важной биоспецифической характеристикой клеточной мембраны является ее проницаемость для ионов, которая может резко измениться вследствие воздействия на мембрану внешних повреждающих физических и химических факторов, а также в случае клеточной патологии. Соответственно изменится и влияние проницаемости мембраны для ионов на дисперсию диэлектрической проницаемости суспензии таких клеток, что определяет актуальность учета этого фактора в теории эффекта.
С биологической спецификой клетки связана также важная прикладная и теоретическая задача определения природы дальнодейст-вугацих сил взаимодействия живых биологических клеток с минеральными частицами, определяющих селективность гегерокоагуляции клеток с частицами. Существуют два альтернативных механизма такой селективности..Оба механизма связаны с обменом веществ: с обменом веществ между клеткой и средой связан предложенный Эстрела-Льописом механизм селективности основанный на представлениях о роли диффузионного слоя внеклеточных метаболитов, а с внутриклеточными обменными процессами, ведущими к генерации клеткой неоднородного переменного электрического поля - предложенный Полом микродиполофоретический (микродиэлектрофоретический) механизм селективности. Поэтому актуальной является оценка эффективности
микродиполофоретического механизма селективности (соответствующая оценка для диффузиофоретического механизма сделана автором), учитывающая интенсивность обменных процессов и энергетические возможности клетки, которые весьма ограничены. Последнее обстоятельство делает особенно актуальным с точки зрения практического применения рассмотрение сходного механизма диполофоретической сепарации коллоидных частиц в 'сильно неоднородном электромагнитном поле, возникающем вблизи границы раздела двух сред при полном внутреннем отражении электромагнитной волны.
Таким образом, актуальность настоящего исследования обусловлена необходимостью учета характерных особенностей неравновесных электроповерхносгных явлений в реальных суспензиях живых биологических клеток .
Цель работы. Теоретическое исследование следующих явлений и систем:
-
низкочастотной поляризации и дисперсии диэлектрической проницаемости в суспензиях коллоидных частиц и биологических клеток в многокомпонентном электролите;
-
влияния проницаемости клеточной мембраны для ионов на низкочастотную дисперсию диэлектрической проницаемости клеточных суспензий;
-
эффективности микродиполофоретического механизма селективности взаимодействия клеток с минеральными частицами;
-
эффективности диполофоретической сепарации коллоидных частиц по степени их поляризуемости и размеру вблизи границы раздела сред при полном внутреннем отражении электромагнитной волны.
Ва защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
-
решение задачи о поляризации тонкого ДС и низкочастотной дисперсии диэлектрической проницаемости в суспензиях яивых биологических клеток с проводящей мембраной в электролите произвольного состава;
-
методика разделения уравнений концентрационной поляризации тонкого ДС в низкочастотном внешнем поле, позволяющая определить эффективные коэффициенты диффузии и найти аналитическое решение этих уравнений для электролита произвольного состава;
-
предсказанный теоретически новый эффект существенного увеличения характерной частоты в многокомпонентном электролите
по сравнению с исходными бинарными электролитами и условия проявления этого эффекта;
4) выводы относительно характера и степени влияния проницаемости клеточной мембраны для ионов на низкочастотную дисперсию диэлектрической проницаемости клеточных суспензий;
5 J результаты анализа эффективности микродиполофоретического механизма селективности гетерокоагуляции клетка/частица с точки зрения энергетических возможностей клетки;
6) решение задачи о диполофорезе частиц вблизи границы раздела сред при полном внутреннем отражении от нее электромагнитной волны.
Научная новизна. Впервые решена задача о низкочастотной поляризации биологических клеток с проницаемой для ионов мембраной в многокомпонентном электролите. Предсказан качественно новый эффект существенного увеличения характерной частоты поляризационных явлений в многокомпонентном электролите по сравнению с исходными бинарными электролитами и определены условия его проявления. Выявлен характер влияния селективной проницаемости клеточной мембраны для ионов на < -дисперсию клеточной суспензии.
Произведена оценка эффективности шкродиполофоретического механизма гетерокоагуляции живых биологических клеток с минеральными частицами, учитывающая энергетические возможности клетки. Предложен и подробно теоретически рассмотрен новый способ ди-полофоретической сепарации частиц вблизи границы полного внутреннего отражения электромагнитной волны., основанный на взаимодействии переменного индуцированного электрического дипольного момента частицы с неоднородными переменными электрическим (собственно ди-полофорез) и магнитным (магнитоэлектродиполофорез) полями.
Практическая ценность. Работа выполнена в рамках теш 2.16.4 "Коллоидная биотехнология и геохимия благородных и сопутствующих металлов", утвержденной постановлением президиума АН УССР )5 259 от 11.05.83 г. Результаты настоящей работы являются теоретической основой интерпретации данных экспериментального исследования низкочастотной дисперсии диэлектрической проницаемости реальных суспензий коллоидных частиц и биологических клеток, что позволяет избежать артефактов и использовать d -диэлектроскопию суспензий ?швых биологических клеток в качестве метода экспресс-контроля проницаемости клеточной мембраны для ионов. Рассмотренные в настоящей работе явления диполофореза и магнигоэлектродиполофореза (МЭДФ) коллоидных частиц вблизи границы раздела сред при полном внутреннем отражении электромагнитной волны могут быть использованы для диполофоретической сепарации хорошо и плохо поляризуемых
частиц.
Апробация работы. Материалы, составившие основное содержание диссертации, докладывались на УИ конференции по поверхностным силам (Москва, 1985 г.), на Всесоюзном семинаре по электроповерхностным явлениям и мембранным процессам (Киев, 1986,1987 и 1988 г.г.), Всесосоюзной конференции по коллоидной химии природных дисперсных систем (Канев, 1987 г.), 2-ом рабочем совещании "Кинетика гетерогенного массообмена в ионообменных и биологических системах" Шущино, 1987 г.), Отраслевом совещании "Теория и практика электрооптического анализа суспензий" (Оболенск,1988г.), на конференциях Отделения природных дисперсных систем (1984,1987 и 1988 г.г.) и на конференции Института коллоидной химии и химии воды игл. А.В.Думанского АН УССР (1984 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов; изложена на 174страницах машинописного текста, включающих 24 рисунка, список использованной литературы из 80 наименований и имеет 5 приложений.