СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ АГРЕГАТИВНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2019 года по МПК G01N33/483 G01N27/72 

Изобретение относится преимущественно к области физической химии и биофизики и может быть использовано в биологии, физиологии человека и животных и в медицине для определения состояния жидких (водных) сред, имеющих коллоидное строение, включая жидкости, получаемые от растений, животных и человека, например, жидкие среды организма, соки растений и т.п.

Предшествующий уровень техники.

Коллоидными системами природного происхождения являются все жидкие среды живых организмов и растений. Это означает, что, помимо воды (основного вещества или иначе, дисперсионной среды) и распределенных в ней ионов, такие среды содержат в себе частицы (ассоциаты или комплексы), состоящие из молекул и разных ионов, которые объединяются в единой структуре за счет не химического взаимодействия.

В теле взрослого человека среднего роста и веса содержится до 28 литров жидкого вещества, которое находится в коллоидном состоянии и образует собой внутреннюю среду организма. Внутренняя среда организма представлена кровью, межклеточной жидкостью, спинномозговой жидкостью, лимфой и т.д., которые выполняют свое функциональное назначение именно за счет пребывания в коллоидном состоянии. Так, например, благодаря коллоидному устройству межклеточная жидкость опосредует собою метаболические процессы, протекающие внутри клеток, притом, что потоки входящего в клетки и выходящего из них вещества, не разделенные морфологически, не препятствуют один другому.

Однако, вследствие не химической природы сил, за счет которых компоненты мицелл удерживаются в их составе, решительно всем водным коллоидным системам присуща динамичность их внутренней организации, выраженная тем, что ассоциаты ее дисперсионной фазы могут претерпевать трансформацию при изменении состава внешней по отношению к ним среды. Поводом для трансформации ассоциатов, состоящей в их укрупнении за счет слияния двух и более частиц в единый комплекс, может стать изменение pH дисперсионной среды, изменение концентрации и состава ионов, распределенных в ней, изменение в ее массе баланса свободных и связанных молекул воды, различные комбинации названных условий и другие факторы. При этом высокая чувствительность ассоциатов к изменениям множества факторов, характеризующих текущее состояние дисперсионной среды, обусловлена тем, что граница раздела между нею и веществом ассоциатов всегда несет на себе какой-то электрический заряд. Величина и знак заряда определяются, прежде всего, составом и структурой каждой мицеллы.

Очевидным выражением системной трансформации ассоциатов с эффектом их укрупнения является феномен расслоения коллоидных систем с обособлением плотной фазы, не взвешенной в дисперсионной среде. В жидких средах человеческого организма и организмов млекопитающих животных этот феномен проявляется формированием разного рода «камней» (желчные, слюнные, мочевые камни), атеросклеротических бляшек, обызвествлением хрящей и прочими явлениями внутренней патологии.

С учетом высокой вероятности трансформации ассоциатов коллоидных систем, важнейшим интегральным показателем их функциональной состоятельности является агрегативная устойчивость - способность сохранять неизменными все характеристики своих частиц (состав, размеры, величину и знак электрического заряда) при изменении внешних условий, а также удельного объема дисперсионной фазы. При этом в качестве главного признака агрегативной устойчивости или неустойчивости коллоидных систем, на который ориентированы практически все технические средства выявления этого показателя, фигурирует размер частиц дисперсионной фазы. Выбор этого признака обусловлен тем, что искусственные коллоидные системы, для контроля качества которых разработаны технические средства выявления данного показателя, в состоянии, пригодном для целевого применения, содержат в себе только близкие по размерам частицы дисперсионной фазы.

Помимо ограничения, обусловленного требованием однородности изучаемых систем, все известные биофизические методы исследования коллоидных систем занимают немало времени и громоздки в аппаратурном оформлении. Эти особенности методов исследования агрегативной устойчивости искусственных коллоидных систем сопряжены с необходимостью выявления множества разных механизмов взаимодействия частиц, входящих в состав этих систем. При этом обычно выясняют те факторы, которые лежат в основе поддержания частиц и всей системы в относительно неизменном состоянии.

Относительная неизменность состояния коллоидных систем во времени и (или) в переменных внешних условиях (устойчивость) обеспечивается совокупностью доступных физическому измерению факторов. В их числе: силы электростатического взаимодействия между частицами; силы межмолекулярного притяжения, влияние дискретных зарядов плотного ионного слоя; диполь-дипольные или квадрупольные взаимодействия; влияние граничных слоев связанной воды; влияние адсорбированных полимеров, приводящих к стабилизации системы или к мостикообразованию (bridging) и другие силы и явления.

Кроме того, видную роль играют внешние поля разной природы: гравитационное, электромагнитное и акустическое, а также поля внешних сил, таких как, например, ион-корреляционные силы и depletion-силы. Не безразлично и влияние гидродинамических процессов. При этом, помимо регистрации собственно факта коагуляции, выявляются соответствующие изменения концентрации и размеров частиц во времени, начиная с момента создания тех или иных специальных условий (введения в систему электролита, ПАВ, изменения температуры и т.п.). Далее, полученные экспериментальные зависимости для полноты исследования обычно сравниваются с теоретическими расчетами, после чего и выносятся окончательные суждения об агрегативной устойчивости изученной коллоидной системы. Как правило, проведение подобного рода исследований требует затрат, как минимум, нескольких часов, не считая затрат времени, потребного для предварительных исследований, на основе которых выбираются наиболее адекватные методы, поскольку в большинстве своем они весьма дифференцированы относительно состава коллоидной системы по концентрации частиц, спектру их размеров и т.п.

В силу перечисленных выше условий, ни один из существующих ныне методов исследования агрегативной устойчивости коллоидных систем практически непригоден для изучения жидких сред биологического происхождения. Проблема состоит в том, что, всем коллоидным системам природного происхождения свойственна сильно выраженная гетерогенность состава частиц, разнообразие их размеров и относительного содержания в каждом конкретном образце, полученном из одного источника в разное время. При этом все известные приемы приведения исследуемых образцов к состоянию, отвечающему условиям адекватного применения известных методов их исследования (типа разделения исходной коллоидной системы по размерам частиц с помощью специальных фильтров и т.п.) чреваты необратимой утратой ими исходной структурной организации, за счет которой реализуется их функциональное назначение в природе.

В силу этого, все технические средства, созданные на основе идеи измерения размеров частиц и применяемые для выявления агрегативной неустойчивости искусственных коллоидных систем, не пригодны для выявления того же качества у коллоидных сред природного происхождения. Причем с учетом отсутствия способов достаточно подробного описания текущего распределения частиц дисперсной фазы по размерам в коллоидной системе неоднородной по данному показателю, бесперспективны и попытки разработки для их тестирования каких-либо новых инструментальных методов на базе той же идеи.

Кроме того, несостоятельным для исследования коллоидных систем природного генеза является и собственно измерение значений любого из названных выше физических факторов, равно как и любого их перечня с любой, сколь угодно высокой точностью. Дело в том, что компонентное наполнение одной и той же по функциональному назначению жидкой среды живых организмов (крови, лимфы, желчи, мочи, и др.) и растений является перманентно переменным во времени. В силу этого, каждая из двух проб одной и той же жидкой среды организма, взятых в разное время, в деталях тождественна лишь самой себе, и потому диагностическая ценность любых разовых измерений, характеризующих текущее состояние конкретной жидкой среды организма, ограничивается лишь оценкой соответствия измеренных показателей их статистическому диапазону (коридору референтных значений). Понятно, что никакой информации о системных качествах любой жидкой среды организма, в частности, об агрегативной устойчивости коллоидной системы конкретного образца жидкости, результаты разовых измерений не содержат.

Вследствие этого, поведение жидких коллоидных систем, образующих собою внутреннюю среду человеческого организма до сего времени представляется фактически белым пятном, несмотря на очевидную актуальность научной разработки этой темы. Последнее положение не требует доказательства с учетом того, что треть всех болезней в урологии представлена мочекаменной болезнью (~400 млн. чел); желчнокаменная болезнь - самая частая патология желудочно-кишечного тракта (~600 млн. чел.); наконец, по данным ВОЗ, каждая четвертая человеческая смерть на Земле непосредственно связана с атеросклерозом.

В связи с этим, в интересах исследования коллоидных систем биологического происхождения актуально развитие специальных методов оценки их интегральных свойств (адекватных сохранению их функциональной организации) и важнейшим из них является, как раз, агрегативная устойчивость в диапазоне вариативности естественных условий их существования в природе.

Использование интегральных методов оценки состояния биологических сред имеет давнюю историю в медицине. К таковым относятся, например, проба Земницкого, по результатам которой судят о концентрационной способности почек, «тимоловая» проба, которую применяют для оценки состояния печени и, по сути, любая вообще функциональная проба.

В последние два с половиной десятка лет широко практикуется метод оценки интегрального состояния ряда биологических сред (плазма крови, моча и др.) по эффекту пространственного (в пределах ограниченной площади) распределения их плотного вещества в ходе высыхании капли исследуемой жидкости, нанесенной на гладкую горизонтальную поверхность чистого, не поглощающего воду материала (например, стекла). [Патент РФ №2033613, приоритет 11.10.1990 г., МПК: G01N 33/493, 33/68.]

Существенным недостатком этого метода является сугубо описательный, то есть заведомо произвольный способ различения вариантов распределения твердого вещества в пределах площади, по которой естественным образом растеклась капля исследуемой жидкости в момент ее нанесения на поверхность чистой стеклянной пластины. Причем произвольность оценки полученной картины распределения твердого вещества усугубляется тем, что и классификация оценок производится по условным градациям, а именно, по клиническому диагнозу. Например, по наличию или отсутствию диагноза мочекаменной болезни у донора исследуемой пробы мочи.

Таким образом, ограниченный из практических соображений перечень оценочных градаций находится как бы в конфликте с неисчислимой вариативностью конкретных эффектов распределения твердого вещества в границах площади, занимаемой жидкой каплей. Кроме этого, нельзя пренебречь тем обстоятельством, что исследуется не водная среда, а результат многофакторного нелинейного ее преобразования в сухой остаток, происходящего как бы в черном ящике, по причине невозможности детальной оценки исходного состояния исследуемых образцов и контроля процесса испарения воды с поверхности высыхающей капли.

Существуют также способы исследования биологических жидкостей, основанные на эффекте взаимодействия водосодержащих сред с электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн (патент РФ на изобретение №2098016, опубл. 10.12.1997 г.; патент РФ на полезную модель №43145; патент РФ на полезную модель №40705). Применение миллиметрового диапазона электромагнитного излучения при этом мотивировано высокой чувствительностью эффекта взаимодействия такого излучения к состоянию конденсированного вещества, содержащего в себе большое количество воды.

Однако для выявления феномена агрегативной неустойчивости коллоидных систем природного происхождения, названные способы и устройства исследования биологических жидких сред не пригодны, т.к. они ориентированы на регистрацию числовых значений тех или иных показателей, характеризующих текущее состояние изучаемых объектов, но не их стабильность, как динамическое свойство.

Способы регистрации физических параметров исследуемого объекта, основанные на применении электромагнитных излучений другого диапазона частот (Кузнецов А.Н. Биофизика электромагнитных воздействий. М., Энергоатомиздат, 1994 г.), неприменимы, т.к. допускают изменение состояния материала исследуемого объекта под воздействием электромагнитного излучения. Кроме того, в случае изучения коллоидных систем природного генеза, всегда ограниченных малыми объемами исследуемых проб, неприменим распространенный прием выделения из шума излучения, отраженного исследуемой средой, за счет его низкочастотной модуляции, ввиду невозможности поместить в исследуемую среду специальный модулирующий отражатель. В частности такой прием описан в патенте US 5345243 A, Sep. 6, 1994.

Известно применение коаксиальной линии, разомкнутой на конце, как это описано, например, в статье G.Q. Jiang et al., Open-ended coaxial-line technique for the measurement of the microwave dielectric constant for low-loss solids and liquids. Review of scientific instruments, vol. 64, no. 6, Uune 1993, pages 1614-1621, XP000380698. Однако этот способ непригоден, во-первых, ввиду необходимости использовать излучение достаточно высокой мощности (более 10 мВт), сосредоточенной на площади, составляющей доли см². Во-вторых, целью его применения является измерение электродинамических параметров у твердых тел и жидкостей лишь при условии малости диэлектрических потерь, которому не отвечают водные среды.

Непригодны для изучения коллоидных сред природного генеза и все известные волноводные, резонансные и квазиоптические методы диагностики, построенные на регистрации отраженного потока электромагнитного излучения в ВЧ и СВЧ диапазонах (Steel М., Sheppard R. Physics in medicine and Biology. Vol. 33, N 4, p. 467-472.; Foster K.R., Schwan H.P. Dielectric properties of tissues // Handbook of biological effects of elektromagnetic fields // Ed. C. Polk, E. Postow. Cleveland: CRC Press, 1987, p. 32-96.). Эти методы нацелены на измерение физических параметров, устойчиво присущих объектам, что бессмысленно в случае, когда каждый образец изучаемой среды тождественен лишь самому себе. Применение подобных методов корректно лишь в случае выполнения жестких требований к геометрии образцов и фиксации их в пространстве. Однако ни первое, ни второе требование невыполнимо для биологических жидкостей.

В устройстве по патенту на полезную модель РФ №43145, опубл. 10.01.2005 г. поток радиоволн миллиметрового диапазона рассматривается в качестве тестирующего фактора. Для повышения точности измерений электродинамических параметров конкретных образцов жидкостей в устройстве непрерывно поддерживают температуру всего волноводного тракта с точностью не хуже ±0,1°C, включая кювету с исследуемым веществом. Тем самым, минимизируется вероятность возникновения погрешностей измерений, обусловленных тепловыми флуктуациями геометрических размеров частей волноводного тракта и сопряженным с ними изменением оптической длины пути, проходимого рабочим излучением по измерительному тракту. Измерения электродинамических параметров исследуемого вещества при этом проводят только в условиях установившегося температурного режима, произвольно заданного и единого для всего волноводного тракта. Дополнительно, с той же целью повышения точности измерений, за счет активации специального устройства, перед каждым актом измерения проводится коррекция частоты рабочего излучения, занимающая то или иное время (до 20 с), в зависимости от величины ее девиации. Однако при условии применения в качестве теплоносителя воздуха, обладающего низкой теплоемкостью, такое устройство не отвечает условиям реализации способа выявления потенций агрегативной неустойчивости коллоидных систем природного генеза в силу низкой эффективности нагревания водных сред воздухом при малой разнице температур теплоносителя и водной среды.

Устройство по патенту на полезную модель №40705, опубл. 27.09.2004 г., с целью предельного повышения чувствительности измерительного средства, выполнено по типу «ноль - индикатора» на принципе мостовой схемы в форме Т-образного СВЧ моста, предназначенного для выявления полноты (точности) параметрического соответствия исследуемых образцов жидкостей их эталонным образцам.

Однако уже одно лишь то, что целевое применение Т-образного СВЧ моста, описанного в патенте №40705, предполагает наличие эталонного образца жидкости, делает невозможным его использование в интересах выявления агрегативной неустойчивости у натуральных коллоидных систем, каждый образец которых идентичен в деталях лишь самому себе. Кроме того, получение надежного сигнала при ничтожном отклонении параметров исследуемого образца от параметров эталона в мостовой схеме, как правило, обеспечивается за счет исходного приведения в равновесие больших по амплитуде сигналов, что конфликтует с условием применения для реализации предлагаемого способа тестирующего излучения крайне низкой (заведомо нетепловой) интенсивности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу можно считать способ диагностики по патенту на изобретение №2098016, опубл. 10.12.1997 г. Способ включает формирование сигнала СВЧ-диапазона, деление его на опорный и измерительный сигнал, излучение последнего на участок объекта, прием отраженного сигнала, промодулированного сигналом низкой частоты и выделение из опорного и отраженного сигналов результирующего сигнала с последующим определением физического параметра участка объекта, по которому судят о его состоянии. Для излучения сигнала используют волновод круглого сечения, заглушенный набором диэлектрических вставок, причем, у измерительного сигнала сдвигают фазу на угол π, а у опорного на угол π/2, а по результирующему сигналу определяют величину комплексной диэлектрической проницаемости участка объекта.

Техническим результатом предлагаемого решения является возможность выявления агрегативной неустойчивости коллоидных систем природного происхождения.

Для реализации заявленного технического результата в способе выявления агрегативной неустойчивости коллоидных систем природного происхождения, включающем формирование потока электромагнитного излучения СВЧ диапазона, деление его на опорный и измерительный потоки, взаимодействие электромагнитного излучения с веществом образца коллоидной системы и выделение результата этого взаимодействия за счет совмещения его с опорным потоком, фаза которого периодически меняется на π/2, изменено функционирование измерительного потока. Измерительный поток разделяют на постоянную и тестирующую компоненту, первую из которых возвращают в волновод, а вторую гладко модифицируют по фазе в пределах 2π, добиваясь равенства амплитуды постоянной компоненты измерительного сигнала и сигнала, получаемого от дважды дистиллированной воды при температуре 37,4±0,1°C, и затем используют для тестирования образца коллоидной системы, а сигнал, излученный этим образцом в сторону волновода, поворачивают на π и векторно складывают с постоянной компонентой измерительного потока, регистрируют результат этой операции в базе данных и одновременно отображают его на фазовой плоскости через равные, наперед заданные промежутки времени по ходу дискретно извлекаемых из пробы порций свободной воды с последующим определением динамики получаемого показателя в зависимости от степени уплотнения исследуемой пробы, при этом наличие у образца коллоидной системы агрегативной неустойчивости констатируют при несовпадении кривой, построенной по результатам исследования в координатах «время - амплитуда радиус-вектора», и экспоненты, полученной в результате автоматического аппроксимирования эмпирической кривой к виду экспоненциальной функции.

Для реализации заявленного способа предложено устройство, включающее генератор СВЧ, выход которого подключен к первому плечу четырехплечного 3-х децибельного направленного ответвителя, второе плечо которого сообщено с блоком измерения и обработки данных, третье - с волноводным трактом опорного потока излучения, снабженным фазовым модулятором, а четвертое - с волноводным трактом измерительного потока излучения, притом, что оба тракта выполнены с возможностью настройки длины пути проходящего по ним излучения, а волноводный тракт измерительного потока излучения имеет, кроме того, циркулятор, соединенный последовательно через овальную диафрагму, волноводный трансформатор - замедлитель и диэлектрическую вставку с полостью рабочей кюветы, и непосредственно соединенный с фазовращателем. Отличается устройство тем, что волноводный трансформатор - замедлитель расположен на волноводном тракте на определенном расстоянии от диэлектрической вставки, соизмеримом с длиной волны рабочего излучения в волноводе, а диэлектрическая вставка, согласующая воздушную часть волновода с водным содержимым кюветы, выполнена из материала, отражающего в волновод примерно треть падающего на нее потока излучения, при этом ее толщина подобрана эмпирически с учетом того, чтобы поток излучения, исходящий из кюветы с исследуемой жидкостью, по амплитуде отличался от потока излучения, отраженного от сухой поверхности диэлектрической вставки, не более чем на 25%.

Заявленный технический результат в предлагаемом способе достигается, во-первых, за счет того, что в качестве источника полезного сигнала в нем используется дисперсионная среда, а не дисперсные частицы и, во-вторых, за счет того, что фиксируются не числовые параметры исследуемой системы, а изменение характера ее отклика на уплотнение дисперсионной среды. При этом феномен, на основании которого фиксируется эффект скачкообразного укрупнения любых ассоциатов, наполняющих собою дисперсную фазу коллоидной системы в условиях потери ею агрегативной устойчивости, состоит в изменении баланса свободных и связанных молекул воды в дисперсионной среде. Такой феномен обязательно имеет место в силу того, что суммарная поверхность ассоциатов, несущая на себе электрический заряд, которым связываются прилежащие к ней молекулы воды, всегда уменьшается при их укрупнении, освобождая от связей какое-то количество молекул воды.

где S₁, S₂, v₁, v₂ - поверхности и объемы двух исходных частиц;

S₃, v₃ - поверхность и объем суммарной частицы.

Благодаря этому, предлагаемый способ безразличен к неоднородности по размерам и составу частиц дисперсной фазы коллоидных систем природного происхождения, поскольку закономерность (1) проявляется независимо от того, какие частицы, входящие в состав тестируемой коллоидной системы, претерпевают укрупнение.

Для регистрации эффекта изменения в дисперсионной среде баланса свободных и связанных молекул воды, обусловленного укрупнением частиц дисперсной фазы, удобно использовать эмпирически найденный феномен, состоящий в разном усвоении радиоволн миллиметрового диапазона нетепловой интенсивности водными системами с разным содержанием свободных и связанных молекул воды. Согласно опыту, при прочих равных условиях, водные системы с относительно большим содержанием молекул свободной воды заметно лучше усваивают такое излучение в сравнении с аналогичными системами, содержащими преимущественно связанные молекулы воды. Причем акцент на нетепловой интенсивности применяемого излучения важен в силу того, что при нагревании воды за счет энергии поглощенного излучения доминирующими окажутся явления, сопряженные с релаксацией поглощенной энергии.

С учетом того, что агрегативная неустойчивость не присутствует у коллоидных систем организма постоянно, а возникает при изменении тех или иных внутренних условий реализации их функционального назначения в составе жидких сред живого организма, предлагаемый способ включает также моделирование динамики таковых условий в естественном диапазоне их изменений. Идея моделирования учитывает то обстоятельство, что любые изменения состава и (или) количества частиц в единице объема системы, а так же состава и количества в том же объеме разных ионов и т.п. всегда сопровождаются изменением в дисперсионной среде баланса свободных и связанных молекул воды. При этом из двух вариантов динамики содержания в дисперсионной среде молекул свободной воды (при уплотнении или разжижении коллоидной системы), для целей выявления агрегативной неустойчивости у тестируемых проб коллоидной системы актуально моделирование лишь той тенденции, при которой провоцируется укрупнение взвешенных в среде частиц с выделением в нее свободных молекул воды.

Для моделирования условий, провоцирующих в тестируемой пробе коллоидной системы проявление агрегативной неустойчивости, предлагается использовать прием ее ступенчатого уплотнения в пределах естественного диапазона изменений плотности конкретного варианта биологической жидкости (желчи, мочи и т.д.). Уплотнение предлагается проводить путем дискретного извлечения из пробы свободной воды за счет кратковременного снижения давления воздуха над ее поверхностью до максимально возможного уровня, при котором еще не происходит парообразования внутри объема жидкости, температура которой близка температуре внутренней среды человека (~37,4±0,1°С). Периоды вакуумной откачки свободной воды из тестируемой пробы должны чередоваться с периодами обретения пробой равновесного состояния. Минимальная длительность периодов пребывания проб в условиях форвакуума и нормального давления ограничивается в первом случае техническими факторами достижения заданного уровня остаточного давления, а во втором - скоростью достижения тестируемой системой стабильного состояния.

Обретение исследуемой пробой стабильного состояния на фоне восстановленного после снятия форвакуума нормального давления воздуха над ее поверхностью является необходимым и достаточным условием для начала очередной процедуры уплотнения вещества пробы путем вакуумной откачки из нее свободной воды. Протяженность отрезков времени, в течение которого исследуемая проба находится под действием форвакуума, должна быть строго одинаковой из расчета на то, что количество свободной воды, выносимой из массы тестируемой пробы при каждом следующем воздействии форвакуума, тоже будет фактически одинаковым. Тем самым, в отношении эффекта взаимодействия миллиметрового электромагнитного излучения с веществом тестируемого образца коллоидной системы, измеренного при достижении образцом стабильного состояния на фоне нормального давления воздуха над его поверхностью, создается условие, аналогичное условиям, определяющим эффект взаимодействия света с окрашенными растворами. В таких условиях, по аналогии с закономерностью, известной под названием закона Бугера-Ламберта-Бера:

С - концентрация раствора;

L - путь света;

- интенсивность света, прошедшего сквозь раствор,

в случае отсутствия агрегативной неустойчивости тестируемой пробы вещества, динамика эффекта взаимодействия с ним миллиметрового электромагнитного излучения должна иметь экспоненциальный характер. С учетом этого, кривая, построенная по результатам измерения эффекта взаимодействия миллиметрового электромагнитного излучения с веществом тестируемой пробы после изъятия из нее каждой следующей порции молекул свободной воды, должна без особенностей описываться выражением:

В случаях, когда уплотнение тестируемого образца коллоидной системы за счет изъятия из него свободной воды приводит к утрате веществом образца агрегативной устойчивости, результаты измерения эффекта взаимодействия миллиметрового электромагнитного излучения с веществом тестируемой пробы окажутся значимо выпадающими за пределы гладкой экспоненциальной кривой.

Для реализации предложенного способа требуется устройство:

1 - обладающее предельно высокой чувствительностью к изменению состояния объекта исследования при надежной защищенности измерения от механических, температурных и электромагнитых помех и устойчивости результатов измерений при стабильном состоянии объекта исследования;

2 - позволяющее контролировать текущее состояние исследуемой пробы в реальном времени при отсутствии каких-либо манипуляций с нею, сопряженных с проведением измерений, а также в отсутствии влияния тестирующего фактора на ее текущее состояние;

3 - позволяющее за счет извлечения свободной воды из вещества исследуемой пробы, не повышая в нем температуру выше 37,4±0,1°С и не проводя с ним каких-либо механических действий, произвольно провоцировать проявление в этом веществе эффекта, характерного для феномена агрегативной неустойчивости коллоидных систем и состоящего в укрупнении частиц их дисперсионной фазы;

4 - позволяющее автоматически отличать образцы исследуемых проб коллоидных систем, обладающие агрегативной устойчивостью в функциональном диапазоне их плотности, от аналогичных по генезу образцов, обладающих качеством агрегативной неустойчивости

Высокая чувствительность в предлагаемом устройстве достигается путем реализации принципа «ноль - индикатора» на базе измерительного СВЧ комплекса, в котором конструктивно обеспечена возможность волноводной настройки в условно нулевое (до уровня шума) состояние по эталонному веществу (водному бидистиляту при температуре 37,4±0,1°С). Выбор этого вещества и его температуры для настройки прибора на максимальную чувствительность к изменениям баланса свободной и связанной воды обусловлен тем, что очищенная посредством двойной дистилляции вода имеет в окрестностях названной температуры (37,4±0,1°С) минимум теплоемкости. При этом ее молекулы имеют занятыми лишь две связи с окружающими молекулами из четырех возможных. Тем самым, учитывая потенциальные возможности образования у каждой молекулы воды вдвое большего числа связей с другими молекулами (как у кристаллической воды), реализуется условие, по сути, эквивалентное равному распределению молекул на связанные и свободные, что оптимально для настройки прибора, предназначенного для наблюдения за динамикой их количественного баланса в единой жидкой системе.

Возможность настройки обеспечивается системой, состоящей из волноводного трансформатора - замедлителя и диэлектрической пластины определенной толщины, которая одновременно является дном рабочей кюветы и элементом, согласующим по волновому сопротивлению воздушную часть волновода с пространством, заполненным жидкостью, имеющей водную основу. При этом диэлектрическая пластина выполнена из материала, поверхность которого смачивается водой, но непроницаема для воды (например, из ситалла, лейкосапфира и т.п.), а толщина пластинки определяется условием теоретической возможности получения нулевого сигнала на детекторе измерительного устройства. Согласно теории, возможность получения искомого результата создается при условии векторного сложения на детекторе СВЧ сигналов от сухой поверхности диэлектрической пластины и от тестируемого образца коллоидной среды. Для этого достаточно, чтобы при использовании линейно поляризованного излучения близкого по спектру к монохроматическому, фазы обоих сигналов различались на π, а их амплитуды были практически равны. Этим же условием диктуется и требование расположения замедляющего волноводного трансформатора вблизи поверхности диэлектрической пластины на расстоянии, зависящем от длины волны рабочего излучения в волноводе так, чтобы ближний к пластине край трансформатора отстоял от нее по волноводу не далее одной длины волны.

Приведение измерительной части устройства в условно нулевое состояние или, что равносильно, его настройка, реализуется с точностью до величины шумовых флуктуаций детектируемого сигнала при условии сопоставимости по амплитуде потока излучения, возвращенного эталонной жидкостью в волновод, и потока излучения, от поверхности диэлектрической пластины, обращенной в сторону воздушной части волновода. Максимальная степень несовпадения потоков излучения, отраженных от сухой поверхности диэлектрической пластины и эталонной жидкостью, измеренных вне действия волноводного трансформатора - замедлителя, не должна превышать 25% амплитуды сигнала, измеренного при пустой кювете.

Настройка прибора реализуется путем приведения в действие волноводного трансформатора - замедлителя, активация которого позволяет изменять в пределах 2π фазу тестирующего излучения на сухой поверхности диэлектрической пластины и тем добиваться условия, при котором результат векторного сложения на детекторе потока, отраженного от этой поверхности и потока, отраженного эталонной средой, окажется близким нулю. Нижний предел приближения к нулю естественно органичен неустранимыми «шумовыми» эффектами, главным источником которых являются тепловые флуктуации всей конструкции волноводного тракта. Он определяется эмпирически в процессе настройки прибора и равен тому уровню сигнала, представленного в виде радиус-вектора на фазовой плоскости, при котором его колебания при каждом следующем измерении составят доли процента от усредненной по нескольким десяткам измерений величины модуля радиус-вектора. Причем в интересах оптимизации условий настройки прибора и поддержания равновесной температуры исследуемой водной системы в пределах 37,4±0,1°C в режиме, исключающем выход ее за верхнее значение этих пределов, кювета содержится в водяном термостате.

Водная среда в нем состоит из дистиллята, содержащего добавки, исключающие активность любых микроорганизмов и грибков, притом, что ее объем превышает объем жидкости внутри кюветы, как минимум, на три порядка, и находится в режиме принудительной циркуляции при температуре, которая поддерживается с точностью не хуже ±0,1°C. При этом за счет тысячекратного, как минимум, преобладания массы водного теплоносителя над массой водной исследуемой жидкости, создается условие, при котором нагревание этой жидкости за счет энергии теплоносителя даже на несколько градусов от более низкой температуры до рабочего состояния (то есть, до температуры 37,4±0,1°C) фактически останется незамеченным теплоносителем. Точнее говоря, даже скачкообразная (возможная лишь гипотетически) потеря энергии до 50 Дж, приведет к изменению температуры теплоносителя в пределах на два порядка меньших в сравнении с установленной точностью поддержания его температуры в пределах ±0,1°C. К тому же, отклик системы термостабилизации исследуемого вещества на изменение его температуры оказывается в таких условиях максимально быстрым и адекватным по факту отсутствия эффектов перерегулирования.

Блок-схема предлагаемого устройства в целом представлена на рис. 1

Устройство включает: измерительный СВЧ блок (1), выделенный на схеме пунктиром, соединенный с кюветой (2) из нержавеющей стали так, чтобы ее полость, содержащая жидкое вещество, составляла часть общего с измерительным блоком волноводного тракта. СВЧ блок связан с блоком обработки данных (3), выход которого подключен ко входу ПК (4), связанного с электронным блоком управления (5). Кроме того, измерительный СВЧ блок (1) связан с электронным блоком управления (5) и с воздушным термоблоком (8), а кювета (2) связана с термоблоком (9), в котором теплоносителем является вода. При этом полость кюветы (2) подключена через уловитель водяного пара (10), снабженный системой реабилитации (11) к источнику вакуума (7), который получает команды от блока управления (5) и питается от силового блока (6), связанного с системой реабилитации (11) уловителя водяного пара и получающего управляющие команды от электронного блока управления (5).

Измерительный СВЧ блок смонтирован на основе 3x децибельного направленного ответвителя (13), к одному из плеч которого через волноводный вентиль (14) подключен СВЧ генератор (12), имеющий кварцевый стабилизатор частоты (15). Ко второму входу ответвителя через волноводный вентиль (16) подключен квадратичный детектор (17), а третий вход ответвителя вместе с присоединенным к нему фазовым модулятором (18), снабженным короткозамыкающим поршнем (19), образует собою волноводный тракт опорного сигнала. Четвертый вход ответвителя, к которому подключены циркулятор (20), соединенный с фазовращателем (21), снабженным короткозамыкающим поршнем (22), и участок волновода, оборудованный овальной диафрагмой (23) и волноводным трансформатором - замедлителем (24), соединенный через диэлектрическую вставку (25) с полостью кюветы (2), образует собой измерительный тракт. При этом в тракте опорного сигнала его фаза меняется фазовым модулятором (18) с заданной частотой на π/2, а в измерительном тракте фаза сигнала, исходящего из образца исследуемой среды, тоже с заданной частотой меняется на π фазовращателем (21). Причем за счет изменения положения короткозамыкающих поршней (19 и 22, соответственно) фазу в обоих трактах можно менять на указанную величину, как в плюс, так и в минус.

Заявленный способ реализуется при работе устройства следующим образом. После установления заданного температурного режима в СВЧ блоке и в кювете с помещенной в нее пробой исследуемой коллоидной среды, о чем сообщает следящая система управления, устройство, предварительно настроенное по эталонному веществу, готово к проведению исследования. В процессе измерений поток электромагнитных колебаний от генератора (12) поступает через волноводный вентиль (14) на первый вход 3x децибельного направленного ответвителя (13). В нем исходный поток электромагнитных колебаний делится на два равных по величине потока, один из которых направляется в тракт опорного сигнала через третий вход ответвитетя, а другой - в измерительный тракт через четвертый вход ответвителя. В тракте опорного сигнала поток электромагнитных колебаний претерпевает фазовую модуляцию, в результате которой его фаза с заданной частотой изменяется на π/2, и далее через третий же вход ответвителя возвращается в него, разделяясь на два равных по величине потока. Один из них через второй вход ответвителя поступает, пройдя через волноводный вентиль (16), на квадратичный детектор (17), а другой, поступивший на первый вход ответвителя, гасится в волноводном вентиле (14). В измерительном тракте поток электромагнитных колебаний, пройдя по циркулятору (20), проходит далее овальную диафрагму (23) и участок волновода, оборудованный волноводным трансформатором - замедлителем (24), частично отражаясь от поверхности диэлектрической вставки (25) преодолевает ее оставшейся частью и попадает в полость кюветы, содержащую исследуемую жидкую среду, с которой взаимодействует. В результате его взаимодействия с исследуемой средой формируется обратный поток электромагнитных колебаний той же частоты, который, преодолев диэлектрическую вставку (25), проходит через волноводный трансформатор - замедлитель (24) и овальную диафрагму (23) до циркулятора (20). Пройдя по циркулятору, поток электромагнитных колебаний, излученных исследуемой жидкой средой, достигает фазовращателя (21), на котором меняет фазу на π относительно состояния, которое имел до попадания на фазовращатель. После фазовращателя этот поток проникает в волноводный ответвитель через его четвертый вход и делится надвое, одной своей половиной направляясь в сторону генератора (12), где гасится на волноводном вентиле (14), а другой половиной достигает детектора (17), пройдя волноводный вентиль (16). На детекторе происходит его векторное сложение с той частью потока колебаний, которая отразилась от сухой поверхности диэлектрической вставки, а результат сложения поступает в форме электрического сигнала на электронный блок обработки данных и далее на ПК (позиции 3 и 4, соответственно). При этом СВЧ блок работает в непрерывном режиме, а данные с его детектора считываются с программно заданной периодичностью на протяжении всего исследования конкретной пробы. Массив данных, полученных в ходе одного исследования, обрабатывается на ПК в реальном времени, а результаты этой обработки, так же, как и массив первичных данных, отправляются в соответствующие архивы.

По результатам измерений, полученных в состоянии стабилизации вещества пробы после вакуумного удаления из нее каждой следующей порции молекул свободной воды, автоматически строится функциональная зависимость в координатах: «время - амплитуда радиус-вектора», которая далее, так же автоматически, сравнивается с результатом ее аппроксимирования к виду экспоненциальной функции. При этом в случаях, когда кривая, построенная по результатам исследования, поточечно хорошо совпадает с теоретической кривой, исследованная проба считается агрегативно устойчивой. В тех же случаях, когда эмпирическая кривая в одной или нескольких точках статистически значимо не совпадает с теоретической кривой, автоматически делается вывод о наличии у исследованной среды потенций агрегативной неустойчивости и называются условия ее уплотнения, при которых вероятность агрегативных изменений превышает априори заданный предел.

Исследования, проведенные на образцах мочи, взятых у здоровых людей, а также, у пациентов урологических клиник, не страдающих мочекаменной болезнью, показали, что, по мере относительного увеличения в образцах доли связанных молекул воды, за крайне редким исключением, имеет место монотонный рост величины исходящего от них сигнала. При этом тенденция нарастания величины сигнала, исходящего от образцов мочи и представленного в форме радиус-вектора на фазовой плоскости, хорошо совпадает с графиком функции вида Y=С⋅exp (kX). Такой результат соответствует теоретическим представлениям о поведении агрегативно устойчивых систем в предъявленных условиях и вторит результатам, получаемым при использовании в качестве исследуемой жидкой среды истинных заведомо устойчивых растворов сильных электролитов (KCl; NaCl) при их исходной плотности не более 1,01.

В тех же случаях, когда исследованиям подвергались образцы мочи, взятой у людей, страдающих мочекаменной болезнью, эмпирические кривые зачастую (примерно 40% проб) имели в одной или нескольких точках различные по рисунку, но всегда статистически значимые отклонения от теоретической кривой. При этом общим для всех вариантов отклонений, многообразие которых соответствует естественной вариативности текущего состава мочи и мочевых камней, является признак быстро протекающего (порядка 1-2 минут) события, после которого система переходит в новое, квазистабильное состояние.

Таким образом, на основании результатов проведенных исследований одного из наиболее доступных вариантов жидких сред живого организма, есть основания полагать, что заявляемые способ и устройство для его реализации являются адекватными для изучения натуральных коллоидных систем вообще, на предмет выявления потенций их агрегативной неустойчивости.

Использование заявляемых способа и устройства, во-первых, открывает перспективу прямого экспериментального изучения функциональной организации внутренней среды живых организмов, которая вплоть до настоящего времени изучается преимущественно статистическими методами, основу которых составляют сведения о широте коридоров референтных значений компонент, ее наполняющих. Во-вторых, позволяет приступить к изучению всех вариантов внутренней патологии, обусловленной выделением твердой фазы в функционально жидкой среде (мочекаменная и желчно-каменная болезни, атеросклероз и т.д.) посредством инструментального определения именно того качества жидких сред организма, при появлении которого формируется стойкое нарушение их функциональной организации. В-третьих, на основе организации мониторинга соответствующих жидких сред организма с использованием лабораторного оборудования, созданного на основе заявляемых способа и устройства, открывается возможность построить профилактику целого ряда хронических внутренних болезней на новом, реально научном уровне.

Изобретение относится преимущественно к области физической химии и биофизикии, может быть использовано в медицине, а также биологии и физиологии человека и животных. Способ включает формирование сигнала СВЧ диапазона, деление его на опорный и измерительный сигнал, разделяемый на постоянную и тестирующую компоненты таким образом, чтобы амплитуда постоянной компоненты составляла примерно 1/3 амплитуды измерительного сигнала. При этом фаза опорного сигнала сдвигается с заданной частотой на π/2; постоянная компонента возвращается в сторону детектора, а тестирующая компонента излучается через согласующую диэлектрическую вставку в исследуемую коллоидную среду и далее реализуется прием на детекторе излученного ею сигнала, промодулированного сигналом низкой частоты. При этом толщина диэлектрической вставки подбирается так, чтобы при условии поворота фазы сигнала от эталонной жидкости (водного бидистиллята при температуре 37,4±0,1°C) на π векторная сумма его амплитуды и амплитуды постоянной компоненты могла быть сведена к нулю путем сдвига фазы тестирующей компоненты на волноводном трансформаторе-замедлителе. Исследование эффекта взаимодействия тестирующего излучения с веществом образца коллоидной среды проводится на фоне уплотнения этого вещества путем принудительного извлечения из него свободной воды в отсутствие дополнительного нагревания этого вещества, а наличие у него потенций агрегативной неустойчивости определяется по отклонениям эмпирических результатов от теоретической кривой. Также представлено устройство для реализации вышеуказанного способа. Достигается возможность выявления агрегативной неустойчивости коллоидных систем природного происхождения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ выявления агрегативной неустойчивости коллоидных систем природного происхождения, включающий формирование потока электромагнитного излучения СВЧ диапазона, деление его на опорный и измерительный потоки, взаимодействие электромагнитного излучения с веществом образца коллоидной системы и выделение результата этого взаимодействия за счет совмещения его с опорным потоком, фаза которого периодически меняется на π/2, отличающийся тем, что измерительный поток разделяют на постоянную и тестирующую компоненту, первую из которых возвращают в волновод, а вторую гладко модифицируют по фазе в пределах 2π, добиваясь равенства амплитуды постоянной компоненты измерительного сигнала и сигнала, получаемого от дважды дистиллированной воды при температуре 37,4±0,1°С, и затем используют для тестирования образца коллоидной системы, а сигнал, излученный этим образцом в сторону волновода, поворачивают на π и векторно складывают с постоянной компонентой измерительного потока, регистрируют результат этой операции в базе данных и одновременно отображают его на фазовой плоскости через равные, наперед заданные промежутки времени по ходу дискретно извлекаемых из пробы порций свободной воды с последующим определением характера динамики получаемого показателя в зависимости от степени уплотнения исследуемой пробы, при этом наличие у образца коллоидной системы агрегативной неустойчивости констатируют при несовпадении кривой, построенной по результатам исследования в координатах «время - амплитуда радиус-вектора», и экспоненты, полученной в результате автоматического аппроксимирования эмпирической кривой к виду экспоненциальной функции,

2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее генератор СВЧ, выход которого подключен к первому плечу четырехплечного 3-децибельного направленного ответвителя, второе плечо которого сообщено с блоком измерения и обработки данных, третье - с волноводным трактом опорного потока излучения, снабженным фазовым модулятором, а четвертое - с волноводным трактом измерительного потока излучения, при этом оба тракта выполнены с возможностью настройки длины пути проходящего по ним излучения, а волноводный тракт измерительного потока излучения содержит циркулятор, соединенный последовательно через овальную диафрагму и согласующую диэлектрическую вставку с полостью рабочей кюветы, и непосредственно соединен с фазовращателем, отличающееся тем, что тракт измерительного сигнала дополнен волноводным трансформатором - замедлителем, расположенным на волноводном тракте на определенном расстоянии от диэлектрической вставки, соизмеримом с длиной волны рабочего излучения в волноводе, а диэлектрическая вставка, согласующая воздушную часть волновода с водным содержимым кюветы, выполнена из материала, отражающего в волновод не менее трети падающего на нее потока излучения, при этом ее толщина подобрана с возможностью получения потока излучения, исходящего из кюветы с исследуемой жидкостью, отличающегося по амплитуде от потока излучения, отраженного от сухой поверхности диэлектрической вставки, не более чем на 25%.