Примеры практического применения ультразвукового свечения жидкостей

Параметры, характеризующие особенности УЗ свечения жидкостей, зависят от их физико-химических свойств: поверхностного натяжения, давления насыщающих паров, природы и концентрации растворенных в жидкости веществ и т. д. Поэтому оказывается возможным использовать УЗ свечение для изучения процессов, сопровождающихся изменениями этих свойств.

Чувствительность УЗ свечения к изменению различных параметров жидкостей делает явление сонолюминесценции, с одной стороны, весьма ценным, но с другой — несколько осложняет его применение. Часто бывает не совсем ясно, какие именно изменения в жидкостях в данном конкретном случае обусловили наблюдаемые в опыте изменения интенсивности и порога возникновения УЗ свечения. Однако во многих случаях применение методов, основанных на измерении сонолюминесценции, может оказаться полезным, особенно когда требуется проследить кинетику изменения одного параметра или когда УЗ свечение используется в комплексе с другими методами.

Приведем несколько примеров применения метода УЗ свечения.

1. Интенсивность УЗ люминесценции сильно зависит от содержания в растворе молекул газов: С02, СО, Н2 и некоторых других. Поэтому метод УЗ свечения может быть использован для исследования кинетики химических и биохимических реакций и микробиологических процессов, сопровождающихся выделением этих газов. Интенсивность УЗ свечения линейно зависит от концентрации газов, что облегчает интерпретацию экспериментальных данных1.

Интенсивность сонолюминесценции можно непосредственно использовать для характеристики кинетики поглощения газов жидкостью, если газ не вступает в химическое взаимодействие с данной жидкостью[1] [2]. Для этого кавитирующую в УЗ поле жидкость дегазируют вакуумированием, после чего заполняют пространство над жидкостью исследуемым газом. Временной интервал между последней операцией и возникновением свечения, а также скорость его нарастания при растворении в воде гелия 4, азота 3, аргона 1, кислорода 2 (рис. 4.8) коррелирует с константами скоростей растворения данных газов. Сонолюминесценция раньше всего появляется у быстро растворяющегося гелия.

Кинетические кривые для разных газов различаются столь значительно, что не остается сомнения в особенностях кинетики растворения каждого газа.

Кинетика сонолюминесценции при поглощении газов водой

Рис. 4.8. Кинетика сонолюминесценции при поглощении газов водой

от 20 до 760 мм Нд при непрерывном воздействии ультразвука 0,8 Вт-см-2, частоте 880 кГц. Газы:

1 Аг; 2 — 02; 3 N2; 4 — Не

Возможность непрерывной регистрации процесса и отсутствие необходимости определения остатков непоглощенного газа выгодно отличают данный способ от существующих методов газоанализа.

2. Этот метод может быть использован для изучения кинетики реакций, сопровождающихся образованием летучих веществ, изменяющих интенсивность УЗ свечения, а также для измерения их концентрации в растворах.

На рис. 4.9 приведена кривая зависимости изменения интенсивности УЗ свечения водных растворов от концентрации ацетона. Аналогичные зависимости для спирта и эфира приведены ранее (см. главу 2).

Связь интенсивности УЗ свечения жидкостей с поверхностным натяжением и вязкостью позволяет исследовать некоторые процессы, при которых меняются эти параметры.

3. Интенсивность УЗ свечения не всегда связана с коэффициентом поверхностного натяжения простой зависимостью, однако предварительный подбор условий часто позволяет работать в области, где зависимость свечения от коэффициента поверхностного натяжения линейна (см. главу 2).

Ультразвуковое свечение водных растворов ацетона различной концентрации. Интенсивность ультразвука, Вт*см~

Рис. 4.9. Ультразвуковое свечение водных растворов ацетона различной концентрации. Интенсивность ультразвука, Вт*см~2:

1 — 0,6; 2 — 1,0; 3 — 1,5; 4 — 2,0

Увеличение вязкости растворов приводит к экспоненциальному (в первом приближении) уменьшению интенсивности УЗ свечения (рис. 4.10).

Зависимость интенсивности УЗ свечения растворов сахарозы от их вязкости

Рис. 4.10. Зависимость интенсивности УЗ свечения растворов сахарозы от их вязкости

Иногда удобнее пользоваться зависимостью порога возникновения свечения от вязкости раствора. Как следует из рис. 4.11, на котором приведена такая зависимость для раствора глицерина, порог возникновения УЗ свечения линейно увеличивается с возрастанием вязкости1.

4. Совпадение экстремумов на политермах УЗ свечения воды с температурами, при которых, согласно Дрост-Хансену, происходят изменения в структуре граничных слоев воды (см. главу 2), позволяет предположить, что метод УЗ свечения может быть использован для изучения структурных особенностей жидкостей.

Зависимость порога возникновения УЗ свечения водных растворов глицерина от их вязкости

Рис. 4.11. Зависимость порога возникновения УЗ свечения водных растворов глицерина от их вязкости

Это предположение подтверждается различиями в политермах свечения Н20, D20 и водных растворов ПАВ, а также наличием корреляции между интенсивностью УЗ свечения водно-солевых растворов различных концентраций и степенью деструктурирующего действия присутствующих в растворе ионов.

5. Особый интерес представляет метод УЗ свечения в качестве диагностического теста. Очевидно, его значение не меньше ценности спонтанной хемилюминесценции сыворотки крови в диагностике1 [3] [4]. Его можно использовать для идентификации патологий, сопровождающихся выбросом в кровь, мочу или лимфу различных веществ, обладающих высоким давлением насыщающих паров, изменяющих их вязкость или поверхностное натяжение.

Ультразвуковое свечение сыворотки крови наиболее полно изучено в области 360...620 нм. Попытки выяснить, каким компонентом сыворотки определяется ее УЗ свечение, привели к пониманию того, что спектр УЗ свечения сыворотки крови в основном совпадает со спектром УЗ свечения дистиллированной воды, находящейся в контакте с воздухом.

Однако если спектры УЗ свечения воды и сыворотки крови в видимой области спектра в основном совпадают, то интенсивность свечения сыворотки значительно ниже интенсивности свечения воды1.

Сонолюминесценция сыворотки крови фиксируется начиная с интенсивностей 0,4...0,6 Вт-см-2. С 0,6 Вт-см-2 проявляется и увеличение собственного сверхслабого свечения (послесвечение) сыворотки крови после прекращения воздействия ультразвука (табл. 4.1).

Позже сонолюминесценцию сыворотки крови человека наблюдали L. М. Eastwood, D. I. Watmough[5] [6]. Они исследовали свечение при действии ультразвука с частотой 0,75... 1,5 МГц в интервале интенсивностей 0,1...2,0 Вт-см-2. Авторы показали, что порог возникновения сонолюминесценции в сыворотке при постоянном режиме УЗ воздействия лежит в области 0,75 Вт*см~[6].

Привлекают интерес работы Вербанова с соавторами (Н. С. Вербанов и др. 1979), в которых они указывают на существенные различия в порогах сонолюминесценции воды, зарегистрированные ими и А. И. Журавлевым с О. П. Цвылевы (1968). Вербанов с соавторами утверждают, что сонолюминесценция сыворотки крови измерена ими впервые, хотя она описана в работах Р. Ф. Певневой (1969) и А. И. Журавлева, Р. Ф. Певневой (1972), Schurawlew (1973).

Изменения УЗ свечения сыворотки крови при экстремальных состояниях у животных показали Н. С. Вербанов и др.[8], исследуя влияние пятиминутной клинической смерти на сонолюминесценцию сыворотки крови собак.

Зависимость УЗ свечения сыворотки бычьей крови от интенсивности ультразвука, имп/с

Таблица 4.1

Показатель

Значения

Интенсивность ультразвука, Вт-см-2

0,1

0,2

0,3

0,4

0,6

0.8

1,0

1.2

1,4

1,6

УЗ свечение, имп/с.

35

77

60

217

186

337

1510

2903

155 000

427 000

Послесвечение после прекращений действия ультразвука, имп/с

35

70

56

40

172

104

145

110

178

134

Спонтанная сверхслабая биохемилюминесценция исследуемых образцов сыворотки, имп/с

36

41

71

67

87

81

35

83

57

40

УЗ свечение воды, имп/с

2480

6030

8040

Для этой цели животных подвергали гексеналовому наркозу путем парентерального введения морфия и гексенала. С целью предупреждения свертываемости крови животным предварительно вводили гепарин (500 ЕД на килограмм массы животного). Пятиминутную клиническую смерть вызывали острой массивной кровопотерей на фоне гексеналового наркоза. Оживление осуществляли по методу В. А. Неговского и сотрудников с вливанием животным их собственной крови и специальным массажем[9].

Для исследования УЗ свечения в качестве исходной брали сыворотку крови наркотизированной собаки до клинической смерти. Далее исследовали свечение сыворотки крови животных под действием ультразвука с частотой 0,88 МГц и интенсивностью 0,8 Вт-см~2 в различные сроки постреанимационного периода (через 30, 90 мин., 6 и 24 ч после оживления).

Кинетика УЗ свечения сыворотки крови наркотизированных животных до клинической смерти имеет явно выраженный двухстадийный характер: вначале свечение практически мгновенно достигает стационарного уровня. Однако, стационарный уровень УЗ свечения наблюдается около 3 мин., после чего интенсивность УЗ свечения быстро падает почти до нуля и длительное время находится на этом очень низком уровне (рис. 4.12).

Необходимо отметить, что характер УЗ свечения сыворотки крови собак, находившихся в состоянии гексеналового наркоза и принятый за исходный, значительно отличаются от УЗ свечения воды. Так, при тех же экспериментальных условиях интенсивность УЗ свечения сыворотки приблизительно в 10 раз меньше, чем свечение воды. Отличалась при этом и форма кинетической кривой УЗ свечения. Для воды она лишь через некоторое время достигала стационарного уровня и оставалась неизменной до конца облучения ультразвуком. В контрольных опытах на наркотизированных собаках (без кровопотери и без клинической смерти) показано, что длительность наркоза не оказывает заметного влияния на кинетику УЗ свечения сыворотки. Кинетические кривые оказались практически одинаковыми для собак, находившихся под наркозом 30 и 9 мин., 6 и 24 ч (см. рис. 4.12).

Кинетика УЗ свечения сыворотки крови собак в различные сроки постреанимационного периода

Рис. 4.12. Кинетика УЗ свечения сыворотки крови собак в различные сроки постреанимационного периода (2) с характерными ее срывами (3); сыворотки крови контрольных собак, находившихся различное время под гексеналовым наркозом (7):

а — 30 мин.; б — 90 мин.; в — 6 ч; г — 24 ч

Кинетика УЗ свечения сыворотки крови собак в постреанимационном периоде через 30, 60 мин., 6 и 24 ч после оживления также имеет две стадии: а) быстрый выход на стационарный уровень; б) снижение через 2...4 мин. с переходом на более низкий уровень (см. рис. 4.12, а, кривые 2, 3).

Вместе с тем наблюдается существенное УЗ свечение сыворотки реанимированных собак:

  • 1) через 30 мин. после оживления средний стационарный уровень УЗ свечения был в 2 раза ниже исходного у наркотизированных собак. По мере восстановления животного, через 90 мин. и 6 ч, стационарный уровень УЗ свечения увеличивался, приближаясь к исходному уровню УЗ свечения у наркотизированных собак;
  • 2) через 30 мин. после оживления уровень УЗ свечения составлял лишь 60 % от стационарного уровня. Кроме того, в фазе снижения появлялись срывы свечения — его появление и исчезновение с частотой 1...9 Гц.

По мере восстановления животного эти особенности постепенно исчезали. Так, через 90 мин. уровень УЗ свечения составлял 50 %, через 6 ч — 30 %, через 24 ч — 10 % от начального стационарного уровня.

Частота срывов также уменьшалась и была равна через 90 мин. 4/5 Гц, через 6 ч — 2/3 Гц, через 24 ч — 1/2 Гц. Иными словами, по мере восстановления реанимированных животных кинетика УЗ свечения сыворотки их крови приближалась к кинетике исходных наркотизированных собак.

В некоторых случаях для относительно высоких интенсивностей ультразвука (0,8.. .2,0 Вт-см~[10] [8]) можно объяснить эти «срывы» как следствие появления и исчезновения стоячих волн за счет колебаний поверхности жидкости1, либо за счет нагрева[8].

Хотя причины срывов и изменения интенсивности УЗ свечения в настоящее время полностью не идентифицированы, эти эффекты могут быть использованы как количественные критерии, отражающие нормализацию свойств крови после некоторых экстремальных воздействий на организм. Однако обычные методы измерения интенсивности свечения не всегда пригодны в медицинских целях, так как требуют довольно больших объемов жидкости. Необходим микрометод, поскольку кровь и лимфа могут быть взяты у человека или животного лишь в ограниченном количестве.

А. М. Ярош, А. И. Журавлев и Т. А. Аджимолаев предложили измерять интенсивность свечения капли исследуемой жидкости, помещенной на поверхность УЗ излучателя[13]. Так же как

УЗ свечение воды в кювете зависит от уровня воды, свечение капли на УЗ излучателе зависит от объема капли и характеризуется максимумами при 0,2; 0,25; 0,3 см3 при частоте 880 кГц. Наиболее удобной оказалась капля объемом 0,25 см3. При больших объемах капли скатываются с излучателя ультразвука, при меньших — их объем трудно дозировать.

Свечение в капле возникает при весьма низких интенсивностях излучения ультразвука. А. М. Ярош (1974) полагает, что пороговые интенсивности ультразвука (частота 880 кГц), при которых может наблюдаться свечение воды в капле, лежат в области 0,01 Вт-см-2. Увеличение интенсивности ультразвука до 0,05 Вт-см-2 сопровождается монотонным возрастанием интенсивности свечения.

При больших интенсивностях (до 0,2 Вт-см-2) поверхность капли заметно колеблется, и свечение становится нестабильным.

Интенсивности ультразвука, превышающие 0,2 Вт-см-2, приводят к возникновению кавитации, сопровождающейся характерным шумом, и фонтанированию жидкости с поверхности капли.

Сыворотка крови в капле, так же как и в объеме, начинает светиться при более высоких интенсивностях ультразвука, чем вода. Порог возникновения свечения для сыворотки в капле 0,01Вт-см"2 и интенсивность свечения нарастает с увеличением интенсивности ультразвука гораздо медленнее, чем у воды. Предполагалось, что такие различия могут быть обусловлены более высокой, чем у воды, вязкостью сыворотки крови (1,4 сП). Однако модельные опыты на растворах сахарозы, имеющей сходные с сывороткой показатели вязкости, обнаружили более, низкую способность светиться под влиянием ультразвука. Так, 0,8 М раствор сахарозы, вязкость которого равна 1,4 сП, при прочих равных условиях светится почти на порядок слабее сыворотки крови.

Добавление в сыворотку крови небольших количеств этилового спирта или нембутала заметно меняет интенсивность УЗ свечения. Характер этих изменений зависит от концентрации добавленных анестетиков и интенсивности ультразвука.

Однако в целом зависимость интенсивности УЗ свечения от концентрации спирта и нембутала в капле практически такая же, как и в объеме (рис. 4.13).

Сравнение концентрационных зависимостей свечения растворов анестетиков в кювете и капле обнаруживает, что эти зависимости (см. главу 3) характеризуется экстремальными значениями при малых концентрациях. Эти экстремумы наиболее выражены при низких интенсивностях ультразвука. Увеличение интенсивности УЗ колебаний приводит к сглаживанию кривых зависимостей интенсивностей свечения от концентрации.

Сонолюминесценция сыворотки крови в капле, содержащей небольшие количества нембутала. Интенсивность ультразвука, Втсм

Рис. 4.13. Сонолюминесценция сыворотки крови в капле, содержащей небольшие количества нембутала. Интенсивность ультразвука, Втсм-2:

1 —0,2; 2 — 0,4

Чувствительность УЗ свечения сыворотки крови при добавках весьма малых количеств посторонних веществ делает этот метод перспективным для применения в диагностических целях. Действительно, любые изменения в организме приводят к появлению в крови тех или иных веществ, многие из которых должны менять характер УЗ свечения плазмы и сыворотки. Для примера приведем результаты сравнительного исследования свечения в капле сывороток донорской крови беременных женщин, приведенные А. М. Ярошем. Как и в случае растворов анестетиков, наибольшие различия наблюдаются при действии малых интенсивностей ультразвука (табл. 4.2)[14].

Каковы же причины изменения интенсивности УЗ свечения биологических жидкостей и растворов различных веществ в капле?

Сравнивая условия возникновения УЗ свечения в капле и кювете, отметим: средние плотности энергии УЗ, вызывающие возникновение свечения в капле, в 5 раз ниже, чем в кювете. Очевидно, такое различие обусловлено различной геометрией облучаемой ультразвуком среды. В капле, сферическая поверхность которой может играть роль отражателя и фокусирующего концентратора, нет равномерного распределения энергии по объему и, видимо, создаются условия для возникновения областей с высокой локальной плотностью акустической энергии. Условия фокусировки энергии в капле должны зависеть от формы — кривизны поверхности этой капли (в свою очередь, зависящей от краевого угла, иными словами, способности исследуемой среды смачивать поверхность УЗ излучателя) и меняются при изменении поверхностного натяжения исследуемой жидкости (рис. 4.14)

Таблица 4.2

Интенсивность УЗ свечения сыворотки доноров (контроль) и беременных женщин

Интенсивность излуче- ния ультра- звука, Вт-см-2

Средняя интенсивность свечения, имп/с

Р

Отношение свечения плазмы беременных и доноров

доноры

беременные

0,01

165 ± 14

225 ± 12

0,01

1,36

0,03

395 ± 24

510 ± 23

0,01

1,24

0,05

910 ± 35

ИЗО ± 30

0,01

1,24

Зависимость интенсивности сонолюминесценции раствора ПАВ в капле от концентрации ПАВ

Рис. 4.14. Зависимость интенсивности сонолюминесценции раствора ПАВ в капле от концентрации ПАВ

Наиболее явно влияние кривизны поверхности капли на интенсивность свечения должно проявляться при малых интенсивностях ультразвука, практически не деформирующих поверхность жидкости.

Таким образом, кроме тех факторов, которые влияют на интенсивность УЗ свечения воды в кювете (интенсивность и частота ультразвука, вязкость, давление насыщающих паров, поверхностное натяжение жидкости и т. д.), в капле мы имеем зависимость интенсивности свечения от радиуса кривизны поверхности капли, которая, в свою очередь, зависит от поверхностного натяжения (и, следовательно, от концентрации детергентов). Видимо, именно влиянием поверхностного натяжения может быть обусловлено изменение свечения в каплях плазм крови (и других биологических жидкостях), помещенных на поверхность УЗ излучателя.

Действительно, сравнивая приведенные выше данные по свечению сыворотки крови доноров и беременных женщин с результатами клинического анализа крови, А. М. Ярош (1975) показал, что основные изменения приходятся на белки, обладающие, как известно, поверхностной активностью. Меняется также содержание и других веществ, но, видимо, не столь сильно, чтобы заметно изменить интенсивность УЗ свечения. Так, в сыворотке крови беременных уже в начальные сроки снижается содержание свободных аминокислот1, концентрация кальция, магния, хлора, фосфора практически не меняется, тогда как содержание, натрия заметно, увеличивается (от 278 мг % у небеременных до 317 мг % на 6...12-й и до 303 мг % на 13... 20-й неделях беременности)[15] [16]. Вязкость цельной крови несколько снижается, но это снижение обусловлено скорее уменьшением концентрации и размеров эритроцитов, чем уменьшением вязкости сыворотки[17]. Наиболее значительные изменения при практически постоянном количестве общего белка испытывает соотношение альбуминов и глобулинов1. Содержание глобулинов при этом возрастает (от 2,7 г % у небеременных до 3,1 г % на 13...20-й неделях беременности), а содержание альбуминов уменьшается (с 5,4 г % у небеременных до 5,1 г % на 6... 12-й и до 4,7 г % на 13...20-й неделях беременности).

Натрий и калий в тех концентрациях, в которых они находятся в крови, практически не влияют на интенсивность УЗ свечения воды. Не может, очевидно, повлиять на интенсивность свечения сыворотки и небольшое увеличение содержание калия и уменьшение натрия. Мала вероятность изменения интенсивности свечения плазмы за счет свободных аминокислот, содержащихся в крови в концентрациях 1...3-1СИ. В гораздо больших концентрациях аминокислоты почти не меняют интенсивности УЗ свечения воды[18] [19]. Одновременное понижение концентрации альбуминов и повышение концентрации глобулярных белков крови должно привести к небольшому увеличению вязкости и, соответственно, к уменьшению интенсивности ее свечения, однако этот эффект перекрывается увеличением поверхностного натяжения, так как альбумины в силу своих структурных особенностей обладают большей поверхностной активностью, чем глобулины. Видимо, именно увеличением поверхностного натяжения и обусловлена большая, чем у доноров, интенсивность УЗ люминесценции сыворотки крови у беременных женщин.

Использование УЗ свечения, как критерия кавитации в тканях животных и растений. Ультразвуковое свечение животной ткани — кожи крыс была обнаружена О. П. Цвылевым и А. И. Журавлевым (1969).

Предварительно было показано, что внутренняя сторона свежеотпрепарированной, изолированной кожи крыс спонтанно, без каких-либо воздействий на воздухе в темноте хемилю- минесцирует в видимой области спектра при 20 °С с интенсивностью 7...8 имп/с.

При увеличении температуры в интервале 20...70°С эта сверхслабая биохемилюминесценция усиливалась равномерно, приблизительно в 3 раза на каждые 10 °С, и при 30 °С ее интенсивность составляла 14... 15 имп/с.

Воздействие ультразвуком интенсивностью 1,2 Вт-см~[20] [5] [22] [23] [24] проводили с внешней стороны кожи. Одновременно во время облучения с внутренней стороны со стороны подкожной жировой клетчатки измеряли УЗ свечение. Было показано усиление (четырехкратное) свечения кожи при 30°С с 15 до 60...80 имп/с. Интенсивность УЗ свечения в 4 раза превышала интенсивность спонтанной биохемилюминесценции кожи. После прекращения действия ультразвука, наблюдалось послесвечение.

Механизм усиления, очевидно, довольно сложен, так как часть прироста биохемилюминесценции снижалась постепенно и достигала исходного уровня в течение 20...30 мин. Генерация в тканях и крови под влиянием ультразвука электронных возбужденных состояний может быть одним из механизмов биологического действия ультразвука1.

Ультразвуковое свечение сыворотки крови определяется в объеме уже при 0,4...0,6 Вт-см-22 и в капле — при 0,1 Вт-см-23.

Эти сонолюминесцентные критерии порогов возникновения кавитации в тканях согласуются с другими критериями возникновения кавитации. Так, на тонких срезах тканей печени и других органов гистологически обнаруживаются «дырки» уже при 1=1 Вт-см"[5]. Возникновение слабого шума на частоте первой субгармоники (А/2) фиксируется в тканях также при 1=1 Вт-см-2 5.

Гаврилов Л. Р. экспериментально по возникновению характерного шума определил, что пороги кавитации в биологических тканях для фокусированного ультразвука всего в 1,5.. .2 раза выше, чем в отстоявшейся водопроводной воде[26]. Если это соотношение соблюдается и для плоской УЗ волны, учитывая, что теоретический порог кавитации в воде ~ 0,3 Вт-см~21, то следует ожидать кавитацию в крови и в тканях при 0,6 Вт-см-2.

В. Б. Акопян (1989, 1983) оценил пороги УЗ кавитации по УЗ свечению, а также по образованию пероксида водорода в растительной ткани. Он исходил из того, что пероксид водорода, а также образующиеся свободные ЮН-радикалы при взаимодействии с люминолом дают характерное свечение — хемилюминесценцию. Для уменьшения потерь излучения, за счет самопоглощения света тканью исследование проводили с относительно оптически прозрачной тканью клубня картофеля[27] [28].

Клубень картофеля нарезали на микротоме пластинками 0,05...0,25 см и часть из них в течение 5 ч вымачивали в растворе люминола (100 мл воды, 50 мг СаС03, 5 мг люминола). Эти пластинки притирали к смоченной поверхности головки медицинского генератора Т-5 и подвергали действию ультразвука в интервале 0,05...2,0 Вт-см-2 при частоте 0,9 МГц. При высотах пластинок картофеля h = Х/4, в образцах возникала стоячая волна (рис. 4.15)

Периодичность изменения интенсивности УЗ свечения среза ткани клубня картофеля в зависимости от его толщины. Интенсивность ультразвука 0,8 Вт-см" при частоте 880 кГц

Рис. 4.15. Периодичность изменения интенсивности УЗ свечения среза ткани клубня картофеля в зависимости от его толщины. Интенсивность ультразвука 0,8 Вт-см"2 при частоте 880 кГц

В связи с этим понятием интенсивности можно пользоваться условно, как величиной, пропорциональной излучаемой энергии (см. главу 2). Наличие периодически (через Х/4 = 0,43 мм) повторяющихся максимумов и минимумов сонолюминесценции характеризует условия максимального и минимального образования стоячих волн в ткани картофеля.

На рис. 4.16 представлена зависимость интенсивности сонолюминесценции ткани клубня картофеля от интенсивности ультразвука, построенная по максимумам значений люминесценции.

Влияние интенсивности ультразвука при частоте 880 кГц на интенсивность сонолюминесцензии среза клубня картофеля

Рис. 4.16. Влияние интенсивности ультразвука при частоте 880 кГц на интенсивность сонолюминесцензии среза клубня картофеля (7) и накопление Н202, выявляемого по хемилюминесценции при взаимодействии с люминолом, предварительно введенным в ткань клубня картофеля (2)

Сонолюминесценция свежих срезов клубня, так же как и значительно более яркое свечение в образцах, предварительно пропитанных раствором люминола возникает при 0,3...0,4 Вт-см~2.

Свечение в том и другом случае усиливается с увеличением интенсивности ультразвука. Характер зависимости уровня свечения ткани картофеля от интенсивности ультразвука сходен с аналогичными зависимостями для воды и водных растворов[29] и для сыворотки крови в интервале интенсивностей

0,2...0,7 Вт-смг21 также с зависимостью скорости образования пероксида водорода и азотистой кислоты от интенсивности ультразвука[30] [31] и аналогичной зависимостью разрушения клеток в суспенции[32].

Приведенные экспериментальные данные опровергают положение И. Е. Эльпинера о том, что при частоте 1 МГц кавитация в вязких внутриклеточных средах может возникнуть лишь при относительно высоких, 10.. Л О[31] Вт*см~[31], интенсивностях ультразвука[35].

Еще раз подтверждаются данные серии работ об образовании в водных средах при низких интенсивностях ультразвука таких активных продуктов кавитации как Н202, HN02, ЮН-ра- дикалы[36].

Очевидно, в живой клетке следует учитывать влияние нескольких явлений, и в том числе:

  • 1) обратимое снижение вязкости цитоплазмы под влиянием ультразвука[37];
  • 2) наличие большого количества частиц, которые могут быть зародышами кавитации.

Теоретически трудно учесть влияние на процессы кавитации наличия зародышей кавитации в форме газовых микропузырьков, клеточных органелл или ионов, меняющегося соотношения бегущих и стоячих волн, меняющейся вязкости цитоплазмы.

Ультразвуковое свечение является интегральным экспериментальным показателем, характеризующим уровень кавитации внутри живой ткани и отражающим влияние всех, сопровождающих кавитацию, факторов.

Интенсивное развитие УЗ методов в промышленности и медицине требует изучения механизмов его физико-химического и биологического действия, так как без этого оказывается невозможным оптимизировать применение ультразвука.

Изучение механизмов действия ультразвука на растворы и биологические системы, очевидно, наиболее рационально проводить с применением методов, при которых на объект не оказывается дополнительных воздействий и в него не вводятся измерительные устройства. К таким методам в первую очередь относятся методы, основанные на изучении УЗ свечения.

Ультразвуковое свечение — одно из характерных явлений, сопровождающих действие ультразвука на жидкости, — несет богатую информацию о природе и кинетике процессов в УЗ поле и довольно легко идентифицируется современными спектрофотометрическими методами. Метод использован авторами для изучения УЗ явлений в жидкостях вблизи пороговых интенсивностей.

Именно в этих условиях особенности УЗ свечения наиболее полно отражают возможность применения ультразвука, в исследовательских целях. Одним из основных достижений следует считать возможность контроля за фазами и длительностью перехода жидкостей в равновесное состояние после изменений внешнего статического давления; состава газовой среды; концентрации растворенных веществ, фазового состояния; температуры и т. д.

Ультразвуковая люминесценция легла в основу разработки семейства методов дистанционного измерения УЗ свечения жидкостей, включающих измерение интегральной интенсивности световых потоков, их спектральных особенностей и импульсных характеристик свечения. Они могут быть широко использованы для научных исследований и контроля различных производственных процессов, сопровождающихся изменением концентрации веществ в жидкостях, влияющих на какие-либо параметры, характеризующие их свечение под действием ультразвука.

Этот метод в перспективе может быть весьма упрощен в связи с разработкой новых эффективных полупроводниковых све- топриемников, малогабаритных генераторов УЗ колебаний с керамическими излучателями и проточных кювет, приспособленных для измерения УЗ свечения.

Особую ценность метод УЗ свечения в объеме и капле может иметь для диагностических целей, так как многие патологии сопровождаются выбросом в кровь, мочу, лимфу различных веществ, существенно изменяющих их способность светиться под действием УЗ колебаний.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Какими параметрами характеризуется УЗ свечение?
  • 2. Каковы конструктивные особенности кюветы для измерения УЗ свечения?
  • 3. Какую информацию несет УЗ свечение сыворотки крови?
  • 4. Каковы преимущества измерения интенсивности УЗ свечения «в капле»?
  • 5. Какую информацию несет УЗ свечение ткани клубня картофеля?

  • [1] Журавлев А. И., Акопян В. Б. Ультразвуковое свечение ....
  • [2] Вербанов В. С. О методе исследования ультразвуковой люминесценции... ; Вербанов В. С. [и др.]. Сонолюминесценция сыворотки крови экспериментальных животных в пострсанимационном периоде // Науч. тр. Омскогомед. ин-та № 134. Патогенез и экспериментальная терапия терминальных состояний. Омск, 1979. С. 29—33 ; Вербанов В. С. [и др.]. Некоторые данныепатогенеза и экспериментальной терапии постреанимационной болезни //В кн.: Шок и коллапс. Л., 1979. С. 43—46.
  • [3] Connoly W., Fox F. Е. Ultrasonic cavitation thresholds in water // J. Acoust.Soc. America. 1954. 26. № 5. P. 843—848.
  • [4] Журавлев А. И., Журавлева А. И. Сверхслабое свечение сыворотки крови____
  • [5] Певнева Р. Ф. Ультразвуковое свечение сыворотки крови животных ....
  • [6] Eastwood L. М., Watmough D. I. Sonoluminescence in water and in humanblood plasma, generated using ultrasonte therapy equipment // Ultrasound in Med.And Biol., 1976. 2. № 4. P. 319—323.
  • [7] Eastwood L. М., Watmough D. I. Sonoluminescence in water and in humanblood plasma, generated using ultrasonte therapy equipment // Ultrasound in Med.And Biol., 1976. 2. № 4. P. 319—323.
  • [8] Вербанов В. С. [и др.]. Сонолюминесценция сыворотки крови ....
  • [9] Неговский В. А. Патофизиология и терапия агонии и клинической смерти. М. : Медицина, 1954.
  • [10] Журавлев А. И., Цвылев О. П. Образование электронных возбужденныхсостояний ....
  • [11] Вербанов В. С. [и др.]. Сонолюминесценция сыворотки крови ....
  • [12] Вербанов В. С. [и др.]. Сонолюминесценция сыворотки крови ....
  • [13] Ярош А. М. Некавитационное свечение воды ....
  • [14] ЯрошА. М. Исследование свечения, возникающего в воде ....
  • [15] Тутпова И. М. О содержании свободных аминокислот в крови женщинпри нормальной беременности // Казанский мед. ж. 1970. № 5. С. 59—60 ;Парзыкулова С. Свободные аминокислоты в сыворотке крови здоровых небеременных и беременных женщин // Тез. докл. 53-й научн. конф. Самар-кандск. мед. ин-та. Самарканд, 1970. С. 137—138.
  • [16] Ракутъ В. С., Бигун А. В. Электролитный состав крови при нормальномпротекании беременности // Педиатрия, акушерство и гинекология. 1973.№ 2. С. 35—38.
  • [17] Фукс М. А. Изменение вязкости крови у женщин при физиологическомтечении беременности // Мат. конф. молодых ученых. Ч. 2. М., 1971. С. 183—184 ; Вартанян М. М., Антонян Э. Г. Вязкость крови у здоровых и беременныхженщин // Тр. Ереванского мед. ин-та. 1973. Вып. 15. Кн. 2. С. 808—812.
  • [18] Ракуть В. С., Бигун А. В. Электролитный состав крови ....
  • [19] Цвылев О. П. Закономерности псевдо кавитационного свечения ... .
  • [20] Журавлев А. И. Возбужденные электронные состояния — одна из первичных активных форм, определяющих стимулирующее действие некоторыхфизических и бальнеологических факторов // Мат. II Всесоюз. конф. по экс-пер. курортологии и физиотерапии. МЗСССР, Ялта, 1969. М., 1970 ; Журавлев А. И. Действие физических факторов и свободно-радикальная гипотеза //В кн.: Физико-химические основы действия физических факторов на живойорганизм. М. : МСХ СССР, 1974. С. 3—12.
  • [21] Певнева Р. Ф. Ультразвуковое свечение сыворотки крови животных ....
  • [22] Ярош А. М. Исследование свечения, возникающего в воде ....
  • [23] Curtis С. Effects of ultrasound on tissues and organs. A review // Interactionof Ultrasound and Biological tissues. Proc. Workshop, U. S. Dept, of Health,Education and Welfare, Washington, 1972. P. 115—118.
  • [24] Hill C. R. Detection of cavitation ... ; Hill C. R. Ultrasonic exposure thresholdsfor changes in cell and tissues ....
  • [25] Певнева Р. Ф. Ультразвуковое свечение сыворотки крови животных ....
  • [26] Гаврилов Л. P. [и др.]. Рецепция и фокусированный ультразвук ....
  • [27] Бергман Л. Ультразвук. М. : ИЛ, 1957.
  • [28] Акопян В. Б., Куликова О. В. О различиях в механизмах электрофорезаи фонофореза // В кн.: Вопросы ветеринарной науки и практики. Т. 89. М. :MBA, 1977. С. 106—109.
  • [29] Цвылев О. П. Закономерности псевдокавитационного свечения ... ;Ярош А. М. Некавитационное свечение воды ... ; Маргулис М. А., Акопян В. Б. Экспериментальные исследования зависимости ....
  • [30] Журавлев А. И., Певнева Р. Ф. К эффективности физико-химического действия ультразвука ....
  • [31] Акопян В. Б. О возможной роли воды в механизме ультразвукового воздействия на растворы биомолекул // Мат. 2-й Всесоюз. конф. по курортологии и физиотерапии. Ялта, 1969. М. : М3 ССР, 1970. С. 13—15.
  • [32] Акопян В. Б. Определение порога кавитации в биологической тканипо ультразвуковому свечению // Биофизика. 1980. Т. 25. Вып. 5. С. 873—875.
  • [33] Акопян В. Б. О возможной роли воды в механизме ультразвукового воздействия на растворы биомолекул // Мат. 2-й Всесоюз. конф. по курортологии и физиотерапии. Ялта, 1969. М. : М3 ССР, 1970. С. 13—15.
  • [34] Акопян В. Б. О возможной роли воды в механизме ультразвукового воздействия на растворы биомолекул // Мат. 2-й Всесоюз. конф. по курортологии и физиотерапии. Ялта, 1969. М. : М3 ССР, 1970. С. 13—15.
  • [35] Эльпинер И. Е. Ультразвуковая люминесценция (обзор) // Акуст. ж. 1960.Т. 5. № 1. С. 3—15 ; Эльпинер И. Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие ... ; Эльпинер И. Е. Биофизика ультразвука ....
  • [36] Акопян В. Б. О возможной роли воды в механизме ... ; Акопян В. Б. Некоторые причины фазности ... ; Акопян В. Б. Общие закономерности действияультразвука ... ; Акопян В. Б., Закарая А. П. Действие ультразвука низких интенсивностей ... ; Акопян В. Б. [и др.]. О возможной роли азотной и азотистойкислот в механизме биологического действия ультразвука // Тез. докл. конф.молодых ученых. Центр биол. исследов. АН СССР, Пущино, 1971. С. 56—57 ;Акопян В. Б., Пашовкин Т. Н., Максименкова Е. К вопросу о механизме ультразвукового свечения // Тр. Мос. вет. акад. 1977. Т. 87. С. 18—22 ; Акопян В. Б.,Сарвазян А. П. Исследование механизмов действия ультразвука на биологические среды и объекты // Акуст. ж. 1979. Т. 25. № 3. С. 384—388.
  • [37] Эльпинер И. Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие ... ; Акопян В. Б., Сарвазян А. П. Исследование механизмов действияультразвука ....
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >