УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В ПЕРЕМЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Заявляемая полезная модель относится к области биофизических экспериментов и наблюдений за биологическими жидкостями, находящимися в переменном магнитном поле. Устройство предназначено для автоматизированного исследования влияния переменного магнитного поля на биологические жидкости и может найти широкое применение в биологии, сельском хозяйстве, экологии, медицине, пищевой промышленности и в других отраслях, в которых производится исследование, а именно физический анализ жидких биологических материалов.
Известно, что воздействием переменным магнитным полем на биологические объекты, можно вызвать ускорение некоторых биохимических реакций и тем самым способствовать изменению ряда их биохимических, биофизических и физико-химических показателей (смотри, например, [1-3]).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для автоматизированного исследования биологических жидкостей в переменном магнитном поле (патент №156336) [4]. Оно состоит из экранирующей камеры из ферромагнитного материала, в которую помещен излучатель и площадка для размещения на ней биологического объекта, подлежащего воздействию магнитным полем. Излучатель соединен с расположенным за камерой генератором низкочастотных электрических колебаний. При этом генератор выполнен на основе микроконтроллера, соединенного с цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Внутри экранирующей камеры дополнительно установлены датчик температуры и модуль для измерения физических характеристик биологических жидкостей в переменном магнитном поле, представляющий собой ИК спектрометр. Этот модуль соединен с установленным за камерой микроконтроллером, входящим в состав генератора, осуществляющим также нахождение зависимости коэффициента поглощения биологической жидкости от величины частоты и напряженности магнитного поля. В качестве модуля для измерения физических характеристик биологических жидкостей в переменном магнитном поле также может быть использован хемилюминометр, измеряющий интенсивность хемилюминесценции помещенной в него биологической жидкости или экстракта биологического объекта.
-1
После каждого изменения частоты или напряженности магнитного поля микроконтроллером производится снятие спектра поглощения в среднем ИК диапазоне (4000-400 см) биологической жидкости и запоминается микроконтроллером. На основании снятых спектров микроконтроллер строит семейство зависимостей коэффициента поглощения при длине волны ИК-излучения, на которой наблюдается наибольшее изменение коэффициента поглощения исследуемой биологической жидкости при ее обработке магнитным полем, от частоты магнитного поля при различных значениях напряженности, находит максимум, соответствующий резонансному поглощению магнитного поля макромолекулами, растворенными в биологической жидкости (ДНК, белки, органические кислоты, полифенолы и др.). При найденных значениях частоты и напряженности магнитного поля, происходит максимальное воздействие на биообъект, из которого была получена исследуемая жидкость. Это устройство выбрано в качестве прототипа предлагаемого технического решения.
-1
Недостатками прототипа, является многоэтапность процесса при определении оптимальных параметров магнитного поля, воздействующего на биологическую жидкость, и, как следствие, затрата значительного количества времени, связанного с необходимостью снимать обзорный ИК-спектр биологической жидкости или экстракта биологического объекта в среднем ИК диапазоне (4000-400 см), а также семейство ИК-спектров для нахождения длины волны ИК-излучения, при которой наблюдается максимальное изменение коэффициента поглощения при действии магнитного поля.
Многие молекулы биологических веществ являются природными или естественными флуорофорами [5]. Собственная флуоресценция простых белков обусловлена наличием ароматических аминокислот - фенилаланина, триптофана и тирозина. Максимумы флуоресценции фенилаланина, тирозина и триптофана имеют место при 282, 303, 348 нм соответственно при возбуждении в максимумах их поглощения. Известно [5], что основным флуоресцирующим компонентом в белках является триптофан, который обусловливает около 90% всей белковой флуоресценции, при этом флуоресценция триптофана может быть селективно возбуждена в диапазоне 290-305 нм. Положение максимума флуоресценции триптофана варьирует от 335 до 360 нм в зависимости от локализации триптофана в белковой молекуле. К природным флуорофорам относятся также нуклеиновые кислоты, коферменты и витамины. Положение максимума флуоресценции для ДНК составляет 358 нм и совпадает с максимумом гуанина [6].
Технической задачей заявляемой полезной модели является ускорение путем упрощения процесса определения оптимальных параметров переменного магнитного поля, воздействующего на биологическую жидкость, для получения возможности последующего воздействия на биообъект, из которого она была получена, магнитным полем с оптимальными значениями напряженности и частоты, с целью сокращения затрат времени при проведении исследования.
Техническим результатом использования заявляемой полезной модели является ускорение нахождения зависимостей физических характеристик биологических жидкостей или водного экстракта биологического объекта от изменения напряженности и частоты переменного магнитного поля по изменению их собственной или индуцированной флуоресценции.
Указанный технический результат получают следующим образом. Устройство для исследования биологических жидкостей в переменном магнитном поле, включает заземленную экранирующую камеру из ферромагнитного материала, в которую помещен излучатель и площадка для размещения на ней биологического объекта, подлежащего воздействию магнитного поля, излучатель соединен с расположенным за камерой генератором низкочастотных электрических колебаний, который выполнен на основе микроконтроллера, соединенного с цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), при этом внутри экранирующей камеры дополнительно установлены датчик температуры и модуль для измерения физических характеристик биологических жидкостей в переменном магнитном поле. В качестве модуля для измерения физических характеристик биологических жидкостей в переменном магнитном поле предложено использовать спектрофлуориметр, который измеряет интенсивность триптофановой флуоресценции помещенной в него биологической жидкости или экстракта биологического объекта. Причем спектрофлуориметром предложено измерять степень воздействия переменного магнитного поля по величине интенсивности флуоресценции при заданной длине волны возбуждения 290 нм и длине волны излучения от 335 до 360 нм.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для определения оптимальных параметров переменного магнитного поля, воздействующего на биологические жидкости.
Устройство включает генератор низкочастотных электрических колебаний, выполненный на основе микроконтроллера 1, соединенного с ЦАП 2, к которому подключен излучатель 3, создающий магнитное поле. Модуль для измерения физических характеристик биологических жидкостей 4, представляет собой спектрофлуориметр. Он установлен в магнитном поле излучателя 3 и соединен с микроконтроллером 1, который служит также и для вычисления требуемых параметров магнитного поля. Излучатель 3 и модуль для измерения физических характеристик биологических жидкостей 4 помещены в заземленную экранированную камеру 5 из ферромагнитного материала. В этой же камере 5 в поле излучателя 3 установлена специальная площадка 6, на которую помещают емкость с биологическим объектом, который подлежит воздействию магнитным полем, а также датчик температуры 7, подключенный к микроконтроллеру 1. К микроконтроллеру 1 подключены блок управления 8 и блок индикации 9 для управления режимами работы устройства и отображения задаваемых и текущих значений параметров магнитного поля, а также персональный компьютер 10 для более гибкого управления работой устройства.
Устройство работает следующим образом. Предварительно получают биологическую жидкость или водный экстракт объекта. Жидкость помещают в модуль для измерения физических характеристик биологических жидкостей спектрофлуориметр 4 и запускают микроконтроллер 1. При этом от ЦАП 2 подается напряжение на излучатель 3. Создается магнитное поле, в силовых линиях которого находится исследуемая биологическая жидкость. Частота и напряженность магнитного поля дискретно изменяются в пределах диапазонов, задаваемых микроконтроллером 1. После каждого изменения частоты или напряженности микроконтроллером 1 производится регистрация интенсивности флуоресценции биологической жидкости или водного экстракта объекта при длине волны возбуждения 290 нм в интервале от 335 до 360 нм с помощью модуля 4 и запоминается микроконтроллером. На основании полученных значений микроконтроллер 1 строит зависимость интенсивности флуоресценции биологической жидкости при длине волны возбуждения 290 нм от частоты магнитного поля при различных значениях напряженности, находит максимум, соответствующий резонансному поглощению магнитного поля макромолекулами, содержащимися в биологической жидкости (ДНК, белки, органические кислоты, полифенолы и др.). При найденных значениях частоты и напряженности магнитного поля, происходит максимальное воздействие на биообъект, из которого была получена исследуемая жидкость. Для более гибкого управления устройством возможно его подключение к персональному компьютеру 10. В этом случае можно задать любой алгоритм реагирования устройства на изменение показаний датчиков или составить расписание, указав временные промежутки и законы изменения параметров магнитного поля, например: постоянно включено, промодулировано сигналом заданной формы, включение/отключение магнитного поля через заданные промежутки времени.
Проводился эксперимент, подтвердивший эффективность применения предлагаемого устройства для ускорения исследования зависимости физических характеристик биологических жидкостей от изменения напряженности и частоты переменного магнитного поля, воздействующего на жидкость, а также дальнейшего воздействия на биообъект, из которого была получена исследуемая жидкость, магнитным полем с оптимальными значениями напряженности и частоты. По одной из известных методик получают водный биологический раствор [3-4], оптимальные параметры воздействия переменного магнитного поля на который необходимо установить. В модуль для измерения физических характеристик биологических жидкостей 4 (фиг. 1) наливали водный раствор ДНК, предварительно выделенной из клеток пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), концентрация ДНК в растворе составляла 30 мкг/мл. Температура раствора контролировалась с помощью датчика температуры 7 с точностью до 0,2єС и составляла 23єС, задавалась начальная частота магнитного поля 1 Гц и напряженность 5 А/м и проводилась обработка образца в течение 10 мин. Затем регистрировалась интенсивность флуоресценции раствора ДНК при длине волны возбуждения 290 нм в интервале от 335 до 360 нм. Далее микроконтроллер 1 изменял частоту магнитного поля с шагом в 0,2 Гц в диапазоне от 1 до 50 Гц. После каждого изменения частоты магнитного поля и обработки образца регистрировалась интенсивность флуоресценции водного раствора ДНК в интервале от 335 до 360 нм и делалась пауза в течение 30 с. Выбиралось максимальное значение интенсивности флуоресценции водного раствора ДНК из полученных значений. Затем микроконтроллер 1 устанавливал новое значение напряженности магнитного поля с шагом в 5 А/м в диапазоне от 5 до 50 А/м и регистрировались величины интенсивности флуоресценции водного раствора ДНК аналогично вышеописанному.
На фиг. 2 представлены спектры триптофановой флуоресценции водного раствора ДНК, выделенной из клеток пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) при обработке магнитным полем разной частоты, Гц: 3 (1), 5 (2), 6 (3), 10 (4), 8 (5). Время облучения образцов 10 мин., t=23єС, рН 5,7, длина волны возбуждения 290 нм, напряженность магнитного поля 10 А/м.
Далее микроконтроллер 1 строил зависимость интенсивности флуоресценции раствора ДНК от частоты магнитного поля при различных значениях напряженности. Эта зависимость имела выраженный максимум, соответствующий частоте 8,0 Гц и напряженности 10 А/м. Так были найдены оптимальные значения частоты и напряженности магнитного поля.
5
После определения оптимальных значений частоты и напряженности магнитного поля, осуществлялось воздействие магнитным полем с данными параметрами (напряженностью 10 А/м и частотой 8,0 Гц) на водную суспензию пекарских дрожжей. Для этого пробирка с суспензией микроорганизмов помещалась на площадку в заземленной камере, на расстоянии 10 см от излучателя. В результате обработка суспензии пекарских дрожжей магнитным полем с частотой 8,0 Гц и напряженностью поля 10 А/м в течении 3 минут привела к увеличению концентрации клеток на 3·10/мл по сравнению с контрольным значением. Далее проводился сравнительный анализ затрат времени при исследовании биологической жидкости: с помощью способа, изложенного в прототипе и с помощью предлагаемого способа. Эксперименты проводились при 3 значениях напряженности и 10 значениях частоты магнитного поля.
В приведенной таблице отражены результаты расчета затрат времени для исследования биологической жидкости с помощью устройства прототипа (1) и предполагаемого устройства (2).
Из таблицы видно, что полное время исследования биологической жидкости составило:
1. При использовании устройства, изложенного в прототипе - 21317 с (5,9 ч).
2. При использовании предлагаемого устройства - 17759 с (4,9 ч.). При этом также отпадает необходимость проведения следующих шагов:
- регистрация обзорного ИК-спектра;
- сохранение спектра в файл;
- нахождение длины волны, на которой наблюдается наибольшее изменение коэффициента поглощения.
Это упрощает исследование биологических жидкостей для нахождении оптимальных параметров переменного магнитного поля, воздействующего на них.
Таким образом, техническим результатом использования заявляемой полезной модели является упрощение и ускорение нахождения зависимостей физических характеристик биологических жидкостей или водного экстракта биологического объекта от изменения напряженности и частоты переменного магнитного поля по изменению их собственной или индуцированной флуоресценции.
Источники информации:
1. Бинги В.Н. Принципы электромагнитной биофизики. - М. ФИЗМАТЛИТ, 2011. 392 с.
2. Текуцкая Е.Е., Васильев Ю.А., Храмцова А.А. Исследование воздействия электромагнитного излучения низкой частоты на активность лимфоцитов // Российский иммунологический журнал. 2014, Т. 8(17), №3, С. 466-469.
3. Текуцкая Е.Е., Василиади Р.А., Храмцова А.А. Влияние внешних факторов на повреждение и репарацию ДНК лимфоцитов периферической крови человека // Российский иммунологический журнал. 2015, Т. 9(18), №3 (1)С. 223-225
4. Пат. Российской Федерации на полезную модель №156336, МПК G01N 33/487. Устройство для автоматизированного исследования биологических жидкостей в переменном магнитном поле / Барышев М.Г., Ильченко Г.П., Текуцкая Е.Е., Ломакина Л.В. - №2014150523/15; заявл. 12.12.2014; зарег.. 12.10.2015, опубл. 10.11.2015, бюл. №31.
5. Владимиров Ю.А. Фотохимия и люминесценция белков. Москва, Наука, 1965.
6. Черницкий Е.А., Слобожанина Е.И. Спектральный люминесцентный анализ в медицине. - Минск, 1989.