Ultrahang-tér fizikai minőségének befolyása a besugárzás miatt
kialakult mechanikai hullámjelenségekre folyadékokban, valamint az ebből
következő biológiai és fizikai hatások értékelése
Lőrincz, A. –
Neményi, M.
Nyugat-Magyarországi Egyetem
Mezőgazdaság- és
Élelmiszertudományi Kar, Mosonmagyaróvár
Agrárműszaki,
Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézet
9200-Mosonmagyaróvár,
Vár 2.
Tel.,/06 96
215 911 / 209
e-mail: lorincza@mtk.nyme.hu
1, Bevezetés
Kísérleteink célja, hogy megfelelő elméleti és
gyakorlati háttér segítségével szelektív ultrahanghatást érjünk el, mégpedig
úgy, hogy a közeg bizonyos komponenseit szétroncsoljuk, míg más komponenseket
pedig érintetlenül hagyunk. Ennek két elérhető módja mutatkozik. Az első,
amikor térben ultrahang hullámokkal szétválasztjuk egymástól a kérdéses
komponenseket fizikai tulajdonságaik alapján, és a nem kívánt komponenseket
kivezethetjük a rendszerből, illetve a helyszínen kavitáció által
szétroncsolhatjuk azokat. A második pedig a közegben található egyes
komponensek eltérő érzékenységét használja ki az egyes ultrahang által
létrehozható jelenségekkel szemben. Talán soha nem volt az aktív ultrahang
felhasználásának kibővítésére ekkora lehetőség, amikor olyan emberi kéz és
tárgyi rendszer beavatkozása nélküli, a valós térben történő precíziós, fizikai
objektummozgatási és irányított beavatkozási folyamatokat hajthatunk végre
célirányosan, akár szelektív módon is a térben.
A kísérleteinkben optimális gyakorlati falhasználhatóságú
ultrahangos folyamatérzékelő detektálási módszereket alkalmaztunk, amelyek
eredményeit a valós hullámjelenségek által okozott sejtroncsoló hatáshoz
viszonyítottuk a kezelési idő függvényében Saccharomyces
cerevisiae pékélesztő teszt mikroorganizmusra. Ezzel összefüggésben
vizsgáltuk állandó ultrahang frekvencia és intenzitás mellett a hangtérben
szuszpendált részecskék minőségi és mennyiségi befolyásoló hatását a kialakult
hullámjelenségekre. Ezáltal tártuk fel a kölcsönhatását a szuszpendált szemcsék
hangtérbeli koncentrációjának és a szemcsék minőségi paramétereinek a
hangtérben kialakult hullámjelenségekre és a kialakult hullámjelenségek hatását
az adott szuszpendált részecskékre a behatási idő függvényében.
2, Irodalmi áttekintés
Radel1 munkatársaival élesztő
sejteket állóhullámok által, térbeli rendszerbe hozták gélbe zárás céljára.
Felhasználói szinten bizonyították, hogy alacsony intenzitású ultrahangos
állóhullám térben sajátságosan rendszerezhetjük a sejteket különböző tulajdonságaik
alapján, ami lehet sűrűségük, méretük, alakjuk, stb. Göschl2 és társai kijelentik, hogy a kis méretű
szuszpendált részecskék manipulálására, irányítására alkalmas rezonátorok
legkevesebb négy összetevőből kell, hogy álljanak. Ezek a piezoelektromos
transzdúcer, a hordozó edény (üvegedény), a folyadék (szuszpenzió) és az
akusztikus reflektor. A szerzők matematikai mátrix modellt fejlesztettek és
publikáltak a rezonátor spektrumának kiszámítására. Rezonátor teljesítmény
számot vezettek be a részecske szeparátorok jellemzésére, amely mérte a
folyadékban tárolt akusztikus energiát a bevezetett elektromos energiához
képest. Radel3
kutatócsoportjával vizsgálta a Saccharomyces
cerevisiae élesztő sejt szuszpenzió vitalitását az ultrahangos síkhullámmal
való besugárzás hatására. Ez és sok tanulmány is kimutatja, hogy állóhullámú
ultrahang térben nincs sejtkárosodás. Az álló hullám a sejt szuszpenzióban
inhomogén sejteloszlást eredményez, így sejt visszatartást okoz a tisztán
kivehető nyomási csomósíkokban, a hangtérben. A sejt szuszpenzió vitalitását a
kezelési idő függvényében vizsgálták álló és terjedő hullámtérben 2 MHz
frekvencián. A morfológiai vizsgálatokat transzmissziós elektronmikroszkóppal
végezték. A sejtek életképesség csökkenése direkt összefüggésben van a
hangnyomással, az pedig az intenzitással, akkor, ha a sejtek kimozdulnak a
nyomási csomópontokból, vagy ha haladó hullámtérben vannak. Az élesztősejtek
agglomerációja tehát a nyomási csomósíkokban mutatkozik, és itt a
legminimálisabb a károsodás is. Walsch4
és munkatársai a sörélesztő ultrahangos immobilizációjának biológiai hatásait
vizsgálták. A tanulmányok kimutatták, hogy az élő sejtszám csökkenés, valamint
a sejt osztódási képességének a csökkenése (elvesztése) a fő hatásai a terjedő
(haladó) ultrahang hullámoknak az élesztő sejtek fiziológiájára. Az állóhullámú
térben nem voltak szignifikáns károsító hatások. Az eredmények metilénkék
vitális festésen és kitenyésztés utáni telepszámláláson alapultak. Az élesztő
sejtek térbeli rendszerét eredményezi az állóhullámú tér, ami megvédi a
sejteket a károsodástól. Handl5 munkatársival
magállapítja, hogy az ultrahangos szeparációnál a szuszpendált szemcséken
akusztikus erő ébred, amely erő az elsődleges, másodlagos és Bernoulli erőből
áll és alkalmas a szemcsének - a fizikai tulajdonságai alapján - a diszpergáló
közegből történő kiválasztására. Az elválasztás ezen elve minden diszperzió
típusra alkalmas. Benes6, beszámol
arról, hogy az európai unióban TMR hálózat keretében, több kutatóintézet és
egyetem összefogásával EuroUltraSonoSep néven közös programot hívtak életre. A
program általános célja a biotechnológiai diszperzió disszociáció ultrahangos
megoldása, amelybe különböző minőségi típusú, például élő és holt sejtek
szétválasztásának megoldása is cél.
3, Felhasznált anyagok,
módszer
3.1.A
felhasznált anyagok és eszközök három csoportra bonthatóak A, az alkalmazott
műszerek és berendezések, B, a vizsgált szuszpenzió és C, a detektálási
rendszerek szerinti bontásban, melyeket az 1. ábra mutat sematikusan.
1.
ábra:
A felhasznált anyagok és eszközök: A.1., A.2. ultrahang frekvencia generátor és
erősítő, A.3. ultrahang rezonátor, A.3.4. termosztát, B. kísérleti szuszpenzió,
C.1. audionális detektor egység, C.3. kísérleti detektor egység.
3.2.
Módszer
A
kísérletek módszerének ismertetéséhez az itt rendelkezésünkreálló publikációs
terület nem elégséges. Alpap és kontroll módszerből tevődik össze, melybe bele
tartozik az anyagok előkészítése, a jelenségek vizuális, audionális és
méréstechnikai követése, illetve a kiértékeléshez történő előkészítése.
5, Eredmények, értékelésük
A vizsgálati eredményeket több részre oszthatjuk.
Megkülönböztethetőek a kezelési idő függvényében általánosan tapasztalt
vizuálisan érzékelt, adott típusú hullámokra jellemző jelenségek, az audionális
detektálási módszer útján, szintén az idő függvényében kapott eredmények, főleg
a kavitációs határkoncentrációra és a visszakavitálási időre vonatkozóan, a
beadagolt anyagmennyiségre vonatkozó vizsgálatok eredményei, illetve a vitális
festés eredményei az idő függvényében.
5.1.
Elsőként a rezonátorban található, a hangtér különböző hullámjelenségeire utaló
vizuális jelenségeink ismertetése történik egy alap vizsgálat folyamán.
5.1.1.
Az 5-10 perc előkészületi és hő kiegyenlítődési idő után, a megfelelő
frekvenciájú, valamint adott teljesítményű ultrahang rezonátorra kapcsolása
után ebben a vízben az első másodpercekben úgynevezett szökőkút jelenség alakul
ki a globális akusztikai áramlás miatt. A jelenséget sematikusan a 4. ábra
mutatja be.
5.1.2.
Néhány másodperc elteltével a rektifikált diffúzió következtében, a folyadékban
oldott gáz, az ultrahang sugár által létrehozott váltakozó nyomás amplitúdó
hatására buborékokat képez. Tehát kialakul a kavitáció, mely a kialakulásakor
stabil kavitáció, viszont részben folyamatos tranziens kavitációvá alakulás
figyelhető meg a kialakult sziszegő hanghatásból kővetkezően, az alharmonikus
kibocsátás mellett, amely audionálisan detektálható. Longitudinális vezető
hullámok következtében, főleg a stabil buborékok pulzálásba kezdenek,
gömbhullámokat kibocsátva szórják széjjel a hangtér energiáját, mint
pontforrások, amely a közegben irreverzibilisen hővé alakul. A folyadék
intenzív mozgása, gomolygása kezdődik, amire a folyadék nem lineáris
tulajdonsága és a buborékok közti interakciók is rásegítenek a felületi
hullámaik miatt. Az állóhullám helyett
most tehát haladó hullámok válnak dominánssá, a buborékokból kibocsátott
gömbhullámok mellett.
5.1.3.
Eközben kezdjük el a szuszpendálandó anyagot beadagolni a hangtérben kavitáló
folyadékhoz. Egy adott koncentráció eléréséig a szuszpendált anyag és a
kavitációs buborékok is jelen lesznek a hangtérben. Amennyiben tovább
folytatjuk a szuszpendálandó anyag beadagolását a hangtér szuszpendáló
anyagába, akkor egy jellemző koncentráció elérésekor, a kavitációs
határkoncentrációnál (KHK) megszűnik az akusztikusan detektálható és vizuálisan
megfigyelhető kavitáció. Ennek a pontnak a sejtroncsolási, vagy a
sejtmanipulációs felhasználási célú ultrahangnál drasztikus jelentősége van a
sejtek túlélésére, hangtérbeli elhelyezkedésére.
5.1.4.
A kavitáció megszűnése után különböző jelenségek alakulnak ki, a szuszpendált
és a szuszpendáló anyag fizikai jellegétől, illetve a hangtér, valamint az
ultrahang paramétereitől függően. Az egyik ilyen jelenség az, hogy felépül az
álló hullám a szemcséken, mivel azok nem tökéletes reflektorok. A pririmer
(Fp), szekunder (Fs) sugárzási erő és a Bernoulli erő (Fb) eredőjeként
kialakult eredő sugárzási erő bekényszeríti a szemcséket a nyomási csomósíkokba
5.2.
A sejtek vitalitásában, morfológiájában, térszerkezetében a kezelés alatt
bekövetkezett változások, mint a hangtér bizonyos hullámjelenségeinek biológiai
indikátorának teljes egészében történő áttekintése, a tanulmány terjedelme,
valamint a hatások sokrétűsége miatt egy önálló dolgozat témája. Főleg ha a
hatásokat a hangtér anyagával létrejött hullámfizikai kölcsönhatások
indikátoraként értékeljük. Azonban a folyamat egészére vonatkozó tapasztalatok,
részeikre bontva teljes egészében alátámasztják a múlt és a jelen kor
alkalmazott és elméleti ultrahang irodalmának megállapításait, és egyértelműen
szintetizálják azokat. Az előbb leírtak alátámasztására, a szárított élesztőből
készített szuszpenzióbeli sejtek túlélési görbéje kerül bemutatásra a 1.
táblázatban és a 1. grafikonon. A szárított élesztő kavitációs határ koncentrációjától (3.2 g/l) indul a kezelés, 9
W/cm2 ultrahang teljesítmény és 20 şC-os hangtér termosztálás
mellett.
1.
táblázat:
Túlélő sejtszámok alakulása, az idő függvényében
Kezelési idő
(sec) |
0 |
15 |
30 |
45 |
60 |
75 |
90 |
Túlélő
átlagos sejtszám (%), 1. Ismétlés |
78 |
27 |
13 |
7 |
3 |
0 |
0 |
Túlélő
átlagos sejtszám (%), 2. Ismétlés |
84 |
36 |
19 |
10 |
5 |
1 |
0 |
Túlélő
átlagos sejtszám (%), 3. Ismétlés |
81 |
31 |
18 |
6 |
4 |
2 |
0 |
Túlélő
átlagos sejtszám (%), 4. Ismétlés |
78 |
28 |
9 |
6 |
3 |
1 |
0 |
Túlélő
átlagos sejtszám (%) KHK |
80,25 |
30,5 |
14,75 |
7,25 |
3,75 |
1 |
0 |
Forrás: Lőrincz Attila, 2002
Forrás: Lőrincz Attila, 2002
1. grafikon: Túlélő sejtszámok alakulása, az
idő függvényében
Az
ismertetett példában az álló hullámok, valamint a kavitáció nélküli haladó
hullámok hatása nem érvényesült számottevően a sejtekre, viszont a kavitáció,
mint a sejtek roncsolásáért leginkább felelőssé tehető ultrahanghatás annál
erőteljesebben, egészen a kezelés beindításától. A grafikonon ábrázolt túlélési
görbére exponenciális trend függvényt fektetve, az irodalmi beszámolókban is
ismertetett erős korrelációt tapasztalhatunk, melynek szorossága 98% feletti a
kapott átlagolt túlélési görbére.
6, Összefoglalás
A dolgozat témája, a hangtérben szuszpendált anyag
mechanikai hullámokkal létrejött kölcsönhatásának a feltárása, a tapasztalt
vizuális, audionális és biológiai hatásokon keresztül. A vizsgálatok
kereskedelmi forgalomban kapható szárított pékélesztővel (Saccharomyce cerevisiae), az ultrahang rezonátor 1,017MHz-es
rezonancia frekvenciáján, 0-12 W/cm2 teljesítmény mellett zajlottak. A rezonátor által, a hangtérbe
sugárzott vezető hullámok longitudinális típusúak. A mechanikai hullámok által,
a hangtérben létrehozott jelenségek értékelése, a tapasztalt vizuális,
audionális és biológiai hatásokon keresztül történt. A hangtér
szemcsekoncentrációja által befolyásolt jelenségek vizsgálata, az ultrahang
biológiai hatásainak tekintetében, az élesző sejtek túlélési görbéjének
felvétele által, metilénkék festékkel végzett vitális festéssel történt. Az
eredmények az irodalmi adatokat igazolják, mely szerint a túlélési görbe
exponenciális lefutású. A dolgozat alkalmas, az ultrahang felhasználási
területének szemcseanalitikai, illetve akár szelektív részecskemanipulációs
technikák felé történő kibővítésére.
7, Irodalomjegyzék
1.
Radel,
S. - McLoughlin, A. J. – Walsh, P. –
Gherardini, L. – Doblhoff-Dier, O. – Benes, E. (1999): Application of low
intensity ultrasonic wave fields to manipulate and direct the
immobilisation/bio-encapsulation of yeast cells. Oral presentation, to be
published in Proc. Of the Eight International Workshop on Bioencapsulation,
Trondheim, Norway, September 13th – 15th, 1999.
2.
Gröschl,
M. – Trampler, F. – Benes, E. – Nowotny, H. (1999): Analysis os composite
resonators for ultrasonic micromanipulation and separation. Acustica – acta acustica
85, Supplement 1, p. S92, as well as in Journal of Acoustical Society of
America Vol. 105, p. 1018, February 1999.
3.
Radel,
S. - McLoughlin, A. J. – Gherardini, L.
– Doblhoff-Dier, O. – Benes, E. –Connel, C. O. – Cregg, B. – Cottel, D. C. –
Benes, E. (1999): Morphology and viability of Saccharomyces cerevisiae in
suspension stressed with ultrasonyc plane waves. Oral presentation, to be
published in Proc. of the 23rd Annual Symposium of the Microscopy Society of
Ireland, Belfast, August 3st – September 2nd, 1999.
4.
Walsh,
P. – Radel, S. - McLoughlin, A. J.
–Gherardini, L. – Benes, E. (1999): Evaluation of the effect of immobilisation
techniques and low intensity ultrasonic waves on brewer’s yeast cells. Poster
presentation, to be published in Proc. of the Ninth European Congress on
Biotechnology, Brussels, July 11th – 15th, 1999.
5.
Handl,
B. – Gröschl, M. – Trampler, F. – Benes, E. – Woodside, S. M. – Piret, J. M.
(1998): Particle trajectories in a drifting resonance field separation device.
Proc. 16th Int. Congress on Acoustics and 135th Meeting Acoustical Society of
America, Seattle/USA (20. – 26.61998) Vol. III, ISBN 1-56396-817-7, (1998) pp.
1957-1958.
6.
Benes,
E. - Grösschl, M. - Handl, B. – Trampler, F. Nowotny, H. (1998): Das
europaische TMR-Netzwerk „Ultrasonic Separation of Suspended Particles” Proc.
Joint Symposium AAA and ÖPG TC Acoustics, Graz, Austria, 14. - 15. 1998, p 2,
Austrian Acoustic Association and TC Acoustic of the Austrian Physical Society.