Система с высоким импедансом для генерирования электрических полей и способ ее использования

Система и способ генерирования изменяющихся во времени и не изменяющихся во времени электрических полей для решения разных задач. При генерировании электрического поля используют высокоимпедансные диэлектрические материалы, обладающие набором трех обязательных свойств: высокая диэлектрическая проницаемость, высокое объемное удельное сопротивление и высокая максимально допустимая напряженность электрического поля. Система согласно изобретению включает пару электродов, содержащих диэлектрический материал, каждый электрод имеет по меньшей мере одну поверхность, покрытую электропроводным материалом, а диэлектрический материал образует барьер отделяющий проводящее покрытие от обрабатываемой среды; канал или пространство для среды сформирован между парой электродов так, что электропроводный материал находится на той поверхности электрода, которая не контактирует с обрабатываемой средой в канале или пространстве; источник изменяющегося во времени или не изменяющегося во времени или импульсного напряжения, соединенный с электродами; и корпус, содержащий эту пару электродов, при этом корпус выполнен с возможностью удерживать обрабатываемую статичную или динамическую среду в канале или пространстве. Изобретение позволяет предотвратить возникновение тока проводимости через обрабатываемый материал, тем самым существенно снижая ток проводимости, потребление энергии, омический нагрев и электрохимические реакции на интерфейсах электрод/среда. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 2 табл., 13 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты настоящего изобретения относятся к системе для применения переменного во времени, не переменного во времени или импульсного напряжения к последовательной емкостной цепочке для создания или генерирования иным образом однородных или неоднородных электрических полей, которые, в свою очередь, используются для разных целей. Более конкретно, в вариантах применяются диэлектрические материалы с конкретными электрическими свойствами, размещенные или иным образом сконфигурированные для формирования последовательных емкостных цепочек, которые делят или иным образом распределяют приложенный потенциал между противолежащими электродами, что приводит к концентрации электрического материала в материале-объекте (или к иному прохождению электрического поля сквозь него).

Уровень техники

Статичные, изменяющиеся во времени и импульсные электрические поля, вместе с компонентом магнитного поля или без него, считающиеся слабыми или интенсивными для конкретной задачи, используются в разных отраслях промышленности для решения широкого круга задач. В некоторых имеющихся задачах и там, где с помощью вариантов настоящего изобретения используются изменяющиеся во времени приложенные напряжения, носители заряда могут двигаться относительно лабораторной системы координат (lab frame), поэтому электрическому полю сопутствует компонент магнитного В-поля, однако в вариантах настоящего изобретения релевантным является только электрическое поле. К примерам использования электрического поля относятся, помимо прочего:

- электрофорез: и гелевый, и капиллярный используют электрический ток через среду взвеси, являющейся резистивной нагрузкой, тем самым создавая электрическое поле, используемое для сепарации, дифференциации и фракционирования ДНК, протеинов и других молекул;

- электропорация (также известная как электрошоковая стимуляция мембранной проницаемости): интенсивные электрические поля, часто импульсные с различной формой волны и частотой импульсов, используются для диэлектрического разрушения мембран живых клеток, тем самым влияя на обратимую и необратимую порацию и/или стимулирование проницаемости для целей трансфекции, пастеризации или стерилизации, и

- фракционирование в потоке при наличии электрического поля (FFF, также известно как EFFF, µ-EFF, CyEFF и др.): использует электрическое поле, ортогональное к потоку текучей среды для сепарации, фракционирования и дифференциации больших молекул и/или мелких частиц от жидкости-объекта.

В сущности, процесс или эффект, который приводится в действие, поддерживается или облегчается действием электрического поля, можно ускорить или улучшить иным образом: либо увеличив интенсивность поля для данного приложенного напряжения, либо, наоборот, уменьшив приложенное напряжение для данной интенсивности поля. Это вызвано соотношением между такими свойствами материала, как диэлектрическая проницаемость, объемное удельное сопротивление и максимальная допустимая напряженность поля, и влиянием, которое эти параметры оказывают на диакритические элементы цепи, к которым относятся интенсивность поля, пробой диэлектрика, геометрия поля, ток и потребление энергии. Задачи, решаемые за счет влияния или непосредственного воздействия электрического поля, ограничены нежелательными эффектами омического нагрева, электрохимическими эффектами (фарадеевский перенос заряда), экранирования поля формированием двойного слоя электролита, электрической поляризации и потребления энергии.

Электрический ток является ограничивающим фактором для интенсивности приложенного поля в электрофорезе, электропорации и при фракционировании в потоке в присутствии поля, что объясняется омическим нагревом рабочей среды (обычно для таких задач используется жидкость или гель) и нежелательной электрохимией на интерфейсе (интерфейсах) между средой и электродом (фарадеевский перенос заряда). Например, в последние два десятилетия много усилий было затрачено для применения процесса клинической электропорации (главным образом применяемой для трансфекции живых биологических клеток) для коммерческой изотермической пастеризации (широко известная как PEF - Pulsed Electric Field non-thermal pasteurization). Обратимая электропорация является не летальной и выполняется путем тщательного управления интенсивностью прилагаемого поля и временем экспозиции, тогда как необратимая электропорация влечет гибель клетки, инактивацию метаболизма или апоптоз. Поскольку системы PEF, в которых обнаженные проводящие электроды соединены с обрабатываемой текучей средой, в силу своей природы имеют низкий импеданс, для уменьшения средней энергии, омического нагрева и нежелательной электрохимии на интерфейсе среда/электрод применялись импульсы напряжения. То же справедливо и для способов и устройств, применяемых для электрофореза и фракционирования в потоке в присутствии электрического поля (EFFF). Хотя увеличение интенсивности поля повышает эффективность и/или скорость процесса, повышение приложенного напряжения как средства для увеличения интенсивности поля приводит к возникновению чрезмерного электрического тока и к сопутствующему омическому нагреву, нежелательным электрохимическим реакциям и другим нежелательным реакциям, упомянутым выше. В случае EFFF, недавно были предприняты попытки уменьшить высоту канала для текучей среды с использованием технологий микрообработки и микроэлектроники, тем самым эффективно уменьшая размеры поля между электродами и, следовательно, увеличивая интенсивность поля и одновременно уменьшая поток электрического тока. Поскольку увеличение интенсивности электрического поля также требует увеличения приложенного напряжения и/или уменьшения расстоянии между электродами, пробой диэлектрика рабочей среды, будь она газом, жидкостью или твердым телом, является дополнительным ограничивающим фактором для всех задач.

Хотя покрытие или соединение обычных диэлектрических материалов между традиционными проводящими электричество электродами и обрабатываемой средой позволяет прилагать повышенное напряжение, что приводит к увеличению интенсивности электрического поля, этот эффект нивелируется значительно большим падением напряжения на используемых диэлектрических материалах, что приводит к уменьшению интенсивности электрического поля в обрабатываемой среде. Это возникает из-за способа, которым падение напряжения и, следовательно, электрическое поле делится или распределяется в последовательных емкостных цепочках.

Разработка системы для генерирования электрического поля, которая бы существенно уменьшила или полностью устранила нежелательные эффекты предшествующих систем и способов, дала бы существенные преимущества.

Краткое описание изобретения

Соответственно, один вариант настоящего изобретения включает систему с высоким импедансом для генерирования электрического поля, которая содержит пару электродов, содержащих диэлектрический материал, в которой каждый электрод имеет по меньшей мере одну поверхность, покрытую проводящим материалом, и в которой такой диэлектрический материал образует барьер, разделяющий проводящее покрытие и обрабатываемую среду; при этом между парой электродов сформирован канал или пространство для среды так, что проводящий материал находится на поверхности электрода, не контактируя со средой в канале или пространстве; с электродами соединен источник изменяющегося во времени, не изменяющегося во времени или импульсного напряжения; и корпус, содержащий эту пару электродов, сконфигурированный для удержания обрабатываемой статической или динамической среды в этом канале или пространстве.

Один вариант способа по настоящему изобретению относится к способу воздействия на среду электрическим полем, содержащему шаги, при которых: образуют канал для среды между парой электродов, в которой электроды содержат диэлектрический материал и в которой каждый электрод имеет по меньшей мере одну поверхность, покрытую проводящим материалом, при этом проводящий материал расположен на поверхности электрода, не находящейся в канале для среды; устанавливают электроды так, чтобы обрабатываемая статическая или динамическая среда удерживалась в этом канале; соединяют источник изменяющегося во времени, не изменяющегося во времени или импульсного напряжения к каждой поверхности электродов, покрытой проводящим материалом, тем самым создавая электрическое поле; и вводят среду в канал так, чтобы среда подвергалась воздействию электрического поля.

Система и способ для генерирования электрического поля используют диэлектрические материалы с высоким импедансом, имеющие набор трех обязательных свойств: высокая диэлектрическая проницаемость (ε), высокое объемное удельное сопротивление (ρ) и высокая максимально допустимая напряженность электрического поля (φ), и физическую геометрию, в которой используются преимущества способа, которым электрические поля делятся или распределяются в последовательных емкостных цепочках.

Другие версии, варианты и признаки настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания, чертежей и формулы.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 иллюстрирует первую диэлектрическую конфигурацию по настоящему изобретению, имеющую параллельную геометрию.

Фиг.2 иллюстрирует вторую диэлектрическую конфигурацию по настоящему изобретению, имеющую цилиндрическую геометрию.

Фиг.3 - три диэлектрические секции, расположенные для формирования последовательной емкостной цепочки.

Фиг.4 - цепь, эквивалентная диэлектрической геометрии по Фиг.3.

Фиг.5 - два бруска из титанатной керамики, покрытых с одной стороны тонкой пленкой металлического серебра, образующей на обоих брусках поверхность электропроводного электрода.

Фиг.6 - вид в перспективе электродов по Фиг.5, прикрепленных к поликарбонатной балочной опоре с пространством между ними, образующим канал для среды.

Фиг.7 - вид сверху электродов по Фиг.6.

Фиг.8 - противоположная балочная опора, прикрепленная к другой стороне конструкции по Фиг.6 и 7.

Фиг.9 - одна конфигурация устройства с высоким импедансом для создания электрического поля по настоящему изобретению.

Фиг.10 - эквивалентная схема геометрии параллельной пластины по Фиг.6 и 7.

Фиг.11 и 12 - одна иллюстративная конфигурация системы по вариантам настоящего изобретения, и

Фиг.13 - эквивалентная схема для конфигурации, показанной на Фиг.11 и 12.

Осуществление изобретения

Для облегчения понимания принципов, на которых основаны варианты настоящего изобретения, далее следует описание вариантов, показанных на приложенных чертежах, и для их описания будет использован специфический язык. Тем не менее, следует понимать, что это не налагает на объем изобретения никаких ограничений. Любые изменения и дополнительные модификации показанных здесь признаков изобретения и любое дополнительное использование показанных принципов изобретения очевидные специалистам, ознакомившимся с описанием, должны считаться входящими в объем защиты заявленного изобретения.

Хотя варианты настоящего изобретения могут использоваться для решения множества задач, далее следует описание одного варианта для электропорации биологических клеток. Термин электропорация, иногда в патентной и академической литературе заменяемый на "электрошоковая стимуляция мембранной проницаемости", широко используется для обозначения явления, связанного с воздействием электрического поля на мембрану живой клетки. Электропорация клеток, взвешенных в жидком электролите, играет важную роль в биологии клетки, генной инженерии, лекарственной терапии и также в биотехнологических процессах, таких как пастеризация и стерилизация. В зависимости от интенсивности поля, времени экспозиции и форм волн приложенные электрические поля могут вызывать обратимые или необратимые образования пор, а также другие структурные дефекты в липидных мембранах, включая мембраны бактерий, грибов, спор, вирусов и соматических клеток млекопитающих. В случае обратимой электропорации это явление характеризуется временным увеличением диффузионной проницаемости мембраны, которая десятилетиями использовалась для трансфекции ДНК, лекарств, красителей, протеинов, пептидов и других молекул. Когда приложенное электрическое поле наводит критическое трансмембранное напряжение (для многих типов бактерий Ф_с≈1В) в течение достаточно длительного времени, сформированные поры и другие дефекты мембраны становятся необратимыми, приводя к смерти клетки и/или постоянной инактивации метаболизма, т.е. происходит пастеризация или стерилизация.

Устройства и способы электропорации для клинического и лабораторного использования используются уже несколько десятилетий и могут быть легко приобретены для трансфекции, пастеризации и стерилизации порций небольшого объема (от 1 мкл до 100 мл). В последние 20 лет много усилий было потрачено на адаптацию этих клинических и лабораторных способов к коммерческому применению, где требуются непрерывные потоки с большим расходом, а не порции малого объема. Предлагались, внедрялись и патентовались многие устройства и способы, однако во всех имеющихся и предшествующих устройствах общим признаком является использование электропроводящих электродов с низким импедансом, соединенных непосредственно с обрабатываемой средой. Поэтому эквивалентные цепи таких устройств представляют собой резистивные цепочки в установившемся режиме со всеми сопутствующими параметрическими характеристиками, такими как проводимый ток, омический нагрев, перенос заряда на интерфейсе, формирование двойного слоя, электрохимические реакции и чрезмерное потребление энергии. Такая параметрика резистивной нагрузки является причиной повсеместного использования импульсных сигналов в традиционных устройствах для электропорации. Использование импульсных сигналов (которые иногда называют PEF), униполярных, биполярных или других, независимо от времени нарастания и времени спада, вызвано желанием уменьшить вышеуказанные нежелательные эффекты резистивных цепей с низким импедансом, общих для существующих и предшествующих систем. В случае попыток адаптировать эти технологии к задачам коммерческой пастеризации омический нагрев, нежелательные электрохимические реакции и чрезмерное потребление энергии становились особенно проблематичными.

Варианты настоящего изобретения, которое изобретатели назвали "Высокоимпедансная электропорация" (далее "ВЭ") позволяет уменьшить многие нежелательные эффекты, оставаясь такой же или даже более эффективной, чем предшествующие системы и способы и для порционной, и для непрерывной обработки с высоким расходом.

На Фиг.1 и 2 показана параллельная диэлектрическая конфигурация 100 и цилиндрическая диэлектрическая конфигурация 150 соответственно, которые могут быть использованы для реализации вариантов способа по настоящему изобретению. Каждая конфигурация показывает диэлектрический материал 105, 155, электропроводное покрытие 110, 160 и материал 115, 165, подвергающийся тестированию или воздействию электрического поля.

Для емкостных элементов, образующих последовательную цепочку, используемую для реализации вариантов настоящего изобретения, смещение заряда сохраняется, а градиент потенциала (падение напряжения), а также электрическое поле распределяются пропорционально диэлектрической проницаемости каждого материала перед релаксацией заряда для каждой секции материала в цепочке. На Фиг.3 рассмотрены три диэлектрические секции 170, 175 и 180, расположенные так, чтобы образовать последовательную емкостную цепочку 125. Показаны электрические поля 130, 135, проходящие через каждую секцию. На Фиг.4 представлена схема 140, представляющая цепочку 125 по Фиг.3.

В конструкции, показанной на Фиг.3, если диэлектрическая проницаемость секций С₁ 170 и С₁ 180 значительно больше, чем у секции С₁ 175 на переходном отрезке импульса (ступенчатая функция), потенциал и электрическое поле через С₁ 170 и С₁ 180 будут очень небольшими по сравнению с потенциалом и электрическим полем через С₁ 175. Такое соотношение эффективно концентрирует общий градиент потенциала, имеющийся для создания поля, в центральной секции (в этом примере С₁ 175). Такое же соотношение действует для цепочек, составленных из 2, 4 или множественных геометрий диэлектрических секций. В результате к материалу, проходящему тест или обработку, можно приложить поле гораздо более высокой напряженности, чем в системах и методах по предшествующему уровню техники. Дополнительно, использование диэлектрических электродов с высоким объемным удельным сопротивлением ограничивает электрический ток, омический нагрев и потребление энергии, а также преимущественные электрохимические реакции на интерфейсах электродов.

Изобретатели продемонстрировали эффективность вариантов по настоящему изобретению конфиденциальными экспериментами. Далее следует описание экспериментов и используемого оборудования и методологии. Однако специалистам понятно, что объем настоящего изобретения не ограничен экспериментальными системами и/или использованной методологией.

На Фиг.5 показаны два высокоимпедансных диэлектрических электрода 200, выполненных из керамики на основе титаната свинца-магния-свинца. Можно также использовать другие материалы, например композит частиц с высокой диэлектрической проницаемостью и эпоксидной смолы, или материалы, обладающие подобными свойствами. Эти два бруска 200 из керамики титаната были покрыты с одной стороны тонкой пленкой металлического серебра, образующего проводящую поверхность 210. В одном варианте электроды имели размер 10×10×100 мм, а диэлектрическая керамика имела следующие электрические свойства материала:

- диэлектрическая проницаемость: 5,3е^-08[Fm^-1] (относительная диэлектрическая проницаемость ε_r=6,000);

- объемное удельное сопротивление ≈10¹²[Ом/см]; и

- максимально допустимая напряженность поля 9,0е+06[Вм^-1]

Как показано на Фиг.6 и 7, электроды 200 были прикреплены к поликарбонатной балочной опоре 220 с пространством между ними, образующим канал 230 глубиной 1 мм, шириной 10 мм и длиной 100 мм, для среды объемом 1000 мм³ или 1 мл. Отверстие 255 для жидкости позволяет направлять поток или выводить поток обрабатываемой среды. Поскольку сила притяжения, создаваемая полем между электродами 200, когда система заряжена, труднопреодолима, балочные опоры 220 играют роль конструктивного разгружающего элемента для электродов 200. Следует отметить, что электроды 200 расположены так, чтобы образовать последовательную емкостную цепочку, соединенную с обрабатываемой жидкостью. Стрелкой А на Фиг.7 показано направление генерируемого электрического поля. На Фиг.8 показана противоположная балочная опора 250, завершающая непроницаемый для жидкости канал. Как показано на Фиг.9, электроды 200 и балочные опоры 220 помещены в корпус 260 (например, в поливинилхлоридную трубу диаметром дюйм с четвертью), которая заполнена диэлектрической при высоком напряжении эпоксидной смолой 265. К корпусу прикреплены кабельные вводы 270, 275 для плюсового и минусового высоковольтных кабелей и штуцеры 280, 285, и все вместе эти компоненты образуют окончательное устройство ВЭ 300 (изобретатели назвали его "засека").

Обрабатываемая взвесь бактерий в жидкости пропускалась через канал по трубкам, соединенным с входным штуцером 280 и выходным штуцером 285 соответственно, как показано на чертеже. Плюсовой и минусовой кабели высокого напряжения 290, 295 (показанные на Фиг.11) были введены через соответствующие кабельные вводы 270 и 275 и введены в непосредственный контакт с серебряным проводящим слоем 210 на каждом соответствующем электроде 200, образуя электрическое соединение для зарядки системы. На Фиг.10 показаны эквивалентная схема 210 и легенда для такой геометрии параллельной плиты.

На Фиг.11 и 12 показана одна полная конфигурация системы 350. По причинам безопасности устройство ВЭ 300 установлено на диэлектрической перегородке, рассчитанной на высокое напряжение (например, лист карбоната толщиной четверть дюйма 7,62 мм), и подключено к источнику 310 питания на 120 кВ постоянного тока. Первая мензурка 320 емкостью 600 мл была установлена вертикально над устройством ВЭ 300 так, чтобы под воздействием силы тяжести инокулированная жидкость стекала во впускное отверстие 280 и протекала через устройство ВЭ 300. Вторая мензурка 325 емкостью 600 мл была установлена ниже устройства ВЭ 300, и в нее из выпускного отверстия 285 стекала обработанная жидкость. На Фиг.13 показана эквивалентная электрическая схема 360 для источника 310 питания и устройства ВЭ 300.

Перед использованием системы с тестовой жидкостью, инокулированной бактериями, устройство ВЭ 300 было заполнено стерильным трипсино-соевым бульоном и были измерены его электрические свойства. В Таблице 1 показаны прогнозные и измеренные величины.

Таблица 1
	Ct [пФ]	Rt [Ом]	E1 [Вм-1]	Фа [ΔВ]	Is [А]
Прогноз	6,00Е+02	2,50Е+11	7,82Е+07	1,00Е+05	4,00Е-07
Измерение	6,52Е+02	2,20У+11	8,50Е+07	1,00Е+05	4,55Е-07

где:

C_t - общая эффективная емкость, пикофарад,

R_t - общее последовательное сопротивление, Ом,

Е₁ - электрическое поле через тестируемую жидкость, вольт на метр,

Ф_а - приложенное напряжение постоянного тока, вольт,

I_s - последовательный ток, ампер (переходный ток смещения не измерялся).

Во время импульса длительностью 1 мс максимальное электрическое поле через тестируемую жидкость составляло порядка 8,5е+07 Вм^-1, что равно 850 кВ/см, что является гигантским электрическим полем. Ток через устройство ВЭ 300, однако, составлял порядка 4,5е-07 ампер, что является чрезвычайно малым током для такой интенсивности сгенерированного электрического поля (в эту цифру не входит переходный ток смещения). Измеренные данные представляют среднее по трем отдельным тестам. Между тестами источник питания выключался и устройство ВЭ 300 полностью опорожнялось.

Система 350 для теста на электропорацию использовалась с приложенным напряжением (Ф_а) 10 кВ. Электрическое поле Е₁, поданное на инокулированную жидкость при испытании при таком напряжении, составило 7,82е+06 Вм^-1 или приблизительно 78 кВ/мс. При физическом масштабе бактерии E.coli это поле равно 7,82 Вмкм^-1 и было достаточным для достижения критического трансмембранного потенциала (т.е. Ф_с~1 В), часто приводимого как порог для мембранной электропорации. Ток проводимости (I_a) через устройство ВЭ 300 во время теста составлял приблизительно 4,6е-08 ампер (0,0046 микроампер). Средняя потребляемая мощность на одном только устройстве ВЭ 300 без учета потерь в источнике питания и кабелях составляла порядка 4,6е-04 Вт (460 мкВт). Поскольку объем обрабатываемой жидкости составлял 600 мл и общее время до полного протекания составляло приблизительно 480 с, общее рассеяние энергии U₁ составило порядка 2,2е-1 Дж (221 миллиджоулей), что дает удельное потребление энергии U_s 1,75е-03 кДж/лR_log (1,75 джоулей/литр на логарифм уменьшения).

Накопленное время экспонирования (t_x) составило приблизительно 800 мс в среднем по расходу при общем времени обработки 480 с. Бактериальная нагрузка в тестовой жидкости была уменьшена на 38% (доля гибели (kill fraction) для колониеобразующих единиц на мл), или логарифм уменьшения приблизительно -0,21 log₁₀. Указанная доля гибели (kill fraction) является средней по семи пробам, отобранным с равными интервалами за время теста. Хотя величина уменьшения -0,21 log не является существенной для целей коммерческой пастеризации, она существенна для целей демонстрации эффективности вариантов настоящего изобретения, применяемых в области электропорации живых клеток. Не предпринималось попыток определить или измерить степень обратимой электропорации (т.е. временного повышения проницаемости мембраны), но учитывая большую долю гибели (kill fraction) эффекты электрошоковой стимуляции мембранной проницаемости на долю выживания сожителей (cohabitant survival fraction) остаются неизменными.

В коммерческой, академической и патентной литературе, относящейся к области устройств, способов и теории электропорации, раскрыты различные прилагаемые напряжения, величины интенсивности поля, формы импульсов, частоты импульсов, профили подъема и спада, геометрии и схемы потока среды. В предшествующем уровне техники применяются низкоимпедансные электропроводные электроды, соединенные непосредственно с обрабатываемой жидкостью, тем самым применяется преимущественно резистивная нагрузка в установившемся режиме (однако во всех резистивных цепочках имеются емкостные и индуктивные элементы, и эти элементы не релевантны настоящему исследованию). Это справедливо для клинических, лабораторных коммерческих систем. Однако варианты настоящего изобретения содержат последовательную емкостную цепочку. В нижеследующей таблице показаны критические электрические параметры изученных рабочих систем и устройств для электропорации (диапазон некоторых величин весьма широк, но показателен).

Таблица 2
	Фа [кВ]	Е1	tp [мкс]	fp [Гц]	Us [кДж/лRlog]
[Вм-1]	[кВсм-1]
Минимальная опубликованная величина	<0,1	5,00E+02	0,005	0,001	100	25
Максимальная опубликованная величина	75	8,7E+06	87	300	1,0E+06	11300

где:

Ф_а - приложенное напряжение, киловольт,

Е₁ - интенсивность поля, вольт на метр и киловольт на сантиметр,

t_p - ширина импульса, микросекунд,

f_p - частота импульсов, герц (как импульсов в секунду, а не циклов в секунду),

U_s - удельная энергия, килоджоулей на литр на логарифм уменьшения.

Данные, собранные в этом исследовании, охватывают широкий спектр и обратимых (переходное стимулирование проницаемости) и необратимых (смерть) эффектов электропорации, несколько типов бактерий и включают системы с коаксиальной (цилиндрической) и параллельной геометрией каналов для среды, а также схемы порционной и непрерывной обработки. Однако данные об удельной энергии U_s, требуемой устройством или способом для влияния на достигнутую долю гибели, публиковались редко (последняя колонка в таблице 2). Исследование, проведенное изобретателями, часто требовавшее расчетов, находящихся за пределами изучаемых отчетов, показало, что потребление энергии относительно доли гибели, как и показано, весьма высоко. Наоборот, высокоимпедансное устройство 300 для электропорации, изготовленное для демонстрации, затрачивало удельную энергию (U_s) порядка 75е-03 кДж/лR_log, т.е. на четыре порядка меньше, чем наименьшая из опубликованных величин удельной энергии (U_s) и на 6 порядков меньше, чем наибольшая из опубликованных величин (U_s) удельной энергии. Такое низкое потребление энергии на литр на логарифм уменьшения благодаря высокому импедансу элементов по настоящему изобретению дополнительно полностью решает проблемы электрохимии среды/электрода и омического нагрева, вызванного током, имеющиеся в устройствах и способах по предшествующему уровню техники.

Специалистам понятно, что, несмотря на то что для запитывания устройства ВЭ 300 в момент демонстрации использовалось не изменяющееся во времени постоянное напряжение (прямоугольные импульсы), можно использовать и изменяющееся во времени (переменное) напряжение. Дополнительно, хотя для геометрии последовательных емкостей использовалась геометрия параллельной пластины, в равной мере можно использовать и другие геометрии, например коаксиальную (цилиндрические последовательные емкости).

Дополнительно к использованию высокоимпедансного генерирования поля для электропорации биологических клеток изобретатели обнаружили конкордантное воздействие при применении акустической энергии и электропорации. Акустическая энергия может подаваться любыми желаемыми средствами. Например, акустическая энергия может подаваться 1) воздействием пьезоэлектрического преобразователя, прикрепленного к устройству ВЭ 300 так и в такой конфигурации, чтобы подавать акустическую энергию в среду, находящуюся в канале 230 или в прилегающем пространстве, одновременно с приложенным импульсом электрического поля, между импульсами электрического поля и/или после импульса или импульсов электрического поля; или 2) пьезоэлектрической реакцией самого диэлектрического электрода 200, в котором материал, выбранный как барьерный материал, обладает подходящими диэлектрическими свойствами и также является пьезоэлектрическим материалом. В этом случае, акустическая энергия имеет такую же длительность импульсов и интервалы между импульсами, что и приложенное поле. Можно также использовать оба средства подачи акустической энергии в единой системе. То есть диэлектрический электрод, сформированный из пьезоэлектрического материала, одновременно воздействует электрическим полем и акустической энергией на обрабатываемую среду, а второй специализированный электроакустический или магнитоакустический преобразователь расположен и сконфигурирован так, чтобы подавать акустическую энергию в обрабатываемую среду либо одновременно с подаваемым полем, либо до или после подачи поля, либо между импульсами поля.

Применение импульсного продольного фронта акустической волны к биологической клетке во время электропорации или сразу после нее создает периодическое радиационное давление на мембрану клетки. Поскольку электропорация приводит к развитию открытых пор сквозь мембрану клетки, воздействие радиационного давления, представленного как сила, перпендикулярная полярной оси мембраны клетки, приводит к деформации клетки. С учетом механической инерции клетки и вязкости супернатанта клетка сплющивается на полюсе под воздействием силы радиации. Когда клеточная мембрана сплющивается на полюсе (полярная ось проходит параллельно вектору силы радиации), угол падения между вектором радиации и участками мембраны, радиальными относительно полярной оси, постепенно уменьшается, т.е. становится более перпендикулярным вектору силы, тем самым способствуя процессу сплющивания. Этот процесс сплющивания продолжается, пока сила радиации не будет преодолена противодействующими силами инерции и вязкости и клетка не начнет двигаться. Во время сплющивания, однако, в отношении геометрии клетки действует один или оба из следующих факторов: 1) внутренний объем клетки уменьшается, или 2) площадь мембраны увеличивается (за счет растяжения). Сила, возникающая в результате нормального давления акустического продольного излучения с плоской волной, является явлением устоявшегося режима, поэтому сплющивание происходит только один раз, после чего форма клетки стремится восстановиться, а затем вся клетка стремится двигаться вместе с фронтом волны. Однако, если акустическая энергия является импульсной, цикл сплющивания/восстановления происходит с частой этих импульсов, если частота импульсов ниже, чем время механического восстановления формы клетки. Поскольку деформация периодически уменьшает и увеличивает внутренний объем клетки, результатом является "выкачивание". Это выкачивание приводит к выкачиванию цитоплазмы из клетки и к закачке в клетку межклеточной жидкости (супернатанта). Это приводит к ускорению клеточного паралича, ведущего к смерти и/или инактивации метаболизма организма, тем самым повышая эффективность и/или долю гибели для данной интенсивности электрического поля и времени экспозиции.

Хотя настоящее изобретение было подробно описано со ссылками на несколько вариантов, существуют дополнительные варианты и модификации, входящие в объем и изобретательскую идею настоящего изобретения, как определено в приложенной формуле.

1. Система с высоким импедансом для генерирования электрического поля, содержащая
пару электродов, содержащих диэлектрический материал, в которой каждый электрод имеет по меньшей мере одну поверхность, покрытую электропроводным материалом, и в которой диэлектрический материал образует барьер, отделяющий проводящее покрытие от обрабатываемой среды при ее обработке;
канал или пространство для среды, сформированный между парой электродов так, что электропроводный материал находится на той поверхности электрода, которая не контактирует с обрабатываемой средой в канале или пространстве;
источник изменяющегося во времени, не изменяющегося во времени или импульсного напряжения, соединенный с электродами;
корпус, содержащий эту пару электродов, при этом корпус выполнен с возможностью удерживать обрабатываемую статичную или динамическую среду в канале или пространстве.

2. Система по п.1, в которой диэлектрический материал имеет в совокупности статическую диэлектрическую проницаемость более 8,8е-11 Фм^-1 при ≤1,0 кГц, объемное удельное сопротивление более 1,0Е+04 Ом/см, и максимально допустимую напряженность электрического поля более 1,0 кВ/мм.

3. Система по п.1, в которой электроды выполнены удлиненными, имеют квадратное сечение и расположены параллельно.

4. Система по п.3, в которой канал или пространство для среды расположено между электродами.

5. Система по п.1, в которой электроды являются удлиненными трубками, имеющими разные диаметры.

6. Система по п.5, в которой электроды расположены коаксиально, при этом электрод меньшего диаметра расположен внутри электрода большего диаметра, образуя между ними кольцевой канал.

7. Система по п.6, в которой внешняя поверхность электрода большего диаметра и внутренняя поверхность электрода меньшего диаметра покрыты электропроводным материалом.

8. Система по п.1, в которой диэлектрическим барьерным материалом является керамика с высокой диэлектрической проницаемостью, композит из твердых частиц и эпоксидной смолы или другой подходящий диэлектрический материал.

9. Система по п.1, в которой обрабатываемая среда находится в жидкой, газовой или твердой фазе.

10. Система по п.1, дополнительно содержащая средство для подачи импульсной акустической энергии в обрабатываемую среду.

11. Система по п.1, дополнительно содержащая электроакустический или механоакустический преобразователь, выполненный с возможностью подавать акустическую энергию в обрабатываемую среду.

12. Система по п.1, в которой электроды выполнены из пьезоэлектрического материала, выполненного с возможностью подавать акустическую энергию в обрабатываемую среду.

13. Система с высоким импедансом для генерирования электрического поля, содержащая
пару электродов, содержащих диэлектрический материал, в которой каждый электрод имеет, по меньшей мере, одну поверхность, покрытую электропроводным материалом, при этом диэлектрический материал образует барьер, отделяющий проводящее покрытие от обрабатываемой среды, и имеет диэлектрическую проницаемость более 8,8е-11 Фм^-1 при ≤1,0 кГц, объемное удельное сопротивление более 1,0Е+04 Ом/см, и максимально допустимую напряженность электрического поля более 1,0 кВ/мм;
канал или пространство для среды, сформированный между парой электродов так, что электропроводный материал находится на той поверхности электрода, которая не контактирует с обрабатываемой средой в канале или пространстве;
источник изменяющегося во времени, не изменяющегося во времени или импульсного напряжения, соединенный с электродами, в которой диэлектрический материал расположен параллельно или коаксиально, образуя последовательную емкостную цепочку с обрабатываемой или тестируемой средой, которая концентрирует или интенсифицирует электрическое поле, подаваемое в упомянутую среду, и
корпус, содержащий пару электродов и выполненный с возможностью удерживать статичную или динамичную среду в упомянутом канале или пространстве.

14. Система по п.13, в которой диэлектрический барьерный материал изолирует среду от электропроводного покрытия, по существу препятствуя протеканию фарадеевского тока и электрохимическим реакциям на интерфейсе среда/электрод.

15. Система по п.13, в которой диэлектрический барьерный материал дополнительно изолирует среду от электропроводного покрытия, по существу препятствуя возникновению электронного и ионного тока проводимости и омического нагрева системы.

16. Система по п.13, дополнительно, содержащая устройство для подачи импульсной акустической энергии в среду, обрабатываемую или тестируемую электрическим полем, при этом акустическая энергия подается, совпадая во времени или в пространстве, и/или чередуясь во времени или пространстве, и/или последовательно во времени или пространстве относительно подачи электрического поля.

17. Система по п.1, дополнительно содержащая электроакустический или механоакустический преобразователь, выполненный с возможностью подавать акустическую энергию в обрабатываемую среду.

18. Система по п.1, в которой электроды выполнены из пьезоэлектрического материала, выполненного с возможностью подавать акустическую энергию в обрабатываемую среду.

19. Способ обработки среды электрическим полем, при котором
формируют канал или пространство для среды между парой электродов, причем эти электроды содержат диэлектрический материал и каждый электрод имеет по меньшей мере одну поверхность, покрытую электропроводным материалом, при этом диэлектрический материал образует барьер, отделяющий проводящее покрытие от обрабатываемой или тестируемой среды, и проводящий материал, находящийся на поверхности электрода, не находится в контакте с обрабатываемой средой в канале или пространстве;
заключают электроды в корпус так, чтобы удерживать обрабатываемую среду в статическом или динамическом состоянии в канале или пространстве,
подключают источник не изменяющегося во времени, изменяющегося во времени или импульсного напряжения к каждой поверхности электрода, покрытой проводящим материалом, тем самым создавая электрическое поле, проходящее сквозь среду, находящуюся в канале или пространстве, и
вводят среду в канал или пространство так, что среда подвергается воздействию электрического поля и тем самым обрабатывается или тестируется.

20. Способ по п.19, дополнительно содержащий шаг, при котором выбирают диэлектрический материал, имеющий диэлектрическую проницаемость более 8,8е-11 Фм^-1 при ≤1,0 кГц, объемное удельное сопротивление более 1,0Е+04 Ом/см, и максимально допустимую напряженность электрического поля более 1,0 кВ/мм, тем самым электрически изолируя обрабатываемую среду и по существу предотвращая возникновение фарадеевского тока, тока проводимости и электрохимических реакций на интерфейсе среда/электрод, а также омический нагрев обрабатываемого или тестируемого материала.

21. Способ по п.19, дополнительно содержащий два диэлектрических электрода, образующих канал или пространство для среды между двумя параллельными удлиненными электродами, в котором электроды имеют квадратное или прямоугольное сечение и где параллельная геометрия электродов образует емкостную цепочку с обрабатываемой средой, тем самым концентрируя или усиливая электрическое поле, проходящее сквозь обрабатываемую среду.

22. Способ по п.19, дополнительно содержащий два диэлектрических электрода, образующих канал или пространство для среды между двумя трубчатыми, расположенными коаксиально электродами, причем коаксиальная геометрия электродов образует емкостную цепочку с обрабатываемой средой, тем самым концентрируя или усиливая электрическое поле, проходящее сквозь обрабатываемую среду.

23. Способ по п.19, в котором обрабатываемая или тестируемая среда находится в жидкой, газовой или твердой фазе.

24. Способ по п.19, дополнительно содержащий шаг, при котором подают в обрабатываемую или тестируемую среду акустическую энергию одновременно, чередуясь между импульсами, и/или после подачи электрического поля.

25. Высокоимпедансный способ экспонирования обрабатываемой среды электрическим полем, при котором
формируют канал или пространство между парой электродов, в которой электроды содержат диэлектрический материал и в которой каждый электрод имеет, по меньшей мере, одну поверхность, покрытую электропроводным материалом, и в которой диэлектрический материал образует барьер, отделяющий проводящее покрытие от обрабатываемой или тестируемой среды, при этом проводящий материал, помещенный на поверхность электрода, не контактирует со средой в канале или пространстве;
заключают электроды в корпус так, чтобы удерживать обрабатываемую среду в статическом или динамическом состоянии в канале или пространстве,
подключают источник не изменяющегося во времени, изменяющегося во времени или импульсного напряжения к электродам, при котором диэлектрический материал расположен в параллельной или коаксиальной геометрии, образуя последовательную емкостную цепочку с обрабатываемой или тестируемой средой, концентрирующую или интенсифицирующую электрическое поле, подаваемое в среду, и
вводят среду в канал или пространство так, что среда экспонируется электрическим полем.

26. Способ по п.25, дополнительно содержащий диэлектрический материал, изолирующий среду от электропроводного покрытия, тем самым по существу предотвращая возникновение фарадеевского тока, тока проводимости и электрохимические реакции на интерфейсах среда/электрод.

27. Способ по п.25, в котором диэлектрический материал является керамикой с высокой диэлектрической проницаемостью, композитом из твердых частиц и эпоксидной смолы или другим подходящим материалом.

28. Способ по п.25, дополнительно содержащий шаг, при котором в среду подают акустическую энергию, при этом акустическую энергию подают совпадая, чередуясь и/или последовательно относительно подачи электрического поля.