Ю.В. Гуляев1, В.П. Мещанов2, В.А. Елкин3, Б.М. Кац4, В.В. Комаров5, Н.А. Коплевацкий6,
А.А. Лопатин7, А.П. Рытик8, К.А. Саяпин9, В.Б. Байбурин10, С.Л. Чернышев11

1 Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (Москва, Россия)

2-7,9,10 НПП «НИКА-СВЧ» (г. Саратов, Россия)

5,10 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (г. Саратов, Россия)

8,9 Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (г. Саратов, Россия)

11 МГТУ имени Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Интенсивное электромагнитное излучение в настоящее время достаточно широко применяется в различных областях науки и техники – в физике, химии, биологии, медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, при производстве строительных материалов и других сферах деятельности. Первоначально исследователями наиболее активно изучалось и применялось тепловое воздействие электромагнитного излучения на обрабатываемые объекты в виде их облучения непрерывным радиосигналом, основанное на поглощении электромагнитного излучения полярными молекулами и преобразовании его в тепло. В последние годы серьезный интерес исследователей вызвало нетепловое воздействие импульсного электромагнитного излучения, в особенности – на биологические структуры: на организмы, клетки, вирусы, микробы и т.п., которое выгодно отличается от других методов воздействия простотой, отсутствием долговременных побочных эффектов, сохранением структуры и свойств облучаемого биологического материала.

Цель. Разработать комплекс низкоинтенсивного облучения и исследование эффективности процесса обеззараживания водосодержащих биологических материалов и сред путем воздействия импульсного (нетеплового) радиоизлучения и провести анализ перспектив его применения в медицине, биологии, микробиологии.

Результаты. Разработан, изготовлен и испытан экспериментальный комплекс для проведения исследований процессов воздействия импульсного (нетеплового) радиоизлучения на биологические водосодержащие материалы и среды, в частности, на примерах пищевой продукции, для медицинских целей. Отмечено, что в основе метода лежит идея оптимального управления электрофизическими параметрами облучающего радиосигнала в зависимости от типа облучаемого объекта. Для облучения использованы импульсные магнетроны с рабочей частотой 2,45±0,05 ГГц, разрешенной для медико-биологических исследований, генерирующие импульсное излучение с регулируемой мощностью в интервале 0,1…10 кВт; частота следования
импульсов со скважностью 500…10000 составила 0,1…5 кГц.

Практическая значимость. Установка была успешно использована для облучения импульсным СВЧ-сигналом различных образцов водосодержащих биологических сред, в т.ч. пищевых материалов с патогенной микрофлорой (Salmonell spp. и др.), и показала существенное увеличение сроков их хранения продолжительностью до 28 дней. Для производителей пищевой, в т.ч. мясной, продукции увеличение сроков ее хранения при сохранении высоких органолептических свойств является одним из важнейших коммерческих показателей. Одновременно при длительных сроках транспортировки и хранения пищевой продукции для потребителей обеспечивается сохранение ее качества и гарантируется безопасность использования. Исследования медицинской направленности по определению режимов воздействия облучающего импульсного СВЧ-радиосигнала на онкологические новообразования в организме человека выявили возможность его безопасного применения для подавления роста злокачественных опухолей. Еще одной из перспективных технологий медицинской направленности является применение низкоинтенсивного микроволнового излучения для стерилизации хирургических инструментов.

1. Welt B., Tong C., Rossen J., Lund D. Effect of microwave radiation on inactivation of Clostridium sporogenes (PA 3679) spores // Appl. Environ. Microbiol. 1994. V. 60. P. 482–488. DOI: 10.1128/aem.60.2.482-488.1994.            
2. Letellier M., Budzinski H. Microwave assisted extraction of organic compounds // Analusis. 1997. V. 27. P. 259–270. DOI: 10.1051/analusis:1999116.
3. Shaw P., Kumar N., Mumtaz S., etc. Evaluation of non-thermal effect of microwave radiation and its mode of action in bacterial cell inactivation // Sci Rep. 2021. V. 11. 14003. P. 259–270. DOI: 10.1038/s41598-021-93274-w.
4. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А. О возможности использовании мощных электромагнитных импульсов для обеззараживания бактереологически загрязненных объектов // Журнал радиоэлектроники. 2020. № 4. С. 1–3. DOI: 10/30898.1684-1719.2020.4.13.
5. Gulyaev Yu.V., Taranov I.V., Cherepenin V.A. The Use of High-Power Electromagnetic Pulses on Bacteria and Viruses // Doklady Physics. 2020. V. 65. № 7. P 230-232. DOI:10.1134/S1028335820070034.
6. Гуляев Ю.В., Таранов И.В., Черепенин В.А. Использование мощных электромагнитных импульсов для воздействия на бактерии и вирусы // Доклады Российской академии наук. Физика. Технические науки. 2020. Т. 493. № 1. С. 15–17. DOI:10.31857/S2686740020040069.
7. Kubo M.T., Siguemoto E.S., etc. Non-thermal effects of microwave and ohmic processing. P. 36–48. DOI: https://doi.org/ 10.1038/s41598-021-93274-w.
8. Lystsov V.N., Frank-Kamenetskii D.A., Shchedrina M.V. Effect of centimeter radiowaves on vegetative celles, spores and transformating DNA // Biophysics.1965. V. 10. № 1. P. 114–119.
9. Lukasz S. Kaczmarczyk, Katherine S. Marsay, Sergey Shevchenko and etc. Corona and polio viruses are sensitive to short pulses of W-band gyrotron Radiation Environmental // Chemistry Letters. August.  DOI: 10.1007/s10311-021-01300-0.