Излучение слабо ионизованной плазмы искрового разряда для исследования биологических объектов

И.П. Иванова1, К.А. Астафьева1, А.И. Самойлова1, С.В. Трофимова1, И.М. Пискарев

ИЗЛУЧЕНИЕ СЛАБО ИОНИЗОВАННОЙ ПЛАЗМЫ ИСКРОВОГО РАЗРЯДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Нижегородская государственная медицинская академия, Нижний Новгород, Россия

л

НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына, МГУ, Москва, Россия

Работа посвящена изучению свойств химически активных частиц, генерируемых в воде под действием излучения слабо ионизованной плазмы искрового разряда на воздухе. Так как плазма является слабо ионизованной, единственным активным фактором такого разряда является его излучение. Закон сохранения энергии допускает образование в воде под действием импульсного излучения радикалов HO2*, атомов О* и молекул N2O. Вторичными активными частицами являются азотистая и азотная кислота, пероксинитрит и пероксиазотистая кислота. Под действием излучения исследовалась флуоресценция триптофана, тирозина, фенилаланина, а также окислительно-восстановительные процессы в альбумине. При обработке альбумина было обнаружено увеличение концентрации -SH групп. Увеличение концентрации -SH групп связано с восстановлением дисульфидных связей в альбумине. Исследовалось воздействие излучения плазмы на аминокислоты и альбумин. Установлено, что в этом процессе карбоксильная группа -COOH и аминогруппа NH2 не повреждаются. Разрушается только аминокислотный радикал R. В результате накапливаются низкомолекулярные продукты, дающие пик поглощения в УФ спектре при длинах волн 220 -230 нм.

Ключевые слова: искровой разряд, слабо ионизированые плазма, биологические объекты

Work is devoted to studying of the properties of chemical active species generated in the water by the radiation of a low ionized plasma spark discharge. As plasma is low ionized, the only active factor is plasma radiation. Energy conservation law allows the formation in water under pulse radiation radicals HO2*, atoms О* and molecules N2O. Secondary active species are nitric and nitrous acids, peroxynitrite and peroxynitrous acid. Under radiation it was investigated the fluorescence of tryptophan, tyrosine and phenylalanine, and redox processes in albumin. After treatment of albumin the concentration of -SH groups was found to increase. The increasing of -SH groups concentration is related to reduction of disulfide bonds in albumin. We have studied the effect of plasma radiation on amino acids and albumin. It was stated in this process the carboxyl group -COOH and amino group NH2 are not damage. It destroyed only amino acid radical R. As a result, low-molecular products accumulate which give an absorption peak in the UV spectrum at wavelengths 220 - 230 nm.

Key words: spark discharge, low ionized plasma, biological objects

Введение. Генерирование химически активных частиц под действием физических методов воздействия широко применяется в практике медико-биологических исследований. Разные частицы имеют разную химическую активность и обладают специфическим спектром действия. Универсальным окислителем, который способен воздействовать практически на все органические соединения, является гидроксильный радикал. Излучение разряда, мощность которого выбрана из условия получения максимального химического эффекта в воде, изучено мало. При повышении мощности разряда больше оптимальной основная доля энергии излучения переходит в область вакуумного ультрафиолета, и при обработке объекта на воздухе бесполезно теряется. При понижении мощности разряда меньше оптимальной основная доля

излучения переходит в область видимого света, и его химическая активность теряется. Представляет интерес изучить особенности механизма воздействия импульсного УФС излучения слабо ионизованной плазмы на конкретные органические соединения, входящие в состав клетки, в частности, на аминокислоты. Изучению свойств химически активных частиц, генерируемых в воде под действием излучения слабо ионизованной плазмы искрового разряда на воздухе, посвящена данная работа.

Методика эксперимента. Использовался источник излучения ИР-10, величина высокого напряжения 11 кВ, частота повторения импульсов 10 Гц, максимум спектра излучения при длине волны 220 нм [1]. Температура искрового шнура составляет ~104 °К. Средняя энергия молекул газа при такой температуре ~1.5 эВ. Потенциалы ионизации молекул газа, входящих в состав воздуха, составляют 13 - 14 эВ. Поэтому плазма является слабо ионизованной, образование активных частиц в такой плазме энергетически невозможно. Единственным активным фактором такого разряда является его излучение.

Закон сохранения энергии допускает образование в воде под действием импульсного излучения радикалов Н02*, атомов О* и молекул К20 [1]. Вторичными активными частицами являются азотистая и азотная кислота, пероксинитрит и пероксиазотистая кислота. Азотистая и пероксиазотистая кислоты могут быть как окислителями, так и восстановителями. Пероксинитрит и пероксиазотистая кислота образуют комплекс, время жизни которого до 14 суток [2]. Методы идентификации активных частиц, использованные нами, рассмотрены в работах [1, 2]. Под действием излучения исследовалась флуоресценция триптофана, тирозина, фенилаланина, а также окислительно-восстановительные процессы в альбумине. Предварительно исследовалась зависимость флуоресценции триптофана, тирозина и фенилаланина от их концентрации, так как при большой концентрации сами эти вещества оказываются тушителями флуоресценции. Установлено, что тушение флуоресценции не происходит при концентрациях меньше 0.1 ммоль/л.

Результаты экспериментов. При обработке альбумина было обнаружено увеличение концентрации -БН групп. Увеличение концентрации -БН групп связано с восстановлением дисульфидных связей в альбумине. Восстановительными свойствами могут обладать продукты распада пероксиазотистой кислоты и азотистая кислота.

Исследовалось воздействие излучения плазмы на аминокислоты и альбумин. Установлено, что в этом процессе карбоксильная группа -С00Н и аминогруппа КН2 не повреждаются. Разрушается только аминокислотный радикал Я. В результате воздействия излучения не меняются константы диссоциации аминокислот рКа1 и рКа2. Пептидные связи в молекулах белка (альбумина) разрушаются. После облучения, как в аминокислотах, так и в альбумине, накапливаются низкомолекулярные продукты, дающие пик поглощения в УФ спектре при длинах волн 220 - 230 нм.

При измерении флуоресценции установлено, что под действием излучения положение линии возбуждения не меняется, изменяется положение линии испускания и интенсивность флуоресценции. Обнаружено упругое рассеяние УФ излучения на уровне, соответствующем энергии возбуждения. По мере уменьшения интенсивности флуоресценции с увеличением времени облучения интенсивность упругого рассеяния увеличивается и намного превышает интенсивность флуоресценции.

Обсуждение. Для радикала Н02* наиболее характерной реакцией является отрыв атома водорода у молекулы-мишени и присоединение его к радикалу: Н02* + Н* Н202. При этом выделяется энергия 88 ккал/моль. Энергия 88 ккал/моль может быть израсходована на отрыв атома водорода у молекулы-мишени. Энергия связи атома водорода в карбоксильной и аминной группах превышает это значение, поэтому изменение кислотно-основных свойств аминокислот при облучении не было обнаружено. В углеводородах радикал Н02* может отрывать атом водорода, если его энергия связи в молекуле меньше 88 ккал/моль. В частности, радикал Н02* может окислять ненасыщенные жирные кислоты, и ароматические соединения, у которых есть хотя бы одна двойная связь. Поэтому при облучении аминокислот разрушаются аминокислотные радикалы Я.

В альбумине имеются 35 молекул цистеина (содержащего -SH группу), из которых 34 молекулы попарно соединены дисульфидными мостиками -SS- в цистин. Цистин может восстанавливаться: RSSR + 2 H* 2RSH. Обратный процесс, окисление с образованием RSSR энергетически невозможен. Но группы -SH могут окисляться. Поэтому при обработке альбумина излучением слабо ионизованной плазмы концентрация -SH групп растет, достигает максимального значения и остается на этом уровне, так образующиеся при восстановлении RSSR группы -SH дальше окисляются радикалами HO2* с образованием кислородсодержащих соединений.

Под действием излучения разрушается структура флуоресцирующей молекулы, в результате чего оказывается затрудненной разрядка возбужденного уровня. Поэтому вероятность упругого рассеяния сильно возрастает, и упругое рассеяние становится преобладающим каналом его распада. Наблюдение упругого рассеяния совместно с флуоресценцией позволяет получать дополнительную информацию о свойствах молекулы-мишени.

Изучение воздействия излучения слабо ионизованной плазмы на органические вещества позволяет обнаруживать новые эффекты, что расширяет возможности медико-биологических исследований.

Список литературы:

1. Пискарев И.М., Иванова И.П., Трофимова С.В., Аристова Н.А. Образование активных частиц при искровом электрическом разряде и их возможное использование //Химия высоких энергий. -2012.-Т. 46.-№ 5-С. 406-411.

2. Пискарев И.М., Иванова И.П., Трофимова С.В. с соавт. Образование пероксинитрита под действием излучения плазмы искрового разряда // Химия высоких энергий.-2014.-Т.48; № 3.-С.253-256.