СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА
PROCEDURE AND DEVICE FOR DETECTING SINGLET OXYGEN

Изобретение относится к способам и средствам для регистрации образования синглетного кислорода в атмосфере.
Совсем недавно синглетный кислород был малоизвестен либо рассматривался как спектроскопическое состояние, представляющее лишь теоретический интерес для физики верхней атмосферы. В последние годы синглетный кислород привлек внимание широкого круга исследователей. Оказалось, что он, обладая малым временем жизни, проявляет высокую реакционную способность при взаимодействии со многими органическими соединениями, играет существенную роль в химии загрязненной городской атмосферы, способствует разрушению органических материалов, участвует в жизненных процессах растений и животных, является важнейшим реагентом при фотодинамической терапии опухолей. В биохимических и фотобиохимических системах, включая фотосинтезирующие организмы и зрительные фоторецепторы, также важную роль играет кислород, который подвергается индуцируемой светом активации, приводящей к заселению его синглетных состояний. Все больше исследований в фотофизиологии проводится по выяснению механизма такой активации, изучению путей дезактивации и функциональной роли синглетного кислорода в этих системах.
В результате специальных исследований выявлено, что на границе кристаллов льда и воздуха при естественном солнечном освещений образуется кислород в электронно-возбужденном (синглетном) состоянии. При этом кристаллы льда ведут себя подобно полупроводнику, в котором наблюдаются зона проводимости и запрещенная зона. Роль носителей заряда выполняют протоны. При воздействии солнечной радиации на кристаллы льда, в их толще возможно образование экситонов, которые, дрейфуя к поверхности кристалла, взаимодействуют с молекулами кислорода в основном квантовом (триплетном) состоянии. Взаимодействие молекулы триплетного кислорода с вышедшим на поверхность кристалла льда экситоном приводит к образованию молекулы синглетного кислорода. Подобное образование синглетного кислорода в нижней тропосфере должно наблюдаться при наличии большого количества микрокристаллов льда и снега при наличии солнечной радиации.
В связи с этими исследованиями возникает задача надежной регистрации образования синглетного кислорода в атмосфере
Для оценки новизны и технического уровня изобретения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с изобретением признаков.
Известны методы анализа, использующие индуцированную люминесценцию, в одном из которых анализу подвергается среда, подозреваемая на содержание аналита, в которой фотосенсибилизатор и хемилюминесцирующее вещество вступают в контакт (патент US 6251581). Фотосенсибилизатор генерирует синглетный кислород и активирует хемилюминесцирующее вещество в момент контакта. Активированное хемилюминесцирующее вещество соответственно производит свет. Количество произведенного света и связано с количеством аналита в среде. Предпочтительно, чтобы один из двух компонентов, фотосенсибилизатор или хемилюминесцирующее вещество, связывался с поверхностью взвешенной в среде частицы, и возникшая специфическая пара присоединяется к ней.
Известны методы с использованием фотоактивированных хемилюминесцентных матриц, например методы, комбинирующие материал с фотосенсибилизатором, способным под действием радиации генерировать синглетный кислород (патент US 6180354), либо с хемилюминесцирующим компонентом, способным при активации его синглетным кислородом, в котором фотосенсибилизатор и хемилюминесцирующий компонент включены в специфическую матрицу или неспецифическую твердотельную матрицу. Специфическая матрица может быть твердой или жидкой. Эти методы приводят к генерации задержанной хемилюминесценции, возникающей при облучении матрицы радиацией. Указанные методы используются при определении аналита в среде, подозреваемой на его наличие. Один из методов заключается в подвержении среды, подозреваемой на содержание аналита, условиям, в которых из-за присутствия аналита образуется комплекс из специфически связанных парных (ссп) членов и определении того, что состоящий из ссп членов комплекс сформировался с использованием в качестве метки единственного состава, имеющего оба свойства: и хемилюминесцентное, и фотосенсибилизирующее. При активации фотосенсибилизирующего свойства генерируется синглетный кислород и активируется хемилюминесцирующее свойство.
Общим недостатком всех вышеописанных способов является то, что они не являются достаточно надежными, поскольку в сложных химических системах могут присутствовать и иные активные формы кислорода, которые могут влиять на результаты количественного анализа синглетного кислорода, не всегда являются безопасными, поскольку требуют использования ионизирующее излучение, оборудование является громоздким и энергоемким.
1
1
+
3
+
1
3
g
g
g
2
g
2
g
Одним из основных методов прямого обнаружения и измерения содержания синглетного кислорода является спектроскопический метод, который сводится к измерению спектральной интенсивности эмиссии синглетного кислорода в видимой (λ=762 нм) и инфракрасной (λ=1270 нм) областях спектра (В.В.Лунин, М.П.Попович, С.Н.Ткаченко. Физическая химия озона. - М.: Изд-во МГУ, 1998. - 480 с.). Такая эмиссия возникает при переходе молекулы кислорода с первых двух возбужденных (Δ и Σ ) синглетных состояний на основной триплетный (Σ ) уровень. Однако следует отметить, что во многих системах наблюдается излучение, приписываемое возбужденным димерам кислорода: 2O(Δ)=2O(Σ)+hv, при этом эмиссия соответствует длине волны 634 нм. Такой способ измерения содержания синглетного кислорода применим в основном в газофазных реакциях, когда скорости деактивации синглетного кислорода молекулами других газов могут быть небольшими, хотя бы за счет понижения давления газовой смеси. Если же требуется анализ синглетного кислорода, например, в растворах или в гетерогенных системах, то пользоваться этим методом становится затруднительно из-за эффективного разрушения синглетного кислорода в конденсированных средах.
В этом случае предпочтительным методом анализа может оказаться люминесцентный метод, когда электронное возбуждение в молекуле 9,10-дифенилантрацена (DPA) при его окислении синглетным кислородом происходит в результате эндотермической химической реакции. В работах S.Miyamoto, R.Martinez and others. Singlet molecular oxygen generated from lipid hydroperoxides by the Russell mechanism. J. Am. Chem. Soc. 125(20), 6172-6179, 2003 и H.H.Seliger. Analyt. Biochem. 1, 60, 1960 описываются наблюдения хемилюминесценции в растворе тетрогидрофурана при окислении дифенилантрацена перекисью водорода. В ряде других работ, например, S.Miyamoto, R.Martinez and others. Direct evidence of singlet molecular oxygen production in the reacton of linoleic acid hydroperoxide with peroxynitrite. J. Am. Chem. Soc. 125(15), 4510-4517, 2003 и M.J.Steinbeck, A.U.Khan, M.J.Karnovsky. Extracellular production of singlet oxygen by stimulated macrophages quantified using 9,10-diphenylanthracene and perylene in a polystyrene film. J. Biol. Chem., Vol.268, Issue 25, 15649-15654, 1993, DPA использовался химиками в качестве весьма селективного акцептора («химическая ловушка») синглетного кислорода. Все это подтверждает, что при определенных условиях окисление DPA молекулами синглетного кислорода может привести к хемилюминесценции. Действительно, хемилюминесценция наблюдается в области длин волн 465 нм. Эта полоса совпадает со спектром фотолюминесценции DPA, что позволяет рассматривать DPA как люминесцирующую добавку в системе, обеспечивающую эффективный энергосъем с возбужденных молекул-продуктов окисления исходного вещества синглетным кислородом. Такая ситуация, по-видимому, справедлива только не для условий полного израсходования DPA в системе.
Задачей изобретения является обеспечение промышленности и научно-исследовательских организаций средством измерения концентрации синглетного кислорода в газовой фазе.
Актуальность решаемой изобретением задачи объясняется следующим.
Синглетный кислород представляет собой кислород в электронно-возбужденном состоянии. В основном квантовом состоянии кислород является триплетной молекулой. Синглетный кислород играет важную роль в многообразных процессах биосферы от чисто фотофизических в земной атмосфере до включения в важнейшие фотобиологические реакции живых организмов и растений. А также синглетный кислород служит мощным бактерицидным агентом. Именно синглетный кислород играет ключевую роль в фотодинамической терапии опухолей, когда инициатором процесса запуска цепей выступает свет, а синглетный кислород образуется в организме человека, локализуясь преимущественно в опухолевых зонах и приводя опухолевые клетки к некрозу. Синглетный кислород обладает в силу своего химического строения высокой реакционной способностью в реакциях окисления сложных молекул. Он с успехом применяется в химической промышленности при синтезе эндопероксидов, диоксетанов, эпоксидов, диоксиранов и других веществ. Важную роль синглетный кислород играет в фотохимии атмосферы, принимая участие в процессах трансформации примесей, в том числе обладающих токсическими свойствами.
Сущность первого независимого объекта изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.
3
Согласно изобретению способ регистрации синглетного кислорода, заключающийся в том, что на поверхность датчика наносят предварительно приготовленную хемилюминесцентную композицию, затем осуществляют сушку датчика до момента постоянства остаточного веса, после чего датчик помещают в проточный реактор напротив катода фотоэлектронного умножителя, сигнал с которого через схему преобразования направляют на дисплей индикатора для отображение значения концентрации молекул вещества, вступившие в хемилюминесцентную реакцию с композицией на поверхности датчика, функцию преобразования которого градуируют от встроенного фотохимического генератора - источника поверочных газовых смесей, характеризуется тем, что регистрацию синглетного кислорода осуществляют в условиях присутствия в анализируемом воздухе дополнительно некоторого фонового значения концентрации озона на уровне 5…50 мкг/м, при этом в процедуру приготовления хемилюминесцентной композиции включают растворение при определенной температуре 9,10-дифенилантрацена в растворителе, в качестве которого выбирают смесь этанола и хлороформа, и при достижении концентрацией растворенного 9,10-дифенилантрацена заданных пределов, полученный раствор наносят на подложку из синтетического клееного нетканого материала, пропитанного смесью латексов.
Кроме того, первый независимый объект изобретения характеризуется рядом дополнительных признаков, а именно:
- 9,10-дифенилантрацена растворяют в растворителе при температуре 290…313K;
- смесь этанола и хлороформа приготавливают в соотношении 1:1 этанола марки ректификат и хлороформа марки ЧДА;
- растворение 9,10-дифенилантрацена в растворителе осуществляют до достижения концентрации в пределах 0,05…0,07 моль/Л;
- синтетический клееный нетканый материал пропитывают смесью латексов Акронал 35Д и Акронал 230B;
- синтетический клееный нетканый материал пропитывают смесью латексов Акторан 230B и Аппретан 9212.
Сущность второго независимого объекта изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.
3
Устройство для регистрации синглетного кислорода, включающее твердотельный датчик, на поверхности которого нанесена хемилюминесцентная композиция, проточный реактор, фотоэлектронный умножитель, схему преобразования со встроенным фотохимическим генератором - источником поверочных газовых смесей и дисплей индикатора, характеризуется тем, что оно дополнительно содержит средство, продуцирующее в анализируемом воздухе дополнительно некоторое фоновое значение концентрации озона на уровне 5…50 мкг/м.
Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков заявленного технического решения, заключается в том, что озон при соответствующей концентрации активирует компоненты специальным заявленным способом приготовленной хемилюминесцентной композиции датчика и делает его чувствительным к синглетному кислороду.
Способ реализуют следующим образом.
На поверхность датчика, выполненного, например, из целлюлозы, наносят предварительно приготовленную хемилюминесцентную композицию, которую приготавливают путем растворения при температуре 290…313K 9,10-дифенилантрацен в растворителе, в качестве которого выбирают смесь этанола и хлороформа, которую приготавливают в соотношении 1:1 этанола марки ректификат и хлороформа марки ЧДА.
При достижении концентрацией растворенного 9,10-дифенилантрацена заданных пределов 0,05…0,07 моль/Л полученный раствор наносят на подложку из синтетического клееного нетканого материала, пропитанного смесью латексов. Синтетический клееный нетканый материал пропитывают смесью латексов Акронал 35Д и Акронал 230B или смесью латексов Акторан 230B и Аппретан 9212.
После этого осуществляют сушку датчика до момента постоянства остаточного веса, после чего датчик помещают в проточный реактор напротив катода фотоэлектронного умножителя, сигнал с которого через схему преобразования направляют на дисплей индикатора для отображение значения концентрации молекул вещества, вступившие в хемилюминесцентную реакцию с композицией на поверхности датчика, функцию преобразования которого градуируют от встроенного фотохимического генератора - источника поверочных газовых смесей. Хемилюминесцентный датчик, выполненный на основе 9, 10-дифенилантрацена, обладает высокой чувствительностью и селективностью по отношению к синглетному кислороду.
Регистрацию синглетного кислорода осуществляют с помощью устройства, которое кроме вышеописанного особым образом выполненного датчика содержит проточный реактор, фотоэлектронный умножитель, схему преобразования со встроенным фотохимическим генератором - источником поверочных газовых смесей и дисплей индикатора.
3
Присутствие в анализируемом воздухе некоторого фонового значения концентрации озона на уровне 5…50 мкг/м обеспечивается специальным средством, которое выполнено на основе проточного фотохимического реактора, в котором при продувке через реактор очищенного от примесей воздуха под действием излучения от ртутно-кварцевой лампы низкого давления образуется озон.
Работа первичного измерительного преобразователя - хемилюминесцентного датчика синглетного кислорода, как компаратора - должна быть обеспечена градуировкой функции преобразования от внешнего генератора газовых смесей: синглетный кислород-воздух. В качестве калибратора - генератора газовых смесей синглетного кислорода низких значений концентраций можно использовать фотохимический генератор ГС-024. В качестве источника высоких значений концентраций синглетного кислорода можно использовать генератор с проточным модулем низкочастотного барьерного разряда в кислороде.
Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения. Заявленный способ и реализующее его устройство могут быть реализованы промышленным способом с использованием известных технических средств и технологий.