Механизм воздействия УФ-излучения искрового разряда и ртутной лампы низкого

Механизм воздействия УФ-излучения искрового разряда и ртутной лампы низкого
давления на биологические объекты.
И.П. Иванова, И.М. Пискарев*, С.В. Трофимова
Нижегородская государственная медицинская академия, нач. лаборатории И.П.
Иванова. Н. Новгород, 603005, пл. Минина и Пожарского, 10/1. [email protected]
*НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного
университета имени М.В. Ломоносова, директор М.И. Панасюк. Москва, 117234,
Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
Введение.
Физические
методы
воздействия
на
биологические
объекты
представляют интерес в связи с тем, что они могут быть использованы для диагностики
и лечения различных заболеваний, а также в ходе научных исследований. Ранее было
установлено, что искровой электрический разряд вызывает серьезные изменения в
обрабатываемых образцах, однако детально характеристики активных факторов
разряда и их связь с происходящими изменениями не была установлена. В связи с этим
нами была выполнена оптимизация параметров искрового разряда с целью получения
максимального химического эффекта в воде, определен состав первичных химически
активных частиц, возникающих под действием искрового разряда (ИР) и ртутной
лампы низкого давления (РЛНД). Исследованы реакции активных частиц с
материалами образцов. Для этого разработана математическая модель процессов под
действием ИР и РЛНД, выполнены расчеты реакций в липидах и белках,
экспериментально определены характеристики реакций. Установлено, что основным
активным фактором ИР является УФ-излучение, а первичными активными частицами,
возникающими в жидкости, являются радикалы HO2.
Материалы и методы. Исследовалось излучение самостоятельного искрового
разряда (ИР) со следующими параметрами: расстояние между электродами 3 мм,
зарядная емкость 3.3 нф, высокое напряжение 11 кВ, частота повторения импульсов 10
Гц. Для сравнения оценивались характеристики излучения ртутной лампы ДБК-9.
Химические эффекты в дважды дистиллированной воде исследовались с применением
ХЧ реактивов, изменения в биологических объектах (белки, липиды) определялись с по
обычным методикам. Кинетика процессов описывалась с помощью системы 19
дифференциальных уравнений накопления и расходования каждого сорта продуктов,
участвующих в реакции. Решение системы уравнений осуществлялось с помощью
пакета MathCad 14.
Результаты. Характеристики источников активных частиц (генератора ИР и
РЛНД) приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика источников УФ-излучения. Указано расстояние от
источника излучения до места, где установлен образец.
Искровой разряд
Энергия в импульсе
Частота
5.9 10-2 Дж
Ртутная лампа низкого давления
Мощность лампы
9 Дж/с
повторения 10 Гц
Режим работы
Непрерывный
сплошного 220 нм
Длина волны излучения
253,7 нм
импульсов
Максимум
спектра излучения
Поток
фотонов
расстоянии
на 1.26 10-10
1 см от моль(см2 с)-1
электродов
Плотность
Поток
фотонов
расстоянии
3
на 5.4 10-8
см
от моль(см2 с)-1
лампы
потока (2  0.3) 10-3
Плотность
потока 2.6 10-2
энергии на расстоянии Дж(см2 с)-1
энергии на расстоянии 3 Дж(см2 с)-1
1 см от электродов
см
от
лампы
(по
паспорту)
Таблица 2. Начальные выходы активных частиц (эксперимент)
Продукт
Искровой разряд
Ртутная лампа низкого давления
HO2
(1.25  0.3) 106 моль(л с)1
(1.1  0.5) 106 моль(л с)1
NO3 + NO2
(5.8  1.6) 107 моль(л с)1
(3.4  1) 10-9 моль(л с)-1
NH4+
(1.7  0.5) 1010 моль(л с)1
(2.5  1.5) 10-8 моль(л с)1
В таблице 2 приведены выходы первичных активных частиц. Из таблиц 1 и 2
видно, что интенсивность УФ-излучения РЛНД в 400 раз превышает интенсивность
излучения ИР. Однако выход радикалов HO2 для обоих источников практически
одинаков. Выход кислотных остатков под действием ИР на два порядка больше, чем
РЛНД. Это связано с разницей в спектрах излучения. Рассчитанные концентрации
активных частиц в дистиллированной воде, накапливающихся после 600 секунд
обработки ИР представлены в таблице 3. Видно, что озон и перекись водорода
образуются, но их концентрация мала, ниже предела обнаружимости. Это связано с
разрушением озона и перекиси водорода в реакциях с активными частицами.
Гидроксильные радикалы тоже образуются, но их концентрация на 2 порядка меньше,
чем HO2, поэтому они не играют заметной роли.
Таблица 3. Концентрации активных частиц в воде через 600 секунд после начала
обработки искровым разрядом (расчет).
Активная
частица
Концентрация, моль/л
Активная
t = 600 с
Концентрация, моль/л
частица
t = 600 с
HO2
5.97 107
N2O3
5.39 1013
N2O
2.48 105
HNO2
2.43 105
O
4.43 1011
N2O4
2.07 1010
H2O2
1.66 106
HNO3
1.23 103
O3
1.03 106
O2
6.94 108
NO
4.28 109
ONOO
1.53 106
NO2
1.53 109
OH
3.91 109
Обсуждение.
На
основе
найденных
характеристик
искрового
разряда
рассчитывалось перекисное окисление липидов. Установлено, что под действием ИР
непосредственно окисляются ненасыщенные жирные кислоты, насыщенные кислоты
вовлекаются в окисление на стадии продолжения цепи. Изменение концентрации
диеновых конъюгатов зависит от предыстории образца: от концентрации уже
накопленных диеновых конъюгатов. В зависимости от начальной концентрации
конъюгатов она может уменьшаться, оставаться на одном уровне или увеличиваться.
Если при данной концентрации конъюгированных диенов под действием ИР их
концентрация уменьшается, то при сильном уменьшении интенсивности внешнего
воздействия концентрация диенов начнет расти.
Сравнение антимикробных свойств ИР и РЛНД показало, что для них работают
разные механизмы. Для микроорганизмов, способных непосредственно поглощать УФизлучение, наибольшей эффективностью обладает РЛНД. Для микромицетов, на
которые
РЛНД
влияет
очень
слабо,
действует
другой
механизм,
который
обеспечивается ИР: электрический пробой мембраны клетки. Пробой возникает
вследствие уменьшения рН среды под действием излучения ИР.
Заключение. Таким образом, знание состава первичных активных частиц, их
выхода и применение математической модели для расчета последующих реакций в
образце позволяет получать более полную
информацию о превращениях в
биологических объектах под действием физических факторов.