CC BY
22Генерация активных форм кислорода при оптическом пробое водных растворов в присутствии наночастиц
С.В. Гудков1, А.В. Симакин1, M.E. Асташев2, И.В. Баймлер1, Е.В. Бармина1, В.В. Воронов1, О.В. Уваров1, Г.А. Шафеев1
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН 2 - Институт биофизики клетки РАН [email protected]
Интенсивные лазерные излучения активно используются в практической деятельности человека. Установлено, что при высоких интенсивностях лазерного излучения в среде может возникать оптический пробой. Оптический пробой - это быстропротекающий необратимый процесс превращения среды из прозрачной в сильнопоглощающую. Оптический пробой сопровождается генераций плазмы и разрушением среды. Показано, что незначительная добавка наночастиц может существенно повысить эффективность применения лазерного излучения, снизив порог образования пробоя. В докладе будет представлено влияние наночастиц различных металлов на скорости образования различных активных форм кислорода в воде, органических растворителях и биологических жидкостях. Будут рассмотрены изменения скоростей образования активных форм кислорода от концентрации наночастиц, размера, материала и степениокисления.
Наночастицы металлов (Au, Sc, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Tb, Eu, Tm) получены с помощью лазерной абляции. Принципиальные схемы и экспериментальные подходы получения наночастиц описаны ранее [1]. Средний диаметр полученных наночастиц 10-20 нм. Оптический пробой в коллоидных растворах таких наночастиц осуществляли с помощью лазера Nd: YAG (1064 нм, длительность импульса 4 нс, частот следования импульсов 8 кГц, плотностью потока 4,5х109 Вт/см2). Лазерное излучение фокусировалось внутри коллоидного раствора через оптическое окно и перемещалось по линейной траектории 20 мм в длину со скоростью 3000 мм/с. Расчетный диаметр лазерного луча в фокусе составлял 30 мкм, что соответствует флюенсу лазерного излучения в жидкости 140 Вт/см2. При таком максимальном флюенсе яркая линия из плазмы появилась в экспериментальной кювете на 2-3 мм выше поверхности оптического окна. В экспериментальную кювету интегрированы ампе-рометрические сенсоры на молекулярный кислород и молекулярный водород, для регистрации акустических колебаний индуцированных лазерным излучением использовали высокочувствительный пленочный датчик, фотосъемка свечения плазмы образующейся при оптическом пробое происходила с помощью CCD камеры. Полученные с CCD камеры изображения обрабатывали с помощь разработанной нами программы Laserlmage [2]. Измеряли концентрации нескольких видов активных форм кислорода, в наибольшем количестве экспериментов регистрировали концентрацию пероксида водорода (метод усиленной хемилюминесценции [3]) и гидроксильного радикала (с помощью специфического сенсора кумарин-3 карбоновой кислоты [4]).
Показано, что эффективность оптического пробоя водного коллоида зависит от концентрации наночастиц. Зависимость является колоколообразной, с ярко выраженным оптимумом при концентрации 1010 наночастиц в мл. Установлено, что в зависимости от концентрации наночастиц в водных коллоидах может наблюдаться два режима «лазерной химии», генерация стабильных продуктов с молекулярным кислородом (6H2O 4H2+
2H2O2+ O2) и генерация стабильных продуктов без молекулярного кислорода (2H2O H2+ H2O2). Показано, что материал наночастиц оказывает существенное влияние на основные физико-химические параметры оптического пробоя. Интенсивность генерации активных форм кислорода коррелирует с положением элемента в ряду электроотрицательности. Установлено, что степень окисления наночастиц оказывает существенное влияние на основные физико-химические параметры оптического пробоя, в том числе и на генерацию активных форм кислорода. Также на вышеописанные процессы влияет средний размер наночастиц. За генерацию активных форм кислорода при оптическом пробое ответственна плазма, ультрафиолетовое излучение, ультразвук и расфокусированное инфракрасное излучение лазера. Используемые при разбавлении наночастиц механические воздействия, также приводят к образованию пероксида водорода. Скорость генерации перокси-да водорода при механическом воздействии (частота 30 Гц, амплитуда 1 см, форма сосуда цилиндрическая) составляет около 10-9 моль/л/мин (при временах воздействия несколько минут) [5]. Наиболее интересные данные, связанные с пробоподготовкой наночастиц, также будут представлены в докладе. При оптическом пробое органических жидкостей почти не происходит образование активных форм кислорода, однако происходит образование различных химических продуктов распада и полимеризации растворителя. Интенсивное лазерное излучение приводит к образованию долгоживущих активных форм белка в биологических жидкостях.
Работа поддержана грантом РФФИ 19-02-00061_a и грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (МД-3811.2018.11).
[1] K.O. Ayyyzhy, V.V. Voronov., S.V. Gudkov., I.I. Rakov, A.V. Simakin, G.A. Shafeev, Laser Fabrication and Fragmentation of Selenium Nanoparticles in Aqueous Media, Phys. Wave Phenom., Vol. 27, 113-118 (2019).
[2] A.V. Simakin, M.E. Astashev, I.V. Baimler, O.V. Uvarov, V.V. Voronov, M.V. Vedunova, M.A. Sev-ost'yanov, K.N. Belosludtsev, S.V. Gudkov, The Effect of Gold Nanoparticles Concentration and Laser Fluence on the Laser-Induced Water Decomposition, J. Phys. Chem. B., Vol. 123, 1869-1880(2019).
[3] A.S. Chernov, D.A. Reshetnikov, G.K. Ristsov, Yu.A. Kovalitskaya, A.M. Ermakov, A.A. Manokhin, A.V. Simakin, R.G. Vasilov, S.V. Gudkov, Influence of electromagnetic waves, with maxima in the green or red range, on the morphofunctional properties of multipotent stem cells, J. Biol. Phys. https://doi.org/10.1007/s10867-019-09531-7(2019).
[4] S.V. Gudkov, E.L. Guryev, A.B. Gapeyev, M.G. Sharapov, N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, T.S. Zabelina, A.P. Glinushkin, M.A.Sevost'yanov, K.N. Belosludtsev, A.V. Chernikov, V.I. Bruskov, A.V. Zvy-agin, Unmodified hydrated C60 fullerene molecules exhibitantioxidant properties, prevent damage to DNA and proteins induced by reactive oxygen species and protect mice against injuries caused by radiation-induced oxidative stress, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, Vol. 15, 37-46 (2019).
[5] S.V. Gudkov, G.A. Lyakhov, V.I. Pustovoy, I.A. Shcherbakov, Influence of Mechanical Effects on the Hydrogen Peroxide Concentration in Aqueous Solutions, Phys. Wave Phenom., Vol. 27, 141-144(2019).
