Механизм воздействия УФ-излучения искрового разряда и ртутной лампы низкого давления на биологические объекты Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Экспериментальная медицина

IVh

МЕДИЦИНСКИЙ

АЛЬМАНАХ

УДК 535.31:612-087

МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ ИСКРОВОГО РАЗРЯДА И РТУТНОЙ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

И.П. Иванова1, И.М. Пискарев2, С.В. Трофимова1,

1ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия»,

2Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, г. Москва

Иванова Ирина Павловна - e-mail: [email protected]

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 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. 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.

Ключевые слова: искровой разряд, ртутная лампа низкого давления, вода, эффекты.

The radiation of self-sustained spark discharge (SD) with the following parameters was studied: the electrode separation distance of 3 mm, the charging capacity of 3.3 nF, the high voltage of 11 kV, the pulse repetition frequency of 10 Hz. For comparison characteristics of radiation from mercury lamp ДБК-9 were assessed. Chemical effects of twice-distilled water were analyzed with the use of chemically pure reagents; changes in biological substances (proteins, lipids) were determined by using standard methods. Process kinetics was described by the system of 19 differential equations for accumulation and spending of each sort of products involved in reaction. Such simultaneous equations were solved by MathCad 14 package. Thus, the knowledge of the composition of primary active particles, their yield and the application of mathematical models for the calculation of subsequent reactions in a sample shall enable to obtain more detailed information on transformations in biological substances under exposure to physical factors.

Key words: spark discharge, low-pressure mercury lamp, water, effects.

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 были установлены. 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 Н02г

Цель исследования - уточнить механизм воздействия УФ-излучения искрового разряда и ртутной лампы низкого давления на биологические объекты

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 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 Ма^СаС 14.

Результаты исследования

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

В таблице 2 приведены выходы первичных активных частиц. Из таблиц 1 и 2 видно, что интенсивность УФ-излучения РЛНД в 400 раз превышает интенсивность

Экспериментальная медицина

излучения ИР. Однако выход радикалов Н02^ 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 Н02\ поэтому они не играют заметной роли.

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 УФ-излучение, 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 позволяют получать более полную информацию о превращениях в биологических объектах под действием физических фак-

т°р°в. из

Искровой разряд Ртутная лампа низкого давления

Энергия в импульсе 5.9 10-2 Дж Мощность лампы 9 Дж/с

Частота повторения импульсов 10 Гц Режим работы Непрерывный

Максимум сплошного спектра излучения 220 нм Длина волны излучения 253,7 нм

Поток фотонов на расстоянии 1 см от электродов 1.26 10-10 Моль (см2 с)-1 Поток фотонов на расстоянии 3 см от лампы 5.4 10-8 Моль (см2 с)-1

Плотность потока энергии на расстоянии 1 смот электродов (2+0.3) 10-3 Дж (см2 с)-1 Плотность потока энергии на расстоянии 3 см от лампы (по паспорту) 2.6 10-2 Дж (см2 с)-1

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

ТАБЛИЦА 3.

Концентрации активных частиц в воде через 600 секунд после начала обработки искровым разрядом (расчет)

Активная Концентрация, моль/л Активная Концентрация, моль/л

частица t = 600 с частица t = 600 с

HO2- 5.97 10-7 N2O3 5.39 10-13

N2O 2. 4 со 0- hno2 2. 4 UJ 0-

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. 2 со 0- 9 ONOO*- 1.53 10-6

no2" 1.53 10-9 OH" 3.91 10-9