CC BY
64
При использовании в МССОИ спирального зондируемого волнового фронта в процессе измерения параметров шероховатости чувствительность системы повышается на 40%, а при выявлении поверхностных дефектов контролируемой детали - примерно на 60%.
Работа выполнена в рамках государственного контракта ГК 14.740.12.08.41 при поддержке Министерства образования и науки РФ.
Литература
1. ГОСТ Р 53696-2009. Контроль неразрушающий. Методы оптические. Термины и определения. -Введ. 01.01.2011. - М.: Стандартинформ. - 2010. - 7 с.
2. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Ланцов А.Д. Корреляционный метод обработки спекловой картины сигналов с одноволоконных многомодовых интерферометров с использованием приборов с зарядовой связью // Квантовая электроника. - 2006. - № 4 (36). - С. 339-342.
3. Бадалян Н.П., Кийко В.В., Кислов В.И., Козлов А.Б. Лазерная дистанционная спекл-интерферометрия. Модель формирования спекл-структуры // Квантовая электроника. - 2008. - № 5 (38). - С. 477-481.
4. Бородин А.Н., Вайчас А.А., Малов А.Н., Миронов Б.М., Неупокоева А.В., Синицын И.А., Онацкий А.Н., Сычевский А.В., Чупраков С.А. Спекл-оптические методы исследования шероховатых поверхностей и подповерхностной структуры объектов // Физика наукоемких технологий. Вып. 2. - Иркутск: ИВВАИУ, 2008. - С. 5-71.
5. Benjamin J. McMorran, Amit Agrawal, Ian M. Anderson, Andrew A. Herzing, Henri J. Lezec, Jabez J. McClelland, John Unguris . Electron vortex beams with high quanta of orbital angular // Science. - 2011. -P. 192-195.
6. Абрамочкин Е.Г., Волостников В.Г. Современная оптика гауссовых пучков. - М.: Физматлит, 2010. - 184 с.
7. Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В., Сойфер В.А. Вращение лазерных пучков, не обладающих орбитальным угловым моментом // Компьютерная оптика. - 2007. - № 31. - С. 35-38.
8. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В. Оптическая микроманипуляция с использованием многопорядковых ДОЭ // Официальные материалы научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом. Наука и практика». - 2006. - С. 57-59.
9. Волостников В.Г., Котова С.П., Лосевский Н.Н., Рахматулин М.А. Манипуляция микрообъектами с помощью пучков с ненулевым орбитальным моментом // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32. -№ 7. - C. 565-566.
10. Павлов П.В., Малов А.Н., Бородин А.Н., Сычевский А.В. Применение спиральных пучков для дефектоскопии и неразрушающего контроля // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - Ч. 1. - Томск: ТУСУР, 2010. - № 2 (22). - С. 70-74.
Павлов Павел Владимирович - Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж), аспи-
рант, pashok8208@mail.ru
Петров Николай Владимирович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, Nickolai.petrov@gmail.com Малов Александр Николаевич - ООО «Технологии прогресса» (г. Иркутск), доктор физ.-мат. наук,
профессор, зам. директора, cohol2007@yandex.ru
УДК 53.047
СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ ВОССТАНОВЛЕННОЙ ФОРМЫ НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИДА ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА И КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА Е.П. Конькова
Вычислен спектр поглощения восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида в неэмпирическом приближении. Спектры сегментов кофермента вычислены с помощью полуэмпирического метода. Сравнение результатов, полученных в полуэмпирическом и неэмпирическом приближениях, показало, что упрощение (деление на сегменты) не вносит существенной ошибки. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало их хорошее согласие. Деление сложных органических молекул на сегменты полезно с точки зрения уменьшения времени вычисления.
Ключевые слова: аденин, никотинамид, НАДН, спектр поглощения, неэмпирические и полуэмпирические методы.
Введение
Все окислительно-восстановительные реакции в организме протекают с участием восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида (НАДН). Окисленная форма (НАД) поглощает излучение на длине волны 260 нм. При восстановлении до НАДН появляется дополнительный максимум поглощения
на длине волны 340 нм [1]. Концентрация кофермента является важным физиологическим показателем. Определение концентрации проводится методами флуоресцентной спектроскопии [2]. Данный кофер-мент при нормальных условиях представляет собой твердое, растворимое в воде вещество. Поскольку флуорофором является только восстановленная форма, возникает необходимость путем квантово-химических расчетов исследовать спектр поглощения именно восстановленной формы. Однако автору не удалось обнаружить в литературе описания модели структурной формулы НАДН. С учетом вышесказанного, целью настоящей работы являлось построение простой модели структурной формулы НАДН, чей электронный спектр удовлетворительно воспроизводит основные особенности поглощения НАДН, а именно, наличие поглощения в областях 260 и 340 нм.
Квантово-химический расчет электронных спектров поглощения модели НАДН и его субъединиц
Часто используемым в спектроскопии приемом является представление крупной молекулярной системы совокупностью структурных единиц, для каждой из которых решение электронной задачи получают стандартными методами [3]. Данный прием позволяет выделить субъединицы, в значительной степени определяющие спектральные свойства крупной молекулярной системы.
На рис. 1 представлены структурные формулы НАД, аденина и никотинамида, НАДН, субъедини-цы-аденина и субъединицы-никотинамида. Видно, что расчетная модель субъединицы-аденина, ответственная за поглощение НАДН в области 260 нм, совпадает со структурной формулой реального вещества аденина, а расчетная модель субъединицы-никотинамида, моделирующая поглощение НАДН в области 340 нм, отличается от структурной формулы реального вещества никотинамида. Для органических молекул, имеющих как аденин и никотинамид сопряженные двойные связи, характерно поглощение в области 260 нм. Построение расчетной модели субъединицы-никотинамида, т.е. моделирование поглощения НАДН в области 340 нм, заключалось в разрыве сопряженной углеродной связи с атомом азота N молекулы реального вещества никотинамида при одновременном насыщении свободных валентностей атомами водорода Н.
(!<> ОН
реальное не флуоресцирующее вещее тео НАД
но ОН
расчетная
модель реального ф лу ор е сцирутощег о вещества НАДН
реальное вещестьо / п аденин
I
реальное вещество ник о тин а мид
расчетная модель оъ е дпнпца- а дешш
,СМг
расчетная модель
су 5ъ е дишща-ннк о тин амид
Рис. 1. Структурные формулы НАД, аденина, никотинамида, НАДН, субъединицы-аденина
и субъединицы-никотинамида
В основе современной квантовой химии лежит уравнение Шредингера для стационарных состояний [4]. Его обычно решают в адиабатическом приближении, т.е. в предположении, что ядерную и электронную волновые функции можно разделить и решать уравнения для движения ядер и электронов раздельно. В этом приближении уравнение Шредингера для электронной волновой функции записывается следующим образом:
^ Н¥=Е¥, (1)
где Н - гамильтониан системы, т.е. сумма операторов кинетической и потенциальной энергий; ¥=¥(х1, х2, ..., хп) - волновая функция для системы из п частиц, которая зависит от их расположения в пространстве и спинов; Е - полная электронная энергия. Однако точно решить это уравнение удается лишь в случае одноэлектронных систем. По этой причине в квантовохимических расчетах используются приближенные методы. Среди них наиболее широкое распространение получил метод Хартри-Фока, или метод самосогласованного поля. В этом методе полагается, что каждый электрон движется в поле атомных ядер, положение которых фиксировано в пространстве, и в эффективном (усредненном) поле других
электронов. Многоэлектронную волновую функцию ищут в виде антисимметризованного произведения спин-орбиталей, т.е. одноэлектронных молекулярных орбиталей (МО), умноженных на спиновые волновые функции соответствующего электрона.
В приближении Хартри-Фока уравнение Шредингера переходит в систему интегрально-дифференциальных уравнений для движения каждого отдельного электрона. МО обычно ищут в виде линейных комбинаций атомных орбиталей (ЛКАО). Таким образом, совокупность атомных орбиталей (АО) является физически наглядным базисом для построения молекулярной волновой функции. На практике обычно пользуются как полуэмпирическими, так и неэмпирическими методами. Они различаются методикой вычисления матричных элементов, описывающих взаимодействие электронов между собой и электронов и атомных ядер. В полуэмпирических методах для этой цели используются приближенные эмпирические формулы и известные из эксперимента параметры атомов. В неэмпирических методах проводится непосредственный аналитический расчет матричных элементов. Подробное описание теории МО ЛКАО можно найти, например, в [5].
Экспериментальное исследование пропускания водных растворов аденина и никотинамида
Приготовление растворов аденина и никотинамида осуществлялось путем последовательного разбавления.
Коэффициенты пропускания растворов были получены с использованием двухканального автоматизированного спектрального комплекса на базе монохроматора МДР-23 (ДАСК МДР-23). Источником излучения данного спектрального комплекса является дейтериевая лампа ДДС-30, излучающая в ультрафиолетовой области спектра 200-350 нм, а приемником - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-100) со спектральным диапазоном измерений 200-800 нм. Шаг перестройки длины волны составлял 0,1 нм, а точность перестройки - 0,05 нм.
Процедура измерения пропускания заключалась в следующем. В отсек для исследуемых образцов поочередно устанавливались кювета с дистиллированной водой и кюветы с растворами исследуемых веществ. Снималась зависимость показаний фотоприемника от длины волны. Затем на основании полученных данных рассчитывался коэффициент пропускания. Сигнал измерялся 30 раз за 1 с. Коэффициент пропускания был найден как отношение коэффициента пропускания кюветы с раствором исследуемого вещества к коэффициенту пропускания кюветы с растворителем. Перед каждым измерением проводилась калибровка прибора.
Результаты и обсуждение
На рис. 2 представлен электронный спектр поглощения модели НАДН, рассчитанный в неэмпирическом приближении. Видно характерное для кофермента НАДН поглощение в областях 260 и 340 нм, что свидетельствует о допустимости используемой модели.
1
0,8 од 0,4 0,2>
2Щ
201,6 204,
180,3
133; +
225,2 227,9
256,3
425
291,5
336
224,
I
365,4
562,2
1® Ш 2СС 220 240 Ж 250 3СС 320 ш 360 350 400 420
—
460
480
—|—
500
530 540 560 580
длина волны, нм
Рис. 2. Электронный спектр поглощения расчетной модели НАДН
На рис. 3, 4 представлены зависимости коэффициентов пропускания от длины волны растворов реальных веществ аденина и никотинамида и их электронные спектры поглощения, рассчитанные в полуэмпирическом приближении в вакууме. Видно, что экспериментальные и расчетные данные находятся в хорошем согласии, хотя экспериментальные данные представлены для раствора, а расчетные для изолированных молекул. Из рис. 3, 4 видно, что для реальных веществ аденина и никотинамида характерно наличие поглощения в области 260 нм и отсутствие поглощения в области 340 нм.
На рис. 5 представлены электронные спектры поглощения субъединицы-никотинамида в вакууме и в присутствии 23 молекул воды, рассчитанные в полуэмпирическом приближении. Видно, что присут-
ствует поглощение в области 340 нм и отсутствует поглощение в области 260 нм. Таким образом, появление поглощения НАДН в области 340 нм можно связать с изменениями в районе сопряженной углеродной связи с атомом азота никотинамида.
и
3
о £
О &
<и «
я «
-е -е
т §
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
--1
:02 .....
1
\
25 >,т 1
179$
! :
23А -I— ЖА £ • 271,7 -)■— 1
0,8
0,6
0,4
0,2
200 220 240 260 280 300 длина волны, нм
320
340
д и
я н
о
л" н о
о н в и
о
н
<и н
н и
Рис. 3. Зависимость коэффициента пропускания от длины волны раствора аденина (4,510- %) и электронный спектр поглощения аденина (вакуум)
1
« и
о £
о &
<и «
я «
-е -е
т §
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
200
220
240
| ¿VI I—' ......Г"|'"Т"~ Г*" и-
; и
| [ :
: ; | {
:
'1 1 | 1
! (
! }
20$, 26 оз; (,„..;..... |
1 1 ' Я>2,1 »
260
280
300
320
0,8
0,6
0,4
0,2
Ч и
Я н о
ив"
н о о
и «
« о
и
<и «
340
длина волны, нм
Рис. 4. Зависимость коэффициента пропускания от длины волны раствора никотинамида (0,0003%) и электронный спектр поглощения никотинамида (вакуум)
1
<и
К
н о
Л н о о к т К о К и н к
К
013
0,6
0.4
0.2
313,2
212,2
209 ¿218,4
220
209,1
9,1 ■ 2
У 1
328,3
345,1
352,1
Т-1-1-1--1-:-1
200 220 2«) ЭЙО 280 300 320 3«) 3(50
длина волны, нм
Рис. 5. Электронный спектр поглощения субъединицы-никотинамида в вакууме (тонкая линия) и в присутствии 23 молекул воды (жирная линия)
0
0
РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА КАРИЕСА ТВЕРДЫХ ТКАНЕЙ ЗУБОВ .
Заключение
В работе построена простая расчетная модель структурной формулы восстановленной формы ни-котинамидадениндинуклеотида. Показано, что электронный спектр модели удовлетворительно воспроизводит основные особенности поглощения реального вещества никотинамидадениндинуклеотида, а именно, наличие поглощения в областях 260 и 340 нм, что является прямым подтверждением допустимости предложенной модели. Кроме того, в работе выявлена связь между появлением поглощения ко-фермента в области 340 нм и понижением порядка углеродной связи с атомом азота никотинамида.
Литература
1. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998. - 384 с.
2. Гираев К.М., Ашурбеков Н.А., Меджидов Р.Т. Стационарная спектроскопия биотканей in vivo: флуоресцентные исследования некоторых патологических состояний // Оптика и спектроскопия. - 2003. -Т. 95. - № 5. - С. 874-879.
3. Никитин О.Ю., Новосадов Б.К. Теория пофрагментного расчета электронной структуры основного состояния многоатомных молекул. I. Метод промежуточного фрагмента // Журнал структурной химии. - 1995. - Т. 36. - № 3. - С. 387-394.
4. Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантовохимические расчеты в органической химии и молекулярной спектроскопии. - М.: Наука, 1989. - 98 с.
5. Грибов Л.А., Баранов В.И., Новосадов Б.К. Методы расчета электронно-колебательных спектров многоатомных молекул. - М.: Наука, 1984. - 325 с.
Конькова Елена Петровна - Волгоградский государственный университет, ассистент, konelepet@mail.ru
УДК 681.784.88, 535.36
РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА КАРИЕСА ТВЕРДЫХ ТКАНЕЙ ЗУБОВ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
А.А. Езерская, И.В. Романов, О.А. Смолянская, Я.В. Грачев
Исследованы угловое распределение прошедшего и отраженного терагерцового сигнала, а также терагерцовые спектры пропускания и отражения твердых тканей зуба человека (нормальных и пораженных кариесом). Выявлены характерные для кариеса терагерцовые линии поглощения, что может позволить диагностировать заболевание на ранних стадиях. Кариозное пятно увеличивает отражательную способность терагерцового сигнала, что дает уникальную возможность достаточно достоверно диагностировать кариес in vivo на ранних стадиях. Ключевые слова: терагерцовая спектроскопия, терагерцовая фотометрия, диагностика, кариес.
Введение
На сегодняшний день диагностика кариеса зубов человека представлена осмотром, методом зондирования, рентгенологическим исследованием, витальным окрашиванием, измерением биоэлектрического потенциала, электроодонтодиагностикой, трансиллюминационной диагностикой, лазерной флюо-рометрией. Каждый из представленных методов недостаточно точен и безопасен, особенно на ранних стадиях развития заболеваний [1-3]. Терагерцовое (ТГц) излучение, как известно, обладает высокой проникающей способностью, разрешением порядка 100 мкм, и оно безопасно для биотканей человека [4-5]. В связи с этим исследование оптических свойств твердых тканей зуба в ТГц диапазоне частот является актуальной задачей. Маловероятные трудности в ТГц диагностике могут быть связаны с содержанием некоторой доли металлов и их соединений в пломбирующих материалах. В настоящей работе сначала исследовались свойства ТГц излучения без образца - профиль ТГц излучения, длина перетяжки, диаметр пучка на полувысоте в перетяжке и угловая расходимость излучения. Затем были проведены исследования углового распределения излучения, прошедшего через образец зуба, зависимости прошедшего излучения от толщины образца, ТГц спектров пропускания и отражения нормальной и кариозной эмали зуба, а также образца дентина.
Экспериментальные установки и методики
Для экспериментального исследования углового распределения сигнала, прошедшего через образец зуба, использовался ТГц фотометр (Рср =10 ± 4 мкВт; химп = 3 пс; v = 0,1-1,0 ТГц) [6]. В эксперименте были реализованы схемы исследования полного, коллимированного и диффузного пропускания твердых тканей зуба человека in vitro, представленные на рис. 1, а, б, в, соответственно.
Свет, попадающий на диафрагму, на первой схеме (рис. 1, а) проходил только через образец твердой ткани зуба, на второй схеме (рис. 1, б) использовалась диафрагма, которая пропускала в основном
