ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ НА ОКИСЛЕНИЕ В МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРАХ

В последние десятилетия активно изучается влияние низкотемпературной плазмы на эукариотические, прокариотические клетки и ткани организма [1]. В отличие от плазмы, которая контактирует только с поверхностью, некогерентное излучение плазмы искрового разряда может проникать внутрь объекта. Исследования показали, что воздействие излучения плазмы искрового разряда на биологические объекты обладает уникальными особенностями. В зоне разряда в процессе плазмохимических реакций образуются радикальные продукты, вызывающие биоцидные и другие биомедицинские эффекты [2]. Поэтому оценка концентраций продуктов, образующихся как в газовой, так и в жидкой фазе при генерации излучения плазмы искрового разряда является актуальной, особенно для биомедицинских исследований, позволяя трактовать механизмы действия на клетки. Образованию активных частиц под действием электрического разряда уделяется много внимания [3]. Однако детальный анализ продуктов и спектрального диапазона излучения плазмы, вызывающих биологические эффекты, не проводился.

Поэтому целью данной работы было определение основного действующего спектрального диапазона излучения плазмы и динамики накопления окислителей и восстановителей в модельных растворах неорганических и органических веществ после воздействия излучением плазмы искрового разряда.

Материалы и методы. В работе использовалось экспериментальное устройство, генерирующее низкотемпературную плазму с уникальной плотностью частиц до 10²² (см²с)^-1, которая не встречается в зарубежных аналогах. Устройство разработано в ФГУП РФЯЦ Всероссийского НИИ экспериментальной физики (г. Саров). Энергия, подводимая к разрядному промежутку 5 Дж в 1 импульсе, длительность импульса 1 – 10 микросекунд, частота повторения импульсов 1 Гц. Полный поток излучения 75 кВт/м² распределялся по диапазонам излучения в следующих пропорциях: ультрафиолетовый диапазон (310 – 380 нм.) – 17% от полного потока излучения; видимый диапазон (600 – 700 нм.) – 49%; инфракрасный диапазон (более 700 нм.) – 33% [4]. Обрабатываемая жидкость объемом 4 мл помещалась в чашку диаметром 4 см, толщина слоя порядка 3.5 мм. Расстояние до области разряда 3 - 4 см. Время обработки варьировалось от 5 до 600 секунд.

Для определения основного действующего спектрального диапазона излучения плазмы выход активных продуктов исследовали в трёх режимах обработки: без фильтра, фильтры с нижней полосой пропускания 185 и 275 нм. В качестве модельных растворов использовались дистиллированная вода и раствор хлорида натрия.

Для оценки накопления окислителей и восстановителей под действием излучения плазмы были использованы моно- и многокомпонентные растворы неорганических и органических веществ, таких как хлорид калия, бикарбонат натрия, глюкоза и альбумин.

Концентрации веществ во всех модельных растворах были физиологически сбалансированы.

В обработанных жидкостях определяли величину рН, содержание восстановителей и окислителей. Величину рН измеряли рН-метром рН-150М (г. Гомель). Содержание восстановителей оценивали титрованием 0.005Н раствором перманганата калия при температуре 60С в кислой среде. Содержание окислителей определяли добавлением в обработанный раствор 5% KI и разбавленной (1:4) серной кислоты с последующим титрованием 0.0318Н тиосульфатом натрия [5].

Данные, полученные в эксперименте, были обработаны статистически с помощью пакетов прикладных программ EXCEL, Statistica – 6.0.

Результаты и обсуждение. Известно, что полный поток излучения низкотемпературной газоразрядной плазмы, генерируемый используемым в данной работе устройством, распределяется по диапазонам излучения в следующих пропорциях: ультрафиолетовый диапазон (310 – 380 нм.) – 17% от полного потока излучения; видимый диапазон (600 – 700 нм.) – 49%; инфракрасный диапазон (более 700 нм.) – 33% [4]. Согласно литературным данным, основной вклад в цитотоксический эффект вносит УФ-излучение [6], но какая область его спектра – длинноволновая или коротковолновая – играет главную роль неизвестно. В связи с этим на первом этапе эксперимента, для определения основного действующего спектрального диапазона излучения плазмы, использовали фильтры, отсекающие длинноволновую и коротковолновую часть ультрафиолетового спектра (фильтры с нижней полосой пропускания 185 и 275 нм).

После воздействия на дистиллированную воду длинноволновой областью спектра ультрафиолета (полоса пропускания 275 нм) изменения уровня рН не наблюдалось. После воздействия излучением без фильтра и коротковолновой областью спектра ультрафиолета (полоса пропускания 185 нм) в течение минуты и более наблюдалось постепенное снижение уровня рН на 25-55% и 49-51% соответственно. Вероятно, изменение рН обусловлено как окислительно-восстановительными процессами, так и подкислением под действием оксидов азота, образующихся в зоне плазмы с дальнейшим растворением в жидкой фазе [7] .

Оценка накопления окислителей и восстановителей в дистиллированной воде после воздействия излучением низкотемпературной газоразрядной плазмы в различных режимах показала, что воздействие длинноволновой областью спектра ультрафиолета вызывает не значительное накопление окислителей и восстановителей. После обработки излучением без фильтра в течение минуты наблюдается накопление окислителей, а после обработки воды через фильтр с полосой пропускания до 185 нм окислители накапливаются только после обработки в течение 5 минут. Показано, что накопление восстановителей в воде после обработки излучением без фильтра и коротковолновой областью ультрафиолета происходит постепенно по мере увеличения времени воздействия, но к 600 секундам относительная концентрация восстановителей в воде после обработки через фильтр на порядок меньше.

Все биологические жидкости, внеклеточные и внутриклеточные среды являются системами, содержащими хлористый натрий, поэтому представляло интерес провести аналогичную серию исследований для раствора хлорида натрия, так как за счёт присутствия дополнительных ионов в растворе возможно более интенсивное протекание цепных процессов [8]. Изменения показателя рН в растворе хлорида натрия после воздействия излучением низкотемпературной газоразрядной плазмы в различных режимах были такими же, как в дистиллированной воде. Накопление окислителей и восстановителей в растворе хлорида натрия после обработки излучением без фильтра и коротковолновой областью ультрафиолета было значительно выше, чем в дистиллированной воде. Можно предположить, что это связано с тем, что в растворе хлорида натрия возможно образование ионов ClO^, тоже являющихся окислителями [9].

Наибольший эффект накопления активных форм кислорода в растворах наблюдается после облучения без фильтра, хотя фильтр с полосой пропускания  > 185 нм обеспечивает те же спектральные характеристики, что и воздух. Это означает, что ускоренные частицы излучения также играют важную роль. Время разряда и высвечивание излучения составляет 10^6 секунды. Ударная волна достигает поверхности обрабатываемой жидкости примерно через 10^-4 секунды (скорость звука примерно 300 м/с). То есть на активацию первичных свободно радикальных реакций в жидкости ускоренные частицы влиять не могут. Однако они будут влиять на вторичные реакции. Таким образом, можно считать установленным, что основным действующим фактором излучения низкотемпературной газоразрядной плазмы, генерируемой используемым в данной работе устройством, является жёсткое УФ-излучение с длинами волн, близкими к вакуумному ультрафиолету.

На следующем этапе работы оценивали интенсивность окислительно-восстановительных процессов, протекающих под действием излучения плазмы, в моно- и многокомпонентных растворах неорганических и органических веществ. Было показано, что после воздействия излучением плазмы на модельные растворы неорганических и органических веществ в течение 5-60 секунд изменениям водородного показателя и накопления окислителей практически не происходит, длительное воздействие в течение 300-600 секунд приводит к значительному снижению уровня рН и увеличению количества окислителей. Однако в растворах, содержащих альбумин, процесс снижения рН идет менее интенсивно. Накопление восстановителей в модельных растворах после воздействием излучением плазмы происходило по мере увеличения времени воздействия, но в растворах содержащих альбумин образования восстановителей зарегистрировано не было.

Таким образом, можно заключить, что присутствие альбумина в модельных растворах блокирует активацию радикальных процессов и стабилизирует буферную ёмкость растворов.

Выводы.

1. Основной вклад в накопление окислителей и восстановителей в растворах вносит коротковолновая область УФ-излучения низкотемпературной газоразрядной плазмы

2. В изученных модельных растворах под действие излучения плазмы происходит снижение рН, накопление окислителей и восстановителей

3. Присутствие альбумина в модельных растворах блокирует активацию радикальных процессов и стабилизирует буферную ёмкость растворов

Цитированная литература:

1. Kong M.G., Kroesen G., Morfill G. et al. Plasma medicine: an introductory review // New Journal of Physics. 2009. № 11: 35pp. http://iopscience.iop.org/1367-2630/11/11/115012/pdf/13672630_11_11_115012.pdf

2. Иванова И.П., Заславская М.И. Биоцидный эффект некогерентного импульсного излучения искрового разряда в экспериментах in vitro и in vivo // Соврем технол мед. 2009. № 1. С. 28–31.

3. Fridman A. Plasma Chemistry. Cambridge: Cambridge University Press; 2008; 1024 p. Internet: http://www.cambridge.org/9780521847353

4. Спиров Г.М., Шлёпкин С.И, Волков А.А., Крючков Э.В., Ковалдов О.А., Моисеенко А.Н., Пискарёв И.М. Импульсные устройства для генерирования светового и ультрафиолетового излучений // Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии. Труды международной конференции, Саров. 26-28 апреля 2004г., С. 244-250.

5. Беляева Т.В. Аналитическая химия. С-Петербург, 2004. - 103 с.

6. Иванова И.П., Заславская М.И. Биоцидный эффект некогерентного импульсного излучения искрового разряда в экспериментах in vitro и in vivo // Современные технологии в медицине. 2009. № 1. С. 28-31.

7. Кузьмичева Л.А. Плазмоинициируемые окислительно-восстановительные процессы в растворах неорганических электролитов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук, Иваново. 2005. 20 с.

8. Сараева В.В. Развитие радиационной химии в России. Вехи истории. 2005. 114 с. http://rap.chem.msu.ru/doc/Historyofradiationchemestry.pdf

9. Кутьин А.М., Поляков С.В., Лобанов А.С., Чурбанов М.Ф. Окисление хлоридов теллура и вольфрама в ёмкостном высокочастотном разряде и его анализ на основе неравновесной химической модели плазмы // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2010. № 1. С. 99-107.

Научный руководитель: Иванова Ирина Павловна, д.б.н.