Cпектроскопія та лазерна фотохімія провітаміну D

Теоретично і експериментально обґрунтовано [38*], що на сьогоднішній день найбільш перспективним УФ джерелом для промислового фотосинтезу превітаміну D є ексимерна XeCl лампа, зважаючи на те, що підбором тиску буферного газу можливо регулювати співвідношення між інтенсивністю смуги випромінювання на 308 нм та її короткохвильового крила, а вибором геометричної конструкції лампи - реалізувати оптимальний режим опромінення.

В сьомому розділі приведено результати досліджень щодо використання фото-ізомеризації провітаміну D для дозиметрії in situ (на місці) біологічно активної УФ радіації. Об'єктивний підхід до цієї проблеми є особливо актуальним, враховуючи важливу роль природного синтезу вітаміну D для здоров'я людини та зважаючи на негативні наслідки УФ передозування. На сьогоднішній день загальноприйнято оцінювати біологічну активність УФ радіації в мінімальних ерітемних дозах (1 МЕD = 200 Дж/м²). Для визначення біологічно активної радіації D_bio спектр випро-мінювання УФ джерела Е(л), «зважують» (інтегрують по довжинах хвиль) відпо-відно до спектру дії конкретного біологічного процесу А(л):. Оскільки спектр дії синтезу вітаміну D in vitro відповідає спектру поглинання про-вітаміну D [36*], суттєва різниця між ним і спектром дії ерітеми робить некорект-ним використання стандартних радіометрів для вимірювання антирахітної біоло-гічної активності УФ радіації [46*], тобто її здатності ініціювати синтез вітаміну D.

З цією метою нами запропоновано використовувати фотореакцію синтезу превітаміну D в етанолі (модель in vitro) [23*, 24*], при цьому його кількість, накопичена під час експозиції, і є мірою біологічної (антирахітної) УФ дози. Спектральне спостереження за кінетикою дозволяє проводити такі вимірювання в реальному часі, а математична модель фотореакції дозволяє вираховувати біодозу при опроміненні будь-яким джерелом, якщо відомий його спектр УФ випромінювання. Чисельні розрахунки довели значну чутливість антирахітної радіації Сонця до товщини озонового шару, а експериментальні спостереження - до сонячного зенітного кругу.

Детальні тестування, проведені в лабораторії та на відкритому повітрі, довели відповідність експериментально виміряних та розрахованих концентра-цій превітаміну D і визначили еритемну та фізичну дози, необхідні для фотосинтезу 5% превітаміну D в залежності від довжини хвилі УФ опромінення.

Для розробки персонального УФ біодозиметру з візуальною оцінкою поглинутої УФ дози 7-ДГХ було розчинено в холестеричній РК матриці, смуга селективного відбивання якої лежить у видимій області спектру. Зсув цієї смуги внаслідок фотоперетворень молекули 7-ДГХ під дією УФ опромінення, які супроводжуються зміною кроку холестеричної спіралі, після відповідної калібровки дає змогу візуально визначати отриману дозу біоактивної антирахітної УФ радіації, що було доведено одночасною експозицією РК комірки і розчину 7-ДГХ в етанолі (Рис. 20) [55*]. Такий персональний УФ біодозиметр буде корисним для визначення отриманих індивідуальних УФ біодоз як під час медико-біологічних досліджень, так і в повсякденному житті.

Висновки

У дисертаційній роботі узагальнено результати експериментальних досліджень фізичних закономірностей впливу параметрів лазерного випромінювання на кінетику фотоізомеризації провітаміну D і одержано нову наукову інформацію стосовно фізики складних фотохімічних реакцій. Розв'язано наукову проблему цілеспрямованого впливу на канали фотоперетворень у розгалужених фотореакціях з конформаційно рухливим проміжковим фотопродуктом як за рахунок властивостей ініціюючого лазерного опромінення, так і шляхом вибору реакційного середовища.

Головні наукові і практичні результати дисертаційної роботи складають наступне:

1. Розроблено експресний метод спектрофотометричного аналізу багатокомпонентної суміші фотоізомерів, що утворюється протягом УФ опромінення провітаміну D, з урахуванням її незворотної фотодеградації. Розвинуто математичні моделі фотореакції, які адекватно описують її експериментально досліджену кінетику в умовах високоінтенсивного лазерного опромінення і враховують конформаційну рухливість молекули превітаміну D.

2. За допомогою перестроюваного лазера при довгохвильовому опроміненні (л > 300 нм) експериментально виявлено порушення загальноприйнятого фотостаціонарного наближення внаслідок різкого зростання ефективності каналу необоротних фотоперетворень превітаміну D. Доведено, що нехтування необоротним каналом Pre > Tox справедливе тільки у вузькому спектральному інтервалі 268 - 300 нм, а концентраційний аналіз у наближенні сталої сумми концентрацій головних 4-х ізомерів за межами цього інтервалу є некоректним. Таким чином, показано, що при дослідженні оборотних фотохімічних реакцій низький квантовий вихід необоротного каналу не завжди є вагомою підставою для нехтування ним в широкому спектральному діапазоні.

3. Теоретично проаналізовано і експериментально доведено значну негативну роль необоротного каналу для одержання максимального виходу превітаміну D при опроміненні оптично товстого шару висококонцентрованого розчину провітаміну D (С = 0,1-0,2%) як в умовах монохроматичного, так і широкополосного УФ опромінення. Сформульовано рекомендації щодо оптимального режиму лампового УФ опромінення в умовах виробництва.

4. Теоретично проаналізовано вплив інтенсивності опромінення на кінетику розгалужених фотореакцій з конформаційно рухливим інтермедіатом і встановлено критерії порушення закону взаємозамінності Бунзена-Роско. Так, в умовах збудження фотосинтезу превітаміну D пікосекундними лазерними імпульсами таке порушення виявлено при більш низькій інтенсивності, ніж інтенсивність насичення I ~ 1/уф, де ф ~10^-13с - час життя збудженого синглетного стану, а - переріз поглинання. Доведено, що експериментально виявлений ефект при підвищенні інтенсивності опромінення в межах 10¹² 6·10¹³ Вт/м² не пов'язаний з нелінійними процесами, а обумовлений переважним збудженням первинних cZc-Pre конформерів превітаміну D, що не досягли конформаційної рівноваги.

5. Теоретично досліджено і експериментально доведено можливість керування каналами фотоперетворень превітаміну D та зниження виходу побічного транс-ізомера при пікосекундному лазерному опроміненні провітаміну D з інтенсивністю I 1/₂, де ₂ 125 пс - час встановлення конформаційної рівноваги превітаміну D. Саме зростання ймовірності збудження нерівноважних cZc-Pre конформерів обумовлює залежність виходу кінцевих фотопродуктів від інтенсивності опромінення і забезпечує можливість реалізації конформаційної селективності у тій спектральній області, де спектри конформерів перекриваються.

В той же час збудження «гарячої» молекули превітаміну D із зростанням інтенсивності опромінення у межах 1/₁ ? I > 1/₂, де ₁ 5 пс - час термалізації (коливальної релаксації) утворюваного превітаміну D, обмежує його вихід внаслідок зростання ймовірності зворотного замикання гексадієнового кільця, що проявляється як ефект «молекулярної пам'яті». Таке нетривіальне сповільнення фотореакції суттєво відрізняється від ефектів руйнування (дисоціації) біомолекул, які звичайно спостерігаються при високоінтенсивному пікосекундному опроміненні внаслідок двофотонного поглинання.

6. Встановлено механізм адсорбції провітаміну D на поверхні кремнезему і виявлено суттєве зниження ефективності цис-транс ізомеризації превітаміну D в адсорбованому стані через зсув конформаційної рівноваги на користь зкрученого cZc-Pre конформера. В той же час виявлено, що при розчиненні провітаміну D у нематичному рідкому кристалі ефективність цис-транс ізомеризації суттєво залежить від кроку індукованої холестеричної спіралі, і її різке зростання із зменшенням кроку спіралі обумовлене проявом некласичного (hula-twist) механізму в умовах обмеженого об'єму.

Виявлено, що шар адсорбованих молекул провітаміну D забезпечує монодоменну гомеотропну орієнтацію нематичних рідких кристалів, яка під дією лінійно поляризованого УФ опромінення змінюється на планарну, а за допомогою електричного поля реалізовано керування оборотною переорієнтацією нематичних РК. Таким чином, доведено можливість використання плівок фоточутливих молекул стероїдів для безконтактного методу фотоорієнтації нематичних рідких кристалів.

7. Запропоновано і розроблено метод прямого вимірювання вітамін-D-синтезуючої (антирахітної) біологічної активності УФ випромінювання, в основу якого закладено спектральний контроль фотосинтезу превітаміну D (in vitro). Проведено вимірювання антирахітної активності штучних джерел УФ радіації та вперше виконано цілорічні вимірювання біоактивної сонячної УФ радіації в Києві і Антарктиді.

Для візуального контролю дози біоактивного УФ випромінювання запропоновано спосіб, який полягає в тому, що при розчиненні провітаміну D в холестеричній РК матриці його фотоперетворення під дією УФ опромінення призводять до зміни кроку холестеричної макроспіралі і, як наслідок, до зміщення смуги селективного відбивання, тобто до зміни кольору. На цій основі розроблено і протестовано персональний біодозиметр антирахітної УФ радіації.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1*. Кравченко В.И., Кириленко Е.К., Опанасюк Ю.Д., Теренецкая И.П. Новые возможности управления спектрально-энергетическими характеристиками импульсных перестраиваемых лазеров на растворах органических красителей // Изв. АН СССР, сер. физ. - 1982. - Т. 46, №10. - С. 1964 - 1969.

2*. Кириленко Е.К., Кравченко В.И., Опанасюк Ю.Д., Теренецкая И.П. Лазерная абсорбционная спектроскопия газов. 1. Контроль NO₂ по тонкой структуре спектра поглощения // Квантовая электроника. - К.: Наукова думка. - 1983. - №24. - С. 66 -74.

3*. Кравченко В.И., Таранов В.В., Теренецкая И.П. Новые возможности лазерной корреляционной спектроскопии // УФЖ. - 1985. - Т. 30, №3. - С. 332 - 333.

4*. Кравченко В.И., Скорчаковский М.Л., Теренецкая И.П., Шидлак Ю.В., Янкевич З.А. Эффективный перестраиваемый лазер со сверхре-генеративным усилителем на одной активной среде // Укр. физ. журн. - 1985. - Т. 30, №11. - С. 1636-1637.

5*. А.с. 1340536 СССР, МКИ Н 01 S 3/082 / Кравченко В.И., Левченко Е.Г., Теренецкая И.П. (СССР). Способ перестройки длины волны излучения лазера и перестраиваемый лазер для его осуществления - №3898998/ 31-25; Заявл. 23.05.85.

6*. Кравченко В.И., Скорчаковский М.Л., Теренецкая И.П., Шидлак Ю.В., Янкевич З.А. Спектрально-энергетические характеристики лазера на красителе при электронном пере-ключении добротности связанных резонаторов // Квант. электрон. - 1986. - Т.13. - С. 823-826.

7*. Кравченко В.И., Левченко Е.Г., Теренецкая И.П. Прецизионный волномер для экспрессного контроля длины волны излучения импульсного перестраиваемого лазера // Опт.-мех. пром. - 1989.- №3. - С. 61-62.

8*. Теренецкая И.П., Кравченко В.И., Гундоров С.И. Проблемы и возможности лазерной фотоизомеризации провитамина D // Спектроскопия конденсированных сред. - Киев: Наук.думка. - 1988. - С. 157 - 162.

9*. Теренецкая И.П., Гундоров С.И., Кравченко В.И., Берик Е.Б. Наносекундный лазерный фотолиз провитамина D // Квант. электрон. - 1988. - Т.15, №10. - С. 2107-2112.

10*. Богословский Н.А., Берик И.К., Гундоров С.И., Теренецкая И.П. Особенности лазерного фотолиза провитамина D // Хим. выс. энергий. - 1989. - Т.23, №3. - С. 271-275.

11*. Terenetskaya I.P., Perminova O.G., Yeremenko A.M. Photoisomeri-zation of provitamin D in dispersive systems // J. Mol. Struct. - 1990. - V.219. - P.359-364.

12*. Terenetskaya I.P., Repeyev Yu.A. Provitamin D photoisomerization kinetics upon picosecond laser irradiation: the role of previtamin conformational non-equilibrium // Proc.SPIE. - 1990. - V.1403. - P.500-503.

13*. Гундоров С.И., Давыденко В.А., Теренецкая И.П., Ющук О.И. Исследование кинетики и квантовых выходов в фотохимии провитамина D с помощью перестраиваемого лазера // Квант. электрон. - 1991.-T.18. - С. 374-378.

14*. Теренецкая И.П., Гундоров С.И., Берик Е.Б. Особенности фотолиза провитамина D при длинноволновом облучении // Квант. электрон. - 1991. - Т.18, №4. - С. 520-522.

15*. Terenetskaya I.P., Perminova О.G., Yeremenko A.M. Effect of environment on the conformational equilibrium and photoconversions of previtamin D // J. Mol. Struct. - 1992. - V.267. - P.93-98.

16*. Теренецкая И.П. Новые возможности контроля фотопродуктов в процессе лазерной фотоизомеризации провитамина D (обзор) // Квант, электрон. - Киев: Наукова думка. - 1992. - Вып.2. - С. 37 - 44.

17*. Дмитренко О.Г., Теренецкая И.П. Теоретическое обоснование возможности конформационного контроля продуктов фотохимических превращений провитамина D // Теор. экспер. хим. - 1993.-Т.9. - С. 326-32.

18*. Теренецкая И.П., Галкин О.Н., Богословский Н.А. Необратимые реакции в фотохимии провитамина D в условиях оптически плотного слоя // Хим.-фарм. журн. - 1993. - Т.27, N4. - С. 55-59.

19*. Теренецкая И.П., Самойлов Ю.А., Богословский Н.А., Высоцкий Л.Н., Лукницкий Ф.И. Анализ метода двухступенчатого облучения провитамина D с учетом необратимых фотореакций превитамина // Хим.-фарм. журн. - 1993. - Т. 27, №11. - С. 58-62.

20*. Теренецкая И.П., Богословский Н.А., Высоцкий Л.Н., Лукницкий Ф.И. Пути оптимизации фотосинтеза превитамина D при облучении эритемной лампой // Хим.-фарм. журн. - 1994. - Т.28, №8. - С. 46-51.

21*. Сериков А.А., Теренецкая И.П. Влияние интенсивности излучения на каналы фотопре-вращений конформационно-подвижных молекул // Хим. выс. эн. - 1994. - Т.28. - С. 257-262.

22*. Дмитренко О.Г., Теренецкая И.П., Лопухович Н.Ю., Огенко В.М. Особенности термопревращений витамина D на поверхности дисперсных диоксидов // Журн. физ. химии. - 1994. - Т.68. - С. 2252-2253.

23*. Пат. 19525А України, МПК G01J1/48, G01J3/42, C07C401/00, A61N5/06. Спосіб контролю біоактивного ультрафіолетового випромінювання: Пат. 19525А України / Теренецька І.П., Теренецький К.О. - №94043235; Заявл. 08.04.94. Опубл. 25.12.97, Бюл. №6, 2 с.

24*. Terenetskaya I.P. Provitamin D photoisomerization as possible UVB monitor: kinetic study using tunable dye laser // SPIE Proc.. - 1994. - V.2134B. - P.135-140.

25*. Татиколов А.С., Дмитренко О.Г., Теренецкая И.П. Триплет-триплетный перенос энергии в сенсибилизированной цис-транс изомеризации превитамина D // Хим. физика. - 1995. - Т.14, №.4. - С. 73-77.

26*. Terenetskaya I.P., Dmitrenko O.G., Eremenko A.M. Conformational control in previtamin D photochemistry by heterogeneous reaction media // Res. Сhem. Intermed. - 1995. - V.21, N6. - P.653-664.

27*. Terenetskaya I.P. Lasers in Vitamin D synthesis // Rom. J. Biophys. - 1995. - V.5, N.4. - P.263-277.

28*. Теренецкая И.П., Репеев Ю.А. Особенности лазерного фотосинтеза превитамина D при высокоинтенсивном пикосекундном облучении // Хим. выс. эн. - 1996. - Т.30. - С. 402-406.

29*. Dmitrenko O.G., Serikov A.A., Terenetskaya I.P. Model analysis of branching photoreactions with conformationally flexible intermediate // J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry. - 1996. - V.96. - P.7-12.

30*. Репеев Ю.А., Теренецкая И.П. Лазерный фотосинтез превитамина D: новые эффекты при высокоинтенсивном пикосекундном облучении // Квант. электрон. - 1996. - Т.23, №8. - С. 765-768.

31*. Galkin O.N., Terenetskaya I.P., Vitamin D» biodosimeter: basic characteristics and prospect applications // J. Photochem. Photobiol. B: Biologу. - 1999. - V.53, N1. - P.12-10.

32*. Webb A.R., Terenetskaya I.P. Combined study of antirachitic solar UVB radiation by spectroradiometer and «Vitamin D» biodosimeter // In: Biologic effects of light. - Eds. Holick&.Jung, Kluver Acad. Publishers, 1999. - P.153-155.

33*. Dyadyusha A.G., Gvozdovsky I.A., Salkova E.N., Terenetskaya I.P. Development of personal biodosimeter of UV radiation based on vitamin D photosynthesis in nematic liquid crystal matrix // Semicond. Phys., Quantum&Optoelectronics. - 1999. - V.2, N4. - P.91-95.

34*. Terenetskaya I. Spectral monitoring of biologically active solar UVB radiation using an in vitro model of vitamin D synthesis // Talanta. - 2000. - V.53. - P. 195-203.

35*. Gvozdovsky I.A., Terenetskaya I.P. Comparative study of the kinetics of provitamin D photoisomerization in ethanol and in the liquid crystal //Functional Materials. - 2000. - V.7.-P.508-12.

Размещено на Allbest.ru