Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

“УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Спеціальність 01.04.04 - фізична електроніка

ПРОЦЕСИ УТВОРЕННЯ ПОЗИТИВНИХ І НЕГАТИВНИХ ІОНІВ МОЛЕКУЛ ЦИТОЗИНУ, ТИМІНУ, УРАЦИЛУ ЕЛЕКТРОННИМ УДАРОМ

ШАФРАНЬОШ МИРОСЛАВ ІВАНОВИЧ

Ужгород - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі квантової електроніки і в Проблемній науково-дослідній лабораторії фізичної електроніки, ДВНЗ „Ужгородський національний університет” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Шимон Людвік Людвікович,

ДВНЗ „Ужгородський національний університет”

МОН України, професор кафедри квантової електроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Снігурський Олександр Валентинович,

Інститут електронної фізики НАН України (м.Ужгород), завідувач відділу електронних процесів

доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Довбешко Галина Іванівна,

Інститут фізики НАН України (м. Київ),

провідний науковий співробітник

відділу фізики біологічних систем

Захист дисертації відбудеться 02.07.2010 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д61.051.01 в ДВНЗ „Ужгородський національний університет” Міністерства освіти і науки України за адресою: 88000, м. Ужгород, вул. Волошина, 54, ауд. № 181.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ „Ужгородський національний університет” (м. Ужгород, вул. Капітульна, 6).

Автореферат розісланий 01.06. 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук, професор Міца В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Інтерес до експериментального вивчення процесів утворення іонів біомолекул електронним ударом зумовлений, в першу чергу, важливістю проблеми внутріклітинного опромінення біоструктур вторинними електронами, які утворюються у значній кількості в речовині при дії різних видів випромінювання (г-промені, електрони, іони тощо). Взаємодія високоенергетичної радіації з живими клітинами, в основному, не приводить безпосередньо до деградації біополімерних молекул. Цю функцію виконують вторинні електрони, яких виділяється біля 4•10⁴ на 1 МеВ високоенергетичної частинки, що налітає. Більшість цих електронів є низькоенергетичними (повільними) з енергіями від долей до десятків еВ. Саме з повільними електронами пов'язують, на сьогодні, основну частину деструктивних змін на молекулярному рівні біоструктур. При цьому головною мішенню в клітинах часто стають такі біологічно важливі макромолекули, як ДНК і РНК, що відповідають за генетичну інформацію. У експериментах, проведених з гетероциклічними компонентами цих молекул, було показано, що за умови електронного удару мають місце різні фізичні процеси, а саме: збудження, іонізація, дисоціативне збудження та дисоціативна іонізація молекул. Утворені частинки дають початок новому каскаду фізико-хімічних реакцій. Фізичне моделювання цих явищ та оцінка їхніх радіобіологічних наслідків вимагають знань основних характеристик процесів - абсолютних перерізів іонізації. Надійні дані про перерізи іонізації можуть бути отримані лише у прецизійному експерименті, у якому роль навколишнього середовища зведено до мінімуму. Такі можливості дає експеримент, у якому використовується техніка та методика пучків молекул та електронів, що перетинаються.

У науковій літературі наводяться суперечливі дані про абсолютні величини перерізів утворення негативних іонів молекул азотистих основ нуклеїнових кислот, тому постановка нових (прецизійних) досліджень є актуальною та необхідною. З іншого боку, інтенсивний розвиток сучасних напрямів фізичної електроніки, у тому числі й молекулярної, у якій, поряд із традиційними матеріалами, перспективними є розробка і використання нових екологічно чистих біотехнологій, потребує інформацію про зміни структури біомолекул при дії радіації та інших факторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У дисертацію включені наукові результати, які були отримані у Проблемній науково-дослідній лабораторії фізичної електроніки (ПНДЛ ФЕ) у ДВНЗ „Ужгородський національний університет” згідно з планами науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України, що виконувались на протязі 1997-2008 років:

1. Вивчення фізичних процесів і структурних змін молекул нуклеїнових кислот і їх компонентів під дією низькоенергетичних електронів (№ держреєстрації: 0198U003110, 1997-1999 рр.).

2. Визначення основних характеристик непружних взаємодій електронів малих енергій з метастабільними атомами та біомолекулярними структурами (№ держреєстрації: 0100U005342, 2000-2003 рр.).

3. Вивчення фізичних механізмів непружних взаємодій повільних електронів з метастабільними атомами II та ІІІ груп Періодичної таблиці елементів та гетероциклічними молекулярними структурами (№ держреєстрації: 0103U001687, 2003-2005 рр.).

4. Вивчення резонансних явищ у процесах непружних зіткнень електронів з біомолекулами та метастабільними атомами (№ держреєстрації: 0105U009072, 2006-2008 рр.).

Мета і завдання дослідження: Метою досліджень було проведення комплексних досліджень процесів іонізації молекул азотистих основ нуклеїнових кислот - цитозину, тиміну, урацилу - під дією електронів малих енергій.

У відповідності до поставленої мети дисертаційної роботи, необхідно було вирішити такі задачі:

1. Створення експериментальної установки з пучками електронів та молекул, що перетинаються, для визначення повних перерізів утворення позитивних і негативних іонів молекул цитозину, тиміну, урацилу.

2. Створення експериментальної мас-спектрометричної установки для отримання мас-спектрів досліджуваних об'єктів.

3. Розробка джерела молекулярного пучка та методики визначення концентрації молекул у пучку.

4. Проведення експериментальних досліджень іонізації молекул цитозину, тиміну, урацилу для визначення: а) повних перерізів утворення позитивних іонів та їх енергетичних залежностей; б) мас-спектрів утворених іонів; в) парціальних перерізів утворення позитивних іонів та їх енергетичних залежностей; г) повних перерізів утворення негативних іонів молекул та їх енергетичних залежностей.

5. Встановлення закономірностей та механізмів перебігу процесів іонізації у молекулах та їх модельний опис для прикладних завдань.

Об'єкт дослідження - явище зіткнення низькоенергетичних електронів з молекулами.

Предмет дослідження - процеси іонізації молекул піримідинових азотистих основ нуклеїнових кислот: цитозину, тиміну та урацилу, під дією повільних електронів.

Для досягнення мети та завдань досліджень усі експерименти були проведені в умовах пучків електронів та молекул, що перетинаються. Такий підхід забезпечив мінімізацію впливу середовища на процес вимірів абсолютних значень перерізів іонізації молекул та гарантував високу точність і надійність отриманих результатів. У роботі застосовувалися комплексні методи дослідження: електричний метод при визначенні повних перерізів утворення позитивних і негативних іонів та їх енергетичних залежностей, мас-спектрометричний метод для отримання мас-спектрів та для визначення парціальних перерізів іонізації і їх енергетичних залежностей; оптичний метод для вимірювання концентрації молекул у пучку.

Наукова новизна отриманих результатів

Отримані у даній роботі результати мають пріоритетний характер. Зокрема, вперше:

1. Експериментальним шляхом визначені абсолютні величини та енергетичні залежності повних перерізів утворення позитивних іонів молекул цитозину, тиміну та урацилу в інтервалі енергій бомбардуючих електронів від порогу процесу до 200 еВ.

2. Детально вивчені мас-спектри молекул цитозину, тиміну та урацилу, ініційовані електронним ударом. Запропоновані схеми фрагментації молекул в умовах пучків молекул та електронів, що перетинаються. Визначені парціальні перерізи утворення іонних фрагментів нуклеотидних основ. Досліджені залежності парціальних перерізів молекул основ від енергії електронів.

3. У прямому експерименті визначені абсолютні величини та енергетичні залежності повних перерізів утворення негативних іонів молекул цитозину, тиміну та урацилу. Показано, що процеси утворення негативних іонів при зіткненнях повільних електронів з молекулами піримідинових азотистих основ нуклеїнових кислот мають резонансний характер і реалізуються в інтервалі енергій електронів 1 ч 3 еВ.

4. Напівемпіричним квантово-хімічним методом АМ1 розраховані фізичні характеристики нейтральних молекул піримідинових азотистих основ та їх аніонів, а саме: криві потенціальної енергії, довжини зв'язків, густини розподілу зарядів, що дозволило моделювати процес електронного захоплення. Співставленням розрахунків з експериментальними результатами визначено домінуючі канали дисоціації негативних іонів молекул цитозину, тиміну та урацилу.

Практичне значення одержаних результатів

1. Створено універсальні експериментальні установки з пучками електронів та молекул, що перетинаються, для визначення повних перерізів утворення позитивних і негативних іонів молекул та мас-спектрометричних досліджень.

2. Сконструйовано джерело, яке генерує колімований пучок молекул концентрацією ~ 8·10¹⁰см^-3. Дослідницьким шляхом для кожної нуклеотидної основи встановлено діапазон температур, у якому відсутня термофрагментація молекул. Розроблено методику визначення концентрації молекул у пучку, яка базується на вимірюванні оптичної густини конденсату молекулярного пучка.

3. Отримані результати можуть знайти застосування в галузі радіобіології та медичної радіології для оптимізації радіотерапевтичних методик, цілеспрямованого радіаційного мутагенезу, для з'ясування проблеми ефективності малих доз радіації та відносності порогових доз.

4. Гетероциклічні молекули, якими є досліджувані в роботі компоненти нуклеїнових кислот, завдяки своїм особливим фізичним та фізико-хімічним властивостям є перспективними новими матеріалами молекулярної електроніки, біосенсорики, біомолекулярної та генетичної інженерії.

Особистий внесок здобувача у виконання дисертаційної роботи полягає в наступному:

- у розробці та виготовленні окремих вузлів експериментальної установки, а саме: джерела пучків електронів, джерел молекулярних пучків, системи реєстрації іонів;

- у створенні методики визначення концентрації молекулярного пучка та загальної методики досліджень на різних етапах експериментів, у проведенні контрольних дослідів;

- у підготовці та проведенні досліджень процесів утворення позитивних і негативних іонів, обробці результатів експериментів;

- автору належить провідна роль у підготовці до друку колективних праць та тезів доповідей на наукових конференціях; автор особисто виступав з доповідями на міжнародних конференціях.

В опублікованих із співавторами наукових працях особистий внесок дисертанта становить:

- у роботах [2, 7, 9-11] - у створенні джерела молекулярного пучка, проведенні вимірювань, аналізі літературних даних, обробці експериментальних результатів, формулюванні висновків;

- у роботах [3, 5, 6, 8, 12-14] - у постановці експериментів, аналізі літературних даних, обробці експериментальних даних, співучасті в обговоренні та інтерпретації експериментальних результатів, формулюванні висновків; іонізація цитозин тимін урацил

- у роботах [15-21] - у пошуку та реферуванні літературних даних, участі у постановці експериментальних досліджень, аналізі та обробці результатів, формулюванні висновків.

Апробація результатів дисертації. 21 (Сендай, Японія, 1999), 23 (Стокгольм, Швеція, 2003), 24 (Розаріо, Аргентина, 2005), 25 (Фрайбург, Німеччина, 2007) міжнародні конференції з фізики електронних та атомних зіткнень (ICPEAC). Другий біофізичний з'їзд Росії (Москва, 1999). 34 (Дублін, Ірландія, 2005) міжнародна конференція Європейської групи з атомної спектроскопії (EGAS). 27 міжнародна школа-семінар (Берегове, Україна, 2007) „Спектроскопія молекул і кристалів”. Третя конференція з елементарних процесів у атомних системах (Мішкольц, Угорщина 2005). Міжнародний конгрес з медичної фізики (Москва, Росія, 2005). Конференція молодих учених і аспірантів, ЕФ-2007 (Ужгород, Україна, 2007). Міжнародна конференція з нанобіофізики (Харків, 2009), Міжнародна школа з фотоніки (Белград, Сербія, 2009).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 21 наукову працю, з них - 7 статей у фахових наукових журналах ( у тому числі дві - одноосібно), 14 тез доповідей на національних та міжнародних конференціях і з'їздах.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається із вступної частини, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 83 найменування. Матеріали дисертації представлено на 123 сторінках друкованого тексту, у тому числі 82 рисунки та 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність наукових досліджень за темою дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі роботи, об'єкт, предмет та методи дослідження, наукову новизну досліджень, практичне значення одержаних результатів. Подано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, особистий внесок автора, апробацію результатів роботи та наукові публікації за темою дисертації, дані про структуру та обсяг дисертаційної роботи.

Перший розділ дисертації присвячений загальному розгляду процесів іонізації складних молекул електронами. Аналізуються особливості утворення позитивних і негативних іонів, можливі методи визначення ефективних перерізів їх утворення та короткий огляд наявних даних з іонізації складних молекул. Аналіз літературних джерел свідчить, що у результаті низькоенергетичних взаємодій електронів з молекулами основ нуклеїнових кислот ефективно проходять процеси утворення позитивних молекулярних іонів, позитивно та негативно заряджених фрагментів цих молекул. Поряд з цим, вивчення іонізаційних процесів знаходиться на початковому етапі, про що свідчить і незначна кількість виконаних досліджень, і неоднозначність їхніх результатів. Так, спостерігається надзвичайно великий розкид даних (декілька порядків за величиною), отриманих різними авторами, з абсолютних величин перерізів утворення негативних іонів, який виходить далеко за межі похибок експерименту. Є розбіжності у результатах різних досліджень щодо інтенсивностей ліній у мас-спектрах азотистих основ. На нашу думку, такий стан проблеми зумовлений відсутністю надійних експериментальних методик визначення перерізів іонізації, а також недостатньою увагою до фізичних умов проведення самих експериментів. Придатність існуючих теоретичних методів для розрахунку перерізів іонізації, за умови відсутності надійних експериментальних даних, залишається невідомою. Необхідною є постановка нових експериментальних досліджень непружних взаємодій електронів з молекулами основ нуклеїнових кислот, у яких перерізи утворення позитивних і негативних іонів визначались би виключно на основі експериментально вимірюваних величин. Вважаємо, що найбільш перспективним методом для таких досліджень є метод пучків молекул та електронів, що перетинаються.

У другому розділі приведено опис експериментальної установки з пучками електронів і молекул, що перетинаються, для досліджень процесів утворення позитивних і негативних іонів молекул основ нуклеїнових кислот. Її можливості включають: визначення повних та парціальних перерізів утворення позитивних іонів; визначення повних перерізів утворення негативних іонів; вимірювання мас-спектрів позитивних іонів. Детально описані основні вузли експериментальної установки, методика проведення досліджень та контрольні досліди. Дана характеристика досліджуваним об'єктам - азотистим основам нуклеїнових кислот: цитозину, тиміну, урацилу.

Формування молекулярного пучка здійснювалося за допомогою термічного ефузійного джерела та спеціального мікроканального пристрою. Молекули пучка проходили через область взаємодії з електронами і в кінці свого шляху осідали на дні циліндричної мідної камери (колектора), що охолоджувалася рідким азотом, утворюючи помітний з часом слід (конденсат). Геометричні розміри конденсату використовувалися для визначення геометричних параметрів молекулярного пучка (перерізу області зіткнення, кутової апертури). В якості джерела електронного пучка використовувалася п'ятиелектродна електронна гармата з вольфрамовим катодом V-подібної форми прямого нагріву. Перший електрод гармати знаходився під невеликим негативним потенціалом відносно катоду і затримував низькоенергетичну частину електронів з катода. Паралельно до осі електронного пучка створювалося однорідне магнітне поле індукцією В = 1,2·10^-2 Тл. Калібрування енергетичної шкали електронів здійснювалося за положенням резонансного піку утворення негативного іона молекули SF₆Ї. З цією метою камера зіткнень за допомогою прецизійної системи напуску заповнювалась газом SF₆, і вимірювався струм негативних іонів при скануванні енергії пучка електронів. Енергетичне положення резонансу визначало нуль шкали енергій електронів, а ширина резонансу на половині його висоти характеризувала енергетичну неоднорідність пучка електронів - ?Е_1/2. Вимірювання енергетичних залежностей перерізів утворення іонів проводилися при силі струму електронного пучка ~2·10^-6 А та ?Е_1/2 ~ 0,3 еВ. У місці перетину електронного та молекулярного пучків відбувалося утворення іонів. Маючи початковий імпульс руху, іони рухалися у напрямку прохідного колектора, в якому розміщувався осьовий електрод (зонд). На зонд подавався потенціал 25 В від гальванічного джерела, полярність якого була протилежною полярності реєстрованих іонів. Необхідна величина потенціалу, знайдена в окремому експерименті, забезпечувала повний збір іонів, що утворилися в області перетину пучків молекул і електронів. Магнітне поле В перешкоджало попаданню на зонд електронів, розсіяних на молекулах і поверхнях електродів. Струм утворених іонів вимірювався за допомогою електрометричного підсилювача, вихідний сигнал якого поступав на вхід карти РIO 323. Для мас-спектрометричного аналізу продуктів реакцій був використаний серійний мас-спектрометр МИ-1201 із секторним магнітним аналізатором, а також лабораторний мас-спектрометричний макет із статичним магнітним полем і середньою роздільною здатністю.

Процес досліджень здійснювався у чотири етапи. На першому етапі проводились контрольні досліди, які включали такі вимірювання: енергетичної залежності повного перерізу утворення позитивних іонів молекул N₂, енергетичної залежності повного перерізу утворення негативних іонів молекул SF₆, мас-спектру атомів аргону. Оцінка коректності методики, в загальному, визначалась шляхом співставлення результатів контрольних дослідів з даними інших авторів.

Результат такого співставлення дозволив зробити висновок про надійність використаної методики вимірів. На другому етапі у камері зіткнень створювався вакуум ~ 1·10^-6Па. Вводилось в дію джерело молекулярного пучка, і вимірювались енергетичні залежності повних перерізів утворення позитивних і негативних іонів молекул. На третьому етапі визначались абсолютні величини перерізів утворення позитивних і негативних іонів молекул. На четвертому етапі проводились мас-спектрометричні дослідження і визначались абсолютні величини перерізів утворення молекулярних іонів та позитивно заряджених фрагментів молекул. Відносна похибка вимірів становила: для енергетичних залежностей перерізів іонізації ~ 9%; для абсолютних величин перерізів іонізації ~ 21%; для інтенсивностей ліній мас-спектрів ~ 10-15%.

Третій розділ містить результати досліджень та їх обговорення. Приведені такі результати: абсолютні величини повних та парціальних перерізів утворення позитивних іонів молекул азотистих основ нуклеїнових кислот - цитозину, тиміну, урацилу; енергетичні залежності повних та парціальних перерізів утворення позитивних іонів цих молекул (функції іонізації - ФІ) в інтервалі енергій бомбардуючих електронів від порогу до 200 еВ; абсолютні величини повних перерізів утворення негативних іонів цитозину, тиміну, урацилу та енергетичні залежності цих перерізів у інтервалі енергій бомбардуючих електронів від порогу до 5 еВ. У процедурі визначення абсолютних величин перерізів утворення іонів найбільш складним було знаходження концентрації молекул в області перетину молекулярного та електронного пучків. У роботі описана оригінальна методика визначення концентрації молекул у пучку. Згадана концентрація знаходилась за масою конденсату, яка визначалась абсорбційною методикою. Для цього конденсат розчинявся у дистильованій воді, досліджувались спектри поглинання утвореного розчину в ультрафіолетовій області (л~260нм). Вимірювання проводилися на спектрофотометрі СФ-46. За значенням оптичної густини D знаходили відповідну концентрацію c, яка, у свою чергу, пов'язана з масою конденсату М та об'ємом розчину V, тобто М=сV. Похибка у визначенні оптичної густини становила 5%. У свою чергу, М залежить від параметрів експерименту таким чином: M = nSmvф, де n - шукана концентрація молекул в області перетину пучків; S - площа перетину пучків електронів та молекул, яка перпендикулярна до напрямку поширення молекулярного пучка; m - маса молекули; v - швидкість молекул в пучку; ф - час, коли відкрита засувка 7. Величини S та d визначалися із геометрії молекулярного пучка. Відносна похибка у визначенні величини n не перевищувала 17%. Експерименти проводили при n ~ 8·10¹⁰см^-3.

У результаті виконаних експериментів вперше визначені абсолютні величини перерізів іонізації та їх енергетичні залежності для молекул основ нуклеїнових кислот цитозину, тиміну, урацилу в інтервалі енергій бомбардуючих електронів від порогових значень енергій до 200 еВ. Для прикладу на рис.1 приведена енергетична залежність повного перерізу іонізації (функція іонізації) для молекул цитозину. Як видно із рис. 1, функція іонізації після припорогового зростання є досить пологою із слабо вираженими особливостями та широким максимумом в діапазоні від 73 до 95 еВ. Подібна картина має місце і для молекул тиміну та урацилу. Максимальне значення перерізу іонізації цитозину наступає при енергії 78 еВ і рівне (7,8^.0,8)·10^-16 см²; для тиміну максимальне значення перерізу іонізації рівне (1,4±0,15)·10^-15 см² і спостерігається при енергії 90 еВ; максимальний переріз іонізації урацилу знаходиться при енергії 95 еВ і рівний (1,0+0,1)10^-15 см². Визначений поріг утворення позитивних іонів для цитозину становить 9,00,2 еВ, для тиміну - 9,2±0,2 еВ, а для урацилу - 9,4±0,2 еВ. Зазначимо, що максимуми перерізів іонізації для цитозину, тиміну та урацилу, як і відповідні пороги процесів, дещо зміщуються в область більших енергій. Абсолютні ж значення перерізів іонізації в межах похибок їх визначення є близькими за величиною. Визначені у даній роботі перерізи утворення позитивних іонів мають зміст повних перерізів, тобто включають в себе перерізи утворення іонів як вихідних молекул (перерізи молекулярних іонів), так і їх фрагментів (так звані парціальні перерізи). На кривих іонізації помітна структура у вигляді зломів, яка обумовлена, на нашу думку, внесками від процесів утворення молекулярних іонів у збуджених станах та дисоціативної іонізації.

У роботі вивчені мас-спектри молекул цитозину, тиміну, урацилу та визначені схеми їх фрагментації. Спільною ознакою приведених мас-спектрів є: присутність найбільш інтенсивних ліній, які відповідають однозарядним молекулярним іонам (лінія m/z 111 - для цитозину, лінія m/z 126 - для тиміну, лінія m/z 112 - для урацилу); наявність великої кількості ліній різної інтенсивності, які відповідають новоутвореним іонним фрагментам; відсутність ліній двозарядних молекулярних іонів, а також іонів димерних та тримерних молекулярних сполук.

Дані про повні перерізи іонізації молекул цитозину, тиміну, урацилу та їх мас-спектри дали можливість визначити перерізи утворення молекулярних іонів і парціальні перерізи іонізації при енергії бомбардуючих електронів 95 еВ (див. табл. 1, де m/z - маса молекулярного фрагменту в атомних одиницях маси; у - величини перерізів утворення іонних фрагментів молекул). Найбільші перерізи утворення іонних фрагментів характерні для груп: C₃H₄N₂⁺_, C₄H₅NO⁺, C₃H₃NO⁺, C₃H₅N⁺ ,C₂H₃N⁺, C₂H₃N ⁺, C₂H₂N⁺, CH₂N₂⁺_, C₃H₃O⁺, СО⁺, CNO⁺. Спостерігаються також іони піримідинового кільця. Більшість іонних фрагментів молекул характеризуються значно меншими перерізами утворення (10^-17 - 10^-18) см². Для найбільш інтенсивних та добре розділених мас-спектральних ліній були виміряні енергетичні залежності перерізів утворення молекулярних іонів та іонних фрагментів (для прикладу див. рис. 2).

Рис. 1. Залежність абсолютної величини повного перерізу утворення позитивних іонів цитозину від енергії електронів.

Як свідчать приведені дані, енергетичні залежності перерізів утворення молекулярних іонів, в загальних рисах (енергетичні пороги іонізації, енергії максимумів), подібні до енергетичних залежностей повних перерізів іонізації (див. рис. 1). Натомість, для іонних фрагментів молекул, порогові значення енергій їх утворення та положення максимальних перерізів зсуваються в область більш високих енергій. Аналіз цих таблиць та мас-спектрів показує, що утворення молекулярних іонів є переважаючим процесом (перерізи за порядком величини ~ 10^-16 см²), що свідчить про достатню стійкість досліджуваних молекул основ нуклеїнових кислот до електронного удару. Це дуже значимий факт для таких складних і важливих біомолекул, як цитозин, тимін та урацил, коли процеси утворення молекулярних іонів характеризуються найбільшими перерізами іонізації.

Таблиця 1. Абсолютні величини перерізів утворення позитивних іонів молекул цитозину, тиміну та їх фрагментів при енергії електронів 95 еВ

m/z, а.о.м.	Іони цитозину	У , 10-16, cм2	m/z, а.о.м.	Іони тиміну	у, 10-16см2
111	C4H5N3O+	1,65	126	C5H6N2O2+	2,0
95	C4H3N2O+; C4H5N3+	0,17	83	C4H5NO+	0,40
83	C3H3N2O+; C3H5N3+	0,25	81	C4H3NO+	0,23
81	C3H3N3+	0,17	70	C2NO2+;C3H4NO+	0,63
79	C4H3N2+	0,11	69	C3H3NO+	0,25
69	C3H5N2+	0,52	56	C2H2NO+; HNO+	0,30
68	C3H4N2+	0,32	55	C2H3N2+;С3H3O+; C3H5N+	1,10
67	C3H3N2+	0,36	53	C3H3N+	0,23
56	C2H2NO+; CN2O+	0,09	52	C3H2N+	0,43
55	C2H3N2+	0,17	43	CHNO+	0,33
52	C3H2N+	0,10	42	CNO+; CN2H2+	0,50
44	CH2NO+	0,35	41	C2H3N+; CHN2+	0,35
43	CHNO+	0,27	40	C3H4+; C2NH2+	0,45
42	CH2N2+; CNO+	0,62	39	C3H3+; C2NH+	1,00
41	CHN2+; C2H3N+	0,36	38	C3H2+; C2N+	0,50
40	C2H2N+	0,40	37	C3H+	0,60
39	C2HN+	0,16	29	COH+	0,23
29	COH+	0,12	28	CO+; CH2N+	1,00
28	CO; CH2N+	0,60	27	C2H3+	0,20
27	CHN+	0,12	26	C2H2+	0,13

У даній роботі вперше експериментально визначені абсолютні величини повних перерізів утворення негативних іонів та їх енергетичні залежності (функції іонізації) для молекул основ нуклеїнових кислот. в інтервалі енергій бомбардуючих електронів від порогових значень до 5 еВ (див. рис.3). Як, видно, процеси утворення негативних іонів проявляються у дуже вузькій області енергій бомбардуючих електронів, тобто мають характер резонансів. Зокрема, ширини резонансних піків на половині їх висоти (так звані півширини) для цитозину, тиміну, урацилу відповідно становлять - 0,7 еВ, 0,4 еВ, 0,37 еВ. Енергетичне положення резонансу для цитозину спостерігається при енергії 1,5 еВ, для тиміну - 1,1 еВ, для урацилу - 1,1 еВ. Максимуми перерізів утворення негативних іонів становлять (4,2±0,4)·10^-18см² (для цитозину) (8,2±0.8)·10^-18см² (для тиміну), (5,0±0,5)·10^-18см² (для урацилу). Таким чином, на відміну від позитивних іонів, за нашими даними, негативні іони мають значно менші перерізи утворення.

Виміряні перерізи складаються із перерізів утворення негативних іонів як вихідних молекул, так і їх фрагментів. Поряд з цим, у відповідності до фізичних законів збереження, молекулярні іони повинні знаходитися у збуджених станах, які з причин своєї нестабільності підлягають розпаду на іонізовані та нейтральні фрагменти. При цьому найбільш ймовірними нейтральними фрагментами будуть атоми водню, які мають найменші величини зв'язків у піримідиновому кільці. Таким чином, процес утворення негативних іонів для цитозину, тиміну, урацилу буде проходити двостадійно згідно схем:

е + С₄H₅N₃O > [(С₄H₅N₃O)Ї ]* > (С₄H₄N₃O)Ї + H;

е + С₅H₆N₂O₂ > [(С₅H₆N₂O₂) Ї ]* > (С₅H₅N₂O₂)Ї + H;

е + C₄H₄ N₂O₂ > [(C₄H₄ N₂O₂)Ї ]* > (С₄H₃N₂O₂)Ї + H ;

де [(С₄H₅N₃O)Ї]*, [(С₅H₆N₂O₂) Ї ]*, [(С₄H₄N₂O₂)Ї ]* - відповідно, негативно заряджені молекулярні іони цитозину, тиміну, урацилу, у збуджених станах; (С₄H₄N₃O)Ї , (С₅H₅N₂O₂)Ї, (С₄H₃N₂O₂)Ї - відповідно, негативно заряджені фрагменти основ цитозину, тиміну, урацилу, які втратили по одному атому водню.

Викладене вище переконливо підтверджується розрахунками кривих потенціальної енергії, довжин зв'язків, густин розподілу зарядів на прикладі молекули та негативного молекулярного іону цитозину. Розрахунки були виконані напівемпіричним квантово-механічним методом AM1, що входить у пакет програм HyperChеm. Співставленням розрахунків із експериментальними результатами, отриманими в роботі, виявлено домінуючі канали дисоціації негативних іонів досліджуваних молекул. Зокрема, найбільш ймовірними продуктами такої дисоціації є атом водню, який знаходиться поблизу вузла N1, і негативно заряджений молекулярний залишок.

Рис. 2. Залежності абсолютної величини повних перерізів утворення негативних іонів цитозину (1) та тиміну (2) від енергії електронів.

Таким чином, при зіткненнях низькоенергетичних електронів з молекулами основ нуклеїнових кислот ефективно проходить утворення позитивних і негативних іонів цих молекул і їх фрагментів. Такі фізичні процеси призводять до деградації біополімерних молекул, можуть спричинити різнотипні генотоксичні та мутагенні зміни. Зокрема, електрони при енергіях, навіть менших від порогу електронного збудження молекул азотистих основ (<3eВ), ефективно руйнують біомолекули, продукуючи рухливі радикали водню і фрагменти негативних іонів цих молекул, а утворення позитивно зарядженого молекулярного іону може викликати точкове пошкодження в ДНК - депіримідизацію.

ВИСНОВКИ

1. Виконані комплексні експериментальні дослідження процесів утворення позитивних і негативних іонів молекул піримідинових основ нуклеїнових кислот під дією повільних електронів. Експерименти проведені в умовах пучків електронів і молекул, що перетинаються, з використанням розробленої методики визначення перерізів утворення позитивних та негативних іонів.

2. Вперше експериментальним шляхом визначені абсолютні величини повних перерізів утворення позитивних іонів піримідинових основ нуклеїнових кислот: цитозину, тиміну, урацилу, а також досліджені енергетичні залежності перерізів іонізації (функції іонізації) в інтервалі енергій електронів від порогу до 200 еВ. Функції іонізації є пологими із слабо вираженими особливостями та широкими максимумами в діапазоні від 73 до 95 еВ. Зокрема: максимум перерізу іонізації цитозину досягається при енергії 78 еВ і рівний (7,8^.0,8)^.10^-16 см²; для тиміну максимальне значення перерізу іонізації рівне (1,4±0,3)·10^-15см² і спостерігається при енергії 90 еВ; максимум перерізу іонізації урацилу знаходиться при енергії 95 еВ і рівний (1,0+0,2)10^-15 см².

3. Встановлено, що у мас-спектрах молекул цитозину, тиміну, урацилу при енергії електронів 95 еВ найбільш інтенсивні лінії відповідають молекулярним іонам і таким продуктам фрагментації піримідинового кільця: C₃H₅N₂⁺; C₂NO₂⁺; C₃H₄NO⁺; С₄H₅NO⁺. Запропоновано схеми фрагментації молекул основ під дією електронного удару. Визначено перерізи та енергетичні залежності перерізів утворення іонних фрагментів молекул цитозину, тиміну, урацилу. Показано, що найбільші перерізи утворення (~ 10^-16 см²) властиві молекулярним іонам.

4. Вивчено процес утворення негативних іонів молекул цитозину, тиміну, урацилу в інтервалі енергій бомбардуючих електронів 1 ч 5 еВ. Показано, що процеси утворення негативних іонів мають резонансний характер і супроводжуються дисоціацією молекул основ нуклеїнових кислот.

5. Вперше у прямому експерименті визначені абсолютні величини повних перерізів утворення негативних іонів, максимальні величини яких становлять (4,2±0,9)•10^-18 см² (при енергії 1,5 еВ), (8,2±1,7)•10^-18 см² (при енергії 1,1 еВ), (5,0±1,1)•10^-18 см² (при енергії 1,1 еВ), відповідно, для цитозину, тиміну, урацилу.

6. Співставленням квантово-хімічних розрахунків, виконаних напівемпіричним методом AM1, із експериментальними результатами, отриманими в роботі, виявлено домінуючі канали дисоціації негативних іонів досліджуваних молекул. Зокрема, найбільш ймовірними продуктами такої дисоціації є атом водню і негативно заряджений молекулярний залишок.

7. Утворення позитивних і негативних іонів молекул азотистих основ та їх фрагментів призводить до деградації біополімерних молекул нуклеїнових кислот і може спричинити різнотипні генотоксичні та мутагенні зміни біоструктур. Важливо, що повільні електрони при енергіях, навіть менших від порогу електронного збудження молекул основ (<3eВ), ефективно руйнують біомолекули, продукуючи радикали водню і негативно заряджені фрагменти.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шафраньош М.І. Перерізи дисоціативної іонізації в процесах зіткнень електронів з молекулами цитозину, тиміну та урацилу / М.І. Шафраньош // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія фізика. - 2009. - Вип.25. - С. 208-213.

2. Шафраньош М.І. Резонансне утворення негативних іонів молекул урацилу / М.І. Шафраньош, М.І. Суховія, Л.Л. Шимон, І.І. Шафраньош // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія фізика. - 2008. - Вип.23. - С. 85-90.

3. Шафраньош И.И. Процессы образования положительных и отрицательных ионов молекул тимина, инициируемые медленными електронами / И.И. Шафраньош, М.И. Суховия, М.И. Шафраньош, Л.Л. Шимон // ЖТФ. - 2008. - Т.78, Вып.12. - С. 7-11.

4. Шафраньош М.І. Ефективний переріз іонізації молекул тиміну електронним ударом / М.І. Шафраньош // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія фізика. - 2006. - Вип. 19. - С. 100-104.

5. Shafranyosh I.I. Absolute cross sections of positive and negative ion production in electron collision with cytosine molecules / I.I. Shafranyosh, M.I. Sukhoviya, M.I. Shafranyosh // J. Phys. B. - 2006. - V.39. - Р. 4155- 4162.

6. Шафраньош М.И. Абсолютное сечение образования отрицательных ионов молекул цитозина электронным ударом / М.И. Шафраньош, М.И.Суховия, Л.Л. Шимон, И.И. Шафраньош // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т.31, Вып.24. - С. 74-77.

7. Суховія М.І. Збудження та іонізація аденіну електронним ударом / М. І. Суховія, Є.І. Вощепинець, М.І. Шафраньош, Л.Л. Шимон // Биополимеры и клетка. - 1996. - Т.12, №3. - С. 97-100.

8. Shafranyosh M.I. Electron-impact ionization of the nucleic acid base molecules / M.I. Shafranyosh, M.I. Sukhoviya, L.L. Shimon // Book of Abstr. XXI ICPEAC, Sendai (Japan). - 1999. - Р.320, TU038.

9. Суховия М.И. Возбуждение и ионизация биомолекул электронным ударом / М.И. Суховия, М.И. Шафраньош // Тезисы докл. II Биофизического съезда России, Москва. - 1999. - С. 164 - 165.

10. Shafranyosh M.I. Physical processes in nucleic acid bases under electron impact / M.I. Shafranyosh, M.I. Sukhoviya, L.L. Shimon, I.I. Shafranyosh // Book of Abstr. ECAMP8, Rennes (France).- 2004.- Р. 13-19-B.

11. Sukhoviya М.I. Formation of the cytosine positive and negative ions during the collision processes with slow electrons / М.I. Sukhoviya, M.I. Shafranyosh, L.L. Shimon, I.I. Shafranyosh // Book of Abstr. XXIII ICPEAC, Stockholm (Sweden). - 2003. - P. Tu 067.

12. Shafranyosh I.I. Experimental determination of absolute cross section for negative ion formation of the nucleic acid bases /I.I. Shafranyosh, R.O. Fedorko, M.I. Shafranyosh, M.I .Sukhoviya // Book of Abstr. XXIV ICPEAC, Rosario (Argentina). - 2005.- Р. Th 073.

13. Shafranyosh, M.I. Effective cross section for positive ion formation of cytosine molecules and their fragments / M.I. Shafranyosh, M.I. Sukhoviya, M.O. Margitych, L.L. Shimon, I.I. Shafranyosh // Book of Abstr. XXIV ICPEAC, Rosario (Argentina). - 2005. - Р. Th 074.

14. Shafranyosh M.I. Effective cross sections of the positive and negative ions formation of thymine molecules / M.I. Sukhoviya, M.I. Shafranyosh, I.I. Shafranyosh // Book of Abstr. XXXIV EGAS, Dublin (Ireland).- 2005. - P. 139.

15. Shafranyosh M.I. Absolute cross sections of ion production in electron collision with cytosine molecules / M.I. Shafranyosh, M.I. Sukhoviya, V.V. Medulych, P.M. Vichniy, L.L. Shimon, I.I. Shafranyosh // Book of Abstr. IX ECAMP, Crete (Greece). - 2007. - Р. TU 3-15.

16. Margitych M.O. Electron impact excitation and ionization functions of gas-phase nucleic acid base molecules / M.O. Margitych, M.I. Sukhoviya, M.I. Shafranyosh., I.I. Shafranyosh // Book of Abstr. XVIII ISSSMC, Beregove (Crimea). - 2007. - Р. 112.

17. Шафраньош M.I. Утворення негативних іонів тиміну при електрон-молекулярних взаємодіях / M.I. Шафраньош, Л.Л. Шимон // Тези доповідей конференції молодих учених і аспірантів ІЕФ, Ужгород. - 2007. - С. 27.

18. Shafranyosh I.I. Electron impact excitation and ionization functions of gas-phase thymine molecules / I.I. Shafranyosh, M.I. Sukhoviya, M.O. Margitich, M.I. Shafranyosh, L.L. Shimon // Book of Abstr. XXV ICPEAC, Freiburg (Germany).- 2007. - P. Fr 111.

19. Shafranyosh I. I. Absolute cross sections of ion production in electron collision with uracil molecules / I.I. Shafranyosh, M.I. Sukhoviya, M.I. Shafranyosh, V.V. Medulych, R.O. Fedorko // Book of Abstr. XXV ICPEAC, Freiburg (Germany). - 2007. - P. Fr 110.

20. Суховия М.И. Резонансные процессы в нуклеиновых кислотах, вызванные электронным ударом / М.И. Суховия, Н.А. Маргитич, М.И. Шафраньош, В.В. Стецович, О.М Стукалов, Р.Л.Шваб, И.И.Шафраньош, Л.Л. Шимон // Тез. Докл. Межд. Конф. ”Нанобиофизика”, Харьков. - 2009. - С.42.

21. Shafranyosh M.I. Optical and mass-spectrometric study of the slow electrons interaction with nucleic acid components // Proc. Int. School and Conf. on Photonics. - Belgrade (Serbia). - 2009.- P.145.

АНОТАЦІЯ

Шафраньош М.І. Процеси утворення позитивних і негативних іонів молекул цитозину, тиміну, урацилу електронним ударом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - ДВНЗ “Ужгородський національний університет”, Ужгород, 2010.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів утворення позитивних і негативних іонів молекул цитозину, тиміну, урацилу, які знаходилися у газовій фазі, під дією повільних електронів. Дослідження виконані методом пучків електронів і молекул, що перетинаються.

В роботі визначені абсолютні величини повних перерізів утворення позитивних іонів піримідинових основ нуклеїнових кислот: цитозину, тиміну, урацилу, а також енергетичні залежності перерізів іонізації в інтервалі енергій електронів від порогу до 200 еВ. Функції іонізації є пологими із слабо вираженими особливостями та широкими максимумами в діапазоні енергій від 73 до 95 еВ. Зокрема: максимум перерізу іонізації цитозину досягається при енергії 78 еВ і рівний (7,8^.0,8)^.10^-16 см²; для тиміну максимальне значення перерізу іонізації рівне (1,4±0,3)·10^-15см² і спостерігається при енергії 90 еВ; максимум перерізу іонізації урацилу знаходиться при енергії 95 еВ і рівний (1,0+0,2)10^-15 см². Визначені абсолютні величини повних перерізів утворення негативних іонів цих же молекул в інтервалі енергій електронів від порогу до 5 еВ. Максимальні величини перерізів утворення іонів становлять (4,2±0,9)•10^-18 см² (при енергії 1,5 еВ), (8,2±1,7)•10^-18 см² (при енергії 1,1 еВ), (5,0±1,1)•10^-18 см² (при енергії 1,1 еВ), відповідно, для цитозину, тиміну, урацилу. Показано, що процес утворення негативного іону має резонансний характер і супроводжується дисоціацією молекули.

Досліджено мас-спектри молекул цитозину, тиміну, урацилу при енергії електронів 95 еВ. Найбільш інтенсивні лінії мас-спектру відповідають молекулярним іонам, а також продуктам фрагментації піримідинового кільця. Запропоновано схеми фрагментації молекул. Визначено перерізи та енергетичні залежності перерізів утворення іонних фрагментів (парціальні перерізи) молекул цитозину, тиміну, урацилу. Показано, що найбільші перерізи утворення (~ 10^-16 см²) властиві молекулярним іонам.

Показано, що електрони при енергіях, нижче порогу електронного збудження (<3eВ), ефективно руйнують молекули основ, продукуючи рухливі радикали водню і негативно заряджені фрагменти цих молекул, а утворення позитивного молекулярного іону викликає точкове пошкодження в ДНК - депіримідизацію.

Ключові слова: електронний удар, молекулярний пучок, позитивний іон, негативний іон, азотисті основи нуклеїнових кислот, ефективний переріз процесу, дисоціація.

АННОТАЦИЯ

Шафраньош М.И. Процессы образования положительных и отрицательных ионов молекул цитозина, тимина, урацила электронным ударом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника. -ГВУЗ “Ужгородский национальный университет”, Ужгород, 2010.

Дисертационная робота посвящена исследованию процессов образования положительных и отрицательных ионов молекул цитозина, тимина, урацила, находящихся в газовой фазе, под действием медленных электронов. Исследования выполнены методом пересекающихся электронного и молекулярного пучков.

Пучок исследуемых молекул формировался с помощью эффузионного термического источника многоканального типа и системы коллимирующих щелей. Оптимальная температура (405 К) источника, при которой не наблюдались структурные изменения цитозина, тимина, урацила была найдена опытным путем. Составляющими эффузионного источника являются: медный контейнер с исследуемым веществом, резистивный нагреватель контейнера, калиброванный термопарный датчик температуры контейнера, тепловые экраны. Контейнер выполнен в виде полого цилиндра, на одном торце которого монтировался элемент, содержащий эффузионные каналы (100 каналов на площади 1,5х1,5 мм²), а на противоположном - герметическая крышка. На ее внутренней поверхности размещался исследуемый препарат и датчик температуры. Конструкция нагревателя обеспечивала температуру элемента на 10 ^?С выше температуры крышки. Это предотвращало закупоривание микроканалов во время экспериментов. Исследуемые препараты являются продуктом фирмы Sigma-Aldrich, чистота 99%.

...