Аннигиляция позитронов в канцерогенных и антиоксидантных веществах Пивцаев Алексей Александрович

Введение к работе

Актуальность. Быстрое распознавание канцерогенов давно стало
насущной потребностью, так как технический прогресс постоянно
вынуждает нас соприкасаться с большим количеством новых химических
соединений, биологическая активность которых неизвестна.

Традиционные методы испытания на канцерогенность в экспериментах на животных в силу своей дороговизны и длительности не позволяют охватить весь поток соединений, поставляемых промышленностью. Поэтому создание быстрых методов выявления канцерогенных свойств веществ представляет собой актуальную задачу.

Биохимические исследования Джеймса и Элизабет Миллер

показали, что канцерогенно-мутагенное действие проникших в организм
самых разных химических соединений в первую очередь обусловлено их
сильной электрофильностью, т. е. способностью эффективно

акцептировать электроны биологически важных молекул - ДНК,
ферментов (электрофилы – вещества, имеющие свободную орбиталь на
внешнем электронном уровне). Свободные радикалы образуются в организме
в результате метаболизма кислорода и представляют собой молекулы с не
спаренным электроном на молекулярной или внешней атомной орбите и
обладающие высокой реакционной способностью. Обладая высокой

электрофильностью, свободные радикалы оказывают повреждающее действие на белки и липиды клетки и клеточных мембран, в частности, могут вызывать модификацию нуклеиновых кислот и ферментов, изменение структур и свойств гормонов и их рецепторов.

В связи, с выше изложенным, представляется актуальной необходимость найти метод, позволяющий измерять, оценивать изменение или степень изменения распределения электронной плотности, отвечающей за степень электрофильности и канцерогенности, химических соединений.

Исследования в области физики медленных позитронов

свидетельствуют о том, что ядерная физика, обогатив арсенал атомной
физики источниками позитронов и новыми экспериментальными

методами регистрации событий, происходящих в электронных оболочках,
значительно расширила круг задач физики конденсированного состояния
вещества, сделав доступными анализу экспериментальные и

теоретические проблемы, которые не могли быть решены традиционными методами. Изучая свойства аннигиляционного излучения (энергетический спектр, интенсивность 2- и 3-распадов, неколлинеарность вылета квантов двухфотонной аннигиляции) или фиксируя распределение актов аннигиляции во времени, начиная с момента возникновения свободного позитрона, можно достаточно подробно проследить "судьбу" позитрона в веществе, восстановить картину столкновений, элементарных процессов и процессов переноса, в которых участвует позитрон (или позитроний) до аннигиляции в среде. Это, в свою очередь, позволяет обстоятельно изучать свойства среды, в которой движется, замедляется и аннигилирует позитрон.

Позитронная аннигиляционная спектроскопия (ПАС) позволяет извлекать информацию о распределении электронной плотности в молекуле данного химического соединения (рисунок 1), если за меру ее принять значение константы скорости реакции (К) этого соединения с «избыточными» электронами.

K=niVii =іі( ) - константа скорости реакции, і=2, 3,

Т/ Ті

канцерогенов и не канцерогенов по

Рисунок 1. Распределение степени электрофильности.

где n - электронная плотность, vi - скорость движения атомов
позитрония, і - сечение pick-off-аннигиляции, іі - интенсивность
временных компонент, - время жизни позитрония.

Распределение электронной плотности в молекуле определяет также поведение позитронов и позитрониев по отношению к ней, а значит, и нуклеофильные или электрофильные свойства молекулы.

Однако при ПАС методе изучения вещества совсем не просто достичь однозначной интерпретации опытных данных, и это в значительной мере обусловлено тем, что исследования с позитронами существенно отличается от экспериментов с другими атомными частицами. Первое отличие - в источниках частиц. Если в экспериментах с обычными атомными частицами, например электронами, используют направленные потоки интенсивностью 10¹²- 10⁶ частиц/см²*сек, то в случае позитронов, потоки составляют 10⁴ - 10⁷ частиц/см²*сек, что вызывает необходимость в опытах фиксировать индивидуальные события. Вторая особенность - в регистрации частиц. Как правило, регистрируются не сами позитроны, а их -кванты аннигиляции с электронами среды. Это, с одной стороны, обуславливает широкие возможности использования античастиц для изучения электронных состояний, но с другой -

существенно осложняет расшифровку экспериментальных данных, т.к.
для однозначной интерпретации необходимо знать волновые функции
частиц, испытавших аннигиляцию. Третье обстоятельство - в опытах по
аннигиляции обычно используют неуправляемые по энергии, во времени
и в пространстве потоки позитронов. Поэтому часто в одном
эксперименте одновременно может реализовываться сразу несколько
различных вариантов аннигиляции, а для каждого из них надо знать
квантовые состояния аннигилировавших электрон-позитронных пар.
Естественно, в такой ситуации исследование корреляции между
аннигиляционными временными характеристиками позитронов и

степенью канцерогенности для разных веществ требует различных подходов.

Целью работы является определение методом позитронной

аннигиляционной временной спектроскопии (ПАВС) аннигиляционных
временных характеристик позитронов и позитрония (Ps) (в некоторых
химических веществах с разной степенью канцерогенности и

электрофильности) и установление корреляции этих характеристик с канцерогенными свойствами химических веществ.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1. Апробировать метод ПАВС в обнаружении канцерогенных свойств на пищевых натуральных и синтетических красителях. Произвести измерение и обработку аннигиляционных спектров разных химических соединений с разной степенью канцерогенности и электрофильности;

2. Исследовать корреляционную зависимость между аннигиляционными временными характеристиками веществ и степенью их канцерогенности. Установить зависимость изменения времени жизни позитрона в канцерогенных растворах от их концентрации;

3. Применить данные, полученные методом ПАВС, для расчета предельно допустимой концентрации синтетических красителей;

4. Провести измерение времен жизни позитрония в антиоксидантах. Сравнить электронные плотности канцерогенов и антиоксидантов. И установить различии в электронных плотностях исследуемых веществ;

5. Рассчитать радиусы свободных объемов в канцерогенах по модели «ловушек» с использованием программы TRAPPED.

Научная новизна и практическая значимость работы:

Впервые методом позитронной аннигиляционной временной

спектроскопии удалось исследовать различные группы веществ на наличие
канцерогенных, либо антиоксидантных свойств. Обнаружены значительные
различия времен жизни позитрона в канцерогенах и антиоксидантах. Впервые
данным методом удалось определить границу – маркёр, разделяющую вещества
канцерогены и не канцерогены. Установлена возможность рассчитать предельно
допустимые концентрации определенной группы канцерогенов,

использующихся в пищевой промышленности. Выявлена корреляционная связь изменения времени жизни позитрония от концентрации канцерогенных растворов. В дальнейшем метод ПАВС может способствовать быстрому

определению канцерогенов или антиоксидантов и выявлению степени канцерогенности или антиоксидантности вещества.

Личный вклад автора. Набор временных аннигиляционных спектров на
позитронном аннигиляционном временном спектрометре проводился при
участии соискателя. Обработка экспериментальных данных и расчет
аннигиляционных параметров выполнялись лично соискателем. Поиск
корреляционных связей и расчет предельно допустимых концентраций
канцерогенов выполнялись лично соискателем. Планирование

экспериментальной и теоретической частей работы, обсуждение полученных результатов, подготовка материала для публикаций проводились совместно с научным консультантом и соавторами.

На защиту выносятся следующие положения:

6. Время жизни позитронов в канцерогенах существенно отличается от времени жизни в антиоксидантах и зависит от степени канцерогенности;

7. Примерной границей между канцерогенами и не канцерогенами является время долгоживущей компоненты позитрония 3 = 1,005 нс;

8. Метод позитронной аннигиляционной временной спектроскопии позволяет различать вещества, обладающие различной степенью электрофильности и дает возможность разделить исследуемые вещества на три группы: канцерогены, антиоксиданты и нейтральные вещества;

9. Метод ПАВС в настоящий момент является самым быстрым методом обнаружения канцерогенных свойств химических соединений.

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались устными докладами с презентацией на:

1. «11-th international workshop Positron and Positronium Chemestry» -2014, г. Гоа, Индия;

2. Всероссийском стартап-туре Russian Start Up Tour - 2014, ДВФУ, г. Владивосток;

3. Всероссийском стартап-туре Russian Start Up Tour – 2015, ДВФУ, г. Владивосток;

4. Всероссийском стартап-туре Russian Start Up Tour – 2016, ДВФУ, г. Владивосток;

5. Конкурс «Умник» - 2014, г. Владивосток

6) Конкурс «Умник» - 2015, г. Владивосток;

7. IX Всероссийская научно-практическая конференция «Будущее сильной России – в высоких технологиях» - 2015, г. Владивосток – Санкт-Петербург;

8. I Всероссийского конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов в области экологии и природопользования «Молодое поколение инновационной экономике России имени проф. Ю. П. Селиверстова» - 2015, г. Санкт-Петербург;

9) II международная научной конференции «Современные
исследования в естественных науках» - 2015, ДВФУ, г. Владивосток;

10. «Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях». 10-я юбилейная Российская научная конференция - 2015, г. Москва;

11. 17-th International Conference on Positron Annihilation - 2015, China, Wuhan.

Публикации: Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 7 научных статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 5 из которых входят в системы цитирования Scopus и Web of Science, а также в 5 тезисах докладов на конференциях.

Авторские права: Разработанный нами метод быстрого распознавания канцерогенов с помощью позитронной аннигиляционной временной спектроскопии запатентован.

Объём и структура работы: Диссертация изложена на 90 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 23 рисунка и 8 таблиц.