The effect of neutron irradiation on the IR spectra of human blood serum
The effect of neutron irradiation on the IR spectra of human blood serum
Abstract
This work experimentally investigates the IR spectra of human blood serum under exposure to air and under the influence of low fluxes of thermal neutrons over specific time intervals. It was found that when serum is exposed to air for up to three days, the content of (–C–O–) and (–C–O–C–) groups in carbohydrates and 5,6-membered sugars increases. However, with exposure extending up to seven days, the growth of these groups is hardly observed. Further, after exposure for up to 30 days, their content decreases.
When irradiated with a thermal neutron flux of up to 1.3·10⁸ fluence, the content of (–C–O–) groups increases significantly, whereas after seven days of irradiation, this content decreases. Irradiation for three days with a thermal neutron flux of 1.3·10⁸ fluence, followed by up to seven days with a flux of 3·10⁸ fluence, also promotes accelerated formation of methyl groups.
Exposure to air, as well as irradiation with a thermal neutron flux of 1.3·10⁹ fluence for up to 30 days, has an identical effect on the serum.
1. Введение
Целью настоящей работы являлось исследование влияния слабого потока тепловых нейтронов на сыворотку крови человека. Ранее показано, что малые дозы ионизирующей радиации могут приводить к изменениям в структуре биoлогических объектов. При взаимодействии нейтронов с веществом происходят различные процессы, включая радиационный захват нейтронов ядрами атомов. Помимо этого, имеют место упругие и неупругие рассеяния нейтронов на ядрах атомов. Хорошо известно, что сечение захвата тепловых нейтронов ядрами атомов значительно выше, чем у нейтронов с более высокой энергией. В этом контексте исследование воздействия низких потоков тепловых нейтронов на свойства биологических систем представляет собой интересную научную задачу , , . Тепловые нейтроны — это нейтроны, энергия которых сравнима с тепловой энергией окружающей среды. В частности, это нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с окружающей средой, то есть их кинетическая энергия аналогична средней кинетической энергии атомов или молекул в материале, с которым они взаимодействуют. При комнатной температуре средняя кинетическая энергия атомов примерно эквивалентна энергии тепловых нейтронов. Исследование роли тепловых нейтронов при протекании различных процессов, связанных с ядерными реакциями считается важной технологической задачей, включая явлений в ядерных реакторах, в экспериментах по рассеянию нейтронов и нейтронно-активационном анализе , , . В работе изучены возможные механизмы связи поля тепловых нейтронов с биосферой, выявлено, что концентрации некоторых металлов в образцах живых и мертвых систем, облученных искусственным потоком тепловых нейтронов, не равны. Уровни других элементов (Al, Cr, Ni, Cu, Cd и Pb) не показали существенных различий. Микроэлементный состав систем оценивали методом атомно-абсорбционной спектроскопии с электротермической атомизацией и зеемановской коррекцией фона. В работах , , были исследованы воздействие малых потоков тепловых нейтронов на биологические свойства семян технических растений, структурные изменения макромолекул ДНК и выживаемость бактерий Escherichia coli при комнатной температуре. Из-за сложности этих биологических объектов механизм, лежащий в основе эффекта гормезиса, остается недостаточно понятным.
В современной медицине широко используются физико-химические методы для исследования биологических жидкостей , , что позволяет обнаруживать даже самые тонкие изменения в составе и свойствах изучаемого материала. Одним из таких методов является инфракрасная спектроскопия, которая основана на регистрации изменений частоты поглощения тепловых квантов и интенсивности инфракрасного спектра определенных структурных групп и соединений веществ , . Исследование патологических процессов на молекулярном уровне с применением методов молекулярной спектроскопии представляет значительную перспективу, поскольку изменения на молекулярном уровне наблюдаются при множестве заболеваний, впоследствии отражаясь на состоянии макромолекул, клеток, тканей и органов . Благодаря своей простоте и доступности инфракрасная спектроскопия позволяет оценить влияние даже малых потоков тепловых нейтронов на свойства биологических жидкостей .
2. Экспериментальная часть
В рамках данной работы исследовали сыворотку крови здорового мужчины 28 лет. Сыворотку отделяли из цельной крови после выделения из организма, по общепринятой методике центрифугирования. После подборки образцы облучались тепловыми нейтронами от Рu-Ве- источника (энергия нейтронов от 0 до 10 Мэв) при различных потоках нейтронов. Для получения тепловых нейтронов между источником и образцом размещали парафиновый слой толщиной 5 см . Следует отметить, что в процессе получения тепловых нейтронов появляются гамма-кванты, но их поток намного ниже порога появления изменений свойств биологических сред под их действием. Поэтому, можно пренебрегать действий этого типа излучения на результаты эксперимента.
В процессе наших экспериментов сыворотка подвергалась действию двух факторов. Выдержки на воздухе и действие тепловых нейтронов. Для отделения влияния выдержки на воздухе, от действия нейтронов, отдельно проводились эксперименты по влиянию выдержки на воздухе на ИК спектры сыворотки крови.
Образцы для регистрации ИК спектров изготовлялись следующим образом. Образцы сыворотку крови высушивали на очищенной чашке Петри при температуре 60°С в течение более 2,5 часов. Высушенный образец в количестве 5мг, смешивали с 200 мг KBr и таблетировали по известной технологии , , . ИК спектры регистрировали на Фурье спектрофотометре IR-Affinity-1S компании Shimadzu (Япония).
3. Результаты и обсуждения
В начале рассмотрим влияние выдержки на воздухе при комнатной температуре на ИК спектры сыворотки крови. На рисунке 1 приведена ИК спектр сыворотки крови мужчины после 1 дневной выдержки в области частот 1000–1500 см-1. Как видно из рисунка на спектре наблюдается асимметричная полоса с максимумом при 1080 см-1 слева от нее наблюдается высокий выступ при 1058 см-1, справа слабо заметная неровность 1001 см-1 и четкая широкая полоса слабой интенсивности при 1156 см-1. Проявляется интенсивная симметричная полоса при 1242 см-1 справа от нее менее интенсивная полоса 1311 см-1. Далее расположены интенсивные полосы 1400 и 1452 см-1.
Рисунок 1 - ИК спектр сыворотки крови, выдержанной на воздухе при комнатной температуре 24 часа
Рисунок 2 - ИК спектр сыворотки крови, выдержанной на воздухе при комнатной температуре 24 часа
Рисунок 3 - ИК спектр сыворотки крови, выдержанной на воздухе при комнатной температуре 7 суток
Рисунок 4 - ИК спектр сыворотки крови, выдержанной на воздухе при комнатной температуре 30 суток
В таблице 1 приведены отнесение ИК полос поглощения сыворотки крови согласно , .
Таблица 1 - Отнесение ИК полос поглощения сыворотки крови
1045 см-1 | -С-О-О-С | Фосфолипиды |
1058 см-1 | -С-О- | Эфиры, гидроксильные группы и карбоксильные кислоты |
1080 см-1 | -С-P=O | Фосфаты, фосфолипиды и нуклеотиды |
1101 см-1 | -С-О- | 5,6 членные сахара |
1124 см-1 | (-СН3) | Ароматика |
1158 см-1 | (-С-О-) (-С-ОН) | Углеводы и жирные кислоты |
1161 см-1 | (-СО-О-С) (С-ОН) | Жирные кислоты |
1242 см-1 | (-С-ОН) | Ацетаты |
1400 см-1 | (-С ОО) | Аминокислоты |
1452 см-1 | (-С ОО) | Аминокислоты |
3.1. Обсуждение полученных результатов по влиянию выдержки на воздухе при комнатной температуре
В сыворотке крови содержатся белки (глобулинов, альбуминов, фибриногена) питательные вещества (глюкоза, липиды), гормоны, витамины, неорганические вещества , , и др.
Рост интенсивности полос поглощения 1058 см-1 и 1101 см-1 при выдержке до 3 суток (рис. 2) можно связать с ростом группировок (-С-О-) и (-С-О-С) в углеводах и 5,6 членных сахарах под действием кислорода в этом периоде. При дальнейшей выдержке до 7 семи суток (рис. 3) содержание изложенных групп существенно не меняется.
При выдержке до 30 суток (рис. 4) существенно увеличивается содержание метильных группировок (-СН3) в ароматических частях. Содержание группировок (-С-О-), (-С-Р=О) и (-С-О-С-) заметно уменьшается по сравнение с гидроксильными группами в ацетатах.
Далее рассмотрим влияние слабого потока тепловых нейтронов на ИК спектры сыворотки крови. На рис.5 приведен ИК спектр сыворотки крови, облученной 3 суток малым потоком тепловых нейтронов. Сравнение рис. 2 и 5 показывает, что в спектре облученных образцов в течение 3 суток по сравнении со спектром образцов выдержанных 3 суток существенно возрастает интенсивность 1058 см-1 и она проявляется в виде четкой полосы. Соотношение интенсивность полос 1080 см-1 и 1242 см-1 почти неизменны.
Рисунок 5 - ИК спектр сыворотки крови, облученной потоком тепловых нейтронов 1,3∙108 Флюенс
Рисунок 6 - ИК спектр сыворотки крови, облученной потоком тепловых нейтронов 1,3∙108 Флюенс
Рисунок 7 - ИК спектр сыворотки крови, облученной потоком тепловых нейтронов 1,3∙109 Флюенс
При облучении с потоком тепловых нейтронов 1,3∙108 Флюенс (рис. 5) существенно увеличивается содержание группировок (-С-О-). Дальнейшее увеличение облучения до тепловых нейтронов 3∙108 Флюенс (рис. 6) приводит к уменьшению групп (-С-О-) и возрастанию метильных групп (-СН3) в ароматических частях. Содержание группировок (-С-О-), (-С-Р=О) и (-С-О-С-) заметно уменьшается по сравнению с гидроксильными группами в ацетатах. Действие облучения и действие выдержки (рис. 4 и 7) на изменение соотношения исследованных группировок при временах до 30 суток идентичны.
4. Заключение
1. Исследовано влияние малого потока тепловых нейтронов и выдержки на воздухе, на ИК спектры сыворотки крови человека.
2. Обнаружено, что при выдержке сыворотки крови на воздухе до 3 суток возрастает содержание группировок (-С-О-) и (-С-О-С) в углеводах и 5,6 членных сахарах, при возрастании выдержки до 7 суток рост этих групп практически не наблюдается, далее при выдержке до 30 суток они уменьшаются.
3. При облучении потоком тепловых нейтронов 1,3∙108 Флюенс существенно возрастает содержание групп (-С-О-) и уменьшается при облучении потоком 3∙108 Флюенс.
4. Облучение потоком тепловых нейтронов с 1,3∙108 Флюенс до 3∙108 Флюенс ускоряет образование метильных групп.
5. Выдержка на воздухе до 30 суток, а также облучение потоком тепловых нейтронов 1,3∙109 Флюенс на сыворотку действуют идентично.