ВРЕМЯ ЖИЗНИ ПОЗИТРОНИЯ В АНТИОКСИДАНТАХ И КАНЦЕРОГЕНАХ

Научная статья

Пивцаев А.А.

Разов В.И.

Выпуск: № 8 (39), 2015

Опубликована:

2015/09/15

PDF

Пивцаев А.А.¹, Разов В.И.²

¹Аспирант, лаборант, ²Кандидат физико-математических наук, доцент, Дальневосточный федеральный университет

ВРЕМЯ ЖИЗНИ ПОЗИТРОНИЯ В АНТИОКСИДАНТАХ И КАНЦЕРОГЕНАХ

Аннотация

Метод позитронной аннигиляционной временной спектроскопии в изучении времени жизни позитрония в веществах канцерогенах и антиоксидантах. Данный метод основывается на электрофильной природе канцерогенов и полной противоположности им – антиоксидантах, и чувствительности метода ПАВС - изменение времени жизни позитрония, в зависимости от электронной плотности окружения. Рассматриваются различии аннигиляционных временных характеристик некоторых канцерогенов и антиоксидантов.

Ключевые слова: канцерогены, антиоксиданты, позитроний, позитронная аннигиляционная временная спектроскопия.

Pivtsaev A.A.¹, Razov V.I.²

¹Postgraduate student, laboratorian, ²PhD in Physics and mathematics, associate professor, Far Eastern federal university

LIFETIME OF POSITRONIUM IN ANTI-OXIDANTS AND CARCINOGENS

Abstract

The method of positron annihilation lifetime spectroscopy in the study of the lifetime of positronium in the substance is carcinogenic and anti-oxidants. This method is based on the nature of the electrophilic carcinogens and a complete contrast - antioxidants, and the sensitivity of the method PAVS - change in the lifetime of positronium, depending on the electron density of the environment.We discuss the differences annihilation temporal characteristics of some carcinogens and antioxidants.

Keywords: carcinogens, antioxidants, positronium, positron annihilation lifetime spectroscopy.

Биохимические исследования [1] 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. Как известно, 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. Благодаря высокой электрофильности, 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.

Существуют и вещества, останавливающие свободнорадикальные реакции – это вещества антиоксиданты. И нами предположено, что если все канцерогены являются сильно электрофильными, то время жизни позитрония (Ps), в таких веществах, должно быть мало по сравнению с его собственным и со временем жизни в других веществах, не относящихся к канцерогенам. В антиоксидантах время жизни Ps должно быть значительно выше его собственного времени жизни.

В нашей лаборатории была исследована и показана возможность использования метода позитронной аннигиляционной временной спектроскопии (ПАВС) для быстрого и эффективного выявления канцерогенных свойств веществ, по значению долгоживущей временной компоненты τ₃ атома позитрония [2]. Граничным значением между веществами канцерогены и не канцерогены является τ₃= (1,005±0,005) нс. Данное значение было получено при исследовании явных канцерогенов, сильных и слабых электрофилов.

Ряд начинался (слева) с очень сильных канцерогенов [3], первым из которых стоит C₂₁H₂₀BrN₃, с τ₃ = 0,590 нс, а последним из них AlF₃, с τ₃ = 0,990 нс (очень слабый канцероген). Затем располагается группа веществ, которые не являются канцерогенами. Начинается она C₂H₆OS, с τ₃ = 1,115 нс, и завершает её - CH₂Cl₂, с τ₃ = 1,475 нс. Примерной границей (маркёром) между этими двумя группами – канцерогены и не канцерогены, является значение τ₃ = (1,005+-0,005) нс.

И в дальнейшем исследовании было предположено, что время жизни позитрония в антиоксидантах должно быть гораздо больше, чем в канцерогенах. Это явление должно быть схоже с предотвращением свободнорадикальных реакций, путём отдачи позитрону своего электрона, для образования позитрония.

В данной работе методом ПАВС исследовались канцерогены и антиоксиданты для того, чтобы: рассмотреть различие временных характеристик позитрония в данных веществах.

Материалы и методы.

Метод позитронной аннигиляционной временной спектроскопии (ПАВС) основан на измерении времени жизни позитрония – время между образованием позитрония и уничтожением позитрония с испусканием двух гамма квантов. Позитроний (Ps) это водородоподобный атом позитрон-электрон, который образует позитрон с электронами окружения при попадании в исследуемое вещество.

Рис. 1 - Схема распада источника ²²Na.

Для использования метода ПАВС необходим спектрометр быстро-быстрых совпадений PAL «ORTEC», содержащий источник позитронов ²²Na, рисунок 1.

Суть метода в определении времени жизни позитрония - в измерении скорости счета запаздывающих совпадений между ядерным γ-квантом с энергией 1,28 МэВ (старт — начало отсчета времени) и одним из γ-квантов с энергией 0,511 МэВ, испущенных при аннигиляции позитрония (стоп-сигнал).

Рис. 2 - Аннигиляционный спектр

Получаемый при съеме спектр представляет собой суперпозицию нескольких спектров с различными временами жизни, рис.2. Спектр обрабатывается программой Palsfit. [4]

Для решения поставленной цели были выбраны канцерогены: C₂₁H₂₀BrN₃, CCl₄, и антиоксиданты: витамин Е и бета-каротин, и нейтральное вещество H₂O, в котором время жизни позитрония близко к собственному.

Измерения проводились на спектрометре быстро-быстрых совпадений PAL «ORTEC», использовался радиоактивного источника ²²Na с активностью ~300 кБк, аппаратное разрешение, рассчитанное по временной линии ⁶⁰Co, составило 187±7 пс.

Результаты.

Полученные, после обработки спектров, аннигиляционные временные данные веществ представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Значение времени жизни τ₃ позитрония

Обсуждения.

Исходя из полученных выше данных видно, что метод позитронной аннигиляционной временной спектроскопии эффективно определил все исследованные вещества – канцерогены, нейтральное и антиоксиданты, по значению долгоживущей временной компоненты τ₃.

Практические данные подтверждают теоретические предположения. При попадания в антиоксидант к позитрону присоединяется электрон окружения (электрон самого вещества) и и более на него практически ничего не воздействует. Таким образом время жизни Ps значительно выше собственного времени жизни и тем более в канцерогенах. При попадании позитрона в канцероген ему самостоятельно необходимо «оторвать» электрон от атома, у которого итак их недостает и вследствие чего происходит потеря энергии позитрона. Вследствие этого образованный позитроний имеет маленькую энергию и быстро происходит аннигиляция – уничтожение Ps.

Всё вышесказанное указывает на то, что метод ПАВС «видит» различии электронных плотностей канцерогенов и антиоксидантов, а так же подтверждает процессы, происходящие в свободнорадикальных реакциях за счёт антиоксидантах.

Литература

C. Miller, Cancer Res. 38, 1479 (1978)
Pivtsaev A. A., Razov V. I. A study of chemical carcinogens by the positron annihilation lifetime spectroscopy. Journal of applied spectroscopy. V. 80, № 5, 2013. 806 – 809.
S.Department of Health and Human Services National Toxicology Program, Report on Carcinogens, Twelfth Edition, 2011Nechaev A. P. and other, Pishevaya himiya, SPB: GIORD, 2007 g.
http://www.palsfit.dk

References

C. Miller, Cancer Res. 38, 1479 (1978)
Pivtsaev A. A., Razov V. I. A study of chemical carcinogens by the positron annihilation lifetime spectroscopy. Journal of applied spectroscopy. V. 80, № 5, 2013. 806 – 809.
S.Department of Health and Human Services National Toxicology Program, Report on Carcinogens, Twelfth Edition, 2011Nechaev A. P. and other, Pishevaya himiya, SPB: GIORD, 2007 g.
http://www.palsfit.dk