Релаксация молекулярных сверхструктур в биоэлектролитах

Павлов, Андрей Александрович

Автореферат диссертации на тему "Релаксация молекулярных сверхструктур в биоэлектролитах"

На правах рукописи

-

ПАВЛОВ АНДРЕИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Релаксация молекулярных сверхструктур в биоэлектролитах

Специальность 01.04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

003458167

Санкт - Петербург - 2008

003458167

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Евгений Борисович Шадрин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических

наук, профессор Лидия Николаевна Галль

кандидат физико-математических наук

Александр Борисович Певцов

Ведущая организация:

Российский государственный

педагогический университет им. А.И. Герцена

Защита состоится «25» декабря 2008 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.01 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, корп. 2,

ауд. 470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан »

2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф.

Коротков А.С.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Исследование релаксационных процессов, происходящих в молекулярных сверхструктурах, является одной из важнейших задач таких разделов современной физики как физическая электроника, кристаллофизика и наноэлектроника, биофотоника и многие другие. Общий интерес к указанной области исследований обусловлен как фундаментальной, так и прикладной значимостью данного направления. В свете научных достижений последних лет оказываются крайне важными исследования процессов, сопровождающихся образованием метастабильных молекулярных сверхструктур (ММС). Особенностью такого рода образований является возможность управления их параметрами за счет слабых внешних воздействий, например, за счет влияния магнитного поля малой напряженности. ММС, наблюдаются, в частности, в крови человека, что делает весьма ценной любую новую информацию, получаемую при изучении подобных сверхструктур. Исходя из приведенных выше соображений, в данной диссертационной работе в качестве объекта исследований была выбрана кровь, как система, в которой существуют самоорганизующиеся ММС, состоящие из эритроцитов. Ценность исследований релаксационных процессов ММС, определяется как общефизическим, фундаментальным интересом к глубинным механизмам формирования молекулярных сверхструктур, так и потенциальными возможностями практического использования получаемых сведений как базы для совершенствования клинических методов диагностики различных заболеваний.

Фундаментальный интерес обусловлен, отсутствием ясности в понимании физического механизма естественного регулирования характеристик самоорганизующихся ММС, несмотря на то, что в литературе предложены многочисленные модели этого явления, неплохо обоснованные как экспериментально, так и теоретически, но чаще всего взаимно исключающие друг друга. Причиной противоречивости является недостаточность информации о релаксационных процессах, происходящих в метастабильных самоорганизующихся системах, что не позволяет построить детальную модель механизма формирования ММС.

Прикладной интерес к данной проблеме определен тем, что получение информации о причинах, обуславливающих организацию и дезорганизацию ММС, дает возможность контролировать указанные процесс. Данные эффекты могут быть использованы как основа для разработки новых принципов хранения, обработки и передачи информации, в том числе, биотехнологической. Результаты подобного рода исследований способны играть ключевую роль в понимании процессов, ведущих к отклонениям в работе организма человека как целостной взаимосвязанной системы, то есть в выявлении путей развития заболеваний.

Исследования в данной области могут также помочь в разработке новых экспресс-методов диагностики многих видов патологий живых организмов.

В связи с вышесказанным актуальность выбранной темы исследований диссертационной работы исследований представляется вполне обоснованной.

Цель работы.

Целью данной работы явилось выявление и научное обоснование релаксационных механизмов самоорганизации кластерных эритроцитарных сверхструктур в биоэлектролитах на примере исследования крови человека, а также получение новых данных о физических параметрах вещества эритроцита.

Практическая цель диссертационной работы заключалась в создании базы для разработки новых методов исследования релаксационных параметров кластерных сверхструктур в крови, а также развитие методов анализа полученных данных с определением рекомендаций по интерпретации на микроуровне макропараметров крови, измеряемых в клинических условиях.

Для достижения поставленных целей было проведено исследование закономерностей формирования эритроцитарных агрегатов, визуально наблюдаемых на разработанных автором установках, а также исследованы магнитные, электрические и оптические свойства самоорганизующейся метастабильной эритроцитарной массы при различных степенях кластеризации эритроцитов. Кроме того, изучалось изменение параметров релаксационных процессов в массе эритроцитов при наложении электрических и магнитных полей. Реализация данных задач оказалась возможной благодаря успешному развитию техники физического эксперимента, что позволило создавать более точные, чем раньше, инструменты исследования, успешно применяемые к столь сложным объектам, как человеческая кровь.

В процессе разработки предложенной темы были решены следующие задачи:

1. Обобщены и переработаны существующие модели, описывающие поведение структурных элементов крови в ходе формирования метастабильных эритроцитарных кластерных агрегатов;

2. Разработан комплекс автоматизированных экспериментальных установок;

3. Изучены электрические и магнитные свойства биоэлектролитов;

4. Создана модель процесса образования метастабильных молекулярных сверхструктур.

Таким образом, данная диссертационная работа призвана сыграть роль связующего

звена между фундаментальными исследованиями физических процессов, протекающих на молекулярном уровне в веществе составных элементов крови, и прикладными задачами управления процессами самоорганизации кластерных сверхструктур.

Научная новизна н теоретическая значимость работы.

В данной работе на основе полученных результатов построена новая модель формирования молекулярных сверхструктур, основанная на анализе баланса вкладов магнитных и электрических сил взаимодействия эритроцитов между собой и с их окружением. Показано, что магнитные свойства эритроцитов играют в этом балансе решающую роль. Дано новое объяснение процессам, приводящим к релаксационным изменениям физических параметров биоэлектролитических жидкостей с самоорганизующимися метастабильными кластерными элементами (в частности, крови). Изучены магнитооптические свойства таких жидкостей.

Практическая значимость.

Результаты данной работы могут быть использованы для:

1) разработки новых методов контроля поведения самоорганизующихся систем;

2) разработки средств доставки нанообъектов;

3) создания новых запоминающих устройств;

4) создания кровезамещающих растворов;

5) разработки новых экспресс методов диагностики заболеваний человека;

6) контролирования процессов самоорганизации ММС.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Размеры эритроцитарных сверхструктур, оседающих в вязком биоэлектролите, стабилизируются благодаря магнитным взаимодействиям между эритроцитами агрегата, которые обладают собственным магнитным моментом.

2. Временная немонотонность Скорости Оседания Эритроцитарных Сверхструктур (СОЭС) связана с процессами самоорганизации/дезорганизации эритроцитарных кластерных агрегатов при их оседании в поле силы тяжести.

3. Магнитное вращение плоскости поляризации света, рассеянного взвесью эритроцитов, обусловлено ориентированием эритроцитов в этом поле, а также расщеплением в магнитном поле уровней энергии электронов в ионах железа гема.

4. Временная эволюция магнитной проницаемости эритроцитарной массы обусловлена как изменением магнитных моментов эритроцитов и составленных из них агрегатов, так и временной трансформацией диэлектрических свойств плазмы крови, включая основной носитель клеточных структур крови — физиологический раствор. Максимум на кривой временной эволюции магнитной проницаемости крови отражает немонотонную релаксацию магнитных моментов гемов при монотонности процесса их взаимодействия с кислородом.

5. Низкочастотный временной сдвиг положения максимума на кривой частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь крови обусловлен эволюцией функции распределения метастабильных эритроцитарных кластерных сверхструктур в сторону их укрупнения, тогда как временная нестабильность численного значения тангенса угла диэлектрических потерь связана с флуктуациями размеров эритроцитарных агрегатов в процессе - самоорганизации/дезорганизации.

Достоверность результатов и обоснованность выводов исследования.

Достоверность результатов исследования обусловлена использованием современных экспериментальных методик, взаимной проверкой полученных результатов, совпадением (в пределах точности измерений) данных, полученных различными методами, сравнением полученных численных значений с литературными данными в тех случаях, когда это возможно.

Обоснованность выводов исследования базируется на применении хорошо апробированных в мировой науке теоретических моделей, взаимной непротиворечивости сделанных научных заключений и наличии теоретических предсказаний, подтвержденных практикой в процессе последующих экспериментов.

Апробация результатов исследования.

Основные положения и результаты докладывались: на научных семинарах кафедры прикладной физики и оптики твердого тела СПбГПУ; на научных семинарах лаборатории физики фазовых переходов в твердых телах ФТИ им. Иоффе РАН; Всероссийской научной конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2005г.); Международной конференции «Dielectrics-2008 (ICD-2008)» (Saint-Petersburg, 2008г.).

Личный вклад автора заключается в том, что им получен экспериментальный материал, проведены необходимые расчеты, сформулированы выводы. Научный руководитель Е.Б. Шадрин принимал участие в постановке задачи, обсуждении полученных результатов, редактировании печатных работ. Публикации достаточно полно отражают основные положения и результаты исследования.

Публикации. Основное содержание работы отражены в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии, содержащей 136 источников. Работа содержит 148 страниц текста, 70 рисунков и 4 таблицы.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, защищаемые положения работы.

6

Первая глава "Обзор литературы" посвящена обзору литературных данных и анализу современных представлений о самоорганизующихся системах. Детально проанализирован вопрос о возможных механизмах упорядочивания структур в биологических жидкостях. Рассмотрены практические методы исследования самоорганизующихся объектов, в том числе новейшие методы постановки экспериментов по измерению физических параметров эритроцитов крови. Приведен анализ преимуществ и недостатков существующих стандартов измерения параметров эритроцитарной массы и предложенных исследователями новых методик. Особое внимание уделено вопросу о воспроизводимости полученных экспериментальных данных.

Обосновывается применимость терминов «надмолекулярная структура» и «сверхструктура» к такой системе, как погруженная в жидкий электролит эритроцитарная масса. Проанализированы современные представления о механизмах, ведущих к формированию указанных структур в электролитах. Показана возможность применения в отношении крови человека термина «метастабильная система», как системы, в которой конечны времена жизни самообразующихся сверхструктур.

Рассмотрен вопрос о создании биозамещающих систем и проанализированы те трудности, с которыми сталкиваются исследователи, пытающиеся создать замещающий раствор с функцией переноса кислорода, связанные со специфическим поведением железосодержащего элемента эритроцита - гемоглобина.

На основании анализа литературных данных делается вывод о необходимости использования комплексного подхода при изучении параметров метастабильных кластерных сверхструктур.

Определены основные направления исследований:

1. Диэлектрические свойства крови. Сделан вывод о том, что мицеллы и их агрегаты необходимо рассматривать как сбалансированную электромагнитную систему. Приведены предложенные в литературных источниках методы расчета свойств таких структур на примере эритроцитарных кластеров.

2. Магнитные свойства молекулярных сверхструктур. Анализ литературных источников показал, что величина магнитных моментов компонент поддается контролю. В качестве примера такой компоненты рассмотрена структура железосодержащего белка - гемоглобина, образующего вещество эритроцита.

3. Динамика движения молекулярных сверхструктур, взвешенных в биоэлектролите в поле силы тяжести, а точнее оптическое отслеживания процессов самоорганизации и дезорганизации таких образований. Проанализированы существующие модели причин, обуславливающих ту или иную величину СОЭ. Высказано предположение, что главным

7

фактором, определяющим величину СОЭ, является метастабильность самоорганизующихся эритроцитарных сверхструктур.

В заключение обзорной главы делается обобщенный вывод анализа литературных данных. Обосновывается необходимость проведения комплексных исследований поведения ММС, описываются общие закономерности поведения молекулярных сверхструктур в растворе биоэлектролита, которые можно было выявить при анализе литературных данных.

Во второй главе «Методы исследования, экспериментальные установки, разработка и обоснование методики решения научной задачи» описаны этапы и методы подготовки образцов объекта исследования. Обосновывается применение метода предварительного разбавления структурированного биоэлектролита фосфатным буферным раствором для большей стабилизации результатов исследований.

Приводится подробное описание созданного комплекса экспериментальных установок, которые позволяли одновременно измерять ряд характеристик исследуемого образца с целью исключения разброса данных, неизбежно возникающих при последовательном методе измерений метастабильных структурных образований. Комплекс установок позволял одновременно осуществлять измерения:

1. тангенса угла диэлектрических потерь в структурированной жидкости в области низких и инфранизких частот (от 1 до 1000 Гц). Была разработана оригинальная измерительная ячейка, представляющая собой плоский электролитический конденсатор, в котором имелась возможность заменять электролит и при этом избегать попадания воздуха в зазор между обкладками. В качестве обкладок был использован диэлектрический материал для того, чтобы в образце не происходили электрофоретические эффекты. В процессе исследований через образец пропускался слабый переменный ток, и регистрировалась разность фаз между этим током и напряжением на образце.

2. магнитной проницаемости структурированного биоэлектролита методом ЬС-резонатора (исследование динамики временной девиации частоты резонатора при помещении в него капилляра с электролитом). Частота опорного генератора составляла 8 МГц. Установка была разработана таким образом, чтобы магнитное поле, создаваемое в катушке индуктивности, всегда работало на резонансной частоте.

Проводились исследования:

3. магнитооптического эффекта Фарадея на структурированной метастабильной жидкости. В диссертационной работе приведены принципиальная схема установки, которая позволила автору производить регистрацию обратного рассеяния света на угол 0,5° при зондировании образца когерентным поляризованным излучением, полученным с помощью Не-№ лазера (Х.=0,63 нм). Для увеличения чувствительности данной установки был

8

использован резонансный усилитель со сверхузкой полосой (7-10 Гц) пропускания, работающий на частоте 600 Гц, а также метод фазового детектирования с внешним опорным сигналом.

4. Спектров пропускания сухих мазков структурированного биоэлектролита в видимой и ближних УФ и ИК-областях спектра (320-790 нм) производились на спектрофотометре СФ-8. Погрешность данного прибора по пропусканию составляла 0,5% и 1 нм по развертке. Приведено описание методики нанесения мазка крови на покровное стекло, а также способы консервации образцов в случае необходимости их длительного хранения.

5. Динамики оседания сверхструктур в электролите. Использовалась стандартная методика Панченкова, которая обычно применяется в клинических исследованиях СОЭ. Данная методика была усовершенствована путем автоматизации выполняемых исследований и разработки оригинального метода регистрации изменения функции распределения ММС по размерам. В процессе оседания ММС, взвешенных в электролите, образуется граница раздела между оседающими в поле силы тяжести ММС и чистым электролитом, которая наблюдается визуально. Однако граница раздела с течением времени размывается так, что точность ее определения зависит от степени размытия. Автором предложена методика, которая позволяет оптически регистрировать положение границы раздела при помощи анализа функции распределения яркости изображения капилляра с взвесью ММС. Рассчитывается математическое ожидание ( М(п) = [_ °°п ■ f(n)dn, где п - номер градации яркости; f(n) - дифференциальная функция распределения), дисперсия (D = f*™ f(ri)[M(ri) — n]2dn) и среднеквадратичное отклонение (<т = ~JD). Используя эти данные находится положение границы раздела и рассчитывается скорость изменения этой границы. Данная методика позволяет регистрировать динамику организации/дезорганизации ММС в электролите.

Третья глава «Экспериментальные

:<р ж* BaSsвняная КзСЗ h i

результаты» посвящена описанию

результатов экспериментов по изучению отклика самоорганизующихся структурных элементов биоэлектролита (эритроцитов крови) на воздействия внешних полей:

гравитационного поля, переменного электрического и магнитного полей,

Чатяг Г"!

постоянного магнитного ПОЛЯ и

Рис. 1. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты электрического поля.

совместного действия этих полей.

Приводятся полученные в диссертации результаты исследований временного сдвига пика кривой зависимости угла тангенса диэлектрических потерь от частоты приложенного электрического поля (рис.1). Показано, что пик для образцов крови находится в области единиц Гц, в то время как пик для 0.9% водного раствора ЫаС1 (биоэлектролитической основы плазмы крови) обнаружен на частоте 30-40 Гц.

Результаты исследования магнитной проницаемости образцов крови в процессе релаксации метастабильных эритроцитарных кластерных сверхструктур, выполненные методом измерения частоты ЬС-резонатора, содержащего капилляр с эритроцитарной

массой, взвешенной в растворе биоэлектролита приведены на рис.2. Данные исследования показали, что существует два типа поведения образцов: 1 тип — резонансная частота сначала падает до момента времени (в первые 15 минут измерения, от 0 до -4 Гц), затем наблюдается резкий рост, появляются два пика ¡2 и 6 (на временном промежутке 9-40 минут, амплитуда пиков составляет около 2 Гц), после

гч -

ч

I ^""Ч^. %

.--

0 С 100 1

Рис. 2. График временной зависимости резонансной частоты, полученный методом ЬС-резонатора.

- Разбаепеняе 1 300 первое кзмйревие

чего имеет место падение частоты по закону обратной экспоненты; 2 тип — рост частоты (в первые 15 минут измерения, от 0 до 6 Гц), два пика и ^ (на промежутке 9-40 минут), падение частоты по закону обратной экспоненты.

Исследования вращения плоскости поляризации рассеянного

эритроцитами излучения в магнитном поле, показали, что данные структурные образования ведут себя как слабые ферромагнетики, обладая нечетным магнитооптическим

эффектом Фарадея и магнитной памятью с двумя временами релаксации: десятки секунд и тысячи секунд (часы). Наличие магнитной памяти у объекта исследования

«4 0.8

Щ Ой

1 0.5

£ О 0,4

1 0,3

0.2

0,1

к 0,0

§ -01

£ -0.2

У У

/ /у**

4 у

//

> те ЗШО 26СО ЗОШ Э5Ш ^шо

Напряженность магнитного пот, нГаусс/2

Рис. 3. Два последовательных измерения эффекта Фарадея на образце крови при разбавлении образца фосфатным буферным раствором в соотношении 1:300.

выявлено при анализе поведения гистерезисных кривых угла поворота плоскости поляризации от напряженности приложенного магнитного поля. Обнаружена остаточная намагниченность, которая возрастала при повторном помещении образца в магнитное поле, величина которой зависела от наличия того или иного заболевания у донора, предоставившего образец крови. На основании экспериментов определена величина коэрцитивной силы для взвеси эритроцитов (500 Гс) и для сухих мазков крови (1400 Гс). По формуле связывающей угол поворота плоскости поляризации с индукцией приложенного магнитного поля: Atp = VBI (V-постоянная Верде. В - индукция магнитного поля, I -оптическая длина пути) рассчитаны постоянная Верде вещества эритроцита (3 угл. мин.(Гс~ 'Кем"'), множитель Ланде (равный 2), разность показателей преломления право- и левоциркулярной компонент (0,0002) и дисперсия dn/dcu показателя преломления вещества

Исследования спектров пропускания мазков крови в видимом и ближнем ИК-диапазоне, показали изменение вида спектров пропускания образцов по мере высыхания мазка крови с типичным временем релаксации Ю6 секунд. В частности, обнаружено исчезновение пиков в области длин волн 520 и 580 нм (рис.4). Сравнение кривых, представленных на рис.4, с кривыми из литературных данных показало, что по мере высыхания мазка протекает процесс отщепления кислорода от иона Fe2+ (дезоксигенация) с последующей заменой кислорода молекулами воды, адсорбируемыми из воздушной атмосферы.

Немонотонность характера скорости оседания эритроцитов в гравитационном поле (СОЭ) визуально зафиксирована на образцах крови 4 групп доноров. Три группы доноров из четырех имели заболевания бронхиальной астмой (БА) различного генеза (атопической, инфекционно-зависимой и гормонозависимой). При данной патологии затруднен газообмен организма человека с окружающей средой, что влияет на степень насыщения эритроцитов кислородом. Четвертая группа являлась контрольной группой здоровых доноров. Для всех четырех групп доноров выделена общая черта, заключающаяся во временной

эритроцита в области длин волн 6328 А (3 X 10-9 Гс"').

........ Rd tUM. 1Ш

Рис. 4 Временная эволюция спектров пропускания крови.

немонотонности СОЭ. На основе анализа полученных зависимостей установлено существенное различие характера СОЭ для трех групп, коррелирующее с характером заболевания, что может являться диагностическим параметром. Обнаружено наличие отрицательной скорости оседания эритроцитов.

Методами математической статистки были произведены расчеты попарных корреляций между гармониками быстрого преобразования Фурье (БПФ) временных зависимостей СОЭ различных доноров. Корреляционный анализ первых 10 гармоник данного разложения показал, что таким способом можно выделить группу пациентов определенного возраста (45-60 лет), а также группу людей, страдающих аллергическими заболеваниями, поскольку коэффициенты корреляции внутри таких групп были весьма высоки (0.85-0.97).

Четвертая глава «Обсуждение результатов» посвящена построению полуколичественной модели, которая позволяет адекватно описать полученные результаты исследований поведения метастабильных кластерных сверхмолекулярных структур крови.

Обобщая литературные данные и результаты собственных исследованиях можно утверждать следующее:

1) молекулы железосодержащего белка — гемоглобина, - располагаются внутри в эритроците, образуя в нем жидкокристаллическую структуру гексагональной симметрии;

2) жесткую привязку молекул гемоглобина к мембране эритроцита обеспечивают молекулы белка - спектрина;

3) молекулы гемоглобина образуют внутри эритроцита доменную структуру, будучи равномерно распределены в доменах, при этом они прикреплены к внутренней стороне мембраны;

4) между двумя соседними молекулами гемоглобина в домене находятся две молекулы воды. Вода в этой конструкции выполняет две взаимно исключающие функции. С одной стороны, поддерживает жесткую структуру, что позволяет сохранять автономность каждой молекулы гемоглобина. С другой — обеспечивает метастабильность формы эритроцита при прохождении через капилляры. Физическая особенность внутриклеточной воды заключается в ее квазикристаллической структуре при одновременном сохранении свойства жидкой воды — низкой кинематической вязкости.

5) Эритроцит обладает собственным магнитным моментом благодаря наличию в его составе гемоглобина, причем величина магнитного момента зависит от того, в какой форме находится гемоглобин (оксигемоглобин, дезоксигемоглобин или метгемоглобин).

На основании выше изложенных фактов и полученных автором результатов собственных исследований, описанных в третьей главе настоящей диссертации, построена следующая полуколичественная модель, которая позволяет описать всю совокупность

результатов исследования поведения крови как метастабильного сверхструктурированного биоэлектролита:

1. Величина электрического заряда структурных элементов электролита не оказывает существенного влияния на динамику образования кластерных сверхструктур, так как исследование поведения частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для крови и 0,9% водного раствора ЬтаС1 показало существенную разность (30-40 Гц) в частоте резонансных пиков, что говорит об экранировании электрического зарада эритроцитов сольватными комплексами ионов № и С1 на расстояния 100-150 А.

2. Динамика организации и дезорганизации метастабильной кластерной молекулярной сверхструктуры в электролите обусловлена релаксацией магнитных моментов элементов данной структуры. Данный вывод следует из расчета баланса сил, действующих на ММС:

Р» +РА + тд = о,

где = 6л77ммс/?Эфф1? - сила Стокса; (7,„/с - эффективная кинематическая вязкость

плазмы, Я1фф - эффективные радиус поперечного сечения ММС, V - скорость

стационарного оседания).

Следовательно скорость движение ММС в электролите в поле силы тяжести определяется выражением:

/• \ _ 2(РММС-Рэл)Я32ффд

~ 9г)эл

где рммс - плотность ММС; рэл - плотность электролита; - кинематическая вязкость электролита.

Таким образом, очевидно, что динамика оседания ММС зависит от ее размеров, которые определяются величиной магнитного взаимодействия между структурными элементами ММС. Силу магнитного взаимодействия можно рассчитать из формулы:

Ртад=ШВ = 4п^,

где I - сила тока; Д1 - длина периметра ММС; В - магнитная индукция; г - расстояние до центра симметрии ММС.

3. Величина магнитного момента эритроцита (элемента ММС) складывается из величин магнитных моментов молекул гемоглобина, которые в нем жестко сцеплены с внутренней стороной мембраны посредством спектриновых белков.

4. Магнитный момент гемоглобина определяется соотношением окисленных и неокисленных гемов внутри молекулы гемоглобина, а также их взаимным расположением.

5. Магнитный момент гема в гемоглобине эритроцита складывается из магнитных моментов входящих в него ионов: магнитного момента единственного иона железа Ре2+,

расположенного в азотном октаэдре молекулы гема, и магнитных моментов неспаренных электронов ионов азота, углерода и кислорода.

6. Магнитный момент иона Ре2+ непосредственно зависит от факта насыщения или освобождения шестой координационной связи иона Ре2+ при обратимом присоединении молекул Ог, СОг, N0 к гему. В случае присоединения молекул, например, 02 (оксигемоглобин), суммарный магнитный момент гема становится равным нулю, тогда как его отщепление (возникает свободная координационная связь) инициирует появление магнитного момента гема, равного 5,5 магнетонам Бора.

7. Процессы присоединения и отщепления кислорода обуславливают динамику изменения магнитного момента эритроцитов.

8. Взаимодействие магнитных моментов эритроцитов приводит к их объединению в метастабильные эритроцитарные сверхструктуры, взвешенные в биоэлектролите;

9. Образование и релаксация метастабильных сверхструктурированных эритроцитарных агрегатов позволяет крови обладать памятью на магнитные состояния.

В рамках предложенной модели следующим образом объяснены полученные автором экспериментальные результаты:

a) в процессе экспериментального исследования свойств крови вне организма гемоглобин эритроцитов способен медленно (со временем релаксации порядка нескольких часов) терять присоединенные молекулы газов, что сопровождается релаксацией суммарного магнитного момента молекулы гемоглобина от нулевого значения (при полной оксигенации) через максимальное значение (при частичной дезоксигенации) вновь к нулевому значению (при полной дезоксигенации);

b) релаксация во времени суммарного магнитного момента эритроцита определяет черты релаксационных процессов, наблюдаемых в экспериментах по исследованию скорости оседания эритроцитов, временной эволюции магнитной проницаемости крови и долговременной релаксации угла поворота в магнитном поле плоскости поляризации рассеянного эритроцитами света, а именно их временные флуктуации и прохождение релаксационных кривых через максимум;

c) расчет баланса стоксовых, архимедовых, гравитационных и магнитных сил определяет метастабильность состояния эритроцитарной сверхструктуры, что в макромасштабе отражается на вариациях скорости оседания эритроцитарной массы (СОЭ) в поле силы тяжести. Различная зависимость этих сил от поперечника эритроцитарного агрегата ввиду временной немонотонности этого поперечника определяет временную немонотонность СОЭ;

с!) вариации вида функции распределения по яркости элементов изображения границы «плазма-эритроцитарная масса» непосредственно отражают вариации распределения эритроцитарных агрегатов по размерам;

е) вращение в магнитном поле плоскости поляризации рассеянного эритроцитами света обуславливается двумя механизмами:

> при напряженности магнитного поля менее 500 Гаусс эритроциты выстраиваются в упорядоченную структуру, что создает в толще образца анизотропию. Данное утверждение следует из наблюдаемого увеличения остроты фокусировки балансного моста при проведении исследований по регистрации магнитооптического эффекта Фарадея. Поворот и упорядочение эритроцитов обусловлено взаимодействием магнитных моментов гемоглобинов в эритроците и магнитного поля. Поворот в магнитном поле гемоглобина вызывает поворот эритроцита, так как молекулы гемоглобина жестко сцеплены с внутренней мембраной эритроцита;

> при напряженности магнитного поля свыше 500 Гаусс (до 8400 Гаусс) острота фокусировки баланса оптического моста перестает увеличиваться, но поворот по-прежнему наблюдается, только в этом случае он связан с усилением аномального эффекта Зеемана, при котором происходит расщепление электронных уровней в ионе железа, который заключен в азотный октаэдр в геме.

^ наличие у крови магнитной памяти обусловлено самоорганизацией эритроцитов в кластерные сверхструктуры за счет возникновения некомпенсированного магнитного момента, вызванного отщеплением или присоединением молекулы газа; §) релаксация во времени спектров оптического поглощения мазков крови также является следствием изменения электронного строения вещества эритроцита и релаксацией магнитного момента гема.

Заключение

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Разработана модель релаксации магнитных свойств самоорганизующихся молекулярных сверхструктур, взвешенных в электролите, на примере эритроцитарных структур в плазе крови.

2. Для проверки истинности модели созданы автоматизированные экспериментальные установки по исследованию: скорости оседания эритроцитов в поле силы тяжести, исследованию эффекта Фарадея на рассеянном взвесью эритроцитов лазерном излучении, исследованию частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь в образце крови, измерения магнитной проницаемости крови методом ГС-резонатора, на которых проведены измерения и получены новые экспериментальные данные.

3. Обнаружены и объяснены эффекты памяти на магнитные состояния у ММС.

4. Разработаны алгоритмы обработки результатов измерений, математический метод обработки изображений капилляра с кровью и автоматического определения местоположения границы «плазма/эритроцитарная масса». Предложен вариант решения проблемы определения уровня, принимаемого за эту границу, в условиях ее размытия в процессе седиментации.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

1) Павлов, А. А. Особенности динамики агрегации эритроцитов в поле силы тяжести. / А. А. Павлов, Е. Б. Шадрин //Материалы IX всерос. конф. по проблемам науки и высш. шк. «Фундаментальные исследования в технических университетах», СПб, 2005 с. 338-339.

2) Павлов, А. А. Динамические характеристики крови in vitro. / А. А. Павлов, Нгуен Суан Нгиа. //Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2006. - №5-1(47). - с. 202 -205.

3) Павлов, А. А. Изменение магнитных параметров эритроцитарной массы крови в процессе ее оседания in vitro. / А. А. Павлов, Н. Т. Сударь, М. В. Шачнева, Е. Б. Шадрин // Труды СПбГПУ (научные исследования на радиофизическом факультете). - 2006. - №500. -с.253 -258.

4) Павлов, А. А. Автоматизация процесса получения данных о динамике оседания эритроцитов. / А. А. Павлов. //Материалы всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», СПб, 2007. С. 185 -186.

5) Павлов, А. А. Гистограммный метод определения динамики оседания эритроцитов крови человека in vitro. / А. А. Павлов //Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2008. - №3(59). - с. 205 - 208.

6) Павлов, А. А. Влияние степени агрегации эритроцитов на диэлектрические характеристики крови in vitro. / А. А. Павлов //Материалы XI международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики - 2008) СПб. 2008. Т. I. С. 247 - 248.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 21.11.2008. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 3757.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Павлов, Андрей Александрович

введение.

1. обзор литературы.

1.1. Физика формирования надмолекулярных структур в электролитах.ю

1.2. СТРОЕНИЕ ЭРИТРОЦИТОВ.

1.3. физические методы исследования крови.

1.4. Основные направления исследований.

1.4.1. Электрические свойства крови.

1.4.2. Общие сведения о магнитооптических эффектах.

1.4.3. РЕССЕЯНИЕ СВЕТА ЭРИТРОЦИТАМИ.

1.4.4. Скорость оседания эритроцитов.

Проблема стандартизации значений СОЭ в норме и как они отличаются при различных патологиях. .5. Обзор классических методов постановки эксперимента.

1.5.6. Методика Панченкова.

1.5.7. Метод Виитроба.

1.5.8. Метод Вестергрена.

2. методы исследования, экспериментальные установки, разработка и обоснование методики решения научной задачи.

2.1. Образцы и методика эксперимента.

2.1.1. Подготовка образцов крови для исследований вне организма.

2.2. Установка для измерения тангенса угла между приложенным к образцу напряжением и возникающим током смещения в образцах крови.

2.3. Установка для измерения магнитной проницаемости крови методом LC-резонатора.

2.4. Установка для исследования эффекта Фарадея па рассеянном кровью излучении и па сухих мазках крови.

2.5. Установка для спектрофотометрического исследования сухих мазков крови в видимой и ближних УФ и ИК-областях спектра (320-790 HM).

2.6. Установка для регистрации скорости оседания эритроцитов крови.

3. экспериментальные результаты.

3.1. Результаты исследований временного сдвига пика кривой зависимости тангенса угла между приложенным к образцу напряжением и возникающим током смещения от частоты приложенного электрического поля.

3.2. Результаты исследования магнитной проницаемости образцов крови в процессе оседания ММС (эритроцитарной массы) методом измерения резонансной частоты LC-резонатора, содержащего капилляр с кровью.

3.2.1. Сравнительный анализ временных зависимостей ухода резонансной частоты LC-резонатора для случаев заполнения рабочего капилляра различными жидкостями.

3.2.2. Сравнение характеристик ухода резонансной частоты для пациентов с различными видами патологий.

3.3. Результаты исследования поворота в магнитном поле плоскости поляризации лазерного излучения, рассеянного эритроцитарной массой, для различных областей индикатрисы рассеяния

3.3.1. Непосредственные результаты измерения поворота в магнитном поле плоскости поляризации лазерного излучения.

3.3.2. Результаты исследования остаточной намагниченности.

3.4. Результаты исследования магнитооптического эффекта Керра на сухих мазках крови.

3.5. Результаты исследования спектров пропускания сухих мазков крови в видимом и ближнем ИК-диапазоне.

3.5.1. Временная эволюция спектров по мере высыхания мазка.

3.6. результаты исследований немонотонного поведения скорости оседания эритроцитов крови в поле силы тяжести.

3.7. фурье-анализ кривых СОЭ. сравнение фурье-компонент СОЭ вдоль радиальных срезов рабочего капилляра с кровью.

3.8. корреляционный анализ фурье-компонент СОЭ с численными характеристиками эритроцитов в крови донора.

3.8.1. Фурье-анализ временных зависимостей ухода резонансной частоты LC-резонатора.

4. обсуждение результатов.

4.1. физика микромеханизма наблюдаемых явлений.

4.2. Основные положения логической схемы объяснения полученных результатов. фундаментальный вывод.

4.3. Предлагаемая квантово-химическая схема связей молекулы гема и возникновения магнитного момента гема в процессах присоединения-отщепления молекул кислорода, углекислого газа, угарного газа, окиси азота и воды.

4.4. Качественное решении задачи анализа релевского рассеяния света He-Ne - лазера отдельными эритроцитами и эритроцитарными сверхструктрурами.

4.5. Магнитооптический эффект Фарадея в веществе эритроцита.

4.6. Основные результаты работы.

Введение диссертация по физике, на тему "Релаксация молекулярных сверхструктур в биоэлектролитах"

В настоящее время все большее внимание исследователей привлекает изучение биологических объектов с позиций современной физики. Одним из таких объектов является кровь, которая представляет собой биоэлектролит, в котором взвешены структурные элементы, позволяющие крови выполнять биологические функции. В первую очередь к таким структурным элементам относят эритроциты, которые являются надмолекулярными образованиями, то есть структурами более высокого уровня по отношению к белкам, из которых они построены. В то же время, присутствующие в цельной крови эритроцитарные агрегаты являются по отношению к эритроцитам структурами еще более высокого уровня организации, то есть молекулярными сверхструктурами.

Несмотря на многолетние интенсивные исследования крови как физической системы, до сих пор остается открытым целый ряд вопросов. Остается не до конца изученной природа связей, позволяющих образовывать надмолекулярные сверхструктуры, а точнее метастабильные молекулярные сверхструктуры (ММС) из эритроцитов (так называемые «эритроцитарные агрегаты» (ЭА)). Отсутствие фундаментальных исследований процессов организации и дезорганизации ММС не дает возможности прояснить физическую сущность такого процесса, как оседание эритроцитов и эритроцитарных агрегатов в поле силы тяжести (в клинической практике на основе данного феномена разработан диагностический тест на скорость оседания эритроцитов (СОЭ)). Не выясненными остаются также роль внешних факторов, влияющих на СОЭ. К таким факторам относятся внешние электрические и магнитные поля, температура и влажность окружающей среды, форма и состояние поверхности рабочих капилляров, используемых для анализа и др. Продвижение в сторону прояснения этих вопросов позволило бы не только построить адекватную физическую модель, отражающую сущность вышеупомянутых процессов, но и связать характеристики этих процессов с новыми, более точными, методами диагностики состояния живых организмов.

Актуальность темы.

Исследование релаксационных процессов, происходящих в молекулярных сверхструктурах, является одной из важнейших задач таких разделов современной физики как физическая электроника, кристаллофизика и наноэлектроника, биофотоника и многие другие. Общий интерес к указанной области исследований обусловлен как фундаментальной, так и прикладной значимостью данного направления. В свете научных достижений последних лет оказываются крайне важными исследования процессов, сопровождающихся образованием метастабильных молекулярных сверхструктур (ММС). Особенностью такого рода образований является возможность управления их параметрами за счет слабых внешних воздействий, например, за счет влияния магнитного поля малой напряженности. ММС, наблюдаются, в частности, в крови человека, что делает весьма ценной любую новую информацию, получаемую при изучении подобных сверхструктур. Исходя из приведенных выше соображений, в данной диссертационной работе в качестве объекта исследований была выбрана кровь, как система, в которой существуют самоорганизующиеся ММС, состоящие из эритроцитов. Ценность исследований релаксационных процессов ММС, определяется как общефизическим, фундаментальным интересом к глубинным механизмам формирования молекулярных сверхструктур, так и потенциальными возможностями практического использования получаемых сведений как базы для совершенствования клинических методов диагностики различных заболеваний.

Фундаментальный интерес обусловлен, отсутствием ясности в понимании физического механизма естественного регулирования характеристик самоорганизующихся ММС, несмотря на то, что в литературе предложены многочисленные модели этого явления, неплохо обоснованные как экспериментально, так и теоретически, но чаще всего взаимно исключающие друг друга. Причиной противоречивости является недостаточность информации о релаксационных процессах, происходящих в метастабильных самоорганизующихся системах, что не позволяет построить детальную модель механизма формирования ММС.

Прикладной интерес к данной проблеме определен тем, что получение информации о причинах, обуславливающих организацию и дезорганизацию ММС, дает возможность контролировать указанные процесс. Данные эффекты могут быть использованы как основа для разработки новых принципов хранения, обработки и передачи информации, в том числе, биотехнологической. Результаты подобного рода исследований способны играть ключевую роль в понимании процессов, ведущих к отклонениям в работе организма человека как целостной взаимосвязанной системы, то есть в выявлении путей развития заболеваний. Исследования в данной области могут также помочь в разработке новых экспресс-методов диагностики многих видов патологий живых организмов.