Воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения на лиотропную среду тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



Г , ;

На правах рукописи

п/

Л )л

ЯКОВЛЕВА Сгстлака Викторовна

и

3 ОЗД ейстз и Е Ш; 3 кои нтенсив но го лазерного излучения ка лиотропную среду

Специальность 0t.04.i4 - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург -1995

I 1

Работа выполнена в лаборатории клинической биофизики Екатеринбургского инфарктного центра и в лаборатории прикладкой биофизики кафедры С?МПК ФТФ Уральского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических нзук, профессор'Мшш Р.И.

Научные консультанты: академик АИН России Габииский ЯЛ.; Яковлев Ю.Р.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Селезнев В.Д.; кан;ддат физико-математических наук, доцент Аксельрод Е.Г.

Ведущее учрсвдение . Ивановский государственный университет, Иваново Московской обл.

Защита состоится "_" декабря 1уу5 г. на заседании диссертационного

совета К 063.14.11 при Уральском государственном техническом университете в_ч_мик, аудитория Ф-419, 5-й уч.корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета.

Автореферат разослан "_" октября 1995 г. ,

Ученый секретарь

диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук

Кононеяко Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы ' .

Расширение областей применения жидкокристаллических сред и принципов мезоморфизма требует разработки методов упраплеиия их структурой. Одни из методов основан воздействии лазерного излучения на лиотропные жидкокристаллические среды. . Известна высокая чувствительность жидкокристаллических сред к данного типа воздействиям. Однако исследования в этой области показали, что отклик лиотропной жидкокристаллической среды на низкоинтнсизное лазерное воздействие: не хоррелируег с абсорбционными характеристиками как всей среды, так и ее отдельных компонентов, В данной работе рассмотрены процессы, связанные с бесфотохромной рецепцией, когдз основу фотсотхлнха составляют структурные превращения метастабильных надмолекулярных компле:хов лиотропных жидкокристаллических сред. Возможность сравнительно длительного существования различных структурионеэквипалентных состояний метастабильных агрегатов при одинаковых термодинамических условиях является одной из основных причин: высоко!? чувствительности лиотропных жидких кристаллов (Л'.КХ) к внешним воздействиям. Это свойство обуславливает большой набор переходных (метастабильных). состояний лиотропной жидкокристаллической среды. Прч малых отличиях свободной энергии слабое внешнее воздействие может еыззать переход мехду этими состояниями. .

Это определяет актуальности настоящей работы, направленной на изучение возникновения структурной фоторецепции, фотомодификацин и анализ условий структурной фотосенсибилизации ЛЖК-среды.

Цель работы

Цель настоящей работы заключается в изучении структурной фоторецепции везикулярной ЛЖК-среды.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Обоснование возможности структурной фоторецепции в ЛЖК-среде;

2. Разработка аппаратурно-методнческого комплексе, позволяющего выполнять:

- исследование условий возникновения структурной фоторецепции в ЛЖК-средах;

- структурную фотомодификацию ЛЖК-сред;

- экспериментальные ¡гзмерення структурной динамики а ЛЖК-срсдзх.

3. Исследование условий возк«ккобенм структурной фоторецепцнк в ЛЖК-средах при различных концентрация*.

4. Изучение структурной динамики ЛЖК-срсд с помощью измерения оптических и агрегационных характеристик.

5. Построение феноменологической модели' структурных фотопревращений в ЛЖК-среде.

Шучлаа ноаюня

Экслериыенталы'о обнаружено, что ЛЖК-среда (водный раствор фосфолипидов) в мицеллярнон фазе проявляет фоточувствительность при концентрационной дестабилизации. Разработан аппаратурно-методический комплекс для исследования условий возникновения структурной фоторецепцли, структурной фотомодификации и экспериментальных изменений структурной динамики в ЛЖК-средах. Выяплен пнкообразный характер зависимости оптически.» свойств исследуемых систем от дозовых характеристик фотозоздейстиия. Предложена феноменологическая модель фотомодификации, в основу которой положены процессы гидратации и дегидратации. Проведены оценочные расчеты, подтверждающие основные положения модели.

Практическое значение

На основании изученных закономерностей взаимодействия низкоиигенсивного лазерного излучения с ЛЖК-средой разработан метод сенсибилизации, основанный на концентрационной дестабилизации ЛЖК-среды, и метод визуализации <!• отоиндуцнрованных структурных перестроек в ЛЖК-системах. Экспериментальные данные и предложенный подход к интерпретации структурных перестроек метастабильной ЛЖК-среды под действием лазерного ихтучения позволили разработать ряд диагностических медицинских тестов, защищенных авторскими свидетельствами и используемыхв клиниках Екатеринбурга и Москвы.

Автор выносит на мщкту.

- результаты экспериментальных исследований фотомодификации ЛЖК-сред, подтверждающие структурный характер перестроек;

- аппаратурио-методический комплекс для исследования структурной модификации ЛЖК-сред;

методику сенсибилизации ЛЖК-сред, основанную на концентрационной дестабилизации;

г !

- феноменологическую модель фотомодификгшш ЛЖК-среды при ее концентрационной дестабил:пгции.

Апрсбгцяя работы

Результаты диссертации представлены н доложены на Международной научно-практической конференции "Измерительно-ниформационние технологии в, охране здоровья* (Санкт-Петербург, 1995), на 15-th Internationa! Conference on Coherent and N'onlinear Optics (St.Pcteiburg, 1995) и на S-th Laser Optics СсЫегетм (St.P.-terburg, 1995), на II Мездународной конференции по лнотропкым хеидккм кристаллам (Иваново, 1993), на Мезадународной конференции "Laser applications in life sct'encis" (Moсква, 1990), на первом Всесоюзном совещании по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1990), иа республиканской конференции "Новые фиэичеекче методы в медицине" (Ворошиловград, 1990), на S-м Всесоюзном симпозиуме по мгж-молеку.хирному взаимодействию и кокфор-<ациям моле.чул (Новосибирск, 1990), на I Всесоюзном совещании по лиотропным жидким кристаллам (Иваново, 1990), на Международной конференции "Лазеры и медицина" (Ташкент, 1989), на третьем дальневосточном научно-практическом школе-семинаре "Лазерная техника и лазерная медицина" (Хабаровск, 1989), на Всесоюзном семинаре "Лазерная биофизика и новые применения лазеров в меяицнке"(Тарту, 1989), к." Международном симпозиуме по лазерной хирургии и медицине (Москва, I9SS), на шестой Всесоюзной конференции "Жидкие кристаллы и I« практическое использование" (Чернигов, 1988), иа пятом (Пушино, 1986) и шестом (Пущино, 1988) Всесоюзных рабочих совещаниях "Жидкокристаллическое состояние в биологических системах и их моделях", на Всесоюзном семинаре "Оптика жидких кристаллов (Москва, 1987).

Публикации

По результатам работы опубликовано И статей в центральной печати, 19 тезисов докладов, получено б авторских свидетельств и один патент.

5 первой главе приведен литературный обзор по структурным особенностям лиотропкых жидкокристаллических сред. Рассмотрены изменения физико-химических свойств лиотропных сред при критических концентрациях мицеллообразования. Рассмотрены дозовые зависимости фотоэффектов в везикулярных средах. На основе литературных данных сформулирована задача исследования.

Во второй главе описаны оптические методы, позволяющие надежно

т

1

регистрировать структурно-оптические характеристики водно-лецитиновых систем. Рассмотрены основные физико-химические параметры этих систем.

В качестве объекта исследования использовалась система, приготовленная из 10% спиртового раствора лецитлна Харьковского завода бакпрепаратов.

В работе используется метод структурной рефрактометрии. Для корректных измерений показателя преломления в работе использовался рефрактометр типа АББЕ ИРФ-454Б, позволяющий проводить измерения в тонком слое образца (порядка 10 нм) иа О-линки натрия (583 нм) (что исключало процессы экзальтации показателя преломления системы) с точностью 2*10~*.

Для везикул водно-лецитиновой среды оказалось удобным использовать подход, развиваемый методами структурной рефрактометрии, согласно которому

я13=п,+(н3-и,)у3, (1) где / -г2 /г,,, а г2 и г,; -радиусы внутренней и внешней сфер частицы (рис.1).

водно-лецигш .свой системы

Даже при незначительном уменьшении т„ сомножитель у ву} ¿внении(1)

__, сильно изменяется. При постоянных л, -112 незначительное изменение

толщины оболочки вызывает заметное изменение п,2. Уравнение (1) справедливо дпя стабильных тонкодисперсных эмульсий. Разведение водой стабильных эмульсий может привести х дестабилизации дисперсных частиц и всей системы, а также к появлению в дисперсной среде новых мицеллярных структур. Такие структурные изменения будут сопровождаться нелинейным

«

изменением показателя преломления системы.

Связь структуры агрегата с показателем преломления среды можно описать функцией - молекулярной рефргкцяеЯ (Л):

л=£lii.iL , ' (2)

в +2 р

где ¡1 - показатель преясмленггя среды; р - сг плотность при тег яге условиях; М - мояехуляряая масса. Для того, чтобы получить обший вид зависимости измекеиня показателя преломления при структурных перестройках, еьпьгсаемих воздействием з.чешнкх полей, используется формула Лоренц-Лсрентаг:

_2_.^ла-.^-з^) (?)

(п'-Ып1*!) <Я> 6 7г <Я> /' '

Это уравнение устанавливает зависимость первой производной показателя преломления от двух членов, одна из которых определяет динамику рефракции, а другой - изменение плотности оболочки агрегата (выраженное через ззффкциеят линейного расширения). Эти изменения определяются процессами ззаимодейстзкя липида с зодой. Поляризуемость среды изменяется вследствие процессов гидратации липидов без набухания, когда растворитель заполняет пространство а структуре агрегата не изменяя плотности упакозки колехул липкда. При этои образуются новые связи молекул липида с молекулами воды, что привод!-,г к увеличению рефракции и, согласно уравнению (3), соотаетсгзусг росту показателя прелоилеяия системы. Изменение плотности оболочки агрегата вшгыо процессами гвдрагации липидов с набуханием, когда взакмсдеЯствие ли л ядов с водой приводит к разрыхлению и уменьшению плотности агрегата. При этом увеличиваются размеры агрегата и уменьшается показатель преломления системы.

Таким образом, динамика показателе преломления определяется изменением числа молекулярных связей лнпндоз с »одой, и изменением объема среды занимаемого агрегатами. Это означает, что значение показателя преломления может быть обусловлено обоим» членамив уравнении (3),

причем при изменении молекулярных связей липида с водой показатель преломления системы будет увеличиваться, а при увеличении размеров агрегатов -. уменьшаться. Следовательно, знак производной показателя преломления определяется соотношением складов двух разнонаправленных

г

1

процессов. В работе исследованы средние размеры частиц и динамика изменения их размеров в процессе облучения системы.

Средние размеры рассеивающих частиц в среде оценивались по спектральной зависимости оптической плотности турбидиметрическим методом. Точность данного метода сопоставима с исследованиями средних размеров клеток методом электронной микроскопии.

Для турбндиметрических измерений выбирается прямолинейный участок спектрофотометрической характеристики исследуемой системы. В настоящей работе измерялась пропускающая способность системы при Л,=400 нм и ¿2=600 нм. В каждой точке проводилось по пять измерений. Для Л, =400 им пропускающая способность системы изменялась в пределах от II до 12%, а для Л, =600 нм от 16 до 17%. Затем значения Л н £> = lg№0// логарифмировались и определялось значение W как

ff = AIg2/AlgA. (4)

По графику (рис.2) определялись размеры дисперсных частиц. Для стабильной системы средний размер составлял 450.0± 50 нм.

Рис.2. Зависимость'показатгля W в уравнении(4)ог диаметра частя

' )

В работе исследована динамика изменения формы агрегатов. Изменение вязкоупругих свойств системы при постоянных концентрациях отражает динамику изменения фактора формы агрегатов.

Вязкоупругие свойства оцениваются по аналогии с влиянием опорных поверхностей на деформацию смектических слоев ЛЖК-среды. Эффекты, связанные с деформацией, наблюдаются при текстурообразовании в водно-лецитиковой среде, помешенной межту предметным и покровным стеклом.

Образцы для таких исследований получали в процессе облучения объемных препаратов путем забора 10 мкл из облучаемого объема водно-лецнтиновой системы и помещения между предметным и покровным стеклами, обработанными лецитином под гомеотропнуга ориентацию для исключения влияния дефектов стекла на процессы кристаллизации водно-лецитиновой системы. Толщинз образцов фиксировалась из уровне 15 мхм с помощью тефлоновых прокладок.

3 исследуемых препаратах агрегация начиналась через 1 час после приготовления образцов ( при температуре 20* С). Прк этом образуются конфокальные текстуры и текстуры типа "миеянновых трубок", регистрируемые методом поляризационной кикроскопнк. Диаметр трубки (толщина липндного слоя) зависит от вязкоупругих свойств среды. По характерному радиусу мнелиновых трубок, наблюдаемых в препарате, оценивался модуль упругости среды (В).

Для миелинов.,« трубок толщина искаженной области равна 211. Тогда волновой вектор искажения может быть записан как:

(5)

где К - радиус трубки; П = (Х /В)"1- характеристическая длина; К -коэффициент упругости; В - модуль упругости.

При вычислении модуля упругости принимаем типичное значение коэффициента упругости для данных систем К -\0'иН¡м1. Измерение радиуса трубки проводилось с помощью компьютерного видеоанализатора "ПАТТЕРН", позволяющего объективизировать данные, полученные методом поляризационной микроскопии. Видеоанализатор создан на базе лаборатории клинической биофизики Екатеринбургского инфарктного центра и включает в себя микроскоп, видеокамеру и ЭВМ типа АТ-486. Для обработки изображения использовалась программа "МАГИУС", разработанная в Санкт-

с

Петербургском институте тевевидеи-дя. Для статистической обработки результатов использовался пакет "КВАЗАР" Института математики и механики УрО РАН.

Для исследования молекулярных перестроек агрегатов водно-лецктиновой системы использовалась следующая схема проведения эксперимента (рис.3).

кядайстм*

лаэвриого

ЮЛУЧЧНМЯ

1 «МГОД х»тса ,

спмтрэтур- вмсплпкм-

вмвимтри* щчюбрпиоа

Рис.3. Общая схема эксперимента

Используемые- методы исследования в совокупности позволяют отслеживать изменения структурны* характеристик среды. На основе полученных данными методами экспериментальных характеристик можно построить молекулярную модель структурных перестроек в водно-лецитиновой системе при воздействии на нее низкоинтенсивного лазерного излучения.

В качестве модифицирующего воздействия в работе использовалось излучение гелий-неонового лазера (длина волны 632.8 нм,. интенсивность до 50 мВт/см1). В этой спектральной области подно-липкдные системы не имеют полос поглощения, что позволяет исключить из рассмотрения фотохимические процессы, а низкая интенсивность излучения значительно уменьшает вклад термических эффектов,- появляющихся только за счет остаточного поглощения. Исследуемая система облучалась с помощью гелий-неонового лазера ЛГ-75/1.

В третьей главе рассмотрены структурно-оптические эффекты в везикулярных агрегатах лиотропной системы. Проведено исследование релаксационных процессов в водно-лецитиновой системе. Предложена методика создания фоточувствительной ЛЖК-среды, основанная на создании метастабильности в концентрационных областях структурных переходов.

Используя метод структурной рефрактометрии, для выявления областей структурных переходов были исследованы концентрационные характеристики показателя преломления водно-лецитиновой • системы в концентрационном диапазоне от 2*10"'до 8*10~'М/л.

Гистерезисная характеристика показателя преломления системы, полученная при концентрационных изменениях в области структурного перехода, представлена на рис.4. Точка В на прямом участке характеристики (при увеличении концентрации зезикул) кгляется началом структурного перехода, после которой происходит переход системы в другое термодинамически стабильное структурное состояние. В этой точке начинается слипание везикул я увеличение их агрегационного числа. Точка О является началом обратного структурного перехода (при уменьшении концентрации молекул лецитина). В этой точке крупные везикулы начинают распадаться на более мелкие агрегаты. В окрестности точки В на прямой характеристике и точки Э - на обратной находится область существования метастабильного состояния. Она характеризуется наличием агрегатов, для которых стабильными являются более низкая (на прямой ветви) и более

высокая (на обратной ветви) концентрация везикулярных агрегатов. При дальнейшем изменении концентрации происходит изменение размеров агрегатов.

Рис.4. Гистерезис показателя преломления водко-лецитиновой системы в области структурного перехода

Методом светорассеяния исследована концентрационная зависимость средних размеров везикул (рис.5), проявляющая гистерезис при изменении концентрации. Этот факт, тах же как и нелинейное изменение показателя преломления, указывает на образование м.гастабильных структур.

Результаты измерения показателя преломления водно-лецитиновой системы в процессе облучения гелий-неоновым лазером представлены на рис.б. При мощности облучения от 5 до 15 мВт на , первых минутах наблюдается увеличение показателя; преломления системы, дальнейшее облучение водно-лецитиновой. системы приводит к уменьшению ее показателя преломления.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на метастабильную водно-лецитнновук} систему наблюдается изменение показателя преломления с выраженным максимумом. Максимальная амплитуда и время его наступления зависят от мощности облучения.

И пт

600

Б00

400

0.04

0.05

0.66 С. Ы/А

Рис.5. Средний диаметр везикулярных агрегатов вздио-лецитииовоб системы при различных концентрациях

1.3660

им»

1Л940

1000 юооо Т. ш!п-

Рнс.6. Изменение показателе преломления метасгабильной водно-лецитиновой системы при лазерном облучении

Отсутствие фотохимических реахций в системе при ее облучении доказано экспериментально, т.к.. не было зарегистрировано изменений спектрофотометрических характеристик (появление новых пиков поглощения) водно-лецнтиновой системы ни в процессе облучения, ни в процессе естественной релахсации системы без облучения в течение суток.

Увеличение средних размеров агрегатов происходит на временах, характеризующихся максимальным изменением показателя преломления системы. При этом участку умеиьшення показателя преломления соответствует участок увеличения средних размеров агрегатов. Средние размеры агрегатов контрольной системы (метастабильной системы без облучения) не изменяются в течение всего времени эксперимента. Средние размеры агрегатов стабильной системы характеризуются более высокими значениями. По истечении 20-30 часов, когда исследуемая метастабильная система по показателю преломления переходит в стабильное состояние, значение :реяних размеров агрегатов как облученной, так и необлученной метастабильной системы одинаково и совпадает со значением средних размеров стабильной системы.

Толщина киелиноэых трубок в закристаллизованных образцах водно-лецитиновой системы в общем случае определяется концентрацией везикул в ней. При постоянной концентрации толщина зависит от вязкоупругих свойств водно-лецитиновой системы, которые, в свою очередь, определяются геометрической формой везикулярных агрегатов. Г Га рис.7 представлены текстуры, полученные при кристаллизации в тонком капилляре систем, подвергшихся различным дозам облучения гелий-неонового лазера с мощностью Р = 15 мВт. Из рисунка видно, что толщина миелиновых трубок максимальна при времени облучения 2 минуты, соответствующего времени максимального изменения показателя преломления системы. Дальнейшее облучение системы приводит к уменьшению толщины миелиновых трубок в закристаллизованных образцах, при этом наблюдается уменьшение показателя преломления системы и увеличение средних размеров везикул. В контрольной (не облученной) системе толщина миелиновых трубок практически не изменялась в течение суток.

U

Рис.7. Текстуры закристаллизованных образцов систем, подвергшихся различным дозам облучения

И

Проведенные исследования воднолецитиновой среды позволяют представить общую картину процессов структурной фотомодификацил следующим образом (рис.8):

1. Изменения в облучаемой среде происходят в два этапа:

- первый характеризуется увеличением показателя преломления,, неизменным значением средних размеров дисперсных частиц к увеличением модуля упругости (увеличение деформируемости агрегатов);

• второй этап характеризуется уменьшением показателя преломления, увеличением средних размеров частик и уменьшен., м модуля упругости.

2. При достижении показателем преломления минимального значения дальнейшие изменения исследуемых параметров аналогичны процессам, происходящим в контрольной системе.

нарушение сферичности везикул

П|

в;

увеличение

размеров

везикул

Рис.8.Изменеш1я исследуемых параметров ведно-леиитиновой среды в процессе облучения (схема): г, • первый этап изменения параметров облучаемой системы; -?2 - второй этап изменения параметров облучаемой системы

В четвертой главе предложена модель фотоквдуцированной релаксации меггастабильной везикулярной системы.

Результаты измерений оптических параметров для метастабильной вод-но-лецитииовой системы при облучении ее гелий-неоновым лазером (15мВт/см3) представлены в табл. 1.

Таблица I

Время Показатель Средние Модуль

облучения, мин преломления размеры везикул. упругости. НЛ1

им

0 13525 425 2

0.5 1.3530 425 2.2

1.0 1.3535 425 б

1.5 1.3538 435 7.5

2.0 1.3540 445 9.0

2.5 • 1.3540 4(0 8.5

3.0 1.353« 485 8.0

3.5 1.3532 51$ 7.0

4.0 1.3530 515 5.5

В предположении, что изменения физических свойств водио-лецитиновой системы, содержащей лецитияовые метастабильные везикулы, определяются динамикой свойств только везикул, задача сводится к построению схемы надмолекулярных перестроек под действием поля линейно-поляризованного света в везикуле. Изменение оптических параметров всего образца при этом определяется объемном содержанием лешпкновых везикул вводе.

Мета стабильная водяо-лецитиковая сксте«« содержит кегзстабильиыз везикулы, которые. сохранили более плотную молекулярную упаковку, сформированную я стабильных везикулах до рвзкяеши. Более низкие (по сравнению со стабильными) значения средних размеров объясняются более плотной упаковкой молекул.

Процесс разрыхления структуры везикулы сопровождается дополнительной гидратацией молекул лецитина. Механизм такой гидратации может быть построен по аналогия с мехакиздеом развития дефекта типа сквозной поры в яипидясы бислсе. В поверхностном слое метастабилъной везикулы с некоторой конечной вероятностью образуется дефект, в виде участка, состоящего из более пщратироваикых молекул. Если охарактеризовать размеры более гидратнроианнсго участка везикулы через радиус г, то энергия такого дефекта в случае однородной поверхности метастабилъной везикулы будет равна работе образования дефекта за вычетом энергии бездефектного участка:

£=2«$7 -л*', (С).

где ¿"-.линейное натяжение единицы длины периметра дефехта; 5-натяжение мембраны; г-радиус дефехта.

Изменение энергии дефехта при включении поляризованного светового поля оценивается с учетом изменения энергии дефекта, связанного с фотоиндуиированными ориентационными эффектами

Е *2в?г-гы\Ё\Р„ ' (7)

где N - количество молекул в дефекте; Е - электрическое поле, создаваемое поляризованным излучением; Р, - дипольный момеэт яипидкых молекул. Так как количество молекул в дефекте при некотором радиусе г зависит от соотношения площади дефекта и площади, приходящейся на одну молекулу 5а. то для энергии дефекта получаем выражение

£ = 2П£Т - яг\6+—\Ё\Р.). (8) 5а1 1

Зависимость энергии системы от радиуса дефекта, описываемая уравнением (8), имеет вид кривой с максимумом. Дефекты малого радиуса будут иметь тенденцию к исчезновению. Однако дефекты с радиусом, превышающим некоторое критическое значе-ше г, будут необратимо увеличиваться, приводя к структурному превращению вгей поверхности меТ''.сгабильной везикулы. Помещение такой везикулы в поле излучения приводит к уменьшению критического радиуса дефекта из-за уменьшени энергии, необходимой для структурного перехода (уменьшение высоты энергетического барьера). Именно этим мо>ет объясняться увеличение скорости гидратации бислоя везикул в поле излучения.

Тахим образом, при оГ-лученин метаст.-бильиых везикул линейно-поляризованным светом на участках, где молекулярные диполи липида ориентированы перпендикулярно полю, происходит дополнительная дестабилизация мембраны и ускорение трансбислойных переходов (перемещение молекул лецитина.вдоль слоя везикулы). Каждый акт ф.ткл-флоп перехода (перемещение молекулы лецитина в соседний слой) может явиться причиной образования дефекта с новой структурной организацией. Для дефектов с докритическими размерами, находящихся в поле излучения.

уменьшаете» энергетический барьер до* роста, а пря больших плотностях излучения эти дефекты могут стать ззкрктическимн « качать акткэно расти.

В везикулах, попавших в поле поляризованного излучения, структурные перестройки происходят практичеехя одновременно, поэтому наблюдаются изменения в дняампге сяойетв всего образна.

Согласно предлагаемой модели под действием лазерного юлучения з мегастгбкльных агрегатах водно^леиититсэой среди ипиципруется структурный переход, проходящий через стэдкг* образования дефекта поверхности метастабилъной везикулы, отличающегесч большей гидратацией молекул лецитииа.

Начальная стадия роста дефекта более гпдратнрсезпноЗ фазм характеризуется значительным' вклеят в энергетику этого процесса избыточной энергии фазовой границы, что опргдгяяет обргуовангг пяотлой гидратированной структуры (без вабухаикя). Эта стадия характеризуется (рнс.9, а, участок АВ) уганчекием показателя преломления (за счет роста рефракции) и незначительным тменеиием объема (рнс.9, Ь, участок АВ) . Появление такого дефекта в оболочке везикулы приводит к ее деформации, что в условиях постоянной концентрации сопровождается увеличением вязкости всей системы (рнс.9, с, участок АВ). При достижении дефектом критического размера (рус.9, точка В) избыточной энергии фазовой границы становится недостаточно дм формкроминя плотной пшрзтирсвениой фазы, что приводит к разрыхлению структуры дефегта. Дальнейший его рост характеризуется процессом гидратации с набуханием (рис.9, участок ВС). Этот этап сопровождается уютыаенкгм плотности липидкых молекул и синением значения показателя преломления зяикулы. Разрыхление оболочки ведет к увеличению размеров везикулы.

Предполагается, что увеличение показгтелл преломления системы обусловлено увеличением количества водородных связей липида с молекулами воды и увеличением за счет этого' рефракции (гляратацня без набухания). Уменьшение показателя -преломления связывается. с разрыхлением структуры и уменьшением ее ' плотности (гидратация с набуханием).

Рис.9. Экспериментально полученные изменения структурно-оптических параметров системы в процессе облучения:

I -метастабильная система без облучения; 2-иетастабкльная система в процессе облучения; З-контролькая стабильная система

Для лецитина использовались следующие параметры: М ~ 704г/моль, р - 1,1 г/см' , аЯ = 230 см"1 . Основная гидрзтнац-оболочка содержит 10-12 молекул воды на молекулу фосфолипида. В равновесной фазе лецитин-вода на молекулу лецитина приходится 29 молекул воды. Следовательно, максимальное увеличение показателя преломления (увеличения рефракции) происходит за счет увеличения гидратиой оболочка на 17 молекул воды, при этом К = 3 см"! на каждую молекулу воды. В процессе гидратации плотность системы практически не '«меняется (Д!Л = 0), тогда формула (3) имеет вид

Л -1(1^), (9)

(л2-1)(л'-г2)ЛО 6 И1Ю

для оболочки везикулы нм'-ем К = 51 см"', Дп = 0.!3. С учетом правиле аддптизности, изменение показателя преломления всей эмульсии в процессе гидратзц;:;: без набухания по расчетным данным составит 0.005.

При разрыхлении везикулы ее рефракция не меняется. Тогда формула (3) имеет вид

йп 1Ы ([0)

(пх-\)(пг+2)40 2 1'

Диаметр согласно экспериментальным данным изменяется на <1 = 0.2 мкм . Для везикулы за счет процесса гидратация молекул с набуханием Дп составило 0.32. Следовательно, изменение показателя преломления всей эмульсии при гидратзцяи везикул с набуханием с учетом правила аддитивности из расчетов составит 0.007.

В табл. 2 представлены теоретические и экспериментальные данные по изменению показателя преломления метастабильной водно-лецитиновой системы при гидратации с набуханием и без набухания.

Таблица 2

Лл расч. Дл экспер.

Гидратация без набухания 0.005 0.0015

Гидратация • с набуханием . 0.007 0.0013

Расчет ныв знгчемкя нзыеяаша показателя преломления за счет процессов гидратации с набуханием и без набухания (-0.007 а 0.005) близки по величине и согяасукг.-:я с наблюдаемыми в эксперименте.

Заключение

1. Создан аппаратурио-мгтодический комплекс, основанный . на измерении оптических и вязкоупрутих свойств ЛЖК-среды, позволяющий ксследовать структурные мзофазные переходы в дисперсионной лиотропной среде.

2. Разработан способ получения мгтастгбнльной ЛЖК среды с детерминированными структурно-оптическими свойствами,, заключающийся в приготовлении стабильной системы и последующей концентрационной дестабилизации ее медленным (квозиравновгеным) разведением.

3. Определены уело в 1'я возиихновени:- структурной фоторецепции. Показано, что линейно поляризованный свет изменяет надмолекулярную структуру только метасгабнл.иых агрегатов, у которых снижчн энергетический барьер структурного перехода.

4. Получена лотовая зависимость с экстремумом показателя преломления лиотропной жидкокристаллической среды при воздействии иизкоиьтенсивного линейнополяризованного света.

5. Установлено, .что характер зависимо ли изменения амплитуды фотоэффекта в ЛЖК-среде от интенсивности линейно-поляризованного света н независимость его от абсорбционных характеристик и дойны волны излучения свидетельствует о полевой природе этогэффекта.

6. Предложена качественная модель надмолекулярных перестроек в ме-. тастабнлышх липидных везикулах под действием низкоинтенсивного

линейно^- поляризованного излучения оптического диапазона, основанная на процессах гидратации липидных агрег атов с набуханием и без набухания.

7. На основании полученных экспериментальных данных разработаны диагностические теста, позволяющие повышать диагностику ряда

. заболеваний и увеличить эффективность немедикаментозного лечения. Разработанные способы защищены авторскими свидетельствами и внедрены в клиниках Екатеринбурга и Москвы.

Основном п)^лакаагг.1 ш» теме диссертации: 1 .Яковлев Ю.Р., Яковлева С;В. Изменение везикулярных структур

«

водно-леиитиновой системы при воздействии на нее нкзкокнтенсивкого лазерного излучения // Известия РАН. Сер;п физкчгская. 1995. T.59,N. 1.

2. Gabinsky Y.L.. Yakovlev Yu.R., Yakovleva S.V. The changes of optica! properties of bipod plasma at low-intensity laser radiation // LO/ICONO 95 Conference, St.Petersburg, Russia. 1995.

3. Gabinsky Y.L., Yakovlev Yu.R., Yakovleva S.V. Changes of scatteringproperties of the water-lecithin system during lovMnter.sity laser radiation // LO/ICONO OS Conference. St.Petcrïburg, Tîv-ia. 1995.

4. Yakovlev Yu.R., Yakovleva S.V. Effects cflsw-htensitv laser radiation on alteration of sca'.ering properties of the water-lecithin system // Mol.Mat. 1994. V.3. P.289-295.

5. Yakovlev Yu.R., Yakovleva S.V., Gabinsky Y.L. Polarization microscopy study of lyotropic liquid crystalline structures in blood plasma И Mcl.Mat. 1994. V.4. P.311-318. /

6. Минц Р.И., Яковлев Ю.Р., Яковлева C.3. Лазероиндуцнроваиные структурно-оптические эффекты в водном растворе лецитина // Известия АН СССР. Серия физическая. 1991. Т.55, N 9.

7. Синхронные изменения в клетках и во внеклеточной среде, индуцированные нкзксинтеяснвным лазерным облучением / Захароя С.Д., Панасенко Н.А., Перо в С.Н., Скопинов СЛ., Яковлева C.B., Вольф Е.Б., Еремеев Б.З., Ленб EAJI Краткие сообщения по физике. 1990. N 3. С.12-14.

8. Минц Р.К., Скопинов С.А., Яковлева C.B. Фотооптический отклик плазмы крозк на кизкоичтенсивчый крссны" свет // Биофизика. 1990. Т.53, N6. C.99S-999.

9. Formation of oriented films by mucus glycoproteins on the faces of NaCl crystal / R.I.Mir.ts, S-A.Skcpinov, S.V. Yakovleva, E.A.Denisova, A.A.Vasina, L-A-Zhetoaya, ?.I.Lasarev//Studiabiophysica.l9i;9.V.!33, N 3. P.221-225.

!0. Скопинов C.A.. Якозлева C.B. Струхтурно-оптичгские эффекты низкокктексивного лазерного излучения s жм;?чески-метгстгбклыюм лиотропном жидком кристалле IIЖТО. 19*9. Т.59, вып. 11. С.84-89.

11. Влияние нкзконнтенснЕИОго лазерного гаяуения на формирование жидкокристаллических структур в растворе глнкопротеиноз /Скопинов СЛ., Якоплева C.B., Денисова Е.А., Вазина АЛ., Железная Л.А. // Молекулярная биология. 1989. Т.2?, вып.2. С.416-421.

12. Мика Р.И., Скопинов СЛ., Яковлева C.B. Управляемые метастабильные состояния прозрачного раствора, индуцированные

икзкоинтеяагакым лазерным излучением // Письма в "КТО. Т. J ¿,N20. 1988. С.1850-1853.

13. Минц Р.И., Сяопинов С.А., Яковлева C.B. Фракталы з лиотропных системах // Письма в лСТО. 7.14, выя.23. 1988. С.2204 -2207.

14. Скопинов С.А., Яковлева C.B. Оотоиндуцированные структурные перестройки ккотропного жидкого кристалла в активной среде // Письма в ЖТФ. 1987. T.I3, вып.2. C.6S-71.

15. Скопимте С.А., Яковлева C.B. Модель фотоструктурного действия ннзкоинтеясиЕного лазерного излучении на биологические системы: липидиый Смелой// "Применение лззгроэ в клинике и эхепераменте". M . , 1987. С.219-220.

Iô.A.C. 17ÛS40. Способ прогнозирован»* течения раневого процесса/ Сяопинов С.А.. Яковлева C.B., Дробинина О.В., Северин М.В.. Лисиенко В.М., Минц Р.И. Заявка >¿4158351. Приоритет от 10.12.1986. Опублиховано OS. 10.89

17.А.С. 1635999.Способ определения индивидуальной чувствительности к лазерному воздействию /Минц Р.Н., Скопинов С.А., Яковлева С.З., Лисиенко В.М., Дробинина О.В., Северин М.В. Заявка >й 4234356. Приоритет от 21.04.87. Опубликовано 22.11.90.

18.А.С. 130695.Сг.особ оценки течения острого панкреатита / Лисиенко В.М., Минц Р.И., Шурыгина Е.П., Скопинов С.А.. Яковлева C.B. Заявка .»■64312229. Приоритет от 11.09.87. Опубликовано 15.11.30.

19. А.С. 1745047.Способ диагностики злокачественных эпителиальных новообразований хожи /Минц Р.И., Схопикоз С А., Яковлева C.B.. Теодор ПЛ., Шатохина С.Н., Яковлев С.А., Беренбейн Б.А. Заявка >в 43448Í9. Приоритет от 17.12.87. Опублиховаио 01.03.92.

20. А.О. 1723527.Способ определения нарушений в системе обмена

- липидов / Минц Р.Н., Барац С.С., Скопинов С .А., Яковлева C.B., Андреев А.Н

_Веселова B.C., Зубарева Т.В. Заяжа №4829662. Приоритет от 09.04.90.

Опубликовано 01.12.91.

21. Пат. • 5056792.Способ прогнозирования рецидива инфаркта миокарда /Габинсхий ЯЛ., Яковлев Ю.Р., Яковлева C.B. Приоритет ot28.07.92.

Подписано в печать 27.10.95 Формат 60x84 I/I6

Бумага типографская Плоская печать Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.л. 1.33_Тираж ICO Заказ 581 Бесплатно

Редакцисннс-издательски2 отдел УТТУ 620002.Екатеринбург, УГТУ, 8-й учебный корпус Ротапринт УГГУ. 620002, Екатеринбург, УТТУ, 8-2 учебный корпус