Источники газоразрядной плазмы: влияние поглощенной дозы и состава активных частиц на физико-химические превращения в биологических субстратах

Цель исследования — изучение влияния поглощенной дозы и состава активных частиц различных источников газоразрядной плазмы на физико-химические изменения в биологических субстратах.

Материалы и методы. Источниками газоразрядной плазмы служили генератор плазмы вспышечного коронного электрического разряда, импульсные источники излучения плазмы «Пилимин ИР-10», «Пилимин ИР-1» и «Бриг», кварцевый ультрафиолетовый облучатель ОУФК-01 «Солнышко» с ртутной лампой низкого давления ДКБ-9. Дозу излучения определяли с помощью дозиметра Фрикке. Оптические плотности растворов регистрировали спектрофотометром СФ-102. На спектрофотометре «ФЛЮОРАТ-02 ПАНОРАМА» изучали спектры флюоресценции водного раствора триптофана в концентрации 10 мг/л после обработки источниками газоразрядной плазмы. Концентрацию сульфгидрильных (–SH) групп до и после обработки излучением генератора «Пилимин ИР-10» и УФ-лампы ДКБ-9 определяли для водных растворов альбумина и метгемоглобина.

Результаты. Проанализированы спектры излучения генератора плазмы вспышечного коронного электрического разряда и плазмы искрового разряда на воздухе для генератора «Пилимин ИР-10». Спектральные данные показывают, что плазма искрового электрического разряда является слабоионизированной, основным действующим фактором служит тепловое излучение.

В спектрах поглощения проб воды, обработанных излучением плазмы генераторов «Пилимин ИР-1», «Пилимин ИР-10» и «Бриг», наблюдается широкий пик в области ~360 нм, в которой находится пик поглощения азотистой кислоты NO₂^–. Пик имеет структуру, связанную с образованием азотных соединений более сложной природы. При увеличении длительности импульса излучения увеличивается оптическая плотность при длинах волн меньше 330 нм. Высота пика 355–360 нм относительно подложки практически не меняется.

Под действием излучения ртутной лампы в воде образуются перекись водорода и ионы NH₄⁺.

Наибольшая поглощенная доза отмечена после обработки плазмой вспышечного коронного электрического разряда, наименьшая — излучением УФ-лампы ДКБ-9 и генератором «Бриг».

Под действием излучения плазмы концентрация –SH-групп в триптофане, альбумине и метгемоглобине увеличивается. Поглощенная доза, создаваемая генератором «Пилимин ИР-10», в 4,5 раза превышает дозу, создаваемую излучением УФ-лампы, т.е. эффект обусловлен конкретным механизмом реакции и не связан непосредственно с дозой.

Заключение. Основную роль в изменениях в биологических субстратах под действием разных источников плазмы играет состав активных частиц, генерируемых источником. Эти данные позволят разработать более эффективные газоразрядные устройства для биомедицинских целей и могут быть использованы для внедрения инновационных плазменных технологий в медицине.

1. Fridman A. Plasma chemistry. Cambridge University Press; 2008, https://doi.org/10.1017/cbo9780511546075.
2. Laroussi M. Low-temperature plasmas for medicine? IEEE Transactions on Plasma Science 2009; 37(6): 714–725, https://doi.org/10.1109/tps.2009.2017267.
3. Baldanov B.B., Semenov A.P., Ranzhurov T.V., Nikolaev E.O., Gomboeva S.V. Action of plasma jets of a low-current spark discharge on microorganisms (Escherichia coli). Technical Physics 2015; 60(11): 1729–1731, https://doi.org/10.1134/s1063784215110043.
4. Astafyeva K.A., Ivanova I.P. Analysis of cytotoxic effects of medical gas-discharge devices. Sovremennye tehnologii v medicine 2017; 9(1): 115–122, https://doi.org/10.17691/stm2017.9.1.15.
5. Arkhipova Е.V., Ivanova I.P. The effect of non-coherent impulse radiation on functional status of mononuclear cells in experiment. Sovremennye tehnologii v medicine 2013; 5(1): 27–31.
6. Rohatgi-Mukherjee K.K. Fundamentals of photo­chemistry. Publisher New Age International. New Delhi; 2013; 386 p.
7. Pattison D.I., Davies M.J. Actions of ultraviolet light on cellular structures. In: Cancer: cell structures, carcinogens and genomic instability. Birkhäuser-Verlag; 2006; p. 131–157, https://doi.org/10.1007/3-7643-7378-4_6.
8. Piskarev I.M. Active factors of low ionised plasma radiation produced in air spark discharge. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences 2016; 7(4): 1171–1189.
9. Иванова И.П., Заславская М.И. Биоцидный эффект некогерентного импульсного излучения искрового разряда в экспериментах in vitro и in vivo. Современные технологии в медицине 2009; 1: 28–31.
10. Piskarev I.M. Choice of conditions of an electrical discharge for generating chemically active particles for the decomposition of impurities in water. Technical Physics 1999; 44(1): 53–58, https://doi.org/10.1134/1.1259251.
11. Ivanova I.P., Trofimova S.V., Karpel Vel Leitner N., Аristova N.А., Arkhipova Е.V., Burkhina О.Е., Sysoeva V.А., Piskaryov I.M. The analysis of active products of spark discharge plasma radiation determining biological effects in tissues. Sovremennye tehnologii v medicine 2012; 2: 20–30.
12. Piskarev I.M., Astaf’eva K­.A., Ivanova I.P. The effect of pulse UV plasma irradiation of liquid through rat skin. Biophysics 2017; 62(4): 547–552, https://doi.org/10.1134/s0006350917040170.
13. Спиров Г.М., Лукьянов Н.Б., Шлепкин С.И., Вол­ков А.А., Моисеенко А.Н., Маркевцев И.М., Иванова И.П., Заславская М.И. Устройство для воздействия на биообъект. Патент РФ 2358773. 2009.
14. Пикаев А.К. Дозиметрия в радиационной химии. М: Наука; 1975. 147 с.
15. Пискарев И.М., Иванова И.П., Самоделкин А.Г., Иващенко М.Н. Инициирование и исследование свободно-радикальных процессов в биологических экспериментах. Н. Новгород: ФГБОУ ВО Нижегородская ГСХА; 2016; 140 с.
16. Aitken A., Learmonth M. Estimation of disulfide bonds using Ellman’s reagent. In: The protein protocols handbook. Walker J.M. (edsitor). Humana Press; 2002; p. 595–596, https://doi.org/10.1385/1-59259-169-8:595.
17. Пискарев И.М. Реакции в воздухе и азоте в плазме коронного разряда между поверхностью воды и электродом. Журнал физической химии 2001; 75(11): 1997–2001.
18. Piskarev I.M. Production under plasma radiation of a long living complex that decays to peroxynitrite and peroxynitrous acid. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences 2015; 6(6): 1136–1149.

Piskarev I.M., Astaf’eva K.A., Ivanova I.P. Sources of Gas-Discharge Plasma: Effect of the Absorbed Dose and Active Particle Composition on Physicochemical Transformations in Biological Substrates. Sovremennye tehnologii v medicine 2018; 10(2): 90, https://doi.org/10.17691/stm2018.10.2.10