ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2014, том 48, № 3, с. 253-256
- ПЛАЗМОХИМИЯ =
УДК 544.55
ОБРАЗОВАНИЕ ПЕРОКСИНИТРИТА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ
ПЛАЗМЫ ИСКРОВОГО РАЗРЯДА
© 2014 г. И. М. Пискарев*, И. П. Иванова**, С. В. Трофимова**, А. А. Ичеткина**, О. Е. Бурхина **
*Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова
119991, Москва, Воробьевы горы E-mail: i.m.piskarev@gmail.com **Нижегородская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения и социального развития
603005, Нижний Новгород, пл. Минина и Пожарского, 10/1 Поступила в редакцию 01.11.2013 г.
Изучено образование пероксинитрита (ОМОО ) в воде под действием УФ-излучения плазмы искрового разряда на воздухе. Обрабатывались растворы с рН0 3.11—12.86. Во всех случаях сразу после обработки отмечается уменьшение рН, которое продолжается в течение 14 дней. Линия поглощения, характерная для пероксинитрита (к = 302 нм), появляется в спектре на 4—5 день после обработки и достигает максимума на 10—12 день. Появление пероксинитрита через несколько дней после обработки может быть обусловлено образованием в момент импульса излучения при высокой плотности активных частиц вещества X, которое распадается по схеме X ^ ОМОО- ^ МО3 и имеет время жизни порядка 10 сут. Максимальный выход пероксинитрита равен (1.2 ± 0.5) х 10-2 моль/л. БОТ: 10.7868/80023119714030132
Роль азотных соединений в биологии установлена сравнительно недавно и в настоящее время этому вопросу уделяется большое внимание [1]. Открытие способности клеток млекопитающих синтезировать оксид азота, а также способность оксида азота ингибировать пролиферацию клеток и индуцировать апоптоз [2, 3] стимулировало научные исследования в биологии и медицине. Реакция МО * с супероксидом О2-, в результате которой образуется существенно более сильный окси-дант — пероксинитрит ОМОО-, является ключевым моментом роли МО* в физиологии и патологии [4]. В частности, пероксинитрит вызывает ковалентные перестройки в белковых молекулах клетки, повреждает ДНК и, как следствие, активирует апоптоз [5, 6]. Для исследований пероксинитрит получают реакцией МО- с Н2О2 при рН 13 [7]. Возможны другие варианты [8]. Достижимо получение пероксинитрита концентрацией 0.1—1 моль/л.
В [9, 10] был разработан генератор излучения плазмы искрового разряда. В [11] построена кинетическая модель процессов в воде под действием излучения искрового разряда. Основные активные частицы, образующиеся под действием излучения
в воде, — радикалы НО2 и пероксинитрит ОМОО-(пероксиазотистая кислота ОМООН). Перокси-нитрит является высокоактивной частицей. В нейтральной и кислой среде его время жизни по-
рядка 1.3 с, а в щелочной среде достигает нескольких суток, в отличие от радикалов, время жизни которых порядка 10-5-10-9 с. Пероксинитрит распадается преимущественно с образованием ионов
азотной кислоты МО-. За счет относительно большого времени жизни даже в нейтральной среде стационарная концентрация пероксинитрита оказывается самой большой среди всех продуктов, образующихся под действием излучения газоразрядной плазмы в воде, и составляет 1.5 х 10-6 моль/л [11].
Образование радикалов НО2 под действием излучения газоразрядной плазмы было идентифицировано в [10]. Особенности реакций под действием
радикалов НО2 рассмотрены в [12] на примере пе-рекисного окисления липидов. В работах, посвященных излучению газоразрядной плазмы, сам пе-роксинитрит непосредственно идентифицирован не был, определялось только накопление ионов азотной кислоты. Следует подчеркнуть, что, согласно модели процесса [11], описать экспериментально наблюдаемый выход азотной кислоты без учета пероксинитрита было невозможно.
Целью настоящей работы является идентификация пероксинитрита, образующегося при искровом разряде, экспериментальная оценка его концентрации и изучение свойств образующихся при импульсном электрическом разряде продуктов, содержащих пероксинитрит.
254
ПИСКАРЕВ и др.
Изменения рН растворов сразу после обработки и при хранении в течение 14 сут. Выход ионов N03, соответствующий уменьшению рН
рНс до обработки 3.11 ± 0.02 5.9 ± 0.02 11.5 ± 0.01 11.9 ± 0.01 12.11 ± 0.01 12.86 ± 0.01
рН сразу после обработки 2.76 ± 0.02 2.92 ± 0.02 3.2 ± 0.02 10.29 ± 0.01 11.57 ± 0.01 12.85 ± 0.01
Выход ионов N0- за время обработки (моль/л) (1 ± 0.3) х 10-3 (1.2 ± 0.3) х 10-3 (3.8 ± 1) х 10-3 (7.7 ± 1.5) х 10-3 (9.1 ± 2.5) х 10-3 (1.7 ± 0.8) х 10-3
рН через 14 сут после обработки 2.65 ± 0.02 2.73 ± 0.02 3.02 ± 0.02 7.35 ± 0.02 9.5 ± 0.01 12.83 ± 0.01
Выход ионов N0- за 14 сут после обработки (моль/л) (4.2 ± 1) х 10-4 (6.6 ± 1.5) х 10-4 (3 ± 1) х 10-4 (1.9 ± 0.5) х 10-4 (3.6 ± 1) х 10-3 (3.2 ± 1) х 10-3
Суммарный выход ионов (моль/л) (1.4 ± 0.3) х 10-3 (1.8 ± 0.4) х 10-3 (4.1 ± 1) х 10-3 (7.9 ± 1.5) х 10-3 (1.2 ± 0.5) х 10-2 (4.9 ± 1.5) х 10-3
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве источника излучения использовался генератор искрового разряда ИР-10 [9]. В нем используется излучение плазмы самостоятельного искрового разряда (ИР) на воздухе со следующими параметрами: расстояние между электродами 3 мм, зарядная емкость 3.3 нф, высокое напряжение 11 кВ, энергия в импульсе 5.9 х 10-2 Дж, частота повторения импульсов 10 Гц. Излучает нагретый импульсом тока плазменный шнур. Максимум сплошного спектра излучения 220 нм, поток фотонов на расстоянии 1 см от электродов 1.26 х 10-10 моль см-2 с-1, плотность потока энергии (2 ± 0.3) х 10-3 Дж см-2 с-1 [13].
Обработка растворов излучением плазмы искрового разряда осуществлялась во фторопластовой чашке Петри диаметром 90 мм. Объем жидкости 20 мл. Время обработки 30 мин. Расстояние от поверхности жидкости до электродов 30 мм. Чашку Петри помещали в широкую стеклянную посуду объемом 0.5 л. Сверху емкость закрывали фторопластовой крышкой с отверстием диаметром 50 мм для ввода электродов генератора ИР-10. Кислую среду с рН0 < 5.9 получали добавлением азотной кислоты, щелочную, рН0 > 7, - №0Н. Измеряли рН и спектр поглощения в диапазоне длин волн 200-400 нм для исходного раствора и сразу после обработки. Далее для всех растворов наблюдали изменение рН и спектров поглощения в течение 14 сут. Использовались химически чи-
стые реактивы, дистиллированная и дважды дистиллированная вода (рН0 5.9 и 6.5).
Измерения спектров проводили на спектрофотометре ФЛЮ0РАТ-02 ПАНОРАМА (Люм-экс, Санкт-Петербург, Россия). Толщина кюветы 10 мм. Идентификация ионов кислотных остатков осуществлялась с помощью ионоселективных электродов [9]. Для калибровки электродов по
ионам N0- и N0- использовались раствор NaN02 и азотная кислота. Эти же реактивы применялись для определения коэффициентов экс-тинкции максимумов в спектрах поглощения
ионов N0- (X = 355 нм) и N0- (X = 302 нм). Величину рН измеряли прибором Эксперт 001 (фирма "Эконикс", Россия).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Значения рН растворов до и сразу после обработки излучением плазмы ИР в течение 30 мин и после выдержки при комнатной температуре в течение 14 сут представлены в таблице. Значения рН0 исходных растворов были от 3.11 до 12.86. Сразу после обработки рН всех растворов уменьшается. Уменьшение рН может быть обусловлено образованием пероксинитрита и его последующим распадом на азотную кислоту: N0^ + 02- ^ ^ 0^0- ^ N0-.
ОБРАЗОВАНИЕ ПЕРОКСИНИТРИТА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ
255
Образование пероксинитрита включено в систему реакций под действием УФ-излучения ИР [11]. Значения рН продолжают уменьшаться при
выдержке в течение 14 сут. Выход ионов NO-, соответствующий уменьшению pH, приведен в таблице. Накопление ионов NO- было идентифицировано ионоселективным электродом. Концентрация
ионов NO-, оцененная ионоселективным электродом, не превышала 10-4 моль/л. Из таблицы видно, что с увеличением начального значения pH0 от 3.11
до 12.11 выход NO- растет. При максимальном значении pH0 12.86 уменьшение pH едва превышает ошибку измерений, хотя ошибка измерения pH при этом pH0, равная 0.01 единицы pH, соответствует
выходу ионов Y(NO-) = 1.7 х 10-3 моль/л.
Протонированная форма пероксинитрита, пе-роксиазотистая кислота HOONO (pK = 6.8) имеет период полураспада ~1.3 с [8]. Спектр поглощения пероксиазотистой кислоты характеризуется широким слабо выраженным максимумом при X = 355—360 нм (s = 100 моль-1 см-1) и монотонным увеличением оптической плотности с уменьшением длины волны. Пероксинитрит имеет максимум поглощения в УФ-спектре при X = 302 нм (s = 1670 моль-1 см-1) [14]. Время жизни ионной формы пероксинитрита с ростом pH увеличивается, и при pH ~ 13 достигает нескольких суток даже при комнатной температуре [8].
Измерялись спектры поглощения растворов со значениями pH0 3.11, 5.9, 11.5, 11.9, 12.11 и 12.86. Во всех исходных растворах никаких максимумов в спектрах поглощения при длинах волн от 250 до 400 нм нет. Пример такого спектра для раствора с pH0 5.9 приведен на рис. 1а.
Сразу после обработки во всех случаях (при всех pH0) наблюдается линия 355 нм (рис. 1б). Линия может быть связана с нитрозаминами (s ~
~ 100 моль-1 см-1) и ионами NO- (s ~ 20 моль-1 см-1). Нитрозамины характеризуются вторым максимумом при 225-245 нм (s ~ 5000 моль-1 см-1). Ионы NO- второй максимум не дают. При идентифицированной в работе концентрации [NO-] < 10-4 моль/л эти ионы не могут дать заметный вклад в спектр поглощения. Особенность спектра: наличие максимумов при X = 235 и 355 нм, а также соотношение оптических плотностей этих линий позволяет утверждать, что эти линии связаны с образованием нитрозаминов. Последние были идентифицированы также по максимумам в ИК-спектре в [9]. В течение 3-4 суток максимум при 355 нм пропадает, второй максимум при X = = 230 нм сильно уменьшается и смещается в сторону более коротких длин волн. Это означает, что нитрозамины распадаются. Зависимость оптиче-
A 0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0
(а)
0.02
250
300
A 0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0
нм (б)
350
450
0.02
250
300
350
450
A 0.10
(в)
250 300 350 450
нм
Рис. 1. Оптическая плотность А дистиллированной воды (рН0 5.9), исходной (а), сразу после обработки ИР-10 в течение 30 мин, рН 2.72 (б) и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.