научная статья по теме ТЕПЛОВОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МОДЕЛЬНЫХ МЕМБРАНАХ ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ЛИПИДОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ТЕПЛОВОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МОДЕЛЬНЫХ МЕМБРАНАХ ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ЛИПИДОВ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 6, с. 843-848

АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА

УДК 534.8

ТЕПЛОВОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МОДЕЛЬНЫХ МЕМБРАНАХ ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ЛИПИДОВ

© 2007 г. А. А. Аносов1' 2, А. С. Казанский1' 3, Ю. А. Лесс2' 4, А. С. Шаракшанэ2' 5

1 Институт радиотехники и электроники РАН 125009 Москва, центр, ГСП-3, ул. Моховая, 11 2 Московская Медицинская Академия им. И.М. Сеченова 119992 Москва, ул. Б. Пироговская, 2/6 3 Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики

(технический университет) 119454 Москва, проспект Вернадского, 78 4 Московский педагогический государственный университет 119882 Москва, ул. Малая Пироговская, 1 5 Институт биохимической физики РАН 117997 Москва, ул. Косыгина, 4

E-mail: aanosov@atom.ru Поступила в редакцию 26.07.06 г.

Объектом исследования были модельные мембраны - многослойные липосомы из фосфолипидов: димиристоилфосфатидилхолина и дипальмитоилфосфатидилхолина. Измерено тепловое акустическое излучение в мегагерцовом диапазоне частот при фазовых переходах липидов из жидкокристаллического состояния в гель (при охлаждении) и, наоборот, из гель-состояния в жидкий кристалл (при нагреве суспензии липосом). При этом интенсивность теплового излучения менялась: увеличивалась при охлаждении и уменьшалась при нагреве. Показано, что это связано с повышением поглощения в липосомах при фазовом переходе.

PACS: 43.35.Fj, 64.70.Md

Измерения теплового акустического излучения в последнее время в значительной степени проводятся для получения информации о глубинной температуре биологических объектов [1-4]. Нам представляется также важным исследование теплового акустического излучения при различных процессах в биологических объектах. В качестве объекта исследования мы использовали модельные мембраны - многослойные липосомы -при фазовом переходе липидов. Подобная задача имеет практическое значение, которое связано с адресной доставкой лекарств с помощью липосом. Пациенту вводят лекарство, "закупоренное" в липосомальную оболочку, что безопасно для организма. Липосомы надо "развалить" (и тем самым вывести из них лекарство) в определенном месте - у пораженного органа. Это можно сделать, например, с помощью нагрева этого органа (и соответственно, липосом, которые в нем находятся) до температуры фазового перехода липидов, из которых сделаны липосомы [5]. При фазовом переходе происходит перестройка липидного бислоя, в нем появляются дефекты, и лекарство "выходит" из липосом наружу. Заметим, что при фазовых переходах липидов в модельных мембранах возрастает поглощение ультразвука [6], и

поэтому можно ожидать увеличения интенсивности теплового акустического излучения. С другой стороны, известно (см., например, [7]), что фазовые переходы в жидких кристаллах могут сопровождаться акустической эмиссией. Оба процесса ведут к усилению акустических сигналов.

Задача работы - измерить акустическое излучение при фазовых переходах липидов в модельных мембранах - многослойных липосомах и выяснить его причину.

В эксперименте использовали многослойные липосомы, приготовленные стандартным образом из сухих фосфолипидов димиристоилфосфатидилхолина (ДМФХ) и дипальмитоилфосфатидилхолина (ДПФХ) путем их встряхивания в дистиллированной воде. Концентрации ДМФХ и ДПФХ составляли соответственно 40 мг/мл и 25 мг/мл. В подобных условиях, как известно [8], температура фазового перехода ДМФХ составляет 24°С, а ДПФХ - 41.5°С. Энтальпия перехода (количество тепла, необходимое для осуществления перехода) составляет соответственно 6.5 и 8.7 ккал/моль. При понижении температуры мембраны в липосомах переходят из жидкокристаллического состояния в гель-состояние, при повы-

Рис. 1. Блок-схема измерительной установки: А - аквариум, АТ - акустотермометр, АЦП - аналогово-цифровой преобразователь, К - кювета, АП - апертура приемника.

шении температуры происходит обратный процесс. И в том, и в другом состояниях модельная мембрана остается двуслойной, т.е. состоит из двух слоев липидов. При этом гидрофильные части фосфолипидов и одного, и другого слоя ориентированы наружу, гидрофобные - друг на друга. При фазовом переходе меняется толщина мембраны (в гель-состоянии мембрана немного толще) и плотность упаковки молекул (площадь на одну молекулу на поверхности мембраны больше в жидкокристаллическом состоянии).

Акустическая схема эксперимента показана на рис. 1. Измерения проводили в аквариуме А размером 43 х 43 х 15 см3, заполненном водой. Приемник акустических сигналов - акустотермометр АТ, разработанный группой С.Н. Антонова и В.И. Миргородского [2] - имел следующие параметры: средняя частота приема - около 1.8 МГц, полоса пропускания - около 350 кГц, диаметр приемника - 9 мм. Сигнал усиливался и подавался на 12-ти разрядный АЦП с максимальной частотой дискретизации 30 МГц. Коэффициент потерь акустотермометра составлял около 2.5. Т.е. при увеличении интенсивности полезного сигнала (температуры исследуемого объекта) на 10% измеряемый сигнал возрастал на 4%. На акустической оси акустотермометра на расстоянии 4 см устанавливали исследуемый объект: кювету К с суспензией липосом из ДМФХ или из ДПФХ, с водой или с пластилином. Кювета представляла собой цилиндр длиной ё = 3.0 см и диаметром 2.2 см. Боковая поверхность цилиндра была пластмассовой, основания были сделаны из тонкой акустически прозрачной пленки - латекса. Размеры кюветы были подобраны так, чтобы апертура приемника АП полностью проходила сквозь кювету, не пересекая боковой поверхности. Кювету предварительно нагревали или охлаждали относительно аквариума на температуру Ат, после чего помещали в аквариум и проводили акустические измерения в течение 5 мин. За это время температура кюветы практически успевала сравняться с температурой аквариума, которую контролиро-

вали ртутным и электронным термометрами. Погрешность измерения температуры не превышала 0.3 К.

Акустотермометр измерял давление акустических волн, пришедших к приемнику из аквариума. Это шумовой сигнал, нормально распределенный относительно нуля. Определяемой величиной является квадрат давления. Для получения независимых отсчетов частота съема в 30 МГц избыточна. Достаточно использовать 400 кГц (эта величина определяется полосой пропускания акустотермометра).

Мы также провели измерения поглощения ультразвука суспензией липосом из ДПФХ и из ДМФх активным способом при разных температурах. Для этого в измерительную схему добавили пьезопреобразователь (на рис. 1 не показан), на который подавали гармонический сигнал частотой 1.8 МГц от генератора Г6-34. Сигнал из пьезопреобразователя проходил через кювету и регистрировался акустотермометром. Температуры кюветы и аквариума совпадали. Подобные измерения проводили и для кюветы с водой, что позволяло определить коэффициент пропускания сигнала для кюветы с суспензией липосом.

Вернемся к измерениям теплового излучения. Если квадрат измеряемого давления проградуи-ровать в градусах, то получится акустояркостная температура [1]. Для калибровки использовался пластилин - акустически черное тело. Полученная при этом акустояркостная температура определяется температурой пластилина. Для представления результатов удобнее использовать инкремент акустояркостной температуры АТА, который равен разности акустояркостной температуры кюветы и термодинамической температуры аквариума. Если в аквариум поместить нагретую кювету с веществом, поглощение которого не меняется, то по мере охлаждения кюветы сигнал Ата, максимальный вначале, будет постепенно спадать до нуля (в этот момент температуры кюветы и аквариума сравняются). Если в аквариум поместить такую же, но охлажденную кювету, то сигнал Ата, отрицательный вначале, будет постепенно нарастать до нуля (в этот момент температуры кюветы и аквариума сравняются). Если считать, что температура во всем объеме кюветы постоянна, то инкремент акустояркостной температуры определяется выражением [1]:

АТА = Ат[1 - ехр(-аё)], (1)

где Ат - разность температур кюветы и аквариума (эта величина в процессе эксперимента меняется со временем), а - коэффициент поглощения по интенсивности ультразвука веществом в кювете. Величина ехр(-аё) является коэффициентом пропускания, а выражение в квадратных скобках [1 - ехр(-аё)] удобно назвать "чернотой" кюветы. Если кювета содержит пластилин, то ее "черно-

та" равна единице, а инкремент акустояркостной температуры равен разности температур пластилина и воды в аквариуме. В другом крайнем случае, если кювета содержит слабопоглощающую жидкость, например, воду, то инкремент акустояркостной температуры близок к нулю.

Предположение, что при нагреве или охлаждении кюветы ее температура во всем объеме остается постоянной, требует комментария. На самом деле, температура в разных частях кюветы различна. В этом случае выражение (1) остается справедливым, но Ат становится эффективным параметром, который зависит от пространственного распределения температуры. Изменение температуры определяется теплопроводностью и конвекцией. Если учитывать только теплопроводность, то при решении одномерного уравнения теплопроводности методом Фурье возникает целый набор характерных времен релаксации тк = сРср/(к2п2Х), где к - натуральные числа, с = 4190 Дж/(кг град) - удельная теплоемкость воды (вкладом липосом в теплоемкость мы пренебрегли), р = 1000 кг/м3 - плотность воды, X = 0.6 Вт/(м град) - коэффициент теплопроводности воды. Расчеты показывают, что максимальное характерное время (при к = 1) составляет около 10 мин. В эксперименте период, за который инкремент температуры уменьшается вдвое, составляет около 1 мин. Это показывает, что основной вклад в изменение температуры (что естественно для жидкостей) вносит конвекция. Это, в свою очередь, позволяет считать инкремент температуры в кювете практически постоянным и равным параметру Ат в выражении (1).

Результаты калибровки показаны на рис. 2, где представлены временные зависимости 1-4 инкрементов акустояркостной температуры АТА в

единицах младшего разряда (ЕМР)1 для кювет с пластилином, которые нагревались и охлаждались в аквариуме при разны

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.

Показать целиком