Спосіб контролю біоактивного ультрафіолетового випромінювання

Предлагаемое изобретение относится к области физики и химии, в частности, к методам спектрального контроля кинетики фотохимических реакций, и может быть использовано в медицине и экологии для контроля УФ излучения солнца, обладающего биологической активностью (так называемой УФБ области солнечного спектра в диапазоне 280-315 нм), а также биоактивного УФ излучения ламп и лазеров. Биологическая активность УФ излучения имеет так позитивную (синтез витамина D, так и негативную стороны (эритема и фотостарение кожи, альтерация биомолекул и т.д.), что вызывает необходимость постоянного контроля УФБ излучения, которое составляет лишь малую часть (приблизительно 0,3%) глобальной солнечной радиации. Биоактивность УФ излучения существенно возрастает с уменьшением длины волны. Коротковолновая граница солнечного спектра у поверхности Земли испытывает смещения в зависимости от географической широты, сезона, времени суток. Кроме того, вследствие разрушения озонового слоя становится возможным проникновение более жесткого, коротковолнового УФ излучения (смещение в сторону коротких дайн волн). И, наоборот, загрязнение атмосферы таким образом, как диоксид серы, двуокись азота, препятствуют проникновению УФ солнечных лучей (длинноволновое смещение), необходимых для естественного синтеза жизненно важного витамина D в коже млекопитающих. Известен способ измерения биоактивного УФ солнечного излучения по индуцируемому им фототоку [1]. Для этого солнечное излучение собирается кварцевой полусферой, рассеивается тефлоновим диффузором и пропускается через интерференционный фильтр с целью выделения из глобальной солнечной радиации ее УФБ части. Пропущенное излучение с помощью флуоресцирующего экрана преобразуется в более длинноволновое, из которого выделяется участок спектра, оптимальный для возбуждения фототока в кремниевом фотодиоде. Затем фототок усиливается встроенным усилителем. Величина фототока пропорциональна интегральной интенсивности УФБ излучения. К недостаткам этого способа относится отсутствие спектральной чувствительности, коррелирующей с реальным биопроцессом, инициируемым УФ излучением; сложность и дороговизна устройств для выделения подлежащей измерению УФБ части солнечного спектра из глобальной солнечной радиации, а также необходимость периодически проводимой калибровки для получения достоверных значений абсолютной энергии УФ излучения. Известен способ контроля УФ излучения [1], выбранный прототипом, основанный на измерении степени потемнения полимерных пластинок из полисульфона и полифениленоксида вследствие фотодеградации при их экспонировании к УФ излучению. С помощью спектрофотометра регистрируют изменение оптической плотности на фиксированной длине волны (330нм) и определяют полученную дозу УФ излучения с помощью градуировочного графика. К недостаткам способа-прототипа относятся: - несоответствие спектра действия ни одному реальному биопроцессу, инициируемому УФ излучением, что необходимо для реализации способа в биодозиметрах; - невозможность выделения только биоактивного УФ излучения вследствие частичной протяженности спектра поглощения полимера в область более длинных волн, не обладающих биологической активностью (до 340 нм); - отсутствие спектральной чувствительности, что обусловлено изменением лишь одного параметра (степени фотодеградации) от дозы УФ излучения; - неспособность регистрировать смещение коротковолновой границы солнечного спектра, что особенно важно для контроля деградации озонового слоя а также для контроля загрязнений атмосферы. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является возможность экспрессного измерения только биоактивной части УФ излучения (без примеси света, не обладающего биологической активностью), коррелирующего с реальным биопроцессом в организме человека, возможность измерения не только интегральной дозы УФ излучения, но и его спектрального распределения (для ламповых источников), а также возможность восстановления спектрального положения коротковолновой границы солнечного излучения. Поставленная задача решается тем, что в способе контроля биоактивного УФ излучения, заключающемся в экспонировании к УФ свету фоточувствительных материалов, последующем измерении с помощью спектрофотометра изменения их оптической плотности на фиксированной длине волны и определения УФ дозы с помощью градуировочного графика, согласно изобретению, в качестве фоточувствительной среды выбирают оптически тонкий слой вещества класса стероидов со спектром поглощения в пределах биоактивного УФ излучения и многоканальным характером фотореакции, способным моделировать процесс фотосинтеза превитамина D In vitro; регистрируют спектр поглощения вещества до облучения; фиксируют экспозиции, после каждой из которых регистрируют спектры поглощения образующихся смесей фотопродуктов; определяют их концентрационный состав, с помощью оригинальной компьютерной программы, специально разработанной для проведения экспрессного спектрального анализа; по измеренным концентрационным кинетикам определяют полученную дозу и восстанавливают спектральное распределение инициирующего УФ излучения либо номографическим методом, либо решением обратной спектральной задачи. Известно что существующие способы контроля УФ излучения можно разделить на биологические и физические. В биологических методах в качестве фоточувствительной среды используют биообъекты (культуры вирусов, споры, микроорганизмы и т.п.). Для определения биоэффекта (выживаемости, способность к пролиферации) экспонированные к УФ излучению образцы затем подвергают специальной обработке. Поэтому к недостаткам биологических методов следует отнести отсутствие экспрессности. С другой стороны, в известных экспрессных физических методах контроля УФ излучения отсутствует корреляция с реальным биопроцессом, характерным для организма человека. Преимуществом предлагаемого способа, использующего модель in vitro реального биопроцесса и физический экспрессный метод регистрации, является синтез позитивных качеств биологического и физического методов. Далее, в известных способах реакция фоточувствительной среды на УФ излучение регистрируется по изменению лишь одного параметра (изменению прозрачности, величине фототока и т.п.), что недостаточно для измерения спектрального распределения УФ излучения. Важным отличительным свойством предлагаемого способа является наличие спектральной чувствительности. Это достигается тем, что контролируются дополнительные параметры - скорость фотораспада исходного вещества и концентрационный состав фотопродуктов. Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Фоточувствительные образцы, содержащие биомолекулы класса стероидов, чувствительные к УФ излучению (например, 7-дегидрохолестерин, эргостерин, люмистерин и др.) с концентрациями, обеспечивающими оптически тонкий слой в диапазоне длин волн 280-315 нм, экспонируют и количественно регистрируют изменения, происходящие вследствие фотореакции под действием УФ излучения. Для этого вначале регистрируют на спектрофотометре спектр поглощения необлученного образца. Затем облучают его искусственным или естественным УФ светом и после фиксированных экспозиций регистрируют спектры поглощения образующихся смесей фотопродуктов. Полученные спектры анализируют на персональном компьютере по оригинальной программе, специально разработанной нами для экспрессного определения концентрационного состава фотоизмерных смесей. Оригинальная программа расчета устраняет существенные недостатки известного ранее метода спектрофотометрического анализа фотоизмерных смесей провитамина D [8], а именно: появление в решениях не имеющих физического смысла отрицательных значений концентрации компонент, присутствующих в малых количествах, и невозможность учета деградации фотоизомерной смеси вследствие необратимых фотореакций. Для устранения вышеуказанных недостатков вычисляемые концентрации вводят в выражение оптической плотности в виде квадратов величин, а в минимизируемый функционал k 2 введено дополнительное слагаемое, - так называемая "штрафная функция", - контролирующая отличие суммарной концентрации основных четырех фотоизомеров от 100%. Поиск локального экстремума k 2 осуществляется одним из наиболее эффективных современных методов минимизации овражных функций - методом переменной метрики Флетчера [9]. Определив концентрацию оставшегося непревращенным исходного вещества после экспозиции к УФ излучению в течение времени dt, определяют интенсивность падающего потока на основании известной формулы [10] (dN/No)(1/dt) - kg(1/hv), где dN - концентрация вещества, прореагировавшего за время dt; No - исходная концентрация вещества; I - интенсивность падающего потока; k - молярный коэффициент поглощения; g - эффективность фотохимического превращения. Для восстановления спектрального распределения УФ излучения графически воспроизводят концентрационные кинетики по определенным после фиксированных экспозиций концентрациям. С привлечением дополнительного математического аппарата восстанавливают коротковолновый край солнечного спектра либо решением обратной спектральной задачи, либо сопоставлением с рассчитанными нами ранее кинетиками для разных спектральных положений коротковолновой границы солнечного спектра (номографический метод). Предлагаемый способ контроля биоактивного ультрафиолетового излучения может найти широкое применение: для повседневного контроля солнечного УФ излучения, способного инициировать биосинтез витамина D, для контроля спектрального положения коротковолновой границы солнечного спектра, зависящего от толщины озонового слоя, для дозиметрического контроля излучения искусственных источников света (ламп и лазеров), для независимого параллельного контроля УФ излучения в фотомедицинских исследованиях, для контроля дозы УФ облучения в соляриумах и физиотерапевтических кабинетах. Предложенный способ иллюстрируется следующими примерами его осуществления. Пример 1. Этанольные растворы провитамина D (C=2 10-3 моль/л) облучались в кварцевой спектрофотометрической кювете объемом 2 мл эксимерным ХеСІ лазером на длине волны 308 нм. После фиксированных экспозиций на спектральном приборе КСВУ-23 регистрировались спектр УФ поглощения исходного раствора и фотоизмеренных смесей, образуемых по мере экспонирования раствора к УФ излучению (Фиг.3). По разработанной оригинальной программе на персональном компьютере IBM РС/АТ286 произведен концентрационный анализ смесей и графически отображена экспериментально измеренная концентрационная кинетика (фиг.4). Полученная доза на основании концентрационной кинетики вычисляется по вышеприведенной формуле. Пример 2. Этанольные растворы провитамина D облучались в таких же условиях эритемной лампой ЭЛ30, имеющей максимум излучения на 313 нм (фиг.5). Спектр излучения лампы регистрировали на спектральном приборе КСВУ-23 в интервале 250-350 нм с шагом 1 нм. После нормировки полученное спектральное распределение 1(l) запоминалось. Спектр поглощения исходного раствора, а также спектры поглощения образуемых фотоизмеренных смесей после фиксированных экспозиций, регистрировались на приборе КСВУ-23 (фиг.6). Вычисление концентраций по измеренным спектрам производилось на компьютере АТ286 по оригинальной разработанной программе. Дополнительно фотоизмерные смеси анализировались обычным хроматографическим методом. Сравнение концентрационных кинетик полученных спектральным (фиг.7) и хроматографическим методами анализа [6] подтвердило адекватность разработанного экспрессного метода. Полученную дозу УФ излучения на основании измеренной концентрационной кинетики вычисляют по вышеприведенной формуле, модифицированной для источника с широким спектром излучения N - Noexp { gt/(l 2-l 1) d l l (l) k (l)}, где l 1 и l 2 - границы анализируемого участка спектра. 3. На основании литературных данных (7) построены спектральные распределения УФ солнечного излучения на коротковолновой границе, соответствующие январю, марту, маю и июлю, а также смоделированы коротковолновое смещение в случае озоновой дыры и длинноволновые смещения в случае загрязнений атмосферы различной степени (фиг.4). Для инициирующего излучения, соответствующего, этим случаям, рассчитаны концентрационные кинетики фоторазложения провитамина (Фиг.9) и накопления провитамина (фиг. 10). Они получены решением известной системы дифференциальных уравнений первого порядка, описывающих реакцию фотоизомеризации провитамина D (3). Видно, что в зависимости от спектрального положения коротковолновой границы меняется не только скоростью фотореакции, но и максимально достижимая концентрация образуемого превитамина. Этот пример показывает, что по измеренной кинетике фотореакции можно восстановить спектральное распределение на коротковолновой границе солнечного УФ излучения номографическим методом. Фиг.1 содержит схему многоканальной фотореакции синтеза превитамина D из провитамина D (Pro) или люмистерина (L) при УФ облучении: Ρ - превитамин D, Τ - тахистерин, Тох - продукты необратимых фотореакций превитамина, цифры у стрелок - квантовые эффективности соответствующих фотопревращений (3). На фиг.2 представлены спектры УФ поглощения основных четырех фотоизомеров (4); на фиг.3 трансформация УФ спектра поглощения провитамина D (1) по мере его монохроматического облучения эксимерным лазером на длине волны 308 им (5); на фиг.4 - измеренные методом спектрофотаметрического анализа соответствующие концентрационные кинетики; на фиг.5 - спектр излучения зрительной лампы ЭЛ-30; на фиг.6 - трансформация спектра УФ поглощения провитамина D (1) по мере облучения эритемной лампой; на фиг.7 - измеренные методом спектрофотометрического анализа соответствующие концентрационные кинетики (6):(1) - провитамин D, (2) - провитамин, (3) - тахистерин, (4) - люмистерин (5) - сумма их концентраций; на фиг.8 - спектральные распределения УФ излучения на коротковолновой границе солнечного спектра, соответствующие: (1) - озоновой "дыре", (2-5) сезонным смещениям (7), (6-8) - загрязнениям атмосферы различной степени; на фиг.9 - рассчитанные для этих случаев кинетики фоторазложения провитамина D; на фиг. 10 - рассчитанные кинетики накопления провитамина D до достижения его максимальных (отмеченных звездочкой) концентраций.