способ воздействия на процесс фоторегуляторной деятельности биообъектов и композиция для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ воздействия на фоторегуляторный процесс биообъектов путем облучения их световым потоком определенной импульсности, отличающийся тем, что световой поток создают путем прохождения света через материал, содержащий люминофоры, обладающие временами жизни люминесценции в интервале 10^-12 - 10 с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве люминофоров используют соединения, выбранные из группы соединений редкоземельных элементов, сурьмы, олова, марганца, бора, а также органических соединений и оксидов.

3. Композиция для люминесцирующего материала, содержащая основу и люминофоры, отличающаяся тем, что в качестве люминофоров она содержит соединения, выбранные из группы соединений редкоземельных элементов, сурьмы, олова, марганца, бора, а также органических соединений и оксидов с временами жизни люминесценции 10^-12 - 10 с в эффективном количестве 0,001-10 мас. %.

4. Композиция по п. 3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит соединения элементов выбранных из группы: висмут, иттрий, лантан, гадолиний, лютеций при массовом соотношении к люминофору (0,1 - 100): 1.

5. Композиция по пп. 3 и 4, отличающаяся тем, что в качестве основы она содержит полимер, выбранный из группы термопластичных или термореактивных полимеров.

6. Композиция по одному из пп. 3-5, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит фотостабилизатор, выбранный из группы: тинувины, диацетам-5, пемазол-П, химасорб-944.

7. Композиция по одному из пп. 3-6, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пластификатор, выбранный из группы: парафин, стеараты металлов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биофизике, конкретно к способам воздействия светом на определенные биологические структуры для стимулирования в них фотохимических реакций, и может быть использовано для стимулирования таких биологических процессов в растительных и животных организмах, как фотосинтез, зрение, фотореактивация, а также для реакций фотопериодизма, фототропизма, фототаксиса, фотоморфогенеза, фотодинеза.

Проблема биологического действия различных физико-химических факторов в сверхмалых дозах, в том числе терапевтическое влияние на живой организм низкоинтенсивного излучения с небольшой плотностью мощности светового потока (от долей до десятков мВт/см²) и кинетических характеристик этого потока, является на сегодняшний день одним из приоритетных направлений как в физиологии, так и в ботанике.

Трансформация энергии света в различных фотобиологических процессах включает такие стадии, как поглощение света в биоструктурах, миграция энергии и возбуждение фотоактивного хромофорного комплекса, фотофизический акт трансформации электронной энергии и разделение зарядов, а также развитие вызванных ими фотобиологических эффектов. И у млекопитающих, и у растений имеются сходные системы восприятия света, выполняющие регуляторные функции, основными особенностями фитохромной системы регуляции которых являются: высокая световая чувствительность; сопряженность системы с клеточными мембранами; контроль над синтезом ДНК и РНК, белка.

Известны эффекты воздействия низкоинтенсивного люминесцентного излучения на гемоглобин кровеносных сосудов кожи (М.М. Асимов, P.M. Асимов, Л.И. Рубинов. Ж. прикл. спектроскопии, т. 65, 6, 1998, с. 877-880), а также усиления биоэнергетических процессов в коже при стимулировании их с помощью низкоинтенсивного He-Ne лазера (С.М. Зубкова. Биологические науки, 7, 1978, с. 32-36).

Известно также, что на скорость синтеза нуклеиновых кислот культуры клеток HeLa большое влияние оказывает доза облучения, при этом для получения максимального эффекта доза должна составлять не более 10^-2 Дж/см², а плотность мощности светового потока не выше 1,25 мВт/см² (И.В. Булякова. Влияние излучения гелий-неонового лазера на рост и развитие новорожденных крысят. - Доклады Академии наук, 1998, т. 358, 1, с. 130).

Однако применение лазерных источников для осуществления подобного воздействия на метаболические процессы в организме имеет ряд недостатков: во-первых, как правило, не всегда удается добиться требуемых небольших плотностей мощности потока при одновременной чрезмерной монохроматизации, а во-вторых, требуется достаточно сложное и дорогостоящее оборудование, которое предполагает использование его в условиях стационара и обеспечивает, как правило, точечное воздействие на отдельные элементы биообъекта, что не всегда оправдано.

В фотосинтезирующих организмах световая энергия сначала поглощается окрашенными пигментами клеток (хлорофиллы, каратиноиды: -каротин, -каротин, лютеол, виолаксантол, фукоксантол, фикоэритрины, фикоцианины и др. ), затем транспортируется по ним, преобразуется в реакционных центрах в энергию разделенных зарядов, стабилизируется во времени для эффективного сопряжения с медленными биохимическими стадиями, продуцирует микротоки по цепям молекул-переносчиков в биомембранах и затем трансформируется на "биологический" уровень. Большая часть пигментов только поглощает свет и переносит энергию возбуждения в фотохимические центры. Во всех известных случаях первичный фотохимический процесс сводится к переносу электрона от хлорофилла на какой-либо электронный акцептор.

В настоящее время составлена так называемая Z-схема фотосинтеза, из которой следует, что эффективность транспорта энергии к реакционным центрам при различных стадиях фотосинтеза характеризуется определенными временами переноса, т. е. каждый фотохимический центр должен иметь определенное время для завершения процесса, поскольку каждая молекула находится в возбужденном состоянии определенное время, а значит и осуществлять фотохимический акт молекула может только время, характерное для такого возбуждения (Орт Д, Говинджи, Уитмарш Дж. и др. Фотосинтез. М.: Мир, т. 1, 1987, с. 728).

В световой стадии фотосинтеза различные этапы транспорта электронов характеризуются временами переноса от 1 пс до нескольких секунд. Например, окисление реакционного центра хлорофилла Р680 на первой стадии протекает за относительно короткое время (1 нс). Окисление и восстановление цитохромов - вторичных переносчиков электронов при фотосинтезе можно было регистрировать по изменениям поглощения света в диапазонах 400 - 430 нм и 550 - 560 нм за время порядка 1 мс. Время переноса энергии от хлорофилла-антенны к реакционным центрам равно 50-70 нс. Молекула СО₂ превращается в сахара в течение 0,01 с.

Установлено также влияние импульсности света на величину квантового выхода фотосинтеза хлореллы (Бородин В.Б., Вавилов М.Ю., Белл Л.Н. - Биофизика, т. XXVII, в. 2, 1983, 280-283 с.).

Достаточно хорошо изучено влияние спектрального состава и интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) на рост, развитие, направленность биосинтеза, фоторегуляцию и на другие процессы, влияющие на формирование наиболее важных составляющих биомассы растений. Однако показано, что в этих процессах эффективность использования фотосинтетически активного солнечного света не превышает 1% (Д. Холл, К. Рао. Фотосинтез. - М.: Мир, 1983, с. 96).

На сегодняшний момент актуальными задачами являются увеличение эффективности использования фотосинтетически активной части световой энергии и разработка новых способов интенсификации как продукционного процесса растений в целом, так и отдельных составляющих процесса фоторегуляторной деятельности биообъектов, например фотосинтеза, при широком варьировании спектральных характеристик (интенсивности и кинетики излучения) лучистого потока.

Широко распространен способ воздействия на фоторегуляторные процессы растений, при котором растения подвергают облучению лампами дневного света, удлиняя тем самым световой день (А. А. Тихомиров, Г.М. Лисовский, Ф.Я. Сидько. Спектральный состав света и продуктивность растений. - Новосибирск: Наука, 1991, с. 166).

Известен ряд способов воздействия на фоторегуляторную деятельность растений путем их выращивания в условиях облучения светом люминесцентных ламп, обеспечивающих определенный состав светового потока.

Например, для выращивания рассады с длительным циклом развития используют люминесцентную лампу низкого давления с люминофором, включающим 70-95 мас. % Y₂О₃:Eu,Тb с красным цветом свечения и 5-30 мас. % BaO₂MgO8Al₂O₃:Eu с синим цветом свечения (п. РФ 1677743, опубл. 15.09.91).

Известно использование нескольких люминесцентных ламп, дающих различный спектральный состав света в области ФАР для регулирования ростовых и фотосинтезирующих реакций при выращивании томатов (a.c. CCCP 1754021, опубл. БИ. 30, 1992).

Однако при использовании ламп дневного света и люминесцентных ламп расходуется большое количество электроэнергии, а кроме того, создается световой поток с достаточно широким частотным интервалом и значительно отличающийся по составу от солнечного света.

Наиболее близким к заявляемому является способ воздействия на процесс фоторегуляторной деятельности растений световым потоком, имеющим импульсный характер, который создают вспышками света, полученными с помощью механических приспособлений (Д. Холл, К. Рао. Фотосинтез. - М.: Мир, 1983, с. 29). Вспышки света, длительностью около одной миллисекунды (10^-3 с) получают, поставив на пути пучка постоянного света вращающийся диск со щелью, либо электрически заряжая конденсатор и разряжая его через вакуумную лампу. Используют для этого и лазеры.

Однако способ технически очень сложен в выполнении, требует расхода электроэнергии, а также не позволяет достичь необходимых небольших времен между вспышками.

Известна композиция па основе термопластичного полимера, содержащая смесь люминофоров, дающая световой поток, состав которого приближен к ФАР (п. РФ 2125069, опубл. 20.07.98).

Однако данная композиция из-за использования в ней соединений, обладающих низким коэффициентом преобразования солнечного света, особенно в области ФАР, недостаточно эффективна.

Действительно, все неорганические основы, в которые внедряются ионы активаторов, в известном решении имеют полосы поглощения в области длин волн 150-250 нм (Hoefraad H.E. J.Solid State chem., 1975, v.l5, р.175; Полуэктов Н. С. , Кононенко Л.И. Спектрофотометрические методы определения индивидуальных РЗЭ. 1968), отсутствующие в солнечном спектре. Поэтому композиция, предложенная для выращивания растений, является эффективным преобразователем излучения только в спектральном диапазоне 150-300 нм. В то же время она имеет крайне низкий коэффициент преобразования световой энергии в спектральном диапазоне >300 нм, т.к. в этом спектральном диапазоне все используемые в ней неорганические матрицы оптически прозрачны и поглощают лишь сами ионы активатора Eu²⁺, Еu (111), имеющие низкие коэффициенты экстинкции /=1-100/ (Полуэктов Н. С. Спектрофотометрические методы определения индивидуальных РЗЭ. Киев: Наукова думка, 1968, с. 169).

Кроме этого, используемый в композиции состав люминофоров мало совместим с полимерной основой, вследствие чего полученный материал малопрозрачен, обладает низкой прочностью и небольшими коэффициентами экстинкции, что приводит к неэффективному преобразованию солнечного света.

Следует также отметить, что кинетика свечения люминофоров в известной композиции находится в пределах 1-10² мкс и не совпадает с большинством временных характеристик Z-схемы транспорта электронов в световой стадии фотосинтеза, которые, как правило, составляют пикосекунды, наносекунды, секундные интервалы, а это в свою очередь также приводит к снижению эффективности использования ФАР (Орт Д, Говинджи, Уитмарш Дж. и др. Фотосинтез. М.: Мир, т .1, 1987, с. 728).

Известны композиции для получения пленок, содержащие в качестве активной добавки комплексные соединения европия на носителе (п. РФ 2047623, опубл. 10.11.95 г), комплексные соединения европия и комплексное соединение металла из группы Y, La, Bi, Tb, Lu, Gd (п. РФ 2036217, опубл. 27.05.95).

Однако использование в известных композициях в качестве люминофоров только соединений европия не закрывает всей области ФАР, что снижает эффективность транспорта электронов по светозависимым фотосистемам.

Наиболее близкой к заявляемой является композиция, содержащая соединение европия, выбранное из группы, включающей соль органических и неорганических кислот, одно или несколько соединений из класса -дикетонов и соединение из класса бидентантных азотистых гетероциклов или из ряда триалкил(арил)фофиноксидов (з.РФ 96119574/04, опубл. 27.11.98).

Однако данные композиции недостаточно эффективны, так как используемые для их создания соединения европия обладают временами жизни люминесценции в интервале 300 - 700 мкс и охватывают только небольшую часть временных стадий фотосинтеза, что снижает коэффициент использования солнечной энергии.

Технической задачей предлагаемого изобретения является интенсификация дифференцированного воздействия ФАР на различные стадии фоторегуляторного процесса за счет создания светового потока, обладающего заданной кинетикой свечения с временами жизни люминесценции, совпадающими с временами протекания тех стадий фоторегуляторного процесса, на которые направлено воздействие.

Поставленная задача достигается способом воздействия на процесс фоторегуляторной деятельности биообъектов световым потоком определенной (необходимой) интенсивности и импульсности, при котором световой поток создают путем прохождения света через материал, содержащий люминофоры, обладающие временами жизни люминесценции в интервале 10^-12 - 10 с.

Поставленная задача решается также композицией для осуществления способа, состоящей из основы и люминофоров, выбранных из группы соединений редкоземельных элементов, сурьмы, олова, марганца, бора, органических люминофоров, оксидов с временами жизни люминесценции 10^-12 - 10 с в эффективном количестве 0,001-10 мас.%.

Предложенное решение приводит к необходимому фотобиологическому низкоинтенсивному (менее 1 мВт/см²) импульсному преобразованию видимого света в широком диапазоне длин волн, а также к повышению коэффициента "усвояемости" видимого света за счет учета импульсного характера фоторегуляторных процессов.

Способ осуществляют следующим образом. Помещают выбранный биообъект (растение, клетку, микроорганизм, животное или человека) в место падения светового потока с определенными импульсными характеристиками либо помещают материал с нужными характеристиками светового потока на место воздействия и проводят облучение биообъекта в течение необходимого времени. При этом время определяется опытным путем. Материал, содержащий необходимые люминофоры и создающий заданный световой поток, представляет собой полимер (полиэтилен высокого давления - ПЭВД, полистирол, поливинилхлорид - ПВХ, полиметилметакрилат - ПММК, полипропилен, поликарбонат и др.), стекло, керамику и т.д. и может быть выполнен в виде пленки, пластины, плитки и т.д.

В качестве люминесцирующих соединений для создания светового потока с необходимыми характеристиками используют известные органические или неорганические соединения с временами жизни люминесценции от 10^-2 до 10 с. К таким соединениям относятся соединения европия и/или тербия, и/или диспрозия, и/или самария, и/или ниодима с хелатообразующими соединениями, а также некоторые соединения сурьмы, олова, бора, марганца, органические соединения, оксиды. Изменяя состав комплексов, подбирают люминофор, дающий не только необходимый набор частот падающего света, но и создающий необходимую кинетику высвечивания люминофора.

В качестве комплексных соединений РЗЭ используют соединения состава Ln_x(L)₃yDnН₂О, где Ln - Eu³⁺, Tb³⁺, Sm³⁺, Nd³⁺, (x=3-4, y=l,2, n=0-4), L - анионы органических и минеральных кислот, например бензойная (БК) и ее производные типа о-метоксибензойная (ББК), фталевая (Ф_т), терефталевая (ТФ_т), акриловая и ее производные, уксусная (Ас) и ее производные типа - трифторуксусная (ТФА), трихлор-, дифенилуксусные кислоты, капроновая (КАП) и ее производные, нафтойные кислоты (НФ), салициловая кислота, жирные кислоты алифатического ряда, хинолинкарбоновые кислоты, сорбиновые кислоты, ацилпиразолоны, поликарбоновые кислоты, сульфоновые кислоты, аминокислоты и т.д.; а также -дикетоны: ацетилацетон (АА), бензоилацетон (БА), дибензоилметан (ДБМ), трифторацетилацетон (ТФАА), бензоилтрифторацетон (БТФА), гексафторацетилацетон (ГФАА), теноилтрифторацетон (ТТА), фенилбензоилпиразолон (ФМБП), 2-ацетилдимедона (2-АД).

D-азот или кислородсодержащие нейтральные лиганды: 1,10-фенантролин (Phen), вода (Н₂О), диметилсульфоксид (ДМСО), дигексилсульфоксид (ДГСО), пиридин (П), 2,2-дипиридил (ДП), триоктилфосфиноксид (ТОФО), трифенилфосфиноксид (ТФФО), трибутилфосфиноксид (ТБФО), триэтиламин (ГЭА), диэтиламин (ДЭА), дифенилгуанидин (ДФГА) и другие.

В качестве органических соединений могут использоваться, например, некоторые органические кислоты (антраниловая, нафтойная кислоты и их производные), производные нафталимида, диимиды перилентетракарбоновой кислоты, тиоиндигоиды, пирозолоноиды, производные кумарина, порфирин и его производные, трифениламин и т. д., обладающие временами жизни люминесценции от единиц до нескольких десятков секунд и люминесцирующие в области ФАР.

Описанные соединения европия люминесцируют с длиной волны =612 нм, аналогичные соединения тербия люминесцируют с =550 нм, a Sm³⁺ и Dy³⁺ при =630-660 нм, 560-580 нм соответственно, Nd³⁺ при =800-1100 нм.

Для воздействия на фоторегуляторные процессы, протекающие в области 400 - 550, 660 - 800 нм с необходимой кинетикой высвечивания используют ранее не применявшиеся в качестве люминофоров соединения олова, бора, сурьмы, марганца общей формулы Q⁺ ₃[SbHal₆]^-, где Q - первичные, вторичные и третичные производные аминов; Hal - хлор, бром, иод и др. Они могут вводиться в композицию как самостоятельно, так и в смеси с РЗЭ-содержащими комплексами, органическими люминофорами и/или оксидами. При этом их соотношение при совместном использовании выбирают опытным путем, исходя из задачи получения интенсивной люминесценции в нужном диапазоне длин волн и фотоустойчивости системы с высоким коэффициентом экстинкции.

Вышеперечисленные соединения люминофоров представляют собой кристаллические порошки с температурой плавления выше 160^oС, растворимые в большинстве полярных и неполярных растворителях.

В качестве основы композиция может содержать термопластичные или термореактивные полимеры, стеклянную или керамическую шихту и т.д.

Материалы на основе заявляемой композиции имеют молярные коэффициенты экстинкции =10⁴-10⁵ в области ФАР (300 - 700 нм) и плотность мощности светового потока менее 1 мВт/см².

Введение в состав люминесцирующей композиции вышеприведенных соединений приводит к созданию материала, который позволяет повысить коэффициент преобразования видимого света в широком спектральном диапазоне длин волн, увеличить его фотоустойчивость люминесценции, а также варьируя составом композиции, оказывать влияние, например, на определенные стадии роста и развития растений. Кроме того, полная или частичная замена комплексного соединения европия на соединения таких элементов, как бор, олово, сурьма, марганец ведет к удешевлению заявляемой композиции.

Оптимальная концентрация люминесцирующих соединений в заявляемой композиции, определенная опытным путем, составляет 0,001 - 10 мас. %. Выход за заявляемые пределы приводит к ухудшению физико-механических свойств материала, а кроме того, при больших концентрациях наступает концентрационное тушение люминесценции, а при меньших - не достигается необходимой интенсивности люминесценции.

Для сенсибилизации интенсивности люминесценции редкоземельных ионов в состав композиции вводят соединения дополнительного металла, выбранного из ряда Bi, Y, La, Gd, Lu при их соотношении к люминофору, равном (0,1 - 100): 1, которое определили экспериментальным путем.

Для фотостабилизации полученного материала композиция может содержать агенты, выбранные из ряда тинувинов, диацетам-5, пемазол-П, химасорб-944 и другие, а в качестве пластификаторов - парафин, стеараты металлов и другие, уже применяющиеся для этой цели.

Использование для создания светового потока с необходимыми импульсными характеристиками материала определенного люминесцирующего состава приводит к получению низкоинтенсивного (менее 1 мВт/см²) излучения с заданной кинетикой свечения, при этом импульсная характеристика и состав светового потока, воздействующего на фоторегуляторный процесс, зависят от процесса, нуждающегося в коррекции, и создаются путем подбора такого состава композиции, который бы обеспечивал необходимые характеристики.

Например, композиция, содержащая Еu(Кор)₃3Н₂O+ВF₂(БА) создает световой поток в спектральных диапазонах 400-470; 610-630 нм и временами жизни люминесценции, равными 400 мкс и 1 нс, что интенсифицирует процессы фотосинтеза хлорофилла а, -каротина, лютеола.

Использование в заявляемом способе люминесцирующих композиций, обладающих различными временами жизни люминесценции, позволяет оказывать воздействие на заданную стадию фотосинтеза, поскольку известно, что для сбалансированного протекания жизненного цикла растения в зависимости от его вида и стадии развития необходим световой поток с определенными характеристиками.

Например, для усиления активного поглощения вспомогательных пигментов - каратиноидов в области 450-500 нм используют композицию, содержащую АНТ + Sm(БК)₃3Н₂О.

Сопоставительный анализ предлагаемой композиции с прототипом показывает, что заявляемые составы композиции отличаются от известных введением в состав композиции соединений сурьмы, олова, бора, марганца, обладающих кинетикой свечения от 100 нс до 1 мкс и позволяющих создать материал с коэффициентом преобразования видимого света в широком спектральном диапазоне длин волн, увеличить фотоустойчивость люминесценции, а также создать благоприятные условия для определенных стадий роста и развития растений.

На основе предлагаемой композиции возможно изготовление, например, полимерных пленок для выращивания растений в условиях теплиц. Для этого полимеры предварительно тщательно перемешивают с соответствующим количеством заявляемой композиции и далее получают пленку одним из известных методов, например экструзией или каландрованием.

Получаемые полимерные материалы по своим физико-механическим свойствам отвечают требованиям НТД. Так, для пленки на основе полиэтилена прочность при растяжении в продольном направлении составляет до 145 кгс/см, в поперечном - до 125 кгс/см, а относительное удлинение при разрыве в продольном направлении -250%, в поперечном - 300%, что удовлетворяет ГОСТ 10354-82.

Фотоустойчивость полимерного материала, полученного на основе заявленной композиции, в 1,2 - 1,8 раза выше фотоустойчивости полимерных материалов, активированных только европийсодержащими люминофорами и больше фотоустойчивости материалов, активированных неорганическими люминофорами.

Для исследования фотоустойчивости люминофоров образцы полимерных материалов были подвергнуты ускоренным лабораторным испытаниям в особо жестких условиях облучения ртутной лампой ДРТ-250 в течение 5-15 часов, что соответствует 120-360 дням нахождения пленки в условиях естественного солнечного облучения. Фотоустойчивость определяли как интегральную интенсивность люминесценции в относительных единицах после 10 час облучения. Интенсивность люминесценции измеряли на приборе "СДЛ-1". Прозрачность пленок в видимой области - на спектрофотометре М-40.

Пример 1.

Навеску полимерной композиции 100,0 г, содержащей 0,1 г люминесцирующего комплексного соединения Еu(NO₃)₃ 2Phen и 0,1 г Тв(NО₃)₃ 2ТФФО (соотношение 1: 1) и 99,8 г ПЭВД тщательно перемешивают, затем прессуют на лабораторном прессе при температуре 140^oС, охлаждают и получают пленку толщиной 100 мкм. Затем определяют интенсивность люминесценции и прозрачность пленки в видимой области спектра. После этого полученный образец облучают под лампой ДРТ-250 в течение 10 час и измеряют остаточную интенсивность люминесценции. Исходную интенсивность люминесценции пленки, активированной только соединением европия, до облучения принимают за 1 при концентрации активированной добавки равной общей концентрации обоих соединений.

Характеристики полученной пленки

Исходная интенсивность люминесценции - 1,2

Интенсивность люминесценции после 10 час облучения - 0,35

Коэффициент экстинкции () - 1,0

Характеристики пленки, активированной только Eu(NO₃)₃ 2Phen

Исходная интенсивность люминесценции - 1,0

Интенсивность люминесценции после 10 час облучения - 0,18

Коэффициент экстинкции () - 0,95

В таблице приведены примеры материалов на основе заявляемой композиции, приготовленных, как описано в примере 1. Приведены спектральные диапазоны, интенсивности люминесценции после 10 час облучения (фотоустойчивость), коэффициенты экстинкции, времена жизни люминесценции и указаны стадии фотосинтеза, на которые оказывает воздействие приведенный состав.

Таким образом, предложенный способ воздействия на процесс фоторегуляторной деятельности биообъектов и предложенная композиция для осуществления заявляемого способа создают наиболее комфортные условия жизнедеятельности светозависимых биообъектов, поскольку позволяют создать необходимый режим спектрального состава, импульсности и мощности, синхронный первичным фотопроцессам, протекающим в биообъектах.