Cпектроскопія та лазерна фотохімія провітаміну d (автореферат)

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ТЕРЕНЕЦЬКА ІРИНА ПАЛЛАДІЇВНА

УДК 541.141:621.375.826

Cпектроскопія та лазерна фотохімія провітаміну d

01. 04. 05 — оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню

доктора фізико-математичних наук

Київ 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики Національної Академії наук України

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Соскін Марат Самуїлович

Інститут фізики НАН України,

завідуючий відділом оптичної квантової електроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Ящук Валерій Миколайович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

завідуючий кафедрою експериментальної фізики

доктор фізико-математичних наук, професор

Харкянен Валерій Миколайович

Інститут фізики НАН України,

завідуючий відділом фізики біологічних систем

доктор фізико-математичних наук, професор

Фекешгазі Іштван Вінцеєвич

Інститут фізики напівпровідників імені В.Є.Лашкарьова НАН України,

завідуючий лабораторією нелінійних оптичних систем

Провідна установа: Інститут теоретичної фізики

імені М.М. Боголюбова НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “_23_ “ жовтня 2006 р. о 1430 на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 в Київському
національному

університеті імені Тараса Шевченка за адресою:

03680, м. Київ, проспект Академіка Глушкова 2, корп. 1, ауд. 200.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий ”_21_“ вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23,

доктор фізико-математичних наук, професор Поперенко Л.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Застосування лазерів до дослідження біологічних
процесів, що відбуваються в природі під дією сонячного випромінювання, є
важливим розділом лазерної фізики — актуальної області досліджень, яка
знаходиться на перетині ряду наукових дисциплін – оптики і
спектроскопії, хімічної фізики, біофізики і біохімії. Протягом останніх
трьох десятиліть перехід від використання лазерів з наносекундною
тривалістю імпульсу до піко- і фемтосекундного діапазону та розвиток
різноманітних методів лазерної спектроскопії спричинив відкриття
численних надшвидких фотохімічних реакцій, швидкість яких у деяких
випадках перевищує швидкість коливальної релаксації.

З цієї точки зору дослідження поширених в природі фотохімічних реакцій
органічних молекул з полієновим хромофором — від простих дієнів та
триєнів аж до зорового хромофору ретіналю, — що відбуваються із
синглетних збуджених станів, час життя яких не перевищує одиниць
пікосекунд, є надзвичайно актуальними. До числа таких біологічно
важливих реакцій належить і синтез вітаміну D1(, який відбувається в
рослинах і в шкірі людини під дією сонячної ультрафіолетової (УФ)
радіації (Рис.1).

Процес синтезу вітаміну D складається з двох основних стадій –
фотохімічної, на якій з провітаміну D утворюється превітамін D шляхом УФ
індукованого розкриття гексадієнового кільця, і термохімічної стадії, на
якій превітамін D пере-творюється у вітамін D шляхом
внутрішньомолекулярного переносу протона [1].

Дослідження розгалуженого ланцюга фотохімічних реакцій, що лежать в
основі синтезу вітаміну D, зіграли важливу роль в розвитку молекулярної
фотохімії. Протягом багатьох років вітамін D, створюваний самою
природою, його ізомери та їх характерні реакції є джерелом інформації
для розвитку нових ідей і продовжують бути відправною точкою для
фундаментальних досліджень аж до сьогодні. Особливо важливим є принцип
конформаційного контролю фотопродуктів [1,2], який пояснює
різноманітність фотоперетворень превітаміну D, згідно з яким геометрія
молекули (конформація триєнової системи р-електронів), що підлягає
фотоактивації, обумовлює структуру і стереохімію фотопродуктів.

Рис.1. Основні фото- і термореакції синтезу вітаміну D:

цифри біля стрілок – квантові виходи (() окремих фотоперетворень [1].

Завдяки низькому енергетичному бар’єру внутрішньомолекулярного
обертання навколо одинарного зв’язку С5-С6 конформери превітаміну D
знаходяться в динамічній рівновазі, а їх співвідношення визначається
будовою молекули (стеричний фактор) і взаємодією з оточенням
(температура, в’язкість, полярність розчинника). У той же час участь цих
конформерів в основних фотореакціях (рис.1) різна. Так, вважається [2],
що фотоциклізація Pre ? Pro, Pre ? L (а також термореакція Pre ? D)
відбувається при збудженні первинної cZc-Pre конформації превітаміну D,
тоді як цис-транс ізомеризація в тахістерин є найбільш ефективною з
розгорнутої конформації tZc-Pre (Рис.2).

Рис.2. Два пласких конформери превітаміну D.

При ламповому ініціюванні збудження молекул превітаміну D завжди
відбувається в конформаційно рівноважному стані. При ініціюванні ж
фотосинтезу превітаміну D короткими лазерними УФ імпульсами перед
дослідником виникає ціла низка запитань фундаментального характеру: яким
чином такий режим опромінення відіб’ється на кінетиці фотореакції? Чи
буде однаковим концентраційний склад фотопродуктів при одній і тій же
дозі опромінення та чи виконується при цьому закон взаємозамінності
Бунзена-Роско?

Тому дослідження динаміки встановлення конформаційної рівноваги
превітаміну D за умов збудження фотореакції короткотривалими
інтенсивними лазерними імпульсами і розробка адекватної математичної
моделі фотореакції, яка враховує специфіку інтенсивного лазерного
опромінення, також є актуальною задачею.

Незважаючи на те, що гексатриєновий хромофор превітаміну D є одним із
най-простіших полієнів, до цього часу все ще залишається невизначеним,
який із бага-тьох можливих каналів його фотоперетворень буде найбільш
ефективним. Це зу-мовлює актуальність пошуку шляхів цілеспрямованого
впливу на канали фоторе-акції як за рахунок властивостей ініціюючого
лазерного випромінювання, так і шля-хом впливу реакційного середовища на
конформаційний розподіл превітаміну D.

Застосування лазерів для ініціювання фотореакцій є важливим ще й з точки
зору оптимізації ряду фотохімічних процесів, які використовуються в
хімічній і фармацевтичній промисловості. Тому з появою лазерних джерел
УФ діапазону у 80-х роках минулого сторіччя з’явились роботи [3-6],
спрямовані на оптимізацію стадії фотосинтезу превітаміну D.

Головна практична проблема полягає в тому, що на стадії УФ опромінення
провітаміну D (рис.1) поряд з потрібним фотопродуктом — превітаміном D,
— туво-рюються продукти його побічних фотореакцій. Оскільки
співвідношення цільового й побічних фотопродуктів залежить від
спектрального складу УФ випромінювання, практично важливим завданням є
детальне дослідження цієї залежності від довжини хвилі ініціюючого
опромінення за допомогою перестроюваного лазера. Можна очікувати, що
таке дослідження буде корисним і для розробки УФ ламп з оптимальним
спектром випромінювання.

Крім того, актуальність теми дисертаційної роботи зумовлена ще й
нагальною екологічною проблемою вимірювання біологічно активної УФ
сонячної радіації тоді, коли витончення озонового шару призводить до
підвищення її інтенсивності на земній поверхні, а, з іншого боку,
зростання забруднення атмосфери стримує проникнення життєво важливої УФ
радіації в біосферу.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у
відділі оптичної квантової електроніки Інституту фізики НАН України в
рамках відомчих тем НАН України: “Розробка нових лазерних і
голографічних принципів керування параметрами когерентних світлових
пучків і розробка на їх основі спектроскопії збуджених середовищ і
лазерної метрології”, № держреєстрації 01840017277 (1984-1989);
“Динамічна голографія конденсованих середовищ і фізика перестроюваних
лазерів”, № держреєстрації 01900029482 (1990-1993); 1.4.1.В/55
“Динамічна голографія і лазерна фізика нелінійних середовищ та
біооб’єктів”, № держреєстрації 0194U024082 (1994-1997); 1.4.1.В/40
“Нелінійна лазерна динаміка оптичних вихорів, фоторефрактивних взаємодій
і біосистем”, № 01198U002138 (1998-2000); 1.4.1.В/66 “Фізична оптика
когерентних світлових полів, утворених за допомогою багатохвильових
взаємодій в нелінійних середовищах і біооб’єктах”, № 0101U000352
(2001-2003); 1.4.1.В/107 “Структура складних світлових полів і
світлоіндуковані процеси в конденсованому стані”, № 0104U003218
(2004-2006).

Робота була підтримана наступними проектами, виконаними під науковим
керівництвом автора: ДКНТ України №4/664 “Новий підхід до фотосинтезу
превітаміну D: від спектрального до конформаційного контролю
фотопродуктів” (1992-1993); Міжнародного наукового фонду U63000 и U63200
(разом з Урядом України) “Лазери в фотохімії провітаміну D:
конформаційні та спектральні ефекти” (1994-1996); Європейської комісії з
Програми DG12 “Розробка біологічних дозиметрів для моніторингу впливу
сонячної УФ радіації на біосферу та здоров’я людини”, шифр «BIODOS»
(1997-1998); УНТЦ Гр-50 “Eкологічний моніторинг біологічно активної
“антирахітної” сонячної УФ радіації в Kиєві і в Антарктиді та розробка
“ВітаD” біодозиметру” (2002 – 2005). Частина досліджень виконувалась в
рамках НДР з Ленінградським хім.-фарм. об’єднанням “Октябрь”: “Розробка
методу двоступеневого опромінення ергостерину в технології виробництва
вітаміну D2” (договір № 172/90-16а від 18.05.1990) та “Розробка
аналітичних методів контролю процесу фотосинтезу вітаміну D2” (договір №
270/91-16 від 07.12.1991).

Метою роботи є визначення закономірностей впливу параметрів лазерного
випромінювання (довжини хвилі, інтенсивності, тривалості імпульсу) на
фотофізичні та фотохімічні процеси в реакції фотосинтезу превітаміну D
для пошуку шляхів цілеспрямованого впливу на його конформаційний
розподіл та канали фотоперетворень у різних середовищах. Практична мета
роботи полягала у розробці методу спектрофотометричного аналізу
багатокомпонентної суміші фото-ізомерів провітаміну D з урахуванням її
фотодеградації, пошуку шляхів оптимізації стадії фотосинтезу превітаміну
D, а також розробці дозиметру біологічно активної сонячної УФ радіації
на основі фотосинтезу превітаміну D (in vitro).

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

1. Розробити метод спектрального концентраційного аналізу
багатокомпонентної суміші фотоізомерів для дослідження кінетики
фотореакції в реальному часі (розділ 2);

2. За допомогою перестроюваного лазера дослідити вплив довжини хвилі УФ
випромінювання на кінетику фотореакції і вихід фотопродуктів (розділ 3);

3. Дослідити вплив інтенсивності опромінювання на кінетику фотосинтезу
превітаміну D при ініціюванні пікосекундними лазерними імпульсами і
розробити адекватну математичну модель фотореакції (розділ 4);

4. Дослідити вплив реакційного середовища на конформаційну рівновагу
превітаміну D, ефективність каналів його фотоперетворень і механізм
фотореакції (розділ 5);

5. На основі даних, отриманих за допомогою перестроюваного лазеру,
визначити шляхи оптимізації стадії фотосинтезу в технології виробництва
вітаміну D з використанням лампових джерел УФ випромінювання різного
спектрального складу (розділ 6);

6. Дослідити можливості дозиметрії біологічно активної УФ радіації Сонця
та штучних джерел, використовуючи реакцію фотоізомеризації провітаміну D
in vitro (розділ 7).

Об’єктом дослідження є реакція фотосинтезу превітаміну D (in vitro), що
лежить в основі природного процесу синтезу вітаміну D.

Предмет дослідження — фотофізичні і фотохімічні процеси, які
відбуваються при лазерному ініціюванні фотосинтезу превітаміну D в
різних середовищах, та їх вплив на кінетику фотореакції і формування
кінцевих фотопродуктів.

Методи дослідження. В роботі експериментальні спектральні дослідження
кінетики фотореакції поєднувались з її математичним моделюванням за
допомогою системи кінетичних диференційних рівнянь, а також залучались
спрощені моделі, що наочно демонструють виявлення досліджуваних ефектів.
Абсорбційна УФ спектроскопія була основним методом слідкування за ходом
фотореакції, а для концентраційного спектрального аналізу було развинуто
оригінальний метод, який враховував незворотну фотодеградацію
утворюваної багатокомпонентної суміші фотоізомерів. Для дослідження
впливу довжини хвилі лазерного УФ випромінювання на кінетику фотореакції
було розвинуто методи прецизійного вимірювання довжини хвилі та
підвищення спектральної яскравості перестроюваних лазерів на розчинах
органічних барвників (ЛРОБ)

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше

1. На відміну від загальноприйнятого хроматографічного аналізу,
застосовано новий методологічний підхід до систематичних досліджень
кінетики фотоізомеризації провітаміну D в умовах імпульсного лазерного
опромінення, який полягає в поєднанні УФ абсорбційної спектроскопії з
математичним моделюванням кінетики фотореакції та застосуванні
спеціально розвинутого експресного спектрофотометричного аналізу сумішей
фотоізомерів вітаміну D із урахуванням їхньої фотодеградації.

2. При дослідженні впливу довжини хвилі опромінювання на кінетику
фотореакції виявлено новий спектральний ефект, а саме, різке підвищення
ефективності необоротного каналу, яким звичайно нехтували, при
опроміненні провітаміну D на червоному крилі його смуги поглинання
(л>300нм). Числовими розрахунками доведено неадекватність
загальноприйнятого фотостаціонарного наближення при ініціюванні
фотореакції в цій спектральній області та експериментально доведено
необхідність врахування фотодеградації фотоізомерної суміші при
концентраційному аналізі.

3. За допомогою теоретичного аналізу кінетики розгалужених фотореакцій з
конформаційно рухливим інтермедіатом виявлено залежність виходу кінцевих
фотопродуктів від інтенсивності опромінення, що пов’язано із збудженням
нерівно-важних конформерів. Експериментально встановлено, що таке
порушення закону взаємозамінності відбувається не за рахунок нелінійних
ефектів, а при більш низь-кій інтенсивності I << 1/уф, ніж потрібно для насичення поглинання (де ф ~ 10-13c – час життя збудженого синглетного стану провітаміну D, а у – переріз поглинання). 4. Виявлено вплив інтенсивності на квантові виходи і канали фотоперетворень превітаміну D внаслідок збудження його нерівноважних конформерів, і реалізовано конформаційно селективну фотохімію із суттєвим зниженням виходу побічного транс-ізомеру тахістерину при опроміненні провітаміну D з інтенсивністю I (1/((2, де (2 ( 125пс - час встановлення конформаційної рівноваги превітаміну D. 5. Спостережено нетривіальний ефект уповільнення фотоізомеризації провітаміну D зі зростанням інтенсивності опромінення в межах 1/(( > I
>1/((1, де (1 ( 5пс — час термалізації (коливальної релаксації)
утворюваного превітаміну D. При цьому збудження «гарячої» молекули
превітаміну D спричинює зростання імовірності зворотного замикання
гексадієнового кільця, що проявляється як ефект «молекулярної пам’яті».

6. Виявлено вплив реакційного середовища не тільки на ефективність, але
й на механізм цис-транс ізомеризації превітаміну D. Так, адсорбція на
поверхні кремнезему знижує її ефективність через зсув конформаційної
рівноваги превітаміну D. В той же час ефективність цис-транс
ізомеризації значно збільшується при розчиненні провітаміну D в
нематичному рідкому кристалі (РК), що зумовлено проявом її некласичного
(hula-twist) механізму.

Практичне значення отриманих результатів.

1. На основі проведеного аналізу деструктивного впливу необоротного
каналу в умовах лампового опромінення розчинів провітаміну D з високими
технологічними концентраціями (0,1-0,2%), видано практичні рекомендації
щодо зміни режиму опромінення, що дозволило суттєво знизити
фотодеградацію в умовах виробництва і підвищити вихід превітаміну D.

2. Вперше запропоновано нетрадиційне використання фоточутливих молекул
стероїдів для безконтактного методу фотоорієнтації нематичних рідких
кристалів, актуального в технології виробництва різноманітних
рідкокристалічних приладів.

3. Запропоновано і розроблено новий спектрально селективний метод
дозиметрії біологічно активної УФ радіації (D-дозиметр), в основу якого
закладено спектральний контроль фотосинтезу превітаміну D (in vitro), а
також шляхом розчинення провітаміну D в РК матриці розроблено
персональний біодозиметр УФ радіації з візуальною оцінкою поглинутої УФ
біодози.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, які включені до дисертації,
одержано за визначальної особистої участі здобувача. В роботах з
перестроюваних лазерів (1*-7*) автор приймав участь в експериментальних
вимірюваннях, інтер-претації отриманих результатів і підготовці
публікацій. Розробка спектральної методики досліджень з лазерного
ініціювання фотоізомеризації провітаміну D (8*-10*,12*-14*,28*,30*,47*)
належить автору, який особисто проводив всі спектральні вимірювання.
Постановка задачі спектрофотометричного концентраційного аналізу і
участь в розробці алгоритму програми (23*) належить автору. Розробка
адекват-них теоретичних моделей фотореакції (17*,18*,21*, 29*,40*)
проводилась за ініціа-тивою автора і його безпосередній участі.
Розрахунки кінетики фотореакції і її дослідження з метою оптимізації
лампової технології (19*-20*) виконані автором, а співавтори проводили
хроматографічний аналіз і виробничі випробування. Автору належить ідея і
постановка задачі досліджень фотореакції в гетерогенних середо-вищах
(11*,15*,22*,26*) і рідких кристалах (33*,35*,41*,43*-45*,53*-54*,56*),
які виконані аспірантами під його керівництвом. Автору належить ідея
дозиметрії біоактивного сонячного УФ випромінювання за допомогою
спектрального спосте-реження за кінетикою фотосинтезу превітаміну D
(23*,24*,31*,51*,55*), а також ідея рідкокристалічного персонального УФ
біодозиметру з візуальною оцінкою отриманої дози
(33*,37*,39*,42*,50*,52*), які досліджені в рамках наукових проектів під
керівництвом автора. Всі експерименти з тестування D-дозиметра
(32*,36*), опроміненню ексимерними лампами (38*) і лазерами (47*)
виконані автором особисто на обладнанні, наданому зарубіжними колегами.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації
доповідались і обговорювались на багатьох конференціях, симпозіумах і
нарадах, основні з яких вказані нижче: IV, V і VI Всесоюзні конференції
”Оптика лазеров”, Ленінград (1984, 1987, 1990); V і VI Всесоюзні наради
з фотохімії: Суздаль (1985), Новосибірськ (1989); Міжнародні конференції
з когерентної і нелінійної оптики: XIII КіНО’88, Мінськ і XIV КіНО’91,
Ленінград; VII Всесоюзна конференція із взаємодії оптичного
випромінювання з речовиною, Ленінград (1988); XVI, XVIII, XX IUPAC
Symposia on Photochemistry: Finland (1996), Germany (2000), Spain
(2004); International Conferences “Laser Applications in Life Sciences”:
Moscow (1990), Minsk (1994), Finland (1997), Lithuania (2002); 8th, 9th,
12th Vitamin D Workshops: France (1991), USA (1994), The Netherlands
(2003); SPIE Conference on Biomedical Optics, USA (1994); 15th
International Conference on Coherent and Nonlinear Optics ICONO’95,
Russia; International Conferences on Photochemistry: England (1995);
Poland (1997); Russia (2001), Japan (2003); 2nd International Workshop
on Biological UV-Dosimetry, Hungary (1996); European Conference on
Atmospheric UV Radiation, Finland (1998); International Conference
“Physics of Biologic Systems”, Ukraine (1998); International Conferences
“Biologic Effects of Light”: Switzerland (1999), USA (2001);
International Conferences on Liquid Crystals: United Kingdom (2002),
Slovenia (2004); Міжнародні конференції з атмосферної радіації:
МСАР-2002, MCAP-2004, Росія; 2nd International Congress on Ultraviolet
Technologies, Austria (2003); International Congress on Biometeorology,
Germany (2005).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 51
статті у фахових наукових виданнях, багатьох тезах міжнародних
конференцій, одному авторському свідоцтві і двох патентах України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 7
розділів та висновків обсягом 308 сторінок, містить 129 рисунків і 19
таблиць. Перелік використаної літератури включає 258 найменувань і
займає 24 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі міститься загальний огляд теми дослідження, обґрунтовано її
актуальність, сформульовано мету та задачі досліджень, відображено
новизну, наукове і практичне значення отриманих результатів, методи
досліджень, зв’язок роботи з науковими темами, особистий внесок
здобувача у вирішення проблеми, а також коротко наведено зміст розділів
дисертації.

В першому розділі відображено сучасні уявлення про механізми
фотохімічних реакцій на основі розгляду багатомірних поверхонь
електронної потенціальної енергії в основному S0 і збудженому S1 станах
в залежності від ядерних координат. Систематичні дослідження
молекулярних деформацій показали, що поверхні S1 і S0 в багатьох
випадках мають реальні перетини з розмірністю (n-2) в формі
перевернутого конуса. Саме наявність конічних перетинів (КП), які
досягаються без суттєвих бар’єрів, забезпечує неперервну траєкторію
молекули з S1 в S0 та може пояснити надшвидкі фотореакції (піко- і
фемтосекундного діапазону) та внутрішню конверсію. Крім того, КП також
діє як точка розгалуження траєкторії відносно декількох реакційних
каналів з формуванням різноманітних фотопродуктів [7].

Застосування лазерних джерел світла відкриває нові можливості керування
хімічними реакціями. Поєднання таких властивостей лазерного
випромінювання, як висока інтенсивність, монохроматичність, поляризація,
когерентність, перестроюваність частоти дозволяє впливати на швидкості і
перерізи фотореакцій. З іншого боку, лазери дозволяють детектувати та
ідентифікувати продукти реакції і аналізувати їх внутрішній стан з
надзвичайно високою чутливістю.

Багаторічні дослідження фотоізомеризації провітаміну D [1] виявили
суттєву залежність концентраційного складу фотоізомерної суміші,
утворюваної при УФ опроміненні провітаміну D, від довжини хвилі. Це
демонструє рис.3, на якому приведено кінетики фотореакції, розраховані
за допомогою системи кінетичних диференційних рівнянь [8] для двох
різних довжин хвиль.

Тому перші роботи з лазерного ініціювання фотоізомеризації провітаміну D
[3-5], які з’явились на початку 80-х років минулого століття, мали на
меті підвищення виходу превітаміну саме завдяки вибору довжини хвилі та
режиму лазерного опромінювання.

Рис.3. Розраховані кінетики фотоізомеризації провітаміну D при
опроміненні на довжині хвилі 254 нм (а) і 295 нм (б). (Позначення див.
Рис.1).

Але цим роботам, на нашу думку, притаманний ряд недоліків. Так, в усіх
роботах автори нехтували наявністю слабкого ((=0.039) необоротного
каналу фотоперетворень Pre?Tox [9], тобто при концентраційному аналізі
сумма концентрацій 4-х основних фотоізомерів завжди вважалась рівною
100%. Саме за таких умов було виявлено [5] різку (dramatic) зміну
розрахованого квантового виходу Pre?L в межах вузького спектрального
діапазону 300-305нм. При порівнянні результатів робіт [3,5] незрозумілою
є значна відмінність складу сумішей при опроміненні різними типами
лазерів на близьких довжинах хвиль 305 і 308 нм, при цьому, однак,
автори вказують тільки середню енергію лазерних імпульсів, тоді як
важливою є густина потужності (інтенсивність) в опромінюваному об’ємі.
Ще одним недоліком можна вважати те, що при дослідженні співвідношення
Pre/T в залежності від тривалості лазерного імпульсу в роботі [5] велика
різниця в інтенсивності піко- і наносекундного випромінювання залишилась
поза увагою авторів, а в запропонованій моделі не враховувалась
конформаційна рухливість молекул превітаміну D. Ці недоліки було
враховано при виконанні систематичних досліджень в рамках дисертаційної
роботи.

Другий розділ носить методичний характер. Він містить відомості про
розроблені способи підвищення спектральної яскравості випромінювання
імпульсних ЛРОБ шляхом переключення добротності зв’язаних резонаторів
[1*,4*,6*] та прецизійного електронного перестроювання довжини хвилі
випромінювання ЛРОБ за допомогою акустооптичного дефлектора на кристалі
TeO2 [2*,5*,7*]. При цьому керування довжиною хвилі генерації шляхом
зміни частоти f високочастотного генератора, який живить акустооптичну
комірку, дозволяє синтезувати спектр випромінювання лазера, структура
якого корелює з особливостями спектра поглинання досліджуваної речовини
і, таким чином, імітує спектральну маску при кореляційному спектральному
аналізі багатокомпонентних сумішей [3*].

Однак, відсутність характерної структури в спектрах поглинання
фотоізомерів провітаміну D унеможливлює застосування кореляційного
аналізу суміші фотоізомерів вітаміну D. Як правило, з цією метою
застосовують хроматографічний аналіз (HPLC), недоліком якого є значні
витрати часу, пов’язані з необхідністю маніпуляцій з розчином.

На нашу думку, незважаючи на те, що спектри поглинання основних 4-х
фотоізомерів перекриваються в одному спектральному діапазоні
(рис.4), якісні висновки щодо кінетики

Рис.4. Спектри поглинання основних 4-х фотоізомерів: Pro — провітамін
D, Pre — превітамін D, T – тахістерин, L — люмістерин

фотореакції та формування основних фотопродуктів можна робити на основі
спостережень за зміною УФ спектру поглинання розчину провітаміну D в
процесі УФ опромінення. Очевидно, що накопичення тахістерину повинно
супроводжуватись поміт-ним зростанням оптичної густини (ОГ). В той же
час наслідком переважного накопичення превітаміну D буде зниження ОГ на
л = 282нм і зростання на л = 260нм, яка відповідає максиму-му поглинання
превітаміну D. Стабілізація спектру протягом деякого періоду УФ
опромінювання свідчить про встановлення динамічної рівноваги поміж
основними фотоізомерами, так званого фотостаціонарного стану, а наступне
зниження ОГ на стадії “переопромінення” зумовлено необоротними
фотоперетвореннями превітаміну в токсистерини Pre?Тох (оскільки їх
спектр поглинання є зсунутим в короткохвильову область по відношенню до
спектрів основних фотоізомерів Pro, Pre, T і L).

Для кількісного аналізу суміші фотоізомерів вітаміну D
спектрофотометричний метод з використанням методу найменших квадратів
вперше було запропоновано в роботі [10] без урахування незворотної
фотодеградації суміші фотоізомерів. Тобто сумарна процентна частка
фотопродуктів, які утворювалися при УФ опроміненні, по відношенню до
концентрації вихідного провітаміну D завжди приймалася рівною 100%.
Додатковим недоліком [10] була систематична поява від’ємних концентрацій
компонентів, присутніх в малій кількості, або відсутніх зовсім, що не
має фізичного сенсу.

Тому в розвинутому нами спектрофотометричному аналізі [23*] обчислювані
концентрації Ci вже входили у вираз оптичної густини у вигляді квадратів
величин Ci = чi2 (i = 1,2,3,4). Значення чi визначались як такі, що
надають мінімум функціоналу

, (2.1)

де перший доданок – звичайний статистичний критерій, який визначається
середньо-квадратичним відхиленням обчислюваних та виміряних оптичних
густин сумішей, що аналізуються, при N значеннях л:

— обчислювана оптична густина на цій же довжині хвилі лj:

, так звану “штрафну” функцію:

.

(2.4)

“Штрафна” функція контролює відмінність сумарної концентрації 4-х
основних фотоізомерів від одиниці (100%) в межах невизначеності ?с << 1, тобто при суттєвому зменшенні їх сумарної концентрації внаслідок фотодеградації досягнення мінімального значення функціонала (2.1) стає неможливим в заданому інтервалі довжин хвиль. Тестування розробленого методу аналізу включало в себе перевірку його адекватності шляхом порівняння з результатами хроматографічного аналізу, а також відтворюваності і стійкості результатів аналізу по відношенню до початкових умов [20*,34*]. Розкид вимірюваних концентрацій Pre і T не перевищував ± 1,5%, а для люмістерину і провітаміну D він був вищим (до 4%), що зумовлено подібністю спектрів поглинання Pro і L (див. рис.4). У третьому розділі наведено результати досліджень кінетики фотоізомеризації провітаміну D в умовах наносекундного лазерного опромінення другою гармонікою ЛРОБ в широкому спектральному діапазоні 260_305нм, а також ексимерними KrF і XeCl лазерами, які генерують на ( = 248нм і ( = 308нм. Розчин 7-дегідрохолестерину (7-ДГХ, провітаміну D3) в етанолі (С = 10-5моль/л) опромінювався в кварцевій кюветі товщиною 1см. Перед опроміненням для видалення кисню через розчин борботували аргон, потім кювету герметизували. В процесі опромінення розчин перемішу-вався магнітною мішалкою. Потужність лазерного випромінювання контролювалась приладом ІМО-2. Для спостереження за ходом фотореакції перед початком опромінення і після фіксованих доз реєструвались УФ спектри поглинання на приладі “Specord UV-VIS”. Рис.5. Трансформація спектру поглинання розчину 7-ДГХ (1) при опроміненні XeCl лазером протягом 0,5хв. (2), 1хв. (3), 1,5хв. (4), 2хв. (5), 2,5хв. (6), 3хв. (7), 3,5хв. (8), 4хв. (9), 5хв. (10), 5хв. (11), 6хв. (12), 8хв. (13), 10хв. (14), 12хв. (15) і 16хв. (16). Перший же експеримент з опроміненням ексимерним XeCl лазером (л = 308 нм, Рср ~ 300 мВт, фімп ~15 нс, f = 20 Гц) і спостере-женням за трансформацією спектра 7-ДГХ виявив неочікувані особи-вості (Рис.5): із зростанням дози опромінення не спостерігалось стабілізації УФ спектра, характерної для фотостаціонарного стану [9*,10*], а падіння оптичної густини в області поглинання 7-ДГХ з одночасним її зростанням в короткохвильовій області на л=252нм свідчило про необоротне перство-рення вихідного 7-ДГХ в фото-продукт, відмінний від основних 4-х фотоізомерів (порівняти спектр 16 на рис.5 із спектрами рис.4). Непричетність двоквантових процесів до незвичайної кінетики фотоізомеризації 7-ДГХ було доведено при варіюванні інтенсивності лазерного випромінювання в діапазоні 102ч108 Вт/см2. З іншого боку, опромінення розчину 7-ДГХ за допомогою перестроюваного ЛРОБ із інтенсивністю 104ч106 Вт/см2 виявило суттєву різницю в кінетиці фотореакції в залежності від довжини хвилі. При збудженні в межах 248_295нм фотореакція відбувалась в повній відповідності до традиційної схеми, тоді як при збудженні на довгохвильовому краю (л>305нм) спостерігався “аномальний” хід
фотореакції без встановлення фотостаціонарного стану.

Як довів теоретичний аналіз, основною причиною зростання ефективності
необоротного каналу є перерозподіл співвідношення коефіцієнтів
поглинання Pro і Pre з довгохвильового боку від точки їх перетину на
л=300нм (див. рис.4), внаслідок чого різко зростає швидкість необоротних
фотореакцій Рre?Тох по відношенню до швидкості утворення превітаміну D
(Рrо? Рre) (Рис.6).

Рис.6. Розрахована спектральна залежність швидкості необоротних
фотореакцій Рre?Тох відносно швидкості утворення превітаміну Рrо?Рre.

Цей висновок підтверджують чисельні розрахунки кінетики фотореакції при
опроміненні на довжинах хвиль лопр= 295нм і 308нм, проведені за двома
схемами: одна включає тільки оборотні фотореакції, а друга доповнена
каналом необоротних фотоперетворень Рre? Тох і описується наведеною
нижче системою рівнянь [13*,14*].

3.1)

3.2)

3.3)

3.4)

3.5)

Тут Ni(t) – концентрації фотоізомерів, i = 1…5 відповідає Pro, Pre, T, L
і Tox, fkj – передаточна функція (в сек-1): fkj = 0.38·10-20(a(kjеj(л),
де Ца – густина падаючого потоку фотонів (фотон /см2с); цkj – квантовий
вихід перетворення j?k, і еj(л) – молярний показник поглинання
фотоізомеру (j) на довжині хвилі л. Розраховані кінетики приведено на
рис.7.

Рис.7. Розрахована кінетика без урахування каналу Pre ? Tox при
лопр=295нм (а) і лопр=308нм (б) і з його врахуванням (в) і (г)
відповідно. Sum – сумарна концентрація: Sum = [Pro] + [Pre] + [T] + [L].

Із співставлення рис.7а) і б) з в) і г) очевидним є слабкий вплив
необоротного каналу Рre?Тох при опроміненні на 295нм. Однак, для лопр=
308нм врахування реакцій Рre?Тох кардинально змінює кінетику
фотореакції: швидке зменшення сумарної концентрації 4-х фотоізомерів
(Sum) внаслідок накопичення токси-стеринів починається з самої
ранньої стадії фотолізу, внаслідок чого суттєво (майже в два рази)
знижується максимальна концентрація Рre і Т, а сумарна концентрація 4-х
основних фотоізомерів у цей момент зменшується майже до 80%!

Результати цих розрахунків було експерименттально підтверджено (Рис.8)
при опроміненні розчину 7-ДГХ в етанолі XeCl лазером (л=308нм,
(імп=16нс) з інтенсивністю ~ 3.5·106 Вт/см2 [47*] і, таким чином,
було доведено, що існуюче

Рис.8. Кінетика фотоізомеризації 7-ДГХ в етанолі при опроміненні XeCl
лазером.

уявлення про несуттєвість необоротного каналу є хибним при
довгохвильовому опроміненні, і використання схеми фотореакції, яка
містить тільки оборотні фотоперетворення, і концен-траційного аналізу,
який не враховує фото-деградацію суміші основних 4-х фотоізомерів, є
некоректним. На нашу думку, саме неадекватний концентраційний аналіз і є
причиною виявлених в роботі [5] “драматичних змін” квантових виходів в
області 300_305нм, розрахованих за виміряними концентраціями.

У розділі 4 приведено результати досліджень кінетики фотореакції при
високоінтенсивному пікосекундному лазерному опроміненні, оскільки, як
відомо, інтенсивність ініціюючого випромінювання відноситься до числа
факторів, які контролюють канали фотохімічних реакцій. Відомо, що при
інтенсивному лазерному опроміненні внаслідок двоступеневого поглинання
з’являються нові канали фотоперетворень з високозбуджених станів, які
приводять до появи нетрадиційних фотопродуктів. В цьому випадку,
змінюючи єдиний параметр — інтенсивність опромінення, можна стимулювати
якісно різні типи фотоперетворень і селективно утворювати фотохімічні
продукти з високим квантовим виходом.

Нами на прикладі простої моделі розгалуженої фотореакції з конформаційно
рухливим проміжним фотопродуктом (Рис.9) проаналізовано вплив
інтенсивності на вихід кінцевих фо топродуктів [21*]. Поглинання
світла переводить молекули

Рис.9. Модель фотореакції з конформаційно рухливим проміж- ним
фотопродуктом: А – вихідна молекула, В1 і В2 – дві конформації
проміжного фотопродукту В, C і D – кінцеві фотопродукти.

А, В1 і В2 в електронно збуджені стани зі швидкістю, пропорційною
відповідним перерізам поглинання уi,см2 і густині потоку фотонів
n,фотон·cм-2с-1. Релаксація збуджених молекул відбувається або в
основний вихідний стан з константами ki,c-1, або в основний стан
фотоізомеру з константами гi, c-1, при цьому зi = гi / (ki + гi) _
квантова ефективність фотохімічної реакції. Оборотні темнові
перетворення конформерів В1?В2 характеризуються константами q+ і q-
(с-1), при цьому важливо, що q+ і q- << гi, ki [11]. Розв’занням відповідної системи рівнянь отримано наступний вираз для відношення концентрацій кінцевих фотопродуктів с і d в межі t? ?: . (4.1) З (4.1) виходить, що, в залежності від інтенсивності опромінення n можна виділити два граничних випадки. При низький інтенсивності співвідношення концентрацій c і d не залежить від інтенсивності, а якщо інтенсивність висока, то відношення концентрацій кінцевих фотопродуктів c і d є пропорційним до інтенсивності і стає тим більшим, чим більшою є швидкість збудження первинного конформеру В1 у порівнянні зі швидкістю його темнового перетворення в В2 : . (4.2) Цей висновок є важливим для органічного синтезу, оскільки відкриває можливість підвищення виходу кінцевого фотопродукту С, вихід якого при ламповому опроміненні є низьким внаслідок низької імовірності стерично напруженої конформаціі В1 в рівноважному конформаційному розподілі.. Оцінки показують, що для типових значень у = 10–17 см2 і констант конформаційних переходів q = 1010с-1 [12] необхідної інтенсивності (густини потоку фотонів) n>1027фотон·см-2с-1 можна досягти при
пікосекундному лазерному опроміненні. При цьому імовірність
двоступеневого збудження буде незначною, оскільки швидкості релаксації
збуджених станів суттєво перевищують швидкості конформаційних
перетворень [12].

Експериментальні дослідження впливу інтенсивності на кінетику
фотоізомеризації 7-ДГХ при її ініціюванні пікосекундними лазерними
імпульсами виконувались в Інституті спектроскопії РАН. Джерелом
високоінтенсивного УФ випромінювання був YAG:Nd3+-лазер з перетворенням
частоти генерації в четверту гармоніку (л = 266 нм), тривалістю
імпульсу ~23пс при частоті повторення 1Гц і середній енергії в імпульсі
~1ч2 мДж. В процесі опромінення енергія кожного лазерного імпульса
вимірювалась каліброваним піроелектричним фотоприймачем, до якого
відводилась частина світлового пучка і сигнал з якого потрапляв на
цифровий осцилограф С9-8, з’єднаний з комп’ютером для контролю заданої
дози. Зміна інтенсивності лазерного випромінювання в об’ємі розчину
відбувалась за допомогою довгофокусної кварцевої лінзи (F =102 см), при
цьому варіювання розміру світлової плями на передній стінці кювети від
0.3 до 0.003 см2 і застосуванні ослаблюючих фільтрів дозволяло змінювати
інтенсивність опромінення в межах 1011ч1014 Вт/м2.

Розчини 7-ДГХ в етанолі (V=2 см3, С=5.10-5 моль/л) опромінювались в
герметизованих кварцевих кюветах товщиною 1см. Перед опроміненням
розчини борботувались аргоном і в процесі опромінення ефективно
перемішувались завдяки вібрації від звукового генератора з частотою
~20Гц. Періодично після опромінення заданими дозами (100-200мДж) кювету
з розчином переносили для реєстрації УФ спектрів поглинання на
спектрофотометрі “Specord М400”. Було проведено декілька серій таких
експериментів з різною інтенсивністю ініціюючого випромінювання.

Як згадувалось раніше, при короткохвильовому УФ опроміненні
накопичується значна кількість тахістерину, що приводить до підвищення
оптичної густини зразка з часом опромінення аж до досягнення
фотостаціонарного стану. Перші ж експерименти [12*] виявили суттєву
залежність максимального приросту оптичної густини від інтенсивності при
однаковій дозі лазерного опромінення (Рис.10).

Рис.10. Трансформація спектра поглинання розчину 7-ДГХ до (1) і після
лазерного опромінення дозами: 100 (2), 200 (3), 400 (4), 600 (5) и
800мДж (6) з інтенсивністю 1.3.1012 Вт/м2 (а) і 6.1013 Вт/м2 (б).

Зниження приросту оптичної густини при більш високій інтенсивності
опромінення посередньо свідчить про зниження накопичення тахистерину, що
узгоджується з результатом роботи [5], проте, не знаходить пояснення в
рамках запропонованої там моделі. З урахуванням послідовності процесів,
що відбуваються при розкритті гексадієнового кільця [11], нами було
запропоновано і проаналізовано модель [29*], яка враховує конформаційну
рухливість молекули превітаміну D, пояснює отриманий нами результат і не
протирічить результатам роботи [5]. Розкриття гексадієнового кільця Pro
відбувається у збудженому електронному стані 2А1 (Рис.11), і
молекула Pre утворюється в коливально-збудженому основному стані.
Первинна конформація cZc-Pre з’являється через ф1=5.2пс [12], а потім
шляхом внутрішньомолекулярного обертання навколо зв’язку С5-С6
встановлюється конформаційна рівновага Pre протягом часу ф2 = 125пс.

Рис.11. Енергетична діаграма фотореакції Pro?Pre і послідовної
конформаційної релаксації молекули превітаміну D.

Виходячи із схеми на рис.11 з урахуванням умови насичення поглинання I
> (уф)-1, можна очікувати, що при опроміненні Pro лазерними імпульсами
тривалістю фімп (ф1<фімп<ф2) в міру підвищення інтенсивності опромінення I спочатку буде зростати імовірність збудження нерівноважних конформерів новоутворюваних молекул Pre, в той час як для двоступеневого збудження Prо потрібна більш висока інтенсивність. А оскільки цис-транс ізомеризація найбільш ефективна із tZc-Pre конформеру [6], то, підвищуючи інтенсивність опромінення можна суттєво знизити вихід тахістерину за рахунок переважного збудження cZc-Pre конформерів. Модельні розрахунки [21*] і наступні експерименти [28*] підтвердили це припущення, що демонструє Рис.12. Неважко побачити, що з більш високою інтенсивністю опромінення накопичення T суттєво зменшується, однак, максимально досяжна концентрація Pre збільшується не так помітно, як передбачали чисельні розрахунки. В той же час спостерігається новий непередбачуваний ефект суттєвого сповільнення розпаду Prо. Рис.12. Концентраційна кінетика при лазерному опроміненні 7-ДГХ в етанолі з інтенсивністю 1.3.1012Вт/м2 (а) і 6.1013Вт/м2 (б). Одна з гіпотез, яка могла б пояснити цей ефект, припускає можливість виникнення наведеного поглинання етанолу під час високоінтенсивного опромінення. Як результат, ефективне число фотонів, що впливають на молекули 7-ДГХ, може суттєво зменшитися (за рахунок поглинання розчинником), наслідком чого і буде спостережене уповільнення фотореакції. Для перевірки цієї гіпотези було досліджено залежність пропускання етанолу і розчину 7-ДГХ від інтенсивності лазерного випромінювання в кюветах різної товщини (рис.13). Рис.13. Залежність пропускання (Т,%) етанолу (а) в кюветах товщиною 1 (1), 2 (2), 5 (3) і 10мм (4) і розчину 7-ДГХ (б) в кюветах товщиною 1 мм (С = 5·10-4 моль/л) (1) і 1см (С = 5·10-5 моль/л) (2) від інтенсивності лазерного випромінювання на довжині хвилі 266 нм. Виявилось, що, дійсно, з підвищенням інтенсивності в кюветах товщиною 1 см пропускання етанолу суттево знижується, при цьому ефект слабшає в міру зменшення товщини шару розчиннику. Тому, щоб звести до мінімуму вплив двофотонного поглинання розчиннику, було проведено додаткові дослідження фотореакційної кінетики в тонких (1мм) кюветах (С = 5.10-4моль/л), в яких, однак, також виявилось сповільнення фотореакції [28*]. Механізм спостереженого явища, - ефект “молекулярної пам’яті”,- можна пояснити на основі сучасних уявлень про фотоізомеризацію провітаміну D [7,12]. Після поглинання фотона молекула переходить на поверхню збудженого стану, рухається у напрямі до збудженої cZc* конформації превітаміну D, а потім через конічний перетин (КП) переходить в основний стан превітаміну D. В міру просування молекули цим маршрутом збільшується відстань поміж атомами вуглецю С9 і С10, що, нарешті, призводить до розриву цього зв’язку. Можна уявити, що внаслідок високої інтенсивності опромінення I ? 1/уф1 стає можливим збудження "гарячої" молекули превітаміну (cZc+*-Pre) ще до проходження воронки КП, коли її геометрія ще не зазнала радикальної зміни (атоми вуглецю С9 і С10 ще не надто віддалені один від одного). Тоді при її збудженні буде велика імовірність зворотного замикання гексадієнового кільця, тобто квантовий вихід зворотного фотоперетворення “гарячої” молекули превітаміну D cZc*-Pre?Pro може бути набагато більшим за той, який виміряно для фотоперетворення Pre?Pro в основному стані під час конформаційної рівноваги. d f h h e o u ue v ? j“ ??????Т?Т?? ? ? ,ax) з підвищенням інтенсивності опромінення виявився близьким до результатів експерименту і підтвердив уповільнення розпаду Pro із зростанням інтенсивності [40*]. Таким чином, виявлено порушення закону взаємозамінності Бунзена-Роско, згідно з яким величина фотобіологічного ефекту пропорційна до дози опромінення. Ми показали, що кінетика фотоізомеризації провітаміну D залежить від інтенсивності опромінення без участі нелінійних ефектів, і що ця особливість властива всім розгалуженим фотореакціям з конформаційно рухливим інтермедіатом. В п’ятому розділі приведено результати досліджень впливу реакційного середовища на органічні фотореакції з конформаційно рухливими проміжними фотопродуктами. Молекулярні конформації, які в звичайних розчинах в основному стані швидко переходять одна в одну, можуть стати “замороженими” в конкретному конформаційному розподілі, внаслідок чого вихід кінцевих фотопродуктів може суттєво змінитись. Дослідження фотоізомеризації 7-ДГХ в синтетичних ліпідних бішарах [13] показали, що вихід фотопродуктів в таких системах суттєво відрізняється від випадку гомогенного розчину внаслідок обмеження конформаційної рухливості молекули превітаміну D і зміщення її конформаційної рівноваги на користь cZc-Pre конформації. Подібний ефект спостерігався нами при дослідженні фотоізомеризації 7-ДГХ у міцелярних системах на основі водно-етанольних сумішей з різним спів-відношенням води і етанолу [15*]. В подальших дослідженнях для обмеження конформаційної рухливості превітаміну D було застосовано адсорбцію на поверхні дисперсного діоксиду кремнію, який широко використовується як носій лікарських препаратів. Дисперсні системи силікагель-розчинник (етанол чи гексан) містили ~2г кремнезему в 1 мл розчинника і були приготовані таким чином, що частинки SiO2 були щільно спаковані, так що оптична густина суспензії не змінювалась у часі. Відсутність зміщень і появи додаткових смуг в УФ спектрах поглинання провітаміну D свідчили про те, что р-електрони дієнового хромофору не приймають участі у взаємодії з поверхнею, а його адсорбція на гідроксильованій поверхні SiO2, ймовірно, обумовлена водневим зв’язком периферійної полярної ОН-групи з гідроксилами поверхні. Саме цей фактор, а також орієнтація молекули на поверхні визначають її фотохімічну поведінку в адсорбованому стані. Значний вплив адсорбції на вихід фотопродуктів випливає з порівняння трансформації спектрів поглинання 7-ДГХ в розчині і гетерогенних матрицях (Рис.14). Рис.14.Трансформація спектру поглинання 7-ДГХ при ламповому опроміненні (( = 254нм) в (а) етанолі протягом 0(1), 3 (2), 4 (3), 5 (4) хв.; (б) матрицях силікагель-етанол та (в) силікагель-гексан протягом 0 (1), 3 (2), 5 (3) хвилин. Як видно, в системі силікагель-етанол приріст оптичної густини, який характеризує накопичення тахістерину, помітно нижчий, ніж в розчині, а в силікагель-гексановій системі такий приріст зовсім відсутній, що свідчить про зниження вмісту транс-ізомеру Т в реакційній суміші. Пояснення цього ефекту випливає із принципу конформаційного контролю і запропонованої моделі адсорбції превітаміну D (Рис.15). Гідрофобні і електростатичні взаємодії обмежують внутрішньомолекулярні обертання навколо з’вязку С5-С6, що обумовлює переважний стан молекули превітаміну D в первинній cZc-Pre конформації, менш схильної до цис-транс ізомеризації. Рис.15. Модель адсорбції превітаміну D: зсув в бік cZc-Pre конформеру Підтвердженням наданого вище механізму адсорбції є виявлена здатність адсорбованого шару молекул 7-ДГХ гомеотропно орієнтувати нематичний рідкий кристал. Більш того, за допомогою зміни конфігурації адсорбованих молекул, внаслідок їх фотоперетворень під час УФ опромінення (розкриття гексадієнового кільця з наступною цис-транс ізомеризацією), вдалося впливати на їх орієнтучу здатність (Н?Р перехід з гомеотропної до планарної орієнтації) [41*,43*], а за допомогою електричного поля контролювати оборотні Р?Н переходи [54*] (Рис.16). Рис.16. Фотографії дводоменної РК-комірки (Е7) в схрещених поляризаторах при напруженні електричного поля U = 0B (a) і U = 4B (б). Цікаво також було дослідити фотоізомеризацію 7-ДГХ в рідкокристалічній (РК) матриці, особливо тому, що дослідження фотореакцій в упорядкованих середовищах є актуальним напрямком сучасної фотохімії. У якості РК матриць ми використовували прозорі в УФ діапазоні нематичні рідкі кристали РК-805 (НІОПІК, Росія) та ZLI-1695 (Merck). Було виявлено, що розчинення хіральних молекул 7-ДГХ у нематичному РК приводить до індукування холестеричної фази із закрученою направо макроспіраллю, величина кроку якої залежить від концентрації 7-ДГХ [33*, 44*,45*]. Спектр 7-ДГХ у РК матриці зазнає червоного зміщення на 1.5 нм по відношенню до етанолу, яке зростає до 4 нм по мірі УФ опромінення і накопичення тахістерину. Як відомо, батохромний зсув спектру поглинання відбувається, коли хромофор стає більш пласким, що приводить до збільшення спряження (-електронів. Можна припустити, що шарувата структура холестеричного РК справляє деякий “ефективний тиск” на молекули домішки. При цьому очевидно, шо вплив РК мікрооточення на молекули Pro з жорсткою структурою повинен бути меншим, ніж на конформаційно рухливі молекули Prе і Т. Дослідження спектральної кінетики фотоізомеризації провітаміну D3 в нематичному РК виявили (рис.17), що приріст оптичної густини під час опромінення залежить від кроку індукованої холестеричної спіралі Р: з його зменшенням приріст оптичної густини суттєво збільшується, що свідчить про зростання концентрації утворюваного тахістерину. Рис.17. Трансформація спектру поглинання при опроміненні 7-ДГХ в ZLI-1695 лампою БУВ-30 (( = 254нм): (а) d = 135мкм, С = 0.07ваг.%, Р = 1070мкм; (б) d = 75мкм, С = 0.1ваг.%, Р = 743мкм; (в) d = 12мкм, C = 0.8ваг.%., Р = 94мкм. Таке підвищення квантового виходу цис-транс ізомеризації в більш в’язкому середовищі важко зрозуміти в рамках класичного уявлення про її механізм, згідно з яким цис-транс ізомеризація відбувається внутрішньомолекулярним поворотом на 1800 навколо подвійного С6=С7 зв’язку. Можна припустити, що в умовах обмеження конформаційної рухливості шарувата структура РК більш сприятлива для некласичного, так званого “hula-twist” механізму цис-транс ізомеризації, який полягає в одночасному повороті на 900 сусідніх одинарної С5-С6 і подвійної С6=С7 зв’язків і “ковзного” руху двох частин молекули 7-ДГХ в площині триєнової системи. Як згадувалось в Розділі 1, такий механізм було запропоновано [14] для цис-транс ізомеризації полієнів в умовах обмеженого об’єму. Те, що ефективність цис-транс ізомеризації зростає при зменшенні кроку холестеричної спіралі, є наслідком пригнічення торсійних коливань молекули превітаміну D за рахунок зростання в’язкості РК, оскільки саме такі коливання являють собою основний канал безвипромінювальної релаксації. Таким чином, на відміну від адсорбції, зсув конформаційної рівноваги превітаміну в РК матриці не приводить до пригнічення його цис-транс ізомеризації. Шостий розділ присвячено дослідженню шляхів оптимізації лампової технології фотосинтезу превітаміну D, який є класичним прикладом реалізації у виробництві природного біологічно важливого фотопроцесу. Основним завданням на стадії фотосинтезу є досягнення максимального виходу превітаміну D за високого ступеню конверсії провітаміну D та відсутності побічних фотопродуктів. Але накопиченню превітаміну D перешкоджають його побічні фотоперетворення, і на практиці це змушує припиняти фотореакцію на ранній стадії опромінення лише при 20-30-відсотковій конверсії провітаміну D і відокремлювати неперетворений провітамін D перекристалізацією для повторного УФ опромінення, що призводить до його втрат і подорожчання виробництва. Виходячи із співвідношення коефіцієнтів поглинання Рrо і Рre (рис.4), очевидно, що оптимальним для підвищення виходу превітаміну D є опромінення на довжині хвилі 295нм. Завжди вважалось, що лише короткохвильове випромінювання в області 254 нм є несприятливим, бо підвищує вихід тахістерину. Цим пояснюється застосування люмінесцентних (ерітемних) ламп із випромінюванням в діапазоні 280_350нм. Нами досліджено роль каналу необоротних фотореакцій Рre ? Тох при опроміненні провітаміну D ерітемною лампою в умовах існування так званого “film”-ефекту, який виникає внаслідок неоднорідності опромінення по товщині шару розчину з високою концентрацією 7-ДГХ. Чисельними розрахунками доведено, що в цьому випадку значно підвищується незворотна фотодеградація фотоізомерної суміші, і важливого значення набуває ефективне перемішування розчину [18*]. Крім того, експериментально підтверджено [20*], що при опроміненні оптично товстого шару розчину навіть при ефективному перемішуванні необоротні фотореакції призводять до значної зміни кінетики фотореакції у порівнянні з оптично тонким шаром, коли довгохвильове випромінювання (( > 300нм) майже не поглинається розчином (рис.18). Видно, що
максимальна концентрація Рre помітно знижена і, що особливо важливо,
досягається при значно меншій конверсії вихідного Pro. Видно також, що
подальше опромінення не приводить до зростання виходу Рre, а тільки
сприяє фотодеградації фотоізомерної суміші внаслідок активного
накопичення Тох.

Рис.18. Розрахована кінетика фотоізомеризації провітаміну D в розчині з
низькою (а) С = 0.003% і високою (б) С = 0.1% концентрацією при
опроміненні ерітемною лампою (l = 0.5 см).

Таким чином, доведено, що кінетика фотореакції в оптично товстих шарах
суттєво залежить від умов опромінення і тільки в оптично тонкому шарі
існує однозначний зв’язок між спектральним складом ініціюючого
випромінювання і кінетикою фотореакції, який дозволяє за зміною ступеню
конверсії вихідного Pro достовірно прогнозувати концентрації компонент
фотоізомерної суміші. Крім того, з урахуванням необоротного каналу Рre ?
Тох [19*] доведено відсутність реальних переваг методу двоступеневого
опромінення провітаміну D, запропонованого в роботах [4,5].

Теоретично і експериментально обґрунтовано [38*], що на сьогоднішній
день найбільш перспективним УФ джерелом для промислового фотосинтезу
превітаміну D є ексимерна XeCl лампа, зважаючи на те, що підбором тиску
буферного газу можливо регулювати співвідношення між інтенсивністю смуги
випромінювання на 308нм та її короткохвильового крила, а вибором
геометричної конструкції лампи – реалізувати оптимальний режим
опромінення.

. Оскільки спектр дії синтезу вітаміну D in vitro відповідає спектру
поглинання про-вітаміну D [36*], суттєва різниця між ним і спектром дії
ерітеми робить некорект-ним використання стандартних радіометрів для
вимірювання антирахітної біоло-гічної активності УФ радіації [46*],
тобто її здатності ініціювати синтез вітаміну D.

З цією метою нами запропоновано використовувати фотореакцію синтезу
превітаміну D в етанолі (модель in vitro) [23*,24*], при цьому його
кількість, накопичена під час експозиції, і є мірою біологічної
(антирахітної) УФ дози. Спектральне спостереження за кінетикою дозволяє
проводити такі вимірювання в реальному часі, а математична модель
фотореакції дозволяє вираховувати біодозу при опроміненні будь-яким
джерелом, якщо відомий його спектр УФ випромінювання. Чисельні
розрахунки довели значну чутливість антирахітної радіації Сонця до
товщини озонового шару, а експериментальні спостереження – до сонячного
зенітного кута (рис.19) [48*, 51*].

Рис.19. Сезонні зміни антирахітної сонячної активності в Києві (2004
рік).

Детальні тестування, проведені в лабораторії та на відкритому повітрі,
довели відповідність експериментально виміряних та розрахованих
концентра-цій превітаміну D і визначили еритемну та фізичну дози,
необхідні для фотосинтезу 5% превітаміну D в залежності від довжини
хвилі УФ опромінення (Табл.1) [31*,32*].

Таблиця 1.

Довжина хвилі (нм) 260 270 280 290 300 310

Антирахітна доза (% PreD) 5 5 5 5 5 5

Ерітемна доза (MED) 0.275 0.214 0.2 0.475 0.703 3.874

Фізична доза (Дж/м2) 55 42.7 40 95 205 10400

Для розробки персонального УФ біодозиметру з візуальною оцінкою
поглинутої УФ дози 7-ДГХ було розчинено в холестеричній РК матриці,
смуга селективного відбивання якої лежить у видимій області спектру.
Зсув цієї смуги внаслідок фотоперетворень молекули 7-ДГХ під дією УФ
опромінення, які супроводжуються зміною кроку холестеричної спіралі,
після відповідної калібровки дає змогу візуально визначати отриману дозу
біоактивної антирахітної УФ радіації, що було доведено одночасною
експозицією РК комірки і розчину 7-ДГХ в етанолі (Рис.20) [55*]. Такий
персональний УФ біодозиметр буде корисним для визначення отриманих
індивідуальних УФ біодоз як під час медико-біологічних досліджень, так і
в повсякденному житті.

Рис.20. Зміна довжини хвилі смуг селективного відбивання в холестеричних
РК матрицях з домішкою 7-ДГХ з право- (1) і ліво- (2) закрученою
макроспіраллю від часу УФ опромінення (а) та їх кореляція з
концентрацією превітаміну D, накопиченого в етанолі (б).

Висновки

У дисертаційній роботі узагальнено результати експериментальних
досліджень фізичних закономірностей впливу параметрів лазерного
випромінювання на кінетику фотоізомеризації провітаміну D і одержано
нову наукову інформацію стосовно фізики складних фотохімічних реакцій.
Розв’язано наукову проблему цілеспрямованого впливу на канали
фотоперетворень у розгалужених фотореакціях з конформаційно рухливим
проміжковим фотопродуктом як за рахунок властивостей ініціюючого
лазерного опромінення, так і шляхом вибору реакційного середовища.

Головні наукові і практичні результати дисертаційної роботи складають
наступне:

1. Розроблено експресний метод спектрофотометричного аналізу
багатокомпонентної суміші фотоізомерів, що утворюється протягом УФ
опромінення провітаміну D, з урахуванням її незворотної фотодеградації.
Розвинуто математичні моделі фотореакції, які адекватно описують її
експериментально досліджену кінетику в умовах високоінтенсивного
лазерного опромінення і враховують конформаційну рухливість молекули
превітаміну D.

2. За допомогою перестроюваного лазера при довгохвильовому опроміненні
(л > 300 нм) експериментально виявлено порушення загальноприйнятого
фотостаціонарного наближення внаслідок різкого зростання ефективності
каналу необоротних фотоперетворень превітаміну D. Доведено, що
нехтування необоротним каналом Pre ? Tox справедливе тільки у вузькому
спектральному інтервалі 268 – 300 нм, а концентраційний аналіз у
наближенні сталої сумми концентрацій головних 4-х ізомерів за межами
цього інтервалу є некоректним. Таким чином, показано, що при дослідженні
оборотних фотохімічних реакцій низький квантовий вихід необоротного
каналу не завжди є вагомою підставою для нехтування ним в широкому
спектральному діапазоні.

3. Теоретично проаналізовано і експериментально доведено значну
негативну роль необоротного каналу для одержання максимального виходу
превітаміну D при опроміненні оптично товстого шару
висококонцентрованого розчину провітаміну D (С = 0,1-0,2%) як в умовах
монохроматичного, так і широкополосного УФ опромінення. Сформульовано
рекомендації щодо оптимального режиму лампового УФ опромінення в умовах
виробництва.

4. Теоретично проаналізовано вплив інтенсивності опромінення на кінетику
розгалужених фотореакцій з конформаційно рухливим інтермедіатом і
встановлено критерії порушення закону взаємозамінності Бунзена-Роско.
Так, в умовах збудження фотосинтезу превітаміну D пікосекундними
лазерними імпульсами таке порушення виявлено при більш низькій
інтенсивності, ніж інтенсивність насичення I ~ 1/уф, де ф ~10-13с – час
життя збудженого синглетного стану, а ( — переріз поглинання. Доведено,
що експериментально виявлений ефект при підвищенні інтенсивності
опромінення в межах 1012 ( 6·1013 Вт/м2 не пов’язаний з нелінійними
процесами, а обумовлений переважним збудженням первинних cZc-Pre
конформерів превітаміну D, що не досягли конформаційної рівноваги.

5. Теоретично досліджено і експериментально доведено можливість
керування каналами фотоперетворень превітаміну D та зниження виходу
побічного транс-ізомера при пікосекундному лазерному опроміненні
провітаміну D з інтенсивністю I ( 1/((2, де (2 ( 125 пс — час
встановлення конформаційної рівноваги превітаміну D. Саме зростання
ймовірності збудження нерівноважних cZc-Pre конформерів обумовлює
залежність виходу кінцевих фотопродуктів від інтенсивності опромінення і
забезпечує можливість реалізації конформаційної селективності у тій
спектральній області, де спектри конформерів перекриваються.

В той же час збудження «гарячої» молекули превітаміну D із
зростанням інтенсивності опромінення у межах 1/((1 ? I > 1/((2, де (1 (
5пс — час термалізації (коливальної релаксації) утворюваного превітаміну
D, обмежує його вихід внаслідок зростання ймовірності зворотного
замикання гексадієнового кільця, що проявляється як ефект «молекулярної
пам’яті». Таке нетривіальне сповільнення фотореакції суттєво
відрізняється від ефектів руйнування (дисоціації) біомолекул, які
звичайно спостерігаються при високоінтенсивному пікосекундному
опроміненні внаслідок двофотонного поглинання.

6. Встановлено механізм адсорбції провітаміну D на поверхні кремнезему і
виявлено суттєве зниження ефективності цис-транс ізомеризації
превітаміну D в адсорбованому стані через зсув конформаційної рівноваги
на користь зкрученого cZc-Pre конформера. В той же час виявлено, що при
розчиненні провітаміну D у нематичному рідкому кристалі ефективність
цис-транс ізомеризації суттєво залежить від кроку індукованої
холестеричної спіралі, і її різке зростання із зменшенням кроку спіралі
обумовлене проявом некласичного (hula-twist) механізму в умовах
обмеженого об’єму.

Виявлено, що шар адсорбованих молекул провітаміну D забезпечує
монодоменну гомеотропну орієнтацію нематичних рідких кристалів, яка під
дією лінійно поляризованого УФ опромінення змінюється на планарну, а за
допомогою електричного поля реалізовано керування оборотною
переорієнтацією нематичних РК. Таким чином, доведено можливість
використання плівок фоточутливих молекул стероїдів для безконтактного
методу фотоорієнтації нематичних рідких кристалів.

7. Запропоновано і розроблено метод прямого вимірювання
вітамін-D-синтезуючої (антирахітної) біологічної активності УФ
випромінювання, в основу якого закладено спектральний контроль
фотосинтезу превітаміну D (in vitro). Проведено вимірювання антирахітної
активності штучних джерел УФ радіації та вперше виконано цілорічні
вимірювання біоактивної сонячної УФ радіації в Києві і Антарктиді.

Для візуального контролю дози біоактивного УФ випромінювання
запропоновано спосіб, який полягає в тому, що при розчиненні провітаміну
D в холестеричній РК матриці його фотоперетворення під дією УФ
опромінення призводять до зміни кроку холестеричної макроспіралі і, як
наслідок, до зміщення смуги селективного відбивання, тобто до зміни
кольору. На цій основі розроблено і протестовано персональний
біодозиметр антирахітної УФ радіації.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1*. Кравченко В.И., Кириленко Е.К., Опанасюк Ю.Д., Теренецкая И.П. Новые
возможности управления спектрально-энергетическими характеристиками
импульсных перестраиваемых лазеров на растворах органических красителей
// Изв. АН СССР, сер. физ. _ 1982. _ Т. 46, № 10. _ С.1964 _ 1969.

2*. Кириленко Е.К., Кравченко В.И., Опанасюк Ю.Д., Теренецкая И.П.
Лазерная абсорбционная спектроскопия газов. 1. Контроль NO2 по тонкой
структуре спектра поглощения // Квантовая электроника. _ К.: Наукова
думка. _ 1983. _ № 24. _ С.66 _74.

3*. Кравченко В.И., Таранов В.В., Теренецкая И.П. Новые возможности
лазерной корреляционной спектроскопии // УФЖ. _ 1985. _ Т. 30, № 3. _ С.
332 _ 333.

4*. Кравченко В.И., Скорчаковский М.Л., Теренецкая И.П., Шидлак Ю.В.,
Янкевич З.А. Эффективный перестраиваемый лазер со сверхре-генеративным
усилителем на одной активной среде // Укр. физ. журн. _ 1985. _ Т. 30, №
11. _ С. 1636_1637.

5*. А.с. 1340536 СССР, МКИ Н 01 S 3/082 / Кравченко В.И., Левченко Е.Г.,
Теренецкая И.П. (СССР). Способ перестройки длины волны излучения лазера
и перестраиваемый лазер для его осуществления _ № 3898998/ 31_25; Заявл.
23.05.85.

6*. Кравченко В.И., Скорчаковский М.Л., Теренецкая И.П., Шидлак Ю.В.,
Янкевич З.А. Спектрально-энергетические характеристики лазера на
красителе при электронном пере-ключении добротности связанных
резонаторов // Квант. электрон. _ 1986. _ Т.13. _ С. 823_826.

7*. Кравченко В.И., Левченко Е.Г., Теренецкая И.П. Прецизионный
волномер для экспрессного контроля длины волны излучения импульсного
перестраиваемого лазера // Опт.-мех. пром._ 1989._№ 3. _ С. 61_62.

8*. Теренецкая И.П., Кравченко В.И., Гундоров С.И. Проблемы и
возможности лазерной фотоизомеризации провитамина D // Спектроскопия
конденсированных сред. _ Киев: Наук.думка._ 1988._ С.157_ 162.

9*. Теренецкая И.П., Гундоров С.И., Кравченко В.И., Берик Е.Б.
Наносекундный лазерный фотолиз провитамина D // Квант. электрон. _
1988._ Т.15, № 10._ С.2107_2112.

10*. Богословский Н.А., Берик И.К., Гундоров С.И., Теренецкая И.П.
Особенности лазерного фотолиза провитамина D // Хим. выс. энергий. _
1989. _ Т.23, №3. _ С.271_275.

11*. Terenetskaya I.P., Perminova O.G., Yeremenko A.M.
Photoisomeri-zation of provitamin D in dispersive systems // J. Mol.
Struct. _ 1990._ V.219. _ P.359-364.

12*. Terenetskaya I.P., Repeyev Yu.A. Provitamin D photoisomerization
kinetics upon picosecond laser irradiation: the role of previtamin
conformational non-equilibrium // Proc.SPIE.- 1990. _ V.1403. _
P.500-503.

13*. Гундоров С.И., Давыденко В.А., Теренецкая И.П., Ющук О.И.
Исследование кинетики и квантовых выходов в фотохимии провитамина D с
помощью перестраиваемого лазера // Квант. электрон.- 1991.-T.18. _
С.374-378.

14*. Теренецкая И.П., Гундоров С.И., Берик Е.Б. Особенности фотолиза
провитамина D при длинноволновом облучении // Квант. электрон. _ 1991. _
Т.18, № 4. _ С.520_522.

15*. Terenetskaya I.P., Perminova О.G., Yeremenko A.M. Effect of
environment on the conformational equilibrium and photoconversions of
previtamin D // J. Mol. Struct. _ 1992. _ V.267. _ P.93-98.

16*. Теренецкая И.П. Новые возможности контроля фотопродуктов в процессе
лазерной фотоизомеризации провитамина D (обзор) // Квант, электрон. _
Киев: Наукова думка. _ 1992. _ Вып.2. _ С. 37_ 44.

17*. Дмитренко О.Г., Теренецкая И.П. Теоретическое обоснование
возможности конформационного контроля продуктов фотохимических
превращений провитамина D // Теор. экспер. хим._ 1993._Т.9._ С.326_32.

18*. Теренецкая И.П., Галкин О.Н., Богословский Н.А. Необратимые реакции
в фотохимии провитамина D в условиях оптически плотного слоя //
Хим.-фарм. журн._ 1993. _ Т.27, N4. _ С.55_59.

19*. Теренецкая И.П., Самойлов Ю.А., Богословский Н.А., Высоцкий Л.Н.,
Лукницкий Ф.И. Анализ метода двухступенчатого облучения провитамина D с
учетом необратимых фотореакций превитамина // Хим.-фарм. журн. _ 1993. _
Т. 27, № 11. _ С.58_62.

20*. Теренецкая И.П., Богословский Н.А., Высоцкий Л.Н., Лукницкий Ф.И.
Пути оптимизации фотосинтеза превитамина D при облучении эритемной
лампой // Хим.-фарм. журн. _ 1994. _ Т.28, №8. _ С.46_51.

21*. Сериков А.А., Теренецкая И.П. Влияние интенсивности излучения на
каналы фотопре-вращений конформационно-подвижных молекул // Хим. выс.
эн. _ 1994. _ Т.28. _ С.257-262.

22*. Дмитренко О.Г., Теренецкая И.П., Лопухович Н.Ю., Огенко В.М.
Особенности термопревращений витамина D на поверхности дисперсных
диоксидов // Журн. физ. химии._ 1994._ Т.68._ С.2252-2253.

23*. Пат. 19525А України, МПК G01J1/48, G01J3/42, C07C401/00, A61N5/06.
Спосіб контролю біоактивного ультрафіолетового випромінювання: Пат.
19525А України / Теренецька І.П., Теренецький К.О. — № 94043235; Заявл.
08.04.94. Опубл. 25.12.97, Бюл. №6, 2с.

24*. Terenetskaya I.P. Provitamin D photoisomerization as possible UVB
monitor: kinetic study using tunable dye laser // SPIE Proc..- 1994. _
V.2134B. _ P.135-140.

25*. Татиколов А.С., Дмитренко О.Г., Теренецкая И.П. Триплет-триплетный
перенос энергии в сенсибилизированной цис-транс изомеризации превитамина
D // Хим. физика. _ 1995._ Т.14, №.4. _ С.73-77.

26*. Terenetskaya I.P., Dmitrenko O.G., Eremenko A.M. Conformational
control in previtamin D photochemistry by heterogeneous reaction media
// Res. Сhem. Intermed. _ 1995. _ V.21, N6. _ P.653-664.

27*. Terenetskaya I.P. Lasers in Vitamin D synthesis // Rom. J. Biophys.
_ 1995. _ V.5, N.4. _ P.263-277.

28*. Теренецкая И.П., Репеев Ю.А. Особенности лазерного фотосинтеза
превитамина D при высокоинтенсивном пикосекундном облучении // Хим. выс.
эн. _ 1996. _ Т.30. _ С.402-406.

29*. Dmitrenko O.G., Serikov A.A., Terenetskaya I.P. Model analysis of
branching photoreactions with conformationally flexible intermediate //
J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry. _ 1996. _ V.96. _ P.7-12.

30*. Репеев Ю.А., Теренецкая И.П. Лазерный фотосинтез превитамина D:
новые эффекты при высокоинтенсивном пикосекундном облучении // Квант.
электрон._ 1996._ Т.23, №8. _ С.765-768.

31*. Galkin O.N., Terenetskaya I.P., Vitamin D” biodosimeter: basic
characteristics and prospect applications // J. Photochem. Photobiol. B:
Biologу. _ 1999. _ V.53, N1. _ P.12_10.

32*. Webb A.R., Terenetskaya I.P. Combined study of antirachitic solar
UVB radiation by spectroradiometer and «Vitamin D» biodosimeter // In:
Biologic effects of light. _ Eds. Holick&.Jung, Kluver Acad. Publishers,
1999. _ P.153-155.

33*. Dyadyusha A.G., Gvozdovsky I.A., Salkova E.N., Terenetskaya I.P.
Development of personal biodosimeter of UV radiation based on vitamin D
photosynthesis in nematic liquid crystal matrix // Semicond. Phys.,
Quantum&Optoelectronics. _ 1999. _ V.2, N4. _ P.91-95.

34*. Terenetskaya I. Spectral monitoring of biologically active solar
UVB radiation using an in vitro model of vitamin D synthesis // Talanta.
_ 2000. _ V.53. _ P. 195-203.

35*. Gvozdovsky I.A., Terenetskaya I.P. Comparative study of the
kinetics of provitamin D photoisomerization in ethanol and in the liquid
crystal //Functional Materials._2000._ V.7._P.508-12.

36*. Bolsйe D., Webb A.R., Gillotay D., Dцrschel B., Knushke P., Krins
A., Terenetskaya I. Laboratory facilities and recommendations for the
characterization of biological UV dosimeters // Applied Optics. _ 2000.
_ V.39, N16. _ P.2813-2822.

37*. Korzovska O.V., Terenetskaya I.P., Lisetski L.N. On a possibility
to monitor the vitamin D formation processes using selective reflection
properties of cholesteric liquid crystals // Biophys. Bulletin (Вісник
Харківського університету). _ 2000.- №488.- С.71-74.

38*. Terenetskaya I., Oppenlander T. The incoherent xenonchloride
excimer lamp: a promising UV source in industrial synthesis of vitamin D
// XVIII IUPAC Symposium on Potochemistry, Dresden, 2000, Book of
Abstracts . – P.585-586.

39*. Terenetskaya I., Gvozdovsky I. Development of personal UV
biodosimeter based on vitamin D photosynthesis // Mol. Cryst. Liq.
Cryst.- 2001.- V.368. _ P.551-558.

40*. Terenetskaya I., Bugajchuk S. Features of provitamin D
photoisomerization under high intensity picosecond laser irradiation //
IX Int. Conf. Laser Applications in Life Sciences, LALS2002, Vilnius,
Lithuania, 7-11 July, 2002. – Conference Digest. – P.132.

41*. Гвоздовский И.A., Теренецкая И.П. Фотоориентация жидких кристаллов
с помощью УФ облучения композитной пленки ПММА+провитамин D3 //
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. _
2002. _ №2. _ С.80-83.

42*. Gvozdovskyy I., Terenetskaya I. Development of personal UVB
biosensor: detection of previtamin D photosynthesis // In: «Biologic
effects of light 2001”, M.F.Holick, Ed. Kluver Acad. Publish. _ 2002. _
P.341-353.

43*. Гвоздовский И.А., Теренецкая И.П. УФ-индуцированные ориентационные
эффекты в нематических жидких кристаллах, обусловленные
фотопревращениями адсорбированного провитамина D3 // Журн. научн.
прикл. фотогр. _ 2002. _ T.47, №2. _ C.45-50.

44*. Gvozdovskyy, I. Terenetskaya I. Steroid motor: dynamics of
cholesteric helix induction in the nematic droplet // Liquid Crystals
Today.- 2002.-V.10, N2.- P.8-12.

45*. Гвоздовський І.А., Теренецька І.П. Ефект обертання стероїдних
мікрокристалів в краплині нематика // УФЖ.- 2002. — Т.47.- C.751-754.

46*. Terenetskaya I. Duality of solar UV-B radiation and relevant
dosimetry: vitamin D synthesis versus skin erytema // SPIE Proc.- 2003.
— V.4896.- P.144-150

47*. Terenetskaya I., Ouchi A. Wavelength effect on provitamin D
photoisomerization: comparison of KrF and XeCl excimer laser irradiation
// Book of Abstracts, XXI Int. Conf. on Photochem., July 26-31, 2003,
Japan. – P.452.

48*. Terenetskaya I. Solar UV-B dosimetry in situ with ‘D-dosimeter’:
effect of ozone depletion on the vitamin D synthetic capacity of
sunlight // Agricult. Forest Meteorol.- 2003. — V.120. — P.45-50.

49*. Terenetskaya I. Two methods for direct assessment of the vitamin D
synthetic capacity of sunlight and artificial UV sources // J. Steroid
Biochem. & Mol. Biol. — 2004.- V.89-90.- P.623-626.

50*. Aronishidze M., Chanishvili A., Chilaya G., Petriashvili G.,
Tavzarashvili S., Lisetski L., Gvozdovskyy I., Terenetskaya I. Colour
change effect based on provitamin D photoisomerization in cholesteric
liquid crystalline mixtures // Mol. Cryst. Liq. Cryst. — 2004. — V.420.
— P.47–53.

51*. Gvozdovskyy I., Orlova T., Salkova E., Terenetskaya I., Milinevsky
G. Ozone and solar UVB radiation: monitoring of the vitamin D synthetic
capacity of sunlight in Kiev and Antarctica // Int. J. Remote Sensing.-
2005.- V.26, N16.- P.3555–3559

52*. Chilaya G., Petriashvili G., Terenetskaya I., Chanishvili A.,
Kireeva N., Lisetski L. Provitamin D2 and Provitamin D3
phototransformations in cholesteric liquid crystal mixtures induced by
UV radiation // Mol. Cryst. Liq. Cryst. — 2005. — V.433. — P.73-85.

53*. Gvozdovskyy I., Orlova T., Terenetskaya I. Features of Previtamin D
cis-trans isomeriztaion in the nematic LC matrices: orientation and
cholesteric order effects // Mol. Cryst. Liq. Cryst.- 2005.- V.434.–
P.325-332.

54*. Gvozdovskyy I., Orlova T., Terenetskaya I. UV induced
photoalignment and colour change in nematic liquid crystals with
provitamin D dopant // Mol.Cryst. Liq.Cryst.-2005.-V.430.– P.199-203.

55*. Terenetskaya I., Orlova T. UV radiation, vitamin D and cancer: how
to measure the vitamin D synthetic capacity of UV sources? // SPIE Proc.
— 2005. — V.5969. – P.426–432.

56*. Пат. 15712 Україна, МПК G01J 1/00 A61N 5/06 C07C 401/00 G01J 3/42.
Спосіб вимірювання дози біоактивного ультрафіолетового випромінювання:
Пат. 15712 Україна / Теренецька І.П.; Заявл. 06.01.06; Опубл. 17.07.06.
Бюл. №7. – 4с.

57*. Орлова Т.Н., Теренецкая И.П. Особенности фотоизомеризации
провитамина D3 в нематическом жидком кристалле // Опт. и спектр. – 2006.
– Т.100, №4. – С.629-634.

Список використаних джерел

Jacobs H.J.C., Havinga E. Photochemistry of vitamin D and its isomers
and of simple trienes, in: J.N. Pitts et al.(eds.), Advances in
photochemistry, Wiley, New York, V.11. — 1979. — P. 305-373.

Dauben W.G., Funhoff D.J.H. Theoretical evaluation of the conformations
of previtamin D3 // J. Org. Chem.- 1988. – V. 58. – P. 5070 – 5075.

Malatesta V., Willis C., Hackett P.A. Laser рhotochemical рroduction of
Vitamin D // J. Am. Chem. Soc. _ 1981. _ V. 103. _ P. 6781 _ 6783.

Dauben W.G., Phillips R.B. Wavelength-controlled production of
previtamin D3 // J. Am. Chem. Soc. — 1982.- V.104.- P.355-356.

Dauben W.G., Phillips R.B. Effect of wavelength on the photochemistry of
provitamin D // J. Am. Chem. Soc. — 1982.- V.104.- P.5780-5781.

Gottfried N., Kaiser W., Braun M., Fuss W., Kompa K.L. Ultrafast
electrocyclic ring opening in previtamin D photochemistry. // Chem.
Phys. Lett. V. 110, N4. — 1984. — P. 335 — 339.

Bernardi F. Olivucci M., Ragazos I.N., Robb M.A. A new mechanistic
scenario for the photochemical transformation of ergosterol: an MC-SCF
and MM-VB study // J. Am. Chem. Soc. — 1992.- V.114.- P.8211 – 8220.

Braun M., Fuss W., Kompa K.L. Improved photosynthesis of previtamin D by
wavelength of 280–300 nm // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. _ 1991. _
V. 61. _ P. 15_26.

Abillon E., Mermet-Bouvier R. Effect of wavelength on production of
previtamin D2 // J. Pharm. Sci. _ 1973. _ V.62, N10. _ P. 1688_1691.

Sternberg J.C., Stillo H.S., Schwendeman R.H. Spectrophotometric
analysis of multicomponent systems using the least scquares method in
matrix form. The ergosterol irradiation system // Analyt. Chem. _ 1960.
_ V.32, N1. _ P.84_90.

Reid P.J., Doig S.J., Mathies R.A. Direct measurement of the
photochemical ring opening in 1,3-cyclohexadiene by picosecond
time-resolved UV resonance Raman // Chem. Phys. Lett.- 1989.- V.156,
N2,3.- P.163-168.

Fuss W., Hofer T., Hering P., Kompa K.L., Lochbrunner S., Schikarski T.,
Schmid W.E. Ring opening in the dehydrocholesterol-previtamin D system
studied by ultrafast spectroscopy // J. Phys. Chem. – 1996.- V.100. —
P.921-927

Moriarty R.M., Schwartz R.N., Lee C., Curtis V. Formation of Vitamin D3
in Synthetic Lipid Multibilayers. A Model for Epidermal Photosynthesis
// J. Am. Chem. Soc.– 1980.– V.102, #12. – P.4257–59.

Liu R.S.H., Hammond G.S. The case of medium –dependent dual mechanisms
for photoisomerization: One-bond flip and Hula-Twist // Proc. Natl.
Acad. Sci. U.S. — 2000.- V. 97.- P.1153-58.

АНОТАЦІЯ

Теренецька І.П. Спектроскопія і лазерна фотохімія провітаміну D
– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних
наук за спеціальністю 01.04.05 – оптика, лазерна фізика. – Київський
національний університет імені Тараса Шевченка. Київ, 2006.

У роботі визначено закономірності впливу параметрів УФ лазерного
випромінювання (довжини хвилі, інтенсивності, тривалості імпульсу) на
кінетику фотоізомеризації провітаміну D. Проаналізовано вплив слабкого
необоротного каналу і доведено неадекватність загальноприйнятого
фотостаціонарного наближення. Виявлено нові ефекти впливу інтенсивності
пікосекундного лазерного опромінювання на кінетику фотореакції,
з’ясовано фізичну природу порушення закону взаємозамінності і
запропоновано математичну модель, яка враховує збудження нерівноважних
конформерів. Визначено механізми цілеспрямованого впливу на
конформаційний розподіл превітаміну D і канали його фотоперетворень як
за рахунок властивостей ініціюючого випромінювання, так і взаємодії з
мікрооточенням в різних середовищах. Розроблено метод
спектрофотометричного аналізу багатокомпонентної суміші фотоізомерів з
урахуванням її фотодеградації і визначено шляхи оптимізації технології
фотосинтезу превітаміну D. Досліджено ефекти фотоіндукованої орієнтації
нематичних рідких кристалів плівками адсорбованого провітаміну D.
Розвинуто метод вимірювання біологічно активних доз сонячної УФ радіації
на основі спектрального спостереження за кінетикою фотосинтезу
превітаміна D in vitro. Запропоновано спосіб візуального визначення
поглинутої УФ біодози за зміною кольору холестеричного рідкого кристалу
з домішкою провітаміну D.

Ключові слова: спектроскопія, лазерна фотохімія, синтез вітаміну D,
кінетика фотореакції, математична модель, конформаційний розподіл,
спектрофотометричний аналіз, адсорбція, рідкий кристал, УФ біодозиметр.

Аннотация

Теренецкая И.П. Спектроскопия и лазерная фотохимия провитамина D. –
Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических
наук по специальности 01.04.05 – оптика, лазерная физика. – Киевский
национальный университет имени Тараса Шевченко. Киев, 2006.

В работе обобщены результаты исследований физических законо-мерностей
влияния параметров УФ лазерного излучения (длины волны, интенсивности,
длительности импульса) на кинетику фотоизомеризации провитамина D,
лежащую в основе природного синтеза витамина D. В условиях лазерного
облучения экспериментальные исследования кинетики фотореакции
проводились методом абсорбционной УФ спектроскопи в сочетании с ее
математическим моделированием при помощи системы кинетических
дифференциальных уравнений. В отличие от общепринятого
хроматографического анализа, для концентрационного спектрального анализа
образующейся многокомпонентной смеси фотоизомеров развит оригинальный
метод, учитывающий ее необратимую фотодеградацию.

С помощью перестраиваемого лазера обнаружен новый спектральный эффект,
заключающийся в резком возрастании эффективности слабого канала
необратимых фотопревращений превитамина D в области >300нм, и доказана
неадекватность общепринятого фотостационарного приближения. Выработаны
практические рекомендации по оптимизации технологии фотосинтеза
превитамина D и снижению негативной роли необратимого канала.

При пикосекундном лазерном облучении обнаружена зависимость кинетики
фотореакции от интенсивности, установлена физическая природа нарушения
закона взаимозаместимости и предложена адекватная математическая модель,
учитывающая возбуждение неравновесных конформеров превитамина D.
Достигнута конформационная селективность с существенным снижением выхода
побочного транс-изомера при облучении исходного провитамина D с
интенсивностью I ( 1/((1, где (1 (125пс — время установления
конформационного равновесия превитамина D. С ростом интенсивности
облучения в пределах 1/( > I( >1/(2, где (2 ( 5пс — время термализации
(колебательной релаксации) образующегося превитамина D, обнаружен
нетривиальный эффект замедления фотореакции, обусловленный увеличением
вероятности обратного замыкания гексадиенового кольца при возбуждении
«горячей» молекулы превитамина D, что проявляется как эффект
«молекулярной памяти».

Обнаружено влияние реакционной среды не только на эффективность, но и на
механизм цис-транс изомеризации превитамина D. Установлен механизм
адсорбции провитамина D на поверхности кремнезема и выявлено снижение
эффективности цис-транс изомеризации превитамина D в адсорбированном
состоянии, обусловленное сдвигом конформационного равновесия в пользу
скрученного cZc-Pre конформера. В то же время, при растворении
провитамина D в нематическом жидком кристалле обнаружено резкое
увеличение эффективности цис-транс изомеризации по мере уменьшения шага
индуцированной холестерической спирали, что свидетельствует о проявлении
ее неклассического (hula-twist) механизма в условиях ограниченного
объема.

Получена монодоменная гомеотропная ориентация нематических жидких
кристаллов пленками адсорбированного провитамина D, которая под
действием линейно поляризованного УФ облучения изменяется на планарную,
а с помощью электрического поля реализовано управление обратимой
переориентацией нематических ЖК.

Развит метод измерения биологически активных доз солнечной УФ радиации с
помощью спектрального наблюдения за кинетикой фотосинтеза превитамина D
in vitro. Предложен способ визуального определения поглощенной УФ
биодозы по изменению цвета холестерического жидкого кристалла с примесью
провитамина D.

Ключевые слова: спектроскопия, лазерная фотохимия, синтез витамина D,
кинетика фотореакции, математическая модель, конформационное
распределение, спектрофото-метрический анализ, адсорбция, жидкий
кристалл, УФ биодозиметр.

SUMMARY

Terenetska I.P. Spectroscopy and laser photochemistry of
provitamin D. – Manuscript.

Thesis for a doctor of science degree in physics and mathematics,
specialization 01.04.05 – optics, laser physics. – Kyiv Taras Shevchenko
National University, Kyiv, 2006.

Kinetics of provitamin D photoisomerization under pulsed UV laser
irradiation was studied by UV absorption spectroscopy, and regularities
of laser radiation parameters (wavelength, intensity, pulse duration)
influence on the photoproduct yield were determined. Breakdown of the
photostationary state approximation has been revealed under
monochromatic irradiation at the wavelengths > 300nm. New intensity
effects were observed under picosecond laser irradiation, the physical
principles of the reciprocity law violation were established and
adequate mathematical model was proposed with due regard for
non-equilibrium of previtamin D conformers. The ways of purposeful
impact on the conformational distribution of previtamin D and its
photoreaction channels were specified through the characteristics of
laser radiation and interaction with microenvironment in different
reaction media. Original spectrophotometric analysis of the
multicomponent photoisomer mixture has been developed having regard to
the irreversible photodegradation, and the routes of previtamin D
industrial photosynthesis optimization were determined. The nematic LC’s
orientation was examined using adsorption of provitamin D molecules at
the substrate surface of a LC cell, and the photoinduced transition from
homeotropic to planar orientation was observed. The method of direct
measurement of biologically active solar UV radiation has been developed
based on the spectral recording of previtamin D photosynthesis in vitro.
The new personal biodosimeter of antirachitic UV radiation with visual
color detection was introduced using cholesteric liquid crystal with
provitamin D dopant.

Key words: spectroscopy, laser photochemistry, vitamin D synthesis,
photoreaction kinetics, mathematical model, conformation distribution,
spectrophotometric analysis, adsorption, liquid crystal, UV
biodosimeter.

1( Термін “вітамін D” вживають в загальному значенні, хоча відомі дві
різні хімічні сполуки. Вітамін D2 (С28Н44О) синтезується під дією УФ
випромінювання з ергостерину (провітаміну D2) переважно в рослинах, а
вітамін D3 (С27Н44О) – з 7-дегідрохоле-стерину (7-ДГХ, провітаміну D3) в
шкірі людини і тварин.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *