ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПЛАНАРНОЙ КРИСТАЛЛИЗИЦИИ БИООРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ НА ТВЕРДОЙ ПОДЛОЖКЕ

УДК 548. 51

А.Ю. Сетейкин, А.Н. Малов, Е.С. Мусатова

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПЛАНАРНОЙ КРИСТАЛЛИЗИЦИИ БИООРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ НА ТВЕРДОЙ ПОДЛОЖКЕ

В работе исследовались кристаллограммы биологических жидкостей глицина и плазмы крови с глицином до и после лазерного воздействия. Было обнаружено уменьшение лучевой структуры.

Explore cristallogramm biological fluids blood serum with glycine and glycine before and after exposure to the laser. In the glycine case structure fine reduction was found after laser irradiation.

Введение

Характерной особенностью современного этапа развития технологии является быстрое внедрение в практику новейших достижений науки.

В основе любого технологического процесса лежит определенное физическое, химическое или электрохимическое воздействие на материал с целью управляемого изменения его свойств. Такой взгляд на технологические процессы позволяет выделить их базовые физико-технологические черты и увидеть общие физические закономерности, управляющие этими процессами [1].

Предположения и теории, касающиеся микроскопической структуры и морфологии кристаллов, появились давно. Однако фактическое описание роста кристаллов - задача более сложная. Для детальной теории роста с самого начала необходимы сведения о самом кристалле и о составляющих его частицах.

Формирование тонких пленок на поверхности подложки

Научные исследования механизмов роста тонких пленок начали развиваться с начала ХХ в. Использование современных методов исследования позволяет понять механизм формирования покрытий на ранних стадиях. Последовательность зародышеобразования и роста пленки следующая:

Исследования позволили выделить три механизма роста пленок, известных как: зародышевый механизм роста по модели Фольмера - Вебера; послойный механизм роста по модели Ван дер Мерве; механизм роста по модели Странского - Крастанова.

Формирование тонких пленок на поверхности подложек наиболее часто проходит в две

стадии:

а) стадия образования зародышей, на которой возникают критические зародыши, способные к дальнейшему росту;

б) стадия роста пленки, когда критические зародыши разрастаются и образуют сплошную пленку [1].

Механизм роста зародышей

Зародышевый механизм роста реализуется на атомно-гладких плотноупакованных гранях совершенного кристалла, каковыми являются грани с малыми индексами Миллера. Рост пленок в этом случае происходит через начальное образование двухмерных или трехмерных зародышей, в дальнейшем разрастающихся в сплошную пленку на поверхности подложки. Реально вероятность образования зародышей, а вместе с ней и скорость роста пленки, ничтожно малы вплоть до пересыщений, достигающих единиц и даже десятков процентов [8].

В основе образования, разрастания и коалесценции зародышей лежат следующие процессы:

Результирующая скорость роста пленки определяется скоростью наиболее медленного из этих трех процессов. Установление равновесия физически адсорбированных атомов с первичной фазой обычно происходит достаточно быстро (в течение микросекунд). Поэтому в реальных условиях рост пленок контролируется либо процессами массопереноса в первичной фазе (при кристаллизации из жидкой фазы и химическом осаждении из газовой фазы), либо поверхностной диффузией (при физическом осаждении из атомно-молекулярных пучков).

Для зародышевого механизма можно указать следующую последовательность этапов роста

пленки.

выражением: Ы* = ехр

(- а* >

V кьТ ,

В результате большие островки в среднем ориентированы по отношению к кристаллографическим направлениям подложки более правильно, чем островки и зародыши малых размеров.

При кристаллизации из парогазовой фазы структурный порядок в пленках обеспечивается в основном подвижностью адатомов по подложке. Их высокая подвижность способствует преимущественному росту ориентированных зародышей. В зависимости от ориентирующих свойств подложки получают либо монокристаллические эпитаксиальные, либо поликристаллические пленки. Когда подвижность адатомов снижается настолько, что атомы конденсируются непосредственно в точке их падения, практически не диффундируя, возникает большое число зародышей, дающих поликристаллическую мелкозернистую или даже аморфную пленку. Такое происходит, во-первых, при низкой температуре и, во-вторых, при наличии примесных атомов на подложке, стабилизирующих зародыши и снижающих подвижность адатомов [1].

Материалы и методы исследований

Нами были исследованы кристаллограммы глицина и сыворотки крови с глицином до и после воздействия излучения He-Ne лазера (^=633 нм).

Явление дегидратационной самоорганизации положено в основу одного из методов медицинской диагностики - метода клиновидной дегидратации, который заключается в том, что каплю исследуемой биологической жидкости (контрольные и облученные лазером образцы) объемом 0,01 мл наносят на обезжиренное предметное стекло под углом 25-30° и высушивают (защитив от попадания пыли) при комнатной температуре 20-25°С и относительной влажности воздуха 65-70% в течение 18-24 часов. С помощью данного метода изготавливались препараты исследуемых биологических жидкостей. Регистрация изменений в растворах выполнялась кристаллографическим методом: раствор наносился на стеклянную подложку, высушивался, а затем с помощью оптического микроскопа с фотоприставкой Nikon Е200 [2-5] анализировалась морфологическая структура сухой пленки.

Раствор глицина с концентрацией 5% и объемом примерно 10 мл облучали светом красного гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм в специальной кювете в течение 15 мин., при плотности мощности излучения около 0,6 мВт/см2. Затем раствор наносили на подложки (метод клиновидной дегидратации) и изучали сухие пленки в просвечивающем свете оптического микроскопа. Изображения фиксировались с помощью специальной фотоприставки Nikon.

Методы исследования структуры макромолекул можно разделить на две группы. Первая -визуальные методы: оптическая и электронная микроскопия, в которых используемая длина волны (источника света или пучка электронов) гораздо меньше размеров структурных элементов (макромолекул или их агрегатов). Ко второй группе относятся интерференционно-дифракционные методы: дифракция рентгеновских лучей, дифракция электронов, нейтронов, светорассеяние. В этих методах используются электромагнитные колебания с длиной волны, сравнимой с размером исследуемых структурных элементов.

С помощью электронной и оптической микроскопии можно наблюдать отдельные макромолекулы и их агрегаты. Именно данным методом были получены представленные на рис. 1 основные типы надмолекулярных структур - фибриллярные кристаллы, монокристаллы.

рис. 1. Р Различные виды кристаллографических структур до и после воздействия лазером: а, б ламелярные, с - дендритные.

Результаты и их обсуждение

При формировании кристаллограмм в сухих пленках из 5% раствора глицина и из раствора плазмы крови с глицином их структура определяется зародышами кристаллизации, которые, в свою очередь, зависят от состояния исходных растворов. Биоорганические макромолекулы в растворе имеют водное окружение и образуют кластеры различных размеров и конфигураций. При высыхании раствора на подложке в первую очередь фиксируются макромолекулярные кластеры больших размеров (имеющие как целое меньшую скорость хаотического движения), они играют роль зародышей (или центров кристаллизации) для роста кристаллов в пленке. В дальнейшем происходит эпитаксиальное нарастание позже кристаллизующихся

низкомолекулярных фракций на поверхности фибриллоподобного остова. Таким образом, образуется лучевая структура из ламелей с эпитаксиальной рекристаллизацией на части луча, играющая роль субстрата для высыхающего раствора [4].

Уменьшение толщины лучей-ламелей после лазерного облучения показывает: в облученном растворе размеры кластеров значительно уменьшаются, что приводит к уменьшению размеров зародышей при высыхании пленки (рис. 2)

Рис. 2. Сравнение размеров кристаллов глицина 5% и раствора глицина с плазмой до и после лазерного воздействия.

Механизмы биологического действия лазерного излучения не могут быть связаны с явлениями только фотомодификации красных кровяных элементов при лазерном облучении; их причина относится, по-видимому, к процессам деструкции структуры жидких компонент крови, включая нанокластеризацию жидкого раствора в целом.

Под действием лазерного излучения происходит достаточно быстрое изменение конформационного состояния биологических макромолекул, без изменения температуры раствора в целом. Поэтому в крови при облучении могут меняться конформационные состояния белковых молекул и их гидратных оболочек. Эти лазерно-модифицированные жидкие компоненты крови

поступают затем к мембранам нервных клеток и в межсинаптические переходы. Под действием поглощенного излучения белковые молекулы активируют свои тормозящие (обезболивающие) свойства и влияют на процессы синаптических переключений в нервных волокнах, сегментарных структурах спинного мозга, релейных ядрах таламуса и проекционных зонах коры соответствующих сенсорных систем.

Уменьшение кластеров биоорганических молекул под действием лазерного излучения подтверждается экспериментами in vitro на растворах глицина, а также растворах плазмы крови с глицином методом кристаллографического анализа сухих пленок этих жидкостей.