Автореферат и диссертация по медицине (14.00.53) на тему:Возрастные особенности влияния пептидов на адаптацию организма к экстремальным воздействиям

На правах

Коган Виктор Тувийевич

Малогабаритные масс-спектрометры для космических исследований, экологического и технологического мониторинга

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена на кафедре космических исследований ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, доцент Блинов Александр Всеволодович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Галль Лидия Николаевна

доктор физико-математических наук, профессор Цыбин Олег Юрьевич

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник,

Зиновьев Александр Николаевич

Ведущая организация: НИИ Физики им.В.А.Фока при Санкт-Петербургском государственном университете

Защита состоится "_2_" июня 2006 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.034.01 при Институте аналитического приборостроения РАН по адресу: 190103 Санкт-Петербург, Рижский пр.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института аналитического приборостроения РАН, 190103 Санкт-Петербург, Рижский пр.26.

Автореферат разослан

апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат физико-математических наук

А.П.Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Задача определения состава вещества является ключевой как для фундаментальной и прикладной науки, так и для большинства высокотехнологичных производств. Состав частиц в межпланетном пространстве содержит информацию о строении атмосферы Солнца и о процессах, протекающих в межпланетной плазме. Знание состава компонентов окружающей среды и их вариаций позволяет успешно прогнозировать как глобальные, так и локальные климатические изменения. Сведения о составе продуктов биохимических процессов помогают решать вопросы диагностики и профилактики заболеваний, обнаруживать патологии в организме человека. Прогресс в области физики атмосферы и гидросферы, сейсмологии, гляциологии, а также в геофизических методах разведки полезных ископаемых зависит от возможности определения состава веществ, связанных с изучаемыми явлениями.

Контролировать технологические процессы в металлургии, газо- и нефтеперерабатывающей, топливной, машиностроительной и других отраслях промышленности можно лишь определяя количественный состав вовлеченных в производство веществ и динамику его изменения.

При всем многообразии и существенности различий исследуемых веществ и контролируемых процессов, применение универсальных аналитических методов оказывается наиболее эффективным. Среди этих методов масс-спеирометрия выделяется широтой своих возможностей и позволяет определять химический, элементный, изотопный, зарядовый состав частиц: ядер, ионов, атомов и/или молекул. Высокая точность и чувствительность масс-спектрометрии, стабильность и хорошая воспроизводимость результатов, возможность полной автоматизации процесса измерения дают большие преимущества этому способу по сравнению с другими.

Одной из важнейших задач физики, химии, экологии, ряда прикладных наук является количественное определение состава исследуемых проб в масштабе реального времени. Прямые измерения часто оказываются единственно возможным источником информации при мониторинге состава исследуемых проб, когда перенос образца.к-стационарному прибору невозможен, или связан с разбавлением, загрязнением, протеканием химических реакций, а также при изучении изменяющихся во времени процессов.

Очевидно, что проблема разработки и создания масс-спектрометров, которые обладали бы высокой чувствительностью и, одновременно, отвечали ряду дополнительных требований: малые размеры и вес, малая потребляемая мощность, автономность работы при полной автоматизации процесса измерения, простота управления, высокая надежность, простота

конструкции, невысокая стоимость, направленные на решение широкого круга научных и технологических задач, является актуальной.

Цель работы: Развитие нового направления приборостроения - малогабаритной масс-спектрометрии, заключающегося в разработке принципов построения портативных масс-спектрометрических систем для определения химического, элементного, изотопного и ионного состава ансамблей заряженных или нейтральных частиц в режиме реального времени.

Для е2 достижения необходимо было решить следующие проблемы:

1. Обосновать выбор типа масс-анализатора и его ионно-оптической схемы при создании портативных приборов для определения химического, элементного и/или изотопного состава образца, а для ионов - и сведений об их зарядовом составе. Выбор схемы и конструкции должен учитывать особенности объекта исследования и обеспечивать эффективное введение пробы в малогабаритный масс-спектрометр как в виде нейтральных частиц из различных фазовых состояний, так и в виде заряженных частиц, а также обеспечивать возможность проведения работы в жёстких условиях эксплуатации.

2. Предложить пути кардинального снижения пределов определения и повышения точности измерений при изучении состава образцов портативными масс-спектрометрами.

3. Разработать алгоритм расчета ионно-оптических схем. В соответствии с предложенным алгоритмом провести расчет оптимальных ионно-оптических схем.

4. Построить и испытать приборы для:

- определения состава потоков заряженных частиц лабораторной и космической плазмы,

- экологического мониторинга летучих веществ и газов в воздушных и водных образцах.

Научная новизна. Следующие результаты получены впервые в настоящей диссертации.

1. Разработан алгоритм расчета малогабаритных магнитных масс-спектрометров высокой чувствительности для экспресс анализа состава ионов лабораторной и космической плазмы.

2. Предложен и разработан алгоритм расчета малогабаритных магнитных масс-спектрометров секторного типа для быстрого анализа образцов сложного химического состава в экологических исследованиях и при контроле технологических процессов в промышленности.

3. Предложены и разработаны способы введения большой группы газов и летучих органических компонентов из воздушных и водных проб в масс-спектрометр через

многомембранные системы, обеспечивающие обогащение проб целевыми соединениями до миллиона раз в режиме стационарного и нестационарного напуска.

4. Разработан уникальный полетный масс-спектрометр для прямого исследования солнечного ветра, с помощью которого впервые получена информация о распределении тяжелых компонентов от гелия до железа в отдельных потоковых структурах.

5. Разработаны и созданы первые в России малогабаритные автоматизированные масс-спектрометры для мониторинга токсичных соединений в режиме реального времени.

Научная и практическая значимость результатов работы

В соответствии с разработанным в диссертации алгоритмом создан портативный масс-спектрометр для анализа элементного и зарядового состава солнечного ветра в широком диапазоне измеряемых масс. В составе комплекса измерительной аппаратуры на спутнике "Прогноз-Ю-ИНТЕРКОСМОС" прибор позволил определять состав заряженных частиц в нестационарных потоках в межпланетном пространстве. В результате эксперимента, проведенного в рамках программы «ИНТЕРШОК», с его помощью впервые были уверенно зарегистрированы ионы элементов от гелия до железа включительно в потоках с различными характеристиками.

Разработаны малогабаритные секторные магнитные масс-спектрометры для изучения химического и элементного состава газообразных проб и растворенных в жидкостях веществ, обеспечивающие быстрый анализ сложных многокомпонентных смесей в режиме реального времени. В соответствии с предложенным алгоритмом, созданы масс-спектрометры для анализа воздушных и водных образцов в экологических исследованиях, прошедшие испытания в России, в ФТИ им. А.Ф.Иоффе, и в США, в Constellation Technology Corporation, в 1996 и 1997 годах. Приборы позволили проводить прямые измерения состава сложных газовых смесей в автоматическом режиме и в этом классе являлись одними из первых в мире. Опытные образцы испытаны при каротажных работах на буровых установках в Новом Уренгое и при проведении экологического контроля. Разработаны способы избирательного введения в масс-спектрометр большой группы летучих соединений и газов, прежде всего, ароматических углеводородов и их галогенпроизводных, а также нормальных алканов и других соединений из воздушных и водных проб. Оснащение малогабаритных приборов такими устройствами, позволило довести пределы определения по этим компонентам до уровня единиц мкг/кг, превзойдя по чувствительности зарубежные аналоги.

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту

1. Алгоритм расчета малогабаритных магнитных масс-спектрометров высокой чувствительности для определения состава ионов в потоках низкой плотности и обоснование выбора их параметров.

2. Разработка новой ионно-оптической схемы малогабаритного магнитного масс-спектрометра для быстрого анализа образцов сложного состава в режиме реального времени, алгоритм расчета её параметров.

3. Новые способы введения летучих органических компонентов и газов из газообразных и жидких сред в масс-спектрометр через многомембранную систему, обеспечивающие избирательное обогащение проб исследуемыми компонентами в миллион раз по сравнению с прямым вводом образца, как в дискретном, так и в непрерывном режимах измерения.

4. Разработка и испытание оригинальных систем ввода газообразных и жидких проб, оснащенных электрическими, тепловыми или механическими затворами и обеспечивающих автоматизированную подачу образца в малогабаритный масс-спектрометр.

5. Разработка высокочувствительного масс-спектрометра для исследования солнечного ветра в прямом космическом эксперименте на аппарате Прогноз-10. Результаты впервые выполненных измерений распределения тяжелых элементов до железа включительно внутри отдельных потоковых структур солнечного ветра.

6. Разработка первых в России малогабаритных масс-спектрометров для определения состава воздушных проб и растворенных в воде компонентов, обеспечивающих чувствительность на уровне 1 мкг/кг, более высокую, чем у современных зарубежных аналогов. Результаты испытаний.

Достоверность основных результатов и выводов диссертации подтверждается тем, что предложенные в диссертации способы и подходы к разработке масс-спектрометров позволили создать малогабаритные статические приборы высокой чувствительности, основные характеристики которых, полученные экспериментальными методами, находятся в хорошем согласии с результатами численного моделирования. Достоверность метрологических характеристик созданных масс-спектрометров обеспечена использованием аттестованного лабораторного оборудования и аттестованных стандартных образцов.

Апробация работы. Результаты работы представлены в докладах 5-ой Международной конференции по ускорительной масс-спектрометрии (1990 г., Париж, Франция), 14-ой

Международной конференции по радиоуглероду (1991 г., Тусон, США), 1-ой Всесоюзной конференции по аналитическому приборостроению (2002 г., Санкт-Петербург, Россия), 3-ей Международной конференции "Масс-спектрометрия в экстремальных условиях" (2002 г., Калифорния, США), международной школе-семинаре "Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии" (2002г., 2004г., Звенигород, Россия), 4-ой и 5-ой Международных конференциях "Масс-спектрометрия в экстремальных условиях" (2003 г. и 2005 г., Флорида, США), а также в материалах 6-ого Международного конгресса «Вода: экология и технология» «ЭКВАТЭК-2004» (2004 г., Москва, Россия).

За разработку портативного масс-спектрометра и его применение в спутниковом эксперименте по исследованию солнечного ветра диссертант в составе группы соавторов награжден Золотой медалью по физике на 1-ой Всемирной выставке молодых изобретателей (1985, Болгария).

Публикации. Материалы диссертации отражены более, чем в 40 печатных работах, среди которых 7 авторских свидетельств, 1 патент, 20 статей, опубликованных соискателем в реферируемых отечественных и зарубежных научных журналах, а также препринты, научные статьи в сборниках, тезисы докладов на всероссийских и международных конференциях. Основные публикации [1-38] приведены в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения. Общий объем диссертации составляет 274 страницы текста, включая 18 таблиц, 94 рисунка. Библиография содержит 160 наименований.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность и перспективность темы исследования, сформулирована цель работы, перечислены её основные результаты, показана их научная и практическая значимость, указаны положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе описаны традиционные способы определения состава образцов различной природы, используя которые формируется современный парк портативных приборов для автономного анализа. Отмечены их основные достоинства и недостатки. Обсуждаются преимущества аппаратуры, в которой применяется масс-спектрометрический способ анализа. Особое внимание уделено гибридным методам, с одной стороны, обеспечивающим

повышение селективности и чувствительности аналитической аппаратуры, а с другой стороны, приводящим к усложнению ей конструкции.

Определены области научного и технологического применения, перспективы развития которых зависят от создания новых портативных приборов. Описаны известные методы и системы анализа, применяемые как для исследований космической и лабораторной плазмы, так и для решения экологических и технологических задач. Отмечена необходимость учета специфики объекта исследования, особенно при создании малогабаритного измерительного комплекса и, прежде всего, при выборе способа введения образца в прибор, а также способа ионизации и проведения масс анализа. Подчеркнута привлекательность использования для /я-5('/и анализа мембранных материалов, обладающих высокой проницаемостью по летучим органическим веществам и некоторым газам, показана высокая эффективность определения следов указанных соединений в различных матрицах с помощью этих материалов.

Отмечено, что для решения задач масс-спектрометрического определения элементного состава тяжелых металлов в воде чаще других используются приборы, оснащенные источниками с индуктивно связанной плазмой. Они обладают высокой чувствительностью и могут быть успешно применены в условиях лаборатории. Однако этот способ анализа требует, с одной стороны, большого количества вводимого в прибор образца, а, следовательно, большой потребляемой мощности и частой профилактической очистки конструкций источника, а с другой стороны - предварительной подготовки исследуемого образца. И то и другое недопустимо при создании портативных, автономных систем, предназначенных для проведения экспресс анализа. Отмечено, что ни один из способов ионизации, применяемых в настоящее время при обнаружении тяжелых металлов в воде, не может быть реализован в мобильном автоматизированном приборе с малым энергопотреблением.

Описанные в первой главе проблемы требуют привлечения новых подходов к их решению. Эффективность применения портативных масс-спектрометров, в равной мере зависит как от характеристик, определяющих их аналитические возможности, таких как чувствительность, разрешающая способность, селективность, так и от их веса, габаритов, потребляемой мощности, скорости проведения анализа, надежности работы в полевых условиях. Конструкция прибора должна допускать возможность полной автоматизации процесса измерения и обеспечивать возможность проведения анализа в масштабе реального времени.

Вторая глава посвящена разработке компактных и надежных масс-анализаторов, обладающих высокой чувствительностью и предназначенных для проведения внелаборагорного мониторинга в режиме реального времени. Применение их в космических исследованиях, экологии, геофизике, а также в промышленном технологическом контроле становится актуальным, лишь в случае, если увеличить чувствительность и/или

быстродействие таких систем в десятки раз, по сравнению с аналогами. Показано, что статические магнитные масс-спектрометры в значительной степени удовлетворяют общим требованиям малогабаритных систем, в особенности тем из них, в которых используются масс-анализаторы призменного или секторного типов на постоянных магнитах.

Приборы призменного типа, обладая большой дисперсией по массе, обеспечивают высокое разрешение даже при малых размерах магнитной системы [В.М.Кельман, С.Я.Явор. Электронная оптика. Наука. Л., 1968. 487 С.]. В настоящей работе впервые призменная магнитная линза была использована для разделения ионов по массе в пространстве скоростей, а не координат, как в традиционных масс-спектрометрах. Это достигается за счет последовательного расположения электростатического и магнитного анализаторов с коллинеарной направленностью электрического и магнитного полей в плоскостях обращенных друг к другу окон.

Для частиц, движущихся в средней плоскости зазора магнита (рис.1) у =0, ц/|=у2 =0 в однородном поле, выполняется соотношение sinib - sin9i= h/p, где р - радиус кривизны траектории движения заряженной частицы, h - протяженность магнита вдоль оси х. Введение коллиматора, ограничивающего доступ частиц в магнит в пределах малых значений и vyi, даёт возможность получать спектр масс этих частиц по спектру энергий, соответствующих одной из составляющих их скорости на выходе из магнита:

Mv,2/(2ß) = £0/Ö(l--5-—-) = £,/б , (1)

' 0 a2(ejq*m/qy "

mv,2 /(20) ^

H*h2

a2m/q

-EJQ

(2)

где: М — масса, С? - заряд, V - скорость, Ео —полная энергия частиц на входе в магнит, Н -напряженность магнитного поля, А - числовой коэффициент.

Определение масс-спектра по величине энергии Ех/д=Е0/<Зсо52Э2 (1) в работе проводится с помощью расположенных перед магнитом и за ним цилиндрических конденсаторов (радиусы обкладок: Г] и Гг, Гэ и Г4, секторные углы: ф1 , фг), оси симметрии которых

параллельны осям симметрии длиннофокусных цилиндрических линз, образованных входной и выходной границами магнита.

У

Рис.1

Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле с параллельными границами входа и выхода.

Схема представлена на рис.2. Первый конденсатор (Юза-Рожанского) с секторным углом Ф1= л/2"2 пропускает частицы исследуемого потока в узком диапазоне энергий Ео± Ео (гг— п)/(г1+ гг). Второй конденсатор с секторным углом фг5 я/2зл позволяет получить масс-спектр частиц по спектру энергии Е*. Иоппо-оптические свойства двумерных магнитных и электрических полей хорошо согласуются между собой. Выбор оптимальных параметров этих линз позволяет собирать ионы с энергией ЕХ(М) в линию и проводить масс-анализ, исключив принципиальное влияние размера входного окна системы в 2 направлении на её характеристики. Разрешение по массе такой ионно-оптической системы определено с учетом электростатических [В.П.Афанасьев, С.Я.Явор, Электростатические анализаторы для пучков заряженных частиц. М.: Наука. 1978. 224 е.] и магнитных [К.Бейнбридж. Динамика и оптика заряженных частиц. - В кн.: Экспериментальная ядерная физика. М.: Иностранная литература. 1955. Т.1. С.495-592.] линз. В приближении длиннофокусной линзы выходной границы магнита оно может быть представлено в виде:

м/д tg2(д2) Е; 1 1 сова/ 1 2 г,+г2

где с - константа, (1ЕХ/ЕХ (&/= у; =0) — разрешение конденсатора (ф23 я/2зл) по энергии при отсутствии углового разброса ионов на входе магнита.

По этой схеме построен прибор для исследования солнечного ветра в эксперименте ИНТЕРШОК, осуществленном на аппарате Прогноз-Ю-ИНТЕРКОСМОС. Благодаря отсутствию принципиальной зависимости разрешающей способности портативного масс-анализатора, с габаритами (10х10х20)см3, от протяженности входного окна прибора, схема позволила обеспечить большую величину площади этого окна (~1 см2).

Проведение масс-анализа ионов по величине Ео/<3 эт2?^ не требует предварительного анализа частиц по энергии, так как указанная величина имеет слабую зависимость от исходной энергии (2). Этим объясняется применение в схеме одного электростатического конденсатора, расположенного за магнитной системой. Схема приведена на рис.3. Разрешение такой схемы определяется свойствами электростатического конденсатора и в приближении длиннофокусной линзы выходной границы магнита может быть представлено выражением:

М/д Ег 51п52

ЛГ. О, ^

Рис.2. Схема масс-спектрометра для исследования солнечного ветра. 1-коллиматор, 2- энергоанализатор,

3-масс-анализатор (включает постоянный магнит и конденсатор)

Рис. 3. Схема масс-спектрометра для исследований лазерного источника многозарядных ионов. 1-коллиматор, 2 и 3-масс-анализатор,

4-детектор.

Применение схемы позволяет исключить принципиальную зависимость разрешающей способности масс-анализатора от величины исходной скорости ионов, а точнее, от её нормальной составляющей, что обеспечивает высокую чувствительность при определении состава потоков частиц с широким распределением по энергии. Эта схема использована при создании прибора для исследования потоков лазерной плазмы.

В соответствии с предложенным в работе подходом, разработаны малогабаритные магнитные анализаторы с большим геометрическим фактором, обладающие чувствительностью, которая в десятки и сотни раз превышает чувствительность аналогов. Реальные аппаратурные функции описанных схем определены с помощью численного моделирования, проверены экспериментально и представлены в главе 4.

Применение секторных магнитов в портативных масс-спектрометрах оказывается предпочтительным в случаях, когда источник ионов можно вписать в ионную оптику прибора. В диссертации разработан подход к созданию портативных масс-спектрометров секторного типа для экологических исследований. Такой подход позволил существенно уменьшить размеры и вес приборов, сохранив при этом их основные аналитические характеристики.

Большинство портативных секторных анализаторов, применяемых в настоящее время, работают в режиме последовательного сканирования ускоряющим напряжением в источнике ионов. Такой режим ограничивает чувствительность и скорость измерения, так как ионные пики в этом случае регистрируются поочередно. Применение позиционно-чувствительных детекторов, в которых используются микроканальные пластины или/и ПЗС матрицы, не решает проблемы полностью, так как обеспечивает линейный отклик детектора лишь в ограниченном динамическом диапазоне (104-105), что недостаточно для их широкого и эффективного применения. Кроме того, проведение одновременного анализа многокомпонентных смесей в большом диапазоне масс в современных инструментах такого типа затруднено, из-за близкого расположения области фокусировки ионного пучка к магниту.

В настоящей работе предложен подход к построению портативного масс-анализатора секторного типа, в котором, по сравнению с наиболее близкими аналогами [M.P.Sinha, et al, Proceedings of the 3rd Workshop on Harsh-Environment Mass Spectrometry. Passadena:CA, March 25-28, 2002.], созданными по схеме Маттауха-Герцога [Mattauch J., Herzog R., Uber einenneuen Massenspektrogrphen. Z.Phys., 1934, Bd.89,786-795 ], получены следующие преимущества:

а)область фокусировки удалена от выходной границы магнитной линзы, что позволяет исключить влияние магнитного поля на вторичные электронные умножители применяемые в качестве высокочувствительных детекторов в портативных приборах,

б)вдвое увеличена дисперсия масс-анализатора для тяжелых ионов, что уменьшает плотность заряда на детекторе, увеличивая его динамический диапазон,

в) вдвое уменьшены размеры и вес магнитных линз, что особенно важно для прибора в портативном исполнении,

г) геометрия пучка в области фокусировки тяжелых ионов, позволяет за счет применения линейного сегментного детектора в режиме одновременного измерения многокомпонентных смесей, обеспечить динамический диапазон регистрации ионов на два

Рис.4. Масс-спектрометр, схема и свойства

а.схема прибора,

б.зависимости величин оптимальных углов выходной границы магнита рорЬ, обеспечивающих наибольшее разрешение схемы (1-при го/гт=0,4; 2- при го/гт=1,5), и углов выходной границы р, совпадающей с хордой (0-0), стягивающей секторный угол у равновесной траектории ионов в магните (3), от угла у (углы представлены в градусах),

с.зависимость относительной величины разрешающей способности схемы от секторного угла магнита при различных углах его выходной границы: 1) р=р0Р1,2) р=0, 3) р= (л-у)/2.

На рис.4а представлена схема, состоящая из ионного источника 1, цилиндрического конденсатора 2 и секторного магнита 3 с регулируемым углом его выходной границы, результаты исследования которой позволили определить подход к решению поставленной задачи. На рис.4б представлены зависимости оптимальных значений углов выходной границы магнита, р0Р|, от его секторного угла у. Наибольшая разрешающая способность для каждого выбранного угла у достигается при выполнении определенного соотношения между у и Р(у)0Р|„ зависящего от отношения радиусов траекторий движения частиц в магнитном, гт , и

электрическом, го > полях. Значения Р 0pt при го/гт = 0,4 (выбранные значения ro/rm являются граничными для рассматриваемой области и определяются соотношением между величиной дисперсионной способности магнита и величиной аберраций электростатического анализатора, обеспечивающих, в пределах этих границ, требуемую величину разрешающей способности прибора, при малых размерах и весе анализатора) лежат на границе 1, при го/гт= 1,5 - на границе 2. р opt для промежуточных значений ro/rm находятся в области между этими границами.

На рис.4с представлена зависимость максимальной разрешающей способности схемы (М/ДМ)тлх, в относительных единицах ей наибольшего значения {(М/ДМ)тк}ти, от величины секторного угла магнита у для разных углов наклона выходной границы магнита: 1- при оптимальном угле наклона р=р opt . 2 - при р=0 и 3 - при прямой выходной границе (0-0) магнита р= (л-у )/2.

Выбор криволинейной выходной границы магнита позволяет в конструкциях с малой величиной секторного угла у обеспечить более высокую разрешающую способность для ионов с наибольшей массой, сохраняя разрешающую способность частиц меньших масс на уровне необходимом для их разрешения. Общая конфигурация схемы предлагаемого масс-спектрометра представлена на рис.5, где: R max - радиус траектории ионов наибольшей измеряемой массы, Ro и Ф - средний радиус и секторный угол цилиндрического конденсатора соответственно, г - радиус кривизны выходной границы магнита, di - расстояние между источником ионов и электростатическим конденсатором, d2 - расстояние между конденсатором и магнитом.

Линия фокусов

конденсатор, 3 - полюсники магнита, 4- детектор.

1-ионный источник, 2 - цилиндрический

Рис.5. Ионно-оптическая схема масс-спектрографа:

Величины И.о и Ятах выбраны, исходя из требований к диапазону измеряемых масс и к разрешающей способности прибора, у тах - из требований к разрешающей способности,

габаритам и весу прибора, г - из требований к соотношению разрешающей способности прибора для лёгких и тяжелых масс. Границы интервалов значений (1| и 62 выбраны с учетом требований к размерам портативного прибора, а значения Ф - из оптимального соотношения с величиной утах . с1|, ¿2, Ф определены по результатам численного расчета ионно-оптической схемы, дающей максимальную разрешающую способность. Параметры схемы связаны соотношениями:

я/3 >^2:^/4,

йтах/з>4 >о,

Гтгх /2+ Я78 £ Ф £ Гю* /2 + - 8"

Эта схема, совместно с оригинальной детектирующей системой, в виде линейного сегментного детектора, описанной в шестой главе настоящей работы, позволяет повысить чувствительность анализа до уровня лучших современных портативных инструментов и превзойти их возможностью проведения одновременного анализа групп соединений в широком динамическом диапазоне.

Третья глава посвящена развитию новых подходов к разработке систем введения пробы в масс-спектрометр. Такие системы необходимы для кардинального снижения пределов определения компонентов в образцах, отличающихся своей природой и состоянием и, в то же время, позволяют изучать состав проб в режиме реального времени без предварительной подготовки.

В разделе «мембранные системы ввода» рассмотрены методы введения проб через многомембранные системы, позволившие добиться того, чтобы общий эффект относительного обогащения образца летучими компонентами с использованием системы мембран был результатом умножения эффектов, полученных для каждой из мембран.

Впервые предложен и разработан метод дискретного циклического введения газов и летучих веществ из воздушных и водных проб через многомембранную систему ввода. Схема устройства представлена на рис.6. Суть метода заключается в том, что в каждом цикле следом за подачей образца к системе ввода, в пределах интервала нестационарного нарастания потока, парциальное давление компонентов за очередной мембраной растет в зависимости от проницаемости мембраны по каждому их этих компонентов и перепада давления на ограничивающих её поверхностях. Эффект обогащения становится максимальным при выполнении условий (3):

a)состав образца должен быть однородным,

b) к) >>кт,

c)Г«»>,„или Р]п » <1) х1 «I,

где к - проницаемость мембран, т - материал матрицы, ] — исследуемые компоненты, п -порядковый номер промежуточного объёма У„, расположенного между соседними мембранами, Р„ - парциальное давление в объеме У„, т - время установления стационарного потока через одну мембрану, время установления стационарного потока через систему мембран.

При выполнении условий (3) система уравнений, описывающая диффузию компонентов через многомембранную систему, существенно упрощается, а её интегрирование дает зависимость парциального давления перед последней мембраной от времени:

где N — количество одинаковых мембран в системе, Реи — парциальное давление ^ого компонента в образце, Б- площадь мембран, V = У„ для систем с одинаковыми объемами. При этом эффект обогащения составляет:

1) трубка с образцом,

2) пьезокерамический затвор,

3) корпус,

4) вакуумные уплотнения,

5) силиконовые мембраны и

6) вентили, соединяющие систему с насосом.

Рис.6. Трехмембранная система ввода

Выбор совокупности статических и динамических параметров осуществляется в соответствии с зависимостями, представленными на рис. 7 и с условиями (3), которые можно представить через параметры системы:

t « VI /(kjS) и tJ-a, г j = 2.342-/2

где I- толщина мембран, Dj - коэффициент диффузии компонента j через мембрану.

Рис.7. Изменения потоков

компонентов j (1,2,3) через многомембранную систему ввода в каждом цикле измерения на временных шкалах ~ 11, t п или t ш и относительное обогащение исходного образца летучими компонентами].

В случаях, когда требуется получить аномально высокое обогащение образца целевыми компонентами, метод дискретного циклического введения веществ через систему трех и более мембран становится особенно эффективным.

Используя способ сопряжения газового хроматографа с масс-спектрометром, предложенный ранее Левеллином [P.M. Llewellyn, D.P. Littlejohn, Conference on Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy, Pittsburgh, PA USA, 1966] в диссертации рассчитана, разработана и создана система ввода летучих компонентов и газов из воздушных и водных образцов в масс-спектрометр. На рис.8 представлена её схема. Основными её элементами являются две мембраны, разделенные объемом, из которого производится непрерывная откачка образца через регулируемый вентиль. Основным условием, обеспечивающим высокую степень обогащения, является выбор скорости откачки компонентов смеси через этот вентиль: её величина должна быть выше, чем через вторую мембрану.

Рис.8. Схема системы стационарного ввода

1- первая мембрана,

2- вторая мембрана,

3- регулируемый вентиль,

4- фланцы,

5- технологический вентиль.

4

При выполнении этого условия эффект относительного обогащения обеспечивается в стационарном режиме и определяется выражением:

Е = {к"иУк'\тШ'и)1к\тЖМЦ)1М(.т))и\

где к1 (],т), к" (¡,т)— проницаемости первой и второй мембран для компонента] и матрицы т, МО,га) - молекулярная масса компонента и матрицы.

Рассмотренная система ввода оказывается особенно эффективной при анализе воздушных и водных образцов, в случае, если допускается задержка отклика > 3 минут.

Задача определения неорганических веществ и, прежде всего, солей металлов, содержащихся в растворах, используя малогабаритные масс-спектрометры, является более сложной, но столь же важной для исследований в области экологии и медицины. В настоящей работе предложен подход к ей решению. В соответствии с ним разработана система, обеспечивающая струйный ввод жидких проб в портативный масс-спектрометр, вакуумную экстракцию солей из исследуемых растворов и их термодесорбцию (рис.9).

Рис.9. Схема портативного масс-спектрометра для определения состава растворенных в воде солей.

1-поршень, 2-инжектор, 2б-ниппель, 3-форобъем, 4-ловушка, 5-п/п холодильник, 6-блок экстрактора, 7-клапан, 8-коромысло, 9-нить накала, 10-спираль, 11-источник ионов, 12-масс-спектрометр, 13-детектор, 14-насос, 15-вентили, 16-термопара.

При проведении анализа исследуемые порции образца (3+1 Омг раствора) вводятся на вольфрамовую спираль 10. Растворитель с поверхности спирали вымораживается ловушкой 4 с полупроводниковым холодильником 5, газы из раствора заполняют объем 3, а экстрагированные примеси остаются на спирали. Вакуум внутри ловушки контролируется термопарой 16. Исследуемые вещества после завершения процесса экстрагирования доставляются к ионизационной камере ионного источника И, испаряются и ионизуются. Концентрации этих веществ определяется с помощью масс-спсктрометра 12,13. Такой подход позволил разработать первый малогабаритный масс-спектрометр для проведения анализа состава водных образцов, на присутствие растворенных в них компонентов вплоть до солей тяжелых металлов.

Изучение состава заряженных частиц в космическом пространстве практически во всех случаях связано с проведением исследований в широком диапазоне интенсивностей. Требования к динамическому диапазону могут быть обусловлены как существенным изменением интенсивности потоков во времени, в пространстве координат или скоростей, так и необходимостью изучать спектры элементов низкой и высокой распространенности одновременно. Для расширения динамического диапазона рассчитан и создан входной электростатический фильтр, отличающийся компактностью и ослабляющий поток заряженных частиц до попадания его в анализатор без существенного искажения функции их исходного распределения. Предложенная в работе схема фильтра является эффективной в условиях космического эксперимента, поскольку для рассеивающего потенциала и, подаваемого на элементы фильтра и энергией частиц Е, выполняется соотношение и« Е/(), где С> - заряд иона. Выполнение этого соотношения позволяет проводить управляемое ослабление интенсивности потока заряженных частиц, мало изменяя функцию распределения частиц. За счет введение ослабления потока электростатическим фильтром удается увеличить динамический диапазон сопряженного с ним анализатора на три порадка величины.

Четвертая глава посвящена применению масс-спектрометров для анализа состава потоков ионов солнечного ветра в прямом космическом эксперименте. Исследование межпланетной плазмы в международной программе ИНТЕРШОК проводилось с помощью аппаратуры "БИФРАМ" (рис.10), установленной на космическом аппарате Прогноз-10.

Целью эксперимента было изучение быстрых плазменных процессов в межпланетном пространстве (распространение и взаимодействие ударных волн, взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли и др.) и одновременное определение характеристик корпускулярных потоков солнечного ветра: их плотности, элементного, зарядового и изотопного состава, функции распределения частиц в потоках и других. В состав комплекса исследовательской аппаратуры входил полетный портативный масс-энергоанализатор (рис.

10-а), который впервые обеспечил быстрое определение состава тяжелых ионов в потоках

Рис.10. Комплекс аппаратуры БИФРАМ на спутнике Прогноз-Ю-ИНТЕРКОСМОС. а. портативный масс-спектрометр.

В основу прибора легла ионно-оптическая схема призменного масс-спектрометра (рис.2), в которой высокая чувствительность достигается за счет коллинеарности осей цилиндрических электрической и магнитной линз. Экспериментальная проверка характеристик прибора позволила определить его основные параметры. Они представлены в таблице 1.

Таблица 1

Габариты, вес, площадь входного окна 30x20x1Зсм^ 5,2 кГ, 1 см"*

Угловая апертура 1°х 1° * 2,5° х 2,5°

Разрешающая способность по энергии 4-5-25

Разрешающая способность по массе 30(М/0=2,7), 15(5,1)

Диапазон масс (4-5-56) а.е.м. или (2-5-8) а.е.м./заряд

Диапазон энергий (1,3 + 90) кэВ или (0,68-5-7,6) кэВ/заряд

Пропускание по тяжелым ионам >50%

Выбранный режим работы масс-спектрометра в процессе эксперимента обеспечил непрерывное циклическое сканирование потоков частиц солнечного ветра в автоматическом режиме. В начале каждого цикла по ионам Не++ определялись потоковые характеристики ионов плазмы. Затем, учитывая близость потоковых скоростей различных ионов, проводилось определение состава потоков. Чувствительность прибора по тяжелым компонентам, благодаря большой площади входного окна (~1см2), составила ~10"4 по отношению к Не++. При периоде циклического сканирования ~10 минут, прибор проводил измерения одиннадцати компонентов (в интервале от гелия до железа). За время эксперимента получено более 300 спектров солнечного ветра. По этим данным, наряду с информацией о регулярных потоках,

солнечного ветра.

было идентифицировано событие, связанное с выбросом "холодного" вещества из нижней короны Солнца.

На рис.11 представлены экспериментальные и модельные спектры проведенного исследования, в которых высокое содержание однозарядного гелия в потоке солнечного ветра свидетельствовало о низкой температуре области его зарождения. Результаты наблюдения

таких событий важны для построения моделей ускорения частиц в Солнечной короне.

В четвертой главе также рассмотрена масс-спсктрометри-

Рис.11. Спектры ионов солнечного ветра во время сеанса 30 апреля 1985 года (16.13-16.21UT): верхний - результаты регистрации в каналах М/<3 = 2,0; 2,3; 2,7; 3,5; 4,0; 4,7; 5,1;

нижний - модельный спектр ионов солнечного ветра, построенный с учетом функции пропускания прибора.

ческая система призменного типа, разработанная для исследования зарядового состава частиц в потоках лазерной плазмы и позволяющая с высокой чувствительностью

определять не только состав, но и потоковые характеристики плазмы при широком распределении частиц, как в пространстве координат, так и скоростей. Схема установки и масс-спектры зарядового состава ионов с поверхности алюминиевой мишени показаны на рис.12. Благодаря особенностям схемы, представленной на рис.3, система позволила проводить анализ потока ионов не только по массе, но и по энергии. Исходное распределение частиц по энергии соответствует их координатному распределению на детекторе.

Кроме того, при исследовании частиц, распространяющихся от импульсных источников ионов, применение в рассматриваемой системе времяпролетной методики, позволяет одновременно измерять спектры масс многокомпонентных потоков.

настроечный лазер

Ионный ток

детектор электр о с т атич е с кий анализатор

(m/Q)1> (M/Q)2

27

S

б.

5 МО

Рис.12. Определение зарядового состава лазерной плазмы а. схема установки, б. масс-спектры окиси алюминия

В отличие от анализаторов, применяемых для этой же цели, рассмотренная в диссертации система позволяет определить распределение ионов в потоке лазерной плазмы по массе и энергии без проведения сканирования по этим параметрам, что существенно увеличивает её чувствительность и быстродействие.

Пятая глава посвящена применению рассмотренных в диссертации подходов и методов при разработке масс-спектрометрических систем для анализа состава многокомпонентных

смесей при экологи-ческом

I мониторинге, а также при геофизическом и технологическом контроле.

Рис. 13. Портативный масс-спектрометр

В соответствии с контрактом (№ 95231, 1995-1997гг.) между Constellation Technology Corporation,USA, и Физико-Техническим институтом им. А.Ф.Иоффе РАН, были разработаны и испытаны портативные масс-спектрометры для экологических исследований и технологического контроля. Один из них представлен на рис.13 .

Оснащение малогабаритных масс-спектрометров многомембранными системами ввода, позволило настолько существенно обогащать исследуемые образцы газами и летучими органическими компонентами в процессе подачи пробы в прибор, что пределы определения по этим соединениям удалось снизить до уровня, который обеспечивают современные стационарные анализаторы (мкг/кГ)-

В таблице 2 приведены эффекты относительного обогащения воздушной пробы бензолом, толуолом, стиролом и п-ксилолом, полученные с помощью многомембранных систем ввода. Эффект от их использования может быть полностью или частично использован для снижения пределов определения по этим компонентам, за счет увеличения площади мембран в системе.

Таблица 2. Обогащение воздушных смесей летучими органическими компонентами с

помощью левеллиновской и трех-мембранной систем ввода

Соединение (концентрация) бензол (7,8 мг/м3) толуол (7,5 мг/м3) стирол (5,6 мг/м3) п-ксилол (5,7 мг/м3)

Относительное обогащение

Система Левеллина 2,6.105 5,5*105 8,5.105 10,5.10'

Система из 3-х мембран 0,63 «Ю5 0,75 .105 0,43 .105 0.58.103

Таблица 3. Пределы определения летучих органических компонентов в воздухе и воде, полученные на портативном масс-спектрометре с многомембранными системами ввода_

Соединение Формула Молек. масса а.е.м. ПДКв воздухе*, мг/кг ПДК в воде*, мг/кг Предел определения мг/кг

1,2-дихлорэтан СН2С1СН2С1 98 2,0 1 0.005

бензол С*Н6 78 0,01 0,1 0.004

толуол СбНзСНз 92 0,01 0,5 0.005

стирол С8Н„ 104 0,03 0,1 0.005

изопропилбензол С6Н5СзН7 120 0,01 0,1 0.006

этилбензол С6Н5С2Н5 106 0,015 0,01 0.005

ацетон СНзСОСНз 58 0,25 2,2 0.120

хлороформ СНС13 118 0,1 0,06 0.030

винилхлорид СН2СНС1 62 0,01 0,05 0.003

1,1,2,2-тетрахлорэтан С2Н2С14 166 0,05 0,2 0.008

ксилол С8Н,о 106 0,2 0,05 0.010

хлорэтан С2Н5С1 64 0,2 0,2 0.006

трихлорэтилен С2НСЬ 120 3,0 - 0.030

""Гигиенические нормативы", 2.1.5.689-98, Минздрав России, Москва, 1998г.

Он может быть использован также для уменьшения потока вещества матрицы в прибор, что приводит к многократному увеличению ресурса его непрерывной работы и оказывается особенно важным для портативных анализаторов. Результаты исследований, проведенных с

использованием оригинальных масс-спектрометров с многомембранными системами ввода, представлены в таблице 3. Здесь же приведены требования гигиенических нормативов Минздрава России. Показано, что разработанные в диссертации портативные масс-спектрометры, позволяют определять концентрации большинства предусмотренных нормативами токсичных веществ ниже уровня ПДК как в воздухе, так и в воде.

Используя предложенный выше подход, по заказу Газпрома, разработан, и испытан на буровых Нового Уренгоя опытный образец первого отечественного, мобильного масс-спектрометра для геофизических исследований.

Основные характеристики масс-спектрометров для решения задач экологии и технологического контроля представлены в таблице 4.

Табл.4. Основные параметры и характеристики

а) сканирующего масс-спектрометра:

Пределы определения концентрации газов и летучих органических веществ в воздухе и воде (величина зависит от сорта примеси и требуемой точности

измерения).............................................................................1мг/кг-5-1 мкг/кг;

Диапазон масс.....................................................................:.... 10-250 а.е.м.;

Количество последовательно измеряемых компонентов...............................до 20;

Время измерения одного компонента в зависимости от концентрации............0,1-5-10 с;

Масса прибора ......................................................................................................20-30 кг;

Габариты прибора .................................................................................570*370*230 мм3;

Потребляемая мощность (в зависимости от режима измерения)..............25 - 500 Вт;

Питающее напряжение............................................................................................12-=-15 В.

б) масс-спектрографа:

Пределы определения концентрации газов и летучих органических веществ в воздухе и воде (величина зависит от сорта примеси и требуемой точности

измерения)..............................................................................1мг/кг-5-1 мкг/кг;

Диапазон масс.............................................................................2-250 а.е.м.;

Количество одновременно измеряемых компонентов....................................~ 30;

Время измерения полного спектра масс в зависимости от концентрации..........0,1-5-10 с;

Масса прибора .......................................................................................................~20-30 кг;

Габариты прибора (ориентировочно).....................................................-500*400*300 мм3;

Потребляемая мощность (в зависимости от режима измерения)...........25 - 500 Вт;

Питающее напряжение........................................................................................12+15 В.

Шестая глава посвящена расчету, моделированию и экспериментальной проверке масс-спектрометра, для определения солей металлов в морской воде.

Рассматривается ионный источник с электронным ударом новой геометрии, обеспечивающий эффективную ионизацию паров экстрагированных из морской воды солей после их прогрева. Ионный источник совместно с описанной выше системой ввода (рис.9) позволяет проводить автоматическое, циклическое определение содержания тяжелых металлов (Ре, 2.п, Сс1, Сг, Си, РЬ, Мп и др.) в пробах, подаваемых последовательно в масс-спектрометр. Схема совмещения ионного источника с системой ввода образца, представлена на рис.14. Проба, введенная через струйную систему ввода и захваченная конической вольфрамовой спиралью, которая и используется далее в качестве подложки, высушивается в форвакуумной камере. Затем спираль встраивается в ионно-опгическую схему масс-спектрометра и после прогрева (200-1200°С) становится источником исследуемых частиц.

При низкотемпературном прогреве соли металлов испаряются в основном в виде нейтральных молекул. Их ионизация в источнике осуществляется с помощью электронного удара. Источником электронов является вольфрамовая нить кольцевой формы, встроенная в средний электрод ионного источника (рис.14.). При более высокотемпературном прогреве соли разлагаются и образовавшиеся чистые щелочные металлы, всегда присутствующие в

морской воде, могут быть зарегистрированы с помощью режима поверхностной ионизации (без электронного удара). В этом случае общий спектр масс содержит лишь пики изотопов щелочных металлов.

Рис.14. Ионный источник и система ввода проб

Предлагаемая в работе ионно-оптическая схема источника обеспечивает высокоэффективный сбор ионов при их малом разбросе по энергии. Расчет схемы производился с помощью программы вшйоп 7, траектории ионов и электронов представлены на рис.15. Ионный источник, созданный в соответствии с проведенным расчетом встроен в портативный сканирующий масс-спектрометр, описанный во второй главе диссертации (2.2.1).

Г окно Vt

l-J,l-J и ISpacal - оииормк!, 1Г101 - каиество псиати, IB) - грамнца, [Ent«rl - начале шшти, LEsel - отиеш

ток экстракт »pa к о,45 А

ЪЪ*

Vh* Vb*

Э9Л 4 jt КН.О

,м»шя

1КВЙЛ

И""!!

-1-

ток экстрактора " 0,7 А

Рис.15.Ионно-оптические свойства источника ионов. 11) — потенциал экстрактора, Чг - выравнивающий потенциал, из — ионизирующий потенциал, и4 - фокусирующий потенциал, и^ = 0.

На рис.16 приведены масс-спектры гпСЬ, полученные с помощью сканирующего масс-спектрометра при ионизации паров образца электронным ударом и различных токах нагрева подложки. Спектры содержат пики как молекулярных (М/<Э = 134, 136, 138, 140), так и осколочных (М/С) = 99,101,64,66 и др.) ионов.

Рис.16.

Фрагменты масс-спектров ZпCl2. Концентрация гпСЬ в водной пробе 500мг/кг.

а) и б) - после введения пробы при токах нагрева экстрактора 0,45А и 0,7 А;

с) - после 5-ти минутного прогрева экстрактора током 1,5А при токе нагрева 1,0 А.

Из рисунков 16.а и 16.6 видно, что пики молекулярных ионов оказываются наиболее интенсивными, а соотношение их площадей сохраняется при изменении температур подложки в широком диапазоне значений. Из рис.16.с следует, что кратковременный, прямой прогрев подложки электрическим током позволяет устранить влияние фоновых молекулярных пиков предыдущих измерений на последующие.

На рис.17 представлены спектры щелочных металлов, содержащихся в 2-х процентном растворе пищевой поваренной соли в дистиллированной воде, полученные с помощью источника той же конструкции, но за счет поверхностной ионизации образца, при температуре ~600°С - 700 °С и при отключенной электронной пушке.

Л

в «л

Kj

я

•О»« I

ичча

\г

т

к 1кпуакюр|*1,0 А

Рис.17. Масс-спектры щелочных металлов 2-х процентного водного

раствора поваренной соли получены с помощью источника с поверхностной ионизацией. Спектры Ыа и К определены при токах нагрева подложки 1,1 А, (-600 °С) , а спектры ЯЬ и Сб - при 1,3 А(~700°С).

Ориентировочное содержание Сэ в поваренной соли по разным данным составляет от 1 до 100 мкг/кг (соотношение пиков Ся и ЯЬ свидетельствует об их природном содержании). Принимая во внимание содержание Сэ в соли, объем вводимой пробы (~5мг) и концентрацию соли в образце (-2%), устанавливаем соответствие между величиной пика М/<2=133 а.е.м. (рис.17), и количеством Сб в пробе. При времени экспонирования 0,1 секунды, амплитуда пика соответствует массе 10""+10"|3г.

Величина абсолютной чувствительности прибора по цезию, при возможности накопления сигнала на детекторе в интервале ~10 секунд, что допустимо при низком фоне поверхностного способа ионизации, находится в пределах 10"13* 10"15 г.

При определении тяжелых металлов в морской воде в автономном режиме необходимо проводить периодическую оцифровку диапазона измеряемых прибором масс ионов на протяжении всего цикла измерений. Режим поверхностной ионизации щелочных металлов используется для решения этой задачи, не требуя введения дополнительных стандартов.

Для увеличения чувствительности масс-спектрометра в шестой главе рассмотрена схема масс-анализатора, обеспечивающая фокусировку первого порядка по углу и по энергии в плоскости перпендикулярной оси г (перпендикулярно магнитному полю), в широком диапазоне масс ионов. Она практически исключает потери частиц, имеющих составляющую скорости в направлении г, что достигается за счет применения сферического электростатического конденсатора, а также за счет выбора угла падения частиц на вход магнита. Предложенная схема позволяет применить в качестве регистрирующего устройства

Г-яаа^

Нщткгр

»»с™ Гостям

["•1,С*-] и С5расе1 - оцифровка, [ПО] - качество печати, !В1 - граница, СЕМег! - начало печати, [Ебс1 - отмена

окно_] иитегу 1

«ост».)

а

1ЭЭ.0

_А_

оригинальный линейный сегментный детектор. Детектор дает возможность обеспечить высокую скорость измерения, с одной стороны, благодаря малой амплитуде меняющегося во времени управляющего потенциала, а с другой стороны, за счет того, что экспонирование любого фрагмента спектра проводится в пределах каждого поддиапазона независимо от других. Проведен расчет, численное и экспериментальное моделирование работы масс-анализатора и детектора.

Экспериментальная проверка макета масс-спектрометра дала возможность оценить пределы определения тяжелых металлов в морской воде по молекулярным ионам. Их значение лежит в интервале 10-8-100 мкг/л. Этому малогабаритному масс-спектрометру в настоящее время нет аналогов.

Основные результаты работы:

1. Разработана ионно-оптическая схема и алгоритм расчета портативного статического масс-спектрометра высокой чувствительности для исследования потоков заряженных частиц с низкой плотностью и широкой функцией распределения. Схема позволила в десятки раз увеличить чувствительность прибора за счет разделения частиц по массе в пространстве скоростей, а не координат, как в традиционных анализаторах.

2. Получены аналитические соотношения, позволяющие формализовать алгоритм расчета статических портативных масс-спектрометров секторного типа с разнесенными электрическим и магнитным полями, конструкции которых позволяют определять состав пробы в широком диапазоне масс без сканирования. В схеме масс-спектрографа использована магнитная линза с малой величиной секторного угла, позволяющая за счет выбора оптимальной формы выходной границы, с одной стороны, обеспечить широкий динамический диапазон измерений, а с другой стороны, при малом весе и размерах, сохранить высокую разрешающую способность прибора.

3. Разработан высокочувствительный портативный масс-спектрометр для исследования состава нестационарных потоков солнечного ветра в программе «ИНТЕРШОК». Впервые получена информация о концентрации ионов от железа до гелия в отдельных потоковых структурах солнечного ветра, в прямом спутниковом эксперименте на аппарате «Прогноз-10».

4. Разработаны малогабаритные масс-спектрометры для анализа состава воздушных образцов и растворенных в воде веществ в экологических исследованиях и при технологическом контроле, превосходящие зарубежные аналоги по чувствительности и обеспечивающие пределы определения ~1 мкг/кг для большой группы летучих органических компонентов без предварительного обогащения.

5. Предложены и разработаны способы введения газов и летучих органических соединений из воздушных и водных проб в масс-спектрометр с помощью многомембранных систем ввода, в которых осуществляется:

а) циклическое введение пробы и нестационарный режим перетекания её через последовательно расположенные, однотипные полидиметилсилоксановые мембраны,

б) стационарный режим перетекания компонентов пробы через систему ввода, включающую как полидиметилсилоксановые мембраны, так и регулируемое отверстие в диафрагме.

Применение многомембранных систем обеспечивает обогащение пробы летучими компонентами до шести порядков величины по сравнению с прямым вводом, на примере н-алканов, ароматических углеводородов и их галогенопроизводных, и позволяет существенно снизить пределы определения анализатора и уменьшить доступ в вакуумную камеру основных малоинформативных компонентов пробы.

6. Предложены, разработаны и испытаны новые системы ввода образца диафрагменного, мембранного и струйного типов в портативный масс-спектрометр. Они позволяют автоматизировать дозировку потоков образца из атмосферы в вакуумную камеру в широких пределах (10"4-10"8) л торр/с.

7. Рассчитан, разработан и испытан ионный источник, обеспечивающий высокую эффективность определения состава солей в водных растворах. Малогабаритный масс-спектрометр, оснащенный таким источником, позволяет обеспечить чувствительность определения солей тяжелых металлов в водных растворах на уровне десятков мкг/л.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1 .В.Н.Гартманов, В.Т.Коган, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов. О возможной привязке высокоскоростных потоков солнечного ветра к короналышм структурам. Л.: Изд. ЛИЯФ. Труды Ленинградского Семинара, ФТИ. 1978. С.308-317.

2.В.Н.Гартманов, В.Т.Коган, А.К.Павлов. Масс-спсктрометр. Авторское свидетельство №993362. 1983. Бюллетень изобретений №4.

3.В.Н.Гартманов, В.Т.Коган, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов. Масс-спектрометр. Авторское свидетельство №1061193. 1983. Бюллетень изобретений №46.

4. Г.Е.Кочаров, В.Н.Гартманов, В.Т.Коган, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов, А.А.Харченко, Ю.В.Чичагов. Эксперимент по определению состава солнечного ветра. - В кн.: Энергичные частицы и фотоны от солнечных вспышек. Л.: Изд. ЛИЯФ. 1984. С.105-117.

5.В.Т.Коган, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов, А.А.Харченко, Ю.В.Чичагов. Масс-энергоанализатор. Авторское свидетельство №1185430. 1985. Бюллетень изобретений №38.

6. В.Н.Гартманов, В.Т.Коган, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов. Масс-спектрометр. Авторское свидетельство №1173465. 1985. Бюллетень изобретений №30.

7.В.Т.Коган, А.К.Павлов. Расчет электрических полей и фокусирующих свойств тороидальных конденсаторов. // ЖТФ. 1985. Т.55.№10. С.2079-2082.

8.В.Н.Гартманов, В.Т.Коган, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов, А.А.Харченко, Ю.В.Чичагов. Масс-спектрометры для исследования солнечного ветра. - В кн. Научное космическое приборостроение. М.: Металлургия. 1985. Вып.4. С.63-71.

9.Ю.И.Ермолаев, Г.Н.Застенкер, В.Т.Коган, Г.Е.Кочаров, Б.В.Кошевенко, А.ВЛейбов, З.Немечек, А.К.Павлов, А.О.Федоров, А.А.Харченко, Ю.В.Чичагов, Я.Шафранкова. Эксперимент по определению состава солнечного ветра с помощью масс-энергоанализаторов комплекса "БИФРАМ". // Космические исследования. 1986. Т. 24. С. 192-199.

10. В.Т.Коган, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов, А.А.Харченко, Ю.В.Чичагов. Новый метод исследования элементного и изотопного состава солнечного ветра. Препринт ФТИ. 1986. № 1021. 15 с.

11 .В.Т.Коган. Разработка высокочувствительных масс-спектрометров для регистрации ядер от Не до Fe в космосе и определение распространенности элементов в потоках солнечного ветра. Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. ФТИ. Л.: Изд. ЛИЯФ. 1987. 14 с.

12.Ю.И.Ермолаев, Г.Н.Застенкер, В.И.Журавлев, В.Т.Коган, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов, Е.В.Соболева, Ю.В.Чичагов. Наблюдения однократно ионизованного гелия в солнечном ветре. //Космические исследования. 1989. Т. 27. Вып.5. С.717-725.

13.В.Т.Коган, А.П.Корниенко, Б.В.Кошевенко, А.К.Павлов, Ю.В.Чичагов. Масс-спектрометр для исследования состава солнечного ветра. // ПТЭ. 1989. Т.59.Вып.1. С.176-180.

14.G.E.Kocharov, V.T.Kogan, A.N.Konstantinov, A.K.Pavlov. The Possibilities of Cosmogenic Isotope Investigations by means of Mass Spectrometrical Methods. H Nuclear Instr. and Meth. In Phys. Res. 1990. V.B53. 3-4. P.384-386.

15.B.T. Коган, Б.В. Кошевенко, А.К.Павлов, А.В.Карпов. Электростатический фильтр для ослабления потока заряженных частиц космической плазмы.//ЖТФ.1990.Т.60.Вып.4.С.171-174.

16.В.Т. Коган, А.К. Павлов. Способ определения элементного и изотопного состава природных и техногенных образцов. Авторское свидетельство №1691906. 1991. Бюллетень изобретений №42.

17.A.K.Pavlov, V.T.Kogan, G.Yu.Gladkov. A Tandem Mass-Spectrometric Method of Cosmogenic Isotope Analysis. // Radiocarbon. 1992. V.34. №2, P. 271-276.

18.В.Т.Коган, А.К.Павлов, А.Д.Казанский, С.Г.Буцев. Способ определения характеристик ионов космической плазмы. Авторское свидетельство №1723601. 1992. Бюллетень изобретений №12.

19.В.Т.Коган, А.К.Павлов, А.Д.Казанский, Ю.В.Чичагов, А.В.Блинов, А.Н.Константинов, Ю.В.Тубольцев. Способ определения концентрации химических элементов в образцах различной природы. Авторское свидетельство №1769254. 1992. Бюллетень изобретений №38.

20.В .Т.Коган, А.А.Степанов. Ионно-оптическая схема малогабаритного магнитного масс-спектрометра с расширенным диапазоном измеряемых масс. Препринт ФТИ. 1993. № 1619.11с.

21.В.Т.Коган, А.Д.Казанский, Г.Ю.Гладков. Сферический отражатель для масс-рефлектрона. // ЖТФ. 1994.Т.64. С.179-183.

22.В.Т.Коган, А.Д.Казанский, А.К.Павлов, Ю.В.Чичагов, Ю.В.Тубольцев, Э.И.Ильясов, Г.Ю.Гладков. Малогабаритный масс-спектрометр для экологических исследований.// ПТЭ. 1995. Т.38(1). С.159-165.

23.V.T.Kogan, A.K.Pavlov, Yu.V.Chichagov, Yu.V.Tubol'tsev, G.Yu.GIadkov, A.D.Kazanskii, V.A.Nikolaev, R.Pavlichkova. Design and Testing of a Portable Magnetic Mass Spectrometer.// Field Analytical Chemistry and Technology. 1997. V.l. № 6. P.331-342.

24.В.Т.Коган, О.Е.Добычин. Выходная граница секторного магнитного поля в портативном масс-спектрометре. Препринт ФТИ. 1998. № 1714. 18 с.

25.В.Т.Коган, А.К.Павлов, М.И.Савченко, О.Е.Добычин. Портативный масс-спектрометр для экспресс анализа растворенных в воде веществ.//ПТЭ.1999.Т.42(9).С.141-145.

26.В.Т.Коган, А.К.Павлов, Г.Ю.Гладков. Магнитный масс-спектрометр с двойной фокусировкой. ВНИИГПЭ. Патент №2176836. 2001.Бюллетень изобретений, №34.

27.В.Т.Коган, О.С.Викторова, Г.Ю.Гладков, Ю.В.Чичагов, Ю.В.Тубольцев. Мембранный инжектор для портативного масс-спектрометра.// ПТЭ.2001.Т.44(1).С. 129-132 .

28.В.Т.Коган, Г.Ю.Гладков, О.С.Викторова. Ионно-оптическая схема портативного масс-спектрометра. //ЖТФ.2001. Т.71(4).С.130-132.

29.В.Т.Коган, О.С.Викторова. Преконцентрация органических примесей инжектором масс-спектрометра, состоящим из последовательно расположенных мембран.// "Письма в ЖТФ".2001 ,Т.27(23).С.9-15.

30.Б.М.Дубенский, С.П.Паринов, О.В.Смирнов, В.Т. Коган, А.К.Павлов, О.С. Викторова. Масс-спектрометры с мультимембранной системой ввода образца для экологии. Материалы 1-ой международной школы-семинара "Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии" (25-26 апреля, 2002г.), Звенигород, Московская обл., Россия, С. 163.

31-В.Т.Коган, О.С.Викторова, С.А. Маннинен. Обогащение образца газообразными и летучими органическими компонентами при дискретном введении его в портативный масс-спектрометр через мембранную систему.// Журнал Аналитической Химии, 2003. Т.58.1 (10).С.1054-105б.

32.В.Т.Коган, А.К.Павлов, Ю.В.Чичагов, Ю.В.Тубольцев. Г.Ю.Гладков, О.С.Викторова, С.А.Маншшен, Д.С.Лебедев. Портативные масс-спектрометры для научных исследований и технологического контроля в промышленности. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2003. №4. С.149 -154.

33. Дубенский Б.М., Паринов С.П., Смирнов О.В., Коган В.Т, О.С.Викторова, И.В.Викторов. Мультимембранные системы ввода токсичных веществ из воды или воздуха в мобильный масс-спектрометр. Материалы 6-ого Международного Конгресса «Вода: экология и технология» «ЭКВАТЭК-2004» (июнь, 2004 г., Москва, Россия), CD-версия, 1357г.

34-O.S.Viktorova, V.T.Kogan, S.A.Manninen, T.Kotiaho, R.A.Ketola, B.M.Dubenskii, S.P.Parinov, O.V.Smirnov, Utilization of a Multimembrane Inlet and a Cyclic Sudden Sampling Introduction Mode in Membrane Inlet Mass Spectrometry. JASMS. 2004. 15. 823-831.

35.Б.М.Дубенский, С.П.Паринов, О.В.Смирнов, В.Т. Коган, О.С. Викторова, И.В.Викторов. Масс-спектрометрическая система ГРАНАТ и многомембранные системы ввода. Материалы 2-ой международной школы-семинара "Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии" (4-7 октября, 2004г.), Звенигород, Московская обл., Россия, С.63.

36.В.Т.Коган, О.С.Викторова, И.В.Викторов. Возможности масс-спектрометра, оснащенного системой ввода Левеллиновского типа, при анализе воздушных и водных проб.// ПТЭ. 2005. (1). С. 85-88.

37.В.Т.Коган, С.А.Маннинен, Д.С.Лебедев, О.С.Викторова, И.Т.Аманбаев. Ионно-оптическая схема для высокочувствительного, портативного масс-спектрографа.// ЖТФ.2005. Т.75(б).С.121-125.

38.В.Т.Коган, А.К.Павлов, Ю.В.Чичагов, О.С.Викторова, И.В.Викторов, Д.С. Лебедев. Малогабаритные масс-спектрометры для космических исследований, экологического и технологического мониторинга. //Вакуумная техника и технология. 2005. Т. 15. № 2 С.77-88.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 20.04.2006. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 481Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14

Тел./факс: 297-57-76

Актуальность проблемы

В начале XXI века наметились два основных аспекта проблемы глобального старения населения. Во-первых, следует обеспечить дальнейшее улучшение качества жизни людей пожилого и старческого возраста (т.е. перешагнувших 60-летний рубеж и стареющих так называемым физиологическим способом). Во-вторых, необходимо если не искоренить такое явление как ускоренное старение части населения, то максимально возможно уменьшить риск его развития вследствие хронического стрессогенного действия неблагоприятных эко-лого-профессиональных факторов внешней среды [Хавинсон В.Х. и соавт., 2003]. Следовательно, на современном этапе развития биологии и медицины проблема стресса становится важнейшей проблемой геронтологии и гериатрии, т.к. чрезмерная реакция на экстремальное воздействие в молодом возрасте может стать причиной старческой немощи на более поздних этапах онтогенеза.

Поскольку на сегодняшний день для профилактики и коррекции индуцированных стрессом и старением нарушений наиболее успешно используются биорегуляторы на основе пептидов [Коркушко О.В. и соавт., 2002; Хавинсон В.Х., Анисимов В.Н., 2003; Хавинсон В.Х. и соавт., 2005], подойти к решению указанной проблемы, по нашему мнению, возможно с помощью повышения эффективности применения этих препаратов.

В этой связи актуальной теоретической и практической задачей становится изучение возрастных особенностей влияния биологически активных пептидов на развитие адаптационных реакций организма. Актуальность выбранной проблемы обусловлена тесной взаимосвязью стресс- и геропротекторных эффектов пептидов, причем одной из главных причин этого является известный факт о том, что адаптационные возможности с возрастом снижаются, а тревожность растет [Смирнова Т.М. и соавт., 1999; De Benedictis G. et al., 2001].

В литературе имеются сведения, что тревожность является одним из важнейших свойств, которое определяет стратегию и эффективность адаптации организма, взаимодействующего с внешней средой [Данилова Н.Н. и соавт., 1995; Серединин С.Б. и соавт., 2001].

Оценка ситуации при бодрствовании зависит от баланса тормозных и возбуждающих взаимодействий в структурах головного мозга, и у тревожных испытуемых проявления тормозных процессов выражены меньше, чем проявления процессов возбуждения [Вейн A.M. и соавт., 2001; Вербицкий Е.В., 2003]. Это имеет как положительные, так и отрицательные последствия. Положительные проявляются в том, что состояние оптимальной ситуативной тревожности делает человека более чувствительным к признакам опасного развития событий и тем самым позволяет вовремя локализовать источник опасности, мобилизовать ресурсы организма для его нейтрализации и выстраивания адекватной линии поведения [Каплан А.Я., 2003]. Отрицательные выражаются в большей чувствительности к неблагоприятным воздействиям внешней среды, что по нашему мнению может проявляться в более частом выборе самого расточительного варианта резистентной стратегии адаптации - стресс-реакции и приводить к преждевременному старению преимущественно особей с избыточно высоким уровнем личностной тревожности.

Поскольку изменить генетически детерминированные различия в индивидуальных реакциях на внешние воздействия невозможно, мы предположили, что с помощью введения пептидов удастся воздействовать на степень прироста ситуативной тревожности и тем самым повлиять на выбор организмом типа адаптационной стратегии, что позволит замедлить процесс ухудшения адаптационных возможностей с возрастом и предотвратить ускоренное старение даже в условиях экстремальных воздействий.

Повышение уровня тревожности является одним из основных симптомов ассоциированных с возрастом патологий наподобие болезни Альцгеймера, паркинсонизма, климактерического синдрома, а также таких распространенных стресс-индуцированных нарушений как синдром хронической усталости, астенический синдром [Александровский Ю.А., 1994; Колыхалов И.В., Селезнева

Н.Д., 2001; Стрижова Н.В., Шарапова О.В., 2002]. Доказана тесная взаимосвязь между ухудшением качества жизни и избыточной тревожностью [Кравченко А.Я. и соавт., 2004].

С другой стороны известно [Макаров В.И., 1979; Hurd М. and Ralph М., 1998], что и стресс, и старение сопровождаются не только повышением уровня тревожности, но и дестабилизацией циркадианных ритмов в организме (и чем выше тревожность, тем сильнее выражена дестабилизация).

Вероятно, пептиды способны адекватно осуществлять ритмоорганизую-щую регуляцию адаптационных реакций в онтогенезе, что позволяет им превосходить непептидные анксиолитические препараты по силе стресс- и геро-протекторного действия.

Особый практический интерес в этой связи представляет возможность использования пептидов для управления ритмогенезом поведения при стрессе и старении. Поведение во всей сложности его проявлений является продуктом непрерывных взаимоотношений организма с окружающей средой [Батуев А.С., 1986], поэтому существует тесная взаимосвязь поведенческих реакций со сдвигами гомеостаза, ускоренным старением и гибелью клеток при неблагоприятных внешних воздействиях [Хавинсон В.Х. и соавт., 1999; Хавинсон В.Х., Морозов В.Г., 2001].

На основании изложенного нами было выдвинуто положение о том, что эффективность стресс- и геропротекторного действия пептидных препаратов можно повысить путем направленного влияния на выбор организмом адаптационной реакции на экстремальное воздействие посредством изменения уровня ситуативной тревожности.

Цель и задачи исследования

Целью работы явилось изучение механизмов участия некоторых пептидов в адаптации организма к стрессорным воздействиям и обоснование концепции пептидной ритмоорганизующей и анксиогенно-анксиолитической регуляции адаптационных процессов у молодых и старых животных.

В рамках указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Установить выбор организмом адаптационной реакции в ответ на экстремальное воздействие в зависимости от генетически детерминированного уровня тревожности и возможность изменить этот выбор путем введения пептидных препаратов (на примере НКТ и ГВС-111).

2. Установить по анализу лейкоцитарной формулы крови зависимость типа адаптационной реакции организма крыс на введение пептидных препаратов (эпиталамин, эпиталон, вилон, кортаген, ДСИП, КТ, НКТ и ГВС-111) в нормальных физиологических условиях и при экстремальных воздействиях от характера их влияния на поведенческие проявления тревожности.

3. Изучить влияние исследуемых пептидных препаратов на циркадианную ритмику (соотношение основных форм) поведения в нормальных физиологических условиях и при экстремальных воздействиях у молодых и старых крыс.

4. Исследовать возрастные особенности влияния экстремальных воздействий на фоне введения пептидных препаратов с различной анксиолитической активностью и без них на интенсивность старения на основании определения показателей СРО, фагоцитарной активности лейкоцитов, активности ферментов антиоксидантной защиты и уровня хромосомных аберраций в тканях высокотревожных крыс.

5. Установить возрастные особенности влияния исследуемых пептидов на моноаминергические механизмы нейрогуморальной регуляции гомеостаза в процессе развития реакции организма на экстремальное воздействие.

6. Сравнить эффекты исследуемых пептидов с пирацетамом, традиционно применяемым в клинике для коррекции ряда возрастных функциональных и метаболических нарушений, и разработать алгоритм определения возрастных особенностей эффективности и последствий применения пептидных препаратов с различной анксиолитической активностью в условиях неблагоприятных внешних воздействий.

Научная новизна работы

Показано, что ускоренное старение преимущественно характерно для крыс с высоким генетически детерминированным уровнем тревожности. При этом впервые выявлено, что гипокинезия по силе негативного влияния на процесс старения превосходит стрессорную физическую нагрузку и гипоксию.

Впервые у высокотревожных особей зарегистрированы достоверные обратные корреляции между влиянием исследованных пептидных препаратов на уровень ситуативной тревожности (основные индикаторы R6+R7) и показателем адаптированности интактных крыс R10/R11, количеством фагоцитирующих клеток, активностью нейтрофильных лейкоцитов. Обнаружены и положительные корреляционные взаимосвязи R6+R7 с интенсивностью старения, определенную по уровню продуктов СРО (в головном мозге и плазме крови) и количеству аберраций хромосом в костном мозге. Продемонстрировано значение влияния пептидов на уровень тревожности в реализации их антистрессор-ного и геропротекторного эффекта. На основании проведенных исследований впервые сформулирована концепция о важной роли ритмоорганизующего влияния пептидов на структуру поведения в повышении эффективности адаптивного ответа.

Практическая значимость работы

Полученные в данной работе новые факты об анксиогенно-анксиолитической и ритмоорганизующей регуляции пептидами адаптационных реакций и зависимости ее величины и направленности от возраста и генетиче-ски-детерминированного уровня тревожности позволят специалистам в области медицины и спортивной фармакологии осуществлять дифференцированный подход к выбору дозы и пептидного препарата в целях управления эффективностью адаптации и темпами старения в нормальных и экстремальных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В зависимости от направления и величины сдвига уровня ситуативной тревожности в результате инъекции пептидного препарата повышается или снижается эффективность адаптационной реакции и это в первом случае препятствует ускоренному старению и способствует ему во втором.

2. Общими (вне зависимости от возраста и индивидуально-типологических особенностей) механизмами участия пептидов в управлении эффективностью адаптации является их влияние на интенсивность СРО и процессы центральной регуляции ГГАК-оси.

3. Предопределить выбор наилучшей для каждой конкретной ситуации адаптационной стратегии возможно путем введения животным пептидного препарата с таким анксиолитическим (у высокотревожных) или анксиогенным эффектом (у низкотревожных), который обеспечит сдвиг ситуативной тревожности в оптимальный для каждого возраста интервал. При этом вклад в стресс- и геропротекторное действие пептидов вносят их антимутагенный и иммуностимулирующий эффекты.

4. Чрезмерное снижение или повышение ситуативной тревожности (за пределы оптимального интервала) после инъекции пептидного препарата отрицательно влияет на адаптационные возможности, в связи с чем в условиях последующего стрессорного воздействия дезорганизация циркадианной ритмики поведения и усиление мутационного процесса будут сохраняться и даже усугубляться.

5. Способность пептидов с анксиолитической активнстью препятствовать стресс-индуцированной инверсии цикла «активность-покой» у высокотревожных животных обеих возрастных групп и снижать вероятность десинхрони-зации, развивающейся в процессе старения, позволяет управлять поведением в нормальных и экстремальных условиях на основе ритмоорганизующей регуляции адаптационных реакций.

ВЫВОДЫ

1. Выбор организмом адаптационной стратегии в ответ на экстремальное воздействие зависит от генетически детерминированного уровня тревожности: в условиях 24-часовой гипокинезии у высокотревожных крыс развивается реакция стресса, а у низкотревожных - менее энергозатратная реакция повышенной активации.

2. Гипокинезия по силе негативного влияния на процесс старения превосходит стрессорную физическую нагрузку и гипоксию, что выражается в более существенной иммунодепрессии и дезорганизации циркадианных ритмов поведения при более значительном увеличении частоты хромосомных аберраций и накоплении продуктов СРО.

3. С помощью введения пептидов (показано на примере НКТ и ГВС-111) можно изменить адаптационную стратегию организма как в худшую, так и в лучшую сторону, причем высокотревожные особи обладают большей чувствительностью к такому воздействию.

4. Развитие состояния «преадаптации» в нормальных физиологических условиях и замена стресс-реакции при экстремальных воздействиях на более эффективную и экономичную возможны, если вводить животным пептидный препарат с таким анксиолитическим (у высокотревожных) или анксиоген-ным (у низкотревожных) эффектом, который обеспечивает сдвиг ситуативной тревожности в оптимальный для каждого возраста интервал, предопределяющий выбор наилучшей для данной ситуации адаптационной стратегии.

5. Преадаптивный и стресс-протекторный эффект (при гипокинезии, гипоксии и физической нагрузке) у высокотревожных животных наблюдался при введении пептидов с анксиолитическим действием и был макисмальным в случае вилона и ГВС-111 у молодых крыс, а эпиталона и эпиталамина - у старых. Величина данного эффекта соответствовала способности этих пептидов у молодых оказывать стабилизирующее влияние на состояние эритроци-тарных и лейкоцитарных мембран (о чем можно судить по величине ВЭГ и

СПА), у старых - влиянию на уровень МДА и активность церулоплазмина. Это позволяет использовать указанные показатели в качестве критериев эффективности и направленности действия пептидов.

6. Составной частью стресс-протекторного действия исследованных пептидных препаратов является антимутагенный и иммуностимулирующий эффекты, что подтверждает целесообразность их использования в качестве геро-протекторов.

7. Эффекты пептидов, влияющих на уровень ситуативной тревожности, во многом определяются их участием в механизмах нейрогуморальной регуляции защитных функций организма через модулирующее воздействие на соотношение биогенных аминов в головном мозге и плазме крови. Это свидетельствует о влиянии препаратов на центральные и периферические механизмы развития адаптационных и воспалительных реакций. Все короткие пептиды и пирацетам после инъекции крысам разного возраста вызывали изменения уровня серотонина и гистамина крови - важнейших вазоактивных веществ, относящихся к системе регуляции микроциркуляции.

8. Управление поведением в нормальных и экстремальных условиях возможно на основе пептидной ритмоорганизщующей регуляции адаптационных реакций, проявляющейся в способности пептидов препятствовать стресс-индуцированной инверсии цикла «активность-покой» у животных обеих возрастных групп и снижать вероятность десинхронизации циркадианной ритмики поведения, развивающейся в процессе старения.

9. Полученные результаты позволяют рассматривать ДСИП, эпиталамин, ГВС-111, вилон, эпиталон и кортаген в качестве перспективных препаратов для управления эффективностью адаптации и темпами старения индивидов с высоким уровнем тревожности в условиях экстремальных воздействий, тогда как использование НКТ и пирацетама, широко применяемого в настоящее время в клинике, в этих случаях нежелательно. Это особенно важно учитывать в гериатрической практике, так как старение сопровождается повышением уровня тревожности и предрасположенности к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Для решения вопроса об эффективности и возможных последствиях применения биологически активных пептидов и не пептидных препаратов в условиях неблагоприятных внешних воздействий мы предлагаем следующий алгоритм:

- испытать эффект препарата на поведение животных в «открытом поле», особое внимание уделяя поведенческим проявлениям тревожности и интенсивности потребления пищи (особенно важно у старых особей);

- исследовать влияние препарата на уровень хромосомных аберраций в костном мозге (особенно важно у молодых особей);

- протестировать влияние npenapaia на интенсивность реакций СРО, учитывая выявленные возрастные особенности;

2. При использовании пептидных препаратов в клинической практике в качестве фармакологических средств, обладающих антистрессорным действием, необходимо учитывать уровень личностной тревожности пациентов, что позволит прогнозировать последствия и эффективность их применения в клинике.

БЛАГОДАРНОСТИ

Выражаю признательность директору Санкт-Петербургского института биорегуляции и геронтологии СЗО РАМН члену-корреспонденту РАМН, доктору медицинских наук, профессору Хавинсону Владимиру Хацкелевичу заместителям директора Института доктору медицинских наук, профессору Рыжак Галине Анатольевне и доктору медицинских наук, профессору Морозову Вячеславу Григорьевичу за предоставленную возможность проведения совместных исследований, за помощь и ценные советы в ходе обсуждения и интерпретации полученных научных результатов.

Особая благодарность научному консультанту доктору биологических наук, профессору Арутюняну Александру Вартановичу, благодаря которому данная работа приобрела вид завершенного научного исследования.

Автор выражает благодарность за помощь в сборе материала для исследований сотрудникам Ростовского государственного университета кандидату биологических наук Н.И. Усковой, кандидату биологических наук В.Н. Прокофьеву, кандидату биологических наук ГЛ. Волошиной, кандидату биологических наук Е.В. Вербицкому и сотрудникам Ростовского государственного педагогического университета доктору биологических наук, профессору. A.M. Менджерицкому, доктору биологических наук. Т.С. Колмаковой, кандидату биологических наук Н.Ф. Колпаковой, кандидату биологических наук Г.В. Карантыш.