Генератор синглетного кислорода в газовой фазе атмосферного воздуха для практического многофункционального применения

Введение. Синглетный кислород относится к метастабильным активным формам кислорода. Синглетный кислород участвует в ряде биохимических реакций и физиологических процессов. Это предполагает возможность его применения для решения прикладных задач медицины и в сферах безопасности жизнедеятельности человека. Благодаря своим окислительным свойствам эффективно уничтожает патогенные организмы, включая бактерии, грибки и вирусы, а также используется в фотодинамической терапии для лечения различных заболеваний, включая онкологические и дерматологические патологии. Для его генерации традиционно применяются фотосенсибилизаторы, которые имеют ряд значительных недостатков, таких как токсичность, низкая селективность по отношению к пораженным клеткам и необходимость использования мощного оптического излучения. Одним из решений этих проблем является применение фотокаталитических материалов, которые генерируют синглетный кислород как в жидкой, так и в газовой средах. В газовой фазе время жизни молекул синглетного кислорода значительно выше, чем в жидкостях. Исследование методов генерации синглетного кислорода в газовой фазе сегодня является актуальной научной задачей. В научной литературе отсутствуют публикации, описывающие качественные и количественные характеристики генерируемых воздушных смесей, обогащенных активными формами кислорода. Разработка генераторов синглетного кислорода в газовой фазе атмосферного воздуха представляет собой актуальную задачу, имеющую много функциональных приложений в областях медицины и технологии безопасности.
Метод. В настоящей работе представлен и исследован экспериментальный образец прибора для генерации синглетного кислорода в газовой фазе атмосферного воздуха. При его проектировании использованы научные исследования авторов по созданию оригинального фотокаталитического нанокристаллического покрытия на основе ZnO-SnO₂-Fe₂O₃, способного в условиях воздействия оптическим излучением, близким к видимому спектру (длина волны 405 нм), к генерации синглетного кислорода.
Основные результаты. Разработана оригинальная модель прибора. Особенностью устройства является применение фотокатализатора многоразового использования. Применяемые материалы исследованы методами рентгенофазового анализа и атомно-силовой микроскопии. Активность генерации синглетного кислорода оценена методом электронного парамагнитного резонанса. Достигнутая скорость фотогенерации синглетного кислорода составила 100 (мкмоль/л)/мин. Расчетная концентрация синглетного кислорода в воздухе на выходе устройства при нормальных условиях в зоне работающего генератора, по величине скорости фотодеградации красителя родамина 6Ж в пористом стекле, составила величину 10 (мкмоль/л)/мин. Представленный прототип прибора отличается низким классом энергопотребления, экологической безопасностью, доступностью материалов, использованием излучения, близкого к видимому спектру, а также возможностью генерации синглетного кислорода без токсичных окисляющих примесей.
Обсуждение. Разработанный прототип генератора предполагает возможность создания ряда его модификаций для создания линейки многофункциональных приборов: индивидуального, группового применения с лечебной целью, для решения конструкторских задач обеспечения безопасной среды жизнедеятельности и других. Селективная генерация синглетного кислорода позволяет применять приборы для решения медицинских задач как при непосредственном контакте с тканями человека, так и при создании воздушной среды для дыхания и жизнедеятельности человека.

1. Correia J.H., Rodrigues J.A., Pimenta S., Dong T., Yang Z. Photodynamic Therapy Review: Principles, Photosensitizers, Applications, and Future Directions // Pharmaceutics. 2021. V. 13. N 9. P. 1332. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13091332

2. Мартусевич А.А. Метаболические и гемодинамические эффекты синглетного кислорода: диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Казань, 2019. 167 с.

3. Lundberg J., Lindgård A., Elander A., Soussi B. Improved energetic recovery of skeletal muscle in response to ischemia and reperfusion injury followed by in vivo 31P-magnetic resonance spectroscopy // Microsurgery. 2002. V. 22. N 4. P. 158–164. https://doi.org/10.1002/micr.21744

4. Самосюк И.З., Чухраев Н.В., Писанко О.И., Диденко А.А., Бондаренко Л.Н., Курик Л.М. Синглетно-кислородная терапия. Аппараты «МИТ-С» // Биомедицинская радиоэлектроника. 2007. № 1. С. 67–75.

5. Gunaydin G., Gedik M.E., Ayan S. Photodynamic Therapy–Current Limitations and Novel Approaches // Frontiers in Chemistry. 2021. V. 9. P. 691697. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.691697

6. Wang K.-K., Song S., Jung S.-J., Hwang J.-W., Kim M.-G., Kim J.H., Sung J., Lee J.-K., Kim Y.-R. Lifetime and diffusion distance of singlet oxygen in air under everyday atmospheric conditions // Physical Chemistry Chemical Physics. 2020. V. 22. N 38. P. 21664–21671. https://doi.org/10.1039/d0cp00739k

7. Sun X., Xu K., Chatzitakis A., Norby T. Photocatalytic generation of gas phase reactive oxygen species from adsorbed water: remote action Engineering. 2021. V. 9. N 2. P. 104809. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104809

8. Khomutinnikova L., Evstropiev S., Meshkovskii I., Bagrov I., Kiselev V. Ceramic ZnO-SnO2-Fe2O3 powders and coatings — effective photogenerators of reactive oxygen species // Ceramics. 2023. V. 6. N 2. P. 886–997. https://doi.org/10.3390/ceramics6020051

9. Ronald Dehmlow. Activating and energising water-satured inhaled air [Электронный ресурс]. URL: http://www.holmevalleywellbeing.com/files/image/files/ActivatedOxygenTherapy/DrRonaldDehmlowStudy.pdf (дата обращения: 10.12.2024).

10. Li B., Lin L., Lin H., Wilson B.C., Photosensitized singlet oxygen generation and detection: Recent advances and future perspectives in cancer photodynamic therapy // Journal of Biophotonics. 2016. V. 9. N 11-12. P. 1314–1325. https://doi.org/10.1002/jbio.201600055

11. Гаврилова Д.А., Гаврилова М.А., Хомутинникова Л.Л., Евстропьев С.К., Мешковский И.К. Оптимизация химического состава и структуры фотокатализаторов системы ZnO-SnO2-Fe2O3 // Оптика и спектроскопия. 2024. Т. 132. № 4. С. 413–420. https://doi.org/10.61011/OS.2024.04.58220.6016-24

12. Lachheb H., Ajala F., Hamrouni A., Houas A., Parrino F., Palmisano L. Electron transfer in ZnO-Fe2O3 aqueous slurry systems and its effects on visible light photocatalytic activity // Catalysis Science and Technology. 2017. V. 7. N 18. P. 4041–4047. https://doi.org/10.1039/c7cy01085k

13. Evstropiev S.K., Karavaeva A.V., Vasilyev V.N., Nikonorov N.V., Aseev V.A., Dukelskii K.V., Lesnykh L.L. Bactericidal properties of ZnO-SnO2 nanocomposites prepared by polymer-salt method // Materials Science and Engineering B. 2021. V. 264. P. 114877. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2020.114877

14. Saratovskii A.S., Senchik K.Yu., Karavaeva A.V., Evstropiev S.K., Nikonorov N.V. Photo-oxygenation of water media using photoactive plasmonic nanocomposites // The Journal of Chemical Physics. 2022. V. 156. N 20. P. 201103. https://doi.org/10.1063/5.0094408

15. Shelemanov A.A., Nuryev R.K., Evstropiev S.K., Kiselev V.M., Nikonorov N.V. The influence of polyvinylpyrrolidone on the structure and optical properties of ZnO-MgO nanocomposites synthesized by the polymer-salt method // Optics and Spectroscopy. 2021. V. 129. N 12. P. 1300–1305. https://doi.org/10.1134/s0030400x21090198

16. Kraljić I., El Mohsni S. A new method for the detection of singlet oxygen in aqueous solutions // Photochemistry and Photobiology. 1 9 7 8 . V. 2 8 . N 4-5. P. 577–581. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1978.tb06972.x

17. Evstropiev S.K., Lesnykh L.L., Nikonorov N.V., Karavaeva A.V., Kolobkova E.V., Oreshkina K.V., Mironov L.Yu., Bagrov I.V. Transparent ZnO-SnO2 photocatalytic nanocoatings prepared by polymer-salt method // Optics and Spectroscopy. 2019. V. 126. N 4. P. 431–438. https://doi.org/10.1134/S0030400X19040064

18. Yi S., Cui J., Li S., Zhang L., Wang D., Lin Y. Enhanced visible-light photocatalytic activity of Fe/ZnO for rhodamine B degradation and its photogenerated charge transfer properties // Applied Surface Science. 2014. V. 319. N 1. P. 230–236. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.06.151

19. Guo L., Yang S., Yang C., Yu P., Wang J., Ge W., Wong G.K.L. Highly monodisperse polymer-capped ZnO nanoparticles: Preparation and optical properties // Applied Physics Letters. 2000. V. 76. N 20. P. 2901–2903. https://doi.org/10.1063/1.126511

20. Khomutinnikova L.L., Evstropiev S.K., Meshkovskii I.K., Moskalenko I.V., Bagrov I.V., Skorb E.V. Intensive singlet oxygen photogeneration and photocatalytic activity of Sn,Fe-doped ZnObased composites // Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry. 2025. V. 462. P. 116254. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2024.116254

21. Herman J., Neal S.L. Efficiency comparison of the imidazole plus RNO method for singlet oxygen detection in biorelevant solvents // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2019. V. 411. N 20. P. 5287–5296 https://doi.org/10.1007/s00216-019-01910-2

22. Журавский С.Г., Мешковский И.К., Подъячева Е.Ю., Шульмейстер Г.А., Зелинская И.А., Плясцов С.А., Хомутинникова Л.Л., Евстропьев С.К., Баиндурашвили А.Г., Васильев В.Н. Системные эффекты хронической ингаляции воздушной смеси с синглетным кислородом у крыс // Медицинский академический журнал. 2025. Т. 25. № 2. С. 41–50.