CC BY
44
Nanoelectronics and quantum data systems
НАНОЭЛЕКТРОНИКА И КВАНТОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ NANOELECTRONICS AND QUANTUM DATA SYSTEMS
Арасланов Т.Р. Araslanov T.R.
аспирант кафедры «Физика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», Россия, г. Уфа
Доломатов М.Ю.
Dolomatov M. Yu.
кандидат технических наук, доктор химических наук, профессор кафедры «Физика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», заведующий научноисследовательской лабораторией «Физика электронных процессов и наноматериалов», Россия, г. Уфа
Калашченко Н.В. Kalashchenko N. V.
кандидат медицинских наук, доцент кафедры терапии ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет», Россия, г. Уфа
УДК 612.111.15
ОСОБЕННОСТИ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ КРОВИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ДОБРОКАЧЕСТВЕННЫХ И ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЯХ ГОЛОВНОГО МОЗГА
В настоящее время в диагностике различных заболеваний, в том числе онкологических, широко используются спектроскопические методы. В последние годы получило развитие новое направление спектроскопии - электронная феноменологическая спектроскопия (ЭФС), разработанная Доломатовым М.Ю. В отличие от классической спектроскопии, которая исследует характеристические частоты и полосы поглощения отдельных атомно-молекулярных группировок, при феноменологическом подходе кровь и ее компоненты рассматриваются как единая неделимая поглощающая электромагнитное излучение система. В методе ЭФС в качестве основных характеристик используются феноменологические параметры, характеризующие квантовый континуум электронных состояний - интегральная сила осцилляторов (ИСО), а также усредненные по составу, эффективные потенциалы ионизации (ЭПИ) и эффективные сродства к электрону (ЭСЭ) всех компонентов, поглощающих электромагнитное излучение в ближнем УФ-, видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра. В отделении нейрохирургии отобраны группы пациентов с доброкачественными и злокачественными опухолями головного мозга. Диагнозы верифицированы данными МРТ и гистологическим исследованием. Исследована плазма крови пациентов с доброкачественными и злокачественными опухолями головного мозга, установлены различия между феноменологическими квантовыми параметрами доноров и пациентов.
Ключевые слова: электронная феноменологическая спектроскопия, плазма, кровь, человек, опухоль головного мозга, квантовые параметры.
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014
101
Наноэлектроника и квантовые информационные системы
THE FEATURES OF PHENOMENOLOGICAL QUANTUM PARAMETERS OF HUMAN BLOOD PLASMA IN BENIGN AND MALIGNANT BRAIN TUMORS
Currently, the diagnosis of various diseases, including cancer, are commonly used spectroscopic methods. The new trend in spectroscopy has developed in recent years - electron phenomenological spectroscopy established by Dolomatov M. Yu. In contrast to classical spectroscopy, which examines the characteristic frequency and the absorption bands of individual atomic and molecular clusters, in the phenomenological approach blood and its components are considered as a single indivisible absorbing electromagnetic radiation system. In the method of EPS as the basic characteristics used phenomenological parameters characterizing the quantum continuum electronic states - integrated oscillator strength (ISO) and the average composition, effective ionization potentials (EIP) and the effective electron affinity (EEA) all components that absorb electromagnetic radiation in the near-UV, visible and near-infrared spectrum. In neurosurgery selected group of patients with malignant tumors and absorb electromagnetic radiation in the near-UV, visible and near-infrared spectrum. In neurosurgery selected group of patients with benign and malignant brain tumors. The diagnosis was verified by MRI and histological examination. Investigated the blood plasma of patients with benign and malignant brain tumors, established differences between the phenomenological parameters quantum donors and patients.
Key words: electron phenomenological spectroscopy, plasma, blood, people with a brain tumor, quantum
parameters.
В последние годы отмечается тенденция к неуклонному росту заболеваемости онкопатологией. После 2006 года класс новообразований в структуре смертности занимает второе место после болезней системы кровообращения [1]. Большинство методов диагностики, применяемых в онкологии, слишком трудоемки и дороги и не подходят для скринингового обнаружения новообразований. Существующие методы скрининга малоэффективны и позволяют выявить опухоли на ранней стадии не более чем у 2% обследованных лиц. А именно ранняя диагностика опухоли позволяет добиться наилучших результатов лечения. От 60 до 80% онкологических больных обращаются за медицинской помощью с наличием запущенных (III-IV) стадий заболевания, когда возможности радикального лечения весьма ограничены.
В настоящее время в медицине для диагностики различных заболеваний, в том числе онкологических, широко используются спектроскопические методы, среди которых особое место занимает спектроскопия ядерного магнитного резонанса, магнитно-резонансная томография (МРТ). Но МРТ- диагностика не всегда доступна большинству населения. Аппаратура требует высококвалифицированного обслуживания и малодоступна для многих клиник. Поэтому интерес представляют методы, использующие более доступные приемы спектроскопии. Имеется ряд работ, в которых для диагностики опухолей используется инфракрасная спектроскопия [2]. Максимумы поглощения при этом регистрируются преимущественно в диапазоне 1000-1200 нм. По характеру пиков проводится суждение о наличии или отсутствии различных за-
болеваний, преимущественно онкологических.
В последние годы получило развитие новое направление спектроскопии - электронная феноменологическая спектроскопия (ЭФС), разработанная профессором Доломатовым М.Ю. [3, 4]. В отличие от классической спектроскопии, которая исследует характеристические частоты и полосы поглощения отдельных атомно-молекулярных группировок при феноменологическом подходе кровь и ее компоненты рассматриваются как единая неделимая поглощающая электромагнитное излучение система. В эту систему входят электронные спектры протеинов, нуклеиновых кислот, естественные продукты метаболизма, а также метаболиты, выделяемые в процессе заболевания. Работы в области изучения интегральных спектральных параметров биологических жидкостей человека показали возможность использования методов ЭФС в медицине. В методе ЭФС в качестве основных характеристик используются феноменологические параметры, характеризующие квантовый континуум электронных состояний - интегральная сила осцилляторов (ИСО), а также усредненные по составу, эффективные потенциалы ионизации (ЭПИ) и эффективные сродства к электрону (ЭСЭ) всех компонентов, поглощающих электромагнитное излучение в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра [5].
Так, в [6] показано, что физические квантовые параметры метода ЭФС характеризуют состояние метаболических процессов в организме человека как в единой гомеостатической системе. В ранее проведенных исследованиях установлено [7, 8], что определяемые интегральные характеристики поглощения электромагнитного излучения в ви-
102
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014
Nanoelectronics and quantum data systems
димом, УФ- и ближнем ИК-диапазоне для водных растворов плазмы крови могут служить критерием оценки функционального состояния организма человека.
Целью работы является установление различий в значениях феноменологических квантовых параметров плазмы крови для доноров и больных с доброкачественными и злокачественными опухолями головного мозга.
Объекты исследования: плазма крови больных первичными доброкачественными и злокачественными опухолями головного мозга. Диагностика про-
ведена специалистами РКБ им. ГГ Куватова по клиническим данным, данным магнитно-резонансной томографии. Диагнозы подтверждены гистологическим исследованием. Объем выборки составляет 29 человек. Из них 20 пациентов с доброкачественными и 9 со злокачественными опухолями головного мозга.
Спектры растворов плазмы крови регистрировались на электронном спектрофотометре СФ 2000 в УФ-, видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра (см. рис.). Все измерения проводились для водных растворов плазмы с концентрацией 2,5% объемных.
Усредненные электронные спектры плазмы крови пациентов с опухолями головного мозга и доноров
Как видно из рисунка, средний спектр доноров расположен ниже среднего спектра больных с доброкачественными опухолями головного мозга и несколько выше среднего спектра пациентов со злокачественными опухолями. В УФ-области спектра различия невелики, находятся в пределах доверительного интервала как для злокачественных, так и для доброкачественных опухолей. В видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра коэффициент поглощения плазмы крови больных с доброкачественными опухолями головного мозга выше среднего спектра доноров, причем пределы доверительных интервалов не пересекаются. Спектр плазмы крови со злокачественными опухолями в видимом диапазоне спектра находится на одном уровне со средним спектром доноров, а в ближнем ИК-диапазоне - ниже уровня среднего спектра доноров.
На данном уровне отмечается выраженная изломанность линии среднего спектра пациентов со
злокачественными опухолями головного мозга, что можно объяснить небольшим объемом выборки, а также низкими значениями коэффициента поглощения в видимой и ближней ИК-области спектра.
По предложенным ранее методикам [5, 8] определялись квантовые феноменологические параметры, усредненные по всем светопоглощающим наночастицам и молекулам, входящим в состав плазмы крови человека.
0 = JJf(/1 ,s}dXd£, (1)
Я е
где в - интегральная сила осцилляторов, нм • л/ (моль • м); F - спектральная функция, характеризующая интенсивность поглощения; X - длина волны, нм; е - молярный коэффициент поглощения веществ, л/(моль • см).
Кроме интегральной силы осцилляторов, в качестве показателей состояния электронной си-
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014
103
Наноэлектроника и квантовые информационные системы
стемы предложены эффективный потенциал ионизации (ЭПИ) и эффективное сродство к электрону (ЭСЭ), которые оцениваются по интегральной силе осцилляторов.
E = а + в • 0 (2)
где Е - энергия высшей занятой или низшей свободной молекулярной орбитали, эВ; 0 - интегральная сила осцилляторов, нм • л/(моль • м); а и в - эмпирические коэффициенты, зависящие от типа орбитали, эВ и эВ • моль • л-1 • нм-1.
Физический смысл ЭСЭ и ЭПИ можно интерпретировать как меру средней электроно-донорной и электроно-акцепторной способности квантовой системы.
I = j l(n)p(n)dn, (3)
А = | A(n)p(n)dn, (4)
где I - эффективный первый адиабатический потенциал ионизации, усредненный по всей статистической совокупности различных молекул вещества, эВ; A - эффективное адиабатическое сродство к электрону, эВ; n - число молекул, участвующих в квантовых переходах; р(п) - функция распределения состава по сродству к электрону.
В таблице приведены соответствующие квантовые параметры плазмы крови доноров и больных с опухолями головного мозга.
Таблица
Феноменологические параметры плазмы крови доноров и больных с опухолями головного мозга
Объекты исследования Интервал, нм Феноменологические квантовые параметры плазмы крови
ИСО, нм • л/(моль • м) ЭПИ, эВ ЭСЭ, эВ
Доноры отделения переливания крови 180-380 309,36±8,96 8,76±0,02 0,41±0,01
380-760 218,03±22,93 8,98±0,05 0,32±0,02
760-1020 54,20±13,64 9,37±0,03 0,16±0,01
180-1020 581,60 ±39,78 8,11±0,09 0,68±0,04
Больные с доброкачественными опухолями головного мозга 180-380 311±5,62 8,75±0,01 0,42±0,005
380-760 276,55±26,67 8,84±0,06 0,38±0,026
760-1020 100,17±11,94 9,26±0,03 0,21±0,01
180-1020 688,61±39,91 7,86±0,09 0,78±0,036
Больные со злокачественными опухолями головного мозга 180-380 297,18±25,48 8,788±0,061 0,401±0,025
380-760 211,24±106,08 8,992±0,252 0,317±0,104
760-1020 44,85±71,89 9,388±0,171 0,154±0,07
180-1020 575,07±204,25 8,126±0,486 0,672±0,2
Данные таблицы отражают изменение интегральных параметров плазмы крови пациентов в сравнении с плазмой доноров. Как видно из этой таблицы, отличия в энергетическом состоянии образцов плазмы в УФ-диапазоне спектра минимальны, в видимой области спектра энергетическое состояние образцов сходно для группы доноров и пациентов со злокачественными опухолями, однако эффективное сродство к электрону образцов плазмы пациентов с доброкачественными опухолями выше. В ближнем ИК-диапазоне спектра отличия между энергетической способностью образцов плазмы крови доноров и пациентов со злокачественными
опухолями более существенны, однако находятся в пределах доверительных интервалов.
Выводы
1. Исходя из результатов эмпирического исследования образцов плазмы крови, по-видимому, имеются различия в значениях интегральных квантовых параметров плазмы крови для доноров и больных с доброкачественными и злокачественными опухолями головного мозга.
2. Полученные результаты, вероятно, можно использовать как вспомогательный инструмент медицинской диагностики.
104
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014
Nanoelectronics and quantum data systems
Список литературы
1. URL: http:// www.gks.ru.
2. Гордецов А.С. Инфракрасная спектроскопия биологических жидкостей и тканей [Текст] / А.С. Гордецов // Современные технологии в медицине. -2010. - № 1. - С. 84-98.
3. Доломатов М.Ю. Применение электронной спектроскопии в физико-химии многокомпонентных стохастических и сложных молекулярных систем [Текст] / М.Ю. Доломатов. - Уфа: ЦНТИ, 1989.
- 47 с.
4. Доломатов М.Ю. Фрагменты теории реального вещества: от углеводородных систем к галактикам [Текст] / М.Ю. Доломатов. - М.: Химия, 2005.
- 208 с.
5. Dolomatov M.Yu. Electron Phenomenological Spectroscopy and Application in Investigating Complex Substances in Chemistry, Nanotecynology and Medicine [Text]/ M.Yu. Dolomatov, G.R. Mukaeva D.O., Shulyakovskaya// Journal of Materials Science and Engineering B. - 2013. - Vol. 3. - № 3. - Р. 183-199.
6. Калашченко Н.В. Электронная феноменологическая спектроскопия крови человека в норме и патологии [Текст] / Н.В. Калашченко, М.Ю. Доломатов, С.В. Дезорцев. - М.: Интер, 2010. - 256 с.
7. Dolomatov M.Yu. Spectroscopic phenomenological estimation of the functional state of the human organism in conditions of environment [Text]/ M.Yu. Dolomatov, N.V. Kalashchenko, S.V. Dezortsev, T.R. Araslanov // International Journal of Clinical Medicine.
- 2011. - Vol. 2. - №. 2. - Р 79-82.
8. Доломатов М.Ю. Интегральные квантовые параметры электронных спектров крови человека как мера информации о состоянии здоровья [Текст]
/ М.Ю. Доломатов, Т.Р. Арасланов, Н.В. Калашченко, С.В. Дезорцев // Биомедицинская радиоэлектроника. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2012 - № 5. - С. 14-19.
References
1. URL: http:// www.gks.ru.
2. Gordecov A.S. Infrakrasnaja spektroskopija biologi-cheskih zhidkostej i tkanej [Tekst] / A.S. Gordecov // Sovremennye tehnologii v medicine. - 2010. - № 1. - S. 84-98.
3. Dolomatov M.Ju. Primenenie jelektronnoj spektroskopii v fiziko-himii mnogokomponentnyh stohasticheskih i slozhnyh molekuljarnyh sistem [Tekst] / M.Yu. Dolomatov. - Ufa: CNTI, 1989. - 47 s.
4. Dolomatov M.Yu. Fragmenty teorii real'nogo veshhestva: ot uglevodorodnyh sistem k galaktikam [Tekst] / M.Yu. Dolomatov.
- M.: Himija, 2005. - 208 s.
5. Dolomatov M.Yu. Electron Phenomenological Spectroscopy and Application in Investigating Complex Substances in Chemistry, Nanotecynology and Medicine [Text] / M.Yu. Dolomatov, G.R. Mukaeva D.O., Shulyakovskaya// Journal of Materials Science and Engineering B. - 2013. - Vol. 3. - № 3. -P. 183-199.
6. Kalashchenko N.V. Jelektronnaja fenomenologicheskaja spektroskopija krovi cheloveka v norme i patologii [Tekst] / N.V. Kalashchenko, M.Yu. Dolomatov, S.V. Dezorcev. - M.: Inter, 2010.
- 256 s.
7. Dolomatov M.Yu. Spectroscopic phenomenological estimation of the functional state of the human organism in conditions of environment [Text]/ M.Yu. Dolomatov, N.V. Kalashchenko, S.V. Dezortsev, T.R. Araslanov // International Journal of Clinical Medicine. - 2011. - Vol. 2. - №. 2. - P. 79-82.
8. Dolomatov M.Yu. Integral'nye kvantovye parametry jelektronnyh spektrov krovi cheloveka kak mera informacii o sostojanii zdorov'ja [Tekst] / M.Yu. Dolomatov, T.R. Araslanov, N.V. Kalashchenko, S.V. Dezorcev // Biomedicinskaja radiojelektronika. Biomedicinskie tehnologii i radiojelektronika. - 2012 - № 5. -S. 14-19.
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014
105
