Терапия, основанная на применении ИК лазерных источников излучения низкой и средней интенсивности в области 800-1300 нм, активно используется для лечения различных заболеваний. Так как известно, что кислород имеет полосы поглощения в ближней ИК области спектра, выдвинута гипотеза, что молекулярный кислород, растворенный в живых клетках и тканях, может быть фоторецептором лазерного излучения. Чтобы выяснить, насколько вероятен этот механизм лазерной терапии, мы исследовали действие ИК лазерного излучения с длиной волны 800-1300 нм на кислород, растворенный в аэробных условиях при комнатной температуре и атмосферном давлении. Данные получены с помощью набора диодных и волоконных ИК лазеров, при этом использовали кюветы с длиной оптического пути 1 см. Скорость генерации синглетного кислорода при возбуждении кислородных молекул лазерным излучением измеряли с помощью химической ловушки синглетного кислорода – 1,3-дифенилизобензофурана, а в качестве растворителей использовали четыреххлористый углерод, гексафторбензол, хладон-113, ацетон, этанол и тяжелую воду. Установлено, что во всех растворителях в спектрах действия окисления ловушки, наиболее интенсивна полоса, совпадающая с основной абсорбционной полосы кислорода с максимумом 1273 нм (переход (1Δg(0) <- 3Σg-(0)). Кроме нее, обнаруживается примерно в 100 раз менее интенсивная полоса с максимумом 1070 нм и полушириной 8-18 нм (в зависимости от среды), соответствующая первому вибронному переходу молекулярного кислорода (1Δg(1) <- 3Σg-(0)). Добавление тушителей синглетного кислорода (ацетона в гексафторбензоле и азида натрия в тяжелой воде) приводило к уменьшению скорости выцветания ловушки под действием лазеров на 1070 и 1273 нм. Измерены молярные коэффициенты поглощения кислорода в этих максимумах во всех средах (ε1273 = 1,6 ÷ 5,1×10-3 М-1см-1, ε1070 = 1,1 ÷ 4,9×10-5 М-1см-1). При действии ИК излучения в диапазоне 800-1060 нм скорость выцветания ловушки во всех средах была еще на порядок более низкой, причем она не зависела от длины волны возбуждения и почти не превышала скорость темнового выцветания ловушки в отсутствии облучения. Отсюда следует, что величина коэффициентов поглощения кислорода, соответствующих этой области спектра, гораздо меньше, чем даже у полосы при 1070 нм. Таким образом, проведенные измерения позволили впервые получить абсорбционные коэффициенты, соответствующие полосе 1070 нм в спектре поглощения молекулярного кислорода, растворенного в естественных условиях в полярных и неполярных средах; с другой стороны, они говорят о том, что терапевтические эффекты ИК излучения, особенно в области 800-1100 нм, по-видимому, не связаны с возбуждением кислорода. Часть результатов этой работы опубликована в статье [1]. Работа была частично поддержана грантом РФФИ № 19-04-00331 А и госзаданием ФИЦ Биотехнологии РАН.



Литература



1. Kozlov A.S., Egorova O.N., Medvedkov O.I., Krasnovsky A.A., Jr. Activation of oxygen molecules by 1070 nm laser radiation in aerated solvents. // Optics Letters. 2021. vol. 46. №3. pp. 556-559.

Therapy based on the application of low- and medium-intensity IR laser radiation sources in the region of 800-1300 nm is actively employed for the treatment of various diseases. Since it is known that oxygen has absorption bands in the near-IR region of the spectrum, it has been proposed that molecular oxygen dissolved in living cells and tissues can be a photoreceptor of laser radiation. To find out the viability of this mechanism of laser therapy, we investigated the effect of IR laser radiation in the range of 800-1300 nm on the oxygen in aerobic media at room temperature and atmospheric pressure. The data were obtained using a set of diode and fiber IR lasers, while using cuvettes with an optical path of 1 cm. The singlet oxygen generation rate during the excitation of oxygen molecules by laser radiation was measured using a chemical trap of singlet oxygen – 1,3-diphenylisobenzofuran. Carbon tetrachloride, hexafluorobenzene, freon-113, acetone, ethanol and heavy water were used as solvents. It was found that in all solvents in the action spectra of the trap oxidation, the most intense band coincide with the main absorption band of oxygen with a maximum of 1273 nm (1Δg(0) <- 3Σg-(0) transition). In addition, another band with a maximum at 1070 nm and a half-width of 8-18 nm (depending on the solvent) corresponding to the first vibronic transition of molecular oxygen (1Δg(1) <- 3Σg-(0)) was reliably detected. The intensity of this maximum is about 100-fold less than that of the maximum at 1273 nm. Addition of singlet oxygen quenchers (acetone in hexafluorobenzene and sodium azide in heavy water) reduced the rate of trap bleaching under the action of lasers at 1070 and 1273 nm. The molar absorption coefficients for oxygen at these maxima were measured in all solvents (ε1273 = 1.6 ÷ 5.1×10-3 M-1cm-1, ε1070 = 1.1 ÷ 4.9×10-5 M-1cm-1). Under the action of IR radiation at 800-1060 nm, the rate of trap photooxidation was lower by an order of magnitude than for 1070 nm in all solvents, and it did not depend on the excitation wavelength and almost did not exceed the rate of dark bleaching of the trap in the absence of irradiation. It indicates that the oxygen absorption coefficients in this spectral interval are much smaller than even for the band at 1070 nm. Thus, in our work absorption coefficients corresponding to the 1070 nm absorption band of molecular oxygen dissolved under natural conditions in polar and non-polar media have been obtained for the first time. In addition, our data suggest that the therapeutic effects of IR radiation of 800-1100 nm, are not related to the direct excitation of oxygen. Part of the results of this investigation was published in the article [1]. This work was partially supported by RFBR grant No. 19-04-00331 (A) and the state assignment of the FRC of Biotechnology of the Russian Academy of Sciences.



Literature



1. Kozlov A.S., Egorova O.N., Medvedkov O.I., Krasnovsky A.A., Jr. Activation of oxygen molecules by 1070 nm laser radiation in aerated solvents. // Optics Letters. 2021. vol. 46. №3. pp. 556-559.