Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн

В связи с асимметрией формы ДНК исследование поляризационных свойств ДНК выбрано нами как одно из первостепенных по важности. Предварительный теоретический расчет показал, что форма ДНК является оптимальной для образования поляризованной по кругу электромагнитной волны при условии резонанса (~ 10 н...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Семченко, И.В., Хахомов, С.А., Балмаков, А.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2009
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Прикладная радиофизика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105735
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн / И.В. Семченко, С.А. Хахомов, А.П. Балмаков // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 1. — С. 103-108. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-105735
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1057352016-09-08T03:02:43Z Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн Семченко, И.В. Хахомов, С.А. Балмаков, А.П. Прикладная радиофизика В связи с асимметрией формы ДНК исследование поляризационных свойств ДНК выбрано нами как одно из первостепенных по важности. Предварительный теоретический расчет показал, что форма ДНК является оптимальной для образования поляризованной по кругу электромагнитной волны при условии резонанса (~ 10 нм). Экспериментальное исследование, проведенное нами по принципу электродинамического подобия для металлических ДНК-подобных спиралей в СВЧ-диапазоне длин волн, подтвердило этот вывод. В работе экспериментально подтверждается наличие эффекта поляризационной селективности при двойном отражении СВЧ-волн от ДНК-подобных спиральных элементов в зависимости от их знака (правые и левые спирали). Показано, что циркулярная поляризация волн играет важную роль при взаимодействии искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне. Возможно, идентичный эффект имеет место в некоторых процессах с участием ДНК в клетках биологических организмов, но в дальнем ультрафиолетовом либо «мягком» рентгеновском диапазоне. У зв’язку з асиметрією форми ДНК дослідження поляризаційних властивостей ДНК обрано нами як одне з першорядних по значимості. Попередній теоретичний розрахунок довів, що форма ДНК є оптимальною, для утворення поляризованої по полу електромагнітної хвилі за умови резонансу ( 10 нм). Експериментальне дослідження, проведене нами за принципом електродинамічної подібності для металічних ДНК-подібних спіралей в НВЧ-діапазоні довжин хвиль, підтвердили цей висновок. У роботі експериментально підтверджується наявність ефекту поляризаційної селективності при подвійному відбитті НВЧ-хвиль від ДНК-подібних спіральних елементів у залежності від їх знака (праві та ліві спіралі). Показано, що циркулярна поляризація хвиль відіграє важливу роль при взаємодії штучних ДНК-подібних структур в НВЧ-діапазоні. Можливо, ідентичний ефект має місце в деяких процесах за участю ДНК у клітинах біологічних організмів, але в дальньому ультрафіолетовому чи «м’якому» рентгенівському діапазоні. Research on polarization properties of DNA is chosen by us as the one of paramount importance due to the asymmetry of the DNA form. The preliminary theoretical calculation has shown that the DNA form is optimum for formation of a circular electro-magnetic wave under the resonance condition (~10 nm). This conclusion has been proved for the metal DNA-like helices in a microwave range in accordance with the principle of scaling. In the given work it is experimentally confirmed the presence of the effect of polarization selectivity when microwave waves have double reflection from DNA-like helical elements depending on their sign (the right and left helices). It is shown that the circular polarization of waves plays an important role at interaction of microwave waves reflected from the artificial DNA-like structures. Probably, the identical effect takes place in some processes that involve DNA in biological organisms cells, but in far ultraviolet radiation that is close to the X-ray range. 2009 Article Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн / И.В. Семченко, С.А. Хахомов, А.П. Балмаков // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 1. — С. 103-108. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105735 53.082.9:537.531 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Прикладная радиофизика Прикладная радиофизика
spellingShingle	Прикладная радиофизика Прикладная радиофизика Семченко, И.В. Хахомов, С.А. Балмаков, А.П. Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн Радіофізика та електроніка
description	В связи с асимметрией формы ДНК исследование поляризационных свойств ДНК выбрано нами как одно из первостепенных по важности. Предварительный теоретический расчет показал, что форма ДНК является оптимальной для образования поляризованной по кругу электромагнитной волны при условии резонанса (~ 10 нм). Экспериментальное исследование, проведенное нами по принципу электродинамического подобия для металлических ДНК-подобных спиралей в СВЧ-диапазоне длин волн, подтвердило этот вывод. В работе экспериментально подтверждается наличие эффекта поляризационной селективности при двойном отражении СВЧ-волн от ДНК-подобных спиральных элементов в зависимости от их знака (правые и левые спирали). Показано, что циркулярная поляризация волн играет важную роль при взаимодействии искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне. Возможно, идентичный эффект имеет место в некоторых процессах с участием ДНК в клетках биологических организмов, но в дальнем ультрафиолетовом либо «мягком» рентгеновском диапазоне.
format	Article
author	Семченко, И.В. Хахомов, С.А. Балмаков, А.П.
author_facet	Семченко, И.В. Хахомов, С.А. Балмаков, А.П.
author_sort	Семченко, И.В.
title	Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн
title_short	Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн
title_full	Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн
title_fullStr	Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн
title_full_unstemmed	Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн
title_sort	взаимодействие искусственных днк-подобных структур в свч-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Прикладная радиофизика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105735
citation_txt	Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн / И.В. Семченко, С.А. Хахомов, А.П. Балмаков // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 1. — С. 103-108. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT semčenkoiv vzaimodejstvieiskusstvennyhdnkpodobnyhstrukturvsvčdiapazonepolârizacionnaâselektivnostʹotraženiâvoln AT hahomovsa vzaimodejstvieiskusstvennyhdnkpodobnyhstrukturvsvčdiapazonepolârizacionnaâselektivnostʹotraženiâvoln AT balmakovap vzaimodejstvieiskusstvennyhdnkpodobnyhstrukturvsvčdiapazonepolârizacionnaâselektivnostʹotraženiâvoln
first_indexed	2025-07-07T17:18:37Z
last_indexed	2025-07-07T17:18:37Z
_version_	1837009435930656768
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 14, № 1, 2009, с. 103-108 ИРЭ НАН Украины, 2009 ПРИКЛАДНАЯ РАДИОФИЗИКА УДК 53.082.9:537.531 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ДНК-ПОДОБНЫХ СТРУКТУР В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ: ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ ОТРАЖЕНИЯ ВОЛН И. В. Семченко, С. А. Хахомов, А. П. Балмаков Гомельский государственный университет им. Франциска Скорины 104, ул. Советская, Гомель, 246019, Беларусь Е-mail: isemchenko@gsu.by, khakh@gsu.by, balmakov@rambler.ru В связи с асимметрией формы ДНК исследование поляризационных свойств ДНК выбрано нами как одно из первосте- пенных по важности. Предварительный теоретический расчет показал, что форма ДНК является оптимальной для образования поляризованной по кругу электромагнитной волны при условии резонанса ( ~ 10 нм). Экспериментальное исследование, прове- денное нами по принципу электродинамического подобия для металлических ДНК-подобных спиралей в СВЧ-диапазоне длин волн, подтвердило этот вывод. В работе экспериментально подтверждается наличие эффекта поляризационной селективности при двойном отражении СВЧ-волн от ДНК-подобных спиральных элементов в зависимости от их знака (правые и левые спирали). По- казано, что циркулярная поляризация волн играет важную роль при взаимодействии искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне. Возможно, идентичный эффект имеет место в некоторых процессах с участием ДНК в клетках биологических организмов, но в дальнем ультрафиолетовом либо «мягком» рентгеновском диапазоне. Ил. 7. Библиогр.: 15 назв. Ключевые слова: ДНК, спираль, поляризационная селективность. Анизотропные и киральные (зеркально- асимметричные) среды изучаются уже много де- сятков лет. Ученые добились значительных успе- хов в изучении свойств кристаллов и искусствен- ных композитных материалов. В кристаллоопти- ке накоплен большой арсенал методов для прове- дения оптических исследований кристаллов, ос- нову которых составляют поляризационные ме- тоды. Оптика анизотропных сред теоретически описана достаточно полно. Однако до сих пор мало изучены электромагнитные свойства ки- ральных биологических объектов, что обусловле- но многими причинами. Действительно, воздействие электромаг- нитных волн на живой организм, его ткани и от- дельные клетки столь разнообразно и зависит от множества внутренних факторов, что с трудом поддается простому научному исследованию имеющимися способами. Тем не менее, многие биологические объекты и внутриклеточные структуры являются достаточно упорядоченными и к ним можно применить уже известные методы физики анизотропных и периодических сред. Кроме того, многие из этих биологических объектов имеют форму спирали (ДНК, РНК, бел- ки, оболочка поверхности нервов и т. д.), т. е. яв- ляются киральными. Особенно важные для выжи- вания организма молекулы, такие как ДНК, бел- ки, встречаются в природе только в одной из зер- кальных форм (правая, левая спираль), тогда как другие, менее важные, могут существовать в ор- ганизме одновременно в обеих формах. В настоящее время есть все основания полагать, что клетки биологических организмов и их отдельные части обмениваются между собой электромагнитными полями для регулирования различных биологических процессов, например при делении клетки. Однако зарегистрировать и исследовать характеристики этого излучения очень сложно, так как оно обладает очень низкой интенсивностью и, по всей видимости, имеет ре- зонансный характер. Кроме того, внешние электромагнитные поля, в том числе и искусственно создаваемые че- ловеком, оказывают определенное воздействие на клетки организма и их части. В настоящее время общепринято полагать, что действие электромаг- нитных полей на биологические организмы осно- вано на их тепловом эффекте. В то же время ряд исследователей показывают, что при некоторых условиях даже низкоинтенсивные электромагнит- ные волны способны оказывать на биологические объекты существенное действие, приводящее к изменениям в их структуре, функциях и др. Поэтому важно выяснить особенности взаимодействия электромагнитных волн с биоло- гическими спиральными объектами и в первую очередь с ДНК в связи с ее универсальной фор- мой для всех организмов и огромной биологиче- ской важностью. Проведение экспериментальных исследо- ваний поляризационных свойств молекулы ДНК требует дорогостоящего оборудования и соответ- ствующих навыков работы. Можно ли узнать по- ляризационные свойства молекулы ДНК исходя из установленных данных о ее форме, размерах, но не прибегая непосредственно к молекулярным исследованиям? В первом приближении нам представляется важным провести исследование на моделях ДНК- mailto:isemchenko@gsu.by mailto:khakh@gsu.by mailto:balmakov@rambler.ru И. В. Семченко и др. / Взаимодействие искусственных ДНК-подобных… _________________________________________________________________________________________________________________ 104 подобных спиралевидных структур, например в СВЧ-диапазоне длин волн, по принципу электроди- намического подобия. И далее подходить к экспе- рименту с молекулами ДНК, основываясь на ре- зультатах полученных выводов и аналогиях. Имен- но такая идея реализована в нашей работе. 1. Теоретическое обоснование. В стать- ях [1, 2] нами исследовалась теоретическая мо- дель взаимодействия линейной ДНК с электро- магнитными полями в рамках теории дипольного излучения [3, 4]. Как известно, молекула ДНК – это макро- скопическая периодическая структура: она состоит из очень большого количества молекул значитель- но меньшего размера – нуклеотидов. Электромаг- нитное возбуждение, возникающее в ДНК под действием внешних полей либо вследствие других причин, можно характеризовать силой электриче- ского тока. Этот ток является не током проводимо- сти, а молекулярным током, т. е. обусловлен сме- щением электронов относительно положения равновесия [5]. По причине периодичности ДНК электрический ток также является периодической функцией. Отметим, что отдельные нуклеотиды в составе ДНК характеризуются различными поля- ризуемостями и могут проявлять собственные селективные частотные свойства. Спиралевидный ток является причиной одновременного возникновения в молекуле элект- рического дипольного p  и магнитного m  мо- ментов, связанных между собой. Нами показано, что в молекуле ДНК при выполнении условия главного резонанса P (1) одновременно индуцируется электрический ди- польный момент и не менее значимый магнитный момент (здесь P – длина одного витка спирали, измеренная вдоль спиральной цепочки атомов). Эти моменты дают равные по абсолютной вели- чине вклады в электромагнитное поле, излучае- мое молекулой. Указанное обстоятельство приво- дит к поляризационной селективности взаимо- действия молекулы ДНК с электромагнитным излучением. Известно, что двойная спираль ДНК [6, 7] имеет радиус r = 1,0·10 -9 м и шаг h = 3,4·10 -9 м. Геометрические параметры двойной спирали ДНК, измеренные в процессе многих экспери- ментов, близки к указанным значениям r и h. Следующее выражение было получено ранее для компоненты электрического дипольно- го момента спирали:   2 1 . x x x dxxI i p  (2) здесь ось x направлена вдоль оси спирали; x1 и x2 – координаты начала и конца полувитка спирали; i – мнимая единица. Мы предполагаем гармоническую зави- симость электрического тока I от времени, вы- раженную формулой ,tie  где  – циклическая частота. В дополнение, принимая в расчет гео- метрические параметры спирали, мы рассчитали x-компоненту магнитного момента:   . 2 1 2 1 2  x x x dxxIqrm (3) Здесь hq 2 – удельное кручение спирали, знаки «+» и «–» соответствуют правой и левой спирали. Связь между проекциями моментов на ось спирали выражается формулой . 2 2 xx m qr i p   (4) Это соотношение универсальное, так как не зависит от распределения электрического тока вдоль спирали )(xI и остается справедливым при любой последовательности азотистых оснований в ДНК. Компоненты моментов вдоль оси спирали играют главную роль при излучении циркулярно поляризованной волны в направлении, перпенди- кулярном оси спирали. В работе [1] рассмотрен некоторый спи- ральный осциллятор с произвольным распределе- нием электрического тока и получено условие, при котором спираль излучает поляризованную по кругу электромагнитную волну в направлении, ортогональном оси спирали , 1 xx m c p  (5) где с – скорость света в вакууме. Принимая в расчет соотношение между геометрическими параметрами спирали ,2cos rP   (6) а также условие главного резонанса (1), мы полу- чаем следующее тригонометрическое уравнение для спирали с углом подъема : .01sin2sin2   (7) Выбирая положительный корень квад- ратного уравнения (7), мы можем найти опти- мальный угол подъема спирали для произвольно- го количества ее витков опт = 24,5˚. Полученное теоретическое значение оп- тимального угла подъема приблизительно на 15 % отличается от угла подъема эксп = 28,4˚, соответ- ствующего приведенным выше эксперименталь- ным данным для радиуса r и шага спирали .h Оптимальная форма спирали предполага- ет, что при любом электрическом токе в спирали образуются равнозначные друг другу электриче- ский дипольный и магнитный моменты, направ- ленные вдоль оси спирали. Такая оптимальная спираль активируется значительно сильнее цир- И. В. Семченко и др. / Взаимодействие искусственных ДНК-подобных… _________________________________________________________________________________________________________________ 105 кулярно поляризованной волной, которая распро- страняется перпендикулярно оси спирали. При этом знак поляризации сильно воздействующей электромагнитной волны противоположен знаку спирали. Следовательно, для правой спирали ДНК воздействующая на нее циркулярно поляри- зованная волна образует в пространстве левый винт. Для циркулярно поляризованной волны другого знака оптимальная спираль совершенно прозрачна. Это свойство поляризационной селек- тивности играет важную роль также при излуче- нии электромагнитных волн спиралью. ДНК-подобные спирали обладают опти- мальными свойствами при активации их как электрическим, так и магнитным полем, т. е. при любой ориентации плоскости поляризации па- дающей волны. В дипольном приближении напряжен- ность электрического поля излучаемой волны имеет вид      , 1 4 ),( 0        mn c nnp R tRE    (8) где R  – радиус-вектор, проведенный от рассмат- риваемого полувитка спирали в точку наблюде- ния; n  – единичный вектор, совпадающий по направлению с ;R  o – магнитная постоянная; точки над векторами означают дифференцирова- ние по времени. В соотношении (11) производные элект- рического дипольного и магнитного моментов вычисляются в предшествующий момент времени с учетом запаздывания волн, приходящих от ис- точника в точку наблюдения. Нами было показано, что ортогональные компоненты вектора напряженности поля излу- ченной волны связаны между собой соотношением yx iEE  . (9) Таким образом, можно сделать вывод, что в условиях резонанса ДНК излучает левоцир- кулярную электромагнитную волну в направле- нии, перпендикулярном оси спирали. Такая поля- ризация излучаемой волны остается неизменной при произвольном распределении электрического тока в ДНК, т. е. при любой последовательности азотистых оснований в ДНК. Эллиптичность волны, излучаемой акти- вированным участком ДНК перпендикулярно оси спирали (в направлении оси Oz), можно вычис- лить следующим образом: . x y E E i (10) Эллиптичность очень близка к +1, т. е. из- лучаемая волна имеет круговою поляризацию, и вектор напряженности электрического поля обра- зует в пространстве левый винт. 2. Экспериментальная проверка. Экс- периментальным путем нами исследуется элект- ромагнитная волна СВЧ-диапазона, отраженная двумерными решетками, состоящими из спираль- ных проводников. Каждый спиральный элемент имеет геометрические параметры, подобные мо- лекуле ДНК. Исследуется эллиптичность отра- женной электромагнитной волны в зависимости от частоты вблизи главного резонанса. На осно- вании принципа электродинамического подобия экспериментально подтверждается результат, полученный ранее теоретически. В статье представлены эксперименталь- ные результаты исследований поляризационной селективности волн, отраженных решетками, со- стоящими из правых и левых ДНК-подобных спиралей в СВЧ-диапазоне. Параметры спиралей были выбраны в соответствии с предсказаниями теории с целью получения отраженных волн вы- сокой эллиптичности. Для усиления сигнала были изготовлены решетки из медных спиралей, закрепленных на радиопрозрачном материале (рис. 1). Каждый образец состоял из идентичных спиралей одного знака (правых или левых). Рис. 1. Фото опытного образца двойных правых ДНК- подобных спиралей В нашем эксперименте спирали активи- руются плоской падающей волной, т. е. каждая спираль находится в однородном поле. Поэтому в центре каждой спирали, где влияние ее краев явля- ется самым слабым, должна иметь место пучность стоячей волны электрического тока. На краях спи- рали сила тока обращается в нуль, поэтому пол- ная длина спирали должна быть кратна половине длины волны электромагнитного поля . 2  kL  (11) Максимальное значение тока (пучность) в центре спирали может иметь место только для спи- рали, состоящей из нечетного числа полувитков. И. В. Семченко и др. / Взаимодействие искусственных ДНК-подобных… _________________________________________________________________________________________________________________ 106 Это значит, что 12  mk , где m – целое число. Если спираль содержит целое число витков, то электрический ток в ней не может быть создан од- нородным полем падающей плоской волны. Первая решетка возбуждалась линейно- поляризованной волной, падающей на образец под углом 45° к его плоскости (рис. 2). Здесь 1 – гене- ратор СВЧ-сигнала; 2, 8 – рупорные антенны; 3, 5, 7 – направление распространения волн; 4, 6 – образцы ДНК-подобных спиралей; 9 – приемник СВЧ-сигнала. Рис. 2. Схема эксперимента в безэховой камере Отраженная от первой решетки волна была близка к циркулярно поляризованной в ис- следуемом нами диапазоне длин волн и далее падала на вторую решетку (рис. 3). Рис. 3. Схематически показан процесс преобразования элект- ромагнитной волны пре ее отражении от образцов ДНК- подобных правых и левых спиралей Волна, отраженная от второй решетки, была циркулярно поляризована влево (вектор напряженности поля описывает в пространстве левый винт), если спирали обеих решеток были правыми, и линейно поляризованной, если спира- ли первой решетки были правыми, а спирали вто- рой решетки – левыми. Во втором случае интен- сивность волны, испытавшей двойное отражение от решеток, была значительно меньшей. Графики зависимости эллиптичности от- раженных волн от частоты можно увидеть на рис. 4 для случая правых спиралей на обоих образ- цах (эффект поляризационной селективности из- лучения на частоте 2,8 ГГц). Рис. 5 соответствует случаю правых спиралей на первом образце и ле- вых спиралей на втором образце (отсутствие эф- фекта поляризационной селективности излучения). Рис. 4. График зависимости эллиптичности отраженной волны от частоты, когда образцы состоят из правых спиралей Вектор напряженности электрического поля падающей линейно поляризованной волны направлен перпендикулярно осям спиралей. Рас- сматривались также случаи, когда вектор был на- правлен вдоль осей спиралей. Графики зависимо- стей эллиптичности от частоты для этих случаев оказались сходными с указанными на рис. 4 и 5. Рис. 5. График зависимости эллиптичности отраженной волны от частоты, когда первый образец состоит из правых спира- лей, а второй – из левых Кроме того, исследовалась зависимость интенсивности электромагнитной волны, отра- женной от второго образца, от частоты. Графики зависимости приведены на рис. 6 для случая пра- вых спиралей на обоих образцах и на рис. 7 для случая правых спиралей на первом образце и ле- вых – на втором. Эффект поляризационной селективности излучения еще более четко проявился для ин- тенсивности волны, отраженной от образцов с правыми спиралями на той же частоте 2,8 ГГц, Левоциркулярная (либо слабая линейная) волна на резонансной частоте Линейно поляризованная падающая волна Левоциркулярная волна Правовинтовые двойные спирали Правовинтовые (либо левовинто- вые) двойные спирали L L Э л л и п ти ч н о ст ь Частота, ГГц 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,6 3,4 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,6 3,4 Э л л и п ти ч н о ст ь Частота, ГГц 0,6 И. В. Семченко и др. / Взаимодействие искусственных ДНК-подобных… _________________________________________________________________________________________________________________ 107 которой соответствовал максимум эллиптично- сти. В то же время для образцов, образованных спиралями противоположного знака, макси- мальная интенсивность волны после двойного отражения уменьшилась приблизительно в два раза на частоте, близкой к 2,8 ГГц. Рис. 6. График зависимости относительной интенсивности отраженной волны от частоты, когда образцы состоят из пра- вых спиралей Рис. 7. График зависимости относительной интенсивности отраженной волны от частоты, когда первый образец состоит из правых спиралей, а второй – из левых Нами также исследовалась зависимость эллиптичности отраженной волны от плотности спиралей на образце. Мы уменьшали количество спиралей на образце, удаляя каждый второй ряд. При этом оказалось, что график эллиптичности отраженной волны оставался неизменным, умень- шалась только интенсивность сигнала. Таким об- разом, регистрируемая волна, отраженная решет- кой в целом, позволяет судить об эллиптичности волны, излучаемой отдельной двойной спиралью. Этот вывод обусловлен тем обстоятельством, что в нашем эксперименте волны, излучаемые отдель- ными спиралями, согласованы по фазе. 3. Результаты эксперимента примени- тельно к ДНК-подобным спиралям. В статье нами представлены экспериментальные данные, подтверждающие теоретические исследования поляризационной селективности взаимодействия электромагнитного излучения с ДНК-подобными структурами. Предварительные результаты экспери- ментальных исследований были частично пред- ставлены на конференциях [8–13]. Говоря о поляризационной селективности спиральных объектов, подобных ДНК, мы подра- зумеваем необходимость двойной спирали и опти- мального угла подъема спирали. Как было частич- но показано в работе [10], при отражении от оди- нарных ДНК-подобных спиралей электромагнит- ная волна имеет линейную поляризацию вне зави- симости от типа поляризации падающей волны. При этом плотность спиралей на образце не имеет существенного значения, эффект прояв- ляется и при одной спирали. Распределение токов в каждой спирали может иметь совершенно про- извольный вид, так как соотношение (4) не зави- сит от распределения тока. Выводы. Согласно принципу электроди- намического подобия эффект поляризационной селективности, наблюдаемый в СВЧ-диапазоне для ДНК-подобных спиралей, может иметь место для молекулы ДНК в нанометровом диапазоне. Этот эффект является одним из опреде- ляющих для ДНК (возможно, и для других спи- ральных объектов) и напрямую связан с наруше- нием зеркальной симметрии в природных струк- турах и явлениях. Поляризационная селектив- ность электромагнитного взаимодействия может быть важна при генетическом сохранении разли- чий между правовинтовыми и левовинтовыми формами объектов живой природы. Обладая оптимальной геометрической формой, молекула ДНК не подвержена воздейст- вию правой циркулярно поляризованной электро- магнитной волны в нанометровом диапазоне. Та- кая волна, для которой правосторонняя молекула ДНК является «прозрачной», должна распростра- няться перпендикулярно оси спирали и образовы- вать в пространстве правый винт. Соответственно, волна, излучаемая правосторонней молекулой ДНК перпендикулярно оси спирали при условии резонанса, имеет левую циркулярную поляриза- цию. Эти особенности могут быть использованы при создании ДНК-подобных метаматериалов с селективными поляризационными свойствами. В последние годы значительно возрос ин- терес к созданию искусственных двумерных и трехмерных структур непосредственно из молекул ДНК. В работе [14] показана возможность созда- вать из участков ДНК объемные наноструктуры в виде решеток, кубов, октаэдров и других фигур. В обзорной работе [15] сообщается о по- явлении композитных наноматериалов с использо- ванием ДНК, в частности, говорится о присоеди- нении нанометровых частиц золота к участку ДНК по принципу комплементарности. Там же говорит- О тн о си те л ь н ая и н те н си в н о ст ь Частота, ГГц 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,6 3,4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,6 3,4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 О тн о си те л ь н ая и н те н си в н о ст ь Частота, ГГц И. В. Семченко и др. / Взаимодействие искусственных ДНК-подобных… _________________________________________________________________________________________________________________ 108 ся о работах по палладиевой металлизации моле- кул ДНК, вставке в азотистые основания цинка, кобальта или никеля, что ведет к повышению то- копроводимости таких участков ДНК. Таким обра- зом, перспективным выглядит применение участ- ков ДНК в качестве молекулярной нанопроволоки. Следует ожидать, что для таких структур селек- тивные поляризационные свойства могут прояв- ляться наиболее значительно в «мягком» рентге- новском и ультрафиолетовом диапазоне. Авторы выражают благодарность В. А. До- брияну за техническую помощь в изготовлении шаблонов спиральных излучателей. Работа выполнена при поддержке Бело- русского республиканского фонда фундамен- тальных исследований, проект № Ф08МС–050. 1. Семченко И. В., Хахомов С. А., Балмаков А. П. Поляриза- ционная селективность электромагнитного излучения ДНК // Радиотехника и электрон. – 2007. – 52, № 9. – С. 1078–1083. 2. Семченко И. В., Хахомов С. А., Самофалов А. Л. Преобра- зование поляризации электромагнитных волн спиральны- ми излучателями // Радиотехника и электрон. – 2007. – 52, № 8. – С. 850–855. 3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. – М.: Наука, 1973. – 504 с. 4. Semchenko I. V., Khakhomov S. A., Samofalov A. L. Polariza- tion plane rotation of electromagnetic waves by the artificial periodic structure with one-turn helical elements // Electro- magnetics. – 2006. – 26, no. 3–4. – С. 219. 5. Kauzmann W. Quantum chemistry. An introduction. – New York.: Academic Press, 1957. – 744 p. 6. Watson J. D., Crick F. H. C. Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid // Nature. – 1953. – No. 171. – P. 737. 7. http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=DNA&oldid=56282 939. 8. Semchenko I. V., Khakhomov S. A., Balmakov A. P. Polariza- tion selectivity of electromagnetic radiation of DNA // Proc. Bianisotropics.– Helsinki Univ. of Technology, Report 478, 2006. – P. 45. 9. Семченко И. В., Балмаков А. П. Киральные свойства мо- лекулы ДНК и поляризационная селективность ее элек- тромагнитного излучения // Изв. Гомельск. госун-та. – 2006. – 6, № 39. – Ч. 1. – С. 136–139. 10. Semchenko I. V., Khakhomov S. A., Balmakov A. P. Electro- magnetic model of DNA: observation of polarization selectivi- ty of radiation. // Proc. 6th Inter-Academia. – Hamamatsu, Ja- pan, 2007. – P. 136–145. 11. Semchenko I. V., Khakhomov S. A., Balmakov A. P. Electro- magnetic model of DNA: observation of polarization selectivity of radiation. // Proc. of Metamaterials’2007. – Rome, 2007. – P. 711–714. 12. Balmakov A. P., Semchenko I. V. DNA-like Metamaterials: Obser- vation of Polarization Selectivity of Electromagnetic Properties // Proc. of Metamaterials’2008 – Pamplona (Spain), 2008. 13. Балмаков А. П., Семченко И. В. Поляризация электромаг- нитных волн массивом ДНК-подобных спиральных про- водников // VIII Конф. молодых ученых «Радиофизика и электроника, биофизика»: Тез. докл. – Харьков, 2008. – С. 70. 14. Seeman N. C. Nanotechnology and the Double Helix // Scien- tific American Reports. – 2007. – No. 9. – P. 30–39. 15. Чермис А. В., Вахитов В. А. Новая старая ДНК. – Уфа: Ин-т биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН, 2002. – С. 53–57. INTERACTION OF ARTIFICIAL DNA-LIKE STRUCTURES IN MICROWAVE BAND: THE POLARIZATION SELECTIVITY OF WAVE RADIATION I. V. Semchenko, S. A. Khakhomov, A. P. Balmakov Research on polarization properties of DNA is chosen by us as the one of paramount importance due to the asymmetry of the DNA form. The preliminary theoretical calculation has shown that the DNA form is optimum for formation of a circular electro- magnetic wave under the resonance condition (  ~10 nm). This conclusion has been proved for the metal DNA-like helices in a microwave range in accordance with the principle of scaling. In the given work it is experimentally confirmed the presence of the effect of polarization selectivity when microwave waves have double reflection from DNA-like helical elements depending on their sign (the right and left helices). It is shown that the circular polarization of waves plays an important role at interaction of microwave waves reflected from the artificial DNA-like structures. Probably, the identical effect takes place in some processes that involve DNA in biological organisms cells, but in far ultraviolet radiation that is close to the X-ray range. Key words: DNA, helix, polarization selectivity. ВЗАЄМОДІЯ ШТУЧНИХ ДНК-ПОДІБНИХ СТРУКТУР В НВЧ-ДІАПАЗОНІ: ПОЛЯРИЗАЦІЙНА СЕЛЕКТИВНІСТЬ ВІДБИТТЯ ХВИЛЬ І. В. Семченко, С. А. Хахомов, О. П. Балмаков У зв’язку з асиметрією форми ДНК дослідження поляризаційних властивостей ДНК обрано нами як одне з першорядних по значимості. Попередній теоретичний розра- хунок довів, що форма ДНК є оптимальною, для утворення поляризованої по полу електромагнітної хвилі за умови резо- нансу ( 10 нм). Експериментальне дослідження, проведене нами за принципом електродинамічної подібності для металі- чних ДНК-подібних спіралей в НВЧ-діапазоні довжин хвиль, підтвердили цей висновок. У роботі експериментально підт- верджується наявність ефекту поляризаційної селективності при подвійному відбитті НВЧ-хвиль від ДНК-подібних спіра- льних елементів у залежності від їх знака (праві та ліві спіра- лі). Показано, що циркулярна поляризація хвиль відіграє важ- ливу роль при взаємодії штучних ДНК-подібних структур в НВЧ-діапазоні. Можливо, ідентичний ефект має місце в деяких процесах за участю ДНК у клітинах біологічних організмів, але в дальньому ультрафіолетовому чи «м’якому» рентгенівському діапазоні. Ключові слова: ДНК, спіраль, поляризаційна се- лективність. Рукопись поступила 20 января 2009 г.

Взаимодействие искусственных ДНК-подобных структур в СВЧ-диапазоне: поляризационная селективность отражения волн

Репозитарії

Схожі ресурси