Хлорофилл и фотовосстановление: немного науки или как помочь солнышку
Для подтверждения содержания фотоактивных соединений в используемых нами натуральных экстрактах и маслах, в частности – природного хлорофилла, принадлежащего химическому семейству порфиринов, и для получения представления об их активности, что важно для обеспечения фотовосстанавливающего ухода за кожей, мы использовали результаты флуоресцентной спектроскопии. Эта процедура представляет собой запись и анализ распределений интенсивности флуоресценции, или собственного слабого свечения определенных химических соединений, называемых флуорофорами, содержащихся в исследуемых веществах, в зависимости от длины световой волны такого флуоресцентного свечения. Эти распределения интенсивности называются спектрами флуоресценции. Их можно получить и проанализировать с помощью специального прибора, называемого спектрометром.
Флуоресцентные спектроскопические исследования образцов ингредиентов нашей косметики, которые мы отобрали как интересные с точки зрения обеспечения фотовосстанавливающего ухода, были проведены специалистами лаборатории спектроскопии Института Общей Физики РАН им. А.М.Прохорова на разработанном ими лазерном диагностическом флуоресцентном спектрометре «СПЕКТР-КЛАСТЕР», а записанные и приведенные ниже спектры флуоресценции были проанализированы и любезно предоставлены нам для данной публикации. .
Флуоресценция, т.е. собственное свечение флуорофоров, обладающих фотохимической активностью, сопровождает некоторые физические процессы в их атомах при фотохимических реакциях, как раз и являясь индикатором такой активности. Флуоресцентное свечение может вызываться в том числе внешним светом определенной длины волны, падающим на фотоактивные компоненты и поглощенным ими. Из-за потерь энергии поглощенного света в результате этих физических процессов длина волны флуоресцентного свечения вещества всегда больше чем у активирующего света, который вызвал это свечение. Иными словами, если флуоресценция вызывается синим светом, то само флуоресцентное свечение может быть, например, зеленым, желтым или красным, тогда как зеленый свет может вызвать лишь более длинноволновую флуоресценцию – например, желтую или красную. Комбинации известных длин световой волны активирующего света и длин волн, на которые приходятся максимумы (пики) в спектрах вызванного им флуоресцентного свечения исследуемого вещества обычно характерны для тех или иных флуорофоров или их семейств, что можно использовать для их определения в составе вещества и идентификации среди прочих компонентов – подобно тому, как, например, криминалисты идентифицируют личность по отпечаткам пальцев. В свою очередь, высота пиков флуоресценции, т.е. ее интенсивность на соответствующих длинах световых волн, может характеризовать либо интенсивность самих фотохимических реакций с участием разных флуорофоров, т.е. их различающуюся фотохимическую активность при одной и той же концентрации данных флуорофоров в исследуемых образцах, либо различающиеся концентрации одного и того же флуорофора в разных образцах. .
Для активации порфириновых соединений, являющихся хорошими флуорофорами, в нашем исследовании использовался фиолетовый активирующий свет лазерного диода с длиной волны 407 нанометров. Известно, что именно такой фиолетовый свет наиболее сильно поглощается порфиринами (общая для этого семейства соединений область поглощения света, называемая по имени исследователя полосой Соре). Согласно накопленному опыту, фиолетового активирующего света оказывается достаточно для подтверждения присутствия порфиринов и, в частности, природного хлорофилла, т.к. активирующий свет в других хорошо известных областях поглощения порфиринами (зеленой, около 530 нанометров, и оранжево-красной, около 630 нанометров) обычно вызывает схожие картины спектрального распределения флуоресценции с максимумами (пиками) свечения около 670 нанометров, но менее интенсивными чем при фиолетовой активации. .
Рассмотрим полученные результаты. На всех приведенных ниже графиках записанных спектров флуоресценции исследованных образцов по вертикали отложена интенсивность флуоресценции, измеренная в некоторых общих для всех образцов относительных единицах, которые пропорциональны электрическому сигналу фотоприемника, использованного в спектрометре. .
Первым представлен спектр флуоресценции смеси хлорофиллов из листьев эвкалипта. На нем отчетливо наблюдается характерный по своему положению и форме мощный пик флуоресценции около 670 нанометров, свойственный порфиринам и природному хлорофиллу, и в случае фиолетовой активации кроме данного иных пиков не наблюдается. Таким образом, смесь хлорофиллов из эвкалипта скорее всего не содержит каких-либо других фотоактивных соединений. .
Далее следуют спектры флуоресценции масла облепихи и масла зародышей пшеницы, обнаруживающие некоторое подобие друг другу. Кроме достаточно мощных и характерных пиков флуоресценции в оранжево-красной спектральной области, подтверждающих высокое содержание порфиринов, участвующих в фотовосстановительных механизмах, в спектрах обоих данных ингредиентов представлена относительно небольшая доля зелено-голубой флуоресценции, что свидетельствует о некотором содержании в них флуорофоров непорфириновой природы – по всей видимости, флавинов и НАДН (обычно витаминов группы В, также участвующих в омоложении кожи). .
Спектр флуоресценции масла зародышей пшеницы (последний из данных двух) интересен еще и тем, что он, как видим, имеет 3 пика в оранжево-красной и ближней инфракрасной спектральных областях, приходящиеся на 625, 670 и 705 нанометров. Известно, что все эти спектральные полосы флуоресцентного свечения при фиолетовой активации характерны для разных видов порфиринов, включая и природный хлорофилл, из которых все могут давать фотовосстанавливающий эффект для кожи.
Краситель Biocolor Green C3 RB5039 / Хлорофиллин и образец чистого Хлорина Е6 имеют спектры флуоресценции «классического» вида для семейств химических соединений порфиринов и хлоринов. Они представлены далее на общем графике. Активация флуоресценции данных образцов велась также фиолетовым лазером на длине волны 407 нанометров (в полосе Соре), причем для лучшего сопоставления общей фотохимической активности двух данных компонентов концентрации их растворов в дистиллированной воде были выровнены между собой.
На приведенном графике отчетливо видны абсолютно одинаковые для обоих исследованных образцов, «классические» по своему положению и форме мощные пики красной флуоресценции около 670 нанометров, которые при сопоставимой концентрации всех исследованных растворов заметно превышают пики всех остальных исследованных образцов косметических компонентов, причем кривая для Хлорофиллина идет немного выше, чем для чистого Хлорина Е6.Представленный спектр флуоресценции красителя Biocolor Green C3 RB5039 / Хлорофиллин демонстрирует присутствие в нём флуорофоров исключительно порфиринового и/или хлоринового семейств, и никаких иных классов флуоресцирующих соединений в данном красителе нет. Причем, если в нем содержатся хлорофиллы и их производные, то столь эффективная активация их флуоресценции фиолетовым светом на длине волны 407 нанометров свидетельствует об их освобожденном из хлоропластов, биологически активном состоянии в данном экстракте. А более яркая, чем у чистого Хлорина Е6, флуоресценция Хлорофиллина (т.е. его немного большая общая фотохимическая активность) может свидетельствовать о присутствии в данном красителе сразу нескольких видов флуорофоров, для которых флуоресцентное свечение суммируется в общем для них всех пике.
Заодно для полноты картины приведем обыкновенный спектр поглощения света образцом спиртового раствора красителя Biocolor Green C3 RB5039 / Хлорофиллин, записанный на спектрофотометре SPECORD (Германия) в Институте Элементоорганических Соединений РАН им. А.Н.Несмеянова.
По положению и высоте всех основных и промежуточных пиков поглощения данная кривая полностью соответствует химическому семейству порфиринов и хлоринов. Для всех из представителей этих семейств спектры поглощения по отдельности совпадают между собой, поэтому на представленном графике они накладываются друг на друга на всех длинах световых волн. Еще раз подчеркнем, что в случае содержания хлорофиллов и их производных в данном красителе, поглощение ими света в полосе Соре свидетельствует об их освобожденном, биологически активном состоянии (т.е. об их т.наз. биодоступности для живых тканей).
Микро-водоросль Aphanizomenon flos-aquae var.flos aquae, спектр флуоресценции которой при активации фиолетовым светом следует далее, в своем составе очевидно имеет доминирующую долю непорфириновых флуорофоров, дающих сильную зелено-голубую флуоресценцию.
Доминирующая в данном случае зелено-голубая флуоресценция, по всей видимости, возникает благодаря содержанию в данной микро-водоросли витамина В2 (или рибофлавина), принадлежащего семейству флавинов, а также, возможно, кофермента НАДН (никотинамидадениндинуклеотид, или биологически активная форма витамина В3), которые известны своей флуоресценцией именно в данной спектральной области при активации фиолетово-синим светом. Хотя, эти соединения не требуют фотоактивации (т.е. облучения светом) для проявления своих полезных свойств для кожи, а флуоресцентный анализ используется лишь для подтверждения их содержания в исследуемых ингредиентах. .
Далее приведен спектр флуоресценции микро-водоросли Aphanizomenon flos-aquae var.flos aquae, но снятый при активации имеющимся оранжево-красным лазером на длине световой волны около 630 нанометров. Это сделано для того, чтобы подтвердить содержание в данной водоросли фикобилипротеинов (фотоактивных компонентов, также как и хлорофилл способствующих фотоомоложению кожи – в частности, участвующих в реакциях выработки в коже естественного коллагена на свету), которые, как известно, активно поглощают свет в зеленой, желтой и оранжево-красной областях оптического спектра.
Приведенный спектр флуоресценции показывает, что в предоставленном образце данной водоросли, кроме витаминов группы В, могут в большом количестве содержаться фикобилипротеины (в частности, принадлежащие данному химическому семейству С-фикоцианин, R-фикоцианин и аллофикоцианин), поскольку, как можно видеть, активация оранжево-красным светом вызывает сильную флуоресценцю в ближней инфракрасной области спектра, что свойственно данным фотоактивным соединениям. .
Подводя итог, можно сказать, что при впитывании кремов и проникновении в кожу и эпидермис всех рассмотренных здесь натуральных ингредиентов, которые мы используем, дальнейшее воздействие света в полосах его поглощения фотоактивными соединениями в той или иной мере запускает фотохимические реакции, лежащие в основе механизмов фотовосстановления кожи.
Обычно солнечный спектр включает все длины световых волн, приходящиеся на указанные полосы поглощения порфиринов или других фотоактивных соединений и необходимые для их фотоактивации, т.е. содержащиеся в наших активных компонентах хлорофилл и другие соединения в светлое время суток и особенно в весенне-летний период сами «выбирают» из солнечного спектра те длины световых волн, которые им нужны для запуска полезных реакций.
Однако в темные периоды имеющегося естественного освещения может оказаться недостаточно для запуска полезных фотохимических реакций даже при достаточном снабжении нашей кожи внешними (экзогенными) активными элементами в виде компонентов косметических кремов. Тогда для обеспечения фотовосстанавливающего ухода могут потребоваться дополнительные искусственные источники света, обеспечивающие на поверхности кожи достаточную плотность световой энергии в нужных диапазонах светового спектра.
При современном развитии осветительной техники такими эффективными источниками могут стать широко используемые светодиоды.