Низкочастотная индуктивная диэлькометрия - информативный метод для изучения структурирования воды в водных растворах

На современном уровне развития науки особенно востребованными оказываются методы, позволяющие получать информацию о надмолекулярной, наноразмерной структуре вещества. Особое значение имеют возможности осуществления такой диагностики в отношении жидкой фазы, где субмолекулярные ассоциаты являются неустойчивыми, а современные методы электронной микроскопии — неэффективными. При этом именно надмолекулярные объекты в воде и водных растворах ответственны за характер процессов, протекающих в живых системах, и есть все основания полагать, что многие процессы в неживых системах также определяются наноразмерной структурой растворителя. В настоящее время объем знаний о таких структурах в биологических жидкостях, да и в неорганических системах, весьма мал. Это, безусловно, связано не только с невероятной сложностью процессов, протекающих в жидкостях, но и с отсутствием экспериментальных методов, позволяющих надежно интерпретировать внутреннюю структуру жидкостей и растворов. До настоящего времени не существует общепри- знанных универсальных экспериментальных способов определения состава, структуры и концентраций ассоциатов и комплексов, возникающих в водных растворах. Для получения такой информации обычно используются традиционные физические методы молекулярных исследований, в которых интерпретируются те или иные минорные характеристики метода, а именно уширение и тонкие сдвиги линий в ИК-спектроскопии, уширение рефлексов в дифракционных методах и т. д. Наиболее информативным методом до последнего времени оставалась ИК-спектроскопия, с использованием которой были получены уникальные результаты, демонстрирующие образование структур в растворах [1]. С развитием новых возможностей лазерной техники ее методы также стали активно привлекаться к исследованию водных растворов. Так, метод лазерного светорассеяния позволил не только визуализировать образование ассоциатов в водных растворах, но и определить их распределение по размерам в предположении об их простейших геометрических формах [2].

Экспериментальные исследования последних двадцати лет принципиально поколебали принятую в традиционной химии концепцию бесконеч- но разбавленных растворов, согласно которой при разбавлении растворы достаточно быстро приобретают свойства чистых растворителей. В экспериментах с растворами целого ряда органических и биоорганических молекул в [1] и в [2] было показано, что многие биоактивные вещества в водных растворах ведут себя "неклассическим" образом, т. е. образуют с растворителем-водой структуры (ассоциаты) достаточно больших размеров, в десятки и даже сотни нанометров. Они были названы А.И. Коноваловым наноассоциатами [2], и выявляются вплоть до очень высоких степеней разбавления. Наноассоциаты, образующиеся вокруг "неклассических" молекул, имеют широкое распределение по размерам, немонотонно изменяющееся со степенью разбавления, и метод динамического лазерного светорассеяния позволяет оценить их средний размер как 200–400 нм. Однако этот метод не дает информации об энергиях, необходимых для образования структур и их поддержания, а, кроме того, структуры меньших размеров им уже не визуализируются.

В связи с этим представляется весьма полезным развитие и совершенствование еще одного физического метода, дающего косвенную, но весьма надежную информацию о наличии надмолекулярных структур в воде, а именно метода низкочастотной индуктивной диэлькометрии (L-диэль-кометрии), развитого в 80-х годах в МГУ школой В.Ф. Киселева [3] и усовершенствованного Л.П. Семихиной [4]. Этот метод, основанный на измерении спектральных зависимостей диэлектрических потерь от частоты электромагнитного поля в низкочастотном, недоступном другим методам диапазоне, позволяет наблюдать результаты структурообразования воды, находящейся в контакте с инициатором этого процесса (ионом, молекулой, поверхностью твердого тела ("стенки") и т. д.), и может дать обширную информацию об энергетических характеристиках водных ассоциатов.

ОПИСАНИЕ МЕТОДА L-ДИЭЛЬКОМЕТРИИ

Метод L-диэлькометрии — это метод, в котором диэлектрические жидкости помещаются в слабое вихревое электрическое поле соленоидальной катушки индуктивности (L-ячейки), входящей в последовательный колебательный LC-контур измерителя добротности (куметра), вторым элементом которого является образцовый конденсатор переменной емкости, обеспечивающий настройку контура в резонанс на частоте питающего напряжения. В свою очередь, катушка индуктивности выполняется в виде соленоида с отверстием по оси, в который

(рис. 1, а) вставляется стеклянная пробирка с исследуемым раствором (пробой) [4].

Емкость, пФ

Рис. 1. Схема и основные характеристики экспериментальной установки.

а — упрощенная конфигурация куметра с измерительной L-ячейкой и введенной в нее пробиркой с жидкостью; б — резонансные кривые колебательного контура куметра с L-ячейкой на частоте 100 кГц без пробы (1), после внесения пробирки с бидистиллятом (2), после внесения пробирки с раствором LiNO 3 в концентрации 1·10^–5 М (3); в — эквивалентная схема измерений

Суть метода демонстрирует рис. 1, б, согласно которому ввод сосуда с жидкостью внутрь L-ячейки, подключенной к колебательному контуру куметра, приводит к уменьшению добротности Q и емкости С контура при резонансе, что свидетельствует об изменении как активного, так и реактивного сопротивления ячейки.

Как показано в [4], при достаточно больших величинах добротности Q > 20 смещение резонансной емкости определяется только изменением реактивных параметров ячейки, и изменение реактивной части диэлектрической константы прямо пропорционально величине Δ С . Активная часть диэлектрической константы может быть вычислена из изменения добротности катушки. С целью избежать проблем абсолютной калибровки измерений в [4] предложено использовать величину тангенса угла диэлектрических потерь, представляющего собой отношение активной части диэлектрической константы для раствора, помещенного в катушку индуктивности, к ее реактивной части, tg 5 = е "/ е '. Для любой из катушек индуктивности в интервале частот, в котором для нее может наблюдаться резонанс, эта величина может быть найдена по формуле

С Q f 1 ( 1 + C о / C ) ² - C ₂ Q f 2 ( 1 + С о / C 2 ) ² ( C - C 2 ) Q f 1 Q f 2 ( 1 + C ₀/ C )( 1 + C ₀/ C 2 )

, (1)

где Qf1 И C1 — добротность контура без пробы и емкость подстроечного конденсатора в момент резонанса, а Qf2 и C2 — те же параметры контура в резонансе при наличии пробы. Поскольку собственная емкость катушек составляет несколько пФ (см. таблицу), а емкость подстроечного конденсатора лежит в интервале 40–450 пФ, для расчета tgδ можно использовать упрощенную формулу tgδ = (Q1C1 – Q2C2)/(Q1Q2 (C1 – C2)). (2)

При величинах Q ≥ 20 и имеющихся значениях C 0 ошибка в определении tg δ , вычисляемого по формуле (2), не превышает 1 % по сравнению с ее величиной, вычисляемой по формуле (1).

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Поскольку с каждой измерительной катушкой условие резонанса фиксируется лишь в относительно узком диапазоне частот порядка нескольких десятков или сотен килогерц, для измерения частотных зависимостей tg δ и ε _L растворов в рабочем диапазоне 40–800 кГц необходим комплект измерительных катушек индуктивности одинакового геометрического размера со значениями индуктивности, обеспечивающими перекрывание их частотных диапазонов. Катушки наматывались медной проволокой на диэлектрический каркас из материала с минимальной величиной собственной диэлектрической проницаемости ε к . В качестве материала каркаса был использован фторопласт-4, для которого ε к близка к 2 практически во всем диапазоне изменения частотного диапазона измерений (40–800 кГц) [5]. Как показали тестовые измерения, это позволило практически полностью устранить собственные артефакты катушек. Диаметр каркаса 30 мм, его длина 200 мм для всех катушек. Для таких размеров, как было показано в [4], реализуется наилучший по интенсивности сигнала режим измерения Q и С , необходимых для расчета величины tg δ . Внутренний диаметр отверстия в каркасе 26 мм, что позволяет использовать для исследования растворов стандартные пробирки, плотно фиксированные в катушке. Поскольку точность измерений, основанная на изменении как активной, так и реактивной составляющих импеданса катушки, напрямую зависит от ее паразитных параметров — сопротивления R и собственной емкости C 0 , — они при изготовлении катушек минимизировались при одновременной максимизации индуктивности L .

Параметры катушек, изготовленных для комплекса изучения структурирования воды, представлены в таблице.

Параметры катушек индуктивности

Параметры	Номер катушки
	1	2	3	4
Число витков, n	3450	1585	1110	580
Число слоев	23	11	7	3
Сопротивление R , Ом	36.6	25.7	14.1	5.1
Индуктивность L , мГн	51	32	9.6	1.03
Собственная емкость C 0 , пФ	16	8.5	7.8	6
Частотные пределы, кГц	31–106	43–155	77–270	240–810

Если зависимость tg δ измеряется в большом частотном диапазоне и для этого требуется использовать более одной катушки, то на границе диапазона несколько экспериментальных точек определяются на двух катушках для корректного сшивания данных. Во всех случаях разница в экспериментальных данных для соседних катушек не превышает 5 %.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Условия и материалы экспериментов

Для определения возможностей метода и реализующей его экспериментальной установки при исследовании процессов структурирования воды в водных растворах веществ с различными свойствами были проведены измерения tg δ для чистой бидистиллированной воды в стеклянных пробирках, растворов электролитов — солей LiNO 3 , NaCl, KCl и CsCl, — растворов двух биологически активных веществ — трипептида глутатиона и фенозана калия. Измерения проводились в диапазоне частот от 45 до 800 кГц при изменении концентраций растворенных веществ в диапазоне от 10^–2 до 10^–16 М. Во всех случаях дисперсия tg δ в диапазоне измерений по частоте, а также при изменении концентраций растворов представляла собой хорошо воспроизводимые спектральные характеристики, позволяющие наблюдать процессы структурирования в растворах исследуемых веществ, в том числе и изменение этих структур во времени.

Бидистиллированная вода в стеклянной пробирке

Для бидистиллированной воды зависимость tg δ от частоты f в диапазоне измерений от 45 до 800 кГц не демонстрирует структурных пиков и в логарифмическом масштабе представляет собой гладкую кривую, близкую к экспоненте. Типичная кривая, полученная для "свежего" бидистиллята, представлена на рис. 2 (кривая 1). На рисунке представлена также типичная зависимость tg δ ( f ) для бидистиллята, постоявшего 3 дня в стеклянной бутыли с притертой пробкой (кривая 2), а кривая 3 — зависимость для "свежего" бидистиллята в пробирке, имеющей не наблюдаемый глазом дефект поверхности (дефект при изготовлении). В обоих последних случаях на зависимости tg δ ( f ) наблюдаются структурные пики, причем на дефектных пробирках характерные для данной пробирки пики проявляются сразу же и всегда однозначно воспроизводятся. При хранении бидистиллята в стеклянной таре уже на второй день на за-

Рис. 2 . Типичные зависимости tg δ как функции частоты f для бидистиллированной воды (логарифмический масштаб):

1 — свежеприготовленный бидистиллят; 2 — бидистиллят, хранившийся в стеклянной таре; 3 — свежеприготовленный бидистиллят в "дефектной" пробирке

висимости tg δ ( f ) появляются слабые выпуклости, которые далее преобразуются во вполне четкие, хоть и очень широкие, пики. По-видимому, их можно связать с выщелачиванием катионов металлов из окислов, образующих массу легкоплав-

ких стекол стандартной химической посуды. Приведенные данные показывают, что для получения надежных результатов в диэлькометрических измерениях все коммерческие пробирки должны быть тщательно промерены с использованием свежего бидистиллята и "дефектные" отбракованы.

Отметим, что воспроизводимость кривых, представленных на рис. 2, очень хорошая: так положения максимумов на "дефектных" кривых воспроизводятся с точностью порядка 2–3 кГц, а кривые для свежеприготовленного бидистиллята ложатся одна на другую с точностью порядка 5–6 %. Это позволяет использовать свежеприготовленный бидистиллят как стандартный образец для калибровки прибора и оценки роли наводок за счет работающих поблизости радиоэлектронных устройств.

Растворы солей щелочных металлов

Известно, что кинетические свойства водных растворов электролитов во многом зависят от взаимодействия продуктов диссоциации солей — катионов и анионов — с молекулами воды раствора. Уже более 60 лет тому назад было показано [6], что в то время как ряд ионов уменьшает подвижность ближайших к ним молекул воды, около некоторых ионов молекулы воды, наоборот, становятся более подвижными, чем в чистой воде. Это явление было названо соответственно положительной и отрицательной гидратацией. Особенности гидратации характеризуются координационным числом иона, под которым понимается

Рис. 3 . Зависимость tg δ от частоты для водных растворов LiNO₃ разных концентраций.

Концентрация раствора (М): 1 — 2·10–2; 2 — 1·10–3; 3 — 2·10–4; 4 — 2·10–5; 5 — 1·10–6

среднее число постоянно сменяющихся молекул воды, составляющих в растворе его непосредственное окружение. Для изучения гидратации ионов металлов и координационных чисел ионов в химии традиционно использовался термохимический метод, основанный на измерении интегральной теплоты растворения солей в воде и в водных растворах кислот ряда концентраций. Этим методом было показано, что в ряду щелочных металлов ионы Li+ и Na+ обладают положительной гидратацией, в то время как ионы K+, Rb+, Cs+ и большинство анионов — отрицательной. Эта точка зрения в настоящее время доказана множеством экспериментов с применением весьма совершенных современных методов [7]. Считая, что ионы переориентируют только ближайшие к ним молекулы воды, основатель этих исследований О.Я. Самойлов утверждал, что "состояние исследованных ионов в разбавленных растворах в смысле окружения молекулами воды соответствует наименьшему возможному изменению структуры воды при образовании раствора". Однако термохимический метод позволяет исследовать растворы до концентраций не ниже чем 10–3 М, и указанное заключение по существу относится соответственно только к достаточно высоким концентрациям растворов электролитов [6].

На рис. 3 представлены спектральные зависимости tg δ ( f ) для водного раствора соли LiNO 3 в диапазоне концентраций от 10^–2 до 10^–6 М при комнатной температуре. Из рисунка видно, что уже при концентрации 2·10^–4 М кривая перестает носить монотонный характер и приобретает вид линейчатого спектра, характер которого сохраняется при уменьшении концентрации вплоть до 10^–6 М. Наблюдаемые пики расположены в широком интервале частот от ~40 до ~700 кГц, что позволяет предположить достаточно большой набор различных взаимодействий с водой, обусловленных наличием катионов и анионов в растворе. При более высоких разбавлениях кривые сглаживаются, и характер частотной зависимости начинает приближаться к распределению, характерному для бидистиллята. При концентрациях, близких к 10^–7 М, вклад структур, создаваемых ионами, этим методом практически уже не измеряется.

Отметим, что положения всех пиков на кривых хорошо, с точностью порядка 2–3 кГц, воспроизводятся от эксперимента к эксперименту. В то же время относительные амплитуды пиков воспроизводятся хуже, и их разброс может достигать 40– 50 %. На наш взгляд, это отражает сложные с физической точки зрения процессы структурирования воды, видимо, сильно зависящие от трудно контролируемых внешних условий.

Аналогичные кривые, хотя и различающиеся многими экспериментальными деталями, получе- ны и для других щелочных металлов: Na, K и Cs. Во всех случаях при концентрациях ниже 10–6 М измеренные кривые близки к таковыми для бидистиллята, причем для каждого металла имеется своя область концентраций, где наблюдаются выраженные линейчатые спектры и своя концентрационная граница.

Растворы биоактивных молекул

Водные растворы биоактивных молекул в отличие от ионов электролитов при диэлькометри-ческих измерениях демонстрируют способность к структурированию воды в широком диапазоне концентраций, что полностью совпадает с результатами, полученными в экспериментах А.И. Коновалова [2].

На рис. 4 представлены распределения tg δ ( f ) для водного раствора фенозана калия для трех концентраций: 1·10^-4, 1·10^–6 и 1·10^–16 М, выдержанных сутки после разведения. Структурная формула фенозана калия, представленная на рис. 4, показывает присутствие в молекуле двух гидрофильных центров, образованных протоном и калием, что предполагает возможность роста объемных протяженных водных структур. Как видно из рисунка, фенозан калия образует достаточно много различных водных структур, причем количество структурных пиков измеряемой интенсивности мало изменяется при разведении, а положение основных пиков на шкале частот практически не меняется при уменьшении концентрации растворенного фенозана калия. Эти результаты вполне укладываются в модель, предложенную нами в [8].

Метод низкочастотной индуктивной диэлько-метрии позволяет не только фиксировать изменения структур воды, образующихся на биологически активных молекулах, но и наблюдать некоторые химические процессы, происходящие с молекулами, в частности, окисление их гидрофильных групп. На рис. 5 представлено изменение распределения tg δ ( f ) со временем для глутатиона — одной из главных тиолсодержащих молекул живого организма. Рисунок показывает, что структурирование воды гидрофильной тиоловой группой глутатиона, находящегося в водном растворе, через 3 дня практически полностью прекращается, что наблюдается по исчезновению структурных пиков на частотной зависимости tg δ ( f ) и подтверждается изменением его химической активности.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Приведенные выше экспериментальные данные свидетельствуют, что сложные линейчатые спектральные зависимости, получаемые в L-ячейке, отражают реальные физические процессы в вод-

Рис. 4 Зависимость tg δ от частоты для водного раствора фенозана калия.

Концентрация раствора (М): 1 — 1·10–4; 2 — 1·10–6;

3 — 1·10–16

Рис. 5 . Зависимость tg δ ( f ) для водного раствора глутатиона с концентрацией 1·10^–4 M от времени.

1 — свежеразведенный раствор; 2 — тот же раствор через сутки после разведения; 3 — тот же раствор через неделю после разведения ном растворе и являются их индикаторами. Сам факт немонотонных частотных зависимостей тангенса диэлектрических потерь в области частот в десятки и сотни килогерц является совершенно нетривиальным и требует развития физических моделей для объяснения наблюдаемого спектрального эффекта.

Интерпретация этого эффекта требует одновременной разработки как количественных теоре- тических представлений о структуризации молекул воды растворенными ионами и молекулами, так и корректного теоретического описания радиотехнической схемы используемой экспериментальной ячейки. На сегодняшний день теория такой ячейки отсутствует, и ее разработка остается сложной научной задачей, выходящей за пределы этой статьи. Что же касается структурирования воды, то такая модель была нами предложена [8], и факт немонотонности частотной зависимости tgδ с формированием выраженных пиков, специфичных по отношению к растворенному веществу и его концентрации, может рассматриваться как одно из ее подтверждений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплекс экспериментальных исследований структур воды, образующихся в водных растворах как неорганических молекул электролитов, так и молекул, обладающих высокой биологической активностью, показал, что путем правильной реализации параметров катушек в колебательном контуре куметра, исключающей вклад их артефактов, метод низкочастотной индуктивной диэлько-метрии становится эффективным новым методом для изучения явления структурирования воды. В такой реализации метод позволяет наблюдать и фиксировать реактивные и активные потери в растворе как проявление образующихся водных структур, на основании которых могут быть изучены и верифицированы модели процессов структурирования, в том числе и для живых систем.

Авторы приносят свою глубокую благодарность вед. инженеру В.А. Ледневу за изготовление катушек индуктивности и инженеру И.Р. Галлю за активное участие в проведении измерений.