ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 446, № 3, с. 303-307
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 541.18:532;541.8.532.77
ЭФФЕКТ УЛЬТРАНИЗКИХ КОНЦЕНТРАЦИИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
© 2012 г. И. С. Рыжкина, Ю. В. Киселева, Л. И. Муртазина, академик А. И. Коновалов
Поступило 14.06.2012 г.
Одной из проблем современной науки является установление механизма влияния высокораз-бавленных водных растворов и слабых физических полей на живые организмы [1—3]. Важный аспект этой проблемы — установление причин изменения жизнедеятельности организмов в условия значительного снижения уровня внешнего электромагнитного поля (ЭМП) [3—5]. Однако до последнего времени физико-химическая причина этих явлений оставалась неизвестной.
В наших работах [6—11] впервые было показано, что в водных растворах низких концентраций (10-20—10—6 М) образуются наноразмерные (до 400 нм, ^-потенциал от —2 до —20 мВ) частицы, состоящие преимущественно из упорядоченных структур воды. Установлено, что образование таких частиц, названных наноассоциатами, является причиной возникновения необычных физико-химических свойств у высокоразбавленных водных растворов биологически активных веществ и, что особенно важно, коррелирует с биоэффектами растворов [6—11]. Неожиданным оказалось, что обязательное условие образования наноассо-циатов в водных растворах — наличие внешнего ЭМП, что было показано на примере растворов антиоксиданта ихфан С-10 [7]. При значительном понижении уровня внешнего ЭМП наноассоциа-ты практически не образуются, что приводит к заметному ослаблению или потере уникальных физико-химических свойств водных растворов низких концентраций [7].
В настоящей работе с целью дальнейшего изучения обнаруженного явления исследовано влияние пониженного уровня внешнего ЭМП на самоорганизацию и физико-химические свойства растворов синтетического (фенозан калия, 1) и природного (а-токоферол, 2) антиоксидантов, являющихся аналогично ихфану С-10 производными 2,6-диалкилфенолов, способных к прояв-
Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской Академии наук, Казань
лению биоантиоксидантных свойств в высоко-разбавленных водных растворах [6, 7, 9, 11].
Результаты изучения растворов 1 и 2, выдержанных в среде с пониженным уровнем внешнего ЭМП, показали, что всю область концентраций растворов (10-20—10-3 М) можно условно разделить на два интервала с пороговой концентрацией (сп) 10-8—10-7 М, зависящей от строения вещества. Ниже сп наноассоциаты не образуются, что приводит к заметному ослаблению или к потере уникальных свойств водными растворами 1 и 2 низких концентраций. Выше сп пониженный уровень внешнего ЭМП оказывает заметное влияние на растворы 1, 2, приводя к изменению размеров, значительному уменьшению Z-потенциала нано-ассоциатов, снижению удельной электропроводности этих растворов даже в области обычных концентраций 10-5—10-3 М.
Приготовление и изучение растворов 1 и 2 осуществляли с использованием свежеприготовленной бидистиллированной воды, удельная электропроводность которой не превышала 1.5 мкСм/см. Растворы готовили методом последовательных десятичных разбавлений из исходного раствора вещества с концентрацией 1 • 10-2 М аналогично [6]. Перемешивание растворов осуществляли с помощью минишейкера IKA lab dancer. Удельную электропроводность (%), поверхностное натяжение (а), рН растворов измеряли на кондуктометре inoLab Cond Level 1 (inoLab), тензиометре Sigma 720ET ("KSV Instruments"), рН-метре inoLab pH (inoLab) в условиях термостатирования при 25±0.1°С. Относительная ошибка измерения удельной электропроводности не превышала 10%, поверхностного натяжения и рН — 1.5%. Размер частиц (эффективный гидродинамический диаметр D кинетически подвижных частиц в максимуме кривой распределения) определяли методом динамического светорассеяния (ДСР) на высокочувствительном анализаторе Zetasizer Nano ZS ("Malvern Instruments"). Z-потенциал находили методом электрофореза на том же приборе.
304
РЫЖКИНА и др.
С, мВ
Рис. 1. Зависимость размера ассоциатов (В) водных растворов калиевой соли фенозана в нормальных (1) и гипо-электромагнитных (2) условиях от концентрации. На всех рисунках температура 25°С.
Вставка: зависимость ^-потенциала ассоциатов калиевой соли фенозана в нормальных (3) и гипоэлектромагнит-ных (4) условиях от концентрации.
Подготовку образцов для изучения размеров и ^-потенциала осуществляли аналогично [6]. Влияние пониженного уровня внешнего ЭМП на водные растворы 1, 2 изучали, сопоставляя данные по параметрам частиц и физико-химическим свойствам для двух параллельных серий одного и того же раствора при троекратной повторяемости каждого опыта аналогично [7]. Различие между первой и второй сериями состояло только в том, что рабочие растворы, прежде чем быть исследованы методом ДСР, тензометрии, кондуктомет-рии, в первой серии выдерживали 18 ч в трехслойном пермаллоевом экранирующем контейнере, защищающем содержимое от воздействия внешнего ЭМП (гипоэлектромагнитные условия), а во второй — на лабораторном столе (нормальные условия). Среднее значение магнитной индукции (В) внешнего ЭМП в нормальных условиях — 53000 нТл, остаточного поля в контейнере — на уровне 10 нТл.
Изучение самоорганизации растворов 1 и 2 в широкой области концентраций (10-20—10—3 М) методом ДСР в нормальных условиях показывает,
что распределение частиц по размерам В в этих растворах практически во всей изученной области концентраций носит мономодальный характер, в них в интервале 1—18 ч образуются стабильные во времени частицы размером от 100 до 350 нм. Концентрационные зависимости В и ^-потенциала наноассоциатов, формирующихся в нормальных условиях в растворах 1, 2, приведены на рис. 1 и 2 (кривые 1 и 3).
При исследовании водных растворов 1 и 2, выдержанных в течение 18 ч в экранирующем контейнере, установлено, что всю область концентраций растворов (10-20—10—3 М) можно условно разделить на два интервала с пороговой концентрацией (сп). На рис. 1 и 2 (кривые 2 и 4) приведены концентрационные зависимости В и ^-потенциала наноассо-циатов в этих растворах, выдержанных в среде с пониженным уровнем внешнего ЭМП, на которых пунктирной линией обозначена сп, равная 10-7 и 10-8 М для растворов 1 и 2 соответственно. По данным ДСР, ниже сп частицы в условиях пониженного уровня внешнего ЭМП в растворах 1, 2 не образуются.
ЭФФЕКТ УЛЬТРАНИЗКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ
305
С, мВ
Рис. 2. Зависимость размера ассоциатов водных растворов а-токоферола в нормальных (1) и гипоэлектромаг-нитных (2) условиях от концентрации.
Вставка: зависимость ^-потенциала ассоциатов а-токоферола в нормальных (3) и гипоэлектромагнитных (4) условиях от концентрации.
Выше сп пониженный уровень внешнего ЭМП оказывает значительное влияние на самоорганизацию растворов 1 и 2 (рис. 1 и 2). Концентрационные зависимости Б наноассоциатов сохраняют нелинейный профиль, характерный для этих зависимостей в нормальных условиях, но размеры наноассоциатов изменяются в обоих растворах, особенно значительно — в интервале сп—10-5 М. Еще более чувствительным к снижению уровня внешнего ЭМП является другой параметр нано-ассоциатов — ^-потенциал. Если в случае раствора 2 концентрационная зависимость ^-потенциала наноассоциатов сохраняет нелинейный профиль, сходный с нормальными условиями (рис. 2), то в случае раствора 1 зависимость исчезает, во всем интервале значение ^-потенциала уменьшается до —1 мВ (рис. 1). Таким образом, в области концентраций выше сп возможно дифференцированное влияние пониженного уровня внешнего ЭМП на самоорганизацию растворов различных веществ. Например, на самоорганизацию растворов ихфана С-10 в области концентраций выше сп пониженный уровень внешнего ЭМП влияет зна-
чительно слабее, чем на самоорганизацию растворов 1, 2 [7].
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что в интервале концентраций от 10-20 М до сп в растворах 1 и 2 образуются наноассоциаты, состоящие преимущественно из структур воды с особыми свойствами, для формирования которых требуется наличие внешнего ЭМП. В этом интервале концентраций обнаруживается высокозначимая взаимосвязь между параметрами на-ноассоциатов и свойствами растворов [6—11]. В интервале концентраций 10-8—10-4 М наноассоциаты претерпевают значительные структурные перестройки, характерной особенностью которых является резкое уменьшение размеров частиц с увеличением концентрации растворенного вещества [6—12].
Изучение физико-химических свойств растворов 1 и 2, выдержанных в пермаллоевом контейнере, показывает, что пониженный уровень внешнего ЭМП оказывает влияние не только на параметры частиц, но и на физико-химические свойства растворов. В этом случае, так же как и при изучении са-
306
РЫЖКИНА и др.
с
Рис. 3. Изотерма поверхностного натяжения (1, 2) и зависимость удельной электропроводности (3, 4) водных растворов калиевой соли фенозана в нормальных (1, 3) и гипоэлектромагнитных (2, 4) условиях от концентрации.
1Б С
Рис. 4. Зависимость удельной электропроводности водных растворов а-токоферола в нормальных (1) и гипоэлектромагнитных (2) условиях от концентрации.
моорганизации этих растворов, всю область концентраций (10-2—10—3 М) можно условно разделить на два интервала с сп, равной 10-9 и 10-10 М для растворов 1 и 2 соответственно (рис. 3 и 4). При концентрациях ниже Сп, при которых наноассоциаты в условиях пониженного уровня внешнего ЭМП не образуются, наблюдается потеря уникальных свойств водных растворов 1, 2. Отметим, что в случае физико-химических свойств сп достигается при концентрациях на 2 порядка ниже, чем при изучении самоорганизации методом ДСР, который, вероятно, менее чувствителен к наличию в растворе наноассоциатов, чем метод кондукто-метрии или тензометрии.
На рис. 3 приведены концентрационные зависимости удельной электропроводности и поверхностного натяжения растворов 1, из которых отчетливо видно, что ниже Сп свойства растворов 1 в среде с пониженным уровнем внешнего ЭМП соответствуют свойствам дистиллированной воды, т.е. х растворов составляет 4 мкСм/см, а а — 71—72 мН/м. В интервале сп—10-4 М значения х растворов 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.