"МИС-РТ" - 2004. Сборник №32-1-1

Влияние сверхмалых количеств некоторых катионов
на энергоинформационные свойства воды

Зубарева Г.М., Каргаполов А.В

г.Тверь, Тверская Государственная Медицинская Академия

 

В качестве критерия оценки происходящих изменений состояния воды в присутствии катионов водорода, калия, натрия, кальция, магния в концентрации от 10-8 до 10-16 моль/л выбраны не коэффициенты пропускания к основному потоку, а величины их колебания. Это позволяет получить принципиально новую информацию о состоянии воды и оценить систему в целом по эффекту воздействия присутствующего иона на динамику показателей инфракрасного спектра. Проведение линейного дискриминантного анализа полученных результатов дает возможность по девяти значениям дисперсий, определенным на различных частотах спектра, количественно охарактеризовать состояние воды в присутствии ультрамикроколичеств исследуемых катионов с помощью расстояния Махаланобиса.

Известно, что катионы водорода, калия, натрия, кальция и магния в значительной мере определяют фундаментальные физико-химические процессы, обеспечивающие функционирование биологических систем. Однако в литературе практически отсутствуют сведения о влиянии ультрамикроколичеств этих катионов (менее 10-12 моль/л) на энергоинформационные свойства воды, хотя такие данные будут способствовать объяснению разнообразных биологических эффектов возникающих под действием сверхмалых количеств веществ в водных средах. В работе в качестве критерия оценки происходящих изменений энергоинформационных свойств воды использовали не абсолютные значения коэффициентов пропускания инфракрасного излучения, а их флуктуация выраженные в виде дисперсии. Это позволило с помощью критерия Махаланобиса получить принципиально новую информацию о состоянии воды и оценивать систему в целом по эффекту воздействия присутствующего вещества на динамику показателей инфракрасного спектра.

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы определить характер влияния ультрамикроколичеств катионов на флуктуацию показателей инфракрасного спектра воды с помощью разработанной аппаратно-программной системы.

В проведенной работе изучались показатели коэффициентов пропускания и их дисперсии, которые регистрировались в следующих диапазонах: 3500-3200 см-1, 3085-2832 см-1, 2120-1880 см-1, 1710-1610 см-1, 1600-1535 см-1, 1543-1425см-1, 1430-1210 см-1, 1127-1057 см-1, 1067-963 см-1. Следует отметить, что особенность применяемой аппаратной части системы заключается в том, что весь спектр инфракрасного излучения действует непосредственно на кювету с исследуемой жидкостью. Затем, после прохождения луча через раствор и расположенные за ним последовательно меняющиеся интерференционные фильтры осуществлялась многократная регистрация степени пропускания в конкретных областях спектра. Таким образом, с помощью применяемого в приборе инфракрасного излучения, удается дестабилизировать исследуемые водные системы и одновременно количественно охарактеризовать внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия в присутствии различных количеств исследуемых катионов.

В качестве анализируемых жидкостей использовали дважды перегнанную воду и растворы НCl, NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2 в концентрациях 10-16 - 10-8 моль/л, которые готовили непосредственно перед снятием спектра в кварцевой посуде. В процессе анализа в кювету из КRS аппаратной части системы помещали 20 мкл полученного раствора и проводили измерения в исследуемых диапазонах через каждые 0,1с в течение 30с. Определяли средние значения коэффициентов пропускания и одновременно рассчитывали величины их колебаний, выражаемую дисперсией.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что наибольшее значение коэффициента пропускания инфракрасного излучения водой наблюдается на частотах 3500-3200 см-1, 1600-1535 см-1. Кроме того, достаточно высокие показатели отмечаются в диапазоне 1067-963 см-1, который регистрирует либрационные колебания молекул воды.

Удалось установить, что измеряемые показатели коэффициента пропускания в течение 30 секунд претерпевают определенные колебания после воздействия излучения. При этом их значения на различных частотах инфракрасного спектра достаточно стабильны и могут являться объективной характеристикой состояния воды. Следует подчеркнуть, что определяемые величины учитывают эффект воздействия инфракрасного излучения на бидистиллированную воду, которое создает переходный процесс, связанный с повышением температуры.

При исследовании колебаний спектра воды, получена принципиально новая информация о ее состоянии, в виде дисперсии. Анализ ее значений в исследуемых диапазонах дает возможность заключить, что данный критерий имеет характерные особенности для каждой области спектра. Обнаружено, что наибольшее значение исследуемого показателя наблюдается в диапазоне 1543-1425 см-1, несколько меньшие в интервале 1127-1057 см-1 и 1067-963 см-1. Минимальная дисперсия характеризует диапазон 3500-3200 см-1 и 1600-1535 см-1, где наблюдается самый высокий коэффициент пропускания. Полученные результаты находятся в соответствии с данными литературы, согласно которым спектр воды характеризуется не только полосами высокой интенсивности, но и диапазонами слабой и средней интенсивности в различных областях инфракрасного спектра

Таким образом, полученные значения дисперсии в исследуемых диапазонах инфракрасного спектра дают возможность идентифицировать различные состояния воды, которое определяются структурной организацией ее молекул. Это подтвердил кластерный анализ, который позволил сгруппировать исследуемые пробы (рис.1).

 

 Дендрограмма дисперсий показателей инфракрасного спектра дистиллированной воды

Рис.1 Дендрограмма дисперсий показателей инфракрасного спектра дистиллированной воды

 

С помощью данного метода можно идентифицировать 2,3,5 и более состояний воды, которые, по-видимому, отличаются друг от друга структурной организацией и характером взаимодействия молекул.

На следующем этапе работы, представляло интерес, каким образом присутствии ультрамикроколичеств веществ в качестве которых были использованы катионы водорода, натрия, калия, кальция, магния, будут влиять на величины дисперсии в различных областях инфракрасного спектра.

Проведение линейного дискриминантного анализа полученных результатов в вычислительной среде интегрированной системы расчетов MATLAB [Лицензия №1462295] дает возможность по девяти значениям дисперсии определенных на различных частотах спектра количественно охарактеризовать энергоинформационные свойства воды в присутствии ультрамикроколичеств исследуемых катионов с помощью расстояния Махаланобиса, которое учитывает корреляционные связи между дисперсиями показателей коэффициента пропускания бидистиллированной воды и исследуемого раствора. Это придает расстоянию между образцами смысл различия их состояния, что совместно с геометрической оценкой характеризует объективную дистанцию между исследуемыми растворами как целостными системами и характеризует их энергоинформационные свойства. Обнаружено, что различные катионы в ультрамикроколичествах от 10-16 до 10-10 моль/л в гораздо большей степени, чем их более высокие концентрации (10-8 - 10-9 моль/л) меняют состояние воды (рис. 2). Причем величина эффекта с уменьшением концентрации волнообразно нарастает и при уровне 10-16 моль/л расстояния Махаланобиса исследуемых растворов практически не отличаются от эталона.

 

Результаты дискриминантного анализа дисперсий коэффициентов пропускания инфракрасного спектра растворов, содержащих ультрамикроконцентрации катионов

Рис.2 Результаты дискриминантного анализа дисперсий коэффициентов пропускания инфракрасного спектра растворов, содержащих ультрамикроконцентрации катионов водорода (1), калия (2), натрия (3), кальция (4), магния (5), выраженные расстоянием Махаланобиса.