Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности терагерцовых спектров поглощения воды и водных растворов электролитов

ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Особенности терагерцовых спектров поглощения воды и водных растворов электролитов"

Пеньков Никита Викторович

ОСОБЕННОСТИ ТЕРАГЕРЦОВЫХ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

03.01.02 -биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискаиие ученой степени кандидата физико-математических наук

1 1 СЕН 2014

Пущино -2014

005552279

005552279

Работа выполнена в лаборатории физики, химии и биологии воды Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института биофизики клетки Российской академии наук

Научный руководитель:

чл.-корр. РАН, д.б.н., профессор Фесенко Евгений Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук Кутышеико Виктор Павлович (зав. лаб. ИТЭБ РАН, г. Пущино),

доктор физико-математических наук Бецкий Олег Владимирович (зав. лаб. ИРЭ РАН, г. Фрязино)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (г. Москва)

Защита состоится ОИ-ТЭ^З 2014 г. в [3-39 на заседании совета Д 002.093.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук по адресу: ул. Институтская, 3, г. Пущино, 142290, Московская область.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной библиотеке ПНЦ РАН по адресу: ул. Институтская, 3, г. Пущино, 142290, Московская область, и на сайте ИТЭБ РАН: http://web.iteb.psn.ru.

Автореферат разослал

«МъаДи/ет гонг.

/

Ученый секретарь // *

диссертационного совета, ~ ¡!(1С1Щ Ланина Н.Ф.

к.ф.-м.н. /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию структурных характеристик жидкой воды и водных растворов на основании анализа спектров поглощения в терагерцовой области частот. В рамках данного подхода наиболее информативным участком спектра является область 5-80 см"1 (0.15 - 2.5 ТГц). До недавнего времени спектральные исследования в этой области могли проводиться, главным образом, только с помощью методов инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Для этих методов указанные частоты располагаются на нижнем пределе доступного диапазона и часто вообще недостижимы в связи с тем, что возникает необходимость использования очень дорогих и сложных в эксплуатации охлаждаемых жидким гелием болометров. Но даже при наличии соответствующих технических возможностей, измерения в указанной области позволяют получить спектральные данные невысокого качества. В последнее время с появлением метода time-domain spectroscopy открылись широкие возможности для проведения надёжных измерений спектров в указанном плохо изученном спектральном участке. В данной работе этот спектральный метод является основным источником экспериментальных данных. Первые системные исследования воды в указанной спектральной области выявили паличие слабо выраженного релаксационного пика поглощения, не описанного ранее. Эта высокочастотная релаксационпая полоса, в отличие от осповпой дебаевской полосы (максимум поглощения которой расположен вблизи 0.6 см"1), на сегодняшний день не имеет однозначной интерпретации на молекулярном уровне. При этом очевидно, что указанная полоса на молекулярном уровне обусловлена некоторым типом молекулярной динамики, сопряжённой с движением целых молекул воды, а не с внутримолекулярными модами. Это означает, что исследования свойств указанной релаксационной полосы поглощения в спектрах воды и водных растворов могут дать ценную информацию о структурных характеристиках воды.

Цель работы — исследование высокочастотной релаксациогагой полосы поглощения, проявляющейся в терагерцовой области спектра водных растворов, и выявление зависимостей между параметрами этой полосы и структурными свойствами водных растворов.

Для достижеши цели работы были сформулированы следующие задачи:

- разработать методику измерения спектров водпых растворов в терагерцовой области частот с помощью нескольких спектральных методов;

- разработать спектральную модель, связывающую спектры пропускания растворов в кювете с параметрами полос поглощения, а также создать алгоритм для программного расчёта этих параметров;

выявить закономерности изменения параметров высокочастотной релаксационной полосы в спектрах водных растворов электролитов в зависимости от типа ионов;

- проанализировать температурное изменение параметров указанной полосы в спектрах различных изотопологов воды.

Научная новизна.

В работе установлена прямая связь между амплитудой высокочастотной релаксационной полосы поглощения и степенью структурированности водной сетки в растворе. На основании этого:

- предложен новый метод анализа структурированности водных растворов,

- предложен новый метод расчёта количества свободных молекул воды,

- выявлена особенность температурной зависимости амплитуды высокочастотной релаксационной полосы в диапазоне физиологических температур (35 - 40°С), что может быть связано с фундаментальными свойствами вода, определяющими её уникальную роль в биологии.

Теоретическая и практическая значимость данной работы, помимо расширения фундаментальных знаний о структуре водных растворов, заключается в том, что в ней предлагается новый подход к анализу структуры водных растворов. Этот подход позволяет получать информацию о структурных, кинетических и динамических параметрах водной сетки, востребованную в сопряжённых с водными растворами областях физической химии, биофизики, технологии.

Методология и методы исследования.

В качестве основного экспериментального метода исследования использовался метод terahertz time-domain spectroscopy, позволяющий с высокой чувствительностью измерять спектры пропускания водных растворов в терагерцовой области (0.15 — 2.5 ТГц). Также в работе использовались методы фурье-спектроскопии в дальней и ближней инфракрасных областях. Для анализа спектральных данных была написана программа на языке Visual Basic.

Положения, выносимые иа защиту:

- методика получения спектральной информации и использование этой информации для расчета молекулярно-динамических параметров,

- выявленная взаимосвязь между амплитудой высокочастотпой релаксационной полосы и степенью структурированности воды,

- метод расчёта количества свободных молекул воды.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на международной конференции «The structure of water: physical and biological aspects», Санкт-Петербург, 2013 г.; па паутом семинаре ИБК РАН 25.02. 2014 г.

Публикации. Результаты работы отражены в 4 публикациях в рекомендованных ВАК РФ журналах, а также в материалах международной конференции «The structure of water: physical and biological aspects», Санкт-Петербург, 2013.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов, списка использованных источников литературы, включающего 127 наименований, и приложения. Работа изложена на 132 страницах, содержит 34 рисунка и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосповала актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе в разделе 1.1. обобщены и систематизированы литературные данные, отражающие совремешюе представлешге о структуре и составе воды. В разделе 1.2. описапы основные методы, применяемые для исследования структуры жидкой воды. В разделе 1.3. приведено обзорное описание спектральных характеристик водных растворов в различных диапазонах частот и их интерпретации на молекулярном уровне. В разделе 1.4. представлены математические подходы, использующиеся для описания спектров. В разделе 1.5. дана обзорная информация, касающаяся спектральных проявлении релаксационных процессов. Отмечено, что

дебаевская релаксация не является единственной релаксационной формой диссипации электромагнитной энергии в водных растворах, — что есть ещё один релаксационный процесс, реализующийся па более высоких частотах, в терагерцовой области. Указано, что до сих пор природа этого релаксационного процесса на молекулярном уровне не ясна.

Во второй главе описывается техника и методика получения спектральных данных. Спектры растворов измерялись в кювете с окнами из монокристаллического кварца. Толщина кварцевых окон составляет 2.04 мм.

Дня приготовления растворов использовалась деионизованная вода, полученная с помощью установки Millipor (проводимость 0.055 мкСм/см). Хотя можно заметить, что достоверной разницы между спектрами деиопизованной и дистиллированной воды не наблюдалось. Температура всех образцов в процессе измерения спектров стабилизировалась с помощью термостатирующей рубашки с точностью 0.5°С.

Также в работе использовалась тяжёлая вода D20 с содержанием лёгкой воды Н20 не более 1%.

В разделе 2.1. вкратце описан метод terahertz time domain spectroscopy. С помощью этого метода на спектрометре TPS Spectra 3000 (Teraview) были получены спектры в диапазоне от 5 до 80 см"1. При этом по существу измерялся спектр пропускания трёхслойной структуры кварц-раствор-кварц, а влияние кварцевых окон кюветы на спектр пропускания растворов учитывалось в спектральной модели (см. раздел 2.3). Это позволяло устранить влияпие па спектр явлений, связанных с отражением от внутренних поверхностей кюветы.

В разделе 2.2. описана техниха и методика получения спектральных данных в области 80 - 220 см"1 с помощью фурье-спектрометра Vertex 80 (Bruker). В этой спектральной области измерялись спектры пропускания образцов в двух идентичных кюветах с разными зазорами между окнами (разные толщины образца). Для получения спектра пропускания исследуемого водного образца без влияния окон, спектр пропускания образца в кювете с большим зазором делился на спектр пропускания образца в кювете с меньшим зазором. Таким образом, получали спектры пропускания исследуемого образца с толщиной, равной разности толщин в двух кюветах. Зазоры между окнами выбирались таким образом, чтобы толщины водного образца между окнами хватало для достаточно сильного поглощения излучения при

прохождении сквозь него. Это позволяло исключить влияние интерференции между окнами кюветы на результирующие спектры.

В разделе 2.3. представлена спектральная модель, связывающая спектр пропускания раствора с параметрами колебательных и релаксационных полос, лежащих в анализируемой области частот (5 - 80 см"1). В модели учитывались четыре полосы поглощения (рис. 1):

- полоса дебаевской релаксации вблизи 0.6 см"1 - Кь

- полоса высокочастотной релаксации в области 5-30 см"1 - (представляющая основной интерес в настоящей работе),

- поперечная трансляционная колебательная полоса вблизи 50 см"1 - Ть

- продольная трансляционная колебательная полоса вблизи 190 см"1 — Т2.

Рис. 1. Схема расположения учтённых в спектральной модели полос поглощения, е" - мнимая часть диэлектрической проницаемости, Л'1 - волновое число. Я] -дебаевская релаксационная полоса, - полоса высокочастотной релаксации, Т[ -поперечная трансляционная колебательная полоса, Т2 - продольная трансляционная колебательная полоса.

Нами были получены аналитические соотношения, связывающие параметры четырёх учтённых в модели полос поглощения с модельным спектром пропускания:

,, , го, ¿а, Ае. £» =-:--+ --Н- +

1 + а>гт? " 1 + Ф2т1 ' (с¿-о^У + а'у} («2- -с2)2 л-аУг

1 + йЛ2

1 + ©2Г22 (^-^У+Й;2/,2 (^-ш'У+Й»2^

> (О

У£'2+£,2+е' а_= /л/РЧе"' -г"

Л = --^-Г>0 = АгсХап]

2п£ | 7кш

№1 *ехр (-си!)

1-2К*ехр(-а*/)* + Д2*ехр(-2Ы)

(2)

(3)

(4)

В формулах (1) - (4) приняты следующие обозначения:

е'(ш) и е"(р) - спектры действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости,

и - статическая и высокочастотная диэлектрическая проницаемость, Ае2 и г2— амплитуда и время релаксации высокочастотного релаксационного процесса,

г, — время релаксации основного релаксационного процесса (дебаевской релаксации), Л, и А2— амплитуда поперечной и продольной трансляционных колебательных полос, соответственно,

щ, (02 — частоты колебания поперечной и продольной трансляционных колебательных полос в максимуме поглощения,

у, и уг - ширины поперечной и продольной трансляционных колебательных полос поглощения,

член отражает потери, связанные с иошюй проводимостью (<т„— с)с-

ЕМ

проводимость, е0— электрическая постояш1ая),

п, к — спектры действительной и мнимой частей коэффициента преломления воды, R - коэффициент отражения на границе раздела вода-кварц (зависящий от частоты), пх, — коэффициент преломления материала окна ыоветы (монокристаллического кварца),

<р - скачок фазы электромагнитной волны при отражении от границы раздела кварц-вода,

а - коэффициент поглощения водного образца в едипицах обратной длины, с — скорость света в вакууме,

Г(<у) - спектр пропускания водного образца вместе с кварцевыми окнами кюветы, г - коэффициент отражения на границе раздела кварц-воздух, d - толщина измеряемого образца (104 мкм), со - циклическая частота.

Среди приведённого перечня параметров неизвестными и независимыми от других являются всего шесть: Л г,, т2, о,, .4,, у1, /2.

Нами была написана программа (алгоритм которой представлен в Приложешш), позволяющая, используя описанную выше модель, произвести процедуру фитинга модельного спектра к спектру, получеппому экспериментально. Алгоритм фитинга сводится к поиску такого набора параметров, при котором наблюдается наиболее близкое соответствие модельного спектра и экспериментального. Причём программа представляет собой не итерационный процесс, а совершает простой перебор всех возможных значений параметров. Это существенно увеличивает время расчёта, но повышает надёжность, не позволяя в процессе расчёта попасть в локальный минимум. В результате процедуры фитинга определялись оптимальные значений модельпых параметров.

Указанная программа, помимо нахождения оптимальных значении модельпых параметров, позволяет вычислять и выводить в виде таблиц данных, соответствующие этим параметрам модельные спектры следующих физических величин: коэффициента поглощения а, действительной е' и мнимой е" частей диэлектрической функции, действительной и и мнимой к частей коэффициента преломления, проводимости а.

В третьей главе проводится анализ данпых, полученных в результате фитинга спектров.

В разделе 3.1. проанализированы рассчитанные параметры спектров воды и шести водных растворов: СаС12, NaCI, KCl, CsCl, КВг и KI, измеренных при

температуре 25°С. Все указшшые растворы были приготовлены в одномолярной концентрации, за исключением раствора СаС12, который имел концентрацию 0.5 М/л. Исключение для СаС13 было сделано для уравнивания концентрации анионов во всех растворах. Для того чтобы определить влияние катионов на спектральные параметры растворов, влияние анионов необходимо было стандартизировать.

Концентрация 1 М была выбрана как некая "золотая середина". С одной стороны, это достаточно большие концентрации, чтобы заметно повлиять на спектры. С другой стороны, эти концентрации не настолько велики, чтобы в растворах образовалось заметное количество контактных ионных пар — образований с большим дипольным моментом, релаксация которых может внести ощутимый вклад в спектры.

Поскольку в данной работе основное внимание было уделено высокочастотной релаксационной полосе поглощения, то из шести варьируемых параметров представляли главный интерес два — это амплитуда полосы Дс2 и время релаксации т2. В таблице 1 отображены результаты расчёта величин Де2 и т2 для разных растворов. Кроме того, в этой же таблице представлена величина Я"', которая связана с параметром т2 через соотношение Л'1 = ^лст (с — скорость света) и имеет смысл

волнового числа в максимуме поглощения данпой релаксационной полосы. Эта величина указана для большей наглядности при интерпретации спектральных данных.

Таблица 1. Параметры высокочастотной релаксационной полосы - амплитуда Де2, время релаксации т2 и волновое число в максимуме поглощения Л'1, полученные в результате фитинга спектров, для различных растворов при 25СС. (Диапазоны значений с учетом погрешностей представляют собой доверительные интервалы с надежностью 0.95.)

Де2 т2, пс Я"', см"1

Н20 1.4±0.1 0.31±0.06 18.1±2.9

0.5М СаС12 1.2±0.1 0.33±0.06 16.7±2

1М №С1 1.3±0.2 0.34±0.06 16.Ш.6

1МКС1 1.5±0.1 0.36±0.07 14.6±2.6

1М СбС1 1.8±0.2 0.35±0.07 15±2.5

1МКВг 1.8±0.1 0.31±0.03 17.2±1.7

1МК1 2.1±0.1 0.31±0.02 17.4±0.8

При анализе данных из таблицы 1 обращает 1И себя внимание следующий факт: для всех исследованных растворов характерные времена т2 (или волновые числа в максимуме поглощения Л"') в пределах погрешности оказываются неразличимы. Это может свидетельствовать о том, что релаксация этого типа определяется наличием каких-то определённых молекулярных релаксаторов, которые могут, в зависимости от условий, увеличиваться или уменьшаться по количеству, но не меняются по структуре, поскольку при изменении структуры должны меняться характерные частоты.

Еще одним параметром (наряду с параметром т2), характеризующим высокочастотную релаксационную полосу, является амплитуда этой полосы — Де2. Она определяет вклад высокочастотного релаксационного процесса в спектр поглощения. Как следует из данных таблицы 1, наблюдается рост параметра Де2 в ряду катионов: и С5+, а также в ряду анионов: СГ, Вг", I". Интересно, что

эти ряды согласуются с рядами Хофмейстера для катионов и анионов. Как известно, ряды Хофмейстера для катионов или анионов выстраиваются по принципу уменьшения их способности структурировать воду вокруг себя [102] (нумерация источников литературы находится в точном соответствии с нумерацией в списке литературы, приведённом в диссертации).

Под понятием структурированности в данном случае и далее в тексте понимается мера упорядоченности молекул воды. Упорядоченность определяется средним количеством водородных связей, приходящихся на одну молекулу, ориентирующим действием кулоповского ноля ионов на близлежащие молекулы воды и другими процессами, приводящими к повышению порядка.

Говоря о влиянии ионов на структурированность водных растворов, часто используют понятие гидратации, которое сводится к влиянию ионов на упорядоченность близлежащих водных молекул. По принципу структурирующей способности выделяют два вида ионов - космотропы и хаотропы. Космотропы - это ионы, которые взаимодействуют с молекулами воды сильнее, чем молекулы воды друг с другом (в нашем случае это Са2+ и №*), а хаотропы - ионы, взаимодействие которых с молекулами воды слабее, чем у молекул воды друг с другом (К+ и Се*). Есть разные подходы к оценке "силы" этих взаимодействий. Одним из гак является чисто энергетический подход. В рамках этого подхода ключевым параметром является энергия взаимодействия молекул воды с ионами данного типа. Но это сильно упрощенный взгляд, который не отражает многих сторон явления гидратации.

В процессе развития представлений об этом явлении появился иной подход к пониманию гидратирующей (или структурирующей) способности: под понятием большая или меньшая структурирующая способность понимают не количество "замороженных" молекул воды вблизи иона (оболочка из прочно связанных молекул воды), а влияние данного иона на трансляционную подвижность ближайших к нему молекул воды. Такой подход к анализу структуры воды и водных растворов развивал Самойлов О.Я. [42]. Некоторые ионы уменьшают подвижность близлежащих молекул воды (Са2+ и Ыа+), а некоторые увеличивают (К+ и Сэ+). Последнее явление Самойлов назвал "отрицательной гидратацией". Иными словами, энергия взаимодействия молекул воды с ионом в рамках этого представления пе является основополагающим фактором в оценке гидратирующей способности иона, вместо этого вводится такой фактор как потенциальный барьер, препятствующий обмену молекулы воды в гидратной оболочке с молекулой вне оболочки.

Очевидно, что частота обмена прямо связана с коэффициентом трансляционной диффузии молекул растворителя. А поскольку вязкость жидкости тоже определяется коэффициентами трансляционной диффузии молекул, то ряд Хофмейстера для ионов может быть выстроен по принципу монотонного изменения вязкости растворов, содержащих эти ионы. Объёмная вязкость раствора сильного электролита хорошо описывается с помощью уравнения Джонса-Дола [61]:

= -&+Вс (5)

7о

где ц и г)а - вязкость раствора и растворителя, соответственно, а с — концентрация электролита. Коэффициент А связан с электростатическим взаимодействием растворенных ионов между собой, которое приобретает главное значение только в очень разбавленных растворах. Его величина обычно невелика (для не электролитов стремится к нулю), в связи с чем ею часто пренебрегают. Константа В определяется взаимодействием растворенных ионов с растворителем, т.е. характеризует ион-дипольные взаимодействия, которые являются основными в большинстве случаев. То есть коэффициент В может служить параметром, характеризующим структурирующую способность иона. Коэффициенты Джонса-Дола В для всех изученных водных растворов приведены в таблице 2. В рамках данного подхода коэффициенты В получены для растворов солей, но получить значения этого коэффициента для отдельных ионов невозможно не прибегая к предположениям, которые нельзя проверить непосредственно [61].

Таблица 2. Значения коэффициента Джонса-Дола В [л/моль] для различных растворов [61]. Растворы разделены на два ряда: в первом ряду меняются катионы, а во втором — анионы.

Ряд по катионам 0.5М СаС12 lMNaCI 1M КС1 1М CsCI

0.275 0.0793 -0.014 -0.052

Ряд по анионам 1М КС1 lMKBr 1MKI

-0.014 -0.048 -0.075

Для оценки структурированности воды в присутствии каких-либо ионов также можно использовать величины энтропии образования ионов в растворе AS [103]. Значения величин TAS в водном растворе при 25°С для всех изученных в настоящей работе катионов и анионов представлены в таблице 3.

Таблица 3. Значения величины TAS [кДж/моль] для различных катиопов и анионов при 25°С.

Катионы CaI+ Na+ K+ Cs+

-21.8 5.4 14.2 17.16

Анионы СГ В г Г

-19.2 -1J 13

Согласно данным, представлегаплм в таблицах 2 и 3, значения величин -В и ГА5 возрастают в рядах катионов и анионов в следующих последовательностях: Са+2<Ыа+<К+<Сз+; С1"<Вг"<Г. Увеличение величин -В и ТА5 отражает уменьшение структурированности водной сетки в результате наличия указанных катионов и анионов. Таким образом, ряды, построенные по принципу уменьшения степени структурированности воды, находятся в точном соответствии с рядами, построенными по принципу увеличения параметра Де2.

Из всего изложенного выше следует, что величина Дс2 прямо коррелирует со степенью структурированности воды, определённой как с помощью коэффициентов Джонса-Дола, так и с помощью энтропии образования ионов в растворе. В связи с этим, параметр Де2 может быть использован в качестве меры степени

структурированности воды: увеличение параметра Де2 отражает уменьшение структурированности водной сетки, и наоборот.

Очевидно, что структурированность воды в биологии играет важную роль. Несмотря на то, что в данной работе проводятся исследования лишь достаточно простых водных растворов, ограниченных сильными электролитами с такими биологически значимыми ионами как Са+2, Ыа+, К7, СГ, возможно развитие предложенного подхода в направлении исследования более сложных растворов. Например, можно проанализировать структурированность воды в присутствии органических молекул, аминокислот, биологических макромолекул.

В разделе 3.2. проанализированы температурные зависимости параметров Де2 и т2 для лёгкой воды Н20 и тяжёлой воды Б20. Относительно времени релаксации можно отметить то же самое, что указано в разделе 3.1. при исследовании различных растворов: времена релаксации во всех исследованных случаях в пределах погрешности неотличимы. Результаты расчёта величин Де2 для лёгкой и тяжёлой воды представлены на рис. 2.

Рис. 2. Величины амплитуды Ае2, полученные из спектров лёгкой и тяжёлой воды, при разных температурах.

Согласно данным, представленным на рис. 2, можно заключить, что как в случае с Н20, так и в случае с Б20 в интервале температур 5 - 50°С наблюдается рост величины Де2 с ростом температуры. Это служит ещё одним подтверждением связи

амплитуды Де2 со степенью структурированности воды, поскольку, как и следует ожидать, с ростом температуры упорядоченность водной сетки должна уменьшаться.

Интересно отметить, что в диапазоне физиологических температур на рис. 2 отчётливо видна особенность: для Н20 очевидно резкое изменение параметра Де2 в интервале температур 35 - 40°С, тогда как для 020 в этом температурном интервале изменений не наблюдается.

Анализ температурной зависимости Де2 для Г)20, представленной на рис. 2, позволяет предположить, что возможна подобная тенденция для тяжёлой воды в диапазоне 15 - 30°С, хотя и намного слабее выраженная. Однако достаточно большая погрешность не позволяет надёжно это зафиксировать. Возможно, рост величины Де2 для Б20 на участке 15 - 30°С вписывается в общую тенденцию увеличения Де2 с ростом температуры, без каких-либо особенностей, за счёт уменьшения структурированности водной сетки.

Несмотря на то, что представленные в настоящей работе данные свидетельствуют о наличии структурных особенностей воды Н20 в интервале температур 35 — 40°С, с физической точки зрения указанное явление труднообъяснимо. Однако, интересно заметить, что в этой же области температур наблюдается еще одна особенность: температурная зависимость изобарной теплоемкости Ср имеет минимум (хотя для подавляющего большинства веществ теплоемкость монотонно возрастает с температурой), причем этот минимум наблюдается при температуре около 35°С [105], то есть в непосредственной близости к отмеченному выше интервалу 35-40°С. В данном случае важно добавить, что изобарная теплоемкость тяжелой воды во всем температурном диапазоне существования жидкой фазы при атмосферном давлении минимума не имеет. Возможно, корреляция изменения величин Де2 и С,, с температурой носит не случайный характер. А поскольку теплоемкость прямо связана с такими термодинамическими потенциалами как энтальпия Н и энтропия Б [Се =(5Н/дТ)р ~(дЗ/&Г) ], возможно развитие дагаюй работы в рамках термодинамического подхода. Это могло бы стать темой для отдельных исследований.

Сам факт наличия особенности в температурной зависимости Де2 воды (что соответствует особенности в температурпом поведении степени структурированности) в интервале 35 - 40°С представляет большой интерес в связи с тем, что этот интервал совпадает с температурам существования теплокровных. Учитывая исключительную роль воды в биологических процессах, можно

предположить, что сильно выраженное изменение степени структурированности воды в температурном интервале, оптимальном для существования теплокровных, является не случайным.

Об особых свойствах воды Н20 в диапазоне физиологических температур свидетельствует также отсутствие указанной выше особенности для тяжёлой воды 020. То есть вода Н20 в диапазоне физиологических температур обладает уникальными свойствами не только среди химически разнородных веществ, но даже среди своих изотопологов.

Представленные в настоящей работе данные позволяют поставить вопрос о связи структурных особенностей воды в диапазоне температур 35-40°С с протеканием биологических процессов. Возможно, для протскагшя некоторых биологических процессов наиболее подходит определённая степень структурированности воды — именно такая, которая реализуется при температурах 35 - 40°С. Более того, в этом диапазоне возникает возможность чувствительной подстройки водной матрицы к определённой степени структурированности путём минимального изменения температуры. Скажем, изменение в степени структурированности, происходящее с изменением температуры на 1 - 2°С в диапазоне 35 - 40°С является более сильным, чем изменение на 10°С в диапазоне 4 -35СС или в диапазоне 40 - 50°С.

В разделе 4.1. указывается, что вопрос о природе рассматриваемой релаксационной полосы до сих пор до конца не решён. На основании полученных в настоящей работе данных, делается вывод, что регистрируемый в терагерцовой области релаксационный процесс на молекулярном уровне представляет собой релаксацию свободных молекул воды (свободных, как от водородных связей, так и от сильного поляризующего влияния кулоновского поля ионов). В пользу такого заключения свидетельствуют несколько фактов:

1) Как было показано в главе 3, увеличение амплитуды полосы Ае2 коррелирует с уменьшением степени структурированности воды. То есть, чем больше разрушена структура воды, тем больше появляется свободных молекул, вращательная релаксация которых приводит к поглощению электромагнитной энергии, что повышает вклад в амплитуду Де2. Если рассмотреть возможные альтернативные процессы, то можно отметить следующее. Внутримолекулярным этот процесс не может быть по причине несоответствия энергетическим масштабам, поскольку внутримолекулярные моды возбуждения имеют на два порядка большие энергии.

Если предположить, что это некий процесс коллективного характера, включающий в себя песколько связанных молекул, то структура такого образования могла бы только разрушаться с появлением ионов, и, соответственно, его амплитуда должна была бы уменьшаться. Но, как видно из таблицы 1, при наличии в растворе ионов с отрицательной гидратацией амплитуда исследуемого процесса увеличивается.

2) Для всех исследовапных растворов характерные времена т2 в пределах погрешности неразличимы. То есть от раствора к раствору в различных условиях характерная частота исследуемого релаксационного процесса заметно не меняется. Это означает, что количество молекулярных релаксаторов этого типа в различных водных растворах может отличаться, но не меняется их структура. Что так же согласуется с предположением о свободных молекулах воды.

3) Ещё одпим подтверждением гипотезы о природе высокочастотной релаксационной полосы как релаксации свободных молекул воды может служить опровержение альтернативной гипотезы [2], согласно которой этот процесс определяется релаксацией молекул, связанных одной водородной связью. Согласно этой гипотезе, увеличение амплитуды высокочастотной релаксационной полосы должно сопровождаться увеличением количества молекул воды, связанных одной водородной связью. А количество таких молекул может быть оценено по величине амплитуды трансляционной полосы поглощения, поскольку трансляционные полосы в ИК-спектрах соответствуют колебаниям молекул воды, связанпых одной водородной связью [23, 85].

В таблице 4 представлены значения величины А /со/, рассчитанной нами для всех изученных растворов. Величипа А/о22 представляет собой амплитуду продольной трансляционной полосы А}, делённую на квадрат частоты са1 в максимуме поглощения полосы. Эта величина соответствует вкладу указанной полосы в диэлектрическую проницаемость (1) и может выступать мерой количества молекул воды, связанных одной водородной связью.

Данные га таблицы 4 свидетельствуют о том, что в рядах анионов С1", ВГ, I" и катионов К , Сэ вклад трансляционной колебательной полосы ослабевает, что соответствует уменьшению количества молекул воды, связанпых одной водородной связью, в указанных последовательностях ионов. Но при этом, как следует из таблицы I, вклад высокочастотной релаксационной полосы Ае2 согласно данным последовательностям увеличивается. Приведённые данные прямо свидетельствуют о том, что вклад высокочастотной релаксации в спектр может увеличиваться при уменьшении количества молекул воды, связанных одной водородной связью.

Следовательно, предположение о том, что высокочастотная релаксация обусловлена релаксацией молекул воды, связанных одной водородной связью, не согласуется с представленными данными.

Таблица 4. Значения величины Л/гаД определяющей вклад в диэлектрическую проницаемость продольной трансляционной полосы, для воды и различных водных растворов при 25°С. Растворы разделены на два ряда: в первом ряду представлен ряд катионов при одном и том же анионе, а во втором - ряд анионов при одном и том же катионе.

Вода 1.57±0.05

Ряд катионов 0.5М СаС12 1М ХаС1 1М КС1 Ш СэС!

1.67±0.06 1.74±0.05 1,б7±0.02 1.52±0.04

Ряд анионов 1МКС1 1М КВг 1МК1

1.67±0.02 1.56±0.03 1.45±0.03

При использовании термина "свободные молекулы" необходимо сделать следующую оговорку. Конечно, даже не обладающая ни одпой водородной связью, молекула воды в конденсированной фазе не может считаться абсолютно свободной, поскольку её окружает система, пусть и в целом нейтральная, но все же состоящая из множества близко расположенных к ней зарядов. В связи с этим молекула воды неизбежно подвергается воздействию ван-дер-ваальсовых сил.

Как уже было упомянуто, величину Де2, наряду с коэффициентом Джонса-Дола и энтропией образования иона в растворе ТАЗ, можно использовать в качестве меры структурированности водной сетки. Но необходимо отметить существенные различия этих трех критериев. Энтропия отражает степень структурированности в смысле среднего количества связей, приходящихся на одну молекулу воды. То есть анализ структурированности через определение энтропии образования ионов в растворе исходит из статического взгляда на усредненную структуру воды, и ничего не говорит о временах и распределении молекул по количеству обладаемых ими водородных связей. Подход, основанный на измерении вязкости и определении коэффициентов Джонса-Дола, напротив, отражает исключительно временные

характеристики структуры воды, - говорит о средней трансляционной подвижности молекул воды, но ничего не говорит о количествах молекул, вовлеченных или не вовлечённых в гидратную оболочку ионов. Наш же подход является еще одним методом анализа структурированности, но основан оп на определении параметра Де2, связанпого с количеством молекул воды, свободных, как от водородных связей, так и от поляризующего влияния ионов. Видимо, все три описанных подхода к анализу структурированности растворов выявляют разные стороны одного и того же явления, но, в зависимости от поставленной задачи, один из них может быть более информативен, чем другие.

В разделе 4.2. предлагается метод расчёта количества свободных молекул воды. Суть его состоит в том, что если высокочастотная релаксационная полоса отражает релаксацию свободпых молекул воды, то амплитуда этой полосы Де2 должна прямо определять количество свободных молекул. На основе анализа процесса поляризации воды в электрическом поле, показало, что количество свободных молекул воды п в единице объёма может быть определено с помощью формулы:

и -—Щ, (6)

(ЛЕ2+е1+2)(е:+2) Ыр1 где Де2 - амплитуда высокочастотной релаксационной полосы, к - постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, е0 — электрическая постоянная, N - число молекул воды в единице объёма, р — дгагольный момент молекулы воды, значение которого в системе единиц СИ составляет 6.17* 10"3° Кл*м [7]. Величипа связала с величиной , входящей в формулу (1), через соотношение:

Подставляя все известные численные значения величин, входящих в формулу (6), можно получить более простую формулу для расчёта доли свободных молекул воды:

2.6x10"'Дг,Г

п =-1--(о)

(Дч.+в'.+гхв'.+г)

Все величины, кроме температуры, входящие в формулу (8), определяются в описанной в разделе 2.3 процедуре фитинга. Поэтому для расчёта количества свободных молекул имеются все необходимые данные.

Результаты расчёта по формуле (8) количества свободных молекул воды для всех исследованных растворов представлены в таблице 5.

Таблица 5. Доля свободных молекул воды п,% для различных растворов при 25°С, рассчитанная по формуле (8). Растворы разделены на два ряда: в первом ряду меняются катионы, а во втором — анионы.

Вода 2.19±0.16

Ряд по катиопам 0.5М СаС12 1МКаС1 1МКС1 1М СвС!

1.84±0.32 1.99±0.16 2.15±0.22 2.57±0.25

Ряд по апнопам 1М КС1 1МКВг 1МК1

2.15±0.22 2.65±0.19 3.18±0.09

Результаты расчёта количества свободных молекул в лёгкой и тяжёлой воде при разных температурах представлены в таблице 6.

Таблица 6. Процентный вклад свободных молекул п% в Н20 и 020, рассчитанный по формуле (8), при различных температурах.

Т,°С 4 10 15 20 25 30 35 37 40 45 50

Н20, п% 2.13± 0.11 2.17± 0.12 2.12± 0.13 2.17± 0.11 2.19± 0.16 2.43± 0.15 2.21± 0.18 2.71± 0.24 2.78± 0.13 2.98± 0.31 3.10± 0.29

Т,°С 5 11 15 20 25 30 35 40 45 50

о2о, 1.97± 1.93± 1.96± 2.16± 2.23± 2.45± 2.42± 2.55± 2.37± 2.54±

п% 0.10 0.20 0.15 0.21 0.14 0.13 0.14 0.17 0.21 0.13

Согласно данным, представленным в таблице 6, количество свободных молекул в Н20 и 1)20 соизмеримы между собой: в диапазоне 4 - 35°С отличия находятся в пределах погрешности, а в диапазоне 40 - 50°С в Н20 свободных молекул больше, чем в 020. Этот факт согласуется с тем, что количество водородных связей в П20 больше [104] (примерно на 4%), чем в Н20, - в результате, вероятность появления свободной молекулы в 020 несколько ниже, чем в Н20.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведены исследования спектров поглощения ряда водных растворов электролитов и двух изотопных модификаций воды в диапазоне температур 4 - 50°С. Основное внимание было обращено на область частот 0.15 - 2.5 ТГц, в которой расположена слабо выраженная полоса поглощения релаксационного типа. Определены закономерности изменения параметров этой полосы (амплитуды Лег и времени релаксации тг). Было обнаружено, что величина амплитуды Де2 в спектрах различных растворов коррелирует с такими величинами, как энтропия образования ионов в растворе, коэффициент Джонса-Дола (величина, прямо связанная с ион-дипольными взаимодействиями). Оба эти параметра могут выступать в качестве меры структурированности воды, поэтому был сделан вывод, что величина Де2 тоже может быть использована для оцепки структурированности воды.

Под структурированностью в рамках данной работы подразумевается степень упорядоченности водной структуры. Например, среди различных растворов упорядоченность будет тем больше, чем больше среднее количество водородных связей, приходящееся на одну молекулу, или больше поверхностная плотность заряда диссоциированных ионов, поляршующих близлежащие молекулы воды.

В настоящей работе рассматривается вопрос о природе изучаемой релаксациоппой полосы. Делается вывод, что эта полоса связана с вращательной релаксацией свободных молекул воды, то есть молекул, не связанных ни одной водородной связью и пе находящихся под влиянием сильного ориентирующего действия кулоновского поля ионов.

На основании утверждения о том, что изучаемая полоса поглощения возникает в результате релаксации свободных молекул, делается вывод, что амплитуда этой полосы должна быть прямо связана с количеством свободных молекул. Проведённый анализ процесса поляризации воды в электрическом поле позволяет установить взаимосвязь между амплитудой изучаемой релаксационной полосы и количеством свободных молекул воды. Таким образом, предлагается метод расчёта количества свободных молекул воды.

выводы

1. В спектрах водных растворов амплитуда релаксационной полосы Де2, расположенной в терагерцовой области частот, возрастает с уменьшением упорядоченности водпой структуры. Этот факт даёт возможность использовать амплитуду Де2 для анализа степени структурированности воды в растворах.

2. Указанная релаксационная полоса поглощения на молекулярном уровне обусловлена релаксацией свободных молекул воды.

3. На интервале температур 4 - 50°С наиболее сильное изменение амплитуды Де2 в спектрах Н20 наблюдается в диапазоне температур (35 - 40°С). При этом в спектрах 1)20 в диапазоне 35 - 40°С изменение амплитуды Аег не обнаружено.

4. Установлена взаимосвязь между спектральными параметрами водных растворов в терагерцовой области частот и количеством свободных молекул воды, что позволяет рассчитать долю свободных молекул.

Публикации по теме диссертации

1. Пеньков Н.В., Швирст Н.Э., Яшин В.А., Фесенко Е.Е. Об особенностях молекулярной релаксации в водных растворах. Биофизика. 2013. Т. 58, № 6. С. 933-941.

2. Пеньков Н.В., Швирст Н.Э., Яшин В.А., Фесенко Е.Е. Расчёт доли свободных молекул воды в водных растворах с помощью спектрального анализа. Биофизика. 2013. Т. 58, № 6. С. 942-946.

3. Пеньков Н.В., Швирст Н.Э., Яшин В.А., Фесенко Е.Е. (мл.), Фесенко Е.Е., Об особенностях температурных зависимостей спектров воды в терагерцовой области. Биофизика. 2014. Т. 59, № 2. С. 271-273.

4. Пеньков Н.В., Яшин В.А., Фесенко Е.Е. (мл.), Фесенко Е.Е. Расчёт количества свободных молекул воды в водных растворах с помощью спектрального анализа в терагерцовой области с учётом процессов экранировки. Биофизика. 2014. Т. 59, №3. С. 428-431.

5. N. У. Penkov. N. Е. Shvirst, V. A Yashin, Е. Е. Fesenko. Calculation of unstructured water molecules quantity by means of spectrum analysis. Materials of International conference «The structure of water: physical and biological aspects». Saint-Petersburg, 2013. P. 44.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума РАН № 28 «Проблемы происхождения жизни и становления биосферы» (подпрограмма I, направлеш« «Физика, химия и биология воды»); НШ-2741.2008.4 «Молекулярные механизмы рецепции сигналов химической и физической природы».

Подписано в печать:

16.06.2014

Заказ № 10063 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru