УДК 541.64:543.42

 

В.М.Микин, А.В.Каргаполов

Тверская государственная медицинская академия

 

Изменение ИК-спектра воды при изменении температуры.

 

Методом ИК-спектроскопии с помощью специально разработанного аппаратно-програмного комплекса проведено исследование воды двойной очистки (бидистилята) при температурах от 70С до 500С.

 

Человеческий организм более чем на 80% состоит из воды, которая обладает полимерными свойствами. Известно, что при изменении температуры изменяется и структура воды [1,3]. Поэтому представляет интерес изучить характер динамики ИК-показателей воды при изменении температуры.

Эти данные дают возможность получить новую информацию о жизнедеятельности организма, проводить диагностику, исследуя водный компонент жидких сред организма и, в частности, крови.

В проведенной работе использовалась аппаратно-программная система «ИКАР», представляющая собой 9-канальный спектрофотометр, работающий в диапазоне волн от 2,86 до 10,42 мкм (3500 – 960 см-1). Цикл одного измерения по всем каналам »0,8 сек. Прибор сопряжен с персональным компьютером, на котором установлено программное обеспечение, позволяющее проводить различные эксперименты и делать некоторые расчеты. Выходной информацией прибора является коэффициент пропускания (%) излучения в следующих диапазонах: 3500 – 3200 см-1; 3085 – 2832 см-1; 2120 – 1880 см-1; 1710 – 1610 см-1; 1600 – 1535 см-1; 1543 – 1425 см-1; 1430 – 1210 см-1; 1127 – 1057 см-1; 1067 – 930 см-1.

Экспериментальная часть

В эксперименте была использована дважды дистиллированная вода (бидистиллят), которая нагревалась или охлаждалась до необходимой температуры и помещалась в кювету из монокристалла таллия (она прозрачна в исследуемом диапазоне). В течении 30 сек температура контролировалась с помощью электронного термометра и проводилась регистрация показателей ИКС каждые 0.8 сек. Полученные данные обрабатывались в программе VersalTV 1.0, входящей в комплект поставки прибора, в ней рассчитывались статпараметры (дисперсия, среднее, корреляция t-параметр Стьюдента, непараметрический знаковый критерий, коэффициент корреляции). Использовались математические и визуализационные возможности пакета матричных вычислений Matlab 5.2 (лицензия №146229), на основе которых строились графики и трехмерные модели, проводились некоторые расчеты. Для построения таблиц и графиков использовался Excel 2000.

Результаты и их обсуждение

На полученных графиках видно, как изменяются показатели ИК-спектра в зависимости от температуры пробы. Полученные в результате эксперимента данные по коэффициентам пропускания мы объединили в график зависимости коэффициента пропускания от температуры.

При визуальном сравнении (рис.1) коэффициентов пропускания видно, что на всех исследуемых частотах картина примерно одинаковая, что свидетельствует о том, что процессы изменения структуры воды проходят на всем диапазоне однотипно. Начиная с 70С, и до 230С идет плавное и очень медленное увеличение коэффициентов пропускания (стандартное отклонение 2.33). На 240С происходит резкий скачок, по амплитуде приближающийся к значениям коэффициента пропускания при 360С (особенно в 4,6,7 и 8 каналах). Далее, с 250С до 300С показатели снижаются и идут на уровне первой части графика. Начиная с 360С, т.е. с температуры человеческого тела наблюдается резкий скачок и ровный отрезок  (колебания в пределах 5%). Затем до 430С они практически не изменяются, после чего, с повышением температуры, имеется тенденция к уменьшению показателей.


Рис.1 График зависимости коэффициента пропускания от температуры

 

График дисперсии (рис.2) показывает, как изменяется характер процессов, происходящих в воде при повышении температуры. На отрезке от 70С до 230С дисперсия однородна, на 240С идет пик, после 350С она возрастает и держится на высоком уровне до 440С, после чего убывает к 500С.

Возможно, эти колебания дисперсии связаны с гидролизом и образованием водородных связей [4].

 


Рис.2 График зависимости дисперсии от температуры

 

Далее мы провели сравнение полученных данных с эталоном (вода при 280С), используя t-критерий Стьюдента. (На графике применена сплайновая аппроксимация, поэтому он может опускаться ниже нуля, что не является ошибкой эксперимента). Мы видим, что при температуре до 260С структура воды никак не соответствует структуре воды эталона (280С). Но, начиная с 360С, ее t-критерий в 5, 6, 7 и 8 каналах колеблется возле значения 1.5(+ 5%).  С  440С показатель начинается увеличиваться.

 

 


Рис.3 График зависимости t-критерия Стьюдента от температуры

 

 


Рис.4  3D – модели ковариационных матриц при различной температуре

 

Полученные данные указывает на то, что вода, при температуре  человеческого тела имеет специальную структуру, обеспечивающую жизнедеятельность.

Это подтверждается расчетами  определителя ковариационной матрицы (обобщенная дисперсия (ОД)) и построением 3D – моделей ковариационных матриц при различных температурах.

Таблица 1

Температура, 0С

Обобщенная дисперсия

7

0,0070739

25

0,0034374

26

0,0016718

36

2581224706,7006

37

136483326,328

47

2511292,6787

50

199618,9777

 

Показатель ОД характеризует "однородность" процесса. При этом, чем меньше значение ОД, тем более однороден процесс. В таблице 1 приведены некоторые, наиболее характерные значения. Из нее видно, что с увеличением температуры процессы, связанные со структурированием воды, приобретают все более неоднородный характер, и достигают максимума именно при температуре человеческого тела.

До 260С они наиболее однородны, потом наблюдается резкий скачок, и, при дальнейшем повышении температуры, они снова убывают в исследуемом диапазоне температур.

На рис.4 представлены трехмерные пространственные модели ковариационных матриц для разных температур. По ним можно визуально представить отличия процессов проходящих в воде. Их также можно использовать для наглядного сравнения и идентификации различных проб.

 

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что в воде, при различной температуре можно, с помощью метода ИК-спектроскопии, выявить и охарактеризовать различные процессы, по-видимому, обусловленные изменением структуры, образованием и разрушением водородных связей. Оказалось, что эти процессы тем интенсивней, чем ближе температура исследуемой воды к температуре человеческого тела.

 

Список литературы

 

1.       Вербалович В.П. Инфракрасная спектроскопия биологических мембран. Алма-Ата, 1977.

  1. Смит А. Прикладная ИК спектроскопия. М.,1982.
  2. Карякин А.В., Кривцова Г.А. Состояние воды в органических и неорганических соединениях (по ИК спектрам поглощения) М., 1972.
  3. Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. М., 1973.
  4. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М., 1971.
  5. Калихман И.Л. Линейная алгебра и программирование. М., 1967.

 

Hosted by uCoz