РЕГИСТРАЦИЯ СПОНТАННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО РЕФРАКТОМЕТРА Авторы: Авшалумов А.Ш. Лазарев Ю.Б. Московский институт кибернетической медицины (МИКМ), Россия, Москва.

Введение Сенсорные биологические системы в той или иной степени есть пороговые системы. Активным участником тонко организованных биологических процессов является вода. Во всех случаях биологическая активность воды возникает как следствие пребывания ее в метастабильных состояниях. Одной из объективных и весьма информативных физических характеристик воды является оптический показатель преломления n, так как любое изменение среды приводит к изменению n.

Объект исследования Для исследований использовалась деионизированная дважды дистиллированная вода, разделенная на католит и анолит фракции. Контроль качества воды проводился по величине рН и ее удельному сопротивлению

Метод исследования Исследование проводилось на внутрирезонаторном отражательном лазерном рефрактометре для жидких сред. Капля воды наносилась на призму полного внутреннего отражения, которая являлась элементом оптической схемы лазерного рефрактометра.

Внутрирезонаторный отражательный лазерный рефрактометр для жидких сред диапазон измерений n = 1,28 – 1,38 точность dn = 5·10 -7 быстродействие сек регистрация температуры образца dT = C запись результатов и обработка на ЭВМ в реальном времени Создан на базе двухчастотного He-Ne лазера 0,63 мкм и гониометра Г5-М (собственная разработка). Характеристики:

Внутрирезонаторный отражательный лазерный рефрактометр для жидких сред Метод ВОЛР основан на управлении спектром двухчастотного лазера с помощью внутрирезонаторной отражательной фазовой анизотропии, возникающей при отражении излучения от плоской границы раздела двух сред. Границей раздела служит грань призмы ПВО, при наклонном отражении излучения от которой возникает разность фаз между волнами с линейными ортогональными поляризациями. Изменение фазового сдвига приводит к смещению частоты биений. Таким образом, по изменению частоты биений можно судить о процессах в исследуемой жидкости. Спектр продольных мод резонатора фазоанизотропного лазера.

Внутрирезонаторный отражательный лазерный рефрактометр для жидких сред Осциллограмма поведения частоты биений (50 кГц/дел; полоса 3 кГц) Внешний вид экспериментальной установки

Внутрирезонаторный отражательный лазерный рефрактометр для жидких сред Г6-27У У ЛФД СК4-59 DS1624Ч3-63 ЛА48-PCI Определение относительных изменений показателя преломления: He-Ne лазер

Поведение показателя преломления воды (рН 11,1) от времени. Изменение dn ~ соответствует изменению частоты биений ~ 1кГц). Типичная зависимость и гистограмма распределения регистрируемой частоты биений от времени. Время, секЧастота биений, кГц

Поведение показателя преломления воды (рН 11,1) от времени.

Зависимость температуры призмы ПВО от времени при постоянной мощности ее нагрева 1мВт. Время от 700 до 1700 сек соответствует наблюдению спонтанного изменения показателя преломления, при этом температура остается постоянной. Время, сек Температура, о С

Зависимость частоты биений от времени для двух жидкостей: 0 – 3000 сек вода рН = 2, – 6000 сек рН = 11,7 Поведение показателя преломления воды (рН 2,5 и рН 11,7) от времени при постоянном нагреве призмы ПВО.

Теоретическая модель. Физические свойства и структура воды. Внутренние фазовые переходы в конденсированных состояниях воды с протонным порядком и без него контролируются состоянием протонов в молекуле Н 2 О, и обусловлены уникальной структурой молекул, представляющих собой двойные симметричные доноры и акцепторы протонов. Многими предсказывается существование макроскопических кластеров воды с размерами порядка миллиметров и более. Однако понятие водного кластера на сегодня не определено. Оно вводится для интерпретации экспериментальных данных и не имеет конкретного структурно-геометрического или иного физического содержания. Поэтому правильнее говорить об измененном состоянии участков воды или о макроскопических метастабильных состояниях воды, до тех пор, пока не будет получена информация о физической природе тех изменений в свойствах воды, которые могли бы отделить один кластер от другого. Для таких состояний допустимы динамические феменологические модели, которые учитывают лишь проявленные в экспериментах свойства воды и не определяют причин возникновения этих свойств.

Теоретическая модель. Физические свойства и структура воды. Дефекты структуры – ионизационные и ориентационные – возникают между областями синхронных осцилляций протонов. Энергия дисперсионного взаимодействия осциллирующих между молекулами Н2О по линии водородной связи протонов в конденсированном состоянии воды с дефектами определяется соотношением Лондона, в которой вместо электронных поляризуемостей молекул надо учитывать поляризуемость водородной связи с переходом протона: где (Цундель, 1971) Кластерные конструкции становятся более устойчивыми вблизи гидрофобных объектов, некоторых ионов и моле- кулярных групп. Например, таковы клатратные полости вокруг молекул инертных газов. С одной стороны, такие кластеры отличаются от кластеризации собственно жидкой воды. Однако, с другой стороны, в случае устойчивой гидрофобной гидратации макроскопические кластеры могли бы быть носителями памяти воды. Они обладают почти равной энергией, а переходы между ними затруднены из-за высокого потенциального барьера по обобщенной координате перехода. Гипотеза о том, что макроскопические метастабильные состояния воды и водных растворов проявляют квантовые свойства, была высказана в 1990 г. [6, 7].

Теоретическая модель. Стохастический резонанс. Стохастическим резонансом называют явление [3], которое состоит в относительно сильном перераспределении спектра мощности динамической переменной нелинейной мультистабильной системы под действием слабой детерминированной компоненты на фоне аддитивного шума при некоторых условиях резонансного типа. Если рассматривать движение одной частицы, то уравнение движения имеет вид: где - случайный процесс, который обычно полагают -коррелированным, с нулевым математическим ожиданием, D – дисперсия случайной силы, действующей на частицу. Детально изучен случай, когда потенциальная функция U(x,t) соответствует движению частицы в двуямном потенциале под действием регулярной гармонической силы: Компьютерное моделирование уравнения (1) для целей иллюстрации несложно. Параметры уравнения были выбраны следующими: U0 = 1, U1 = 1, = 0,1. Случайный процесс (t) смоделирован последовательностью нормально распределенных практически некоррелированных чисел с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией. Простейший двуямный потенциал, обеспечивающий бистабильность динамической системы

Теоретическая модель. Стохастический резонанс. Зависимость отношения сигнал/шум от интенсивности шума D имеет характерный локальный максимум на некотором уровне плотности шума и соответствует известным результатам. С увеличением интенсивности шума возникают корреляция между детерминированной периодической силой и случайными переходами из ямы в яму. Амплитуда таких смещений существенно больше смещений в пределах одной ямы.

Экспериментально получено, что при увеличении температуры n воды линейно уменьшается на град -1. При этом n воды случайным образом изменяется в пределах ± Однако, для воды с рН = 11,1 при постоянной температуре 25,3 0 С наблюдается явление дискретного спонтанного обратимого изменения n на величину на время от одной до нескольких секунд. Данное поведение n воды имеет место в течение длительного времени, пока ее температура не изменялась более чем на 0,06 0 С. Такое поведение, по-видимому, может быть связано с кластерной структурой воды, содержащей избыток ОН - ионов и по характеру похоже на стохастический резонанс. Как известно, коллективные свойства молекул определяют статическое и динамической состояние воды [2]. Рефрактометрическая регистрация водно-молекулярных кластеров, в микроскопическом смысле, связанных со структурными дефектами воды и процессами на поверхности раздела вода/воздух и вода/кварц экспериментально получены впервые. Заключение

1. Лазарев Ю.Б. Разработка метода внутрирезонаторной отражательной лазерной рефрактометрии для медико-биологической диагностики. – Дисс. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. М.:МИФИ, 2002, 209 с. 2. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. – М.: Изд-во Моск. ун-та, с. 3. Бинги В.Н. Магнитобиология: эксперименты и модели. М., «МИЛТА», – 592с. 4. А.А.Белов, В.К.Конюхов, А.В.Степанов. Флуктуации диэлектрической проницаемости воды при тепловом и механическом воздействиях на воду. Краткие сообщения по физике ФИАН, (7-8):74-80, B.McNamara and K.Wiesenfield. Theory of stochastic resonance. Phys.Rev. A, 39(9): , В.Н.Бинги. Метастабильные состояния воды: квантовые механизмы. Деп. ВИНИТИ.5743-В90, М., 15 ноября В.Н.Бинги. Могут ли растворы обладать квантовыми макроскопическими свойствами? В тезисах II международного симпозиума «Механизмы действия сверхмалых доз», с.87, М., мая 1995 г. Институт биохимической физики РАН. 8. K.Liu, M.G.Drown, J.D.Cruzan, and R.J.Saykally. Vibration-rotation tunneling spectra of the water pentamer: Structure and dynamics. Scinece, 271:62-4, 5 January K.Liu, J.D.Cruzan, and R.J.Saykally. Water clusters. Science, 271: , 16 February Литература