Способ определения степени структурированности водной системы

Изобретение относится к медицине, биологии, экологии, а также к тем сферам деятельности, где требуется количественная оценка суммарного воздействия факторов внешней среды, а также оценка присутствия различных веществ органической и неорганической природы на структурную организацию водосодержащих систем. Технический результат - быстро и объективно количественно оценить степень структурированности исследуемой водной системы - достигается тем, что предварительно создают сверхтонкий слой исследуемой водной системы, затем полученный сверхтонкий слой исследуемой водной системы подвергают многократной инфракрасной спектрометрии с последующим определением величины критерия Махаланобиса и на основании последнего по математической зависимости: Y=-0,00000012Х³+0,000316Х²-0,311Х+133,2, где Y - степень структурированности водной системы в условных единицах, а Х - величина критерия Махаланобиса, определяют степень структурированности исследуемой водной системы. При этом инфракрасную спектрометрию осуществляют в среднем диапазоне инфракрасного спектра через каждые 0,1-0,2 секунды. 6 з.п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к медицине, биологии, экологии, а также к тем сферам деятельности, где требуется количественная оценка суммарного воздействия факторов внешней среды, а также оценка присутствия различных веществ органической и неорганической природы на структурную организацию водосодержащих систем.

Уровень техники

Известен способ исследования чистоты воды, включающий определение коэффициента пропускания инфракрасного излучения через исследуемую и дистиллированную воду, при этом пропускание инфракрасного излучения осуществляют многократно через каждую секунду в течение 1 минуты, рассчитывают величину дисперсии, оценивают общую дисперсию исследуемой и дистиллированной воды, а в качестве критерия оценки чистоты воды используют общую дисперсию дистиллированной воды (Патент РФ №2164685, МПК 7 G 01 N 33/18, 2001 (аналог)).

Известен способ сравнения структур воды, заключающийся в проведении многократной широкополосной инфракрасной спектрометрии в среднем диапазоне инфракрасного спектра воды при 36°С и исследуемой воды в диапазоне волн от 2,86 до 10,42 мкм, причем спектральный диапазон определен девятью дискретными полосовыми фильтрами, в определении для воды при 36°С и исследуемой воды величин критерия Бартлетта и последующем их сравнении, при этом если величины критерия Бартлетта очень отличаются друг от друга, то признают, что различие в структурах значимо, если величины критерия Бартлетта близки друг к другу по значению, то признают, что различие в структурах незначимо, т.е. структуры похожи (Использование ИК-спектроскопии в медицине, экологии и фармации / Под ред проф. А.В.Каргаполова. - Тверь: ООО "Издательство "Триада", 2003, с.50-57 (аналог)).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ оценки упорядоченности воды путем определения количества имеющейся в ней связанной воды (П.Л.Привалов. Вода и ее роль в биологических системах. - БИОФИЗИКА, Том XIII, выпуск 1. - М.: Наука, 1968, с.171, 174 (прототип)).

Раскрытие изобретения

При создании изобретения решалась задача разработки способа, позволяющего определить степень структурированности водной системы.

В настоящее время вопрос о структурном состоянии водной системы, а следовательно, о степени ее структурированности, несмотря на большое число исследовательских работ и используемых методов, остается открытым.

Как известно, многие метаболические и функциональные изменения клеток биологических систем, сопровождающие различные патологические процессы, определяются структурными нарушениями внутри- и внеклеточной водной системы. Хорошо известно, что структурное состояние водной системы изменяется под воздействием как факторов внешней среды, так и в присутствии различных веществ органической и неорганической природы, что сопровождается изменением в состоянии природных и искусственных систем. В то же время доказано, что степень структурированности водной системы определяет активность и биологических жидкостей, и фармацевтических препаратов, и природных водных источников и т.п., а потому возникла необходимость разработки прямого способа определения степени структурированности водной системы.

Технический результат - быстро и объективно количественно оценить степень структурированности исследуемой водной системы.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения степени структурированности водной системы, согласно изобретению, предварительно создают сверхтонкий слой толщиной до 20 микрон исследуемой водной системы, полученный сверхтонкий слой подвергают, по крайней мере, двукратной широкополосной инфракрасной спектрометрии с последующим определением ее величины критерия Махаланобиса и на основании последнего по математической зависимости:

Y=-0,00000012Х³+0,000316X²-0,311X+133,2,

где Y - степень структурированности водной системы в условных единицах;

Х - величина критерия Махаланобиса, определяют степень структурированности исследуемой водной системы.

При этом согласно изобретению инфракрасную спектрометрию осуществляют в среднем диапазоне инфракрасного спектра.

При этом согласно изобретению инфракрасную спектрометрию исследуемой водной системы осуществляют в диапазоне волн от 2, 86 до 10,42 мкм.

При этом согласно изобретению инфракрасную спектрометрию проводят через каждые 0,1-0,2 секунды.

При этом согласно изобретению спектральный диапазон определен дискретными полосовыми фильтрами с шириной каждого из них в 50 - 200 см^-1.

При этом согласно изобретению инфракрасную спектрометрию исследуемой водной системы осуществляют посредством инфракрасного анализатора низкого разрешения.

При этом согласно изобретению в качестве инфракрасного анализатора используют аппаратно-программный комплекс "ИКАР".

Отличительной особенностью предложенного способа определения степени структурированности водной системы является то, что в качестве основания для количественной характеристики степени структурированности используют величину критерия Махаланобиса, измеренную в сверхтонком слое исследуемой водной системы.

Критерий Махаланобиса, чаще называемый метрика или расстояние Махаланобиса, характеризует в геометрическом смысле расстояние между многомерными объектами, которыми являются эталон и исследуемый образец, с учетом их парных корреляционных связей между одноименными столбцами матриц спектральных характеристик, причем расстояние отсчитывается от образца до эталона. В отличие от евклидовой и других метрик эта метрика с помощью ковариационной матрицы связана с корреляциями инфракрасных показателей. Когда корреляция между переменными равна нулю, расстояние Махаланобиса эквивалентно евклидовому расстоянию. Учет связей между инфракрасными показателями эталона и исследуемого образца придает расстоянию между ними смысл различия их "внутреннего строения", что совместно с геометрической оценкой расстояния характеризует дистанцию между исследуемым образцом и эталоном как портретами водосодержащих систем. Расстояние Махаланобиса - проверенный надежный критерий. Он теоретически хорошо обоснован и дает объективную оценку, что и позволило вывести опытным путем математическую зависимость:

Y=-0,00000012Х³+0,000316X²-0,311X+133,2,

где Y - степень структурированности водной системы в условных единицах;

Х - величина критерия Махаланобиса,

и получить принципиально новую объективную характеристику структурного состояния водной системы: количественно охарактеризовать степень ее структурированности.

Таким образом, создан новый способ определения степени структурированности исследуемой водной системы, причем заявляемый способ позволяет быстро и объективно количественно оценить ее степень структурированности.

Осуществление изобретения

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключаются в следующем.

Способ определения степени структурированности водной системы заключается в следующем.

Создают сверхтонкий слой исследуемой водной системы, например, помещая пробу исследуемой водной системы в кювету инфракрасного анализатора с расстоянием между стенками до 20 микрон.

Полученный сверхтонкий слой исследуемой водной системы подвергают, по крайней мере, двукратной широкополосной инфракрасной спектрометрии, например, в среднем диапазоне инфракрасного спектра, например, в диапазоне волн от 2,86 до 10,42 мкм, через каждые 0,1-0,2 секунды, для чего кювету с пробой исследуемой водной системы помещают в инфракрасный анализатор низкого разрешения, например, в аппаратно-программный комплекс "ИКАР" (сертификат об утверждении типа средств измерений №5745 от 20.11.98), программное обеспечение которого представляет собой пакет прикладных программ, реализующих математические методы обработки данных, и определяют величину критерия Махаланобиса сверхтонкого слоя исследуемой водной системы, причем спектральный диапазон может быть определен дискретными полосовыми фильтрами с шириной каждого из них в 50-200 см^-1.

При этом следует отметить, что определение величины критерия Махаланобиса можно проводить в вычислительной среде стандартной системы компьютерной математики, например, МАТЛАБ 6.

Затем, подставляя измеренное значение критерия Махаланобиса в уравнение:

Y=-0,00000012Х³+0,000316X²-0,311X+133,2,

где Y - степень структурированности водной системы в условных единицах;

X - величина критерия Махаланобиса,

определяют количественное значение степени структурированности исследуемой водной системы.

Пример 1.

В качестве исследуемой водной системы взята дистиллированная вода при 2°С.

Создавая сверхтонкий слой, пробу дистиллированной воды при 2°С помещают в охлажденную до 2°С кювету с толщиной слоя 10 микрон аппаратно-программного комплекса "ИКАР".

Полученный сверхтонкий слой исследуемой воды подвергают, например, девятикратной через каждые 0,1 секунды широкополосной инфракрасной спектрометрии в средней области инфракрасного спектра, для чего кювету с пробой исследуемой воды помещают в аппаратно-программный комплекс "ИКАР" и определяют величину критерия Махаланобиса сверхтонкого слоя исследуемой воды, причем инфракрасную спектрометрию исследуемой воды осуществляют в диапазоне волн 3,01, 3,41, 4,95, 5,71, 6,04, 7,09, 8,69, 9,52 и 9,8 мкм, а спектральный диапазон определен дискретными полосовыми фильтрами с шириной каждого из них в 100 см^-1.

Определение величины критерия Махаланобиса проводится в вычислительной среде стандартной системы компьютерной математики МАТЛАБ 6.

Получили величину критерия Махаланобиса, равную 160.

В соответствии с установленной зависимостью:

Y=-0,00000012Х³+0,000316X²-0,311X+133,2

определили, что величине критерия Махаланобиса, равной 160, соответствует степень структурированности, равная 91,04 условной единицы.

Таким образом, степень структурированности дистиллированной воды при 2°С составляет 91,04 условной единицы.

Это говорит о том, что при 2°С исследуемая дистиллированная вода обладает очень высокой степенью структурированности, что сопровождается ее высокой биологической активностью в стадии ее структурного перехода от состояния льда в состояние жидкости, что подтверждается и литературными источниками.

Пример 2.

Отличием примера 2 от примера 1 является то, что в качестве исследуемой водной системы взят 10^-3 М раствор хлористого натрия.

Для количественного определения степени структурированности, так же как и в примере 1, создают сверхтонкий слой, помещая пробу 10^-3 М раствора хлористого натрия в кювету с толщиной слоя 10 микрон.

Кювету ставят в аппаратно-программный комплекс "ИКАР", измеряют величину критерия Махаланобиса и его фиксируют.

Величина критерия Махаланобиса исследуемой водной системы Ю^-3М раствора хлористого натрия равна 300.

Используя установленную зависимость:

Y=-0,00000012Х³+0,000316X²-0,311Х+133,2,

определили, что степень структурированности 10^-3 М раствора хлористого натрия составляет 65,1 условной единицы.

Это говорит о том, что в условиях наличия в воде такого количества хлористого натрия структура водной системы достаточно высоко структурирована, что находится в соответствии с тем, что ионы натрия обеспечивают структурирование воды в межклеточной жидкости биологических систем.

Пример 3.

Отличием примера 3 от примера 1 и примера 2 является то, что в качестве исследуемой водной системы выбрана вода при температуре 60°С.

Для количественного определения степени структурированности воды при 60°С, так же как и в примере 1, создают сверхтонкий слой, помещая пробу исследуемой воды в нагретую до соответствующей температуры кювету с толщиной слоя 10 микрон.

Кювету с пробой ставят в аппаратно-программный комплекс "ИКАР", измеряют величину критерия Махаланобиса воды при 60°С и его фиксируют.

Величина критерия Махаланобиса исследуемой воды при 60°С равна 1026.

Используя установленную зависимость:

Y=-0,00000012Х³+0,000316X²-0,311Х+133,2,

определили, что степень структурированности воды при 60°С составляет 17,1 условной единицы.

Таким образом, степень структурированности нагретой до 60°С воды весьма незначительна, что находится в полном соответствии с данными литературных источников.

Таким образом, заявляемый способ определения степени структурированности водной системы дал возможность быстро и объективно определять степень структурированности любой водной системы, так как так называемой "чистой" воды в природе не существует: это всегда раствор в той или иной степени, а водным считается любой раствор, содержащий не менее 50% воды. Использование заявленного способа дает возможность быстро и объективно оценить, что происходит в целом с исследуемой водной системой при любом внешнем воздействии (нагревом, охлаждением, загрязнением и т.п.) на нее.

1. Способ определения степени структурированности водной системы, отличающийся тем, что предварительно создают сверхтонкий слой толщиной до 20 мкм исследуемой водной системы, полученный сверхтонкий слой подвергают, по крайней мере, двукратной, широкополосной инфракрасной спектрометрии с последующим определением ее величины критерия Махаланобиса и на основании последнего по математической зависимости

Y=-0,00000012Х³+0,000316Х²-0,311X+133,2,

где Y - степень структурированности водной системы в условных единицах;

Х - величина критерия Махаланобиса,

определяют степень структурированности исследуемой водной системы.

2. Способ определения степени структурированности водной системы по п.1, отличающийся тем, что инфракрасную спектрометрию осуществляют в среднем диапазоне инфракрасного спектра.

3. Способ определения степени структурированности водной системы по п.2, отличающийся тем, что инфракрасную спектрометрию осуществляют в диапазоне волн от 2,86 до 10,42 мкм.

4. Способ определения степени структурированности водной системы по п.1 и 3, отличающийся тем, что инфракрасную спектрометрию полученного сверхтонкого слоя исследуемой водной системы проводят через каждые 0,1-0,2 с.

5. Способ определения степени структурированности водной системы по п.1, отличающийся тем, что спектральный диапазон определен дискретными полосовыми фильтрами с шириной каждого из них 50-200 см^-1.

6. Способ определения степени структурированности водной системы по п.1, отличающийся тем, что инфракрасную спектрометрию осуществляют посредством инфракрасного анализатора низкого разрешения.

7. Способ определения степени структурированности водной системы по п.6, отличающийся тем, что в качестве инфракрасного анализатора используют аппаратно-программный комплекс "ИКАР".