CC BY
2ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
ИЗМЕНЕНИЯ МИKFQГЕТЕFQГЕHHQСТИ ВОДHЫX FAСТБQFQБ СAXAFQБ ОТИ ПFQXQЖДЕHИИ ЧЕFЕЗ KAПИЛЛЯFЫ. БQЗМQЖHЫЙ МЕXAHИЗМ
МИKFQФЛЮИДИKИ
Жмурин Б.А., Kобелев А.Б., Манохин A.A., Пеньков Н.Б.
ФИЦ Пущинский научный центр биологических исследований РАН, г. Пущино, ул. Институтская, д. 3.
Впервые явление формирования микрогетерогенностей (МГ) в растворах, считающихся истинными, было обнаружено в i972 г. [i]. Современное представление о МГ было сформулировано в серии работ M. Sedlak [2]. Данное явление заключается в наличии субмикронных областей раствора с повышенной концентрацией одного из компонент. Они сохраняют долговременную стабильность по невыясненным до конца причинам и ведут себя как броуновские частицы. Это явление, безусловно, имеет фундаментальный интерес. В частности, в биологических процессах наличие МГ до сих пор вообще не учитывалось. Возможны также прикладные следствия наличия МГ. Так, в последнее время растёт интерес к микрофлюидным установкам. Отмечено, что множество химических реакций по ряду параметров протекают иначе в микрофлюидных условиях, нежели в объёмных резервуарах. Типичное объяснение, связывающееся с точным контролем температуры и равномерным смешением компонент, не выдерживает критики. Среди возможных причин, наиболее вероятной видится изменение характеристик МГ. Эта версия высказывалась ранее [3], однако до сих пор неясно, как именно влияют капиллярные условия на МГ.
Нами были проведены эксперименты с тремя водными растворами сахаров: глюкозы, фруктозы, сахарозы в концентрации 0.5 моль%. В этих растворах методом динамического светорассеяния надёжно регистрируются МГ с размерами около i00 нм, наряду с мономолекулярной фракцией около i нм. Растворы прокачивались через капилляры из боросиликатного стекла длиной 20 см с диаметрами i3.5 и 5 мкм. Это характерные диаметры многих микрофлюидных установок, а также кровеносных капилляров. После прохождения через капилляры происходит снижение интенсивности рассеяния от фракции МГ при слабо меняющемся их размере во всех растворах сахаров. Это связано либо со снижением концентрации МГ, либо с уменьшением их контраста относительно окружающего раствора, но второй вариант представляется маловероятным. Это не может быть объяснено фильтрацией, поскольку диаметр капилляров на 2 порядка больше размера МГ. То есть происходит разрушение МГ в результате прохождения через капилляр. В поисках объяснения было обращено внимание на то, что состояние воды в растворах сахаров с МГ отличается от тех же растворов без МГ (при их разрушении) из-за гидратационных эффектов [4]. В капилляре соотношение площади стенки к объёму раствора намного больше, чем в объёмном резервуаре. Интенсивное взаимодействие МГ с гидрофильной поверхностью капилляра может влиять на их стабильность за счёт оттягивания молекул воды из структуры МГ. Также снижение концентрации МГ может происходить из-за взаимодействия МГ друг с другом, поскольку при движении через капилляр они могут концентрироваться в его центральной части при заторможенных пристеночных слоях. Оба фактора также могут влиять на размеры МГ, которые в растворах сахарозы уменьшаются, а в растворах глюкозы и фруктозы увеличиваются. Растворы фруктозы проявляют наименьшее рассеяние и наибольший разброс данных. Особенности МГ в растворах фруктозы отмечались и ранее [4]. Полученные данные предстоит осмыслить в свете возможного влияния капиллярных условий на сахара в биологических процессах, химических реакциях и других фундаментальных и прикладных областях.
[i] M.F. Vuks, L.V Shurupova. The scattering of light and phase transition in solutions of tertiary butyl alcohol in water. Opt. Commun. i972, 5, 277-278. [2] Sedlák, M. Large-Scale Supramolecular Structure in Solutions of Low Molar Mass Compounds and Mixtures of Liquids. III. Correlation with Molecular Properties and Interactions. J. Phys. Chem. B 2006, ii0, i3976-i3984. [3] L.O. Kononov, Chemical reactivity and solution structure: on the way to a paradigm shift? RSC Adv., 20i5, 5, 467i8. [4] Penkov, N.V Application of Terahertz Time-Domain Spectroscopy to Study the Microheterogeneities of Solutions: A Case Study of Aqueous Sugar Solutions. Photonics 2023, i0, 887.
