Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 493, № 1, стр. 34-37

Существует значительное число технологий, которые используют постоянные магнитные поля. В биохимических и биомедицинских технологиях едва ли не обязательным компонентом служат водные растворы. Для расширения их возможностей перспективным представляется исследование влияния магнитных полей с доступными значениями индукции на свойства таких растворов. В связи с тем, что эффективно проявили себя оптические методы определения свойств водных растворов, отметим примеры экспериментов по изучению влияния магнитных полей на оптические параметры воды. Было обнаружено, что в диапазоне индукций около сотен миллитесла ИК-полосы воды испытывают лишь незначительные изменения интенсивности [1, 2]. Только при индукции 14 Тл обнаруживаются небольшие их спектральные сдвиги, которые авторы связывают с образованием водородных связей [2]. В полях с индукцией от 1 до 10 Тл был обнаружен рост показателя преломления воды [3]. Эффект магнитных полей наблюдался при временах экспозиции магнитного поля от 1 до 5 мин [4–6], а время фиксации эффекта после завершения магнитного воздействия составляло десятки минут [6]. Эти результаты дают представление о временных порядках действия магнитного поля. В настоящей работе исследовано влияние постоянного магнитного поля в диапазоне индукций от 1 до 7 Тл на концентрацию растворенного в воде молекулярного кислорода, пероксида водорода, водородный показатель pH, окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал) и удельное электрическое сопротивление водного раствора.

В экспериментах использована деионизованная Milli-Q вода с исходным удельным сопротивлением 18 МОм ⋅ см при 25°C. Точней было бы, по нашему мнению, и в этом случае называть исследуемый объект водным раствором: даже в максимально очищенной воде присутствуют естественные примеси в низких, но конечных концентрациях [7], например, молекулы растворенных атмосферных газов и активные формы кислорода. Ограничение снизу их естественных концентраций определяют, в частности, цепи реакций со слабой, вообще говоря, обратимостью, в которых участвуют в качестве основных молекулы воды и пероксида водорода, а также молекулы кислорода в возбужденном синглетном состоянии. Эти естественные примеси влияют на физико-химические свойства воды, в частности, на ее удельное электрическое сопротивление.

Воздействие магнитным полем происходило в установке [8], которая представляет собой криостат со сверхпроводящим соленоидом из NbTi с теплым полем, охлаждаемый с помощью ступенчатого криорефрижератора Гиффорда–Макмагона (Sumitomo, Япония). На оси соленоида располагается экспериментальная камера, в которой помещаются исследуемые образцы раствора при комнатной температуре. Магнит позволяет получать магнитное поле с индукцией до 8 Тл. Размер приосевой области однородного поля в соленоиде составляет по вертикали примерно 25 мм. В эту область помещался объект исследования, содержащий 25 мл водного раствора в 50-мл пластиковой пробирке.

Исследовано, прежде всего, влияние индукции магнитного поля на концентрацию молекулярного кислорода, растворенного в воде, которая находится в контакте с атмосферным газом пробирки (рис. 1а). Измерения показали, что магнитное поле в исследованном диапазоне индукций не влияет на концентрацию растворенного в жидкости молекулярного кислорода. Детали схемы этих измерений описаны в [9]. Этот результат достаточно очевиден, однако он может послужить одним из базовых для кинетического исследования, например, генерации пероксида водорода и активных форм кислорода под различного рода внешними воздействиями [10].

Рис. 1.

Влияние индукции магнитного поля на концентрацию молекулярного кислорода (а) и пероксида водорода (б) в воде. Приведены средние значения и стандартные ошибки среднего для 4 независимых экспериментов.

Концентрация пероксида водорода определялась методом усиленной хемолюминесценции, чувствительность метода составляет 0.1 нмоль/л [10]. В исходном водном растворе содержалось 4 нмоль/л пероксида водорода. С увеличением индукции магнитного поля наблюдается линейный рост концентрации пероксида водорода (рис. 1б). При увеличении индукции поля на 1 Тл концентрация пероксида водорода увеличивается на 1 нмоль/л. Ранее показано, что механическое воздействие, а именно турбулентное перемешивание водного раствора, вызывает рост концентрации пероксида водорода на величины такого же порядка [10].

Для измерения pH и окислительно-восстановительного потенциала использовали pH-метр-ионометр-БПК-термооксиметр “Эксперт-001” (Эконикс, Россия) c внутренним электродом сравнения. Получена зависимость pH от индукции магнитного поля (рис. 2). Рисунок 2 показывает, что при увеличении индукции обнаруживается тенденция к уменьшению рН. Учитывая связь показателя рН с концентрацией протонов (pН = –lg[H⁺]), можно сделать вывод о том, что изменения этой концентрации при увеличении индукции от 0 до 7 Тл могут доходить в водном растворе до 10%.

Рис. 2.

Влияние индукции магнитного поля на водородный показатель воды (рН). Приведены средние значения и стандартные ошибки среднего для 4 независимых экспериментов.

Зависимость показателя окислительно-восстановительного потенциала воды от индукции магнитного поля представлена на рис. 3. Этот показатель в исходном образце воды равен 307 мВ. С увеличением индукции показатель растет по линейному закону. Согласно данным рис. 3 изменения потенциала составляют 7 мВ/Тл.

Рис. 3.

Влияние индукции магнитного поля на показатель окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциал) воды. Приведены средние значения и стандартные ошибки среднего для 4 независимых экспериментов.

Измеренная зависимость удельного электрического сопротивления водного раствора от индукции магнитного поля представлена на рис. 4. Водный раствор, насыщенный атмосферными газами, в отсутствие поля имеет удельное сопротивления 0.95 МОм ⋅ см. При увеличении индукции до 2 Тл оно падает до 0.6 МОм ⋅ см. При индукциях больше 2 Тл удельное сопротивление остается на этом постоянном уровне.

Рис. 4.

Влияние индукции магнитного поля на удельное электрическое сопротивление воды. Приведены средние значения и стандартные ошибки среднего для 4 независимых экспериментов.

Изменение удельного сопротивления среды может происходить при изменении в ней числа носителей заряда, величины заряда этих носителей и средней скорости их движения. Этими параметрами управляют электрические поля, температура, а также кинетика диссоциации молекул воды и естественных примесей. Можно предположить, что в наших экспериментах основным фактором, влияющим на уменьшение удельного сопротивления водного раствора в области индукций магнитного поля меньше 2 Тл, является появление в растворе дополнительных протонов и анионов, связанных с растворением в воде атмосферного СО₂. По-видимому, при определенной индукции магнитного поля наступает равновесие в процессах растворения СО₂ и образования протона, бикарбоната, угольной кислоты. Этим можно объяснить неизменность величины удельного сопротивления при увеличении индукции магнитного поля больше 2 Тл.

Представленные здесь экспериментальные данные подготовлены к использованию для сравнительного анализа изменений физико-химических свойств водных растворов при внешних воздействиях другой природы – механических, акустических и электродинамических. Необходимо подчеркнуть, что при применении постоянного магнитного поля в технологиях, подразумевающих его взаимодействие с водными растворами, следует учитывать изменение свойств объекта исследования.