Способ определения структурного состояния воды

Способ определения структурного состояния воды

Реферат

Изобретение относится к области исследования веществ с помощью оптических средств, в частности к исследованию жидких сред, в том числе структурного состояния, в частности к определению гигантских гетерофазных кластеров воды (ГГКВ), и может быть использовано для определения истинности производимых продуктов: жидких лекарств в фармакологической промышленности, жидких водосодержащих продуктов (минеральных столовых вод, безалкогольных и алкогольных напитков) в пищевой промышленности, а также для анализа облегченной по дейтерию воды в энергетике (на атомных электростанциях).

В последнее время наметилась тенденция при оценке структуры воды определять наличие в ней кластеров воды различного размера и состава. Известно, что вода состоит из индивидуальных водных молекул, которые связываются с другими с помощью водородных связей. Методами статистического и механического анализов было найдено, что жидкая вода представляет собой смесь связанных водородными связями молекул (кластеров) и несвязанных молекул [Considini, D. M., Editor-in-Chief, Encyclopedia of Chemistry, Van Nostrand Reinhold Co., New York (1984)] (1). Под общепринятое в настоящее время понятие кластер воды попадают ассоциаты воды, содержащие от 2-3 молекул воды до тысяч и более молекул воды (1),

Известен способ определения структурного состояния воды путем оценки концентрации кластеров воды [Маляренко В.В. Термодинамическая оценка температуры переохлаждения воды на основе двухструктурной модели /Украинск. хим.ж. - 1989. - Т.55, №8 - С.810-614] (2). Согласно этому способу испытуемую воду помещают в кварцевую ячейку объемом 50-100 см³, снабженную термометром (с пределами измерения от +10 до -100°С), которую помещают в криостат и подвергают медленному охлаждению, измеряя температурную депрессию (ΔТ) кристаллизации воды при охлаждении воды ниже 0°С вследствие эффекта переохлаждения, обусловленного кластерами воды. По измеренной депрессии кристаллизации ΔТ воды рассчитывают концентрацию кластеров, используя уравнение

ΔT=2RT₀ ²ln N₁/(ΔН_р-ΔН_ПЛ+2RT ln N₁),

где ΔН_р, ΔН_ПЛ - изменение парциальной молярной энтальпии при образовании кластеров и при кристаллизации, соответственно, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, N₁ - мольная доля кластеров. Способ пригоден для особо чистой воды, в которой на основании температуры переохлаждения можно оценить концентрацию кластеров, содержащих от 10 до 90 молекул воды.

Существенным недостатком способа (2) является применимость его только к депрессиям кристаллизации особо чистой воды, ограниченность применимости приведенного уравнения только особо чистой водой, применимость только к переохлажденной воде и малая точность определения температуры переохлаждения воды, что дает мало информации о структурном состоянии воды.

Известен способ определения кластеров воды [Патент США, 1998 г., №5800576, Johnson, Keith H., Zhang Bin, Clark H.C. / Water clusters and uses therefore/. МКИ C01L 001/32] (3). Согласно данному способу образец жидкого топлива, содержащий воду, помещают в спектрометрическую кювету объемом 10 см³, на кювету направляют мощный луч лазера (5-10 Вт), после прохождения кюветы с образцом луч проходит систему линз и попадает в щель спектрометра для измерения спектров комбинационного рассеяния света, характерных для вибрационных колебаний молекул в области от 250^-l до 5^-1 см. Записывают оптический спектр комбинационного рассеяния, который далее подвергают математической обработке компьютерными программами (которые авторы в патенте не приводят). По результатам программных расчетов получают размеры кластеров воды в топливе. Таким методом определяют кластеры воды размером менее 20 ангстрем, включающих 5-300 молекул воды в жидком топливе.

Существенным недостатком способа (3) является применимость его только к определению кластеров воды, образованным в жидком топливе, использование метода комбинационного рассеяния, в котором в качестве источника облучения измеряемого образца в кювете применен свет мощного лазера, что оказывает возмущающее влияние на структурное состояние воды, а также возможность определять кластеры размером не более 20 ангстрем.

Известен способ определения структурного состояния воды путем определения кластеров воды [Патент США, 1999 г., №5965007, Uzawa, Masakazu, / Water and method for processing thereof /, С02F 001/46] (4). Способ предусматривает определение только малых кластеров воды, состоящих из 5-8 молекул воды. Определение наличия кластеров такого типа в воде авторы проводят, используя метод дальней инфракрасной (ИК) спектроскопии. Для этого образец воды помещают в кювету объемом 10 см³, которая размещена в ИК-спектрофотометре. В ИК-спектрофотометре через объем воды в кювете пропускают инфракрасный луч от лазера, излучающего в далекой (50-2000 мкм) области спектра. Записывают ИК-спектр исходной воды, а затем ИК-спектр воды, пропущенной через керамическую мембрану. Понижение интенсивности сигнала воды в ИК-спектре показывает наличие кластеров воды и используется далее для расчета количества кластеров компьютерными программами (которые в описании патента не приведены) на основании различия в интенсивности линий спектров.

Недостатком способа является использование метода (дальняя область ИК-спектроскопии), пригодного только для обнаружения малых кластеров воды, использование сложного, дорогостоящего ИК-спектрометра, ограниченные размеры определяемых кластеров (5-8) молекул воды, использование в качестве облучающего кювету источника мощного лазера ИК-лазера или ртутной лампы, что может оказать воздействие на образец воды. Таким образом, известный способ (4) является мало информативным в отношении структурного состояния воды.

Общим недостатком известных способов (2-4) является ограниченный диапазон размеров определяемых кластеров воды: самый большой размер определяемых кластеров воды составляет 2·10^-3 мкм. Малый размер измеряемых кластеров не позволяет использовать известные способы для эффективного определения структурного состояния воды в различных водных системах, содержащих кластеры в более широком диапазоне размеров, что значительно затрудняет выявлять с достаточной точностью фальсификаты лекарственных препаратов, пищевых продуктов и других объектов, в которых используется вода в виде растворителя.

Известен способ определения структурного состояния воды [Патент США, 2000 г., №6033678, Lorenzen; Lee Н. /Microclustered Water/ МКИ А61К 031/695] (5). Сущность способа состоит в следующем. Структурное состояние воды оценивают по измерению размеров кластеров воды, которые определяют методом ЯМР на изотопе кислорода ¹⁷О. Для этого испытуемую воду помещают в кварцевую кювету объемом 2 см³, размещенную в резонаторе спектрометра ЯМР. В спектрометре ЯМР образец воды находится в магнитном поле (300 тыс. эрстед) и одновременно в высокочастотном электромагнитном поле. Записывается спектр ЯМР воды, в котором микрокластеры воды дают сигнал ЯМР ¹⁷О шириной менее 115 Гц, преимущественно 25-70 Гц, и согласно способу предпочтительнее 60-70 Гц (эталонная кластерная вода). По амплитуде и ширине сигнала ЯМР с помощью компьютерной программы оценивают содержание микрокластеров в воде. Определены микрокластеры с содержанием от 3 до 15 молекул воды.

Для оценки эффективности известного способа (5) по определению структурного состояния воды путем измерения кластеров воды нами были проведены опыты по выявлению возможностей ЯМР для определения гигантских гетерофазных кластеров воды (ГГКВ). С этой целью измеряли амплитуду и ширину сигнала ЯМР ¹⁷O кластеров воды. В табл.1 приведены данные, из которых видно, что по мере увеличения количества молекул воды в кластере быстро уменьшается амплитуда сигнала ЯМР и соответственно возрастает погрешность измерения сигнала, и это затрудняет определение способом (5) кластеров больших размеров, в частности ГГКВ, содержащих 10¹³-10¹⁷ молекул воды.

Таблица 1
Количество молекул воды в кластере	Ширина линии ЯМР 17O, Гц	Амплитуда сигнала ЯМР 17O, Гц	Погрешность определения амплитуды, %
5	35	100±2	2,0
7	70	95±2	2,1
15	160	80±2	4,0
70	600	35±2	5,7
500	2000	5,5±2	36,4

Таким образом, основным недостатком известного способа (5) является недостаточно полное определение структурного состояния воды вследствие определения очень ограниченного диапазона размеров кластеров, не охватывающего размеры, характерные для определения гигантских гетерофазных кластеров воды (ГГКВ). Это значительно затрудняет выявлять с высокой точностью фальсификаты лекарственных препаратов, пищевых продуктов и других объектов, в которых используется вода в виде растворителя, а также не позволяет эффективно анализировать облегченную по дейтерию воду путем определения локализации молекул тяжелой воды в структуре воды и в ГГКВ.

Недостатком способа (5) является также то, что в процессе определения структурного состояния воды образец находится под воздействием сильного магнитного поля и высокочастотного электромагнитного поля, что может оказывать негативное действие на структурное состояние воды, в том числе на гигантские гетерофазные кластеры.

Структурное состояние воды, в частности наличие в ней ГГКВ, связано с индивидуальными свойствами водных растворов и других водосодержащих систем, что может быть использовано для целей определения их подлинности и выявления фальсификатов. Однако в патентной литературе отсутствуют данные по использованию ГГКВ для этих целей.

Известен способ определения подлинности и контроля качества растворов (выявления фальсификатов) хроматографическим методом [Жидкостная хроматография/ Акционерн. о-во Биохиммак. - М., 1994. - 49 с.] (6). Согласно этому способу испытываемый раствор в объеме 1 см³ смешивают с жидкостью-носителем и элюент и пропускают через колонку, заполненную сорбентом - неподвижной фазой. После прохождения колонки производят регистрацию разделяемых зон путем регистрации электронных спектров поглощения, для чего измеряют оптическую плотность вытекающего из колонки раствора и затем получают профиль элюции, т.е. зависимость оптической плотности раствора от объема подвижной фазы прошедшего через колонку раствора.

Аналогично проводят опыт с подлинным образцом, который служит в качестве эталона. Для идентификации компонентов растворов сложного состава используют электронные базы данных и атласы хроматограмм, полученных при тех же условиях эксперимента.

Существенными недостатками способа (6) являются стационарность оборудования, дороговизна применяемых приборов, большие затраты времени на анализ и высокая стоимость проведения анализа.

Известен способ определения подлинности и контроля качества растворов (выявления фальсификатов) методом оптической спектроскопии [Патент РФ №2147372 от 1999.03.31. Соболев Э.М., Оселедцева И.В. Способ определения возраста и натуральности коньяка] (7).

Сущность определения подлинности растворов по способ (7) состоит в следующем. Согласно способу (7) проводят отбор пробы с последующим качественным и количественным определением веществ при длине волны 280 нм. Из пробы выделяют нефлавоидные компоненты путем осаждения полимерных флавоноидов с последующими центрифугированием, фильтрованием, концентрированием фильтрата, в котором проводят идентификацию эвгенола, фурфурола и трех ароматических альдегидов: ванилина, сиреневого и кониферола по величине спектральных отношений, определенных для стандартных растворов. Определяют массовую концентрацию выделенных ароматических альдегидов, устанавливают корреляцию их между собой и по графику зависимости возраста коньяка от коэффициента корреляции устанавливают средний возраст используемых в купаже коньячных спиртов. Проводят идентификацию маскирующих примесей, таких как чай, кофе (по присутствию кофеина), колер, и по наличию всех идентифицированных компонентов судят о натуральности коньяка.

Для определения эффективности известного способа (7) нами были осуществлены опыты по определению фальсификата коньяка "Таврия". Для этого образец фальсификата коньяка, содержащий 0,01% фенола, обрабатывали согласно способу (5): центрифугировали, затем фильтровали, отделяли фильтрат, фильтрат концентрировали, помещали в кварцевую кювету объемом 5 см³. Затем кювету помещали в УФ-спектрометр и определяли линии поглощения при 280 нм. Аналогично обрабатывали образец истинного коньяка и затем сравнивали интенсивности линий поглощения, устанавливая различие между истинным коньяком и его фальсификатом (табл.2).

Таблица 2
№	Образец	Номер пробы	Относительная интенсивность сигнала поглощения при λ=280 нм	Погрешность определения, %
1	Истинный коньяк "Таврия"	1	10,0
2	2	10,2	2,0
3	3	9,8	2,0
4	Фальсификат	1	10,1	1,0
5	2	10,2	2,0

Из представленных в табл.2 данных по испытанию способа (7) следует, что присутствие в коньяке 0,01% фенола (образец - фальсификат) практически не влияет на сигнал, по которому производится определение качества образца коньяка: погрешность определения практически одинакова для истинного раствора и его фальсификата.

Таким образом, существенным недостатком способа (7) является недостаточно высокое качество определения фальсификата вследствие недостаточно высокой чувствительности способа к определению содержания посторонних примесных веществ в испытуемом растворе. Как мы полагаем, это связано с тем, что при определении фальсификата не учитывается структурное состояние воды, базируемое на определении гигантских гетерофазных кластеров воды.

Недостатком способа (7) является также ограничение возможности определения фальсификатов только водными системами, которые дают сигнал в УФ-области спектра, необходимость специализированной лаборатории, оснащенной дорогостоящим оборудованием и высококвалифицированными специалистами, а также большие затраты времени (до нескольких суток) для установления подлинности одного образца.

Анализ литературных и патентных источников информации показывает, что отсутствуют данные по использованию структурного состояния воды, в частности использованию ГТКВ для определения содержания дейтерия в водосодержащих объектах.

Известен способ определения содержания дейтерия в воде с помощью масс-спектрометрии [Шерешевский A.M. Macc-спектрометрические приборы. М., 1968 г.] (8). Сущность способа состоит в следующем. Исследуемую воду помещают в ячейку-реактор объемом 5 см³, из которой затем образец подают в ионизатор, где частично ионизируют и в условиях вакуумирования формируют ионный пучок, который в условиях вакуумирования направляют в масс-анализатор, в котором разделяют ионы воды по массам (по отношению массы иона к его заряду). Далее в условиях вакуумирования ионы переводят в приемник ионов, в котором ионный ток преобразуют в электрический сигнал, который усиливается, регистрируется одновременно с массой ионов (Н⁺, ОН^-, D⁺, OD^- и др.). После этого строят зависимость ионного тока от массы частиц, по которой определяют содержание дейтерия в воде.

Существенным недостатком способа (8) является необходимость проведения во время анализа большого количества последовательных операций по обработке образца и его производных, вследствие чего увеличивается погрешность определяемого конечного результата. Кроме того, недостатками способа являются его дороговизна, трудоемкость и использование стационарного и уникального оборудования, что требует для обслуживания метода персонала из очень высококвалифицированных специалистов.

Известен способ определения содержания дейтерия в воде с использованием электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [Электронный парамагнитный резонанс в анализе веществ. Соложенкин П.М. - Душанбе: Дониш, 1986. - 292 с.] (9). Способ реализуется следующим образом. Испытуемый образец воды объемом 2 см³ смешивают с 4 см³ 5%-ного водного раствора железоаммониевых квасцов (FeO₄(NH₄)₂SO₄·6H₂O), смесь помещают в кварцевую цилиндрическую кювету, которую размещают в кварцевый дьюар спектрометра ЭПР. Дьюар наполняют жидким азотом и на кювету с образцом воды направляют жесткое ультрафиолетовое (УФ) излучение от лампы ДКСШ-100. После 40-минутного облучения дьюар с содержащейся в нем кюветой помещают в резонатор спектрометра ЭПР и производят запись спектра при температуре 77 К. В спектре наблюдают дуплетный сигнал от протонов с расщеплением 505 Э и триплетный сигнал от дейтронов с расщеплением 80 Э. Затем аналогичным образом определяют спектр контрольного образца воды (с известным содержанием дейтерия) и из сравнения интенсивностей сигналов дейтерия в контрольном и испытуемом образцах оценивают содержание дейтерия в испытуемом образце воды.

Как следует из технического описания способа (9), его реализация приводит к ухудшению точности определения дейтерия при его малых концентрациях в растворе, соответствующих облегченной по дейтерию воде. Недостатком способа (9) также является необходимость приборного оформления способа сложным дорогостоящим стационарным оборудованием, требующим высококвалифицированного персонала для обслуживания.

Известен способ определения содержания дейтерия в воде, основанный на измерении спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [Сергеев Н.М. Изотопные сдвиги в спектрах ЯМР воды: новый метод изучения кластерной структуры и протонного обмена в воде и ее смесях с органическими растворителями. М.: МГУ, сб. Ломоносовские чтения. - 2001. - С.15] (10). Согласно этому способу готовят 6%-ный раствор испытуемой воды в нитрометане, раствор помещают в цилиндрическую кювету из спектрально чистого стекла объемом 2 см³, которую помещают в резонатор спектрометра ЯМР. Записывается спектр ЯМР, в котором наблюдают сигналы от нитрометана (отсчетный сигнал), синглетный сигнал от обычной воды (Н₂O) и дублетный сигнал от тяжелой воды (DHO). По интенсивности и форме сигнала ЯМР оценивают относительное содержание дейтерия в образце.

Нами были проведены испытания способа (10) на специально приготовленных смешением дейтериевой и протиевой воды образцах с различным содержанием дейтерия. На образцах поочередно согласно способу (10) записывали спектры ЯМР и затем сравнивали их для определения содержания дейтерия в воде. Результаты испытаний представлены в табл.3 (погрешность измерения определялась по формуле %%=(C₁-C₂)100%/C₁, где C₁ и C₂ - расчетная и измеренная концентрация, соответственно).

Таблица 3
№	Отношение атомов H:D в образце воды	Расчетная концентрация DHO, ммоль/дм3	Измеренная концентрацияDHO, ммоль/дм3	Погрешность измерения по способу (10), %
1	4500:1	12,32	11,90	3,4
2	5000:1	11,12	10,56	5,0
3	10000:1	5,56	5,11	8,1
4	20000:1	2,78	1,92	30,9
5	40000:1	1,39	0,69	50,3

Как следует из приведенных в табл.3 результатов испытания способа (10), при концентрациях дейтерия в воде ниже его концентрации в обычной воде, т.е. для облегченной по дейтерию воды, погрешность определения содержания дейтерия значительно увеличивается и составляет 30,9 и 50,3% при концентрации последнего 2,78 и 1,39 ммоль/дм³, соответственно.

Существенным недостатком способа (10) является низкая точность определения дейтерия в образцах облегченной по дейтерию воды, которая находится за пределами допустимых величин погрешности измерения при очень малых концентрациях дейтерия. По нашему мнению, малая точность определения дейтерия связана с тем, что не учитывается структурное состояние воды, характеризуемое, в частности, гигантскими гетерофазными кластерами воды.

Недостатком способа является также использование ограниченного числа растворителей, которые могут оказаться несовместимыми с испытуемым образцом, что может привести к значительным потерям точности при определении содержания дейтерия. К недостаткам способа (10) можно также отнести использование очень дорогого стационарного оборудования, требующего высококвалифицированных специалистов для обслуживания, что ограничивает доступность метода для проведения массовых, многократных анализов при определении содержания дейтерия в водосодержащих образцах.

Таким образом, известные способы определения истинности производимых продуктов и фальсификатов жидких лекарств в фармакологической промышленности, жидких водосодержащих продуктов (минеральных столовых вод, безалкогольных и алкогольных напитков) в пищевой промышленности, а также известные способы для анализа облегченной по дейтерию воды в энергетике (на атомных электростанциях) ограничены по своим возможностям достигать качественно точного результата вследствие того, что, как мы полагаем, при их реализации не использованы значительные возможности, которые обеспечивает анализ структурного состояния воды, в частности определение гигантских гетерофазных кластеров воды (ГГКВ).

Наиболее близким аналогом к способу определения структурного состояния воды является «Способ экспресс контроля качества спиртоводочных изделий для их идентификации» [Патент РФ №2142630, 6G01 N33/14, G01N 21/39] [11]. Сущность способа заключается в поочередном пропускании монохроматического лазерного луча видимого света через эталонную жидкую среду и исследуемую жидкую среду, поочередном измерении светорассеяния, для чего проводят двухканальную корреляционную спектроскопию путем направления на исследуемый образец лазерного светового потока с последующей регистрацией сигналов рассеяния этого потока по двум направлениям, симметрично расположенным относительно оси источника света, перемножением этих сигналов и определением первичной спектральной характеристической функции в полосе частот 1-120 Гц методом вычисления автокорреляционной функции и ее Фурье-преобразования, выделением спектрального ядра и определением его интенсивности, полуширины и частотного положения максимума, и сравнением их с соответствующими значениями эталонных образцов спиртоводочных жидкостей, а качество спиртоводочных жидкостей устанавливают по результату сравнения.

Способ осуществляют следующим образом.

Стандартный нефелометр с лазерным источником света добавляют вторым каналом регистрации светорассеяния. Оба приемника расположены симметрично относительно оси лазерного источника света. В кювету нефелометра помещают исследуемый образец. Затем проводят определение первичной спектральной характеристической функции в полосе частот 1-120 Гц методом вычисления автокорреляционной функции и ее Фурье-преобразования. Для определения качества тестируемых спиртоводочных жидкостей, например водки, в характеристической функции выделяют специфические характеристические параметры: частотное положение максимума, интенсивность и полуширину выделяемого спектрального ядра, которые затем сравнивают с соответствующими значениями эталонных образцов. При практическом совпадении последних графики практически налагаются друг на друга, что свидетельствует об идентификации тестируемой водки стандарту по содержанию вредных примесей.

Как следует из технической сущности известного способа [11], принцип последнего построен на применении операций спектральной двухканальной нефелометрии, включающей использование преобразование Фурье, что позволяет получить графики характеристических спектральных функций образцов спиртоводочной продукции, по которым фактически определяют количество жидкого вещества (примесей - альдегидов, сивушного масла, сложных эфиров, метанола), взвешенного в жидкости.

Однако возможности способа [11] ограничены определением химически растворенных в воде компонентов, т.е. способ позволяет контролировать только качество спиртоводочной продукции.

Как показали наши исследования, известным способом [11] не представляется возможным определять структурообразующие фрагменты воды - кластеры размером 2-150 мкм.

Задачей изобретения является разработка способа определения структурного состояния воды, который обеспечил бы определение кластеров воды с высокой точностью и достоверностью, что, в свою очередь, позволило бы качественно однозначно определять фальсификаты жидких продуктов на основе воды и водных растворов неорганических веществ и дисперсий в водной системе, а также определять с высокой точностью содержание дейтерия в облегченной воде.

Эта задачи достигаются с помощью способа, признаки которого приводятся в независимом пункте приложенной формулы изобретения.

Преобладающие варианты осуществления изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Для решения поставленной задачи предложен способ определения структурного состояния воды, включающий поочередное пропускание монохроматического лазерного луча видимого света через эталонную жидкую среду и исследуемую жидкую среду, поочередное измерение светорассеяния, в котором, согласно изобретению формируют на экране картины светорассеяния, преобразует их в цифровой сигнал, переводят в черно-белое изображение и производят их сравнение в режиме матричного вычитания для получения на изображении только фрагментов, характеризующих структурное состояние воды, и по полученному разностному изображению получают зависимость процентного содержания кластеров от их размеров или определяют их концентрацию; причем в качестве жидкой среды используют гомогенный водный раствор или гетерогенный раствор содержащий дисперсные частицы, в котором отделяют частицы с размером более 0,2 мкм и выдерживают не менее 24 ч.

Поставленная задача решается и зависимостью процентного содержания кластеров от их размеров и по скорости распада/сборки гигантских гетерофазных кластеров воды определяют фальсификат водных растворов, а также зависимостью процентного содержания кластеров от их размеров и по скорости распада/сборки гигантских гетерофазных кластеров воды определяют концентрацию дейтерия.

Способ определения структурного состояния воды основан на лазерной интерферометрии с применением преобразования Бесселя. Последовательность действий, составляющих способ, позволяет получить дифракционно-интерференционную картину в виде характерных фраунгоферовских дифракционных структур, по структурному виду которой определяется численное и массовое распределение кластеров по размерам.

Экспериментальными исследованиями структурного состояния воды с помощью спектроскопии при использовании лазерного луча видимой области излучения (т.е. с длиной волны 380÷760 нм) нами установлено существование в воде и водных системах крупных ассоциатов из молекул воды размером от 2-5 до 100-150 мкм, которые определены нами как гигантские гетерофазные кластеры воды (ГГКВ) и причиной образования которых, по мнению заявителя, являются особенности процессов распада и образования кооперативных водородных связей воды под влиянием присутствующих примесных и микропримесных компонентов в воде и водных системах, Нами впервые показано, что использование спектроскопии с применением лазерного луча с длиной волны в области от 380 до 760 нм и последующей математической обработки картины светорассеяния дает новую информацию о структурном состоянии водной системы, в частности позволяет с высокой точностью определять гигантские гетерофазные кластеры воды, что может служить основой для разработки новых эффективных методов контроля состава водных и водосодержащих систем, в том числе выявления фальсификатов лекарственных препаратов, фальсификатов пищевых продуктов, фальсификатов других объектов, а также для определения концентрации дейтерия в облегченных по дейтерию водах.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого способа определения структурного состояния воды является необходимой и достаточной для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - определение кластеров воды с высокой точностью и достоверностью, Это позволило разработать практически полезные способы на основе определения гигантских гетерофазных кластеров воды, а именно качественно однозначно определять фальсификаты жидких продуктов на основе воды и водных растворов неорганических веществ и дисперсий в водной системе, в том числе выявлять с достаточной точностью фальсификаты лекарственных препаратов, фальсификаты пищевых продуктов и фальсификаты других объектов, в которых используется вода в виде растворителя, а также определять содержание дейтерия в обедненных по дейтерию водах.

Способ определения структурного состояния воды реализуется следующим образом. Определение структурного состояния воды, основанное на определении гигантских гетерофазных кластеров воды (ГГКВ), осуществляется на установке, принципиальная схема которой представлена на чертеже.

Установка содержит: 1 - полупроводниковый лазер (длиной волны излучения в диапазоне 380÷760 нм, мощностью 3,5 мВт), имеющий диаметр пучка лазерного излучения на расстоянии 40 мм, например, ˜0,8 мм, питаемый от стабилизированного источника напряжением 4,5 В; 2 - система линз (стандартный набор линз объектива с усилением 9÷90* производства фирмы "ЛОМО"; 3 - измерительная кювета (толщиной 1÷3 см); 4 - белый матовый экран 30×60 см; 5 - регистрирующее устройство (видеокамера типа "Video Cam Express"), подключенное к компьютеру. Оптическая система установки перед проведением измерений калибруется следующим образом. В измерительную кювету (3) помещается стандартный объект-микрометр (типа ОМ-10), изображение шкалы которого проецируется на экран (4) и затем видеокамерой передается на компьютер, что позволяет определять размеры деталей изображения, пользуясь шкалой объект-микрометра.

Определение гигантских гетерофазных кластеров воды с помощью установки, представленной на чертеже производится следующим образом. В измерительную кювету (3) поочередно помещают эталонный образец и образец исследуемой жидкой среды (которая может быть гомогенной или гетерогенной). Включают лазер (1), луч от которого проходит через систему линз (2), измерительную кювету с образцом (3) и попадает на экран (4), формируя на нем изображение картины светорассеяния, обусловленное явлениями оптического преломления света лазерного луча в образце, находящемся в кювете (в эталонном образце или образце исследуемой жидкой среды).

Картина светорассеяния считывается с экрана находящейся перед экраном под углом 200-25° по отношению к оптической оси видеокамерой (5) и преобразуется в ней в цифровой сигнал. Оцифрованный сигнал с видеокамеры поступает на компьютер, на котором установлена необходимая для работы видеокамеры оболочка Windows-XP.

Изображение (картина светорассеяния) образца, находящегося в измерительной кювете, запоминается компьютерной программой "Camera Plus" в виде файла с расширением .bmp. Далее для получения информации о гигантских гетерофазных кластерах воды производится компьютерная обработка записанных двух файлов изображения (файлы типа .bmp эталонного образца и образца исследуемой жидкой среды) следующим образом. Оба файла открываются в компьютерной программе Adobe Photoshop-7, переводятся в черно-белое изображение и производится их сравнение в режиме матричного вычитания, в результате которого на изображении остаются только фрагменты, характеризующие структурное состояние воды, в частности гигантские гетерофазные кластера воды. По компьютерному анализу изображения (картины светорассеяния) с помощью программы "Origin-50" полученного разностного изображения строится график размерных спектров (зависимость процентного содержания ГГКВ от их размеров) или определяется концентрация ГГКВ.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1.

На установке, изображенной на чертеже, определяли структурное состояние дистиллированной воды путем определения размеров и концентрации гигантских гетерофазных кластеров воды.

В измерительную кювету с толщиной слоя жидкости 1 см поочередно помещали эталонный образец (гептан) и образец исследуемой жидкой среды (дистиллированная вода при температуре 20°С), включали лазер (1), луч от которого проходил через систему линз (2), имеющую усиление 20*, измерительную кювету с образцом (3) и попадал на экран (4). Изображение картины светорассеяния считывалось (ИЗМЕРЯЕТСЯ) с экрана видеокамерой (5). Для оптимального приема изображения гигантских гетерофазных кластеров воды в видеокамере установлены следующие настройки видеопроцессора: яркость = 5, контрастность = 5, цветность = 2, оттенок = 3, насыщенность = 1, четкость = 4, гамма = 1, баланс белого = 1. Оцифрованное изображение с видеокамеры передавалось на компьютер и обрабатывалось, как описано выше. В результате определения для образца дистиллированной воды были получены размеры ГГКВ и их содержание, что представлено в табл.4.

Таблица 4
Размер ГГКВ, мкм	Концентрация ГГКВ, объем. %	Погрешность определения размера ГГКВ, %
5	0,5	2,5
10	1,7	2,0
20	3,2	2,0
40	2,2	1,7
60	1,0	1,5
80	6,0	1,5
100	3,5	1,5

Пример 2.

На установке, изображенной на чертеже, определяли размеры и концентрацию гигантских гетерофазных кластеров в гомогенном водном растворе, в качестве которого использовали медицинский физиологический раствор (раствор хлористого натрия концентрацией 0,85%).

В измерительную кювету с толщиной слоя жидкости 2 см поочередно помещали эталонный образец (воздух, т.е. использовали пустую кювету) и образец исследуемой жидкой среды (раствор хлористого натрия концентрацией 0,85%). Включали лазер (1), луч от которого проходил через систему линз (2), имеющую усиление 40*, измерительную кювету с образцом (3) и попадал на экран (4). Изображение картины светорассеяния считывалось с экрана видеокамерой (5). Для оптимального приема изображения гигантских гетерофазных кластеров воды в видеокамере установлены настройки видеопроцессора, аналогичные примеру 1. Оцифрованное изображение с видеокамеры передавалось на компьютер и обрабатывалось, как описано выше. В результате определения для образца раствора хлористого натрия концентрацией 0,85% были получены размеры ГГКВ и их содержание, что представлено в табл.5.

Таблица 5
Размер ГГКВ, мкм	Концентрация ГГКВ, объем. %	Погрешность определения размера ГГКВ, %
10	3,9	1,7
20	2,8	1,5
40	5,7	1,5
60	5,1	1,3
80	4,5	1,3
100	4,2	1,3

Пример 3.

На установке, изображенной на чертеже, определяли размеры и концентрацию гигантских гетерофазных кластеров в гетерогенном растворе, в качестве которого использовали 0,05%-ную суспензию каолинита. Исходную суспензию каолинита перед измерениями предварительно отфильтровывали через ядерные фильтры (типа ИЯФ, Дубна) с диаметром пор 0,2 мкм для удаления частиц крупнее 0,2 мкм, затем суспензию выдерживали без перемешивания в течение 24 часов.

В измерительную кювету с толщиной слоя жидкости 3 см поочередно помещали эталонный образец (воду при температуре 7°С) и образец исследуемой жидкой среды (0,05%-ную суспензию каолинита). Включали лазер (1), луч от которого проходил через систему линз (2), имеющую усиление 20*, измерительную кювету с образцом (3) и попадал на экран (4). Изображение картины светорассеяния считывалось с экрана видеокамерой (5). В видеокамере были установлены настройки видеопроцессора, аналогичные примеру 1. Оцифрованное изображение с видеокамеры передавалось на компьютер и обрабатывалось, как описано выше. В результате определения для образца 0,05%-ной суспензии каолинита при 20°С были получены размеры ГГКВ и их содержание, что представлено в табл.6.

Таблица 6
Размер ГГКВ, мкм	Концентрация ГГКВ, объем. %	Погрешность определения размера ГГКВ, %