CC BY
2Физика Водных Растворов
Устный доклад
КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ И ПЛОТНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУБМИКРОННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ САХАРОВ. ВОЗМОЖНЫЙ НОВЫЙ КРИОПРОТЕКТОРНЫЙ ФАКТОР
Как известно, в водных растворах низкомолекулярной органики спонтанно образуются стабильные неоднородности. Они были обнаружены и изучались с помощью методов светорассеяния [1-8] и некоторых других [9,10]. Установлено, что размеры этих неоднородностей составляют сотни нанометров, поэтому в наших работах они были названы субмикронными неоднородностями (СМН) [6-8]. Очевидно, что СМН - это области повышенной концентрации органических молекул, поэтому представляет интерес концентрационный контраст и его зависимость от концентрации органики в растворе. Концентрационный контраст можно рассчитать по оптическому контрасту СМН. Подход для его определения на основе теории Ми и методов светорассеяния был разработан в нашей недавней работе [6] и опробован на растворах некоторых сахаров. Также, калибруя интенсивность рассеяния света по стандартным суспензиям, рассчитывались концентрации СМН.
В настоящей работе проводилось изучение СМН в водных растворах сахаров (глюкозы, сахарозы, мальтозы, трегалозы) с концентрациями 0.5 - 1.5моль%. Из оптического контраста СМН было рассчитано превышение концентрации сахаров в СМН относительно среднего значения в растворе: 2 - 80%. Это соответствует приросту плотности СМН: 0.2 - 3%. Числовая концентрация СМН в указанных растворах составляет ~1012 - 1014 см-3, а их объёмная доля ~0.1 - 10%. Полученные данные показывают, что СМН, хоть и малозаметны (из-за малого контраста), но являются существенной частью водных растворов сахаров и, по всей видимости, другой органики тоже [8].
Концентрация и объёмная доля СМН в растворах глюкозы и сахарозы монотонно возрастают с ростом концентрации сахаров при уменьшающемся контрасте. При этом для растворов трегалозы и мальтозы эти зависимости немонотонны. Таким образом, характеристики СМН зависят как от концентрации, так и от типа сахара. Эти закономерности представляют не только физико-химический интерес, но и, возможно, определяют новый аспект процесса криоконсервации. Как известно, разные сахара, являясь непроникающими в клетку криопротек-торами, обладают разной эффективностью. Прилагается немало усилий в подборе смесей сахаров (часто вместе с другими криопротекторами) для достижения наиболее эффективного влияния на процессы образования и роста кристаллов льда [11,12]. Однако практически всегда этот подбор делается эмпирически, без осознания на фундаментальном физико-химическом уровне. Наличие СМН в этих растворах до сих пор не учитывалось, хотя они могут выступать в качестве зародышей или, наоборот, ингибиторов роста кристаллов льда. Данное направление, безусловно, представляет интерес для дальнейшего исследования.
Литература:
[1] M.F. Vuks, L.V. Shurupova. The scattering of light and phase transition in solutions of tertiary butyl alcohol in water. Opt. Commun. 1972 5:277-278.
[2] M. Sedlak. 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 110:13976-13984.
[3] N.F. Bunkin, G.A. Lyakhov, A.V. Shkirin, A.V. Kobelev, N.V. Penkov, S.V. Ugraitskaya, E. E. Fesenko, Jr. Study of the submicron heterogeneity of aqueous solutions of hydrogen-bond acceptor molecules by laser diagnostics methods, Phys. Wave Phenom. 2015 23(4):241-254.
[4] N.F. Bunkin, A.V. Shkirin, G.A. Lyakhov, A.V. Kobelev, N.V. Penkov, S.V. Ugraitskaya, E. E. Fesenko, Jr. Droplet-like heterogeneity of aqueous tetrahydrofuran solutions at the submicrometer scale. J. Chem. Phys. 2016 145(18):184501.
[5] N.F. Bunkin, G.A. Lyakhov, A.V. Shkirin, S.V. Krivokhizha, A.A. Afonin, A.V. Kobelev, N.V. Penkov, E. E. Fesenko, Jr. Laser diagnostics of the mesoscale heterogeneity of aqueous solutions of polar organic compounds. Phys. Wave Phenom 2018 26(1):21-35.
[6] N.V. Penkov, V.A. Zhmurin, A.V. Kobelev, E.E. Fesenko (Jr.), N.A. Penkova. Dispersed, optical and concentration characteristics of submicron heterogeneities in aqueous solutions of sugars. J. Mol. Liq. 2024 398:124281.
Пеньков Н.В.
ФИЦ Пущинский научный центр биологических исследований РАН, г. Пущино, ул. Институтская, д. 3 е-mail: [email protected]
2024
ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Устный доклад
[7] N.V. Penkov, V.A. Zhmurin, A.A. Manokhin, A.V. Kobelev and N.A. Penkova, Capillary effects of submicron heterogeneities in aqueous solutions of sugars. The additional mechanism of microfluidics, J. Mol. Liq. 2024 410:125638.
[8] N. V. Penkov, N. A. Penkova, V. A. Zhmurina, and A. G. Pogorelov. Natural Submicron Heterogeneities in Aqueous Solutions of ATP. Phys. Wave Phenom. 2024 32(3):178-186.
[9] A.V. Orlova, R.R. Andrade, C.O. da Silva, A.I. Zinin and L.O. Kononov, Polarimetry as a tool for the study of solutions of chiral solutes, Chem Phys Chem 2014 15:195-207.
[10] L. O. Kononov, Chemical reactivity and solution structure: On the way to a paradigm shift? RSCAdv. 2015 5(58):46718-46734.
[11] K. W. Yong, L. Laouar, J.A.W. Elliott, N.M. Jomha. Review of non-permeating cryoprotectants as supplements for vitrification of mammalian tissues. Cryobiol. 2020 96:1-11.
[12] K.A. Murray, M.I. Gibson. Chemical approaches to cryopreservation. Nat Rev Chem 2022 6:579-593.
