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感言结构水

已有 6572 次阅读 2009-7-17 16:45 |个人分类:感悟人生|系统分类:科普集锦

前日晚上,在同叶文才教授聊天中谈到有关水分子簇的事情。据叶教授讲,他最近评审了一个关于小分子团水制备装置的项目。

“项目申请人还提示了国内几家大学和科研单位使用小分子团水治疗疾病的临床报告…” 叶教授一面介绍一面将厚厚的一本资料递给我。

“小分子团水到了胃中可是变成胃酸-水啊!尽管如此,临床上可能还有placebo phenomenon”,我笑着回答。

……

记得2003年的诺贝尔化学奖颁给了Peter Agre和Roderick MacKinnon两位美国科学家,表彰他们对细胞膜上离子通道的研究贡献。特别是Agre博士因为发现水通道,更是引入注目。因为生命现象离不开水,与生命有关的一切生理、生化反应,都是在水中发生的。在现实生活中出汗、排尿等许多生理过程都涉及到与水的流动有关,因此通过水通道调节细胞内渗透压对于维持生命现象的确至关重要。

一种概念可以促成一种商机。近年来,随着人们对结构水的认识不断提高和关注,小分子团水的知识也得到相应普及,加上一些小分子团水可以治病的故事,有望形成一定的黄盖挨扳子,心甘情愿的消费人群和市场空间。

提到水分子簇(water cluster),是指水分子之间在氢键作用下形成的结构化分子集群(ANGEW CHEM INT EDIT,40: 1808–1827,2001)。近年来,人们不仅可以通过实验探讨气态、固态及液态水中的水分子簇结构与稳定性,也可能作以化学预测。

至今为止的的研究结果证明水分子并不是以均匀排列形式存在存在于自然界,而是以大小和状态不同的水分子簇形式分布在不同水中。水分子簇的存在形式,让人们很容易理解水在温度、密度及溶解物等影响时所呈现出的特有性质。实际上,人们对水溶液中的水分子簇存在形式的认识还是十分有限,应该说仍是一个尚未解决的化学问题 (SCIENCE, 309: 78-102,2005)。

过去人们仅能探讨稳定且平衡状态中水的信息,近年来随着分析技术水平的大幅提高,人们可以分析和研究水的动态特性,也可以研究液态水中的复杂结构。

此外,人们也注意到在一些与水结合的复杂结构中,水分子簇具有并支撑着物质的稳定化作用。尽管在水的气态和分子结合松散的冰晶体结构中人们也可以观察到水分子团簇的存在。一些研究结果发现,在一定范围内随着水分子簇环的增大,氧原子间的距离变小。这可能是因氢键结合的增多,使得水分子簇可获得更多的能量来源而改变电荷分布,当然随着水分子簇的增大会也会使氢键作用变强。

近年来,人们使用ab inito法来解析水分子簇 (J. PHYS. CHEM. A 105: 10525-10537,2001)。目前测定水分子簇的光谱性质时一般采用远红外振动转动隧道光谱法(far-infrared laser vibration-rotation-tunneling spectroscopy,FIR-VRT),(SCIENCE, 276: 1678 - 1681,1997)。实验证明液氦捕捉的六聚水分子簇是一个平面环状聚合体。红外-质谱二联仪下的八聚体到十聚体水分子簇是立方体。水作为水合物一部分结晶化时,可用X衍射法来测定。近年来的研究结果确认七聚体水分子簇为七扭环状 (ANGEW.CHEM. INT. ED. 46: 5925–5928,2007)。

人们利用量子簇平衡(quantum cluster equilibrium,QCE)方法探讨自然界水中的分子簇存在形式时发现, 八聚体水分子簇呈优势存在,五聚体和六聚体水分子簇也是一种广为存在的形式。并证明一般小体积溶质常存在于五元环或六元环的水分子簇晶格中。由于水分子簇具有动态特征,因此在液态水中水的结构网络变化迅速,不断在改变结构布局,难以得出象征性的特殊结构形态。2005年加拿大和德国学者Cowan博士等人在Nature杂志发表论文中提及,他们使用红外光谱法分析水中OH的伸缩振荡,以3,350 cm-1脉冲激光激发水的变化时发现,仅在50 飞秒(femto)内被缓和与消失。水分子间的氢键结合中产生的能源再分配也是非常迅速,因此水的特定结构也仅是瞬间产物而已(NATURE, 434: 199–202,2005)。另外,也有人报告过使用HOD/ D2O测量的一些研究结果发现在重水中的 O-H…O 氢结合的动态,也是在数十飞秒到皮秒(picosecond)间的过程(SCIENCE, 301, 1698-1702. 2003)。

生命的特征应该是具有独立的新陈代谢体系和自由的自我表现能力,而维持生命现象的存在无疑需要机体的内环境自稳状态(homeostasis),减缓外部冲击,保护机体机能。实际上体内富含的水分,是以一定结构和规则在细胞内外参与并承担了生物的这种内环境自稳状态。

但,结构水在温度、压力,溶质,磁场等因素影响下是不断发生瞬间变化,而商品化的外源性小分子团水是否能以稳定状态进入体内发挥生理活性,的确可能还需更多的认真研究加以论证。


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