Метод определения концентрации водорода в воде, Казань

Как известно, молекулярный водород полезен для медицины в качестве терапевтического и диагностического вещества. Тем не менее, его использование связано с определенными рисками. В воздухе газообразный водород потенциально взрывоопасен, тогда как в водном растворе он безопасен и удобен в использовании. 

Недавние биомедицинские исследования показали, что Н является физиологическим регуляторным фактором, который оказывает антиоксидантное, противовоспалительное и антиапоптотическое защитное действие на клетки и органы. В результате было разработано несколько водных растворов водорода для использования в медицинских целях, а также в лечебных напитках.

В статье проанализирован и проиллюстрирован простой метод оксидиметрии, который включает окислительно-восстановительную реакцию метиленового синего (MB) в присутствии коллоидного платинового катализатора (Pt). 

Хорошо известно, что MB реагирует с эквимолярным количеством водорода в присутствии Pt или палладия с образованием бесцветного восстановленного MB (лейкометиленовый синий) следующим образом:

На основе этого уравнения был использован метод объемного анализа, называемый оксидиметрией, для определения концентрации водорода в воде путем титрования с использованием реагента MB-Pt. Ниже представлена схема реакции.

Рисунок 1. Иллюстрация реакции между H2 и MBPt. 1 моль молекул водорода реагирует с 1 молем молекул метиленового синего (MB), образуя 1 моль восстановленных молекул MB.

Приготовление реагента MB-Pt

MB (0,3 г) растворяли в 98% этаноле (98,9 г), чтобы получить раствор MB (99,2 г) в этаноле. К раствору добавляли водную суспензию 2% коллоидного Pt (0,8 г) и смесь перемешивали до получения 100 г реагента MB-Pt. Реагент был разлит по небольшим пластиковым бутылочкам, из каждой набиралось по одной капле реагента (17 мг или 0,02 мл).

Подготовка проб воды, обогащенной водородом

Насыщенную водородом воду (0,8 мм) получали путем пропускания газообразного водорода через очищенную воду. Три концентрации насыщенной водородом воды (0,3, 0,2 и 0,1 мм) получали путем разбавления насыщенной воды очищенной водой.

Определение концентрации водорода

Электрохимическое определение концентрации водорода проводили с помощью электрохимического газового датчика (модель DHD1-1, DKK-TOA Corporation, Токио, Япония).

Оксидиметрическое определение концентрации водорода осуществлялось методом окислительно-восстановительного титрования. Реагент MB-Pt добавляли по каплям в 20 мл воды, обогащенной водородом, до тех пор, пока раствор не изменял цвет с синего на бесцветный.

Рисунок 2. H2 превращает MB (синий) в leucoMB (бесцветный). В начале титрования (реагент MB-Pt опускают в воду, богатую водородом) раствор содержит больше водорода, чем MB. Следовательно, MB восстанавливается до leuco MB, и раствор становится бесцветным. В конечной точке титрования раствор содержит больше MB, чем водорода, поэтому он становится синим. 

Полученные результаты исследования

В исследовании отражено, что одна капля реагента MB-Pt содержит 17 мг реагента. При добавлении реагента в пробу воды, богатую водородом, молярная концентрация водорода в пробе определяется следующим образом:

1 Моль H2 на пробу =0,017×0.3/100/319.85×количество капель, израсходованных на титрование

Из этого соотношения можно сделать вывод, что одна капля (17 мг) реагента содержит 0,16 мкмоль МБ. Если реагент MB-Pt добавить по каплям в 20 мл насыщенной водородом воды (0,8 ммоль/л), то для достижения конечной точки титрования (когда раствор из синего становится бесцветным) потребуется приблизительно 100 капель реагента, как в примере:

0,8 ммоль/1000 мл/20 мл=16 мкмоль/16 мкмоль/0,16 мкмоль/капля =100 капель

Однако, когда был добавлен реагент MB-Pt в 20 мл водородной воды (0,8 ммоль/л), для достижения конечной точки титрования потребовалось всего 55 капель реагента. Почему так произошло?

Разница между расчетными и фактическими значениями объясняется испарением водорода за время измерения и разницей в количестве MB и водорода в воде. 

Таким образом, подсчеты демонстрируют, что содержание одной капли реагента MB-Pt в 20 мл водородной воды фактически уменьшается на 0,29 мкмоль водорода следующим образом:

16нмоль/55 капель =0,29нмоль/капля

Другими словами, если в 20 мл водородной воды растворить одну каплю реагента MB-Pt, концентрация растворенного водорода (DH) составит 14,5 мкмоль/л или 0,03 мг/л, следующим образом:

0,29моль/капля ×1000 мл/20 мл=14,5моль/Л или 0,03 мг/л

Аналогичным образом, если в 20 мл водородной воды растворить три капли реагента MB-Pt, концентрация DH составит 43,6 мкмоль/л или 0,09 мг/л.

В таблице 1 приведены концентрации DH, определенные как известным электрохимическим методом, так и оксидиметрическим методом. Эти два метода дают приблизительно эквивалентные результаты.

Таблица 1. Концентрации растворенного водорода в водородной воде, определяемые электрохимическим и оксидиметрическим методами

Хотя DO был дегазирован в процессе барботирования водорода для получения насыщенной водородом воды (0,8 ммоль/л), DO в очищенной воде, используемой для разбавления, смешивался с насыщенной водородом водой, что вызывало увеличение содержания в водородной воде с увеличением разбавления. 

Это, по-видимому, привело к отклонению значений DHA, полученных с помощью метода оксидиметрии, от значений, полученных электрохимическим методом при более низкой концентрации DHA.

Чтобы изучить влияние DO на воду, богатую водородом, измеряли содержание водорода в воде с регулируемой концентрацией DO, приготовленной путем разбавления очищенной водой с регулируемой концентрацией DO, где DO дегазировали путем пропускания инертного газа N2 через очищенную воду (Подробнее в Таблице 2).

Таблица 2. Концентрации растворенного водорода в водородной воде, определенные электрохимическим и оксидиметрическим методами

Анализ статистических данных

В тексте были проанализированы шестнадцать значений, полученных с помощью электрохимического и оксидиметрического методов. Была показана линейная зависимость между цифрами, полученными с помощью метода оксидиметрии, и данными, полученными с помощью электрохимического метода. 

Взаимосвязь находилась с использованием регрессионной модели (модель линейной регрессии), в которой значения, полученные с помощью метода оксидиметрии, рассматривались как переменные отклика, а значения, полученные с помощью электрохимического метода, рассматривались как объясняющие переменные. 

Объем информации, который может быть объяснен прямой линией, был обозначен коэффициентом детерминации (R2).

Кроме того, в регрессионную модель был добавлен компонент второго порядка, чтобы определить, отклоняется ли она от линейности. Также было определено влияние DO и температуры воды на метод оксидиметрии.

Результаты анализа

1. Уравнение линейной зависимости. Ниже приведено уравнение линейной регрессии для электрохимического и оксидиметрического методов для воды с регулируемым содержанием водорода. 

Здесь коэффициент корреляции r составил 0,9998, коэффициент детерминации R2 - 0,9995, что свидетельствует о том, что линия отображала 99,95% информации, а отклонение от нее или стандартное отклонение (error standard deviation) составляло 0,0129 (таблица 3 и рисунок 3).

Таблица 3. Уравнение линейной регрессии для электрохимического и оксидиметрического методов для воды с регулируемым содержанием водорода

Рисунок 3. Оксидиметрия и электрохимический метод для получения воды с регулируемым содержанием водорода. 

Далее приведем уравнение линейной регрессии для воды с нерегулируемым содержанием водорода. Здесь коэффициент корреляции r составил 0,9997, коэффициент детерминации R2 - 0,9993, что свидетельствует о том, что линейная линия отображала 99,93% информации, а отклонение от нее или стандартное отклонение составляло 0,0158 (таблица 4 и рисунок 4).

Таблица 4. Уравнение линейной регрессии для электрохимического и оксидиметрического методов для водородной воды

Рисунок 4. Оксидиметрия и электрохимический метод для получения воды с нерегулируемым содержанием водорода. Значение, полученное оксидиметрическим методом = -0,0837 + 1,0829 × значение, полученное электрохимическим методом.

Обсуждение

Как показано ниже в тексте, авторами статьи получена линейная зависимость между электрохимическим и оксидиметрическим методами для воды с регулируемой концентрацией водорода DO. 

В данном случае пересечение почти равно 0 (-0,0229), а градиент линии равен 1,0459 или приблизительно 1. Эти результаты свидетельствуют о том, что метод оксидиметрии правильно отражает численные значения, полученные с использованием электрохимического метода, т.е. точность является достаточной.

значение, полученное методом оксидиметрии = 0.0229+1.0459 * значение, полученное электрохимическим методом

Коэффициент корреляции — r равен 0,9998, коэффициент детерминации R2 равен 0,9995, что позволяет предположить, что линейная линия отображает 99,95% информации, а отклонение от линейной линии или стандартное отклонение составляет 0,0129, что почти равно минимальной единице отображения, равной 0,01. Результаты показывают, что метод оксидиметрии обладает достаточной точностью и может быть использован в качестве замены электрохимического метода.

Ниже приведено уравнение линейной регрессии для воды с нерегулируемым содержанием водорода.

значение, полученное методом оксидиметрии = 0.0837+1.0829 * значение, полученное электрохимическим методом

Множественный регрессионный анализ показывает, что при увеличении DO на 1,0 значение, основанное на методе оксидиметрии, падает на 0,0117, а градиент между методом оксидиметрии и электрохимическим методом падает на 0,0358.

Измеренная концентрация водорода в растворе в это время составляла приблизительно от 0,2 до 1,6 мг/л. Оксидиметрического метода было практически достаточно для измерения концентрации водорода с точностью до одного десятичного знака в пределах этого диапазона. Предполагается, что оксидиметрический метод может быть полезен в качестве замены электрохимического метода.

Список сокращений:

DH — растворенный водород

DO — растворенный кислород

H2 — молекулярный водород

MD — метиленовый синий

MB-Pt — метиленовый синий - коллоид платины

Pt — платина.

Список литературы:

1. Ohsawa I, Ishikawa M, Takahashi K, Watanabe M, Nishimaki K, Yamagata K, Katsura K, Katayama Y, Asoh S, Ohta S: Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals. Nat Med. 2007, 13 (6): 688-94. 10.1038/nm1577.

2. Nakashima-Kamimura N, Mori T, Ohsawa I, Asoh S, Ohta S: Molecular hydrogen alleviates nephrotoxicity induced by an anti-cancer drug cisplatin without compromising anti-tumor activity in mice. Cancer Chemother Pharmacol. 2009, 64 (4): 753-61. 10.1007/s00280-008-0924-2.

3. Buchholz BM, Kaczorowski DJ, Sugimoto R, Yang R, Wang Y, Billiar TR, McCurry KR, Bauer AJ, Nakao A: Hydrogen inhalation ameliorates oxidative stress in transplantation induced intestinal graft injury. Am J Transplant. 2008, 8 (10): 2015-24. 10.1111/j.1600-6143.2008.02359.x.

4. Fu Y, Ito M, Fujita Y, Ito M, Ichihara M, Masuda A, Suzuki Y, Maesawa S, Kajita Y, Hirayama M, Ohsawa I, Ohta S, Ohno K: Molecular hydrogen is protective against 6-hydroxydopamine-induced nigrostriatal degeneration in a rat model of Parkinson's disease. Neurosci Lett. 2009, 453 (2): 81-5. 10.1016/j.neulet.2009.02.016.

5. Cai J, Kang Z, Liu K, Liu W, Li R, Zhang JH, Luo X, Sun X: Neuroprotective effects of hydrogen saline in neonatal hypoxia-ischemia rat model. Brain Res. 2009, 1256: 129-37.