medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2023-102-2-191-196medlit-2933Research ArticleМЕТОДЫ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙMETHODS OF HYGIENIC AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONSОпределение в воде пероксидного анион-радикала хемилюминесцентным методомDetermination of the peroxide anion radical in water by the chemiluminescent methodhttps://orcid.org/0000-0002-8750-0686СтехинАнатолий АлександровичStekhinAnatoly A.

Канд. техн. наук, вед. науч. сотр., ФГБУ «НМИЦ реабилитации и курортологии» МЗ РФ, 121099, Москва.

e-mail: Stekhin-aa@mail.ru

MD, PhD, Leading Researcher, National Medical Research Center for Rehabilitation and Balneology of the Russian Health Ministry, Moscow, 121099, Russian Federation.

e-mail: Stekhin-aa@mail.ru

Stekhin-aa@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8766-2773ЯковлеваГалина В.YakovlevaGalina V.noemail@neicon.ruФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр реабилитации и курортологии» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияNational Medical Research Center for Rehabilitation and Balneology of the Russian Health MinistryRussian Federation2023250320231022191196Copyright © Стехин А.А., Яковлева Г.В., 20232023Стехин А.А., Яковлева Г.В.Stekhin A.A., Yakovleva G.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/2933Введение

Введение. Обоснована необходимость анализа пероксидного анион-радикала в водной среде как основного элемента, выполняющего особую роль в управлении внутренними процессами в организме.

Цели и задачи исследования. Разработка методики определения пероксидного анион-радикала, обеспечивающей метрологические характеристики параметризации его системного гомеостатического действия в биологически значимом диапазоне концентраций в питьевых водах. Задача исследования — изыскание способа и оптимальных условий определения концентрации пероксидного анион-радикала в питьевых водах, отличающихся по своим электрохимическим показателям.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для измерения сверхнизких концентраций перекиси водорода в воде (более 0,1 μг/дм3) использовали кинетический хемилюминесцентный анализатор (анализатор жидкостей хемилюминесцентный «ЛИК Универсал»). Параметризация соотношения анион-радикальных и свободномолекулярных форм перекиси водорода в указанном диапазоне её концентраций в воде проводилась методом ВЭЖХ. Для оценки размерных параметров ассоциатов пероксидных анион-радикалов использовался капиллярный криофизический метод, основанный на селекции цепочек самоподобных водных ассоциатов.

Результаты

Результаты. Установлено, что зависимость интегральной интенсивности хемилюминесценции от концентрации в воде пероксидных анион-радикалов имеет линейный характер только в диапазоне концентрации пероксидов 0–40 μг/дм3. При этом время достижения максимальной интенсивности свечения зависит от концентрации пероксидного анион-радикала в воде. Исследованием размерных параметров ассоциатов пероксидных анион-радикалов от содержания перекиси водорода в воде установлено, что в диапазоне сверхнизких концентраций они практически не изменяются в течение достаточно длительного времени, что связано со стабильностью изомерии молекул воды в данном концентрационном диапазоне.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Объекты, состав, количественные пределы и условия измерения пероксидного анион-радикала с использованием настоящей методики распространяются на питьевые воды, качество и методы контроля которых регламентируются нормативными документами международного сообщества.

Заключение

Заключение. Разработан способ оценки содержания пероксидного анион-радикала в воде на основе использования кинетического метода хемилюминесценции с чувствительностью порядка 10–1 μг/дм3 в малых объёмах воды (50–200 мкл), обладающий достаточной точностью и воспроизводимостью для практических целей.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует представления заключения комитета по биомедицинской этике или иных документов.

Участие авторов

Участие авторов: Стехин А.А. — дизайн исследования, проверка критически важного содержания, написание текста, утверждение утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи; Яковлева Г.В. — обработка данных, обзор данных литературы по теме статьи, научное редактирование. 

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила

Поступила: 26.07.2022 / Принята к печати: 08.12.2022 / Опубликована: 25.03.2023

Introduction

Introduction. The necessity of the analysis of peroxide anion radicals in the aqueous medium as the main element performing a special role in the management of internal processes in the body is substantiated.

Goals and objectives of the study. Creation of methodological support for the determination of a superoxide anion radical in drinking waters, providing metrological characteristics of parameterization of its systemic homeostatic action in a biologically significant concentration range. The task of the study was to find a method and optimal conditions for determining the concentration of peroxide anion radical in drinking waters that differ in their electrochemical parameters.

Materials and methods

Materials and methods. As an analytical instrument for measuring ultra-low concentrations of hydrogen peroxide in water (more than 0.1 µg/l), a kinetic chemiluminescent analyzer was used (liquid chemiluminescent analyzer “LIK Universal”, TU 9443-001-42844321-03).) Parametrization of the ratio of anion-radical and free molecular forms of hydrogen peroxide in the specified range of its concentrations in water was carried out by HPLC. A capillary cryophysical method based on the selection of chains of self-similar aqueous associates was used to estimate the dimensional parameters of the associates of peroxide anion radicals.

Results

Results. The dependence of the integral chemiluminescence intensity on the concentration of superoxide anion radicals in water was established to be linear only in the range of peroxide concentrations from 0 to 40 µg/l. At the same time, the time to reach the maximum intensity of the glow depends on the concentration of the peroxide anion radical in water. By studying the dimensional parameters of associates of peroxide anion radicals from the content of hydrogen peroxide in water, it was found that in the range of ultra-low concentrations they practically do not change for a sufficiently long time, which is due to the stability of the isomerism of water molecules in this concentration range.

Limitations

Limitations. The objects, composition, quantitative limits and conditions for measuring anion radical peroxide using this technique apply to drinking water, the quality and control methods of which are regulated by regulatory documents of the international community.

Conclusion

Conclusion. A method for estimating the content of peroxide-anion radical in water based on the use of a kinetic chemiluminescence method with a sensitivity of about 10–1 µg/l in small volumes of water (50–200 µl) has been developed, which has sufficient accuracy and reproducibility for practical purposes.

Compliance with ethical standards. The study does not require the submission of a biomedical ethics committee opinion or other documents.

Contributions

Contributions: Stekhin A.A. — research design development, verification of critical content, writing of the text, approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article; Yakovleva G.V. — data analysis and interpretation, data processing, review of publications on the topic of the article. 

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgement

Acknowledgement. The study had no sponsorship.

Received

Received: July 26, 2022 / Accepted: December 8, 2022 / Published: March 25, 2023

системный гомеостазфаза ассоциированной водыпероксидный анион-радикалперекись водородахемилюминесценцияsystemic homeostasisassociated water phaseperoxide anion radicalhydrogen peroxidechemiluminescenceReferencesФаращук Н.Ф., Рахманин Ю.А. Вода – структурная основа адаптации. М.; 2004.Farashchuk N.F., Rakhmanin Yu.A. Water – the Structural Basis of Adaptation [Voda – strukturnaya osnova adaptatsii]. Moscow; 2004. (in Russian)Стехин А.А., Яковлева Г.В. Квантовое поведение воды: Свойства электронной подсистемы ассоциатов воды. Электронный дефицит как фактор риска здоровью. М.: Ленанд; 2019. Elektronnyy defitsit kak faktor riska zdorov’yu]. Moscow: Lenand; 2019. (in Russian)Stekhin A.A., Yakovleva G.V. Quantum Behavior of Water: Properties of the Electronic Subsystem of Water Associates. Electronic Deficiency as a Health Risk Factor [Kvantovoe povedenie vody: Svoystva elektronnoy podsistemy assotsiatov vody. Elektronnyy defitsit kak faktor riska zdorov’yu]. Moscow: Lenand; 2019. (in Russian)Ko D., Park J., Zhang X. Collective synchronization of classical and quantum oscillators. EMS Surv. Math. Sci. 2016; 3(2): 209–67. https://doi.org/10.4171/EMSS/17Ko D., Park J., Zhang X. Collective synchronization of classical and quantum oscillators. EMS Surv. Math. Sci. 2016; 3(2): 209–67. https://doi.org/10.4171/EMSS/17Зацепина О.В., Ингель Ф.И., Стехин А.А., Яковлева Г.В. Влияние физически активированной воды на репликативную активность, апоптоз и повреждения клеток лимфоцитов крови человека in vitro. Жизнь без опасностей. Здоровье. Профилактика. Долголетие. 2013; 8(3): 44–55.Zatsepina O.V., Ingel’ F.I., Stekhin A.A., Yakovleva G.V. The influence of activated water on replicative activity and apoptosis of human blood lymphocytes in vivo. Zhizn’ bez opasnostey. Zdorov’e. Profilaktika. Dolgoletie. 2013; 8(3): 44–55. (in Russian)Verresen R., Moessner R., Pollmann F. Avoided quasiparticle decay from strong quantum interactions. Nat. Phys. 2019; 15(8): 750–3. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0535-3Verresen R., Moessner R., Pollmann F. Avoided quasiparticle decay from strong quantum interactions. Nat. Phys. 2019; 15(8): 750–3. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0535-3Sanders C.R. Membrane Protein Folding. In: Gordon Research Conference «The Emerging Frontier Spanning Cell Biology and Biophysics of Interfacial Biomolecular Assembly». Washington Street Easton, MA, US; 2019.Sanders C.R. Membrane Protein Folding. In: Gordon Research Conference «The Emerging Frontier Spanning Cell Biology and Biophysics of Interfacial Biomolecular Assembly». Washington Street Easton, MA, US; 2019.Benedetto A. Protein and hydration-water dynamics are decoupled: A new model connecting dynamics and biochemical function is required. J. Phys. Chem. Lett. 2017; 8: 4883. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b02273Benedetto A. Protein and hydration-water dynamics are decoupled: A new model connecting dynamics and biochemical function is required. J. Phys. Chem. Lett. 2017; 8: 4883. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b02273Reva I.V., Yamamoto T., Gulkov A.N., Takafyji Y., Baldaev C.N., Indik M.V., et al. Biological and chemical effects by endo- and exogenous hydrogen peroxide in human body cells structures. Int. J. Appl. Fund. Res. 2017; 4: 361–7.Reva I.V., Yamamoto T., Gulkov A.N., Takafyji Y., Baldaev C.N., Indik M.V., et al. Biological and chemical effects by endo- and exogenous hydrogen peroxide in human body cells structures. Int. J. Appl. Fund. Res. 2017; 4: 361–7.Adams L., Franco M.C., Estevez A.G. Reactive nitrogen species in cellular signaling. Exp. Biol. Med. (Maywood). 2015; 240(6): 711–7. https://doi.org/10.1177/1535370215581314Adams L., Franco M.C., Estevez A.G. Reactive nitrogen species in cellular signaling. Exp. Biol. Med. (Maywood). 2015; 240(6): 711–7. https://doi.org/10.1177/1535370215581314Стехин А.А., Яковлева Т.В., Марасанов А.В., Карасев А.К., Иксанова Т.И., Шовкопляс Ю.А. и др. Обменные электронные взаимодействия как основа биофизических регуляторных процессов. Медицина и высокие технологии. 2019; (1): 5–15.Stekhin A.A., Yakovleva T.V., Marasanov A.V., Karasev A.K., Iksanova T.I., Shovkoplyas Yu.A., et al. Exchange electronic interactions as a basis for biophysical regulatory processes. Meditsina i vysokie tekhnologii. 2019; (1): 5–15. (in Russian)Tatarinov V.V., Yakovleva G.V., Tatarinov V.V. Exchange electronic interactions as the main factor of maintaining the sustainability of organism homeostasis. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 864, No. 1, p. 012008). IOP Publishing; 2021. https://doi.org/10.1088/1755-1315/864/1/012008Tatarinov V.V., Yakovleva G.V., Tatarinov V.V. Exchange electronic interactions as the main factor of maintaining the sustainability of organism homeostasis. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 864, No. 1, p. 012008). IOP Publishing; 2021. https://doi.org/10.1088/1755-1315/864/1/012008Рахманин Ю.А., Стехин А.А., Яковлева Г.В. Биофизика воды: Квантовая нелокальность в технологиях водоподготовки; регуляторная роль ассоциированной воды в клеточном метаболизме; нормирование биоэнергетической активности питьевой воды. М.: Ленанд; 2016.Rakhmanin Yu.A., Stekhin A.A., Yakovleva G.V. Biophysics of Water: Quantum Nonlocality in Water Treatment Technologies; Regulatory Role of Associated Water in Cellular Metabolism; Normalization of Bioenergetic Activity of Drinking Water [Biofizika vody: Kvantovaya nelokal’nost’ v tekhnologiyakh vodopodgotovki; regulyatornaya rol’ assotsiirovannoy vody v kletochnom metabolizme; normirovanie bioenergeticheskoy aktivnosti pit’evoy vody]. Moscow: Lenand; 2016. (in Russian)Кулагин М.В., Яковлева Г.В., Стехин А.А., Гукасов В.М., Шовкопляс Ю.А. Параметризация фазы ассоциированной воды с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии. Медицина и высокие технологии. 2018; (4): 33–43.Kulagin M.V., Yakovleva G.V., Stekhin A.A., Gukasov V.M., Shovkoplyas Yu.A. Parametrization of the associated water phase using high-performance liquid chromatography. Meditsina i vysokie tekhnologii. 2018; (4): 33–43. (in Russian)Гиберт К.К., Стехин А.А., Яковлева Г.В., Сульина Ю.С. Сохранение электрондонорных свойств питьевой воды. Гигиена и санитария. 2015; 94(3): 97–100.Gibert K.K., Stekhin A.A., Yakovleva G.V., Sul’ina Yu.S. Keeping the electron-donor properties of drinking water. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal). 2015; 94(3): 97–100. (in Russian)Sunil K., Narayana B. Spectrophotometric determination of hydrogen peroxide in water and cream samples. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 2008; 81(4): 422–6. https://doi.org/10.1007/s00128-008-9477-7Sunil K., Narayana B. Spectrophotometric determination of hydrogen peroxide in water and cream samples. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 2008; 81(4): 422–6. https://doi.org/10.1007/s00128-008-9477-7Yamashiro N., Uchida S., Satoh Y., Morichima Y., Yokoyama H., Satoh T. Determination of hydrogen peroxide in water by chemiluminescence detection. J. Nucl. Sci. Technol. 2004; 41(9): 890–97. https://doi.org/10.1080/18811248.2004.9715561Yamashiro N., Uchida S., Satoh Y., Morichima Y., Yokoyama H., Satoh T. Determination of hydrogen peroxide in water by chemiluminescence detection. J. Nucl. Sci. Technol. 2004; 41(9): 890–97. https://doi.org/10.1080/18811248.2004.9715561Choleva T.G., Gatselou V.A., Tsogas G.Z., Giokas D.L. Intrinsic peroxidase-like activity of rhodium nanoparticles, and their application to the colorimetric determination of hydrogen peroxide and glucose. Microchim. Acta. 2018; 185(1): 22. https://doi.org/10.1007/s00604-017-2582-8Choleva T.G., Gatselou V.A., Tsogas G.Z., Giokas D.L. Intrinsic peroxidase-like activity of rhodium nanoparticles, and their application to the colorimetric determination of hydrogen peroxide and glucose. Microchim. Acta. 2018; 185(1): 22. https://doi.org/10.1007/s00604-017-2582-8Teodoro K.B.R., Migliorini F.L., Christinelli W.A., Correa D.S. Detection of hydrogen peroxide (H2O2) using a colorimetric sensor based on cellulose nanowhiskers and silver nanoparticles. Carbohydr. Polym. 2019; 212: 235–41. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.02.053Teodoro K.B.R., Migliorini F.L., Christinelli W.A., Correa D.S. Detection of hydrogen peroxide (H2O2) using a colorimetric sensor based on cellulose nanowhiskers and silver nanoparticles. Carbohydr. Polym. 2019; 212: 235–41. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.02.053Guan H., Zhang J., Liu Y., Zhao Y., Zhang B. Rapid quantitative determination of hydrogen peroxide using an electrochemical sensor based on PtNi alloy/CeO2 plates embedded in N-doped carbon nanofibers. Electrochimica Acta. 2019; 295: 997–1005. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.11.126Guan H., Zhang J., Liu Y., Zhao Y., Zhang B. Rapid quantitative determination of hydrogen peroxide using an electrochemical sensor based on PtNi alloy/CeO2 plates embedded in N-doped carbon nanofibers. Electrochimica Acta. 2019; 295: 997–1005. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.11.126Guler M., Turkoglu V., Bulut A., Zahmakiran M. Electrochemical sensing of hydrogen peroxide using Pd@Ag bimetallic nanoparticles decorated functionalized reduced graphene oxide. Electrochimica Acta. 2018; 263: 118–26. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.01.048Guler M., Turkoglu V., Bulut A., Zahmakiran M. Electrochemical sensing of hydrogen peroxide using Pd@Ag bimetallic nanoparticles decorated functionalized reduced graphene oxide. Electrochimica Acta. 2018; 263: 118–26. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.01.048Karimi A., Husain S.W., Hosseini M., Aberoomand Azar P., Ganjali M.R. Rapid and sensitive detection of hydrogen peroxide in milk by Enzyme-free electrochemiluminescence sensor based on a polypyrrole-cerium oxide nanocomposite. Sensors and Actuators B: Chemical. 2018; 271: 90–6. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.05.066Karimi A., Husain S.W., Hosseini M., Aberoomand Azar P., Ganjali M.R. Rapid and sensitive detection of hydrogen peroxide in milk by Enzyme-free electrochemiluminescence sensor based on a polypyrrole-cerium oxide nanocomposite. Sensors and Actuators B: Chemical. 2018; 271: 90–6. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.05.066Stekhin A., Yakovleva G., Pronko K., Zemskov V. Regulatory function of macroscopic quantum states of electrons in cell metabolism. Clin. Practice. 2018; 15(3): 707–15. https://doi.org/10.4172/clinical-practice.1000399Stekhin A., Yakovleva G., Pronko K., Zemskov V. Regulatory function of macroscopic quantum states of electrons in cell metabolism. Clin. Practice. 2018; 15(3): 707–15. https://doi.org/10.4172/clinical-practice.1000399

The authors declare that there are no conflicts of interest present.