ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................6
ГЛАВА I. Исследование коллективных форм теплового молекулярного движения в изотропных и анизотропных жидкостях методом спектроскопии рассеянного света............................ 17
РАЗДЕЛ I. Теоретические основы метода.............;..........18
1.1.1. Релеевское рассеяние света в жидкости. Интенсивность рассеянного света...................................................18
1.1.2. Тепловые движения молекул жидкости и рассеяние света...............................................................24
1.1.3. Акустическая релаксация и частотная зависимость вязкости в жидкостях...........................................................29
І.ІАУльтраакустические и гипсракустические свойства жидких кристаллов (краткий обзор литературы)...............................34
РАЗДЕЛ II. Экспериментальное исследование спектров тонкой структуры рэлеевской линии в изотропных и анизотропных жидкостях .........................................................43
1.11.1. Структура и некоторые свойства исследуемых веществ 43
І.ІІ.2 . Основные элементы оптических установок для исследования спектров рассеянного света в изотропных жидкостях и термотропных жидких кристаллах...................................................47
2
1.11.3. Методика подготовки исследуемых образцов.............50
1.11.4. Тонкая структура линии рэлеевского рассеяния в гомологическом ряду нормальных парафинов и изотропной фазе некоторых жидких кристаллов.........................................53
1.11.5. Температурные зависимости скорости гиперзвука в нормальных алканах и жидких кристаллах..............................59
1.11.6. Поглощение гиперзвука, температурные и частотные зависимости вязкости в парафинах и жидких кристаллах. Характерные времена релаксации..................................................62
1.11.7. Определение частотных зависимостей гиперакустических параметров в некоторых жидких кристаллах с помощью варьирования величины волнового вектора..........................................67
I.11.8 . Распространение ударно-акустического возмущения в жидких кристаллах...................................................76
Результаты главы 1...........................................86
ГЛАВА II. Исследование вращательной молекулярной подвижности в термотропных жидких кристаллах методами ЯМР, крыла рэлеевской линии и поляризации собственной флуоресценции............88
РАЗДЕЛ I. Спектры деполяризованной компоненты рэлеевского рассеяния света и поворотные движения молекул в жидких кристаллах..........................................................88
ПЛ. 1. Крыло рэлеевской линии в жидкостях....................88
II. 1.2. Экспериментальное исследование крыла рэлеевской линии в изотропной фазе жидких кристаллов.................................90
3
РАЗДЕЛ II. Спин-решеточная релаксация и вращательные
движения в жидких кристаллах..........................................97
Н.И.1. Исследования жидких кристаллов с помощью ЯМР-
спектроскопии (краткий обзор).........................................97
II.11.2. Исследование протонных спектров в некоторых жидких
кристаллах...........................................................102
РАЗДЕЛ III. Поляризованная флуоресценция в термотропных
жидких кристаллах..................................................113
II.III. 1 Теория поляризованной флуоресценции для броуновских частиц в изотропных растворах..............................•.......114
11.111.2. Поляризованная флуоресценция в жидких кристаллах (обзор литературы).................................................116
11.111.3. Экспериментальное исследование собственной
флуоресценции некоторых жидких кристаллов..........................128
11.111.4. Температурные зависимости параметра анизотропии флуоресценции. Интегральные и спектральные измерения...............131
11.111.5. Измерение времени жизни флуоресценции и расчет времени ориентационной корреляции молекул ЖК...............................137
Результаты главы II.........................................140
Обсуждение результатов глав I и II..........................141
ГЛАВА III. Межмолекулярные взаимодействия и динамика молекул в лиотропных системах......................................147
РАЗДЕЛ I. Рассеяние света в растворах биополимеров..........148
Ш.1.1. Состав и строение белковых молекул...................148
ІІІ.Ї.2. Свойства белковых макромолекул в растворах. Теория Дебая - Хюккеля....................................................150
111.1.3. Рэлеевское рассеяние света в растворах макромолекул. Определение второго вириального коэффициента и молекулярного веса макромолекул.......................................................153
111.1.4. Связь динамических параметров рассеивающих частиц в растворе с концентрацией...........................................158
111.1.5. Особенности рэлеевского рассеяния света в водных растворах белков (обзор)...........................................159
РАЗДЕЛ II. Экспериментальное исследование оптических свойств лиотропных систем..................................................161
IIIЛІ. 1. Экспериментальная установка, методика приготовления образцов, оценки экспериментальных погрешностей....................161
111.11.2. Зависимость анизотропиии поляризуемости белковых макромолекул в растворах от величины поверхностного заряда.............................................................163
111.11.3. Межмолекулярные взаимодействия и масса белковых макромолекул в водных растворах....................................169
111.11.4. Особенности процессов адсорбции заряженных ионов металлов с большими и малыми ионными радиусами на поверхности белковых молекул...................................................175
III.И.5. Образование надмолекулярных структур - кластеров в растворах белков в присутствии тяжелых ионов.......................182
Результаты главы III........................................188
Заключение..................................................190
Литература..................................................194
5
ВВЕДЕНИЕ
Фундаментальной проблемой физики конденсированного состояния вещества является изучение анизотропных жидких систем. Наряду с термотропными жидкими кристаллам и1 (ЖК), возникающими при изменении температуры вещества, к ним относятся и так называемые лиотропные системы, которые проявляют жидкокристаллические свойства при растворении.
Важность этой проблемы, в частности, связана с тем, что человек и окружающая его живая природа состоят из различного рода жидкокристаллических систем, таких как клетки, мембраны, ткани и т.д.
Многие биологические жидкости, представляющие собой сложные многокомпонентные системы, также являются жидкими кристаллами. К ним относятся растворы заряженных биополимеров (белков), которые при соответствующих концентрациях могут рассматриваться как лиотропные мезофазы. В то же время эти растворы при определенных параметрах могут быть использованы в качестве моделей плазмы крови.
Таким образом, исследование молекулярных процессов, происходящих в термотропных и лиотропных жидкокристаллических системах при воздействии различных внешних факторов чрезвычайно важно как с точки зрения молекулярной физики конденсированных сред, так и для фундаментальных задач экологии и медицины.
Основными молекулярными характеристиками ЖК систем являются структура и динамика молекул и межмолскулярные взаимодействия, важность исследования которых определяется следующими причинами. Во-первых, анизотропия жидких кристаллов приводит к особенностям
6
молекулярной подвижности, которые наиболее ярко проявляются при фазовых переходах, и во-вторых, подвижность макромолекул белков, обладающих большим поверхностным зарядом, в растворах определяется их электростатическими взаимодействиями, энергия которых может существенно превышать тепловую.
Несмотря на различия в химической структуре термотропных и лиотропных жидких кристаллов, природа сил, приводящих к ориентационному упорядочиванию, по-видимому, имеет много общего.
В термотропных жидких кристаллах, состоящих из малых молекул с собственным дипольным моментом порядка нескольких дебай (О), преобладает диполь-дипольное взаимодействие между молекулами. Поведение белков в растворах, относящихся к лиотропным ЖК, определяется сильным электростатическим взаимодействием между зарядами на поверхности макромолекул. Однако при определенных условиях (а именно, когда силы заряд-зарядового взаимодействия экранируются, а дипольные моменты белковых молекул аномально велики) в них также, как и в термотропных ЖК, существенную роль начинают играть дипояь-дипольные взаимодействия. Последнее приводит к изменениям как статических, так и динамических параметров молекул в таких системах.
Основной задачей данной работы было исследование различных видов
V
молекулярной подвижности и межмолекулярных взаимодействий в термотропных и лиотропных системах, в том числе в растворах биополимеров.
Определение спектра частот молекулярных движений и оценка характерных времен соответствующих релаксационных процессов, которые могут различаться на несколько порядков (от 10‘6 до 10'13 с) является
7
сложной физической проблемой, которая не может быть решена с помощью какого-либо одного спектрального метода.
Существует большое число физических методов исследования как коллективных форм теплового молекулярного движения, так и динамики отдельных молекул или их фрагментов. К- этим методам относятся ультразвуковая спектроскопия, ядерный магнитный резонанс (ЯМР), рассеяние медленных нейтронов, спектроскопия диэлектрической релаксации, а также оптические методы - рэлеевское и комбинационное рассеяние света, люминесцентная спектроскопия, которые позволяют получать сведения о трансляционных и вращательных движениях молекул в конденсированных средах.
Основное внимание в данной работе было уделено исследованию высокочастотной области спектра теплового молекулярного движения в конденсированных средах различной природы, сопоставление данных, полученных разнообразными физическими методами и нахождение корреляций между релаксационными процессами, которые исследуются с помощью различной экспериментальной техники.
В работе применялись следующие физические методы - интегральное и спектральное рэлеевское рассеяние света, в том числе рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и крыло рэлеевской линии, ЯМР - релаксация и поляризация люминесценции.
Исследовались следующие объекты: термотропные жидкие кристаллы различных типов - нематические, холестерические и смектические, растворы биополимеров - белков. Как пример изотропных жидкостей, исследовались жидкие углеводороды (гомологический ряд нормальных парафинов). Такой выбор объектов объясняется следующими соображениями. Жидкие
8
кристаллы являются конденсированными средами, которые обладают одновременно свойствами кристаллов и жидкостей. Эти особенности жидкокристаллической среды приводят к тому, что даже изотропная фаза
этих соединений отличается по своим свойствам от обычных жидкостей,
*
обладающих молекулами подобных размеров (например парафинов). Поэтому отработка оптических методик требовала использования более простых сред для выбора оптимальных условий эксперимента и сопоставления результатов.
Практически не изученной областью является распространение ударных волн и сильных акустических возмущений в жидких кристаллах. Жидкие кристаллы отличаются тем, что их свойства сильно изменяются под действием различных внешних полей - электрического или магнитного, градиентов давления, температуры и т.д. В связи с этим можно ожидать, что процесс распространения ударного возмущения в жидкокристаллической среде будет иметь особенности, отличающие его от процесса распространения ударной волны в обычных жидкостях. Изменение оптических свойств жидкокристаллической среды под действием сильного акустического возмущения, создаваемого мощным лазерным импульсом, исследовалось с помощью теневого метода и скоростной фоторазвертки.
Особый интерес для физики конденсированных сред представляют собой такие объекты, как макромолекулы белков и биополимеров, являющимися уникальными для исследования с помощью методов молекулярной оптики. Поверхность белковой молекулы является заряженной, причем можно изменять ее заряд в широких пределах, что обуславливает также наличие большого дииольного момента белка порядка нескольких сот дебай (О) и, кроме того, размеры и масса белковой
9
макромолекулы, в отличие от полимерной, строго определены для данного вида белка.
Сильное электростатическое взаимодействие между молекулами полярного растворителя и заряженными поверхностными группами белка
к
оказывает существенное влияние на характер броуновской динамики молекул.
Наиболее прямым и эффективным методом исследования межмолекулярного взаимодействия, подвижности и поляризационных свойств макромолекул в растворах является метод рэлеевского рассеяния света. В данной работе были проведены исследования параметров белковых
о*
макромолекул в растворах методами интегрального и динамического рассеяния света.
Особенно интересным является характер взаимодействия протеинов, в частности белков плазмы крови, с металлическими ионами, обладающими большими ионными радиусами. Эти исследования также были проведены методами интегрального рэлеевского рассеяния.
Актуальность темы исследования определяется необходимостью дальнейшего развития наших знаний о характере молекулярных движений и межмолекулярных взаимодействий в анизотропных жидких конденсированных средах, в частности, в термотропных жидких кристаллах вблизи фазовых переходов, а также в лиочропных биологических системах, какими являются растворы белков. Актуальность этих исследований связана также и с тем, что межмолекулярные взаимодействия и динамика белковых макромолекул играют чрезвычайно важную роль в функционировании различных биосистем, причем, с точки зрения экологии, актуальными являются исследования влияния на эти системы тяжелых металлов.
ю
Учитывая комплексный характер изучаемой проблемы, в работе преследовался ряд взаимосвязанных целей:
выявление с помощью оптического метода мандельштам-бриллюэновского рассеяния света особенностей распространения гипсракустичсских возмущений в жидкокристаллических веществах различных типов и их сравнение с аналогичными процессами в простых жидкостях (в качестве примера простых жидкостей использовались вещества гомологического ряда нормальных парафинов),
установление закономерностей, характеризующих поведение гиперакустических параметров в окрестности фазовых переходов, и нахождение характеристических времен релаксационных процессов,
изучение температурного поведения вращательной подвижности молекул жидкого кристалла и установление связи поворотных движений с трансляционными с помощью спектроскопии деполяризованной компоненты рассеянного света (крыла рэлеевской линии), методов ядерной магнитной релаксации и поляризации люминесценции,
исследование воздействия на жидкокристаллическую среду ударноакустического возмущения,
исследование водных растворов макромолекул биополимеров (белков) при изменении ряда физико-химических параметров среды, с помощью метода светорассеяния, являющегося весьма информативным для выявления структуры и характера взаимодействия заряженных макромолекул в растворе,
в частности, изучение влияния на поведение белковых макромолекул в водных растворах ионов тяжелых металлов.
п
Научная новизна работы определяется совокупностью новых физических результатов, полученных с помощью большого числа экспериментальных методов, как усовершенствованных, так и новых, разработанных автором.
*
В работе впервые систематически с помощью метода манделыптам-бриллюэновского рассеяния света исследовано температурное и частотное поведение гиперакустических параметров гомологического ряда нормальных парафинов и широкого класса жидкокристаллических соединений различных типов в области фазового перехода изотропная жидкость -жидкий кристалл.
Установлено, что общим для всех жидких кристаллов нематического типа является существование релаксационного процесса вблизи температуры перехода изотропная- ЖК фаза с характерным временем порядка 1ч-5-10’,0с, при этом характеристическая вязкость этих соединений также имеет релаксационную природу.
Впервые обнаружена собственная флуоресценция термотропных ЖК, возникающая без добавления красителя в жидкокристаллическую матрицу, исследовано температурное поведение параметра анизотропии собственной флуоресценции в ориентированных и неориентированных образцах ряда жидких кристаллов и определены времена молекулярной ориентационной корреляции.
Обнаружена анизотропия времени вращательной корреляции в ориентированных образцах в мезофазе и возрастание времени вращательной корреляции при переходе в изотропную фазу.
Проведено сопоставление времен корреляции вращательных
движений, определенных методами ЯМР-релаксации, крыла рэлеевской
12
линии и поляризации люминесценции, с временами акустической релаксации, которое показало, что существует единый молекулярный процесс релаксации вязкости и тесная связь трансляционных и вращательных движений в области фазового перехода изотропная жидкость-- жидкий кристалл.
Впервые исследовано распространение ударно-акустического возмущения в жидких кристаллах, возникающего при воздействии мощного лазерного импульса; при этом установлено, что температурные зависимости скорости распространения сильного акустического возмущения и характерного времени восстановления равновесного состояния за фронтом акустической волны (времени релаксации) имеют существенно нелинейный характер, что может объясняться возникновением ориентационного упорядочения иод воздействием давления в области сильного акустического возмущения.
Методами рэлеевского рассеяния света систематически исследован широкий круг заряженных биополимеров - белков в растворах при изменении параметров среды, таких, как концентрация макромолекул, водородный показатель (pH) раствора, концентрация малых ионов (ионная сила), в том числе ионов тяжелых металлов.
Впервые показано, что поляризационные свойства макромолекул белков в растворах - электронная поляризуемость, оптическая анизотропия, коэффициент деполяризации существенным образом связаны с величиной и знаком поверхностного заряда на белке и концентрацией малых ионов в растворе (ионной силой) и имеют экстремумы в изоэлектрической точке.
Впервые обнаружено и детально исследовано оптическим методом возникновение макромолекулярных кластеров, образующихся в растворах
13
при взаимодействии молекул белков с ионами тяжелых щелочных металлов. Предложена физическая модель, объясняющая эго явление на основе сильных диполь-дипольных взаимодействий.
Практическая ценность работы определяется тем, что полученные в
%
работе результаті,! способствуют развитию представлений о молекулярнодинамических процессах в жидкокристаллических веществах вблизи фазовых переходов, вносят вклад в понимание механизмов релаксации вязкости, анизотропии вращательных движений и природы межмолекулярных взаимодействий.
Установленные связи между динамическими параметрами, измеряемыми различными физическими методами применявшимися в работе, позволяют получить детальную информацию о характере теплового молекулярного движения в анизотропных жидких средах.
Полученные в работе экспериментальные значения акустических параметров и вязкости на гиперакустических частотах, а также оценки характеристических времен вращательных движений и анизотропии собственной (не примесной) люминесценции могут служить справочным материалом для проектирования устройств на жидких кристаллах.
Исследованное в работе электростатическое взаимодействие биополимерных макромолекул в растворах и их взаимодействие с ионами различных солей, в том числе с ионами тяжелых металлов, позволяет установить молекулярный механизм патологических изменений в биологических объектах. Данное исследование имеет практическое значение для решения задач экологии и медицины.
Материалы диссертации использовались при разработках способов контроля качества органических жидкостей и физических методов
14
диагностики распространенных заболеваний, в том числе онкологических, а также для создания диагностических приборов. Эти разработки зарегистрированы в 2-х авторских свидетельствах и 3-х патентах на
изобретения (в том числе патент USA).
;
В качестве основных результатов на защиту выносятся следующие защищаемые положения:
SJ
1. На основании полученных в нашей работе экспериментальных данных о температурном и частотном поведении скорости и поглощения гиперзвука и вязкости для широкого класса жидкокристаллических соединений различных типов в области фазового перехода изотропная жидкость - жидкий кристалл обнаружено, что общим для всех жидких кристаллов нематического типа является существование релаксационного процесса вблизи температуры фазового перехода с характерным временем порядка l-î-5.10*10 с, при этом вязкость этих соединений также имеет релаксационную природу.
2. Экспериментально разработан эффективный метод определения времен вращательных молекулярных движений в термотропных жидких кристаллах на основе анализа поляризации собственной флуоресценции не искаженной влиянием примесных молекул. Обнаружено, что существует анизотропия времени вращательной корреляции в ориентированных образцах в мезофазе и возрастание времени вращательных движений при переходе в изотропную фазу.
3. Сопоставление времен корреляции вращательных движений, определенных методами ядериого магнитного резонанса и поляризации люминесценции с временами акустической релаксации, показало, что существует единый молекулярный процесс релаксации вязкости и тесная
15
связь трансляционных и вращательных движений в области фазового перехода изотропная жидкость - жидкий кристалл.
4. На основании впервые проведенного исследования распространения ударного возмущения в жидких кристаллах, возникающего при воздействии мощного лазерного импульса, обнаружено, что температурные зависимости скорости распространения акустической волны и характерного времени восстановления равновесного состояния за ее фронтом имеют существенно нелинейный характер, что может объясняться возникновением в изотропной фазе ориентационного упорядочения под воздействием давления в области сильного акустического возмущения.
5. Впервые экспериментально показано, что поляризационные свойства макромолекул белков в растворах - электронная поляризуемость, оптическая анизотропия, коэффициент деполяризации существенным образом связаны с величиной и знаком поверхностного заряда на белке и концентрацией малых ионов в растворе (ионной силой) и имеют экстремумы в изоэлектрической точке.
6. Впервые обнаружено возникновение макромолекулярных дипольных кластеров, образующихся в растворах белков при наличии ионов тяжелых металлов, и детально исследованы оптическим методом условия их образования и разрушения. Предложена физическая модель, объясняющая это явление на основе сильных диполь-дипольных взаимодействий.
Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих также несколько разделов, заключения и списка литературы. В конце каждой главы перечислены новые результаты, полученные по данному разделу исследований, и основные выводы. В конце работы, в заключении, сформулированы основные результаты и выводы.
16
Глава I
Исследование коллективных форм теплового молекулярного движения в изотропных и анизотропных жидкостях методом спектроскопии рассеянного света
Вопрос о характере теплового движения в конденсированных средах является важной, но до сих пор не решенной проблемой. Трудности, с которыми сталкивается строгая теория при решении этой проблемы, связаны с особенностями плотных систем, такими, как многочастичное не1 гарное взаимодействие, неаддитивность молекулярного взаимодействия, исключительно высокая сложность учета корреляций как взаимного расположения, так и скоростей молекул. Поэтому в большинстве случаев эта задача решается путем выделения и рассмотрения отдельных форм или мод молекулярного движения. Возможность такою подхода к решению общей задачи связана с тем, что во многих случаях отдельные моды движения могут рассматриваться как статистически независимые и исследоваться с достаточной точностью с помощью различных теоретических и экспериментальных методов.
Среди методов исследования динамики теплового движения широкое применение нашли спектральные методы, основанные на использовании фурье-преобразования реальных кинетических процессов, а в экспериментальной практике - на использовании резонансных свойств исследуемых систем. Эти методы могут быть применены в широком диапазоне характерных времен, в том числе при исследовании быстрых и сверхбыстрых молекулярных процессов (Га 10'9 - 10 12 с).
Одним из наиболее информативных методов исследования кинетики молекулярных процессов является спектроскопия рассеянного света. Рассеяние света возникает вследствие существования в среде
17
неоднородностей диэлектрической проницаемости, причем динамика этих неоднородностей определяется движением молекул исследуемой системы.
Раздел L
I
Теоретические основы метода
I.I.1 Рэлеевское рассеяние света в жидкости.
Интенсивность рассеянного света
При воздействии светового поля на среду в молекулах индуцируется переменный дипольный момент р=аЕу который сам становится источником излучения. Здесь а характеризует электронную поляризуемость молекулы (в случае изотропных молекул а - скаляр, для анизотропных молекул - тензор). Если напряженность электрического поля изменяется по закону E(t) = E()e'iox к°х\ где со - частота падающего света, ка- волновое число, то амплитуда рассеянной волны
будет Es = Р sin $ , где г - расстояние от рассеивающего объема до точки
наблюдения. Так как р\~рсо2> получаем т.н. формулу Рэлея
(/rV)[ 1]:
т ^10(2пУ 2 . 2
L = ТГ~2—« Sln <Р, (!)
А У
здесь 1и - интенсивность линейно поляризованного падающего света, ср -угол между направлением электрического вектора светового поля и направлением распространения рассеянной волны, N - число рассеивателей, положения которых не коррелированы .
Согласно Дебаю[2], электронная поляризуемость молекул определяет диэлектрическую проницаемость среды -
18
*-1 = 4 пЫ{а + ^), (2)
где N - плотность частиц. Таким образом, £ является главным параме тром, определяющим взаимодействие световой волны с веществом.
По теории Эйнштейна[4], рассеяние света, проходящего через среду, происходит на пространственных флуктуациях показателя преломления, вызванных, в свою очередь, флуктуациями плотности среды и ориентации анизотропных молекул. Эти флуктуации возникают за счет теплового движения молекул и приводят к флуктуациям оптической диэлектрической проницаемости среды 15, 6]. Если изотропная в целом среда состоит из анизотропных молекул, то вследствие флуктуаций их взаимных ориентаций в объеме флуктуации появляется анизотропия и Ас становится тензорной величиной.
В общем случае [7] диэлектрическая проницаемость может быть записана в виде:
£ 1к (г)= 8 * + Д е (г) <5|к + А е а * (г) ,
где £0 определяет значение диэлектрической проницаемости в однородной среде, в которой рассеяние отсутствует, А /; (г) - скалярная часть отклонения от среднего значения, Л £ \ (г) - симметричный тензор с нулевым следом, - символ Кронекера. Эффект рассеяния определяется вторым и третьим слагаемыми.
Согласно [4], интенсивность изотропного рассеяния света пропорциональна среднему значению квадрата скалярной части флуктуаций диэлектрической проницаемости
Ы1°^Ь<ы> ■
19
- Київ+380960830922