Оглавление
Введение........................................................ 5
Г лава 1. Современное состояние исследований водных растворов
геллановой камеди............................................... 14
Глава 2. Методы и объекты исследования............................ 19
2.1. Метод ядерной магнитной релаксации..................... 19
2.2. Метод ядерной магнитной резонансной диффузометрии.... 20
2.3. Объекты исследования................................... 25
2.3.1. Структура молекулы и фазовая диаграмма водного раствора геллановой камеди............................ 26
2.3.2. Структура молекулы и водного раствора
додецилсульфата натрия...................................... 29
1 лава 3. Исследование самодиффузии прогонов в водных растворах геллановой камеди в широком интервале температур. 31
3.1. Модели, используемые для описания самодиффузии прогонов молекул воды в водном растворе геллановой камеди 31
3.2. Исследование самодиффузии протонов в водных раст ворах геллановой камеди..................................... 38
3.2.1. Зависимость коэффициента самодиффузии протонов от времени эксперимента.................................. 38
3.2.2. Влияние изменений температуры на коэффициент самодиффузии протонов вода............................ 41
3.2.3. Влияние изменений концентрации геллановой камеди на коэффициент самодиффузии протонов воды................ 47
3.2.4. Влияние изменений концентрации хлорида цезия на
коэффициент самодиффузии протонов воды...................... 50
2
Выводы..................................................... 53
Глава 4. Исследование систем
«геллановая камедь -додецилсульфат натрия - вода»............... 56
4.1. Выбор диффузионной метки в водном растворе геллановой камеди................................................ 57
4.2. Разработка методик приготовления систем «геллановая камедь - додецилсульфат натрия - вода» по данным ЯМР............................................ 60
4.2.1. Методика диффузионной ячейки........................ 60
4.2.2. Методика приготовления систем с термообратимыми
фазовыми переходами........................................ 65
4.3. Исследование микроструктуры и молекулярной подвижности в системах
«геллановая камедь - додецилсульфат натрия - вода»......... 70
4.3.1. Исследование систем, приготовленных по методике диффузионной ячейки................................... 70
4.3.2. Влияние изменений температуры и концентрации геллановой камеди на ЯМР - параметры систем с термообратимыми фазовыми переходами................... 73
4.3.3. Исследование фазового расслоения систем............. 83
4.3.4. Модель трансляционной подвижности мицелл в системе «геллановая камедь - додецилсульфат натрия ~ вода».... 86
4.3.5. Метод расчета радиуса молекул и агрегатов геллановой камеди в процессе перехода золь-гель.................. 91
4.3.6. Конформационный переход молекул геллановой камеди
в растворе в присутствии мицелл ДСН........................ 96
4.3.7. Фазовая диаграмма системы «геллановая камедь-додецилсульфат натрия - вода» по данным ЯМР, ДСК, КД и реологии.............................................. 98
4.3.8. Методика исследования самоорганизации в водных
3
растворах полиэлекгролитов................................ 100
Выводы..................................................... 103
Глава 5. Аналитический расчет тензора стационарной самодиффузни молекул в апериодической двумерной сетке препятствий..................................................... 105
5.1. Особенности расчета коэффициента самодиффузни
молекул в пористой среде................................... 105
5.2. Теоретические аспекты метода расчета тензора стационарной самодиффузни............................. 107
5.3. Аналитический расчета тензора стационарной самодиффузни в эллиптическом пучке.................... 115
5.4. Применение метода расчета для интерпретации
самодиффузни молекул воды в геле агарозы................... 118
Выводы..................................................... 122
Заключение...................................................... 123
Список литературы............................................... 126
Приложение...................................................... 137
4
Введение
Актуальность темы диссертации. Явление самоорганизации в водных растворах биологических полиэлектролитов играет важную роль в природных физико-химических процессах (например, конфирмационные переходы молекул ДНК и РНК) и используется в промышленности (абсорбенты, наполнители, детергенты). Исследование процессов самоорганизации в растворе открывает путь к разработке новых композиционных материалов и приближает к пониманию физических основ живой природы. Согласно концепции К. Шиноды для самоорганизации в растворе необходимо и достаточно наличие взаимодействий между молекулами растворителя и растворенного вещества как способствующих, так и препятствующих растворению данного вещества (амфифильности взаимодействий) []). Можно предположить два пути, ведущих к самоорганизации в растворе полиэлектролита. Первый путь состоит в подборе иолиэлекгролита, имеющего гидрофобные группы, относительно жесткую цепь. Второй путь заключается в том, что в расгвор добавляется амфифильный (содержащий полярные и неполярные группы) компонент. В качестве данного компонента может выступать поверхностно-активное вещество (ПАВ).
Множество биологических полиэлектролитов, например, геллановая, хантановая и курдлановая камеди, каррагенан, агароза обладают жестким каркасом молекул, что приводит к формированию агрегатов и геля в водном растворе уже при концентрациях полимера около 4 вес. % и температурах менее 30 °С [2]. Микроструктура водных растворов гелеобразующих полиэлектролитов малоизучена. В частности, неизвестны размеры и форма агрегатов, роль гидратных оболочек в стабилизации водородных связей между макромолекулами в агрегатах.
5
В настоящее время разрабатываются методики исследования самоорганизации в ион-содержащих полимерных системах. Для определения параметров микроструктуры золей и гелей биологических полиэлектролитов применяются методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами, дифракции рентгеновских лучей, светорассеяния, атомной и электронной микроскопии, компьютерного моделирования [3,41. Исследования микроструктуры биополимерных систем предпочтительно проводить методом ЯМР, т. к. такие эксперименты являются неразрушающими и бесконтактными по сравнению с методами рассеяния и дифракции рентгеновских лучей, атомной и электронной микроскопии. Анализ результатов экспериментов по светорассеянию и компьютерному моделированию во многих случаях основан на знании молекулярной структуры иол и кристаллических образцов, определенной методом рентгеновской дифракции |4). Этот факт существенно ограничивает применимость многих, в том числе ЯМР, методик для изучения микроструктуры фаз, а также фазовых переходов в растворах полиэлектролитов. Количественные оценки параметров микроструктуры раствора из ЯМР- релаксационных и спектральных данных чрезвычайно сложны в силу усреднения ЯМР-парамегров из-за быстрого вращательного движения макромолекул в растворе и большого числа факторов, влияющих на измеряемую величину в эксперименте (химический обмен, изменение конформации макромолекул в фазах золя и геля).
Изучение самодиффузии различных компонентов (протонов молекул воды, мицелл поверхностно-активных веществ) в растворах гелеобразующих полиэлектролитов, в частности, в растворах геллановой камеди1 (ГК) в широком интервале температур не проводилось. В то же время эти исследования обладают тем преимуществом, что на основе
1 в английской терминологии - gcllan gum.
6
экспериментальных данных становится возможным определение вариации радиуса агрегатов и пор полимерной сетки в фазах золя и геля раствора при изменении температуры и концентрации полимера.
Одним из отличительных свойств ряда водных растворов гелеобразующих полиэлектролитов, в частности, водного раствора ГК, нашедшим применение в пищевой промышленности, является способность формировать гель при достаточно малых концентрациях полимера и добавках одновалентных солей. Было показано, что хлорид цезия является одним из наиболее эффективных в стимулировании образования агрегатов и геля в водном растворе Г'К. В ряде работ на основе изучения макроскопических параметров (модулей сдвига, упругости) было предположено, что для образования полимерной сетки ГК с заданными свойствами необходима определенная концентрация одноваэентной соли [3]. Исследование влияния добавок одновалентных солей на параметры микроструктуры полимерой сетки ГК может быть полезным в разработке пищевых стабилизаторов и наполнителей с контролируемыми условиями перехода золь-гель.
Присутствие амфифильных молекул ПАВ в водном растворе гелсобразующего полиэлектролита может приводить к возникновению новых фаз и даже различных наноструктур. Обширные исследования в этой области проводятся с начала 90-х годов [5,6]. Развитие данного нового направления связано с изучением влияния амфифильных молекул на фазовые переходы водного раствора гелеобразующего полиэлектролита. Большая часть современных работ посвящена исследованию систем «полиэлекгролит - противоположно заряженное ПАВ». Изучение систем «полиэлектролит - одноименно заряженное ПАВ», в частности, системы «ГК - додецилсульфат натрия (ДСН) - вода» не проводилось. Тем не менее, недавно было показано, что системы «полиэлектролит -одноименно заряженное ПАВ», содержащие в качестве компонентов Г'К, полиакрштаты, ДСН и липиды, могут быть успешно применены в
7
капсулировании фармакологических препаратов с контролируемой скоростью действия [7].
В настоящее время теоретические подходы, описывающие самодиффузию микрочастиц в полимерных сетках, основываются на гипотезе случайного распределения полимерных волокон в пространстве [8]. Однако, в гелях агарозы, каррагенана, ГК и полиакрилатов было предположено существование микрообластей, образованных плотно упакованными полимерными агрегатами, граничащих с менее плотной сеткой. Данная полимерная сетка имеет локальную анизотропию [9]. В некоторых случаях волокна геля могут быть ориентированы вдоль выделенного направления, например, магнитного поля. Коэффициенты самодиффузии молекул в гаком геле в разных направлениях различаются вследствие макроскопической анизотропии. Разработка новых теоретических подходов, описывающих самодиффузию микрочастиц в анизотропных полимерных сетках, представляет интерес для более корректной интерпретации результатов экспериментов в полимерных системах.
Цель диссертационной работы состояла в разработке новых методик исследования процессов самоор!Днизации в водных растворах гелеобразующих полиэлектролитов. В целях повышения информативности исследований была выбран новый диффузионный зонд - мицелла ДСП. Для проведения исследований системы «ГК - ДСН - вода» необходимо было разработать методы приготовления образцов. Кроме того, в ходе работы была предпринята попытка разработки нового подхода для теоретического описания самодиффузии молекул в анизотропной сетке геля.
Конкретно, задачами диссертационной работы являются:
1. Разработка методики исследования процессов самоорганизации в водных растворах гелеобразующих полиэлектролитов на примере анализа зависимостей параметров микроструктуры и молекулярной подвижности в
8
водных растворах геллановой камеди от температуры и концентраций ГК, СвО и амфифильного компонента ДСН по данным ЯМР-релаксации и диффузометрии протонов;
2. Исследование процессов гидратации агрегатов из макромолекул ГК в фазах золя и геля водного раствора при различных концетрациях полиэлектролита и СбС) в широком интервале температур по данным ЯМР-диффузометрии протонов воды;
3. Исследование микроструктуры и молекулярной подвижности в системах «ГК - ДСН - вода» при различных концетрациях пол и электролита и амфифильного компонента ДСН и двух методах приготовления систем в широком интервале температур по данным ЯМР-релаксации и диффузомечрии протонов;
4. Разработка нового подхода к описанию самодиффузии молекул в анизотропной сетке геля, содержащей узлы и полимерные волокна между ними, при различной плотности распределения волокон и ориентации узлов в просзранстве.
I [аучнан новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика исследования процессов самоорганизации в водном растворе, содержащем гелеобразующие полиионы, суть которой состоит во введении в раствор зонда в виде одноименно заряженной мицеллы ПАВ с размерами порядка размеров пор полимерной сетки, что является новым подходом;
2. Исследованы процессы гидратации агрегатов из макромолекул ГК в фазах золя и геля водного раствора при различных концентрациях полиэлектролита и хлорида цезия в широком интервале температур;
3. Впервые исследованы фазовые диаграммы тройных систем «Г’К - ДСП -вода» в диапазоне концентраций ГК 1-ьЗ вес. %, ДСН 0-г 5 вес. % и температур 12-5-90 °С для двух методов приготовления систем по данным ЯМР-релаксации и диффузометрии. Анализ данных по самодиффузии мицелл позволил определить радиусы молекул, агрегатов и пор
9
полимерной сетки ГК на масштабах 0.5*300 нм на основе применения модифицированной модели Огстона-Морриса и радиуса пор полимерной сетки на масштабах 300*10“' нм на основе анализа временной зависимое™ коэффициента самодиффузии мицелл;
4. Разработан теоретический подход, описывающий самодиффузию молекул в двумерной полимерной сетке, новым аспектом которого является применение тензорного расчета. Получены аналитические формулы для компонентов тензора стационарной самодиффузии молекул в анизотропной сетке геля, содержащей узлы и полимерные волокна между ними, для произвольной плотности распределения волокон и ориентации узлов в пространстве.
Основные положения, выносимые на защиту :
1. Мицелла ДСН можег быть использована в качестве диффузионного зонда в растворе ГК, позволяющего исследовать микроструктуру полимерной сетки. Коэффициент ограниченной самодиффузии мицелл зависит от времени измерения, что позволяет определить средний радиус пор полимерной сетки ГК в диапазоне 0.3*10 мкм. Коэффициент стационарной самодиффузии мицелл ДСН в сетке агрегатов ГК зависит о г радиуса агрегатов и пор сетки и электростатического взаимодействия мицелл и полиионов.
2. Система «ГК - ДСН - вода» обладает фазовой диаграммой, аналогичной диаграмме водного раствора ГК. Радиус агрегатов в фазе золь I составляет около 0.6 нм, а в вязко-эластичном геле и жестком геле примерно 0.8* 1.1 нм.
3. Процессы гидратации агрегатов из макромолекул ГК приводят к
уменьшению коэффициента самодиффузии протонов молекул воды,
измеренного методом ЯМР, в растворе в фазах золь II и геля. Молекулы
воды участвуют в образовании водородных связей между
макромолекулами в агрегате. При формировании спиралевидного димера
на одну гидроксильную группу макромолекулы ГК приходится около
10
одной молекулы воды вне зависимости от концентрации ГК в диапазоне 1-5-5%.
4. Теоретический анализ процессов стационарной самодиффузии с использованием решения уравнения Лапласа для концентрации диффузантов может быть обобщен на случай анизотропной среды при описании двумерной модели геля в виде соединенных между собой в тогах эллиптических пучков окружностей (полимерных волокон).
Аналитические выражения, полученные методом конформных отображений, для компонентов тензора стационарной самодиффузии молекул показывают, что с увеличением плотности полимерной сетки коэффициент самодиффузии молекул уменьшается в большей степени в направлении перпендикулярном волокнам.
Научная и практическая ценность результатов заключается в том, что
1. Разработаны метод приготовления систем «ГК - ДСН - вода», обладающих термообратимыми фазовыми переходами при концентрациях ГК менее 3% и ДСН менее 5%, и метод исследования формирования микроструктур в системах «раствор полиэлектролита - ПАВ - вода»
(ЯМР-диффузионная ячейка);
2. Обоснована возможность исследования фазовых переходов в водных растворах геллановой камеди по наблюдениям ЯМР-релаксации и самодиффузии протонов мицелл ДСН. Применение дайной методики для исследования водных растворов других гслеобразующих полиэлектролнгов позволит определить ряд новых параметров микроструктуры, в частности, радиус макромолекулярных агрегатов и пор полимерной сетки;
3. Экспериментально обнаружено сходство температурных зависимостей коэффициентов самодиффузии мицелл в системе «ГК - ДСН - вода» и углеводородов в цеолитах. Более детальное исследование данного явления
11
может быть полезным при разработке новых молекулярных сит и фильтров.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Международном коллоквиуме AMPERE по фазовым переходам, Вильнюс, Литва, 1999; Международной конференции ISMAR «ЯМР в коллоидах и на поверхности», Санкт-Петербург, Россия, 2001; Международной конференции по экспериментальному ЯМР EENC, Прага, Польша, 2002; Международной конференции по химической термодинамике, Санкт-Петербург, Россия, 2002; 6-й Международной конференции «ЯМР в пористых средах», Ульм, Германия, 2002. Кроме того, результаты работы были частично представлены на семинарах в Вашингтонском университете г. Сент-Луис (США, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликованы шесть печатных работ, в том числе одна статья и тезисы к пяти докладам, еще одна статья принята к печати
Структу ра и объем работы. В первой главе приведены структурные параметры золей и гелей водных растворов ГК, полученные различными методами. В главе освещены основные задачи современных исследований. Во второй главе описываются экспериментальные методы, применяемые в настоящей работе, и объекты исследования: водные растворы Г'К и ДСП. В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования самодиффузии протонов в водных растворах ГК в широком диапазоне температур при различных концентрациях ГК и хлорида цезия. Четвертая глава посвящена исследованию микроструктуры и молекулярной подвижности в системах «ГК - ДСП - вода». Данное исследование разделено на гри части. Первая часть (пара1рафы 4.1,4.2, 4.3.1) состоит в разработке различных методик приготовления и ЯМР изучения образцов. Термообратимость полученных систем была доказана методами ЯМР-релаксации, дифференци&пьной сканирующей калориметрии и кругового дихроизма. Вторая часть (параграфы 4.3.2, 4.3.3) заключается в изучении
12
ЯМР-параметров полученных систем в широком интервале температур при различных концентрациях ГК. Третью часть (параграфы 4.3.4-6.) занимает анализ полученных данных. В параграфе 4.3.7. на основе результатов третьей и четвертой глав формулируется новая методика исследования процессов самоорганизации в водном растворе полиэлектролита при вариации температуры и концентрации полимера. В пятой главе описывается новый подход, позволяющий рассчитать тензор стационарной самодиффузии молекул в анизотропной полимерной сетке. Приведены результаты теоретической аппроксимации экспериментальных данных по самодиффузии воды в теле агарозы.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность проф. В. И. Чижику за руководство работой и критические замечания, u.c. Ю. С. Чернышеву за поддержку и помощь в проведении ЯМР экспериментов, доц. А. С. Благовещенскому за консультации по •теоретическим вопросам диффузии в пористых средах, проф. К. Нишинари, университет г. Осака, Япония, за предоставление образца ГК и макролараметров дифференциальной сканирующей калориметрии, кругового дихроизма и реологии систем «ГК - ДСН - вода», приготовленных по методу,, разработанному автором, проф. М. Конради и проф. P. Hopoepiy за предоставленную возможность работы и апробацию научных результатов в группе «ЯМР в конденсированной фазе», Вашингтонский университет, г. Сент-Луис, США, проф. Р. Кимиху за поддержку и грант Deutsche Forschimgsgemeinaschaft для представления результатов диссертации на 6-ой Международной Конференции «ЯМР в пористых средах» в университете г. Ульм, Германия.
13
- Київ+380960830922