Основний зміст роботи

Аналіз літературних даних дозволив визначити напрямки, мету, предмет та основні завдання дисертаційної роботи.

В другому розділі наведено характеристики об'єктів дослідження: кремнезему, флороглюцину, галової кислоти, 1,5- та 1,6-диоксинафталінів, сироваткового альбуміну людини, а також методи та методики, які використовувались при вивченні їх гідратаційних властивостей та характеристик.

Приведено опис методів використаних для дослідження гідратаційних та фізико-хімічних властивостей білку та нанокомпозитів на основі кремнезему, зокрема, 1Н ЯМР, електронна і інфрачервона спектроскопії, мікрокалориметрія, скануюча електронна мікроскопія, диференціальний термогравіметричний аналіз, температурно-програмована десорбція з мас-спектрометричним контролем, реологічні дослідження та методи теоретичних розрахунків: розподілу пор за розмірами, енергії активації десорбції води та зсуву в'язкості.

Третій розділ присвячено вивченню гідратаційних властивостей частково гідрофобізованого кремнезему в залежності від концентрації хімічно прищеплених на поверхні триметилсилільних (ТМС) груп.

Порівнюючи залежності міжфазної енергії від ступеня гідрофобізації поверхні ВДК, отримані методами мікрокалориметрії та 1Н ЯМР спектроскопії (рис. 2) бачимо, що перші п'ять досліджуваних зразків змочуються водою, а шостий може бути переведений в водне середовище тільки через стадію попереднього змочування органічним розчинником (в даному випадку етанолом). Тобто, спостерігається чітка кореляція в значеннях величин ?S та теплоти змочування, за винятком зразку SM6. Різницю в величинах ?S і теплот змочування для зразків, слід віднести на рахунок зміни середовища, оскільки в методі мікрокалориметрії поверхня контактує не тільки з водою але й з повітрям. Тобто метод 1Н ЯМР спектроскопії з успіхом може бути застосований для визначення інтегральних значень енергії збурення поверхнею водного середовища.

У четвертому розділі наведені результати вивчення гідратаційних властивостей кремнезему при адсорбційному модифікуванні його поверхні одноядерними (галова кислота (ГК), флороглюцин (ФГ)) та біядерними (1,5- та 1,6-діоксинафталіни (1,5- та 1,6-ДОН)) фенольними сполуками. Показано, що при взаємодії фенольних сполук з поверхнею кремнезему спостерігається зменшення інтенсивності смуги поглинання вільних силанольних груп поверхні високодисперсного кремнезему (рис. 3).

Взаємодія фенольних сполук з поверхнею високодисперсного кремнезему відбувається за рахунок утворення водневозв'язаних комплексів між гідроксильними (карбоксильними) групами молекул модифікатора і поверхневими гідроксилами. При цьому ступінь заповнення поверхневих гідроксилів не перевищує 80 %. Тобто частина силанольних груп залишається незадіяною навіть при полімолекулярному шарі модифікатора.

Змочування кремнезему спиртовим розчином флороглюцину (ФГ) зумовлює лише незначні зміни морфологічної будови агрегатів і агломератів (рис. 4), що є типовим для подібного типу нанокомпозитів.

В електронних спектрах модифікованого кремнезему реєструються характеристичні смуги молекулярних форм фенольних сполук (табл. 2). При контакті з киснем повітря фенольні сполуки можуть частково окислюватись. Це призводить до появи смуг поглинання, характерних для хіноїдних структур.

Таблиця 2 Спектральні характеристики фенольних сполук

При нагріванні зразку ФГ/ВДК на термогравіметричних (ТГ) кривих (рис. 5) спостерігаються дві ділянки відносно швидкої зміни маси, які відповідають мінімумам диференціально термогравіметричних (ДТГ) кривих. Перший з них при T < 50 єС може бути пов'язаний з десорбцією частини ФГ і фізично адсорбованої води. Другий ДТГ мінімум при 150 < T < 220 єС близький до температури кипіння флороглюцину (218-221 єС для безводного ФГ) і зумовлений десорбцією основної частини флороглюцину. Подальше зменшення маси зразків при T > 250 єС (рис. 5) обумовлено десорбцією залишкової кількості флороглюцину, що зосереджений в вузьких міжчастинкових порожнинах або десорбцією води, адсорбованої по дисоціативному механізму. Деякі широкі піки ДТГ кривих розташовані між 400 і 700 єС (рис. 5) можуть бути пов'язані з пролонгованістю цього десорбційного процесу.

При збільшенні вмісту флороглюцину зростає і втрата маси в діапазоні температур 150 < T < 220 єС, що відповідає десорбції ФГ, в той час як кількість води, що десорбується при 25 < T < 700 єС, може становити до 5,6 % мас (СФГ = 0,2 ммоль/г). Це суттєво більше, ніж для вихідного кремнезему (2,2 % мас). Таким чином, адсорбований ФГ сприяє адсорбції води на поверхні кремнезему.

При порівнянні функції розподілу енергії активації десорбції води (f(Ea)) з поверхні кремнезему та нанокомпозиту ВДК/ФГ (СФГ = 1,5 ммоль/г) випливає, що величина f(Ea) зменшується в процесі модифікування поверхні (рис. 5, д). Цей ефект зумовлений тим, що молекули флороглюцину мають значно більшу кількість центрів утворення міжмолекулярних водневих зв'язків, а також появою сильнозв'язаної води в нанокомпозитах ВДК/ФГ, зосередженої в порожнинах між шаром модифікатора та кремнезему. Слід однак відмітити, що у випадку зразку 6, частина води десорбується при температурах значно нижчих ніж у випадку чистого кремнезему (рис. 5). Тобто збільшується відносна кількість слабозв'язаної води. Це може бути зумовлено розміщенням молекул флороглюцину у місцях з максимальним адсорбційним потенціалом, з яких флороглюцин витісняє частину сильнозв'язаної води.

В'язкість водних суспензій нанокомпозитів ВДК/ГК збільшується із зменшенням швидкості зсуву і збільшенням концентрації суспензії (Cтв.ф) (рис. 6, а). Крім того, значення в'язкості () дещо знижується з часом при фіксованих швидкостях зсуву (максимальне значення при 1312 с?1) внаслідок перевищення швидкості руйнування коагуляційних структур над швидкістю їх відновлення. Тобто, ці системи можуть бути віднесені до коагуляційно-тиксотропних. Характерно, що слабо полярні молекули такі, як галова кислота можуть легко десорбуватися з непористих первинних частинок ВДК в водне середовище, оскільки вільна енергія Гіббса в розчиненому стані є значно нижчою, ніж для адсорбованих молекул на зовнішній відкритій поверхні непористих первинних частинок кремнезему.

Функція розподілу енергії активації зсуву в'язкості f(E) (рис. 6, б) обчислена на основі реологічних даних (рис. 6, а) є немономодальною, оскільки досліджувана колоїдна система є комплексом агрегатів і агломератів різного розміру; енергетично неоднорідною (тобто, руйнування зв'язків в агрегатах і агломератах різних розмірів і структур потребує різної енергії); і може бути сильно змінена протягом експерименту внаслідок руйнування коагуляційних структур при підвищенні значення швидкості зсуву () і відновлення коагуляційних структур при зменшенні .

При мінімальній концентрації модифікатора функція f(E) (рис. 6, б) стає практично мономодальною, оскільки перший пік кривої розподілу при 1,3 кДж/моль, значно менший, ніж основний пік при 2,7 кДж/моль. Значне зменшення зсуву в'язкості при великих (рис. 6, а) відповідає зниженню енергії активації зсуву в'язкості при низькому навантаженні. Крім того, із збільшенням CВДК/ГК, криві f(E) зміщуються в сторону великих значень енергії (E). Однак, інтенсивність піків різна для різних зразків - низько-енергетичні піки зменшуються при збільшенні CВДК/ГК при одночасному збільшенні високоенергетичних піків. Цей перерозподіл форми кривих f(E) зумовлено змінами процесів структуризації/розпаду в системі і залежить від CВДК/ГК, значення і часу.

Виявилось, що при модифікуванні кремнезему 1,5-діоксинафталіном в'язкість практично не залежить від вмісту модифікатора (рис. 7, а). Імовірно, коли адсорбований на частинках кремнезему 1,5-ДОН знаходиться у вигляді нанокристалів або кластерів, це запобігає утворенню просторової сітки в дисперсіях, оскільки зменшує міжчастинкову взаємодію. При збільшенні співвідношення C1,5-ДОН/CВДК (зростання адсорбованих кластерів 1,5-ДОН) відбувається зменшення і зсув піків f(E) у бік менших величин E (рис. 7, б), внаслідок зниження імовірності утворення великих коагуляційних кластерів.

Гідратаційні властивості кремнезему залежать від типу модифікатора і його концентрації на поверхні. Найбільш повна картина впливу адсорбованих молекул ФГ на міжфазну воду спостерігається на основі залежності міжфазної енергії від концентрації флороглюцину (S(CФГ)) одержаної методом 1Н ЯМР спектроскопії (рис. 8), на якій можна виділити дві частини (нульова точка залежності S(CФГ) відповідає водній суспензії вихідного кремнезему). Перша - при CФГ ? 8 ммоль/г відповідає покриттю поверхні меншому за товщину статистичного моношару. Для неї із збільшенням значення CФГ спостерігається зростання S на 25 % відносно вихідного кремнезему. Друга ділянка (CФГ = 1,0 - 1,5 ммоль/г) характеризується різким зростанням S до 450 мДж/м2, що значно більше, ніж для вихідного кремнезему (150 мДж/м2). Оскільки, при CФГ більших за товщину моношару на поверхні можуть утворюватись нанокристали модифікатора, можна зробити висновок, що саме вони спричиняють цей ріст. Відповідно зростає і льодоутворююча здатність нанокомпозиту ВДК/ФГ. Іншою причиною може бути загальне збурення води в об'ємі агрегатів ВДК/ФГ, що є наслідком збільшення кількості аморфного льоду, адже ФГ у мікрокристалічному стані є найбільш активним льодоутворювачем.

Дані ЯМР кріопорометрії (рис. 9) свідчать про незначну зміну геометрії заповнених водою внутрішніх порожнин частинок модифікованого кремнезему в процесі модифікування. Адсорбція ФГ зумовлює появу вузьких порожнин заповнених незамерзаючою водою при R < 1 нм. Основний пік розподілу пор за розмірами (PПРuw) зсувається до менших значень внаслідок заповнення пор між сусідніми агрегатами в агломератах (чи відносно великих пор в агрегатах) з адсорбованими молекулами ФГ. Відповідно, кількість незамерзаючої води збільшується не тільки у внутрішньому просторі агрегатів, але також в порожнинах між агрегатами в агломератах. Відповідно, об'єм незамерзаючої води збільшується із зростанням CФГ тому, що ФГ координує велику кількість води, яка розміщена між агрегатами в агломератах. Зокрема, збільшується вміст порожнин з радіусом 0,7 і 8 нм. Тобто, при створенні нанокомпозитів відбувається значна перебудова структури агрегатів частинок кремнезему.

Квантово-хімічні розрахунки гідратних комплексів флороглюцину у вільному стані показують, що при адсорбції ФГ на кластері кремнезему гідратна оболонка змінюється. Вона стає дещо розупорядкованою, а деякі молекули води змінюють своє положення відносно молекули флороглюцину. Найбільш імовірно, що висока льодоутворююча здатність ФГ зумовлена однаковою відстанню між атомами кисню в ФГ (0,471 нм обчисленої з використанням HF/6-31G(d,p)) і гексагональному льоді (rОО = 0,470 нм у другій координаційній сфері) (рис. 10). Крім того, у випадку комплексів води з молекулами ФГ, атоми кисню води мають невелику кількість ступенів свободи аналогічно до молекул в нанокраплі води. Викривлення впорядкованої структури гідратної оболонки молекулами флороглюцину при його адсорбції може спричиняти деяке зменшення льодоутворюючої здатності.

Міжфазна енергія суспензій (5 % мас) нанокомпозиту ВДК/ГК в залежності від концентрації галової кислоти має складний вигляд (рис. 11, а). При малих концентраціях модифікатора з ростом СГК величина ?S зменшується від 113 до 72 мДж/г, тобто відбувається деяка пасивація поверхні по відношенню до водного середовища. При СГК = 0,4 ммоль/г, спостерігається різке збільшення товщини гідратного шару, а при більших значеннях СГК - ділянка росту ?S від 67 до 120 мДж/г.

Ріст концентрації твердої фази приводить до зменшення величини міжфазної енергії (рис. 11, а) завдяки перекриванню гідратних оболонок суміжних дисперсних частинок. Оскільки, поверхня кремнезему сильно гідратована, для здійснення контакту між частинками із міжчастинкового простору повинна бути видалена деяка кількість зв'язаної води. З умови рівноваги системи дисперсні частинки-вода, можна вважати, що зменшення енергії взаємодії з водою в процесі концентрування суспензій компенсується міжчастинковими взаємодіями. Тоді зміна ?S при варіюванні Ств.ф визначає енергію міжчастинкових взаємодій (рис. 11, б).

Адсорбційне модифікування поверхні кремнезему 1,5-ДОН не привело до істотних змін його гідратованості, а величина ?S змінюється не більше як на 40 % (рис. 12). Імовірно, це обумовлено тим, що в 1,5-ДОН, у порівнянні з ГК і ФГ, відстань між атомами кисню гідроксильних груп значно більша за 0,50-0,515 нм. Тому будова гідратних структур на міжфазній границі 1,5-ДОН/ВДК/вода близька до будови гідратного покрову частинок вихідного кремнезему, який, зазвичай, розупорядковує структуру водневих зв'язків граничної води. Для кремнеземів, адсорбційно модифікованих досліджуваними фенольними сполуками, питомий вміст в них центрів гідрофільної адсорбції води збільшується в послідовності 1,5-ДОН < ФГ < ГК. Дійсно, мінімальні значення міжфазної енергії в водному середовищі фіксуються саме для кремнезему, модифікованого 1,5-ДОН, а максимальне значення міжфазної енергії спостерігається для флороглюцину. Формування товстої гідратної оболонки адсорбційно модифікованих кремнеземів відбувається не тільки завдяки великій кількості протоно- та електронодонорних центрів, через які можуть утворюватись водневі зв'язки з міжфазною водою, але і завдяки комплементарності просторового розташування цих центрів з льодоподібною структурою води. при цьому оптимальним можна вважати таке розташування активних центрів, яке відповідає структурі гексагонального льоду. Імовірно, саме такі структури відповідальні за високу льодоутворюючу здатність деяких типів фенольних сполук. П'ятий розділ присвячено вивченню взаємодії біополімерних молекул з водним середовищем та тих змін, що мають місце в гідратних оболонках білкових молекул при адсорбції білків на поверхні кремнезему. Гідратовані порошки САЛ містять тільки сильнозв'язану воду (рис. 13, а). В середовищі хлороформу спостерігається перехід частини сильнозв'язаної води в слабозв'язану (яка замерзає поблизу 273 К). На рис. 13, б наведені аналогічні результати для САЛ, адсорбованого на поверхні кремнезему. Як видно з рисунка, перетворення частини сильнозв'язаної води в слабозв'язану в середовищі хлороформу не спостерігається.

Можна припустити, що в гідратованих молекулах САЛ слабо асоційована вода перебуває в структурних порожнинах, обмежених переважно гідрофобними групами. Завдяки більшій, у порівнянні з молекулами води, величині дисперсійних взаємодій слабо полярних молекул хлороформу з гідрофобними ділянками нанорозмірних порожнин, молекули води під впливом хлороформу переміщуються від стінок у внутрішню частину пор або на гідрофільні ділянки поверхні білкової глобули. На границі розділу водної і органічної фаз формується шар, збагачений слабо асоційованою водою. Частина води, що переміщується до гідрофільних ділянок, стає слабозв'язаною і зі зниженням температури замерзає. Таким чином, відбувається перерозподіл водної і органічної фаз всередині білкової глобули і зустрічний масоперенос води із слабо полярного середовища (дейтерохлороформу), що відбувається між гідрофобними і гідрофільними ділянками білкової молекули. При додаванні до гідратованого білку бензолу (C6D6), який взаємодіє переважно з гідрофобними областями сироваткового альбуміну людини, частина сильнозв'язаної з білком води перетворюється в слабозв'язану (рис. 14) при його концентрації більшій ніж 20 % мас.

Заміна слабо полярних органічних розчинників на ацетонітрил (CD3CN), що в об'ємі змішується з водою у будь-яких пропорціях, може супроводжуватись переходом частини води, із стану адсорбованого на молекулах САЛ у розчин, але дані рис. 15 свідчать, що вся вода в системі залишається сильнозв'язаною. Це свідчить про обмежену розчинність міжфазної води в ацетонітрилі, оскільки, така вода замерзає поблизу 273 К і може ідентифікуватись як слабозв'язана.

Під впливом хлороформу, бензолу та ацетонітрилу, в молекулах САЛ мають місце конформаційні перетворення, які супроводжуються зменшенням об'єму внутрішніх порожнин білкових глобул, що підтверджують дані ЯМР кріопорометрії. Оскільки, САЛ в процесі зовнішнього впливу (взаємодія з органічними молекулами) прагне до мінімального значення вільної енергії, просторове розміщення біополімерних фрагментів змінюється на таке, при якому з органічною фазою межують переважно неполярні амінокислотні залишки, а полярні переміщуються у внутрішню частину білкових глобул.