.

Вплив адсорбованих молекул на гідратаційні властивості кремнезему та сироваткового альбуміну людини (автореферат)

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
139 2949
Скачать документ

Національна Академія наУк україни

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка

НЕЧИПОР ОКСАНА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 541.183

Вплив адсорбованих молекул на гідратаційні властивості кремнезему та
сироваткового альбуміну людини

01.04.18 – фізика і хімія поверхні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної
академії наук України

Науковий керівник: доктор хімічних наук

Туров Володимир Всеволодович,

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Єременко Ганна Михайлівна,

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України,

провідний науковий співробітник

кандидат хімічних наук

Хоменко Костянтин Миколайович,

Інститут сорбції та проблем ендоекології НАН України,

старший науковий співробітник

Захист відбудеться “ 11”     жовтня     2007 р. о 14.00 годині на
засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 Інституту хімії
поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України за адресою: 03164, м. Київ,
вул. Генерала Наумова, 17

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту хімії поверхні
ім. О.О. Чуйка НАН України, Київ, вул. Генерала Наумова, 17

Автореферат розісланий “ 7 ”    вересня    2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Приходько Г. П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Високодисперсний кремнезем є ефективним
ентеросорбентом, який застосовується для лікування багатьох захворювань
як екзогенної, так і ендогенної природи. Для створення новітніх
препаратів еферентної терапії з широким спектром фармакологічної дії
використовують модифікування кремнезему шляхом адсорбційного закріплення
на його поверхні біологічно активних речовин. Перспективними
модифікаторами поверхні кремнезему можуть бути фенольні сполуки, які
входять до складу значної кількості природних біологічно активних
речовин. Однак, адсорбційно-десорбційні характеристики композитних
матеріалів на основі високодисперсного кремнезему значною мірою залежать
від будови сольватної оболонки нанорозмірних частинок. Процес
приготування таких матеріалів може супроводжуватись змінами структури
активних центрів поверхні, товщини гідратного шару,
гідрофобно-гідрофільних властивостей наночастинок, морфології їх
агрегатів та агломератів тощо. Частинки модифікованого кремнезему в
організмі переважно взаємодіють з білковими компонентами клітин або
біологічних рідин, завдяки його високій білок-сорбуючій активності. В
результаті виникають умови для селективної взаємодії молекул
модифікатора з білковими молекулами, зокрема, і тими, що входять до
складу клітинних рецепторів. На сьогодні ці процеси практично не
досліджені і тому потребують ретельного вивчення шляхом застосування
новітніх методологічних підходів та сучасних фізико-хімічних методів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота
виконувалась згідно з тематичними планами науково-дослідних робіт
Інституту хімії поверхні НАН України: „Теоретичні дослідження і розробка
лікарських композитів з сорбційним механізмом дії і регульованою
фармакокінетикою” (№ держ. реєстрації 0199U002299); „Закономірності
адсорбційної взаємодії та хімічних перетворень на поверхні дисперсних
оксидів в суспензіях біоактивних молекул, полімерів, клітин та
мікроорганізмів” (№ держ. реєстрації 0103U006286).

Мета дослідження: Дослідження закономірностей формування гідратного шару
нанорозмірних частинок високодисперсного кремнезему в присутності
адсорбованих на поверхні одноядерних (галова кислота, флороглюцин) та
біядерних (1,5- та 1,6-діоксинафталіни) фенольних сполук, а також
гідратаційних властивостей глобулярного білку (сироваткового альбуміну
людини) у вільному та адсорбованому на поверхні кремнезему стані та
впливу органічних речовин різної хімічної природи на гідратацію білку.

Завдання дослідження:

Розробити методологічні підходи для застосування 1Н ЯМР спектроскопії у
визначенні гідрофобно-гідрофільних властивостей модифікованих
кремнеземів у водних середовищах.

Вивчити процес модифікування кремнезему фенольними сполуками та
дослідити будову і стабільність одержаних матеріалів.

Дослідити взаємодію модифікаторів з поверхнею кремнезему та встановити
взаємозв’язок між будовою адсорбційного шару модифікатора та гідратними
структурами, що утворюються на міжфазній границі модифікованих
кремнеземів з повітряним та водним середовищем.

Дослідити будову гідратного покрову гідратованих порошків сироваткового
альбуміну людини у вільному та адсорбованому на поверхні кремнезему
стані, а також визначити вплив органічних розчинників на гідратні
структури.

Об’єкти дослідження. Вихідний і модифіковані (гексаметилдісилазаном,
фенольними сполуками і білком) кремнеземи, одноядерні (флороглюцин,
галова кислота) та біядерні (1,5- та

1,6-діоксинафталіни) фенольні сполуки і сироватковий альбумін людини.

Предмет дослідження. Міжфазні взаємодії вихідних та модифікованих
оксидів кремнезему, фенольних сполук і сироваткового альбуміну людини з
водою, структура приповерхневих шарів води.

Методи дослідження: адсорбційні методи, електронна– (UV-VIS),
інфрачервона та 1H ЯМР спектроскопії, скануюча електронна мікроскопія,
термогравіметричний метод, температурно-програмована десорбція з
мас-спектрометричним контролем, реологічні дослідження, модельні
розрахунки (неемпіричні (HF/6-31G(d,p), DFT/B3LYP/6-31G(d,p)) та
напівемпіричні (РМ 3) методи). При обробці експериментальних даних
використано спеціалізоване програмне забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше показано, що міжфазна
енергія модифікованих кремнеземів, обчислена на основі даних 1Н ЯМР
спектроскопії, добре корелює з величинами теплот змочування, одержаних
методом мікрокалориметрії. Це дозволило порівняти гідрофільні
властивості модифікованих кремнеземів у водних суспензіях в широкому
діапазоні поверхневих концентрацій модифікатора та його хімічного
складу.

Встановлено, що при модифікуванні поверхні кремнезему фенольними
сполуками, енергія взаємодії поверхні композитів з водою змінюється
немонотонно із зростанням кількості модифікатора. Незважаючи на те, що
поверхня фенольних сполук є менш гідрофільною, ніж поверхня кремнезему,
знайдено, що флороглюцин збільшує енергію взаємодії кремнезему з водою у
всьому концентраційному діапазоні, а для галової кислоти,
1,5-діоксинафталіну максимальна енергія взаємодії спостерігається при
певній поверхневій концентрації модифікатора. Причина полягає у
формуванні на поверхні композитних матеріалів гідратних комплексів
певного складу, які можуть бути співрозмірними з параметрами
кристалічної гратки льоду, що сприяє формуванню гідратної оболонки.

Вперше методом 1Н ЯМР спектроскопії досліджено вплив органічних
розчинників різної хімічної будови на гідратацію білкових глобул
сироваткового альбуміну людини. При цьому роздільно спостерігались
сигнали води, що взаємодіє з білком по механізмам гідрофобної та
гідрофільної гідратації. Встановлено, що в присутності бензолу та
хлороформу значна кількість зв’язаної води переходить у слабо
асоційований стан, в якому кожна молекула в середньому утворює один
водневий зв’язок.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі результати
можуть бути використані для створення на основі високодисперсного
кремнезему та фенольних сполук нового покоління адсорбентів медичного
призначення з антиоксидантними властивостями. Наведені експериментальні
дані та модельні розрахунки свідчать, що на їх основі можуть бути
розроблені методи керування гідратаційними властивостями нанорозмірних
частинок кремнезему, що необхідно при створенні композитів, сумісних з
біологічними рідинами.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом проведено підбір та аналіз
літературних даних, сплановано і проведено основний обсяг
експериментальних досліджень та систематизовано одержані результати.
Постановка завдань досліджень, обговорення і узагальнення результатів та
формулювання висновків проводились спільно з науковим керівником
д.х.н. Туровим В.В. та за участю д.х.н., професора Гунька В.М. та к.х.н.
Барвінченко В.М. Дані інфрачервоної спектроскопії одержано за сприяння
к.х.н. Зуба Ю.Л. Експериментальні дані методом скануючої електронної
мікроскопії одержано разом з доктором Шульгою О.В. (США). Величини
теплот змочування одержано методом мікрокалориметрії спільно з д.х.н.
Паховчишиним С.В. Одержали та дослідили частково гідрофобізовані
кремнеземи разом з к.х.н. Богатирьовим В.М. Температурно-програмована
десорбція з мас-спектрометричним контролем здійснювалась за участю д.ф.
– м.н., проф. Покровського В.А. 1H ЯМР дослідження здійснено разом з
науковим керівником. Теоретичне моделювання та математичну обробку
експериментальних результатів (розрахунки розподілу пор за розмірами,
енергії активації десорбції води та енергії активації зсуву в’язкості)
та їх обговорення виконано спільно з д.х.н., проф. Гуньком В.М.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної
роботи були представлені на вітчизняних та міжнародних конференціях:
Всеукраїнська конференція молодих вчених з актуальних питань хімії, Київ
(2003); ХІІ Ежегодная международная научная школа “Вибротехнология-2003”
по обработке дисперсных (сыпучих) материалов и сред, Одесса (2003);
VII Polish-Ukrainian Symposium on Theoretical and Experimental Studies
of Interfacial Phenomena and their Technological Applications, Lublin
(2003); VIII Ukrainian-Polish Symposium on Theoretical and Experimental
Studies of Interfacial Phenomena and their Technological Applications,
Odessa (2004); III Всеукраїнська Конференція молодих вчених та студентів
з актуальних питань хімії, Харків (2005); Десята наукова конференція
“Львівські хімічні читання – 2005”, Львів (2005); International
conference “Nanomaterials in chemistry, biology and medicine”, Kyiv
(2005); Х Международная конференция “Теоретические проблемы химии
поверхности, адсорбции и хроматографии”, Москва – Клязьма (2006);
Всеукраїнська конференція молодих вчених “Наноматеріали в хімії,
біології та медицині”, Київ (2006).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 7
статей у вітчизняних та міжнародних наукових журналах і збірках наукових
праць, 9 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура і обсяг роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів,
висновків і переліку посилань. Матеріали дисертації викладено на 172
сторінках машинописного тексту, включаючи 7 таблиць, 55 рисунків та
список літературних джерел (262 найменування).

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, стан проблеми, сформульовано
мету та завдання дослідження, вказано предмет та об’єкти дослідження,
показано наукову новизну та вагомість вирішених проблем.

Перший розділ присвячений опису різних форм води, вивченню її
характеристик, а також опису методів, що використовуються при
дослідженні властивостей води. Проведено детальний аналіз фізичних та
хімічних властивостей води та їх відмінність від аналогічних
властивостей інших речовин. Показано що, незвичними властивостями
володіють також водні розчини органічних та неорганічних сполук,
особливо сконцентрованих на міжфазній границі адсорбент/рідина.
Властивості міжфазної води визначаються будовою твердих поверхонь і
фізико-хімічними параметрами середовища. Крім того, стан міжфазних шарів
води може залежати від наявності на поверхні адсорбованих речовин, які
змінюють впорядкованість граничної води. При цьому зв’язана вода є
неоднорідною за енергією взаємодії з поверхнею.

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.

Показано, що при модифікуванні поверхні ВДК гексаметилдісилазаном, в
результаті заміщення частини вільних силанольних груп кремнезему на ТМС
групи, вигляд 1Н ЯМР спектрів для зразків, що містять невелику кількість
прищеплених ТМС груп (SM1-SM4) подібний, а при подальшому збільшенні
кількості ТМС груп спостерігаються суттєві зміни в спектрах гідратованих
порошків (SM4-SM6) в середовищі хлороформу (табл. 1, рис. 1). Хлороформ
є досить слабким протонодонором і не конкурує з молекулами води у
взаємодії з вільними силанольними групами при формуванні водневого
зв’язку, але може сприяти утворенню нанокрапель води, які слабо
взаємодіють з гідрофобними групами. В спектрах спостерігається одиночний
сигнал адсорбованої води, хімічний зсув і ширина якого залежать від умов
проведення досліду, вузькі сигнали СН-груп недейтерованої частини
хлороформу (? = 7,26 м.ч.) та води, розчиненої в хлороформі (? =
1,3 м.ч.).

Таблиця 1

Характеристики шарів міжфазної води в водних суспензіях

вихідного і модифікованого кремнезему

Зразок Концентрація ТМС груп,

ммоль/г (Gs,

кДж/моль (Gw,

,

мг/г Vuw,

см3/г (S,

Дж/г (S,

мДж/м2

ВДК 0,00 2,3 0,40 700 1000 1,7 55,6 150

SM1 0,09 3,0 0,40 600 1400 2,0 65,5 170

SM2 0,14 3,3 0,40 500 1000 1,5 50,9 140

SM3 0,12 2,6 0,40 450 750 1,2 50,9 135

SM4 0,23 2,5 0,35 400 700 1,1 43,0 125

SM5 0,42 3,0 0,70 400 500 0,9 53,6 160

SM6 0,79 2,7 0,40 300 900 1,2 35,0 120

Для зразків SM1–SM4 адсорбована вода спостерігається у вигляді сигналу
ширина якого є мінімальною при Т = 240 К. Його інтенсивність знижується
при зниженні температури, що обумовлено пошаровим виморожуванням
адсорбованої води. Збільшення ширини сигналу з пониженням температури
викликано зменшенням молекулярної рухливості адсорбованої води, а її
зростання при відносно високій температурі – прискоренням протонного
обміну між молекулами води і поверхневими гідроксилами або молекулярного
обміну між різними формами зв’язаної води. Із зростанням концентрації
прищеплених ТМС груп, спостерігається розділення сигналу адсорбованої
води на сигнали, що відповідають сильно і слабо асоційованій воді.
Практично вся вода, адсорбована на SM6, є слабо асоційованою і її
хімічний зсув майже не залежить від температури (рис. 1).

Рис. 1. Температурна залежність 1H ЯМР спектрів води адсорбованої на
поверхні триметилсилільованого кремнезему SM4 (a), SM5 (б), і SM6 (в)

в присутності дейтерохлороформу

) немонотонно залежить від гідрофобності зразку (табл. 1). Імовірно, це
відбувається за рахунок перебудови в процесі модифікування вторинних
частинок кремнезему і неоднорідності модифікованої поверхні. Не
дивлячись на зменшення концентрації силанольних груп для модифікованих
кремнеземів зміни вільної енергії Гіббса шарів міжфазної води в водному
середовищі не перевищують 20 %.

На початковій стадії модифікування поверхні ВДК гідрофобізуючим агентом
(гексаметилдісилазаном) спостерігається деяке збільшення величини
міжфазної енергії (?S) (табл. 1, рис. 2). Саме при малій кількості
прищеплених гідрофобних центрів спостерігається її максимальне значення,
що узгоджується з описаним в літературі фактом значного зростання
величини (S для змішаних або карбонізованих оксидів в умовах, коли
концентрація модифікатора не перевищує 3 % мас. Це обумовлено високою
неоднорідністю поверхні, яка спричиняє значне збурення сітки водневих
зв’язків міжфазної води. При подальшому збільшенні концентрації
прищеплених ТМС груп міжфазна енергія коливається в діапазоні 40/65Дж/г
і значне її зниження відбувається лише при концентрації ТМС груп
0,79 ммоль/г (SM6).

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.

Рис. 2. Порівняльна характеристика теплот змочування кремнеземів в воді
і міжфазної енергії міжфазної води при T ( 273 K

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).

Рис. 3. Ступінь заповнення силанольних груп кремнезему фенольними
сполуками.

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.

Рис. 4. СЕМ зображення нанокомпозиту флороглюцин/високодисперсний
кремнезем (СФГ = 1 ммоль/г) при низькій (а) і високій (б) роздільній
здатності

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

Речовина На поверхні кремнезему У розчині

молекулярна форма окислена форма молекулярна форма

лmax, нм лmax, нм

Флороглюцин 269 445 269

Галова кислота 276 400 276

1,5-Діоксинафталін 301, 318, 333 576 301, 318, 333

1,6-Діоксинафталін 289, 300, 325, 337 405, 561 289, 300, 325, 337

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  250 ?С (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 ?С (рис. 5) можуть бути пов’язані з пролонгованістю цього
десорбційного процесу.

При збільшенні вмісту флороглюцину зростає і втрата маси в діапазоні
температур 150 T1/4ueth j   ?e Tuue " j   ?????????????? ?? ?????th????? ???u??? ?????u????? tt AEsEst ????????????$ ????? ????? ????? ????? h?`U@?yy6) 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 

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Ответить

Курсовые, Дипломы, Рефераты на заказ в кратчайшие сроки
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020