Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 8
1.1 Метод Ленгмюра-Блоджетт 9
1.2 Влияние состава водной фазы 18
1.3 Состояния монослоев 39
1.4 Система HSt / электролит 56
1.5 Монослои содержащие ионы трехвалентных металлов 59
1.6 Пленки Ленгмюра-Блоджетт на основе гибридных материалов .63
1.7 Электрокинетические свойства монослоев 81
1.8 Молекулярный магнетизм .84
1.9 Металл-аффинная хроматография 85
Глава 2 Экспериментальная часть
2.1 Подготовка реактивов 93
2.2 Методики эксперимента 94
2.3 Метод калориметрического титрования .101
2.4 Методы измерения магнитной восприимчивости .109
2.5 Металл-аффинная хроматография смеси фосфорилированных и нефосфорилированных пептидов .113
2.6 Масс-спектрометрический и хроматографический анализ .113
2.7 Методика получения ПЛБ 115
2.8 Измерение электрокинетического потенциала методами тока и потенциала течения 117
2.9 Измерение электропроводности растворов 120
Глава 3 Свойства монослоев HSt нанесенных на субфазы содержащие ионы меди, кадмия, железа
3.1 Предварительные рассуждения 121
3.2 Изучение физической адсорбции ионов металла на монослоях .126
3.3 Определение состава МС HSt, снятых с субфазы, содержащей ионы меди 130
3.4 Определение состава МС HSt, снятых с субфазы, содержащей ионы кадмия 134
3.5 Определение состава МС, содержащих ионы железа .154
3.6 Исследование магнитных свойств ПЛБ стеарата железа .166
Глава 4 Калориметрическое исследование дисперсий
коллапсированных монослоев .171
Глава 5 Электроповерхностные свойства ПЛБ на основе солей стеариновой кислоты 179
Глава 6 Исследование адсорбционных свойств ПЛБ на основе солей стеариновой кислоты
6.1 Исследование процесса адсорбции фосфорилированного белка на ПЛБ на основе стеарата железа(III) методом АСМ .211
6.2 Адсорбция белка на ПЛБ , содержащей ионы Fe+3 215
6.3 Термодинамические характеристики адсорбции белка на ПЛБ , содержащей ионы Fe+3 .217
6.4 Определение сорбционной емкости РММС Fe(III) 220
6.5 Изучение специфичности сорбции пептидов, фосфорилированных по различным аминокислотам .222
6.6 Термодинамические характеристики сорбции пептидов на РММС Fe(III) .223
6.7 Изучение специфичности сорбции на примере смеси различных фосфорилированных пептидов 227
6.8 Исследование адсорбции гистидин-меченного белка на РММС Cu(II) .230
Глава 7 Электрохимические системы на основе ПЛБ, содержащих ионы железа
7.1 Гибридные материалы, полученные непосредственно в ПЛБ 236
7.2 Электрохимические исследования пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих гексацианоферраты железа и меди 251
7.3 Исследование изотерм сжатия производных ферроцена 254
7.4 Электрохимические исследования пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе производных ферроцена 257
Выводы .262
Список литературы 265
- Влияние состава водной фазы
- Методы измерения магнитной восприимчивости
- Определение состава МС HSt, снятых с субфазы, содержащей ионы меди
- Изучение специфичности сорбции пептидов, фосфорилированных по различным аминокислотам
Введение к работе
Актуальность темы.
Проблема направленного синтеза и исследования влияния размерных
эффектов на особенности структуры и свойства наноразмерных систем является
одной из наиболее значимых на современном этапе развития химической науки.
Состояние данной проблемы характеризуется первостепенной важностью поиска и
реализации как способов синтеза, так и методов экспериментального исследования
и теоретического описания размерно-зависимых свойств новых систем.
Сравнительно простым и дешевым способом получения таких низкоразмерных
структур является известный еще с 30-х годов ХХ века коллоидно - химический
метод получения плнок Ленгмюра–Блоджетт (ПЛБ). Под термином
«ленгмюровские плнки» понимают не только мономолекулярный слой (МС) нерастворимого поверхностно-активного вещества на границе раздела двух фаз (как правило, жидкость – газ), но и регулярные мультимолекулярные структуры (ПЛБ), полученные путем последовательного переноса таких МС на твердую подложку. Возможность варьировать их состав и свойства на молекулярном уровне обусловила широкое применение таких структур. Особый интерес вызывают ленгмюровские плнки, содержащие ионы переходных металлов т.к. именно на их основе получают низкоразмерные магнитные системы, оптоэлектронные датчики, нанокластеры полупроводниковых соединений, используемые в качестве квантовых точек и т.д.
Однако, несмотря на столь большой интерес к указанным системам, комплексных исследований механических, электрических и химических свойств МС, содержащих ионы переходных металлов, практически не существует, несмотря на то, что это позволит не только расширить фундаментальные представления о межмолекулярных взаимодействиях в пределах одного монослоя, но и необходимо для создания оптимальных технологий получения ленгмюровских пленок различного предназначения.
Цель работы состоит в создании физико-химической модели получения наноразмерных систем с заданными параметрами на основе пленок Ленгмюра-Блоджетт и разработке научного подхода к созданию высокоспецифичных сорбентов и ион-селективных электродов на основе комплексного изучения физико-химических свойств ПЛБ, содержащих ионы переходных металлов. Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие основные
задачи:
Выявить влияние состава водной субфазы на структуру, поверхностные и электроповерхностные свойства пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих ионы переходных металлов путем комплексного исследования физико-химических свойств ПЛБ.
Определить влияние регулярности структуры на закономерности протекания химических процессов на поверхности ПЛБ.
Адаптировать методы масс-спектрометрического анализа, дифференциальной калориметрии, магнетохимических исследований к исследованию таких структур как пленки Ленгмюра-Блоджетт.
Положения, выносимые на защиту:
1.Данные о составе и поверхностных свойств МС стеариновой кислоты (НSt), полученных на поверхности водных растворов, содержащих ионы переходных металлов, в зависимости от концентрации и рН субфазы.
2. Комплекс данных по электроповерхностным свойствам ПЛБ и их
поверхностной проводимости.
3. Влияние регулярности структуры и состава водной субфазы на процесс
ионизации стеариновой кислоты на поверхности ПЛБ и их магнитные свойства.
4.Масс-спектрометрия как метод непосредственного установления
структурного звена для регулярных мультимолекулярных структур – пленок Ленгмюра-Блоджетт.
5. Возможность получения гибридных электродоактивных материалов на основе ПЛБ. Создание на их основе ион-селективных электродов и электродов сравнения.
6.Влияние природы иона метала, входящего в состав ПЛБ на специфичность адсорбции фосфорсодержащих пептидов из простых и сложных пептидных смесей при использовании ПЛб, содержащих ионы переходных металлов.
Научная новизна работы состоит в том, что на основе комплексного изучения электроповерхностных двух различных по природе объектов (пленки Ленгмюра-Блоджетт, перенесенные на твердую подложку и дисперсия коллапсированных монослоев, полученная путем медленного сжатия монослоев на поверхности водной субфазы с последующим диспергированием собранных монослоев с помощью ультразвука) показана практическая идентичность их поверхностных и структурных свойств. Это сделало возможным применение широкого круга физико-химических методов для исследования ПЛБ, таких как калориметрические, магнетохимические и масс-спектрометрические методы.
Для изучения процессов перехода стеариновой кислоты монослоя в соль была
разработана методика гетерогенного калориметрического титрования с
непрерывным вводом титранта. Полученные данные позволили установить связь удельной поверхностной проводимости ПЛБ стеариновой кислоты и ее солей с энтальпией взаимодействия стеарат-ионов МС с катионами водной субфазы.
Впервые методы масс-спектрометрии применены для установления
структуры ПЛБ, что позволило установить основные формы, в которых находятся ионы металлов в МС стеаратов. Разработанная масс-спектрометрическая методика (методы ESI-TOF и MALDI-TOF) может быть использована для определения качественного химического анализа ПЛБ.
Исследования магнитных свойств ПЛБ, содержащих ионы железа, показали, что в ходе образования пленок происходит самоорганизация вещества, приводящая к возникновению электронных коллективных взаимодействий в них
Практическая значимость:
Показана возможность использования ПЛБ, содержащих ионы железа и меди
в протеомном анализе: проведена оптимизация условий металл-аффинной
хроматографии, исследована селективность адсорбционных свойств ПЛБ,
содержащих ионы переходных металлов , на примере фосфорилированных
триптических пептидов бычьего казеина и синтетических пептидов,
фосфорилированных по различным аминокислотам и гистидин меченых белков. Показана возможность получения пленочных электродов на основе ПЛБ, содержащих берлинскую лазурь и ее аналоги. Также получены плночные электроды на основе ПЛБ алкилпроизводных ферроцена, которые могут использоваться в качестве электродов сравнения. Такие электроды имеют ряд преимуществ по сравнению с электродами сравнения типа хлоридсеребряного. При использовании предлагаемого электрода сравнения значительно в меньшей степени проявляются неопределенности в измерениях ЭДС гальванических элементов с переносом, связанные с диффузионным потенциалом. Кроме того, исследуемый раствор не загрязняется соединениями, присутствующими в электролитичском ключе, например KCl. Методика получения плночных электродов методом Ленгмюра-Блоджетт позволяет разрабатывать электродные системы сравнения и электроды II рода, обратимые к анионным ПАВ,
Апробация работы:
Материалы диссертационной работы были представлены на следующих
российских и международных конференциях: IX Международной конференции по
поверхностным силам 1990г Москва, республиканской конференции
«Ресурсосберегающие технологии и экологическая химия»Алма-ата, 1991,
Evrosensor V Conference Roma,1991, European Chemistry Interface Denf. Kiev., 1994,
6 Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в
растворах» Иваново 1995, 6 Международной конференции по химии порфиринов и
их аналогов. СПб 1995, 2 Международной научно-технической конференеции
«Актуальные проблемы химии и химической технологии» Иваново 1999 года, 10
симпозиуме «Сложные оксидные системы», 2007г п.Лоо, конференции «Основные
тенденции развития химии вначале ХХI-го века».2009г. СПб, Втором
междисциплинарном симпозиуме«Физика низкоразмерных систем и поверхностей»
2010 г. Сочи , X International conference on Nanostructured Materials NANO 2010 ,
Rome, конференции «Биологические активные вещества и материалы:
фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения», Новый Свет,
Украина, 2013, конференции «Химия поверхности и нанотехнология». г. Казань,
2012 г. Международной конференции-школе «Фундаментальные вопросы масс-
спектрометрии и ее аналитические применения», Санкт-Петербург, 2013, VI съезде
ВМСО, V Всероссийской конференции с международным участием "Масс-
спектрометрия и ее прикладные проблемы", Москва, 2013, IV международной
научно-практической конференции «Постгеномные методы анализа в биологии и
клинической медицине» Казань. Россия 2014г, III Всероссийской научной
конференции с международным участием «Успехи синтеза и
комплексообразования» Москва 2014 г., III Всероссийскомсимпозиуме с международным участием по поверхностно-активным веществам «ПАВ-2015», Санкт-Петербург.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 23 статьи в журналах из списка ВАК.
Личный вклад автора состоит в выборе направлений исследований, постановке и обосновании цели и задач работы, разработке комплекса экспериментальных подходов к их решению, анализе, интерпретации результатов
исследования, подготовке публикаций в качестве основного автора.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из 7 глав, заключения и выводов, содержит 302 страницы, 140рисунков, 231 ссылку на используемую литературу.
Влияние состава водной фазы
В выполненных на кафедре коллоидной химии СПбГУ работах Ю.М.Чернобережского и А.И.Янкловича [15, 28] были изучены смачиваемость твердой основы водными растворами жирных кислот, статические и динамические краевые углы, образующиеся в процессе переноса МС, связь типов переноса МС с типом и регулярностью полученной ПЛБ. Там же предложен оригинальный механизм образования ПЛБ, который основывается на следующих положениях: 1) поверхность образующейся ПЛБ гидрофобна на воздухе и гидрофильна в растворе; 2) при переносе МС по Z- или Х-типу возможен переворот молекул МС в точке трехфазного контакта, который происходит постепенно при пересечении твердой подложкой с нанесенной на не ПЛБ, границы раздела фаз: жидкая субфаза - МС - газ в том случае, если молекулы во внешнем слое ПЛБ соприкасаются с противоположной по полярности частью молекул МС; 3) наиболее энергетически выгодным является соприкосновение двух соседних слоев в ПЛБ одинаковыми по характеру частями «полярная — полярная» или «неполярная – неполярная»; 4) наиболее гидрофильный тип переноса (Z-тип) будет осуществляться только на гидрофильной твердой основе и до тех пор, пока влияние этой основы, распространяющееся через всю структуру, определяет характер переноса. С увеличением числа слоев в ММС это влияние ослабевает и Z-тип переноса изменяется на более гидрофобный Y – тип.
Таким образом, предлагаемый механизм переноса МС, приводит, в конечном результате, к одинаковой по строению мультиструктуре, в которой плоскости из полярных частей молекул (в случае солей жирных кислот – плоскости из металлических ионов) «разделены» двойной длиной углеводородной цепи. Следует отметить, что приводимые здесь модели ПЛБ являются, конечно, идеализированными, тогда как реально существующие структуры могут включать различного рода нарушения регулярности (как это имеет место в случае реальных кристаллов). В дальнейшем этот механизм образования ПЛБ получил экспериментальное подтверждение при исследованиях методом Оже-спектроскопии [29] процесса получения ПЛБ, в молекулы которых вводилась радиоактивная метка.
Свойства и качество полученных ПЛБ зависят от состава и свойства монослоя ПАВ на водной субфазе. Эти свойства, в свою очередь, определяются составом, концентрацией и рН жидкой субфазы, а также величиной поверхностного давления в этом монослое. Поскольку монослои жирных кислот (Сis - С22) довольно часто используются при построение молекулярных ансамблей (ПЛБ), различного предназначения, существует значительное число работ, в которых были исследованы влияние состава водной субфазы, содержащей ионы различных металлов (Са2+, Ва2+, Сd2+, Pb2+ и т.п.) в довольно широком диапазоне рН на свойства монослоев жирных кислот, нанесенных на такие растворы. Довольно подробный анализ таких работ приводится в [4].
Наличие в субфазе электролита может привести к химическим реакциям с монослоем. Для анионактивных ПАВ (например, стеариновой кислоты) это реакция образования средних и основных солей с катионами субфазы: R - COO + Меп+ -Me (RCOO)„ (1.2.1) R- COO + MeOHmV+ MeOH(RCOO)m (1.2.2) Для катионактивных ПАВ (таких как октадециламин) это реакция образования солей с анионами субфазы: R - NH3+ + Хп -(RNH3)„X (1.2.3) R - NH3+ + HXm -(RNH3)mHX (1.2.4)
Очевидно, что смещение равновесия в указанных реакциях определяется как видом ионов в водной субфазе, (который зависит от возможных процессов их гидролиза), так и процессом диссоциации самих молекул ПАВ в монослое, причем оба процесса зависят от рН.
Среди публикаций, посвященных изучению поверхностных свойств монослоев, особый интерес представляют работы [30-38], позволяющие проанализировать зависимость различных параметров изотерм от вида ПАВ и состава жидкой субфазы. Термином «жидкая субфаза» определяется водный раствор, на который наносится монослой.
Итак, какие ионы, присутствующие в подложке могут оказать влияние на свойства монослоя, и в первую очередь на вид изотермы сжатия = f(А):
1. Ионы Н и ОН". При этом необходимо учитывать, что хотя в большинстве работ в качестве регуляторов рН использовали растворы НС1 и NaOH, не исключены и другие регуляторы, как например, NH4OH или NaHCCb [36,38]
2. Ионы солевого фона: ионы щелочных и щелочноземельных металлов. ионы металлов, подвергающиеся заметному гидролизу в исследуемой области рН. Для этой группы следует учитывать также возможности образования при некоторых концентрациях (10 4 М) полиядерных гидроксокомплексов, комплексов с анионами раствора, а в ряде случаев и продуктов растворения, амфотерных гидроксидов при высоких значениях рН. анионы, присутствующие в субфазе, и в первую очередь, это анионы такие, как НСО3".
Различия во влиянии рН водной субфазы на свойства МС для катионактивных и анионактивных ПАВ становятся ясными уже из Рис. 1.2. [39], на котором представлены изотермы сжатия стеариновой кислоты Сі7Н35СООН и октадециламина Сi8Н37NH2 на воде (рН = 6) и в растворе щелочи (рН = 11,5-12,5).
Методы измерения магнитной восприимчивости
При их рассмотрении обращает на себя внимание, что величины рК HSt убывают с увеличением как концентрации металл-иона в субфазе, так и его заряда. Кроме того металл-ионы, расположенные в порядке убывания величины рК HSt , довольно точно повторяют лиотропный ряд, который составлен по возрастанию их адсорбционных потенциалов и характеризует коагулирующее действие электролитов. С учетом высказанных выше соображений, что на изменение величины рК HSt влияет потенциал 0 на границе раздела МС - водная субфаза, такая закономерность кажется вполне объяснимой. Для субфазы. cодержащей ионы Na+, величины рК HSt оказались на 2.5 – 4.5 единицы больше величины рКHSt(bulk) = 5.1; для двухзарядных ионов (Ca+2, Cd+2, Mn+2) они больше всего на 0.5 – 1.5; а для трехзарядных ионов величины рК HSt оказались даже меньше, чем 5.0. Это свидетельствует о возможности начала реакции таких металл-ионов с МС HSt при величинах рН субфазы уже 2.5 – 3, что мы наблюдаем, например, в случае субфазы Al(NO3)3 510-5 [57]. Многие авторы [5, 53, 59, 79] на основании собственных исследований свойств и состава МС жирных кислот высказывали мнение о различном характере взаимодействия металл-ионов с МС. Так в работе [84] были проведены измерения поверхностного давления и поверхностного потенциала для МС стеариновой и арахиновой кислот на субфазе, содержащей различные двухзарядные металл-ионы (Mg, Ca, Ba, Co, Pb). Было показано, что конденсация МС наступает при рН 6 для Co и рН 4.7 –5 для Pb, тогда как для остальных ионов этот эффект наблюдался при рН 6. Авторы работы [84] делают вывод о том, что упорядочение МС вызвано образованием ковалентной связи между карбоксилат-ионом и ионом свинца, кадмия или кобальта, тогда как у щелочно-земельных металлов такого порядка нет, т.к. взаимодействие металл-карбоксилат носит преимущественно ионный характер.
Ещ чаще соображения о ковалентном характере взаимодействия металла с МС высказывались для трехзарядных ионов (Al+3, Сr+3, Y+3), когда возникают обоснованные сомнения в образовании солей типа MeSt3 [5, 43, 85]. Поэтому однозначно связывать состав МС с величиной рК , по-видимому, можно только в тех случаях, когда мы точно знаем какая соль (нормальная или основная) образуется в реакции этого металла с монослоем.
Существует несколько видов классификаций состояния монослоев, наиболее предпочтительной из них представляется классификация Адама [86]. Он обнаружил, что для некоторых дифильных веществ, отличающихся только полярной группой, изотерма сжатия имеет два линейных участка (Рис.), причем верхний, почти вертикальный участок, является общим для всех таких соединений и имеет предельную площадь 0,190 нм2, тогда как нижний прямолинейный участок является характеристичным для каждого соединения. Адам предположил, что каждый участок отвечает сжатию определенной части молекулы: верхний участок – сжатию углеродной цепи, а нижний – сжатию гидрофильной головной группы. На этой основе Адам вводит классификацию МС по влиянию головной группы на вид изотермы сжатия:
I. «пленки с плотной упаковкой углеводородных цепей», для которых наблюдается только один линейный участок, отвечающий сжатию углеводородных цепей, а предельная экстраполированная площадь составляет 0,190 нм2 (Рис., крив. 1). К этой группе относятся жирные кислоты, предельные спирты, предельные амины и т. д.
II. «пленки с перегруппировкой головных групп», когда площадь поперечного сечения головной группы несколько больше, чем углеводородной цепи. Однако при увеличении давления происходит изменение упаковки головных групп, по-видимому, за счет их вдавливания в углубления цепей соседних молекул (Рис., крив. 2, 3). К этой группе относятся соединения, содержащие непредельные связи в углеводородном хвосте, например, кислоты с одной двойной связью. Наличие непредельной связи увеличивает конформационный объем цепи из СН2 - групп и приводит к появлению второго линейного участка изотермы с площадью около 0,25 нм2.
III. «пленки без перегруппировки плотноупакованных головных групп», в которых значения экстраполированной площади не достигает 0,190 нм2 на всем протяжении 71 - А и зависит от размера головной группы. Пленки такого типа получаются из производных фенола, мочевины, глицеридов, и т. п. (Рис., крив. 4).
Ленгмюр [91] подобно Адаму считал, что в плотно сжатых монослоях, молекулы ориентированы нормально к поверхности раздела. Кроме того, он полагал, что в конденсированных монослоях образуется гидратированный двумерный кристалл. Другого мнения придерживались Лайонс и Райдил [92], полагая, что при А = 0,205 нм2 цепи наиболее плотно упакованы и наклонены под углом G = 63, 4 к поверхности (при этом имеет место взаимная пригонка соседних углеводородных цепей), а при А = 0, 261 нм2 угол наклона 0 = 45. Однако в этой работе совершенно не рассматривается влияние раствора субфазы, в частности, гидратация молекул в монослое, а структура и свойства монослоя полностью объясняется размерами и свойствами адсорбированных молекул.
Харкинс и Бойд [93] и Александер [94] выступают против механического переноса структуры объемной фазы на структуру монослоя. По их мнению, следует учитывать, что карбоксильная группа молекул, находится в воде и не может в той же степени, что и в кристалле, участвовать в формировании структуры МС. Как следует из вышеизложенного, проблема фазовых переходов в монослоях нерастворимых ПАВ непроста и пока еще довольно далека от однозначной трактовки, так как взаимодействия амфифильных молекул, составляющих монослой, друг с другом и субфазой достаточно сложны. Необходимо учитывать силы стерического отталкивания и дисперсионные силы притяжения между углеводородными цепями, а также силы кулоновского и диполь - дипольного взаимодействия между полярными головными группами. Кроме того, полярные головки молекул жирных кислот, могут взаимодействовать с водой, образуя водородные связи и гидратные комплексы.
Определение состава МС HSt, снятых с субфазы, содержащей ионы меди
Причиной попадания металла в МС жирной кислоты может быть не только химическая реакция (3.1.1 или 3.1.2). В принципе, не исключена возможность физической адсорбции молекул или ионов из водной субфазы на конденсированном МС. Повышение pH субфазы приводит не только к гидролизу металл-ионов, но и к образованию наночастиц дисперсной фазы. В этом случае возможны и другие механизмы их взаимодействия с МС, как например, гетероадагуляция, причем в этом случае, в отличие от химической реакции ионов металла c МС, указанные наночастицы могут быть как нейтральными, так и нести любой заряд. Эти предположения проверялись в ряде работ, начиная с работы Спинка и Сандерса [80], причем в качестве МС неионогенного ПАВ, наносимого на водную субфазу, содержащую тот или иной металл-ион, использовали метилстеарат, парафин или Физическая адсорбция иона металла на МС неионогенных ПАВ гептадекан [55,59,80]. В этих работах была детально исследована возможность физической адсорбции на субфазах, содержащих ионы меди и алюминия, и свинца с использованием в качестве МС неионогенного ПАВ цетилового спирта C16H33OH, рис.3.2.1. Как следует из данных, приведенных на этом рисунке, физическая адсорбция на МС неионогенного ПАВ сильно зависит от концентрации металл-иона в субфазе. При концентрациях ниже 110-4 физическая адсорбция пренебрежимо мала, и только при концентрациях соли выше этого значения становится вполне заметной, особенно в тех областях рН, где начинаются процессы гидролиза (рН 6). Что же касается данных из работы Спинка и Сандерса [80] , то резкое увеличение содержания меди в МС метилстеарата может быть объяснено не только увеличением концентрации соли в субфазе на порядок, но и возможным гидролизом метилстеарата с образованием уже вполне инонного ПАВ - стеариновой кислоты.
Нами также были проведены холостые опыты позволяющие исключить из величины уср ( мкг) концентрации металл-ионов, попадающих в МС HSt не за счет химических процессов. С этой целью по вышеописанной методике на ту же самую водную субфазу, содержащую ионы исследуемого металла концентрацией 5x10–5 моль/л при различных значениях рН, вместо МС стеариновой кислоты наносился раствор неиононгенного ПАВ - цетилового спирта , монослои которого собирались и исследовались на присутствие в них ионов металла, абсолютно по той же методике, что была описана выше для МС HSt. Полученные значения Гфон , определенные для четырех областей рН субфазы , вычитались из значений Гср., давая таким образом истинные величины содержания металла в МС стеариновой кислоты, только за счет химической реакции : уиспр = уср - уфон Результаты определения концентрации ионов металла на МС для ионов Си2+ и Cd2+ с учетом физической адсорбции при различных рН представлены в табл. 3.1 и 3.2: 129
Расчет доли перехода кислоты в соль проводили по формуле у х106 х50млх 284.48 HSt С = » = 0,8436 112.41 Cd 2+x 1.5жіх 0.1 х0"3 где : 1.5 мл- объем раствора HSt в н-гексане, 0.1 мг/мл - концентрация HSt в н-гексане, 50 мл - объем раствора с пробой МС, содержащего ионы металла. Из данных, приведенных в табл.3.1. следует, что для МС HSt на растворе Cu(N03)2 - 3x10"5 влияние физической адсорбции на результаты анализа состава МС начинает прослеживаться при значениях рН выше 7.5, а существенные изменения наступают только при рН 9. При этом доли перехода меди в соль в области рН = 6- 9 превышают значения С = 0.5, что свидетельствует об образовании как CuSt2 , так и Cu(OH)St.
Следует отметить, что вопрос о возможности попадания металла из субфазы в МС за счет физической адсорбции для методов группы "plating" (т.е слоев, перенесенных на твердую подложку) вообще теряет актуальность, т.к толщина МС соли жирной кислоты в ПЛБ точно соответствует толщине МС этой соли на поверхности субфазы. Это не допускает возможности попадания в ПЛБ следов воды или физически адсорбированных ионов.
При увеличении рН субфазы от 3 до 6 (рис.3.3.1), происходит увеличение доли перехода кислоты в соль от нулевых значений до величины С = 0,5 , что хорошо согласуется с представлениями о смещении равновесия в реакции обмена: Cu+2 + 2HSt = CuSt2 + 2H+ (3.3.1) вправо с образованием средней соли - дистеарата меди. При низких значениях рН 5 в субфазе присутствуют только негидролизованные ионы меди Cu+2, а степень ионизации стеариновой кислоты невелика. Поэтому доля перехода кислоты в соль к этому моменту достигает только величины С = 0,2, что хорошо согласуется с зависимостью А2,5 - рН, (рис. 3.3.2), на которой отчетливо видно, что величины А2,5 лежат в области отрицательных значений и, следовательно, негидролизованные ионы меди Cu+2 конденсируют МС. В этом же интервале рН возрастает и поверхностная упругость МС HSt – Е2,5 . 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Рис.3.3.1. Зависимость состава МС HSt от рН на субфазе, содержащей Cu(NO3)2 – (510-5 моль/л): сплошная кривая -свежеприготовленный раствор; 4 8 12 pH пунктир – раствор, выдержанный трое суток. Увеличение рН от 5 до 6 повышает степень ионизации кислоты, и на этом участке доля перехода кислоты в соль увеличивается до значения С = 0.5 (что вполне может соответствовать полному переходу HSt в МС в нормальную соль CuSt2). Однако из зависимости, представленной на рис.3.3.2, следует, что в этом интервале рН происходит расширение МС (переход величин А2,5 от отрицательных к положительным значениям и заметное уменьшение поверхностной упругости Е2,5).
Изучение специфичности сорбции пептидов, фосфорилированных по различным аминокислотам
В случае МС HSt, находящихся на растворах, содержащих ионы железа, образования FeSt3 не происходит (что было подтверждено масс спектрометрическими исследованиями), но влияние процессов гидролиза на ионные формы железа (III) с ростом рН приводит к тому, что при взаимодействии монослоя стеариновой кислоты в данной области рН с ионами субфазы образуются дистеараты и моностеараты железа состава Fe(OH)St2 и Fe(OH)2St.
Отметим, что для МС, полученного нанесением раствора ранее приготовленного FeSt3 в гексане на водную субфазу, значения площади приходящейся на молекулу лежат значительно ниже, чем для МС, полученных нанесением растворов HSt в гексане на субфазы, содержащие ионы железа (рис. 3.5.2, кривые 2,3).
Это обусловлено тем, что в первом случае мы наносим на субфазу уже готовые молекулы FeSt3, и при расчете величины А2,5 на одну стеаратную группу берем 1/2 площади, приходящейся на одну молекулу FeSt3 С. Такой подход справедлив в предположении, что только две стеариновые группы входят в состав монослоя, а третья - находится вне монослоя. Это подтверждается данными о площади, приходящейся на молекулу, т.к если предположить теоретическую возможность встраивания всех трех стеариновых радикалов в монослой, то площадь поперечного сечения одной стеариновой группы оказалась бы меньше поперечного сечения предельного углеводорода. Следует отметить, что в указанном диапазоне рН соответствующие зависимости А2,5 (рассчитанные также на один карбоксилат-ион) для МС стеариновой кислоты на растворах меди и алюминия лежат в том же самом интервале 0,23 - 0.26 нм2
Учитывая, что площадь поперечного сечения одной углеводородной цепочки, составляет 0,20 нм2, а в случае FeSt3 площадь А2,5 равна 0,42 нм2, мы можем предположить, что молекулы данного вещества располагаются следующим образом: две углеводородные группы встраиваются в монослой, а третий «выдавливается» в сторону жидкой субфазы и не участвует в пострении монослоя. В случае МС HSt, находящихся на растворах, содержащих ионы железа, образования FeSt3 очевидно не происходит (что было подтверждено масс-спектрометрическими исследованиями), но влияние процессов гидролиза на ионные формы железа (III) с ростом рН приводит к тому, что при взаимодействии монослоя стеариновой кислоты в данной области рН с ионами субфазы образуются дистеараты и моностеараты железа состава Fe(OH)St2 и Fe(OH)2St. Данные о переходе кислоты в соль для трехвалентного железа (рис 3.5.4) показывают, что максимальная доля перехода наблюдается при рН 3.5, когда основными формами являются ионы Fe+3 и Fe(OH)2+ .
При нанесении раствора стеариновой кислоты на субфазу, содержащую ионы Fe+2, ход зависимости А2.5 от рН раствора несколько меняется. В интервале рН = 2 - 2.5 стеариновая кислота находится в недиссоциированном состоянии и, соответственно, реакция с ионами субфазы практически не происходит (поэтому кривые 2 и 3 на рис.3.5.2 совпадают). Далее при увеличении рН субфазы увеличивается доля ионизированных молекул стеариновой кислоты и начинается реакция образования FeSt2. Кривая 3 лежит ниже кривой 2, следовательно, ионы Fe+2 оказывают более конденсирующее действие на монослой, чем ионы Fe(OH)+2, причем наиболее заметный эффект наблюдается при рН = 4, когда стеариновая кислота сильно диссоциирована, а в растворе железо находится в форме Fe+2.
Дальнейшее повышение значений А2.5 с увеличением значений рН может быть обусловлено образованием Fe(OH)St, что подтверждают представленные на рис.3.5.5 результаты анализа состава МС HSt от pH, из которых видно, что максимальная доля перехода кислоты в соль наблюдается при рН = 4 и составляет около 0,7 - 0,72 , что говорит о наиболее вероятном присутствии в МС молекул как Fe(OH)St , так и FeSt2 .
Для того чтобы понять как быстро происходит процесс перехода катионов железа в монослое из двухвалентного состояния в трехвалентное, была измерена зависимость площади приходящейся на молекулу от времени которое прошло с момента растворения соли двухвалентного железа в воде. (рис. 3.5.6). Из полученной зависимости видно, что со временем увеличивается полощадь, приходящаяся на одну углеводородную группу в монослое. Это объясняется тем, что в начальный период времени большинство ионов железа находится в двухзарядном состоянии. Со временем происходит преход Fe+2 в Fe+3 . Трехвалентное железо в свою очередь подвергается гидролизу в результате чего образуются гидроксокомплексы. Эти гидроксокомплексы встраиваются в монослой и тем самым расширяют его и, следовательно, увеличивают площадь, приходящуюся на одну молекулу.
Если для стеаратов двухвалентных металлов хорошо известна структурная единица, из которой состоит монослой (либо средняя соль, либо моногидроксосоль), то для трехвалентных металлов структурное звено точно не установлено. С этой целью были проведены масс-спектрометрические исследования состава монослоев стеариновой кислоты, снятых с поверхности водной субфазы, содержащей соли трехвалентных металлов.
Необходимо отметить, что стеараты железа нерастворимы в воде и плохо растворяется в большинстве органических растворителей, что делает прямой химический анализ весьма затруднительным. Применение метода масс-спектрометрии для качественного определения состава монослоя и гидратированных форм ионов железа было обусловлено возможностью анализа исследуемых растворов в концентрациях, не превышающих 10-5 моль/л, а именно в таком количестве стеараты железа способны растворяться в полярных органических растворителях и, в частности, ацетонитриле – наиболее удобном растворителе для масс-спектрометрического анализа методом ESIOF.
Масс-спектрометрический анализ проводился на приборе МХ-5311, разработанном в Институте Аналитического приборостроения РАН (метод ионизации - электроспрэй ESI, времяпролетный анализатор).
Первыми были исследованы монослои стеарата железа (III) полученные взаимодействием спиртового раствора стеариновой кислоты и хлорида железа (III). Наличие тристеарата железа в данных монослоях было подтверждено масс-спектрометрически методом ESI- TOF рис 3.5.7 А.