Содержание к диссертации
Введение
2 Материалы и методы 8
1.1 Материалы 8
2.1 Методы 11
2.2.1 Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (КЛСМ) 11
2.2.2 Диализ 12
2.2.3 Электронная микроскопия 13
2.2.4 Измерение активности глюкозоксидазы 13
2.2.5 Эксперименты по титрованию 14
2.2.6. Силовая сканирующая микроскопия (ССМ) 14
2.2.7Рассеяние света единичными частицами 15
2.2.8 Гель-проникающая хроматография 16
2.2.9 Флюоресцентная спектроскопия 16
2.2.10 Ультрафиолетовая и видимая спектроскопия 18
2.2.11 Техника микровзвешивания с использованием кварцевых кристаллов (ТМКК) 18
3 Послойные электростатически самоорганизующиеся ансамбли 20
3.1 Использованные материалы 20
3.2 Принципы послойной электростатической самосборки 21
3.3 Использованные субстраты 25
3.4 Рост слоев: условия и кинетика 26
3.5 Структура и свойства мультислоев 29
4 Металло-полимерные композиционные материалы 32
4.1 Методы получения 32
4.2 Свойства и применение 35
5 Катализ 37
5.1 Введение в катализ 37
5.2. Серебро (0) как катализатор реакции восстановления нитросоединений 38
Результаты и обсуждение 39
6. Проницаемость капсул 39
6.1 Проницаемость капсул для полимеров 40
6.1.1 Проницаемость как функция рН 40
6.1.2 Инкапсулирование полимеров путем изменения рН 46
6.1.3. Проницаемость как функция полярности растворителя 47
6.1.4 Инкапсулирование полимеров посредством изменения полярности растворителя 49
6.2 Проницаемость капсул для низкомолекулярных веществ и ионов 53
6.2.1 Проницаемость как функция толщины стенок оболочки 53
6.2 2 Проницаемость как функция ионной силы и кислотности 60
7. Карбонатные частицы как ядро для формирования капсул 67
8 Изготовление коллоидов с металлизированной поверхностью и полых металлизированных капсул 75
8.1 Восстановление серебра в стенках капсул (ПАниПСС-ПААГ)4 75
8.2 Восстановление серебра, включенного в стенки капсул 78
8.2.1 Изготовление оболочек (ПСС/Ag) и полых капсул 78
8.2.2 Восстановление серебра и структура полученных капсул 79
*
8.2.3 ПСС/Ag капсулы в качестве фотопластинок 81
8.3 Реакция серебряного зеркала (проба Толленса) 82
8.4 Каталитическая активность 89
Заключение 91
Выводы 96
Список литературы
- Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (КЛСМ)
- Принципы послойной электростатической самосборки
- Свойства и применение
- Проницаемость как функция полярности растворителя
Введение к работе
Создание новых материалов является одной из движущих сил для развития фундаментального знания и промышленности. В настоящее время широко используются широкий спектр композитных материалов: от макрокомпозитов, применяемых в конструкционных целях, до синтезированных композитов микро- и наноразмеров, используемых в электронике, оптике, текстильной, бумажной, фармацевтической и др. отраслях промышленности. Представления о коллоидах и их свойствах играют основную роль при создании нанокомпозитов. Совершенствование этих материалов состоит или в изменении химического состава композиции, или в модификации их поверхностных свойств. Последнее обеспечивает большую гибкость и более точную корректировку свойств материала. Для того, чтобы модифицировать коллоидные (межфазные) поверхности, существуют различные методы: от неспецифической адсорбции и хемосорбции до химической прививки.
Один из способов модификации поверхности основан на адсорбции одного или нескольких слоев модификатора на этой поверхности. Самая старинная техника формирования мультислойных плёнок датируется 1920 годом, когда Лэнгмюр и Блоджетт разработали способ нанесения монослоя на поверхность твердого субстрата [1,2]. Этот способ назван именами своих создателей. LB-техника стала настоящим прорывом в науке и, начиная с 1960-х гг., она вызывает постоянно возрастающий интерес. Несмотря на то, что огромное множество веществ может быть использовано для приготовления LB-пленок, а получаемые слои высокоорганизованы, упорядочены, имеют равномерную толщину, и можно получить очень толстые мультислои (например, Блоджетт получала покрытия, состоящие их 3000 слоев), эта техника не нашла промышленного применения. Этому есть несколько причин: субстрат должен быть очень гладким и однородным; любой дефект в слое трудно залечить последующим слоем; результирующие LB-мультислои не стабильны при высокой температуре или при обработке растворителем, и, наконец, требуется доростоящее оборудование, особенно для покрытия относительно больших площадей.
Другая подход к сборке искусственных слоистых структур был предложен Сагивом и Нетцером [3,4]. Метод основан на последовательности повторяющихся двухступенных процессов хемосорбции монослоев с последующей активацией их
поверхностных групп. Ковалентная связь молекул внутри одного слоя и между мультислоями обусловливает в результате формирование высоко упорядоченных пленок, устойчивых к действию температуры и растворителей. Этот метод был применен Нуззо и Алларо [5] к адсорбции тиолов на поверхности благородных металлов. Как было показано, эта технология оказалась полезной в формировании мультислоев [6]. Однако высокая специфичность хемосорбции ограничивает диапазон веществ, которые могут быть использованы, и нуждается в особой химической природе субстрата. Еще несколько аналогичных методов было представлено в 1970-1990 гг., но по ряду причин они не получили распространения. Основной вклад в создание мультислоев был сделан Дечером с сотр., который разработал метод электростатического самоформирования мультислоев, впервые предложенный Эйлером в 1966 г. [7]. Они использовали анионные и катионные биполярные амфолиты, адсорбция которых приводила к перемене знака заряда поверхности [8]. Мультислои были получены путем поочередного погружения субстрата в растворы соответствующих амфолитов противоположного знака. В том же году они применили этот метод к полиэлектролитам [9,10]. Единственным решающим фактором при успешном осаждении слоя является перемена знака заряда поверхности, которая может быть достигнута выбором необходимых условий при осаждении. С этих пор разные полиэлектролиты могли быть адсорбированы на поверхности твердых и жидких материалов, формируя слоистые структуры с уникальными свойствами. Было установлено, что такие пленки могут состоять из более, чем 1000 слоев. Толщина адсорбируемого слоя может быть отрегулирована с точностью до нескольких ангстрем. Универсальный характер этого метода не налагает никаких ограничений на тип полиэлектролитов. К настоящему времени этот метод использовался для более чем 50 различных полимеров, включая синтетические полиэлектролиты, проводящие полимеры и биополимеры (протеины и нуклеиновые кислоты). Формируемые мультислои могут иметь разнообразную форму, если помимо полиэлектролитов используют другие материалы, такие как органические и неорганические частицы или кристаллы, биомолекулы, липиды и вирусы, которые позволяют сформировать сложную ламелярную структуру слоев. Применение полимеров в качестве пленкообразователей часто предпочтительнее, чем использование их низкомолекулярных аналогов. Механическая прочность, эластичность электрические, оптические и другие свойства полимеров делают их уникальной
«строительной единицей» в создании композитных материалов. Включение протеинов и нуклеиновых кислот в многослойные пленки может привести к применению их в качестве биосенсоров и в биотехнологии [11,12]. Последнее может обеспечить основу для разработки ультратонких многоступенчатых химических катализаторов или систем фотосинтеза, имитирующих растения. Дальнейшее применение может быть найдено также в производстве оптических приборов [13,14] и газоразделительных мембран [15].
Одной из самых важных особенностей мультислоев является их селективная проницаемость для различных веществ. Проницаемость мультислойной пленки зависит от толщины слоя, его пористости, структуры, химического состава композиции и размера проникающего вещества. Некоторые исследования [16] в этом направлении показали, что такие пленки непроницаемы для макромолекул с большой молекулярной массой и размерами, но они полностью проницаемы для малых полярных молекул.
Эффективное использование мультислойных покрытий тесно связано с исследованием их свойств. Хотя методы изучения свойств мультислоев интенсивно развиваются, они часто не могут быть применены или требуют много времени из-за малого количества изучаемого материала и возможного влияния поверхности подложки, используемой для формирования слоев. Чтобы исключить первый фактор, нужно резко увеличить общую поверхность мультислоев, что может быть достигнуто путем использования коллоидных частиц в качестве подложки [17]. Растворение коллоидной ядра позволяет избежать второго недостатка. Полученные полые капсулы [18,19] позволяют изучать полиэлектролитные мультислои на межфазной поверхности «жидкость-жидкость», что практически недостижимо при работе с двухмерной «классической» подложкой.
Кроме этого, дополнительная полая многослойная оболочка из полиэлектролитов и пустая капсула - это самостоятельная система с большими возможностями. Исследования в этой постоянно расширяющейся области были начаты в середине 1990-х гг. [18-22]. В качестве ядра были использованы различные материалы: от латексов и неорганических кристаллов до протеиновых агрегатов, клеток и даже микрокапель масла. Было предложено два альтернативных способа адсорбции:
поочередное добавление раствора каждого из полиэлектролитов в количестве точно соответствующему необходимому для формирования слоя;
использование избытка полимера и промежуточное удаление неадсорбированного избытка путем центрифугирования или фильтрации перед формированием последующего слоя.
Также как и в случае плоских поверхностей для формирования капсул могут быть использованы разные вещества, включая полимеры, низкомолекулярные вещества, ионы, и частицы. Материал ядра может быть удален впоследствие путем растворения [19] или кальцинирования [23], чтобы получить пустую капсулу. Такие капсулы перспективны в качестве средств доставки лекарственных веществ [24] с линейной кинетикой высвобождения лекарства [25], микрореакторов [26-28], каталитических систем [26,27] и т.д. Материалы на основе капсул могут иметь несколько преимуществ.
Можно получить очень активные материалы с селективной проницаемостью благодаря специфической морфологии и высокой площади поверхности капсул.
Формирование композитных покрытий из нескольких активных веществ поможет создать каталитические системы «несколько-в-одном», способные катализировать несколько реакций одновременно. Присутствие полимерной матрицы может привести к высокой селективности катализа благодаря стерическому, энантиометрическому или электростатическому влиянию полимера.
Полимерная матрица может служить защитным «конвертом» защищающим активные молекулы от возможного влияния окружающей среды.
Растворимость этих материалов в различных растворителях можно легко регулировать путем изменения самого внешнего слоя: гидрофобные слои увеличивают растворимость в маслах, гидрофильные слои повышают водорастворимость. Одновременно легко регулировать сродство капсулы к поверхности путем присоединения специфических химических групп.
В настоящей работе исследовали проницаемость капсул для веществ различной природы. Описано влияние на свойства капсулы различных факторов,
таких как материал оболочки, рН, полярность растворителя. Особое внимание уделено пониманию механизма проницаемости на основе представлений о плоских мультислоях.
Способы регулирования проницаемости капсул имеют дело с физической модификацией свойств стенок капсулы. Другой способ изменения свойств полиэлектролитных мультислоев может состоять в химической модификации (т.е. с помощью химических реакций), которая может быть более гибким способом, а в некоторых случаях единственно возможным способом достижения желаемых свойств. Один из примеров, состоящий в металлизации стенок капсулы бьш реализован в этой работе. Разработанные капсулы на основе металл-полиэлектролитных композитов имеют большой потенциал для применения в качестве катализаторов с исключительной активностью.
Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (КЛСМ)
Измерения проводили на Leica TCS SP конфокальной микроскопической системе (Leica, Германия) со 100-кратным масляным иммерсионным объективом, и апетурой 1,4.
Конфокальная система изображения не регистрирует информацию, находящуюся вне фокуса благодаря расположению отверстия прямо перед детектором, так что регистрируется только та область образца, которая находится в фокусе по отношению к детектору. Формирование конфокального изображения может осуществляется с использованием точечного возбуждения и детектирования сигнала, что является важным преимуществом в лазерной сканирующей микроскопии. Свет от лазера проходит сквозь маленькое отверстие (см. схему 2.1, слева) и рассеивается на линзу объектива микроскопа. Линза объектива фокусирует свет на малом участке образца в фокальной плоскости линзы. Свет, отраженный от освещенного участка образца, собирается объективом и частично отражается зеркалом, чтобы быть направленным в отверстие, расположенное перед детектором. Это конфокальное отверстие - то, что придает системе ее конфокальные свойства -отсекает свет, который исходит не из фокальной плоскости объектива микроскопа. Лучи света, исходящие от участков образца, расположенных ниже фокальной плоскости (схема 2.1, справа), входят в фокус до достижения отверстия детектора и затем они рассеиваются таким образом, что наибольшая часть сигнала не попадает на детектор. Таким же образом, лучи, отраженные от участков образца выше фокальной плоскости, фокусируются позади отверстия детектора, так что большинство таких лучей также попадает на стенки отверстия и не регистрируется. Однако весь свет из фокальной плоскости фокусируются на отверстие детектора и регистируются им. Эта способность отсекать лучи выше и ниже фокальной плоскости делает фокальный микроскоп пригодным для оптической трёхмерной томографии.
Двумерное изображение малых объемных участков образца (так называемых вокселей), центрированное около фокальной плоскости, генерируется растровым сканированием в фокальной плоскости. В процессе сканирования, световой сигнал регистрируется детектором, дигитализируется и преобразуются в пиксельное изображение на мониторе компьютера, присоединенного к КЛСМ. Относительная интенсивность флюоресцентного света, исходящего из точки образца, возбуждённого лазером, соответствует интенсивности результирующих пикселей в изображении. Плоскость фокуса (z-плоскость) выбирается мотором, который передвигает столик микроскопа вверх и вниз и контролируется компьютером. Собрав серию конфокальных изображений образца и соединив их в памяти компьютера, можно получить трехмерное флюоресцентное изображение образца.
Меченые белки и ПААГ очищены от низкомолекулярных продуктов реакции, буферных компонентов и непрореагировших молекул красителя с помощью диализа против деионизированной воды в диализных мешках из целлюлозы с пределом проницаемости 12-14 кДа. Внешний раствор заменяли до тех пор, пока он не перестал давать сигнал флюоресценции. Диализированные материалы сушили вымораживанием.
Электронные микроскопические изображения были получены с помощью Phillips СМ 12 трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ) (FEI Company, USA), соединенного с анализатором рассеянных Х-лучей и работающего при напряжении 120 кВ. Образцы для ТЭМ были диспергированы в воде с помощью ультразвука в течение 10 секунд, помещены на угольную сетку и высушены на воздухе. Ультратонкие секции образцов капсул (30-50 нм толщиной) были сделаны с помощью ультрамикротома Leica Ultracut UCT (Leica, Германия) после предварительной диспергации ультразвуком и включения в полиметакрилатную матрицу.
Сканирующем электронная микроскопия была проведена на микроскопе Zeiss DSM 940 (Zeiss, Германия), при напряжении 15 кЭВ. Образцы для сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на угольной сетке были покрыты слоем золота толщиной 5 нм.
Чтобы измерить активность мультислоев глюкозоксидазы, 2,4 мл раствора о-дианизина в 50 мл ацетатного буферного раствора с концентрацией 0,21 мМ/л, рН 5,1, 0,5 мл 10%-ного раствора Р-с/-глюкозы и 0,1 мл раствора пероксидазы (содержащего 60 единиц в 1 мл) смешивали в кювете и выдерживали на воздухе до равновесия до тех пор, пока поглощение при 500 нм не становилось постоянным. УФ-поглощение измеряли на спектрофотометре HP Agilent-8453. Глюкозоксидазу или капсулы с ней добавляли к системе и записывали данные по поглощению в течение 4 минут, начиная сразу же после смешения. Для каждого эксперимента в тестируемый раствор была добавлена строго такая же концентрация энзима. Измерения основаны на образовании пероксида водорода в реакции фермент-субстрат; пероксид водорода в свою очередь образуется в результате каталитического окисления дианизина пероксидазой, что приводит к темно-красному окрашиванию (максимум поглощения - 500 нм)
Принципы послойной электростатической самосборки
С момента начала исследования многослойных пленок и до сих пор было применено огромное количество материалов для построения мультислоев. Как оказалось, не только полиэлектролиты могут участвовать в формировании мультислоев, но и весь спектр заряженных наночастиц (нанообъектов) различной природы, которые можно рассматривать как твердые жесткие полиэлектролиты, а также биополимеры, многовалентные ионы (органические и неорганические), фрагменты мембран и вирусы.
Заряженные частицы диоксида кремния [35-38], оксиды металлов [7, 39-41], полиоксометаллаты [41-43], золи металлов [44-46], полупроводниковые наночастицы [36 47], металлосупрамолекулярные комплексы [48-50], заряженные латексы [7, 51, 52], были успешно использованы для формирования мультислойных покрытий. Использование частиц глины, таких как монтмориллонит [7, 53, 54] или лапонит [55], может привести к образованию пленок с уникальными механическими, электрическими свойствами и с уникальной проницаемостью. Успешное испытание позволяет использовать такие пленки для производства газоразделительных мембран [54] и в качестве изоляторов. Плоские частицы глины можно использовать для того, чтобы предотвратить взаимное проникновение слоев и уменьшить шероховатость пленок [56]. Одно из их многообещающих применений — использование в качестве изоляторов при производстве светодиодов методом послойной электростатической самосборки.
Кроме синтетических полиэлектролитов, для послойного формирования пленок использовались и природные полиэлектролиты. Исследования были ориентированы на их биологические свойства и на имитацию биообъектов, например, для формирования биосовместимых поверхностей, в качестве сенсоров для распознавания ферментативных реакций или реакций антиген/антитело. При формировании мультислоев из белков не применяют их химическую модификацию, которая неизбежно приводит к изменению их структуры, и как следствие, сохраняется высокая после-адсорбционная активность. Большинство протеинов -амфотерные соединения, и могут вести себя как поликатионы, и как полианионы при рН ниже или выше их изоэлектрической точки, обеспечивая тем самым возможность использования их в качестве пленкообразующего материала как положительно, так и отрицательно заряженного слоя [58].
Различные природные и синтетические полисахариды могут быть заряжены, благодаря наличию карбоксильных, сульфо- или аминогрупп в их структуре. Это делает их пригодными для формирования мультислоев. Были получены мультислои, как «натуральные», так и «полунатуральные», содержащие альгиновую кислоту, карбоксиметилцеллюлозу, хитозан, хитозансульфат, декстрансульфат и гепарин [59-62]. Получение таких покрытий было продиктовано в первую очередь необходимостью улучшения биосовместимости поверхности с субстратом, что, в частности, желательно для биоимплантатов. Также могут быть сформированы композитные многослойные пленки, сочетающие биосовместимость полисахаридов в поверхностном, верхнем слое со свойствами нижних полиэлектролитных слоев.
Методы послойной электростатической самосборки основаны на электростатическом притяжении между группами атомов с противоположным зарядом. Следовательно, материалы, используемые в этом методе, должны иметь некоторый минимальный заряд. Условия для осаждения обычно могут изменяться в широких пределах, но в некоторых случаях параметры осаждения должны быть выбраны очень аккуратно, чтобы осаждение происходило без десорбции предыдущих слоев. Кроме кулоновского притяжения вклад в образование мультислоев вносят и некоторые другие взаимодействия. Это могут быть водородные связи, гидрофобные взаимодействия, 71-71 и донорно-акцепторные взаимодействия. Поэтому, зная плотность заряда, часто нельзя предсказать поведение системы с точки зрения чисто электростатических сил. В некоторых случаях сообщалось об образовании мультислоев в отсутсвие заряда на макромолекулах, только благодаря водородным связям, например, с применением полиэтиленоксида или поливинилпирролидона и полиакриловой кислоты [63, 64] или полианилина и разных неионных полимеров [65].
Технически сборку мультислоев осуществляется путем погружения субстрата с одним видом заряда в раствор полиэлектролита с противоположным зарядом. Через определенное время, требуемое для насыщения поверхности, которое должно быть определено для каждой пары ПЭ / поверхность, субстрат промывают растворителем, чтобы удалить избыток ПЭ и погружают в раствор полиэлектролита противоположного заряда. Операцию повторяют нужное количество раз. После промывки в зависимости от дальнейших целей слои могут быть высушены или оставлены влажными.(рис 3.1).
Наиболее популярная и простая модель, объясняющая формирование мультислоев, основана на теории обмена ионов. Адсорбирующийся полиэлектролит (ПЭ) является конкурентом низкомолекулярным ионам в связывании с заряженной поверхностью. После адсорбции ПЭ система теряет энтропию, так как ПЭ теряет степени свободы, но гораздо больше энтропии приобретается, благодаря освобождению десорбированных ионов, в результате общая энтропия системы возрастает. Изменение энтальпии при этих обменных реакциях должно быть невелико, потому что число электростатических связей при адсорбции ПЭ не изменяется, и в большинстве случаев не влияет на адсорбцию. В соответствии с этой теорией из ее основных положений вытекают несколько следствий: 1) если в этих процессах нет влияния энтальпии на адсорбцию, то адсорбция не должна зависеть от типа ионов, связывающихся с поверхностью или с ПЭ; 2) длинные цепи молекул должны адсорбироваться на поверхности лучше, чем короткие, из-за большего выигрыша в энтропии; 3) потеря энтропии для более жестких ПЭ будет ниже, следовательно, их адсорбция должна быть термодинамически более выгодной.
Свойства и применение
Нанокомпозиты, полученные упомянутыми выше методами, характеризуются сильным взаимодействием металлических частиц с полимерной матрицей, что приводит к высокой адгезивной стабильности этих материалов. В процессе их получения большое внимание уделяется взаимодействию полимер/металл, так как часто именно эти контакты определяют свойства материала. Включение даже крошечных частиц металла в относительно малых количествах (менее 2-5%об.) может резко изменить свойства полимера. Их добавление увеличивает термостабильность и улучшает механические свойства матрицы. Высокое содержание металла в матрице (которое во многом зависит от метода приготовления и природы металла, и может изменяться в пределах от 10 до 90%об), приводит к тому, что композит приобретает электропроводимость. Как альтернативу можно использовать коллоидные системы с металлической оболочкой вместо МНЧ. Это позволяет на порядок уменьшить содержание металла [107]. Другая привлекательная возможность, которую сейчас интенсивно исследуют, связана с применением магнитных частиц. Такие композиты могут быть использованы для магнитного разделения смесей, как носители лекарственных средств, как магнитооптические материалы, в качестве сред для записи информации и т.д. Капсулированные МНЧ также изменяют оптические свойства матрицы, и такие композиты могут быть использованы в качестве оптических элементов, светофильтров, в случае плоских (ламелярных) слоев как зеркала или электрооптические элементы и в нелинейной оптике. Кроме того полимеры с включенными серебряными частицами могут применяться в медицине в качестве бактерицидов [108]
Другая многообещающая и быстро развивающаяся область - исследование каталитических свойств металлов. Основная проблема катализаторов из металлических частиц состоит в их коагуляции, которая ведет к дезактивации катализатора и тем самым, к невоспроизводимости результатов. Включение МНЧ в полимерную матрицу решает проблему коагуляции и добавляет многие другие преимущества. Было опубликовано много работ (для ссылки см. [109]), в которых полимер сильно увеличивал каталитическую активность или улучшал селективность катализируемой реакции. Обычно основной проблемой при катализе с помощью таких композитов являются диффузионные ограничения. Для того чтобы уменьшить время диффузии, необходимо создать на поверхности МНЧ ультратонкие полимерные слои. Обычно скорость подобных реакций сравнима со скоростью реакции при использовании в качестве катализатора непокрытых металлических частиц, если толщина покрытия не превышает 10 нм.
Более того, как ожидается, такие каталитические системы имеют ряд преимуществ:
1) Формирование композитов с несколькими разными металлами, или металла со специфическим полимером, который тоже «работает» как катализатор, может привести к созданию каталитических систем типа «несколько-в-одном», способных промотировать несколько реакций одновременно. Присутствие полимерной матрицы может привести к высокой селективности катализируемой реакции из-за стерических, энантиометрических или электростатических затруднений.
2) Полимерная матрица может служить защитной оболочкой, защищающим катализатор от вредных воздействий окружающей среды, что уменьшает инактивацию катализатора.
3) Растворимость таких катализаторов в различных растворителях можно легко контролировать путем изменения полимерной матрицы или путем комбинации различных полимеров: гидрофобные полимеры будут улучшать растворимость в масляной фазе, гидрофильные — водорастворимость. Вместе с тем, можно легко регулировать сродство капсулы к поверхности путем «прививки» специфических химических групп атомов.
В данной работе были созданы каталитические системы на основе композитов МНЧ/полимер путем формирования металлических оболочек и капсул с использованием трех различных подходов. Чтобы показать возможность формирования металлических капсул, в качестве моделей были использованы серебро и золото.
Прежде чем рассмотреть каталитическую активность серебра, изученную в настоящей работе, необходимо кратко описать процесс катализа.
Катализатор изменяет скорость реакции и остается химически неизмененным после того, как реакция завершится. Например, МпС»2, добавленный к пероксиду водорода, вызывает его быстрое разложение. В случае, если продукт реакции катализирует эту реакцию, то говорят об автокатализе.
Все каталитические реакции можно разделить на гомогенные и гетерогенные в зависимости от фазы реагентов и катализатора. Гомогенный катализ обычно проводят с помощью кислот, щелочей или солей, прежде всего солей d-элементов (Со, Си, Cr, Fe, Mn, Ni...) Гетерогенный катализ обычно проводится на поверхности твердого катализатора. Часто используют переходные металлы и их оксиды. В случае нескольких возможных путей реакции, влияние катализаторя становится селективным, например, высокотемпературное разложение этанола на АЬОз приводит к образованию этилена и воды, а на поверхности меди — к образованию водорода и ацетальдегида. Посторонние вещества могут влиять на активность катализатора двояко — "каталитические яды" уменьшают активность катализатора, а промоутеры усиливают ее. Активность катализатора во многом определяет его пористость — катализатор с высокой пористостью и нестабильной поверхностью более активен.
Влияние катализатора на скорость реакции основано на образовании промежуточных продуктов исходного вещества с катализатором, что изменяет механизм реакции. Этот промежуточный продукт реагирует дальше таким образом, что катализатор освобождается и остается неизмененным. Обычно эти промежуточные продукты очень неустойчивы и существуют в малом количестве, но их можно обнаружить с помощью спектрофотометрии или каким-либо другим аналитическим методом. Влияние катализатора на кинетику реакции объясняется понижением энергии активации реакции таким образом, что реакция имеет более низкий энергетический барьер (рис. 5.1.)
Проницаемость как функция полярности растворителя
Полиэлектролитные мультислои, сформированные путем послойной адсорбции противоположно заряженных полиэлектролитов на плоских поверхностях, предложенные впервые Дехереом с сотр. в начале 90-х гг. прошлого века и примененные для коллоидов в 1998 г., - одна из самых новых и быстро развивающихся тем в области наукоемких материалов. Каждая пара полиэлектролитов, которая может быть использована в качестве компонента слоя, обладает уникальными свойствами, зависящими от каждого индивидуального компонента и от свойств комплекса в целом. Послойная самосборка мультислоев из полиэлектролитов приводит к образованию стехиометрических межполиэлектролитных комплексов, однако стехиометрия нарушается при любом изменении условий адсорбции. Один из самых важных параметров, который приводит к такому изменению — это величина рН.
В данной работе использовали полистиролсульфонат (ПСС) в качестве полианиона и полиаллиламин гидрохлорид (ПААГ)в качестве поликатиона. Эти полиэлектролиты были выбраны, так как они представляют собой пару сильной поликислоты и слабого полиоснования. Сила ПААГ зависит от рН - его молекулы содержат больше положительных зарядов в кислой среде, чем в щелочной. При рН формирования капсул (около 6) только 70% мономерных звеньев ПААГ заряжены. Поэтому для полной компенсации зарядов ПСС требуется большее в мольном отношении количество ПААГ. Следовательно, если рН суспензии капсул, приготовленных при рН 6-7, сдвигается в кислую область, то незаряженные аминогруппы ПААГ протонируются, что приводит к возрастанию положительного заряда в мультислоях. Это увеличение эффективного заряда приводит к трем эффектам: а) к электростатическому отталкиванию между заряженными звеньями в одном слое и между разными слоями; б) к возникновению осмотического давления из-за освобождающихся анионов (О ); в) к выпрямлению и появлению определенного напряжения у сегментов ПААГ.
Эти три феномена делают пленки более рыхлыми, что влияет на их проницаемость. Капсулы, непроницаемые для полимеров в нейтральной и щелочной областях рН, открываются и пропускают макромолекулы при добавлении кислоты. Переход от закрытого состояния к открытому - обратимый, и капсулы с открытыми стенками можно перевести в закрытое состояние при обратном изменении рН.
Другой фактор, который влияет на свойства межполиэлектролитного комплекса, - это полярность растворителя. Этанол известен своей способностью растворять ПСС/ПААГ комплекс. Мультислои представляют собой особый класс межполиэлектролитных комплексов, однако они подчиняются тем же законам. Если добавить 10%об. этанола к суспензии капсул, стенки капсулы становятся проницаемыми, открытыми. Это происходит из-за частичной солюбилизации комплекса, но как только этанол удаляют из системы, целостность капсул восстанавливается.
Изучение капсул, выдержанных в 20%-ном водном растворе этанола или при рН 4, методом силовой микроскопии, доказало наличие больших пор, достигающих 300 нм и 100 нм соответственно, в структуре стенок капсулы. Если же капсулы промывали водой, то их поверхность снова становилась гладкой, и не наблюдалось никакого влияния этанола или рН на их поведение.
Обратимость влияния растворителя и рН на проницаемость капсул была использована для инкапсулирования полимеров. Если суспензию капсул в водно-спиртовом или в буферном растворе с рН 4 смешивали с полимером, то полимер заполнял внутренний объем капсулы. Последующая перемена растворителя на воду (в случае этанольного раствора) или повышение рН до 7-8 (в случае кислоты) приводит к закрытию стенок капсул, а полимер остается внутри них. Такое поведение капсул не является специфическим по отношению к пермеанту, что можно использовать для инкапсулирования различных полимеров. Декстран, ПААГ, ПСС, пероксидаза, хемотрипсин, гемоглобин — образцы природных и синтетических полимеров, которые были инкапсулированы таким способом. Концентрация полимера внутри капсулы близка к той, которую применяли во внешнем растворе. При начальной концентрации полимера 1 мг/мл она составляет 93% от общей массы глобулы, а масса полимерной оболочки - 7%. Инкапсулирование полимеров происходит сходным образом при молекулярной массе полимера от 17800 (миоглобин) до 2 000 000 (декстран). Если для инкапсулирования используется фермент, то полученная капсула представляет собой микрореактор. Преимуществом инкапсулированных ферментов и протеинов является, в общем случае, их недоступность для ингибиторов и протеаз, которые также являются полимерами, но не могут проникнуть сквозь стенку капсулы, а также, конечно, для бактерий. Активность инкапсулированных энзимов выше по сравнению с типичной величиной активности химически иммобилизированных энзимов, которые сохраняют только 50% и менее своей активности. Глюкозоксидаза, помещенная внутрь капсул, сохраняет 60% своей активности.
Другой фактор, который может влиять на проницаемость капсулы, - это число слоев в ее стенках. Чтобы исследовать влияние толщины стенок на проницаемость капсулы для низкомолекулярных веществ, было изучено проникновение флюоресцеина из внутреннего объема капсулы. Для этого частицы флюоресцеина покрывали разным количеством ПСС/ПААГ слоев при рН 2. Покрытые частицы помещали в буферный раствор с рН 8, который способствовал растворению частиц флюоресцеина и их проникновению из капсул во внешний раствор. Время, необходимое для полного растворения частиц, увеличивается с толщиной стенки. Для 8 и 18 слоев коэффициент проницаемости Р изменяется от 7x10"9 до 2x10"9 м/с. Коэффициент диффузии D, полученный умножением Р на толщину стенки, лежит в пределах от 1,7Х10"16 м2/с до 1хЮ"16 м2/с. Полученная зависимость D от числа слоев указывает на более рыхлую структуру первых и последних 4 слоев по сравнению с внутренними слоями. Сравнение коэффициента диффузии D, полученного в настоящей работе, с коэффициентом диффузии в водном растворе ( 10"10 м2/с), который представляет собой предел для диффузии через объем пор, позволило установить площадь поверхности пор в стенках капсулы. Из проведенного сравнения следует, что площадь поверхности пор составляет приблизительно 10"6 от общей поверхности (или около 10 нм2).
