Содержание к диссертации
Введение
Глава I Литературный обзора 10
1.1 Магнитные наночастицы: структура и состав. 10
1.2 Магнитные свойства наночастиц металлов и их соединений 11
1.2.1. Понятие однодоменности и суперпарамагнетизма 12
1.2.2. Магнитная анизотропия 15
1.3. Магнитные жидкости. 18
1.3.1. Состав и свойства 18
1.3.2. Структурная организация частиц в, магнитных жидкостях: моделирование и экспериментальные исследования 20
1.4: Исследование магнитных; наночастиц методом электронного магнитного резонанса. 25
1.4.1 Электронный парамагнитный резонанс и ферромагнитный резонанс 25
1.4.2. Особенности ФМР в ультрадисперсных системах. 28
1.4;3; Теоретические модели ФМР наночастиц. 29
1.5; Исследования методом парамагнитного индикатора. 35
Глава II. Экспериментальная часть. 37
2.1. Характеристики объектов исследования. 37
2.2. Структура и параметры спектров электронного магнитного резонанса 48
2.2.1. Характеристические параметры линии спектра ЭГТР 48
2.2.2. Характеристические параметры линии спектра ФМР 54
2.3 Условия проведения ЭМР экспериментов 56
Глава III Исследование систем содержащих магнитные наночастицы, методом ФМР . 60
3.l. Зависимость спектров ФМР от размеров наночастиц 60
3.2 Определение намагниченности наночастиц магнетита по спектрам ФМР 61
3.3. Анализ спектров ФМР агрегатов наночастиц, сформированных магнитным полем 65
3.3.1. Экспериментальные результаты 65
3.3.2. Обсуждение результатов 71
3.4: Заключение 85
Глава IV. Исследование систем, содержащих магнитные наночастицы; методом парамагнитного индикатора 87
4.1. Физико-химические свойства и спектры ЭПР стабильных нитроксильных радикалов 87
4:2. Экспериментальные результаты 90
4.3 Обсуждение результатов 95
4.3.1. Сдвиг спектров ЭПР парамагнитного индикатора, обусловленный макроскопическими размагничивающими полями 95
4.3.2. Уширение спектров ЭПР парамагнитного индикатора 99
4.4 Теория формы линии спектра ЭПР парамагнитного индикатора в присутствии линейных агрегатов магнитных наночастиц 106
4.5. Анализ экспериментальных спектров с помощью теоретической модели 115
4.6. Заключение 119
Глава V. Исследование адсорбции макромолекул на поверхности магнитных наночастиц методом ЭПР спиновых меток 121
5.1. Постановка задачи и подходы к ее решению 121
5.2. Результаты и обсуждение 123
5.3. Заключение 128
Список литературы 131
- Структурная организация частиц в, магнитных жидкостях: моделирование и экспериментальные исследования
- Экспериментальные результаты
- Сдвиг спектров ЭПР парамагнитного индикатора, обусловленный макроскопическими размагничивающими полями
- Результаты и обсуждение
Введение к работе
Актуальность работы.
Работа представляет собой исследование в области применения методов электронного магнитного резонанса для изучения систем, содержащие магнитные нанообъекты.
Магнитные нанообъекты интересны необычными физико-химическими свойствами, открывающими перспективы создания новых устройств и технологий. В настоящее время наноразмерные магнитные частицы используются в электронике – для создания систем записи и хранения информации; в материаловедении – для создания защитных радиопоглощающих покрытий; в медицине – для векторной доставки лекарственных препаратов в ткани и клетки-мишени, локального разогрева тканей и органов (гипертермии) и создания контраста в изображениях магнитной томографии. Эти применения основаны на способности магнитных наночастиц откликаться на воздействие внешнего магнитного поля. Области применения магнитных наночастиц постоянно расширяются.
Для исследования структуры и свойств наночастиц и материалов на их основе используется широкий арсенал современных физико-химических методов исследования. В этот арсенал входит, в частности, метод электронного магнитного резонанса (ЭМР), который включает в себя электронный парамагнитный и ферромагнитный резонанс (ЭПР и ФМР). В рамках метода ферромагнитного резонанса проводится анализ спектров самих наночастиц. Для проведения ЭПР-исследований в систему с магнитными наночастицами вводят низкомолекулярный парамагнетик (парамагнитный индикатор), чувствительный к локальным магнитным полям, создаваемым частицами, и анализируют спектры ЭПР индикатора.
До недавнего времени в большинстве имеющихся в литературе работ как по ФМР, так и по ЭПР анализ спектров проводился в приближении изолированных частиц. Однако известно, что в дисперсиях магнитных наночастиц сильна тенденция к агрегированию. При воздействии на систему постоянного магнитного поля происходит образование линейных агрегатов. Анизотропное диполь-дипольное взаимодействие между частицами в агрегатах проявляется в спектрах ФМР, а конфигурация локальных магнитных полей, создаваемых вытянутыми структурами, приводит к трансформации спектров ЭПР парамагнитных индикаторов. Таким образом, спектры ЭМР систем, содержащих магнитные наночастицы, должны нести информацию о структурной организации частиц в постоянном магнитном поле. Кроме того, чувствительность парамагнетиков к полям, создаваемым магнитными частицами, как показано в данной работе, открывает перспективы исследования адсорбционной способности наночастиц по спектрам ЭПР.
Цели и задачи исследования
Основной целью работы являлось изучение возможностей методов электронного магнитного резонанса (ЭПР и ФМР) в исследовании систем, содержащих магнитные наночастицы, и адсорбционной способности магнитных частиц.
Для достижения целей исследования были поставлены следующие задачи:
-
Предложить подходы к определению структурных особенностей агрегатов наночастиц по спектрам магнитного резонанса (ФМР).
-
Разработать теорию формы линии ЭПР парамагнитного индикатора, находящегося в локальных магнитных полях, создаваемых линейными агрегатами магнитных частиц.
-
Применить полученную теорию для описания экспериментальных спектров парамагнитного индикатора – стабильного нитроксильного радикала в водных дисперсиях магнитных наночастиц.
-
Разработать метод исследования адсорбции макромолекул на магнитных наночастицах с применением спектроскопии ЭПР спиновых меток.
Научная новизна
Разработан, теоретически и экспериментально обоснован подход к исследованию агрегирования магнитных наночастиц на основе метода парамагнитного индикатора, а также представлены некоторые возможности метода ФМР для исследования дисперсий магнитных наночастиц и идентификации линейных структур, сформированных частицами.
Показано, что появление дополнительных пиков в спектрах ФМР связано с формированием линейных структур наночастиц в магнитном поле. Анализ таких спектров позволяет проводить идентификацию линейных агрегатов в системе.
Выполнено исследование магнитных жидкостей методом парамагнитного индикатора. Показано, что в присутствии магнитных частиц спектр ЭПР парамагнитного индикатора смещается, уширяется, а форма его линии искажается – становится асимметричной.
Разработана и экспериментально проверена теория для описания формы линии ЭПР парамагнитного индикатора, впервые учитывающая формирование линейных агрегатов наночастиц. Анализ параметров спектров ЭПР парамагнитных индикаторов позволяет определить коэффициент удлинненности агрегатов.
Экспериментально подтверждена справедливость новой теории, описывающей форму линии парамагнетика в присутствии вытянутых структур магнитных наночастиц. Впервые экспериментально подтверждено существование флуктуационного сдвига линии в магниторазбавленной среде.
Разработана новая методика исследования адсорбции макромолекул на поверхности магнитных наночастиц, основу которой составляет анализ изменения амплитуды линии спектра ЭПР спиновых меток.
Научно-практическая значимость
В работе предложен комплексный методологический подход к исследованию структурирования магнитных наночастиц в конденсированных средах по спектрам ЭМР.
Разработанная теоретическая модель существенно дополняет теорию магнитной релаксации в системах, содержащих вытянутые магнитные объекты.
Информация, получаемая с помощью развитых в диссертации методик, дает уникальную возможность следить за процессами агрегирования частиц в магнитном поле и оценивать размеры образующихся структур в зависимости от параметров, характеризующих наночастицы (размеры, намагниченность, способ стабилизации), температуры, реологии среды и напряженности магнитного поля, а также делать выводы об ориентации агрегатов наночастиц в магнитных материалах. Полученные знания необходимы при использовании магнитных частиц в медицине, и при разработке композиционных материалов.
Метод, предложенный для исследования адсорбции макромолекул на поверхности магнитных наночастиц, открывает перспективы контроля состава мультислойных покрытий используемых в медицине и материаловедении и позволяет исследовать кинетику адсорбционно-десорбционных процессов.
На защиту выносятся
-
Установление параметров спектров ФМР, указывающих на образование агрегатов вытянутой формы в дисперсиях магнитных наночастиц.
-
Теоретическая модель описывающая спектры ЭПР парамагнитных индикаторов в дисперсиях магнитных наночастиц, образующих линейные агрегаты.
-
Результаты экспериментальной проверки разработанной модели. Определение коэффициента удлиненности линейных агрегатов магнитных наночастиц по спектрам ЭПР парамагнитных индикаторов.
-
Метод исследования адсорбции макромолекул и определения толщины адсорбционного слоя на поверхности магнитных ультрадисперсных частиц с помощью ЭПР-спектроскопии спиновых меток.
Апробация работы
Результаты работы докладывались XI Международной молодежной школе «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его применений» (Казань 2007), XVIII Менделеевском съезде (Москва 2007), Международном симпозиуме и летней школе «Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах» (Санкт-Петербург 2007), Международном симпозиуме Евромар 2008 и летней школе NMRCM (Санкт-Петербург, 2008), на VI, VII и VIII ежегодной молодежной конференции ИБХФ РАН – ВУЗы «Биохимическая физика» (Москва, 2006, 2007, 2008).
Грантовая поддержка работы
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты № 05-03-32753 и № 08-04-00632), а также в рамках Государственного контракта № 02.513.11.3092.
Публикации
По результатам работы опубликовано 14 печатных работ (5 статей, 2 главы в сборниках, 7 тезисов докладов на научных конференциях)
Личный вклад автора
Диссертационная работа выполнялась во время учебы автора в аспирантуре Учреждения Российской академии наук Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН в центре магнитной спектроскопии. Полученный экспериментальный материал и его анализ являются результатом деятельности диссертанта. Формулировка основных выводов и научных положений проводилась совместно с руководителем – д.х.н. проф. Коварским А.Л. (ИБХФ им. Н.М.Эмануэля РАН). Разработка теоретических моделей для описания спектров парамагнитного индикатора проводилась совместно с руководителем д.ф-м.н. Джепаровым Ф.С. (ИТЭФ им. А.И. Алиханова).
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 158 наименований. Материал диссертации изложен на 145 страницах, содержит 43 рисунка и 11 таблиц.
Структурная организация частиц в, магнитных жидкостях: моделирование и экспериментальные исследования
Современные успехи в области синтеза магнитных частиц, позволили получить коллоиды устойчивые к расслоению и сохраняющие свои свойства длительное время. Тем не менее, даже в таких МЖ не исключена возможность объединения частиц в агрегаты, когда расстояние между ними соответствует минимуму энергии их взаимодействия при сохранении барьера отталкивания (рис.1-1).
В работе [52] Де Жен и Пинкус рассмотрели коллоид, состоящий из идентичных ферромагнитных частиц, взвешенных в пассивной по отношению к магнитному полю жидкости. Для характеристики диполь-дипольного взаимодействия, приводящего к агрегированию был введен параметр, называемый константой спаривания X:
Этот параметр характеризует систему в отсутствии внешнего магнитного поля. Согласно [53] при X Хс 4 (Хс — критическая константа спаривания) магнитные частицы способны формировать агрегаты при Hext = 0. В обычных магнитных жидкостях объемная доля частиц, в которых не превышает (p = 10"", диаметр частиц составляет порядка 10 нм, а поверхностный стабилизационный слой 2 нм, параметр дипольного спаривания меньше 1. Такие коллоидные системы, без воздействия на них внешнего магнитного поля, остаются стабильными, и диполь-дипольным взаимодействием между частицами можно пренебречь. В работах Стивенса и Треста [54] было показано, что критическая величина параметра Хс уменьшается с увеличением напряженности внешнего магнитного поля, т.е. включение внешнего магнитного поля способствует агрегированию магнитных частиц.
В работе [55] Цеберс, рассматривая магнитную жидкость как идеальный многокомпонентный газ, исследовал ассоциации частиц и возможность, образования нитевидных агрегатов в магнитном поле. В частности им показано, что с увеличением концентрации твердой фазы среднее число частиц в агрегате возрастает.
Недавние работы по численному моделированию [56; 57] показали, что микроскопические структуры с диполь-дипольными взаимодействиями между частицами являются, более сложными, чем можно было ожидать. Системы при сильном дипольном взаимодействии и небольшой объемной доле частиц собираются в- цепочечные агрегаты, число и длина которых представляют собой возрастающую функцию от напряженности внешнего магнитного поля. Анализ этих явлений обычно проводят в рамках модели линейного агрегирования. Крюгером [58] было указано, что образование агрегатов начинается с небольших образований из крупных частиц, которые присутствуют в МЖ даже в отсутствии магнитного поля.
В работе [59] было проведено теоретическое описание процесса удлинения линейных агрегатов, вызываемое внешним магнитным полем для случая невзаимодействующих гибких цепей в слабо концентрированных магнитных жидкостях. Было показано, что ориентационный отклик гибких цепей на магнитное поле слабее, чем предсказывался в модели твердых проволокообразных цепей, рассматриваемых в работах [60, 61]. Приближение характерно для случаев только очень высоких значений константы диполь-дипольного взаимодействия.
Благодаря удлинению цепей намагниченность и исходная восприимчивость агрегированных магнитных жидкостей оказались выше намагниченности коллоидных суспензий отдельных магнитных частиц. Этот вывод был подтвержден теоретическими оценками, проведенными в работе [62]. Присутствие таких агрегатов влияет также на диффузионные и гидродинамические свойства магнитных жидкостей [63, 64].
Помимо простого удлинения цепей в магнитных жидкостях может происходить боковое агрегирование нескольких параллельно расположенных цепей с образованием таких вытянутых структур как иглы. В иностранной литературе такое объединение цепей получило название латеральное агрегирование. Существует несколько моделей, объясняющих подобное поведение цепей.
В. работе [65] была рассмотрена модель взаимодействия двух линейных диполей, состоящих из 50 частиц. Авторы учли взаимную индукцию между частицами, возникающую в результате действия магнитного поля индуцированного остальными частицами цепи, и рассчитали энергию их взаимодействия как функцию, зависящую от расположения и ориентации цепей относительно друг друга. Сумма всех взаимодействий между парами диполей может приводить как к отталкиванию цепей, так и к их притяжению в зависимости от их положения относительно друг друга. Согласно этой модели цепи не агрегируют, пока не окажутся полностью контактирующими. В реальных системах присутствуют тепловые флуктуации цепей, что приводит к изменению локальных магнитных полей вокруг диполей и к дополнительному боковому агрегированию. Для того, что бы объяснить этот эффект Халси и Тур определили, что тепловые флуктуации приводят к возникновению дальнодействующих сил притяжения между цепями (взаимодействие Ландау-Пэилса) [66]. Было предсказано, что эти дальнодеиствующие силы не должны зависеть от напряженности внешнего магнитного поля. Позднее Мартин с соавторами развили модель Халси и Тура и учли напряженность внешнего поля [67]. Кроме тепловых флуктуации в реальных системах могут присутствовать конфигурационные дефекты. Дефекты могут приводить к локальным вариациям плотности магнитных моментов и соответственно изменению полей вокруг диполей. В работе Мартина и др. [68] была предложена модель, описывающая латеральную агрегацию, индуцированную дефектами.
Экспериментальное исследование возникновения агрегатов проводилось оптическими [69] и дифракционными методами [70, 71]. Хорошо известно, что магнитные жидкости становятся оптически анизотропными [72, 73, 74] и демонстрируют резкое увеличение вязкости [75, 76] при воздействии на магнитную жидкость внешнего магнитногошоля. Проведенные исследования в некоторых случаях дали качественное согласие с выводами, сделанными в теоретических работах. При визуальных наблюдениях выяснено, что образование агрегатов является обратимым, их длина зависит от напряженности магнитного поля, а число частиц в агрегате во всех случаях превосходит значения, которые дает теория.
Помимо оптических и дифракционных методов для исследования линейных агрегатов магнитных частиц применяется метод ферромагнитного резонанса (ФМР) [77, 78, 79, 80]. В ферромагнитных материалах, магнитная анизотропия и взаимодействие между частицами дают вклад в энергию частиц внутри образца и тем самым меняют условия резонанса, и, следовательно, внешний вид спектра.
Существует два основных подхода, которые можно применять для описания» спектров ФМР агрегатов магнитных наночастиц анизотропной формы. Первый подход основывается на введении дополнительного члена, учитывающего вклад от размагничивающего действия полюсов [81, 82] в выражение для условий резонанса. Обычно такой подход используется, когда речь идет о массивных образцах. В том случае, когда рассматриваются магнитные частицы и их агрегаты более правильно было бы учитывать диполь-дипольное взаимодействие между отдельными частицами, которое приводит к появлению дополнительных локальных полей
Экспериментальные результаты
На рис. Ш-3 представлены спектр ФМР магнитной жидкости -гидрозоля магнетита (Dnp = 11.3 нм, стабилизация - ДЭС) с концентрацией наночастиц 0.48 об.% сразу после помещения ампулы с образцом в резонатор и через 50 минут выдерживания образца в магнитном поле спектрометра.
Особенностью спектров ФМР гидрозоля магнетита является наличие у него низкопольного сигнала (2.0 — 2.5 кГс) [132], амплитуда которого растет при экспозиции образца во внешнем магнитном поле. За 50 минут низкопольныи пик достигает своего максимального значения, и дальнейшая экспозиция образца в поле не приводила к каким-либо существенным изменениям внешнего вида спектра.
Концентрационные зависимости спектров ФМР магнитной жидкости На рис. Ш-4 показано изменение формы спектров ФМР в зависимости от концентрации магнетита в магнитной жидкости. Спектры были получены в начальный момент времени (а) и при выдерживании образца в магнитном поле более 50 минут (б).
Увеличение концентрации наночастиц приводит к тому, что расщепление оказывается более выраженным как в начальный момент времени, так и после экспозиции образца во внешнем магнитном поле. Даже длительное выдерживание гидрозоля магнетита малой концентрации во внешнем поле не позволяет точно выделить дополнительный сигнал. Спектр магнитных частиц сильно уширен, и ширина его центральной компоненты составляет около 700(15) Гс. Такое уширение обусловлено, главным образом, сильным дипольным взаимодействием между частицами.
Спектры ФМР магнитной жидкости при использовании дополнительной стабилизации
Для уменьшения дипольного взаимодействия в разбавленный гидрозоль (ф = 0.0096 об.%) вводили дополнительный стабилизирующий биополимер (фибриноген), адсорбция макромолекул которого на поверхности наночастиц должна была изолировать частицы и существенно уменьшать их диполь-дипольное взаимодействие. На рис. ІІІ-5 представлены спектры ФМР гидрозоля магнетита стабилизированного дополнительно фибриногеном (1) и без дополнительной стабилизации наночастиц (2).
Из рисунка видно, что использование дополнительной стабилизации наночастиц приводит к симметризации спектра и уменьшению его ширины. Так ширина линии ФМР магнитных частиц, стабилизированных дополнительно, составляет АН= 636(10) Гс. Кроме того, центральная компонента спектра ФМР нестабилизированных частиц оказывается сдвинутой в область более низких полей, по сравнению со спектром частиц подвергшихся дополнительной стабилизации.
Положение спектра ФМР невзаимодействующих сферических наночастиц определяется как
Из соотношения (Ш-6) получаем, что для исследуемых наночастиц НА = -212 Гс, т.е. действие поля магнитокристаллической анизотропии должно приводить к смещению спектра ФМР наночастиц в низкие поля на 212 Гс. Из рис. III-5 видно, что спектр ФМР, дополнительно стабилизированных наночастиц магнетита, оказывается смещенным в более низкие поля на 209(7) Гс, что соответствует смещению, рассчитанному по формуле (Ш-6). Положение линии ФМР наночастиц соответствует g-фактору 2.125(4) (рис. Ш-5). Экспериментально определенный g-фактор наночастиц магнетита соответствует geff = 2.12 магнетита известному из литературных данных [133].
Анализ спектра ФМР частиц, стабилизированных ФГ, который проводился в предположении, что частицы изолированные, показал, что даже дополнительная стабилизация не может полностью убрать диполь-дипольное взаимодействие между частицами. Так экспозиция образца гидрозоля магнетита дополнительно стабилизированного ФГ во внешнем поле спектрометра приводит к небольшому смещению всего спектра в область более низких полей (рис. III-6а).
Положение центра спектра — g-фактор - меняется от 2.125(4) в нулевой момент времени до 2.158(4) через 60 минут экспозиции во внешнем поле 3.5 кГс. На рис. Ш-бб представлена зависимость положения центра спектра от времени экспозиции. За 60 минут спектр смещается на -56 Гс.
Характеристика ширины и формы линии спектра ФМР задача более сложная и в настоящей работе рассматриваться не будет.
Температурные зависимости спектров ФМР магнитной жидкости
На рис. Ш-7 представлены изменения спектра ФМР гидрозоля магнетита при изменении температуры: на рис. Ш-7а при ее повышении и на рис. ІИ-76 при понижении.
Повышение температуры сопровождается сначала резким ростом амплитуды дополнительного сигнала. Затем по достижении 45С рост амплитуды низкопольного сигнала замедляется, и выше 65С она начинает уменьшаться.
Повышение температуры приводит к смещению основного сигнала в область более высоких полей (g-фактор — 2.0). Боковой сигнал при повышении температуры также смещается в сторону более высоких полей.
Понижение температуры от 85С до 25С сопровождается постепенным увеличением амплитуды дополнительного сигнала и смещением обоих сигналов в более низкие поля (рис. Ш-76):
Сдвиг спектров ЭПР парамагнитного индикатора, обусловленный макроскопическими размагничивающими полями
В магнитной системе при действии на нее внешнего магнитного поля возникают размагничивающие поля, приводящие к сдвигу центра спектральной линии в поле. Это смещение можно проанализировать, используя подход, описанный в монографии [148] для анализа сдвигов ЯМР в системе поляризованных ядер. Сдвиг линии определяли из ее первого момента:
Первое слагаемое в этом выражении соответствует диполь-дипольному взаимодействию спинов одинаковых сортов (S) - в данном случае радикала с радикалом. Второе слагаемое соответствует диполь-дипольному взаимодействию спинов разных сортов (S и ц.) - в данном случае радикала с наночастицей. Магнитный момент частиц ц. составляет десятки тысяч магнетон бора (цв = 9.2732(6) 10" эрг/Гс) и превосходит магнитный момент радикала S на четыре порядка, поэтому естественно предположить, что основной вклад в первый момент линии ЭПР-спектра индикатора в гидрозоле магнетита будет вносить взаимодействие радикала с наночастицей, а не радикала с другими радикалами. Отсюда выражение (IV-1) можно упростить до соотношения которое учитывает диполь-дипольные взаимодействия /-ого радикала су -ой магнитной частицей. В этом уравнении/» - степень поляризации магнитных моментов наночастиц, а Лг = - —, где г,, - расстояние между l,J взаимодействующими магнитными моментами / и j, 0,у — угол между Гу и полем спектрометра. Физическая интерпретация этого соотношения проводилась в рамках теории магнетизма Вейса в работе [148]. Для расчета локальных полей Вейса, действующих на пробный спин, пространство вокруг этого спина разбивали на две области — «внутреннюю» с центром в месте расположения спина Si и радиусом, значительно превышающим среднее расстояние между радикалом и ближайшими частицами и «внешнюю», которая включала в,себя;весь остальной образец. Внутреннюю часть определяли дискретным суммированием по всем магнитным моментам частиц. Для расчета внешней части сумму заменяли интегралом, который не зависел от расположения частиц относительно индикатора, а только от их концентрации. Расположение магнитных моментов частиц вокруг спина индикатора во «внутренней» области будет близко к сферически симметричному, и, следовательно, давать нулевой вклад в первый момент спектральной линии. Основное смещение спектра будет определяться влиянием частиц, находящихся во «внешней» области. В. случае если макроскопический образец имеет сферическую форму, то создаваемые внутри него локальные поля также будут сферически симметричными и не приведут к сдвигу спектра. Однако нарушение сферической симметрии образца, например в эллиптических образцах, приведет к тому, что вклад от локальных полей будет ненулевым и спектр сместится.
Выражения. для расчета смещения спектральной линии, обусловленного макроскопическими размагничивающими полями, представлены в монографии [148]. Согласно [148] смещение линии (ЬН) будет зависеть от намагниченности (Ms) частиц, их концентрации, а также формы и ориентации макроскопического образца во внешнем магнитном поле (Q следующим образом: Ms - намагниченность наночастиц магнетита (—175 Гс), ф — объемная доля частиц в растворе, Z,() — функция Ланжевена, С, - коэффициент, зависящий от формы образца и изменяющийся в интервале -1 2.
В случае бесконечно вытянутого эллипсоида поле может ориентироваться параллельно его большой оси, тогда = -1 и перпендикулярно ей =1/2. Для бесконечно сплющенного эллипсоида коэффициент С, = 2, если внешнее магнитное поле параллельно малой оси эллипсоида, и С, = -1, если перпендикулярно. Знак, стоящий перед коэффициентом, указывает на направление смещения центра тяжести спектра.
В работе [149] было предложено выражение для расчета коэффициента С, для параллелепипеда, когда поле Но параллельно одному из ребер этого параллелепипеда. где а = IJL, b = ly/L, а lx, 1у, /, - длина ребер образца. Выражения для расчета функций Да, b) иД6, а) представлены в работе [148]. В таблице IV приведены величины коэффициента С, для капилляра длиной 3.0(1) см и внутренним диаметром 0.05(1) см и плоской кюветы с размерами внутренней полости 0.85(1)х5.0(1)х0.03(1) см.
Из рисунка IV-2 и таблицы IV-2 видно, что при параллельной ориентации кюветы, когда внешнее поле направлено перпендикулярно малой оси, спектр сдвигается в область более низких полей (coy = (Н + Н )), а при перпендикулярной, наоборот, в область более высоких полей (ооу = (Н- Н )).
Уравнения, описывающие сдвиг спектра в зависимости от формы и положения образца, отличаются только значением коэффициента С, для одной и той же системы. Подставляя в соотношение (IV-3) значения намагниченности наночастиц магнетита, определенное ранее в главе 3.2 и объемную долю частиц получаем, что величина сдвига должна составлять 3.30(25)хГс. Однако для экспериментальных спектров сдвиги спектров оказалось отличными от расчетных (см. табл.ІУ - 3). Величину смещения экспериментальных спектров определяли по изменению положения центральной линии относительно спектра ЭПР радикала в буферном растворе без наночастиц.
Как видно из данных табл. IV-3 сдвиг экспериментальных спектров не совпадает с расчетом. Экспериментальные спектры оказались сдвинуты в область более высоких полей, а, значит, в изучаемой системе присутствует дополнительный сдвиг, природа которого не связана с макроскопическими размагничивающими полями. Более подробно природа этого дополнительного сдвига станет ясной при рассмотрении вопроса о форме линии.
Результаты и обсуждение
Эксперименты по исследованию адсорбции макромолекул на поверхности наночастиц проводили на примере адсорбции биомакромолекул фибриногена (ФГ) на поверхности наночастиц магнетита D = 11.3 нм, стабилизированных ДЭС. Концентрация наночастиц в гидрозоле варьировалась в диапазоне 1-Ю"4 — 1-Ю"2 об.%. Спиновую метку прививали к молекулам ФГ по методике подробно описанной в разделе «Спиновая метка. Прививка метки к макромолекуле» Экспериментальной части. Спектр ЭПР спиновой метки, ковалентно связанной с молекулами ФГ, и спектр ЭПР зонда R/ в буферном растворе не связанного с макромолекулами представлены на рис. V-2.
Времена корреляции т метки Rf составляют:
для вращения радикала-зонда в растворе т 1 10" с;
для вращения спиновых меток, привитых к молекулам ФГ, т 2-10_9с.
Сопоставление приведенных выше значений времен корреляции показывает, что прививка радикала к молекулам белка резко ограничивает его вращательную подвижность. Метки, связанные с ФГ, преимущественно окружены молекулами воды, и их вращательная подвижность ограничена, в основном, барьером вращения вокруг ординарной химической связи.
На рис. V-3 представлены спектры ЭПР метки привитой к молекулам фибриногена в присутствии магнитных наночастиц. Из рисунка видно, что при увеличении концентрации наночастиц происходит равномерное уменьшение амплитуды спектра ЭПР спиновой метки, что позволяет делать выводы об адсорбции молекул ФГ на наночастицах.
Примем, что изменение амплитуды сигнала спиновой метки, привитой к молекулам ФГ, пропорционально доле адсорбированных макромолекул. Тогда, используя данные об интенсивности спектров ЭПР меток, можно оценивать долю адсорбированных макромолекул. Так, если па — количество адсорбированных макромолекул, п — общее количество макромолекул в растворе
На рис. V-4 представлена зависимость амплитуды спектра ЭПР спиновой метки и спинового зонда Rh не привитого к макромолекулам, от концентрации магнитных частиц в системе.
Как следует из рис. V-4 и таблицы V-1, амплитуда сигнала ЭПР зондов Ri остается практически неизменной при увеличении концентрации наночастиц в диапазоне от 1-Ю"4 до 1-Ю"2 об.%, что говорит об их статистическом распределении в растворе, т.е. адсорбции зондов на наночастицах не происходит. Интенсивность спектра ЭПР спиновой метки, привитой к макромолекулам уменьшается до -67% от исходного спектра при концентрации магнитных частиц 0.01 об.%. Используя соотношение (V-2) оценим долю меток, оказавшихся ковалентно связанными с адсорбированными на поверхности магнитных частиц макромолекулами. Так, для исследуемого раствора фибриногена (с = 7 мг/мл), содержащего 1-10 2об.% магнитных частиц амплитуда спектра ЭПР метки заметно уменьшается (рис. V-3). Анализ спектров показал, что в этом случае 33% меток не дают вклад в регистрируемый сигнал ЭПР (рис. V-5), что свидетельствует об адсорбции 33% макромолекул ФГ. Отметим, что в отсутствии наночастиц в растворе ширина сигнала практически не зависит от концентрации белка.
Метод спиновых меток позволяет не только установить факт адсорбции, но и охарактеризовать его количественно: оценить долю адсорбировавшихся молекул и количество макромолекул, приходящихся на одну частицу. Проведенные оценки показали, что на одну наночастицу приходится 95 молекул белка.
