Молекулярная подвижность и межмолекулярные взаимодействия в термотропных и лиотропных жидкокристаллимческих системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

РГ8 ОД На правах рукописи

12 щг т УДК 525.37; 532.782; 532.783;

' ^ " 532:541.64; 532:577.11

Евсеевичева Анастасия Николаевна

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЦОДВИЖНОСТЬ И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ТЕРМОТРОПНЫХ И ЛИОТРОПНЫХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

•-»¿г*

Москва, 1998г.

Научный руководитель

кандидат физ.-мат. наук Г.П.Петрова

Официальные оппоненты:

доктор хим. наук, профессор В.А.Баткж, кандидат физ.-мат. наук А.М.Салецкий

Ведущая организация:

Институт химической физики РАН им. Н.Н.Семенова

Защита состоится

» /С^сй-а^С.

1998 г. в .часов на 1 (К-053.05.17) Отделения

заседании Специализированного совета N экспериментальной и теоретической физики физического факультета в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова в аудитории 3- 49 физического факультета (119899, Москва, Воробьевы горы. МГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализиро: совета N 1 ОЭТФ МГУ им. М.В. кандидат физ.-мат. наук

Л.С.Штеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из проблем физики жидкокристаллического состояния ещества является изучение молекулярной подвижности и :ежмолекулярных взаимодействий в термотропных и лиотропных :идких кристаллах (ЖК).

Анизотропия жидких кристаллов и особенности межмолекулярного заимодействия в этих средах приводят к существованию многообразных юрм теплового молекулярного движения - трансляционных, ращательных, а также коллективных коррелированных движений, арактерные времена которых могут отличаться на несколько порядков.

Для исследования различных форм молекулярных движений в :идких кристаллах можно использовать ряд физических методов. Так, ля изучения реориентационных движений молекул :идкокристаллической среды весьма перспективным является метод оляризованной флуоресценции (ПФ). В связи с тем, что применение етода ПФ обычно связано с использованием флуоресцентных зондов, ольшой интерес представляет изучение собственной флуоресценции :идких кристаллов. Метод поляризованной собственной флуоресценции ыл использован в работе для исследования термотропных ЖК.

Многие биологические жидкости, представляющие собой сложные ногокомпонентные системы, проявляют жидкокристаллические юйства при растворении, т.е. относятся к лиотропным ЖК. Для ункционирования биологических систем важное значение имеют ежмолекулярные взаимодействия и динамика белковых макромолекул, частности, представляется весьма актуальным изучение влияния солей зжелых металлов на поведение белковых макромолекул в растворе. Эти сследования проводились с помощью одного из наиболее нформативных методов - релеевского рассеяния света.

Цель работы

Целью работы являлось исследование молекулярной подвижности межмолекулярных взамодействий в жидкокристаллических средах с фмотропной и лиотропной мезофазами, в том числе:

]) исследование собственной флуоресценции ряда термотропных идких кристаллов;

2) изучение возможности использования собственной луоресценции для исследования характера молекулярной подвижности

в окрестности фазового перехода нематический ЖК - изотропная жидкость;

3) исследование с помощью метода релеевского рассеяния света поведения водных растворов белков при различных параметрах раствора;

4) изучение условий образования надмолекулярных структур и возможности перехода водных растворов- белков в жидкокристаллическую фазу при воздействии ионов тяжелых металлов .

Научная новизна работы

1. Впервые обнаружена собственная флуоресценция термотропных жидкокристаллических соединений с различными типами мезофазы. Получены спектры флуоресценции этих веществ, изучено температурное поведение параметра анизотропии флуоресценции, чувствительного к изменению структуры и ориентационного движения молекул в области фазового перехода в изотропное состояние. Измерены длительности свечения и рассчитаны времена молекулярной ориентационной корреляции. Полученные значения времени ориентационной корреляции для изотропной фазы близки по порядку величины к характерным временам, определенным с помощью методов радиоспектроскопии и бриллюэновского рассеяния света.

2. Впервые обнаружено возникновение надмолекулярных структур в лиотропных системах - растворах белков при наличии ионов тяжелых металлов. Выдвинуто предположение о том, что образование таких структур связано с диполь-дипольным взаимодействием макромолекул. Изучено влияние концентрации ионов в растворе и величины поверхностного заряда белковых молекул на массу возникающих макромолекулярных комплексов.

Практическая и научная ценность работы

Исследован широкий класс объектов, образующих жидкокристаллическую мезофазу. Результаты, полученные для термотропных ЖК, имеют важное значение для дальнейшего применения метода поляризованной флуоресценции к исследованию ЖК, т.к. позволяют оценить и учесть вклад собственной флуоресценции этих веществ. Исследования, проведенные с растворами биополимеров, имеют важное значение для экологии, т.к. позволяют понять молекулярные процессы, происходящие при воздействии соединений тяжелых металлов на биологические системы.

Положения, выносимые на защиту

1. Впервые обнаружена собственная флуоресценция ряда термотропных жидкокристаллических соединений и определены ее важные характеристики.

2. Рассчитаны времена ориентационной корреляции молекул исследованных нематических ЖК в жидкокристаллической и изотропной фазах.

3. Впервые обнаружено возникновение надмолекулярных структур в водных растворах белков при наличии ионов тяжелых щелочных металлов.

4. Определены условия, при которых в водных растворах белков формируются надмолекулярные комплексы - кластеры.

Апробация работы

По теме диссертации автором были сделаны доклады: на Международной конференции по передовым лазерным технологиям АЬТ'92 (Москва, 1992 г.), на международной конференции "Межмолекулярные взаимодействия и конформации молекул" (Пущино, 1993 г.), на Седьмом международном рабочем совещании по нелинейным моделям биомембран и молекулярным структурам (Пущино, 1995 г.). Материалы диссертационной работы были частично включены в доклады на Международной конференции по лазерным методам в биологии и экологии (Крит, 1996 г.), на Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии" (Москва, 1997 г.), на Международной конференции по лазерным технологиям АЬТ-97 (Франция, 1997 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в автореферате, 2 статьи приняты в печать.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов и содержит 85 страниц текста, 19 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается важность изучения свойств термотропной и лиотропной жидкокристаллических фаз мезогенных веществ. Формулируется цель работы, говорится об экспериментальных методах, используемых в работе.

В первой главе рассмотрена теория поляризованной флюоресценции для броуновских частиц в изотропных растворах (§ 1.1), а также приведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию поляризованной флуоресценции в термотропных жидких кристаллах (§ 1.2). Отмечается, что в литературе имеется весьма ограниченное число работ по исследованию ориентационных молекулярных движений в жидких кристаллах методом поляризованной флюоресценции. При этом подавляющее большинство работ основано на применении метода флуоресцентного зонда, внедряемого в жидкокристаллическую матрицу. Метод флуоресцентного зонда связан с проблемой подбора флуорофора, молекулы которого по форме и размерам совпадали бы с молекулами жидкокристалической матрицы. Из параметров флуоресценции зонда можно получить лишь опосредованную информацию о поведении молекул матрицы.

Новые возможности для флуоресцентной спектроскопии ЖК открывает обнаруженная недавно собственная флуоресценция некоторых мезогенных веществ. В литературе это явление было описано для соединений ряда цианофенилов.

Полученные разными авторами данные о поведении поляризованной флуоресценции весьма противоречивы. При этом практически отсутствуют работы, посвященные определению времени ориентационных движений по поляризации собственной флуоресценции.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований собственной флуоресценции жидких кристаллов.

В § 2.1 описана экспериментальная установка и способы приготовления образцов. Среди термоторопных ЖК в качестве объектов исследования были выбраны нематические жидкие кристаллы - МББА и 5ЦБ, а также полимезоморфный кристалл ГОФДОБ, образующий смектическую и нематическую мезофазы. Эксперименты проводились как с неориентированными образцами ЖК (толщина слоя 5 мм), так и в тонких ориентированных слоях 5ЦБ и МББА, которые помещались между натертыми кварцевыми поверхностями (толщина слоя 35 мкм). В качестве источника излучения использовался Не-С<1 лазер с вертикальной поляризацией излучения. Регистрация флуоресцентного излучения производилась с помощью фотоумножителя и модуляционной схемы.

В § 2.2 приведены спектры собственной флуоресценции 5ЦБ и 1ББА, полученные на спектрофлуориметре фирмы HITACHI. В спектре люоресценции МББА обнаружено две полосы испускания, что озволяет предположить наличие вклада как мономерной, так и имерной компонент. В спектре излучения 5ЦБ дополнительных аксимумов не обнаружено. По-видимому, здесь можно говорить только мономерных центрах свечения.

В § 2.3 обсуждаются результаты интегральных измерений нтенсивности собственной флуоресценции исследуемых веществ и роводится оценка возможных погрешностей эксперимента.

Из измерений вертикальной и горизонтальной составляющих нтенсивности флуоресценции, выделяемых с помощью эляризационной призмы, определялся параметр анизотропии пуоресценции т:

г - Wi

1,+Ц '

ie 1\\ и /| - составляющие интенсивности флуоресценции, соответственно фаллельная и перпендикулярная электрическому вектору эзбуждающего света.

В теоретических работах, посвященных примесной флуоресценции ЖК, было получено выражение, связывающее параметр анизотропии пуоресценции с временем жизни флуоресценции, временем шентационной корреляции молекул и параметрами порядка (<Р2>, Р4>), характеризующими жидкий кристалл:

тгт = | г (1 - Д) тг, где д={(<Р2>,<Р4>). (1)

Таким образом, стационарные измерения параметра анизотропии 1уоресценции могут дать информацию об ориентационных движениях элекул.

Температурные зависимости параметра г в неориентированных >разцах исследованных ЖК показаны на рис. 1.

В точках фазовых переходов нематик - изотропная жидкость для ех исследованных веществ происходит резкое изменение параметра [изотропии т. В нематической фазе г практически постоянно. При реходе в изотропную фазу г скачкообразно возрастает (по модулю). С >стом температуры в изотропной фазе модуль г постепенно 1еньшается.

На рис. 2 показаны температурные зависимости параметра г в нких ориентированных слоях 5ЦБ, которые создавались между тертыми кварцевыми поверхностями (толщина слоя »35 мкм). Для

возбуждения флуоресценции использовалась геометрия фронтального освещения. Как видно из рис. 2, в нематической фазе в случае вертикальной ориентации, когда вектор директор (характеризующий преимущественное направление длинных осей молекул) параллелен электрическому вектору возбуждающего луча, значение г заметно выше, чем для горизонтальной ориентации, когда вектор директор и электрический вектор возбуждающего луча • перпендикуярны. Для изотропной фазы значение г в обоих образцах одинаково и так же, как и в случае неориентированных слоев, резко уменьшается при переходе в жидкокристаллическую фазу. Аналогичные зависимости были получены и для МББА.

Меньшее значение параметра г в нематической фазе по сравнению с изотропной может быть объяснено взаимной компенсацией в жидкокристаллическом состоянии излучающих диполей, связанных с бензольными кольцами.

г к

0.3-1

0.2'

0.1 -

0.0-

-0.1

-0.2

°00вн(

8*8*-

\1

А*

О 5ЦБ И МББА * ГОФДОБ

а* Г

—,-1-1-1-[—

20 40 60

—,---1-1-1-.-,

80 100 120 140

Т, °С

Рис. 1. Температурные зависимости параметра г в неориентированных образцах ЖК толщиной 5 мм.

0.4-1

Г

0.3-

0.2-

0.1 -

0.0-

-0.1 -)-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

10 20 30 40 50 60

T, «С

Рис. 2. Температурная зависимость параметра г в тонком ориентированном слое 5ЦБ (30 мкм): 1 - вертикальная ориентация, 2 - горизонтальная ориентация.

Таким образом, в жидкокристаллической фазе наблюдается анизотропия параметра г, с чем связана анизотропия времени ориентационной корреляции молекул. В экспериментах с тонкими слоями ЖК можно наблюдать флуоресценцию при различных взаимных направлениях директора и вектора напряженности электрического поля возбуждающего луча, что и позволяет выявить эту особенность молекулярной подвижности.

Аналогичные зависимости были получены для тонких ориентированных слоев 5ЦБ и МББА с помощью спектрофлуориметра МРФ-4 фирмы HITACHI. Обнаружено, что параметр гостается постоянным на всех длинах волн спектра флуоресценции. Для

температурной зависимости тх наблюдались те же закономерности, что и для интегральных измерений.

Данные для параметра анизотропии флуоресценции могут быть использованы для оценки времени вращательной корреляции гг , если известно время жизни возбужденного состояния п . Длительность флюоресценции 5ЦБ и МББА была измерена с помощью фазового флуориметра; обнаружено, что время г г изменяется по линейному закону без особенностей в точке фазового перехода.

Время ориентационной корреляции молекул рассчитывалось по формуле (1). Значения параметров порядка были взяты из литературных данных.

Температурная зависимость времени ориентационной корреляции для 5ЦБ и МББА аналогична температурной зависимости параметра т. При переходе из нематической фазы в изотропную величина гг увеличивается почти на порядок. Данные измерений и расчетов приведены в таблицах 1 и 2.

Табл. 1. Значения г г и г г в 5ЦБ

т, °с т, , Í О"9 с

20 2,70 0,19

30 2,56 0,21

40 2,34 1,76

50 2,14 1,65

Табл. 2. Значения г г и гг в МББА

Т,°С г, ,10-9 с г, , Ю-9 с

18 0,82 0,045

20 0,80 0,039

30 0,70 0,031

40 0,56 0,340

45 0,50 0,260

Времена ориентационной корреляции, определенные в нашей работе для 5ЦБ и МББА, находятся в хорошем соответствии с данными, полученными для изотропных фаз этих веществ методами ЯМР и бриллюэновского рассеяния света.

Третья глава посвящена теории релеевского рассеяния света в растворах биополимеров. В § 3.1 приведены сведения о строении белковых молекул, в § 3.2 кратко изложена теория Дебая-Хюккеля, применяемая для описания поведения макромолекул в растворах. В §§ 3.3 - 3.5 рассмотрена общая теория релеевского рассеяния света в растворах и ее применение к растворам макромолекул. В § З.б приведен краткий обзор работ, посвященных особенностям рассеяния света в водных растворах белков.

В четвертой главе -приведены результаты экспериментальных исследований некоторых лиотропных систем методом релеевского рассеяния света. В § 4.1 описана экспериментальная установка и методика приготовления образцов. В качестве объектов исследований среди лиотропных систем были выбраны водные растворы сывороточного и яичного альбуминов в присутствии солей 11ЬС1 и СбСК Схема экспериментальной установки была аналогична схеме установки для исследования флуоресценции. Для экспериментов по светорассеянию использовался Не-№ лазер (Л= 6328 А); в оптический блок была включена призма Волластона.

Для приготовления растворов и проведения измерений применялись стеклянные ампулы с дистиллированной водой. Порции препаратов альбумина взвешивались на аналитических весах.

Измерения значений водородного показателя растворов рН проводились на рН-метре типа ОР-212.

В качестве эталонной жидкости использовался бензол, обеспыленный с помощью многократной перегонки под вакуумом и помещенный в стеклянную запаянную ампулу. Калибровка по бензолу позволяла перейти от относительных интенсивностей рассеянного света к коэффициентам рассеяния Яд0- Проанализированы возможные ошибки, которые могли возникнуть в процессе измерений.

В § 4.2 изложен метод определения инкремента показателя преломления исследуемых систем.

В § 4.3 проанализированы процессы адсорбции заряженных ионов легких и тяжелых металлов макромолекулами белка.

Исследования водных растворов белков в присутствии соли легкого щелочного металла ЫаС1 показали, что при увеличении концентрации соли в растворе, характеризующейся ионной силой ц, коэффициент взаимодействия В уменьшается. При этом масса белковых молекул М в растворе с изменением поверхностного заряда на белке, определяемого значением рН, и ионной силы р, остается практически постоянной.

Если сравнить энергию взаимодействия заряженного иона и дипольной молекулы воды с тепловой энергией (см. рис.3), можно

п

видеть, что для ионов Ка+ она значительно выше тепловой, а для ионов тяжелых щелочных металлов - становится по величине равной кТи ниже. Ионы тяжелых щелочных металлов, обладая

Ерч/кТ

Рис. 3. Зависимость относительной энергии взаимодействия заряженного иона и диполя воды от ионного радиуса.

большими ионными радиусами ( ионный радиус ЯЬ+ составляет .47 А, Се-1" -1.65 А), сравнительно слабо удерживают гидратную оболочку, вследствие чего на поверхности белка они могут образовывать кулоновскую пару, соединившись с противоположно заряженной ионной группой на макромолекуле. Поэтому можно ожидать, что процессы адсорбции тяжелых ионов Сб+ и легкого Иа+ на молекулах белка будут существенно отличаться друг от друга. Это предположение подтверждается в экспериментах с водными растворами яичного и бычьего сывороточного альбуминов в присутствии солей ЯЬС1 и СвС1 при различных ионных силах и различных значениях поверхностного заряда белковых молекул. Результаты экспериментов приведены в § 4.4.

Обнаруженное в данной работе новое явление заключается в том, что масса рассеивающих частиц не остается постоянной, как во всех

изученных растворах белков в присутствии соли КаС1, а резко возрастает в области изоэлектрической точки, соответствующей нулевому суммарному заряду на белке Z = 0, причем максимум значений М возрастает с ростом ионной силыц (рис. 4 и 5).

Этот эффект можно объяснить возникновением молекулярных комплексов (кластеров) в исследуемых растворах.

Сближению макромолекул альбуминов препятствует их взаимное кулоновское отталкивание. Эффективное уменьшение поверхностного заряда белка, являющееся. результатом прочного связывания ионов тяжелых металлов с поверхностными заряженными группами белка, приводит к тому, что основным видом взаимодействия между макромолекулами становится диполь-дипольное, поскольку белки имеют

М

2.5-1

2.0

1.5-

1.0-

0.5-

0.0

' 10

-I---1

рН

Рис. 4. Рост массы рассеивающих частиц в водном растворе яичного альбумина в присутствии соли СэС!: 1 - ц = 0.1, 2 - ^ = 0.2

аномально высокое значение дипольных моментов (для сывороточного альбумина Р=380 И, для яичного Р=250 Б).

При сближениии макромолекул на расстояние порядка нескольких десятков ангстрем энергия диполь-дипольного взаимодействия может на два порядка превысить тепловую энергию. Белковые молекулы могут сблизиться на предельно малые расстояния друг от друга, образуя макромолекулярный комплекс - кластер. Для более тяжелого белка -сывороточного альбумина - максимальная масса рассеивающих частиц достигает порядка 100 молекулярных масс, для яичного альбумина масса кластеров примерно равна 50 молекулярным массам.

С увеличением суммарного (отрицательного или положительного) заряда на белке кулоновские силы отталкивания возрастают, и кластеры разрушаются, причем эффективная масса рассеивающих частиц приближается к величине молекулярной массы белка.

М

12-,

10-

8-

6-

'10*

=0.01

•

рН

Рис. 5. Рост массы рассеивающих частиц в водном растворе сывороточного альбумина в присутствии соли ЯЬС1; ц - 0.01

4

2

Появляющиеся в растворе крупные молекулярные образования -кластеры можно, по-видимому, рассматривать как зародыши жидкокристаллической фазы. Полученные данные позволяют предположить, что мы имеем дело с начальным этапом фазового перехода в упорядоченную мезофазу в системе разбавленный раствор белка + соль тяжелого металла.

Дальнейшее развитие процесса фазового перехода возможно при больших концентрациях белка и соли. В этом случае метод релеевского рассеяния света уже не будет пригоден.

В заключении дан итоговый обзор проведенных экспериментов, обсуждается значение полученых результатов.

Выводы

1. Впервые обнаружена и исследована собственная флуоресценция термотропных жидкокристаллических соединений с различными типами мезофазы: МББА и ГОФДОБ.

2. Показано, что в области фазового перехода жидкий кристалл -изотропная жидкость наблюдается скачок параметра анизотропии флюоресценции, связанный с изменением ориентационного упорядочения молекул.

3. Экспериментально показано существование анизотропии вращательных корреляционных движений молекул исследованных веществ в ориентированной фазе.

4. Измерены длительности свечения и рассчитаны времена ориентационной корреляции. Полученные величины времени ориентационной корреляции для изотропной фазы согласуются с данными радиоспектроскопии и бриллюэновского рассеяния света.

5. Впервые обнаружено возникновение надмолекулярных структур в растворах белков при наличии ионов тяжелых металлов.

6. Масса возникающих макромолекулярных комплексов достигает максимума при нулевом эффективном заряде молекул. Выдвинуто предположение о том, что образование таких структур связано с диполь-дипольным взаимодействием.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. G.P. Petrova, A.N.Evseevicheva. / Temperature dependence of the self fluorescence polarisation in some liquid crystals. // Int. conf. on advanced and laser technologies. Book of summaries, part 3. Moscow, 1992. P. 130 - 132.

2. Г.П.Петрова, А.Н.Евсеевичева, Ю.А.Борисов. / Температурное поведение поляризации собственной флуоресценции некоторых жидких кристаллов. // Вестн. МГУ, Сер. Физ. Астр. 1995. Т. 36. N 2. С. 58-63.

3. G.P.Petrova, Yu.M.Petrusevich, A.N.Evseevicheva. / Scattering of laser radiation as a method for diagnosing of widespread diseases including oncology. II Proceedings Intern. Soc. for Optical Engineering, Laser Methods for Biomedical Applications, SPIE. 1996.V.2965. P.55-58.

4. G.P.Petrova, Yu.M.Petrusevich, A.N.Evseevicheva. / Scattering of laser radiation as a method for diagnosing of widespread diseases including oncology. // Int. Symp. on Laser Methods for Biological and Environmental Applications . Heraclion, Crete,Greece. 1996. Part 7.P.58.

5. Петрова Г.П.,Петрусевич Ю.М.,Евсеевичева A.H., Берловский О.А., Пашков А.Ю. / Образование молекулярных комплексов-кластеров в водных растворах белков при взаимодействии с ионами тяжелых шелочных металлов. // МГУ, физический факультет. Препринт N4/1997. С.1-10.

6. Петрова Г.П., Петрусевич Ю.М., Евсеевичева А.Н. / Роль тяжелых металлов в образовании белковых кластеров в водных растворах. // Физические проблемы экологии. Всероссийская научн. конф. Москва, 1997. Тезисы докладов. Т. 1. С. 58-59. •

7. Evseevicheva A.N., Petrova G.P., Petrusevich Yu.M. / Laser identification of macromolecule nanosize dipole clusters. H ALT-97, Limoge, sept. 1997. Book of abstracts. P.36.