Самодиффузия в многофазных системах с ограничениями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный университет им. В.И.Ульянова-Ленина"

На правах рукописи

ФИЛИППОВ Андрей Васильевич

САМОДИФФУЗИЯ В МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМАХ С ОГРАНИЧЕНИЯМИ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного

состояния

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

I

Казань 2003

Работа выполнена в Казанском государственном университете

Научный консультант:

- доктор физико - математических наук, профессор

Скирда Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты:

■ доктор физико - математических наук, профессор

Волков Виталий Иванович

- доктор физико - математических наук, профессор

Аиисимов Александр Васильевич

доктор физико - математических наук, Севрюгин Вячеслав Анатольевич

Ведущая организация: т. , „ Т,АТТ

' - Институт физической химии РАН,

г. Москва

Защита диссертации состоится « 18 » декабря 2003 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д-212.081.15 по присуждению ученых степеней по физике при Казанском государственном университете (420008, г.Казань, ул.Кремлевская, 18).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Лобачевского Казанского государственного университета.

Автореферат разослан « 17 » ноября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор физико-математических наук, профессор , М.В.Еремиь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию самодиффузии молекул жидкостей в гетерогенных микропористых системах различной природы. Самодиффузия - это явление теплового движения молекул в условиях термодинамического равновесия. Гетерогенные системы распространены в природе и находят широкое применение в индустрии (горные породы, катализаторы, строительные материалы, полимерные композиционные материалы, микроэмульсии, пищевые продукты, биологические системы, и др.). Свойства значительной части этих веществ, такие как проницаемость, стабильность во времени и др., определяются происходящими в них процессами диффузии. Кроме того, исследования последних лет показали, что посредством изучения самодиффузии жидкости в гетерогенной среде может быть получена уникальная информация о структуре среды. Часто неоднородности образуются в результате фазовых переходов. В связи с этим актуальной становится проблема изучения диффузии и установления связи размеров и геометрии гетерогенных сред с диффузией и фазовым состоянием содержащихся в ней жидкостей.

Одним из наиболее мощных методов исследования трансляционной молекулярной подвижности является ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля (ЯМР ИГМГТ) благодаря тому, что он обеспечивает наиболее прямой способ измерения молекулярных смещений. Именно этот метод в последние годы чаще всего используется для исследования самодиффузии в гетерогенных системах. • • -

Экспериментальному исследованию самодиффузии в системах с ограничениями уделяется большое внимание. Ряд экспериментов, целью которых являлась проверка правильности результатов теоретических исследований или компьютерного моделирования, выполнен на объектах с достаточно простой (модельной) геометрией (цилиндрические или щелевидяые поры, пространство между сферами одинакового диаметра и др.). В этом направлении наиболее значимые результаты получены в работах Стейскала и Таннера [1], Каллагэна [2], Маклакова и Двояшкина [3]. Объекты, представляющие практический интерес более сложны, чем модельные. При их исследовании одной из главных задач является получение информации об особенностях подвижности молекул, обусловленной и обуславливающей свойства или функционирование систем. Наиболее систематические исследования в этом направлении проводились Хюрлиманном [4, 5], Маклаковым и Двояшкиным [6], Скирдой [7, 8], Балино-вым 19], Линдблумом [10] и др. Была изучена самодиффузия в различных пористых средах, в микроэмульсиях, растительных и биологических тканях, биомембранах. Однако многие проблемы остаются нерешенными. Отсутствуют экспериментальные данные в широком диапазоне времен диффузии и молекулярных смещений. В большинстве работ было изучено поведение среднего коэффициента самодиффузии (КСД), в то время как для гетерогенных систем

щу^стортгя п гплгкттй, неэкспоненци-

часто характерен спектр КСД, которы!

альной форме диффузионного затуха [^ёпМУЙ^Й^^^^чем разделение

С. Петер1 09 100

сложной, »

компонент спектра представляет собой нетривиальную задачу. Из анализа данных эксперимента ЯМР ИГМП были получены только усредненные характеристики доступного для диффузанта пространства. Наибольшее внимание уделялось анализу самодиффузии в коротковременном и длинновременном режимах молекулярных смещений, а информация, полученная в промежуточной области, практически не анализировалась.

Большая группа гетерогенных систем, отличающихся по структуре и молекулярной подвижности и имеющих важное практическое значение, представлена полимерами. Для кристаллизующихся полимерных систем характерен полиморфизм и иерархия кристаллических образований, наличие различных по локализации и структуре аморфных областей, зависимость структуры надмолекулярных образований от кинетики кристаллизации. В молекулярной подвижности расплава полимера проявляется эффект цепочечной структуры и возможность образования межмолекулярных зацеплений. Однако при исследовании частично-кристаллических полимеров основное внимание уделяют процессу образования и структуре кристаллической фазы, а самодиффузия в аморфных областях закристаллизованных полимеров и в расплаве при переходе жидкость - кристалл изучена недостаточно.

Актуальным для биологии, медицины и биотехнологии является изучение самодиффузии в биологических дисперсных системах и исследование структуры этих систем. В биологических и биогенных объектах (ткани, лекарственные препараты, пищевые продукты, и др.) клеточные и субклеточные структуры ограничены бислойными мембранами, состоящими, в основном, из липидов [10, 11], которые, согласно исследованиям последних лет, имеют микродоменную структуру. Моделью для изучения барьерных и транспортных свойств биомембраны является образующийся при гидратации липидов бис-лой. При исследовании методом ЯМР ИГМП дисперсных систем, образуемых при смешении липидов с водой, и других эмульсий, определению структурных параметров препятствует отсутствие экспериментальных данных в интервале молекулярных смещений близких к размеру образующихся структур и отсутствие подходящих методик и математических методов анализа диффузионных затуханий.

Целью работы является:

1. Экспериментальное исследование самодиффузии молекул жидкостей в пористых системах, использование для этого анализа зависимостей коэффициентов самодиффузии и формы диффузионных затуханий спинового эхо от времени диффузии. Разработка методов, расширяющих возможности ЯМР ИГМП для получения информации о самодиффузии и структуре порового пространства в пористых телах.

2. Исследование самодиффузии в двухфазных аморфно-кристаллических полимерах, в ходе кристаллизации и плавления. Изучение влияния кинетики фазового перехода в этих системах на структуру образующихся фаз и молекулярную подвижность в аморфнбй фазе.

3. Изучение особенностей самодиффузии в модельных биологических системах: биологических мембранах и мультислойных везикулах, в том числе в условиях фазового разделения. Выяснение влияния состава и температуры на самодиффузию липидов в биомембранах.

Работа выполнена на кафедре молекулярной физики КГУ и является частью проводимых здесь исследований трансляционной молекулярной подвижности в гетерогенных системах, в том числе исследований, проведенных в рамках научно-образовательного центра КГУ. Часть работы выполнена в сотрудничестве с кафедрой биофизической химии Университета Умео (Швеция).

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:

- Предложены новые подходы к проведению эксперимента ЯМР ИГМГТ для получения информации о самодиффузии молекул и структуре пористых систем. Разработана импульсная последовательность, позволяющая более детально исследовать микроструктуру порового пространства.

- Для установления деталей структуры порового пространства разработана методика, основанная на исследовании самодиффузии в жидкой фазе в условиях последовательного исключения из диффузионного затухания части сигнала диффузанта в порах большего размера. Такая методика, названная «крио-диффузометрия», позволяет оценивать среднеквадратичные размеры участков порового пространства и исследовать их связность.

- Впервые на примере фракций полиэтиленоксида с молекулярными массами от 1500 до 40000, их смесей и смесей с фракциями некристаллизующегося полипропиленоксида изучена самодиффузия в системах, в которых изменение структуры ограничений производится путем варьирования концентрации некристаллизующегося компонента и условий кристаллизации. Показано, что метод ЯМР ИГМП позволяет получить информацию о размерах и сообщаемое™ межфибриллярных аморфных областей. Установлено, что зависимости размеров этих областей от температуры кристаллизации и концентрации кристаллизующегося компонента для исследованных систем согласуются с феноменологической моделью фибриллярной кристаллизации. Установлено, что в ходе кристаллизации молекулярно-массовое фракционирование является основной причиной изменения коэффициента самодиффузии.

- На примере фракций полиэтиленоксида, введенных в пористые среды с диаметром пор от 40 до 1440 А, выявлена роль основных факторов, влияющих на кинетику кристаллизации полимера в условиях ограничений. Показано, что скорость кристаллизации определяется, в основном, изменением числа кон-формационных состояний макромолекулы в присутствии ограничений и геометрией порового пространства. Установлено существование критического размера пор близкого к минимальной толщине кристаллической ламели. В порах больше с1* происходит ламеллярая кристаллизация, аналогично объемному полимеру, а при размере пор меньше с1* кристаллическая структура разу-порядочена по сравнению с объемным полимером и может быть отнесена к

мицелярному типу. Показано, что во всех исследованных системах самодиффузия молекул не является определяющим фактором кристаллизации.

- Для плоских бислоев ряда фосфолипидов (модельных биомембран) детально исследована латеральная самодиффузия фосфолипидов в зависимости от температуры и доли насыщенных углеводородных цепей, а также содержания холестерола в условиях ориентации образца под «магическим углом» (54,7°) относительно магнитного поля. Показано, что процесс самодиффузии в таких системах характеризуется моноэкспоненциальным диффузионным затуханием. При этом с ростом доли насыщенных цепей коэффициент самодиффузии уменьшается, а энергия активации процесса самодиффузии увеличивается. Зависимости коэффициента самодиффузии и энергии активации от доли насыщенных цепей носят неаддитивный характер.

- Для бислойных систем, содержащих бинарные смеси ряда насыщенных фосфолипидов с холестеролом, впервые методом ЯМР систематически исследована самодиффузия в условиях жидкокристаллического фазового расслоения на упорядоченную (обогащенную холестеролом и характеризующуюся большим порядком в расположении цепей) и неупорядоченную фазы. На основе анализа концентрационных и температурных зависимостей коэффициентов самодиффузии липидов показано, что упорядоченная фаза характеризуется пониженными (до ~3 раз) значениями коэффициентов самодиффузии и повышенными (до ~2 раз) значениями энергии активации самодиффузии липида по сравнению со значениями для неупорядоченной фазы. Границы области фазового разделения по данным ЯМР ИГМП согласуются с данными других методов.

- Для бислоев фосфолипида, содержащего 50% насыщенных цепей, используя ЯМР ИГМП, впервые экспериментально по признакам отклонения температурной зависимости коэффициента самодиффузии от Аррениусовой формы и нарушению монотонной зависимости коэффициента самодиффузии от концентрации холестерола обнаружено присутствие упорядоченной жидкокристаллической фазы в узком температурном интервале вблизи перехода жидкий кристалл - гель.

- Впервые исследована самодиффузйя в бислоях липидов, содержащих тройную смесь компонентов, соответствующих основным компонентам клеточной мембраны (холестерол, фосфолипид с ненасыщенными цепями, сфин-гомиелин - фосфолипид с насыщенными цепями), в которых могут образовываться особые домены ("rafts") упорядоченной ЖК фазы с повышенным содержанием сфингомиелина и холестерола. И в этом случае, также как для бинарных смесей, границы области фазового разделения по данным ЯМР ИГМП согласуются с данными других методов. Установлены характерные особенности трансляционной динамики фосфолипидов в "rafts", отличающие их от окружающей неупорядоченной ЖК фазы: пониженные коэффициенты самодиффузии липидов (до ~5 раз) и более высокая энергия активации самодиффузии (до ~2 раз). Показано, что данные ЯМР ИГМП могут быть использованы для построения фазовой диаграммы бислоев, образующих "rafts".

- Установлено, что двухкомпонентная форма диффузионного затухания в этих системах обусловлена вкладом от молекул фосфолипидов в "rafts"" и ¿'окружающей жидкокристаллической фазе. Независимость формы диффузионного затухания от времени диффузии свидетельствует о выполнении условий медленного обмена между молекулами этих фаз и об отсутствии эффектов ограничений, связанных с наличием границы фазового раздела. Сделанные на основании этих фактов оценки размеров "rafts" согласуются с данными флуоресцентной микроскопии, полученными для подобных систем.

- На примере латеральной самодиффузии в системе лецитин-вода при концентрациях, соответствующих образованию мультислойных везикул, рассмотрены особенности самодиффузии для случая сферической формы ограничений. На основе анализа полученных экспериментальных данных разработана модель самодиффузии в тонком сферическом слое. Применение этой модели позволило впервые для систем лецитин-вода описать зависимость формы диффузионного затухания ЯМР от времени диффузии в диапазоне от миллисекунд до секунд при использовании одного фиксированного набора структурных (радиусы везикул) и динамических (коэффициенты самодиффузии) параметров.

Научная и практическая ценность. Научная ценность работы обусловлена новизной полученных результатов и возможностью применения обнаруженных закономерностей и разработанных методик к исследованию структуры различных мезопористых и макропористых систем. Предложенные новые экспериментальные методики качественно расширяют возможности метода • ЯМР ИГМП для исследования структуры гетерогенных систем различной природы. Установленные закономерности кристаллизации и плавления полимеров в пористых средах мбгут быть использованы для прогнозирования и управления свойствами полимерного компонента в химической технологии (каталитическая полимеризация, армирование полимеров и др.), экологии и нефтяной индустрии (управление фильтрационными свойствами горных пород). Предложенные методики анализа диффузионных затуханий' намагниченности ЯМР в дисперсиях лецитина могут быть использованы ¿ля определения размеров везикул других липидных систем, а также для анализа микроструктуры эмульсий, образуемых различными эмульгирующими веществами, применяемых в биологии, медицине, фармакологии, пищевой и косметической промышленности. Обнаруженные особенности самодиффузии в двух- и трехкомпонентных бис-лоях липидов показывают роль состава (в частности, концентрации холестеро-ла, содержания воды) и температуры на фазовое состояние и подвижность молекул липида в биомембранах, что важно, в особенность, для биологии мембран. Данные по самодиффузии липидов в образцах, образующих домены "rafts", могут быть использованы в биомедицинских исследованиях как основа для изучения и моделирования динамических свойств биологических мембран.

В целом, проведенные исследования показывают, что метод ЯМР ИГМП применим для широкого круга гетерогенных систем, в том числе в условиях фазовых переходов.

Достоверность полученных результатов. Достоверность измерений обеспечивалась комплексным характером проведенных экспериментальных исследований, многократной повторяемостью измерений. При этом, в дополнение к методу ЯМР ИГМП применялись методы ЯМР релаксации, ЯМР высокого разрешения на 'Н, 2Н и 31Р, широко- и малоугловое рентгеновское рассеяние, оптическая микроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия. При проведении исследований использовались образцы с характеристиками, известными из справочных данных или определенными с помощью стандартных методов. Экспериментальные данные обрабатывались с использованием стандартных методов, а в тех случаях, когда применялись новые методы обработки, это теоретически обосновывалось. Полученные результаты неоднократно докладывались на конференциях и совещаниях, где они анализировались на предмет их достоверности и согласия с результатами, полученными другими научными группами.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на итоговых научных конференциях КГУ в 1988-2000 годах, на III Всесоюзной конференции по пластификации полимеров (Суздаль, 1988), Всесоюзной конференции "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве" (Казань, 1988) XXIV конгрессе Ампера (Познань, 1988), конференции "МАЯЕС0'89" (Лейпциг, 1989), XIX Европейском конгрессе по молекулярной спектроскопии (Дрезден, 1989), II Всесоюзной конференции "Смеси полиме-ров"(Казань, 1990), II Всесоюзном совещании "Динамика макромолекул" (Казань, 1990), Всесоюзной конференции "Фундаментальные проблемы науки о полимерах" (Ленинград, 1990), XV Всесоюзной конференции по химической технологии неорганических веществ (Казань, 1991), VI конференции Технического университета в Кошице (Кошице, 1992), II Всероссийской конференции "Нефтехимия-92" (Нижнекамск, 1992), на XXVII конгрессе Ампера (Казань,

1994), Всероссийском совещании "Физико-химические методы исследования структуры и динамики молекулярных систем" (Йошкар-Ола, 1994), Конференции университета в Кошице с приглашением международных участников (Кошице, 1994), V конференции по химии и физикохимии олигомеров (Черноголовка, 1994), III Всероссийской конференция по интенсификации нефтехимических процессов "Нефтехимия-94" (Нижнекамск, 1994), VI Европейской конференции по спектроскопии биологических молекул (Франция, 1995), XIII совещании международного общества по гематологии (Стамбул, 1995), Всероссийском семинаре "Структура и динамика полимерных систем" (Йошкар-Ола,

1995), IV конференции по интенсификации нефтехимических процессов "Неф-техимия-96" (Нижнекамск, 1996), XIII Европейской конференции по экспериментальному ЯМР (Париж, 1996), IV Международном совещании по новейшим достижениям ЯМР в пористых средах (Тронхейм, 1997), Международном совещании по пористым средам (Дельфы, 1998), III Международном симпозиуме "Молекулярная подвижность и порядок в полимерных системах" (Санкт-Петербург, 1999), VI Всероссийской конференции "Структура и динамика мо-

лекулярных систем" (Казань- Йошкар-Ола, 1999), 5 Международной конференции по магнитной резонансной микроскопии (Гейдельберг, 1999), VII Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Москва-Йошкар-Ола, 2000), 46 Ежегодном съезде Биофизического Общества (Сан-Франциско, 2002), 47 Ежегодном съезде Биофизического Общества (Сан-Антонио, 2003), Конференции по ЯМР-Микроскопии (Гётеборг, 2003).

Содержание диссертации опубликовано в 92 печатных работах, включающих в себя 27 журнальных статей, 18 статей в сборниках, 47 тезисов в трудах научных конференций и совещаний.

На защиту выносятся.

- Экспериментальные данные по самодиффузии воды и углеводородов в осадочных породах (на примере Fontainebleau, Indiana limestone и др.) а также в ряде образцов гипсового камня при различных условиях его изготовления. Разработка специальной импульсной последовательности для исследования молекулярного обмена между участками порового пространства. Разработка метода, основанного на последовательном частичном замораживании жидкости, введенной в поры, с целью избирательного исследования самодиффузии в областях порового пространства, содержащих жидкую фазу, а также для получения информации о связности пор в этих системах.

- Экспериментальные данные по самодиффузии и ЯМР-релаксации в частично кристаллических полимерах (на примере полиэтиленоксида) на разных стадиях процесса. Главной особенностью самодиффузии является наблюдение эффекта ограничений на трансляционную подвижность молекул в аморфной фазе, а особенность ЯМР-релаксации - наблюдение в аморфной фазе фракции макромолекул с высокой анизотропией вращательной подвижности. Анализ данных ЯМР-релаксации и самодиффузии в аморфной фазе частично-кристаллического полимера для определения структурных особенностей этой фазы. Установление молекулярно-массового фракционирования как основного фактора, влияющего на изменение самодиффузии в аморфной фазе полимера в ходе кристаллизации фракций и смесей кристаллизующегося полимера.

- Экспериментальные данные по латеральной самодиффузии фосфолипи-дов с различной долей насыщенных углеводородных цепей (ненасыщенные, 50% насыщенных и полностью насыщенные), полученные при измерении в бислоях, ориентированных под магическим углом относительно магнитного поля. Установление влияния доли насыщенных цепей на коэффициенты и энергии активации самодиффузии липидов.

- Экспериментальные данные по латеральной самодиффузии фосфолипи-дов в их бинарных смесях с холестеролом в условиях, когда фосфолипиды содержали ненасыщенные, 50% насыщенных и ненасыщенные углеводородные цепи. Установление монотонного понижения коэффициента самодиффузии фосфолипида с ненасыщенными цепями в жидкокристаллической фазе при возрастании концентрации холестерола от 0 до ~50 мольных %.

- Экспериментальные данные по латеральной самодиффузии фосфолипи-дов с насыщенными цепями в их бинарных смесях с холестеролом в условиях жидкокристаллического фазового расслоения на упорядоченную (обогащенную холестеролом и характеризующуюся большим порядком в расположении цепей) и неупорядоченную фазы. Предложенный совместный анализ концентрационных и температурных зависимостей коэффициентов самодиффузии ли-пидов, с целью определения коэффициентов самодиффузии, соответствующих неупорядоченной и упорядоченной жидкокристаллическим фазам и определения границ областей фазового разделения по данным самодиффузии. Оценка размеров фазовых доменов из условия быстрого молекулярного обмена фосфо-липида между фазами.

' - Экспериментальные данные по латеральной самодиффузии фосфолипи-да, содержащего 50% насыщенных цепей, в бинарных смесях с холестеролом, свидетельствующие об образовании упорядоченной жидкокристаллической фазь* ¿близи перехода жидкий кристалл - гель.

- Экспериментальные данные по латеральной самодиффузии в бислоях липиддв, содержащих тройную смесь компонентов, соответствующую основным компонентам клеточной мембраны (фосфолипид с ненасыщенными цепями, фосфолипид с насыщенными цепями сфингомиелин и холестерол), образующих домены упорядоченной ЖК фазы особого состава (повышенное содержание сфингомиелина и холестерола), называемые "rafts". Определение коэффициентов самодиффузии и энергий активации самодиффузии фосфолипидов в упорядоченной и неупорядоченной фазах. Оценка размеров доменов при усЛовйи наблюдаемого медленного молекулярного обмена фосфолипидов между фазами. Установление характеристик трансляционной подвижности для "rafts", отличающих их от окружающей неупорядоченной ЖК фазы: пониженные коэффициенты самодиффузии липидов (до ~5 раз) и более высокая энергия активации самодиффузии (до ~2 раз). Возможность использования данных самодиффузии молекул фосфолипидов для построения фазовой диаграммы бис-лоев, образующих "rafts".

- Получение спектра 'Н ЯМР упорядоченной жидкокристаллической фазы при формировании доменов "rafts" путем анализа данных трансляционной подвижности и спектров трехкомпонентной системы фосфолипид с ненасыщенными цепями - сфингомиелин - холестерол. Оценка состава "rafts" из полученных спектров.

- Экспериментальные данные по самодиффузии в мультислойной везикулярной системе лецитин - вода. Анализ зависимости диффузионных затуханий спинового эхо от времени диффузии в этой системе с использованием модели самодиффузии в тонком сферическом слое для получения информации о размерах везикул.

Личный вклад автора. Автору принадлежат: идея постановки работы, методические аспекты проведения исследований, большая часть эксперименталь-

ного материала, основные идеи по интерпретации результатов. Из опубликованных в соавторстве 44 статей 40 написаны непосредственно автором.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, представленного в виде выводов, изложена на 282 страницах машинописного текста, содержит 115 рисунков и 32 таблицы. Список используемой литературы содержит 300 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ

Во «Введении» в форме аннотированного изложения глав диссертационной работы приводятся ее основные результаты, обосновывается актуальность темы, формулируются основные цели диссертации, обосновывается новизна, методическая и практическая значимость выполненных разработок и проведенных исследований.

Первая глава. «Особенности самодиффузий и применение метода ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля для исследования самодиффу- . зии и структуры гетерогенных систем».

Дан обзор существующих представлений о структуре гетербгенных систем на примере пористых тел. Рассмотрены основные закономерности самодиффузии молекул жидкостей в объеме и в гетерогенных системах; Дается описание метода ЯМР ИГМП, рассмотрены примеры его применения для исследования динамики молекул в пористых, гетерогенных биологических и полимерных системах, методы представления данных, полученный с помо!цью ЯМР ИГМП, информация о структуре среды и ее транспортных свойствах, получаемая с помощью этого метода. Изложены основные закономерности фазовых переходов в низкомолекулярных и полимерных веществах в объеме, их особенности в ограниченном пространстве," роль молекулярной диффузии в процессе формирования кристаллической'структуры. Обоснована постановка задачи исследования. ' " •

Вторая глава. «Материалы и методы».

Описаны характеристики образцов, методики их приготовления, приводятся наиболее существенные для получаемых результатов параметры используемых приборов. Описывается методика проведения эксперимента.

Исследуемые системы. В соответствие с поставленной целью объекты исследования были представлены в основном тремя группами образцов: насыщенные жидкостью пористые вещества, частично кристаллические полимеры и бислойные липидные системы.

В качестве пористых веществ с распределением размеров пор использовали серию образцов, являющихся фактическими стандартами осадочных пород и широко применяемых в геофизических исследованиях, которые различаются размером и распределением размеров пор (песчаники Fontainebleau и Вегеа, известняк Indiana limestone, мел Austin chalk). Структурные характери-

стики этих образцов представлены в литературе, что делает их удобными объектами для изучения возможностей метода ЯМР ИГМП. Вторую серию пористых веществ представляли образцы гипсового камня (ГК), изготовленные по различной технологии, и характеризующиеся различными распределениями размеров пор. ГК представляет собой кристаллический сросток, в котором кристаллиты могут иметь слоистую или игольчатую морфологию. Высокая пористость и отсутствие парамагнитных примесей делают эти образцы удобными объектами для апробации новых методик ЯМР ИГМП в случае, когда измерения проводятся в широком диапазоне времен диффузии.

В качестве диффузантов применяли как низкомолекулярные, так и полимерные вещества, различающиеся КСД: воду (Do~10"9 м2/с), углеводороды (гек-сан, тридекан, циклогексан) (Do~5-10'10 - 10"9 м2/с), фракции некристаллизую-щегося полипропиленоксида (ППО) с молекулярными массами 425, 1025, 4000 (Do~10"n м2/с), где D0 -среднее значение КСД в объемной жидкости при температуре ~30°С. Использование такого набора в совокупности позволяет исследовать самодиффузию в широком диапазоне пространственных смещений.

При выборе компонентов кристаллизующихся полимерных систем было учтено, что роль внешних факторов и М полимера наиболее удобно исследовать на узкодисперсных образцах. В качестве образцов использовали фракции типичного гибкоцепного полимера - полиэтиленоксида (ПЭО) производства Fluka и Ferrak (Германия) и смеси этих фракций с фракциями ППО Fluka (Германия). Молекулярная масса ПЭО выбиралась таким образом, чтобы перекрыть диапазон М=1500 40000, в котором, как известно, происходит изменение механизмов самодиффузии и кристаллизации при изменении молекулярной массы.

В ходе кристаллизации часть макромолекул оказывается заключенной в межкристаллитном пространстве. Для изучения влияния ограниченного объема на подвижность и кристаллизацию полимера исследовали полимер, введенный в пористую среду, в качестве которой использовали пористые стекла с размером пор от 40 до 800Ä, с узким распределением размеров пор (Vycor, производства Corning Inc., и аналогичные по структуре произведенные в Институте химии силикатов РАН, Санкт - Петербург), а также углеродные адсорбенты с узким распределением размеров пор в диапазоне 480 и 1440Ä (Институт физической химии РАН, Москва). Использовались также микропористые углеродные адсорбенты с широким распределением размеров пор, обладающие вторичной пористостью и произведенные в университете Иллинойса (США).

Как известно, липидные бислои двумерны и могут быть ориентированы на подложке или самопроизвольно принимают сферическую форму в эмульсиях. Для приготовления ориентированных бислоев в работе использовали фос-фолипиды с насыщенными цепями (димиристоилфосфатидилходин (DMPC), дипальмитоилфосфатидилхолин (DPPC), сфингомиелин (SM)), ненасыщенными цепями (диолеоилфосфатидилходин (DOPC)) и содержащие насыщенную и ненасыщенную цепи (пальмитоилолеоилфосфатидилходин (РОРС)), а также холестерол (CHOL). Раствор, содержащий липиды в смеси метанола с пропа-

нолом наносился на стекло и высушивался при вакууммировании. В конечном счете образец представлял собой стопку из примерно 60-ти стекол с нанесенными на поверхность липидными бислоями, которые затем насыщались водой до заданной гидратации.

Для создания мультибислойных везикул использовали природную смесь липидов - яичный лецитин производства Харьковского ХФЗ. Содержание лецитина составляло от 10 до 90%. В ходе предварительных исследований выяснилось, что время поперечной ЯМР релаксации воды значительно больше, чем лецитина, поэтому в основных экспериментах для увеличения вклада в эхо от протонов лецитина применяли дей!ерированную воду. Некоторые эксперименты проводились на суспензии эритроцитов и фрагментах разрушенных клеточных мембран (тромбопластине).

Экспериментальные методы. В ходе выполнения работы использовали комплекс экспериментальных методов: ЯМР ИГМП для исследования трансляционной подвижности молекул; ЯМР релаксация для определения фазового состава и локальной молекулярной подвижности, а также соотнесения вкладов в сигнале спинового эхо ЯМР ИГМП к молекулярным и фазовым компонентам системы; широкоугловое и малоугловое рентгеновское рассеяние для определения параметров кристаллической фазы и оценки размеров надмолекулярных образований; оптическая микроскопия для определения размеров дисперсной фазы и скорости кристаллизации в объеме, дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) для определения температуры фазовых переходов. При моделировании и расчетах на компьютере типа IBM PC использовались специально составленные программы на языке С++.

Основные характеристики лиффузометров;

• Диффузометр с резонансной частотой ЯМР для протонов f=60 Мгц, максимальная амплитуда импульсов градиента магнитного поля gma.4 = 30 - 200 Т/м;

• Спектрометр ЯМР Varian/Chemagnetics СМХ Infinity, оборудованный датчиком с ИГМП и гониометром (Cryomagnet systems, Indianapolis, IN), f=100 Мгц, gmax= 1.5 Т/м;

• Спектрометр ЯМР Varian/Chemagnetics СМХ Infinity, оборудованный датчиком с ИГМП и гониометром (Cryomagnet systems, Indianapolis, IN), f=400 Мгц, gmax = 11 Т/м.

Первичную информацию получали в виде диффузионного затухания амплитуды спинового эхо (ДЗ) выражение для которого в общем случае:

A(q,td)= Jd 3r Jd 3r0 exp{i - q - (г - т0)} p(r, t d r0 ,o) p(r0 ,o), (1) V V

где q=y-5-g - волновой вектор, у - гиромагнитное отношение, 5 - длительность и g - амплитуда импульса градиента, P(f,td|r0,0) - пропагатор, который представляет собой плотность условной вероятности для спина, изначально находившегося в положении F0, в момент времени td оказаться в позиции г, td -

время диффузии, р(г0,0) - спиновая плотность в начальный момент времени. Для самодиффузии в свободном пространстве пропагатор имеет Гауссову форму и выражение (1 ) принимает вид:

A(q,td ) = exp(-q2 • D0 • td ) = ехр(-у2 • 52 • g2 • td • D0 ). (2)

В пространстве, содержащем ограничения, аналитическое выражение для ДЗ может быть получено решением (1) с использованием выражения для P(r,td|r0,0) при учете граничных условий на поверхности поры. В общем случае эта задача не имеет аналитического решения, поэтому для удобства ДЗ часто представляют в виде спектра КСД:

A(q,t„ ) = ]p(D)-exp(-q3 • D-td )dD. (3)

о

Наиболее объективной и простой физической характеристикой трансляционного движения в системах с ограничениями является средний КСД, который экспериментально определяется как наклон начального участка ДЗ в координатах lg(A) от g2:

,<5 ¿(g2) U. (4)

Для получения ДЗ использовали импульсную радиочастотную последовательность «стимулированное эхо».

При исследовании фазового состояния, процессов плавления и кристаллизации низкомолекулярных веществ и полимеров анализировали спады свободной индукции (ССИ), огибающие эхо Kappa - Парселла - Мейбума - Гилла (КПМГ), огибающие эхо Kappa - Парселла с инверсией фазы (КПИФ). В присутствии кристаллической фазы спад поперечной намагниченности имеет вид:

A(t)=Pc -fc (t)+P|- f| (t), (5)

где первое слагаемое с населенностью Рс и функцией релаксации fc относится к кристаллической фазе, а второе, характеризующееся Р|=1 - Рс и fi(t), - к аморфной фазе. Вид функций f| и f2 и соответствующие им населенности получали путем графического разложения спадов поперечной намагниченности и использовали как для оценки степени кристалличности, так и для получения информации о динамических характеристиках молекул в кристаллическом и аморфном состояниях.

Третья глава. «Возможности метода ЯМР ИГМП для исследования самодиффузии и структуры пористых веществ».

В главе рассмотрены возможности метода ЯМР ИГМП с большими амплитудами импульсного градиента поля для исследования самодиффузии и оценки структурных параметров пористых веществ. Показаны особенности метода, затрудняющие получение информации в образцах с распределением размеров пор. Предложены новые подходы для расширения возможностей ЯМР ИГМП, которые заключаются в выделении и избирагельном исследовании са-

модиффузии в отличающихся по какому-либо параметру областях порового пространства, а также в исследовании молекулярного обмена между этими-областями. • ■ .

Самодиффузия в пористых системах.

Проведенные измерения показали, что для жидкости в осадочных породах и образцах гипсового камня наблюдаются неэкспоненциальная форма ДЗ, зависящая от td. Для сравнения формы ДЗ диффузионные затухания для каждого образца были представлены в координатах lg[A(g)/A(0)] - y2§2g2td<D>(td), где <D>(td) - зависящий от времени диффузии средний КСД. Проведен анализ влияния типа диффузанта и среднеквадратичного молекулярного смещения на форму ДЗ. Измерения для всего набора диффузантов показали, что для каждого образца при одинаковых среднеквадратичных смещениях молекул тип диффузанта не влияет на форму ДЗ. Это связано главным образом с тем, что размер пор значительно превосходит размер молекул диффузантов.

Одной из особенностей самодиффузии в исследуемых пористых средах, обнаруженной впервые, было сохранение формы ДЗ в большом масштабе среднеквадратичных смещений молекул (~5 - ~50 мкм). Этот факт может свидетельствовать о самоподобии самодиффузии молекул в данном масштабе смещений. В некоторых предшествующих работах [12] отмечались фрактальные свойства осадочных пород (в том числе и исследованных в данной работе). В [13] предполагалось, что фрактальность самодиффузии в пористых средах может быть обусловлена фрактальностью поровой структуры, однако прямых доказательств этого не было представлено. Надо заметить, что в более простых по структуре объектах (упакованных сферических частицах и др.) такой особенности (сложной и независящей от времени диффузии формы ДЗ) не наблюдается, что действительно свидетельствует о.достаточно сложной структуре исследуемых пористых систем.

Согласно существующим представлениям, основным механизмом воздействия пор на самодиффузию введенных молекул является столкновение молекул со стенками. Эффект столкновений зависит от соотношения среднеквадратичного молекулярного смещения г = {<г2>)0-5 и" размера (диаметра) d поры. Выделяют три области времен диффузии: малые td, для которой выполняется соотношение г«d; большие td, для которых г» d, и промежуточные td, для которых r~ d. Область времен и смещений, в которой производится измерение, идентифицируется по значениям D(td)/D0 и наблюдению зависимостей формы ДЗ и <D> от td, типичных для так называемых коротковременного, промежуточного и длинновременного режимов самодиффузии.

Для анализа D(ta) в коротковременном режиме, используется теория Митры-Сена [14]. В этом случае зависимость КСД от td дается соотношением:

Наклон зависимости П^ЛЗо от (Оо^)0'5 при —> 0 определяется характерным размером пор - отношением объема пор к площади их поверхности (Ур/Б).

Для длинновременного режима измеряемый КСД характеризуется значением 0Эфф, не зависящим от При этом величина БЭфф связана с извилистостью пор х или проницаемостью образца стр/сть и пористостью:

0,ФФ = 1 = °Р

О0 Т 0Ь-Ф'

где ор и сть - проводимость электролита в образце и объеме, ф - пористость. Отношение Бэфф/Оо можно рассматривать в качестве характеристики проницаемости среды [15].

В переходной области (г ~ с!) строгой и универсальной теории для пористых систем с произвольной геометрией не существует. Часто используют интерполяцию между коротковременным и длинновременным режимами с помощью Паде аппроксимации:

0(0 1 (4 О01/9 яХв / V) + (1 -1 / тХ1Э0* / О0в)

т (1-1/т) + (4 Э01/9 тгХ5/ V) + (1 -1 /т)(О0Т/О06)' (8)

где (Бо8) - подгоночный параметр. Такая интерполяция удовлетворительно описывает экспериментальную зависимость для систем с относительно простой геометрией (жидкость между однородными по размеру стеклянными сферами, суспензия эритроцитов).

Более физически обоснованный феноменологический подход для описания зависимости О(^) в диапазоне от коротковременного до длинновременного предложен В.Скирдой [7]. Он показывает, что вклады молекул, испытавших и не испытавших столкновение с барьерами за время диффузии, могут быть разделены с помощью соотношения:

, р)

•^о иъ фф

где Оогр^) - КСД части молекул, испытавших за время ^ полностью ограниченную самодиффузию и связанный с расстоянием между ограничениями Л^:

Т, , \ Когр (Ю)

вогр(и~6

Рассмотренные представления в работе использовались для анализа экспериментальных данных. При извлечении структурной информации (отношения Ур/Б) из данных самодиффузии путем анализа зависимостей Б(^) в области малых среднеквадратичных смещений необходимо, чтобы выполняется условие 0(111)/00<0,9. Ранее [4] удавалось достигнуть 0(1й)/0о~0,8 для песчаников, структуру которых полагали близкой к случайной упаковке жестких сфер. При этом соотношение (8), с учетом О-,ффЛЭ0 согласно (7), описывало экспериментальную зависимость и позволяло проводить надежную (что видно при сравнении с нашими непосредственными измерениями (рис. 1 а)) экстраполяцию в область меньших 1(1 для определения Ур/Б. Для образцов с более сложной струк-

турой пор (известняк и мел) при малых gmaX был получен лишь участок зависимости с 1Х1а)/Оо от -0,3 до -0,6, а выражение (8) (кривая на рис. 16) не описывало всю экспериментальную зависимость, что не позволяло использовать (8) для надежной экстраполяции в область малых и больших среднеквадратичных смещений молекул. Участок больших смещений был достигнут [4, 5] при использовании в качестве диффузанта газообразного |3|Хе.

SQRT(DJe) /Л!

Рис.1а. Зависимость КСД воды в порах Fontainebleau' от среднеквадратичного смещения молекул при 30°С. Данные Хюрлимана ссотрудниками ■ [4], наши данные □, кривая - аппроксимация Паде, горизонтальная прямая при D(tj)/D0 ~ 0,30 соответствует проницаемости, определенной из электропроводности (соотношение (7)).

О 100 200 300 400 500

SQRTfCyj, Mm

Рис.16. Зависимость КСД воды (1, 2) и шХе (3)' в порах известняка Indiana limestone от среднеквадратичного смещения молекул при 30°С. 1, 3 - данные Хюрлимана с сотрудниками [4, 5], 2 -наши данные. Кривая - аппроксимаций Паде (8) для лучшего описания эксперимента в. коротковременнрм и длинно-временном режимах при Vp/S=l мкм, Р«к|/Ро~0>2. . . . '

Использование нами gma, > 30 Т/м и воды в качестве диффузанта позволило провести измерения при D(td)/D0~0,9 (рис.1б), а при использовании в качестве диффузанта ППО было достигнуто D(td)/Do~0,99, что позволило впервые надежно определить Vp/S для этой системы. Для ППО в порах Indiana limestone с увеличением td наблюдали изменение формы ДЗ от близкой к экспоненциальной, характерной для объемной жидкости, до типичной для водь1 в порах - такой вид зависимости согласуется с представлениями [8] об аддитивности вкладов в ДЗ молекул, характеризующихся Гауссовым пропагатором, и молекул, испытавших столкновение со стенками лор. Аналогичные результаты были получены и для образцов гипсового камня.

Результаты измерений для осадочных пород были сопоставлены (Табл. 1) с независимо полученными данными адсорбции азота (метод БЭТ) и кондукто-метрии (Стр/<ть-ф).'

Из таблицы видно, что значения Vp/S, определенные методом ЯМР ИГМП, больше значений, полученных методом БЭТ. Этот эффект был нами отнесен к шероховатости поверхности пор, что подтверждалось результатами по ЯМР релаксации. Значения D^/Do оказались близки к значениям Стр/оь-ф,

определенным из электропроводности и пористости, для песчаников. В тоже время для Indiana limestone значение D^/Do значительно превышает величину ар/стЬ'ф, что связано с наличием в этом образце пор с d >50 мкм, превышающих максимальные молекулярные смещения, измеряемые методом ИГМП, но дающих вклад в электропроводность системы. Для всех образцов значения Rorp (колонка 3), полученные по соотношениям (9) и (10), превышают Vp/S (колонка 2), определенные методом Митры - Сена из соотношения (6). По нашему мнению, это связано с распределением размеров пор исследуемых образцов и различными диапазонами усреднения размеров пор в используемых методиках анализа.

Таблица 1. Параметры, характеризующие размер (Vp/S, R<,rp) и проницаемость (D-kj^/Do) пор, определенные в коротковременном режиме по данным метода ЯМР ИГМП, (колонки 2 - 4), и с помощью методик Брунауэра-Эммета-Теллера (колонка 5)

Образец Vp/S, мкм (соот.6) Rorp, MKM (COOT. 10) D>(|„|/D0 Vp/S, мкм (БЭТ) СГр/Оь-ф

1 2 3 4 5 6

Fontainebleau 9,7 113 0,304 1,1 0,306

Berea 100 4,6 34 0,283 0,092 0,28

Berea 500 6,4 45 0,415 0,17 0,41

Indiana limestone 2,1 42 0,320 0,11 0,128

Austin chalk 0,43 11 0,23

Таким образом, ЯМР ИГМП позволяет получить значения проницаемости, и расстояний между ограничениями веществ с распределением размеров пор. Однако полученные значения являются усредненными по системе пор. Ниже рассмотрены некоторые причины ограниченности возможностей метода ЯМР ИГМП для получения более детальной информации о поровом пространстве и возможные способы расширения этих возможностей.

Ограничения метода ЯМР ИГМП для анализа структуры пор. Эффекты распределения до ^азм_едам_ и_формы.под, Присутствие ограничений вызывает уменьшение затухания эхо в методике ИГМП, причем форма ДЗ и его зависимость от времени определяются расстоянием между ограничениями в направлении g, проницаемостью, временем диффузии и КСД сложным образом, зависящим от структуры системы. Для макроскопически изотропного образца разделить эффекты, вызванные распределением пор по ориентациям и по размерам, не представляется возможным. Например, микроскопические исследования показывают, что в осадочных породах и синтетических пористых материалах на микроуровне часто наблюдается слоистая морфология, а для распределения размеров пор характерны фрактальные закономерности. Если нормаль плоского слоя ориентирована под углом 0 к направлению вектора градиента поля, то затухание имеет вил:

где х = соб(9). Выражения для равновероятной ориентации цилиндрических и щелевидных пор получены в результате интегрирования соотношений типа (11) [2], в частности для слоистой геометрии выражение для ДЗ:

I

А(ч) = ехр(-ч2 -Б0)/ехр(я2 -О0 -х^х, (12)

о '

в этом случае распределение расстояний между ограничениями в направлении импульсного градиента обусловлено распределением ориентации слоев. Для фрактального (степенного) распределения:

Я

,т аы 1

л,

тах _

(13)

где dN- число пор между Я и 1^11, - фрактальная размерность. В случае несообщающихся пор ДЗ может быть записано в виде:

(14)

А(Ч) = О2":СГ ' .....................

к К«"

где 1*1 = Г, 1?та.\ И Клип - границы диапазона фрактальности Г|=Я^П1ач, 1'шт=Яшт^та.\' При соответствующем наборе параметров распределения (13) можно получить ДЗ, описываемое (12). Заметим, что соотношения (12) и (14) одинаково хорошо описывают ДЗ для образцов'ГК и М1апа.Нте51опе. Ситуация становится еще более сложной когда поры одновременно анизотропны и характеризуются распределением размеров.

Эффекты. связности.пор. В большинстве случаев экспериментальные условия измерения самодиффузии в сообщающихся мезо и макропористых средах с распределением размеров или ориентаций пор соответствуют ^ » тр - времени пребывания молекулы в поре или участке поры, характеризующейся некоторым размером или ориентацией. По этой причине определенные из эксперимента значения КСД являются усредненными за время Даже в случае простой геометрии пор аналитическое решение для самодиффузии при наличии обмена является проблематичным. Более универсальную возможность решения этой задачи представляет компьютерное моделирование. Нами было проведено численное моделирование методом Монте - Карло зависимости 0(1(1) Для двумерных моделей с набором расстояний между ограничениями, различающихся характером связности «пор» (рис.2а). В случае (а) среда содержит сообщающиеся области, каждая с одним «размером пор», причем области с разными «размерами пор» не сообщаются. В случае (Ь) «поры» имеют иерархическую структуру: области с меньшим размером «вложены» в области с большим размером.

Как оказалось, обе модели в одинаковой степени пригодны для описания эксперимента (рис.2б), что не дает возможности установить: к какой из типов структур относится объект исследования? Из проведенного рассмотрения следует также, что для образцов с распределением размеров пор из данных ЯМР

ЙГМП невозможно получить информацию о сообщаемости отдельных участков порового пространства._

Рис.2а. Среда, содержащая ограничения с характерными размерами // и 12. Каждая «пора» характеризуется также проницаемостью, которая определяется размером отверстий в стенке.

(a) среда содержит два типа областей, между которыми не происходит молекулярный обмен.

(b) среда однородна, но поры имеют иерархическую структуру: области с размером // «вложены» в области с размером /?._

г'х т а) 1- + +

1-4- +

1.ХХ

+ + -1 + + Н -и х л

ггггп + + + + 1 I I -I 1

++++-1 _I_1_I_

Рис.26. Экспериментальные данные для образца ГК (точки) и результаты моделирования методом Монте-Карло с помощью моделей, представленных на рис.2а с тремя размерами ограничений.

1) Модель типа (б). /1=2,04 мкм, /2=12,2 мкм, /3=61 мкм; В8|/Е>0= 0,81, Б^/Оо^ 0,61, ОазЛ30=0,46 (6). Для сравнения: только /1 (4), только 1\ и и (5).

2) Модель типа (а): /,=2,01 мкм, /2—18,5 мкм, /3=85 мкм; 08,/Во= 0,54, РегЛ^т 0,32, О8з/О0=0,14 (7). Соотношение между объемами областей 1:1:1. Для сравнения: только /1 (1), только ¡2 (2), только ¡з (3).

1

Совершенствование методики ЯМР ИГМП для исследования самодиффузии в порах и определения структурных параметров пористых систем.

Описанные выше ограничения ЯМР ИГМП для исследования структуры пор обусловлены особенностями метода (одновременная регистрация сигнала ЯМР от всех пор, исследование самодиффузии вдоль одного направления) и обменом между сообщающимися порами. Чтобы преодолеть эти ограничения необходимо изменить методику измерения. Например, можно воздействовать на исследуемый объект таким образом, чтобы частично подавить обмен между порами или исключить сигнал от части пор с известными характеристиками. Для этих целей мы предложили: а) использовать специальную импульсную последовательность ЯМР ИГМП и Ь) селективно замораживать жидкость в порах определенного размера.

Предложенная специальная импульсная последовательность ЯМР ИГМП представлена на рис.3. Последовательность содержит три модуля. Первый модуль (от начала до эхо1) подготавливает систему частично "расфазируя" спины, причем в различной степени для различных молекулярных групп - «фаз», различающихся значением КСД. Степень "расфазировки" определяется как КСД, так амплитудой gl.

Второй модуль (до эхо2) представляет собой время эволюции те системы, в течение которого происходит молекулярный или спиновый обмен ксежду различными «фазами», зависящий от сообщаемости областей.'Третий модуль -измерительный, представляет собой последовательность Хана с импульсным градиентом магнитного поля б, в результате приложения которой получаем ДЗ в координатах от с учетом частичного подавления сигнала и обмена

между сообщающимися порами. Изменяя степень расфазировки и время эволюции можно регистрировать наличие процесса спинового или молекулярного переноса и определять количественные характеристики этих процессов.

- Если области, различающиеся КСД, несообщающиеся, то форма ДЗ определяется и не зависит от те при любых йь___

90 180 ес1ю1 90°

б!

§1

&

90 есЬог 180 есЬоЗ 5

&2

Рис.3. Модифицированная импульсная по-80 следовательность ЯМР

игмп.

¡«-¡-Тг-* «-¡-Тр-»!*^**

Н——

- Если поры сообщаются, то форма ДЗ определяется как величиной g|, так и временем тс.

Результат применения последовательности показан на рис.4 на примере изучения поровой структуры гипсового камня. Неэкспоненцйальность ДЗ свидетельствует о наличии спектра КСД. При gl=0 (кр.1) диапазон КСД в измеренном ДЗ составляет примерно от 2-10'9 до 10'11 м2/с. После подавления ~85% сигнала от молекул с наибольшими КСД остается часть спектра с верхним пределом КСД 10 '*м3/с (кр.2). Кривая 1 описывается соотношением (12),

в то время как кр,2 описывается выражением:

| •

Л(ё)/Л(0) = ехр(-(?2+<?;)£)о)1ехр((д + 41)Лцх2)сЬ). - (15)

о . 1 • 1

где Я1=у5§|. Заметим, что выражение (15) описывает также участок крЛ при д > 81-

Если поры сообщающиеся, то увеличение тс должно приводить к обмену молекул между порами и изменению формы ДЗ. В действительности при увеличении те от 15 до 100 мс тенденции к восстановлению исходного ДЗ не наблюдается (сравни кр.2 - 3), что указывает на отсутствие эффектов молекулярного обмена между областями порового пространства, характеризующимися различными КСД, по крайней мере, в течение 100 мс. Если представить структуру исследуемого образца слоистой, то согласно соотношению (12) форма ДЗ должна быть неэкспоненциальной, однако молекулярный обмен между слоями с различной ориентацией может быть не наблюдаем при условии достаточно

больших размеров слоев. С таким предположением данные, представленные на рис.4, согласуются.

Следует заметить, что необходимость использования последовательностей, позволяющих избирательно исследовать сигнал от выбранных, согласно определенным характеристикам самодиффузии, областей порового пространства для исследования структуры пористых сред была осознана к 1995 году Митрой [16], однако он, в отличие от нас, только описал возможные принципы работы такого типа последовательностей, не представив каких-либо экспериментальных данных._

АДОА«)), 1 ■

0.1

■ ■

о

I *»

(»Г

9*41

42?»о о

Рис.4. Диффузионные затухания для г воды, в порах ГК при использовании последовательности представленной на рис.3, при gm¡,x=200 Т/м. Значения параметров:

1-, gl=0, те=15мс (так как §1=0 ДЗ совпадает с ДЗ в последовательности Хана);

2^1=0,5 gnыч, те=15мс (первая точка соответствует ~0,15 А(0. е!=0)>; о 3- §1=0,5 т.=100 мс (при наличии 4 обмена между областями с различными КСД ожидается появление компоте ненты с большими КСД по сравнению с 2). В действительности этого не происходит.

о

■

■

о

о

Исключение сигнала от жадкости_ в зэд^

Ранее для наблюдения сигнала ЯМР от области порового пространства, характеризующейся определенным интервалом размеров пор, Стрейли [17] использовал частичное заполнение образца смачивающей жидкостью. В работах Стрэнжа [18] было показано, что при таком насыщении жидкость заполняет преимущественно поры меньшего размера. Тем самым поры больше некоторого размера исключены из исследования, процесс обмена с ними отсутствует. Этот эффект может быть использован для исследования динамики молекул жидкости в выделенных областях порового пространства. Недостатками использования такого подхода являются необходимость априорной информации о распределении размеров пор, отсутствие контроля за расположением жидкости в порах в ходе измерений и возможность искажения КСД при обмене жидкости с паровой фазой.

Другой подход, предложенной Стренжем [18] заключается в регистрации сигнала от жидкости в порах заданного размера с использованием эффекта Гиббса - Томсона, согласно которому зависимость между размером пор <1Кр, где происходит плавление вещества, и температурой плавления ТДсЦ) имеет вид:

ATm=Tm-Tro(dkp) = 6-asl-Tm/(dkp.AHf-ps)( . , (16)

где Гт - температура плавления в объемной фазе, ст5, - свободная поверхностная энергия границы раздела кристалл - жидкость, AHf - энтальпия плавления, ps -плотность кристаллической фазы.

Если все поры заполнены жидкостью и эта жидкость заморожена, то дальнейшее нагревание до температуры Tm(dKp) < Tm приводит к плавлению в порах с размерами d < d„p. Этот эффект изучен методами ЯМР релаксации [19], и на образцах с известным размером пор показано, что соотношение (16) выполняется с высокой точностью, что позволяет использовать его для оценки распределения размеров пор («криопорометрия»).

Мы предложили развитие этого подхода, основанное на использовании метода ЯМР ИГМП и исследования характеристик самодиффузии молекул в порах, где жидкость не заморожена. В этом случае, за счет сильного уменьшения для Т2 кристаллической фазы в эхо дают вклад исключительно молекулы жидкости. Это позволяет исследовать самодиффузию в жидкой фазе, ограниченной стенками поры и закристаллизованным диффузантом. Для анализа ограниченной самодиффузии могут использойаться обычные методики (например, Митры - Сена и др.). Сканирование по Т и td позволяет определить среднеквадратичные расстояния между препятствиями в областях с диаметрами пор d < 4р и связность части пространства, содержащей эти поры. Достоинство данного Метода заключается в возможности определения структурных (dtp, Vp/S, Rorp) и динамических (О,фф/Оо) характеристик областей порового пространства, различающихся dtp.

Данная методика была применена для получения информации о внутренней структуре слоев поровой структуры одного из образцов гипсового камня. Для более корректной интерпретации получаемых результатов выражение (16) было обобщено на случаи двумерной (слоевой) геометрии пор, характерной для ГК, и показано, что параметр dsdKP близок к толщине слоя. Образец был заморожен при -15°С и последовательно плавился при температурах от 0 до 6°С, при этом была получена кривая распределения размеров пор (рис.5а). По мере увеличения температуры получали зависимости D(td) (рис.5б) и рассчитывали среднеквадратичные расстояния между ограничениями (Rorp и D^Do), используя соотношения (9) и (10), а также долю поверхности слоев S, занимаемую жидкостью в выделенных областях пор. Было найдено, что до достижения S~0,4 проницаемость пор низка и практически не изменяется, в то время как резкое повышение D3,M/Do наблюдается только при условии S -0,6. Такого рода зависимость для двумерной геометрии можно объяснить, тем, что распределение препятствий, образуемых кристаллической фазой, имеет случайный характер. Значение S- 0,6, выше которого происходит резкое повышение проницаемости системы, представляет собой порог перколяции для двумерной решетки ре=0,59, так что при S> 0,6 система является проницаемой.

Путем сопоставления толщины участков слоев dkp, соответствующих различным Т, и среднеквадратичных расстояний между ограничениями в этих

слоях ёск^Иогр, оцененных по данным самодиффузии (10), установлено, что Я^р тем больше, чем меньше с!кр. Это означает, что участки порового пространства, характеризующиеся меньшими <1кр, имеют более анизотропную форму.

Полученная с помощью предложенных методик информация о внутренней структуре слоев, характере распределения толщины слоев, распределении барьеров, представляющих, по-видимому, вторичные кристаллические образования, в зависимости от толщины слоя является новой для поровой структуры гипсового камня.

Таким образом, проведенные исследования показали, что возможности метода ЯМР ИГМП для определения структурных параметров пористой среды могут быть расширены с помощью специальных импульсных последовательностей ЯМР ИГМП. В результате их применения может быть выбрана более достоверная модель геометрии порового пространства, получена информация об ориентации и связности пор. Контролируемое изменение фазового состояния введенного в поры вещества позволяет получить качественно новую, по сравнению со стандартными вариантами метода ЯМР ИГМП и методом крио-порометрии, информацию о внутренней структуре и связности отдельных участков пор, различающихся размерами.

1 Рис.5а. Дифференциальная кривая рас-

01 2 3 пределения размеров пор гипсового кам-

Ь) •-< • ня, полученная из данных по плавлению

•а 9 ЦГ. Р - доля пор с диаметром ё. Цифрами

О. ос I • - • -• 1, 2 и 3 показаны ёкр соответствующие температурам 0°С (1); 2°С (2); 4°С (3) при

оо гоо 300 400 500 «а 700 800 900 юоо 1юо которых исследовалась самодиффузия. Й А

10

3 Рис.5б. Зависимость КСД от времени

о X ■У диффузии для ЦГ в порах ГК7 при тем-2 " пературах плавления 0°С (1); 2°С (2); 4°С

сч £ \ (3). Прямая линия показывает наклон -1,

О" соответствующий полностью ограничен-Ху ной самодиффузии.

0 01 0 1 1

Четвертая глава. «Самодиффузия в кристаллизующихся полимерах».

Частично-кристаллический полимер - это двухфазная гетерогенная система, содержащая кристаллическую и жидкую фазы, которая в определенном отношении подобна насыщенным жидкостью пористым веществам. Известно, что морфология кристаллической фазы, полученной при кристаллизации из концентрированных систем (расплавов, смесей, концентрированных раство-

ров), является многоуровневой, зависит от природы компонентов системы, их совместимости и соотношения, а также условий кристаллизации. Некристаллические области расположены между кристаллическими структурами на ламел-лярном и фибриллярном уровнях. Кристаллизация в полимерных системах и установление равновесия в жидкой фазе происходят достаточно медленно, что обеспечивает возможность получения информации о самодиффузии методом ЯМР ИГМП в квазиравновесных условиях. Известно, что молекулярная подвижность может оказывать влияние на ход кристаллизации и кристаллическую структуру [20, 21]. С другой стороны, образующиеся межфазовые границы и изменения в жидкой фазе в ходе кристаллизации могут влиять на самодиффузию в аморфных областях.

До сих пор изучалась самодиффузия полимера при кристаллизации, но, как правило, из раствора [22]. Некоторые результаты исследования самодиффузии при кристаллизации из расплава [22, 23] носили неоднозначный характер, а самодиффузия в предельно закристаллизованных образцах и при кристаллизации смеси кристаллизующегося и некристаллизующегося полимеров не исследовалась вообще.

Самодиффузия в ходе кристаллизации.

В работе исследовались два типа кристаллизующихся полимерных систем - фракции кристаллизующегося ПЭО и смеси фракций ПЭО с некристалли-зующимся НПО. Для исключения температурных градиентов, которые могут привести к термодиффузии или зависимости КСД от пространственного положения молекулы, измерения проводились в квазиизотермических условиях, которые удавалось поддерживать при переохлаждениях ДТ относительно температуры плавления в диапазоне 8°С < ДТ < 18°С. Для количественного анализа данных ЯМР ИГМП изучались также кинетика степени кристалличности и самодиффузия компонентов систем в расплаве вблизи температур кристаллизации Тс. При этом анализ температурной зависимости скорости роста кристалличности Рс с помощью теории Хоффмана [24] показал, что скорость кристаллизации контролируется процессами вторичного или молекулярного зароды-шеобразования, а самодиффузия в аморфной фазе не является определяющим фактором. Зависимости Рс от времени для большинства образцов имели вид, который описывался на начальных стадиях с помощью феноменологической модели Аврами. При кристаллизации смеси, содержащей ПЭО с критической для складывания цепей М (4000) была обнаружена двухстадийность скорости роста Рс. причиной которой могло быть изменение, как термодинамических параметров, так и самодиффузии в ходе кристаллизации. Проведенный анализ с учетом указанных факторов показал, что причиной двухстадийности является изменение термодинамических параметров вследствие изменения характера складывание полимерной цепи в ламеллярных кристаллитах.

В ходе кристаллизации было обнаружено изменение формы ДЗ при всех М и составах образцов. При этом с ростом степени кристалличности наблюдался рост <Э> (рис.6). Проведенные в последние годы исследования самодиффу-

зии полимеров в пористых средах [25] показывают, что введение полимера в поры изменяет вид молекулярно-массовой зависимости КСД макромолекул, однако КСД никогда не превышает В связи с этим были рассмотрены две причины, которые потенциально могут привести к росту КСД в расплаве: а) ускоренная диффузия компонентов в граничной области между кристаллической фазой и расплавом и б) фракционирование полимера в ходе кристаллизации. Исследование самодиффузии на разных стадиях кристаллизации при варьировании температуры таким образом, что происходили: а) кристаллизация, б) плавление, или в) степень кристалличности не изменялась в течение длительного времени, показали, что форма ДЗ во всех случаях оставалась неизменной. Этим было показано, что неравновесность процесса не может быть причиной обнаруженного изменения КСД при кристаллизации. . ..., Эффект фракционирования полимера при кристаллизации связан с тем, ч?а переход из .расплава в кристалл по механизму молекулярного зародышеоб-.разования [21] осуществляется в первую очередь для макромолекул более высокой М. .

3 /

'г з, ..... 1 ' ^ ,п . - , 2 • • '' 1 1 1 Рис.6. Экспериментальные (точки) и расчетная (линия) зависимости ПЛ30 от степени кристалличности ПЭО с М=20000 при Тс 53°С (1).и 45°С (2).

0 ■'! 1.1,1.1.1,1 0,0 0.2 0.4 р 0,6 -0.8 1,0 ■ , ' • ' : .с*

Нами была предпринята попытка описать эту зависимость КСД от степени кристалличности рс, задавая для ПЭО логарифмически нормальный закон ММР, типичный для полимеров, полученных в результате реакции поликонденсации: •

........ Р(М)=М-(л)"0,5-а ' •ехр[-(1пМ-1п(М0))2/2ст2]. (17>

Для связи спектра КСД с ММР полимера мы использовали наиболее известные соотношения для Б(М):

Б, = приМ|<2000 (18)

Э, = А2 • М~2 при М[>2000 где А] и А2 нормировочные множители, М=2000 - близка к критической М ПЭО для самодиффузии. Расчетные <Б> и Рс, соответствующие переходу доли Р, макромолекул в кристаллическую фазу определяли из соотношений:

Расчеты позволили качественно описать наблюдаемые зависимости (рис.6), в частности более слабый рост <0> при Рс<0,7 и более сильный при больших Рс. Это можно рассматривать как аргумент в пользу обусловленности роста <Б> в ходе кристаллизации молекулярно-массовым фракционированием расплава. В пользу этого свидетельствует также результат анализа кинетики кристаллизации: на основе анализа температурной зависимости скорости роста 0,(ТС) с использованием теории кристаллизации Хоффмана [15] было найдено, что свободная энергия образования вторичного зародыша ДЯ** близка к значению, предсказываемому для молекулярного зародышеобразования [21], сопровождающегося фракционированием полимера.

В кристаллизующейся смеси полимеров, уже на начальных стадиях кристаллизации наблюдается зависимость ДЗ от характерная для ограниченной самодиффузии; она усиливается для более высоких концентраций ПЭО и более низких Тс. Частично избежать эффекта ограничений удается только для Тс близких к Тт, но и в этом случае удалось провести анализ самодиффузии при кристаллизации только качественно. Известно [22], что изменение скорости кристаллизации из раствора, по сравнению с чистой кристаллизующейся фракцией, обусловлено изменением энергии активации самодиффузии полимера Е0 в присутствии растворителя._

о

•2

^"■■Вв.

о а в 8

и

'»»л

Рис.7. Типичное изменение формы ДЗ при кристаллизации ПЭО из смеси. ППО (10% ППО с М=425 и 90% ПЭО с М=20000). Тс=52°С. Время кристаллизации 3(1), 32(2), 160(3), и 320(4) минут. ^=10 мс.

200 400 600 800 д2, (Т/М)2

1000

1

Д Д

Л

4

Д

О

В исследуемых нами смесях, присутствие ППО не оказывало влияния на Ес, а изменение скорости кристаллизации определялось только изменением температуры плавления. Было установлено, что в расплаве смеси полимеров ДЗ имеет двухкомпонентный вид (рис.7) с компонентами, соответствующими ПЭО и ППО. В ходе кристаллизации происходит увеличение доли сигнала от ППО в жидкой фазе. При этом средний КСД, соответствующий ПЭО, возрастает, а ширины спектра КСД для ПЭО увеличивается. Рост КСД ПЭО при кристаллизации в этом случае удается объяснить как изменением ф2, так и молеку-

лярным фракционированием в аморфной фазе. Следовательно, молекулярно-массовое фракционирование имеет место и при кристаллизации смесей полимеров. Присутствие эффектов ограничений показывает, что при кристаллизации области аморфной фазы оказываются заключенными между кристаллитами.

Ограниченная самодиффузия в частично кристаллическом полимере.

При предельно высоких (рс>0,8) степенях кристалличности фракций ПЭО сигнал стимулированного эхо от аморфной фазы получить не удается вследствие сильного уменьшения для нее значений Т2 1 мс). Однако в смесях ПЭО с ППО наблюдается сигнал эхо от аморфной фазы. Сравнение амплитуды сигнала со спиновыми населенностями компонент смеси показывает, что в состав. аморфной фазы входят молекулы обоих компонент. При этом ДЗ имеет неэкепоненциальный вид, а увеличение ^ приводит к уменьшению КСД, что указывает на эффект ограниченной самодиффузии также, как в рассмотренных в главе III неорганических пористых веществах с сообщающимися порами. Наличие двух молекулярных компонент с различными О0 в аморфной фазе усложняет анализ, зависимости ДЗ от Тем не менее, полученные зависимости КСД от ^ (рис.8) при различных условиях кристаллизации и составах можно, по аналогии с пористыми средами, отнести к коротковременному, промежуточному и длинновременному режимам самодиффузии.

1 а N а о -х ,о 4 __^ Рис.8. Зависимости КСД от ^ для частично-кристаллической смеси 2 ПЭО (90%) и ППО (10%) закри-стаплизованной при температурах 55°С(1), 52°С(2), 50°С(3), 48°С(4), 45°С(5) Температура измерения 5 35°С.

! • 10 . Г, «в 100 а

Полученные из анализа ограниченной самодиффузии данные о размерах и сообщаемости аморфных областей частично кристаллического полимера были использованы для расширения существующих представлений об особенностях кристаллизации полимеров и структуре межкристаллитных областей. Дополнительные исследования методами малоугловой рентгеновской дифракции и оптической микроскопии, а также литературные данные свидетельствуют, что кристаллическая фаза исследуемых систем образована тремя видами структур. Первичными являются ламели из сложенных или выпрямленных цепей (в зависимости от М и Тс). Ламели образуют фибриллы. Множество вырастающих из одного центра фибрилл образуют сферолиты. Каждый из этих видов струк-

тур характеризуется определенным интервалом размеров, зависящим от состава и Тс. По данным малоуглового рентгена толщина ламелей -100- 150А. Размеры сферолитов по данным микроскопии - от 0,1 мм до -0,5 см. Диаметр фибрилл точно измерить не удается, однако по литературным данным [21] он составляет от <1 до нескольких мкм. Аморфные области расположены между ламелями и между фибриллами. Толщина межламеллярной прослойки ~ 10-40А. Наши данные свидетельствуют, что все области аморфной фазы сообщающиеся. Размеры «пор» составляют от 0,4 до -3 мкм. Расстояния между ограничениями Яогр значительно превышают толщину межламеллярной прослойки, поэтому с большим основанием эти «поры» могут быть отнесены к меж-фибрилярным областям.

Существующие оценки размеров межфибриллярного пространства основываются на феноменологической модели образования фибрилл [26], в которой важное место занимает диффузия компонент расплава. Согласно этой модели перед поверхностью кристалла, продвигающейся в направлении х с постоянной скоростью а, образуется зона, обедненная кристаллизующимся полимером, концентрация ср2 в которой зависит от расстояния до кристалла как:

ф2(х) = ф20-ехр(-^) + ф2и> (20)

где ф2о - у поверхности кристалла, ф28 - в Ьбъеме; 8=0|/а - характеристическая длина, соответствующая ширине зоны с пониженным содержанием кристаллизующегося компонента вблизи поверхности'кристалла, 0| - коэффициент диффузии более подвижного компонента. Данная модель была использована нами для оценки параметра 8, зависимость которого от температуры и концентрации ППО сравнивалась с расстояниями между ограничениями, полученными из данных ЯМР ИГМП. Поскольку определяется трансляционной подвижностью молекул, можно представить его в виде 0|(Тс,ф2)« р-Цпю(Тс,ф2), Р - множитель, имеющий слабую зависимость от Тс и ф2. Полученная зависимость 81=Р-Оппо(Тс,ф2)/а и Иоф от Тс представлена на рис.9, из которого видно, что наблюдается симбатное изменение 8| и Ирт от Тс.

г 2

Тг

ю

0-

46

50 52

т,"с

Рис.9а. Зависимости Я^р (1), и 6 (2) от Тс для смеси, содержащей 90% ПЭО.

54

56

Это обстоятельство подтверждает наше предположение о соотнесении «пор» в частично-кристаллическом полимере с межфибриллярными аморфными облас-

з

1

тями. Полученная зависимость 5|(ТС) может быть рассмотрена как доказательство применимости феноменологической модели [26] фибриллярной кристаллизации полимеров.

Дополнительная информация о подвижности в аморфных областях была . получена из анализа данных поперечной ЯМР релаксации. Проведенное нами исследование показало, что для образцов, закристаллизованных при высоких скоростях кристаллизации (ДТ>15°С), спад поперечной намагниченности в аморфных областях, полученный при использовании последовательностей Хана или КПИФ, а также КПМГ, может быть записан в виде суммы двух компонент:

А(1)/А(0) = А,(ТсК.(1, Т2а) + А2(ТсК2(1,Т2Ь), (21)

где А] + А2 = 1, функции ^ и f2 различаются временами релаксации. Понижение Тс приводит к уменьшению значений А| и Т2а.

На температурной зависимости Т2Ь наблюдается плато, кроме этого оказалось, что форма спада намагниченности в последовательности КПМГ зависит от интервала между импульсами. Наблюдаемые эффекты могут быть обусловлены как молекулярным обменом между ЯМР «фазами» с различающимися Т2, так и изменением механизма локальной подвижности макромолекул, по сравнению с объемным расплавом. Для решения указанной проблемы было рассмотрено поведение спинового Гамильтониана при использовании импульсных последовательностей КПМГ и КПИФ, которое одинаково для случая молекулярного «обмена», но различается для систем с неусредненным диполь - ди-польным взаимодействием. Такой анализ позволил идентифицировать причину наблюдаемых зависимостей как неусредненное молекулярным движением диполь - дипольное взаимодействие и связать обнаруженные эффекты с анизотропией вращения участков молекул с временами корреляции т>10 мс.

Кристаллизация и молекулярная подвижность полимера в пористой среде.

В качестве модельных образцов для изучения влияния ограниченного объема на фазовые переходы и молекулярное движение полимера был выбран ПЭО, введенный в пористые стекла и углеродные адсорбенты с узким распределением размеров пор. Информация о механизме кристаллизации и кристаллической структуре полимера в порах была получена как из анализа кинетики кристаллизации, так и из анализа понижения температуры следующего за кристаллизацией плавления. Мы наблюдали монотонное понижение Тт при уменьшении диаметра поры с!, при этом форма кривой плавления отличалась от типичной для объемного полимера. Было установлено существование критического размера (1*, близкого к минимальной толщине кристаллической ламели (около 100А), выше и ниже которого механизм кристаллизации и кристаллическая структура полимера в порах была различна.

Анализ зависимости скорости роста кристалличности с использованием теории Хоффмана [15] показал, что в порах больше с1* происходит ламеллярная кристаллизация при тех же значениях термодинамических параметров образующейся кристаллической фазы, что и в свободном объеме. При этом анализ

[

• - 29 -

I 29

1 формы изотерм кристаллизации ПЭО с использованием теории Колмогорова -

Аврами показал, что присутствие пространственных ограничений может изменять геометрию роста кристалличности при малых переохлаждениях ДТС. Для двумерной геометрии пор при тех же условиях значение параметра Аврами п и, следовательно, геометрия роста кристалличности ПЭО остается такой же, как в объеме (2±0,1), а для одномерного роста п изменяется и составляет 1. Наблюдаемая зависимость геометрии роста от геометрии среды была воспроизведена ' с помощью компьютера методом клеточного автомата. Анализ термодинамики

процесса показал, что понижение Тга в присутствии ограничений связано с ч уменьшением протяженности ламеллярных кристаллических областей в порах

с <3>с1*. При этом, в порах с размером меньше <1* процесс кристаллизации происходит без индукционного периода и образования ламеллярных кристаллитов. Согласно данным ЯМР релаксации вращательная молекулярная подвижность молекул полимера изменяется при переходе от пор с размерами больше 6* к порам меньшего размера, как для кристаллической так и для аморфной фаз. Данные рентгеновской дифракции на больших углах показывают, что при с! < с!* уменьшаются размеры областей кристаллической фазы и ее структура. Описанные особенности кристаллизации, низкая степень кристалличности, малые размеры и более развитая молекулярная подвижность в кристаллических областях позволяют отнести кристаллическую фазу в порах меньше <1* к мице-лярному типу.

Во всех случаях наблюдаемые эффекты кристаллизации полимера в объеме и порах были объяснены изменением термодинамических и структурных характеристик кристаллической фазы. Таким образом, показано, что трансляционная молекулярная подвижность не является определяющей стадией этого процесса.

Пятая глава. Самодиффузия в бислойных липидных системах.

Сложность изучения методом ЯМР биологических систем обуславливается присутствием в них множества видов молекул (вода, липиды, протеины) в нескольких фазовых состояниях (жидком, жидкокристаллическом, твердом), различных структурах и наличием фазовых границ (в том числе биомембран -оболочек клеток и внутриклеточных органелл). Это делает биосистемы значительно более сложными для изучения самодиффузий по сравнению с системами жидкость - пористая среда или двухфазными аморфно - кристаллическими полимерами. Точно описать форму ДЗ и зависимость ее от ^ в таких системах, как правило, не удается.

Более простыми для изучения являются отдельные компоненты биосистем, в частности биомембраны, которые играют особую роль в процессах молекулярного транспорта, обеспечивая перемещение молекул липидов и протеинов по своей поверхности и избирательный перенос воды и ионов через нее. Модельными объектами для исследования особенностей транспорта в мембранах являются бислои, которые самопроизвольно образуются при гидратации липидов [10]. Причем, для исследования самодиффузии в поверхности бислоя

наиболее подходят образцы, ориентированные на какой-либо плоской подложке. В тоже время клеточные компартменты лучше моделируются везикулами, образующимися в отсутствии подложки при большом количестве воды. В каждом из этих случаев число молекулярных компонент и видов образуемых структур достаточно невелико, что позволяет применять подходы, развитые для более простых систем.

Самодиффузия липидов в ориентированных бислоях.

Самодиффузия молекул липидов в бислое происходит вдоль двумерной поверхности (латеральная диффузия). Молекулы липидов ориентированы перпендикулярно поверхности в каждой ее точке и вращаются вокруг нормали к ней, образуя, таким образом, жидкокристаллическую фазу. В искривленной по' верхности бислоя, которая характерна для везикул, клеток и субклеточных структурах, анализ латеральной диффузии сложен из-за изменения ориентации молекул относительно градиента поля. Это затруднение удается преодолеть в макроскопически ориентированных бислоях на плоской подложке (стекло или слюда) помещая образец в постоянное поле магнита, так чтобы нормаль к бис-лою и направление поля составляли магический угол (~54.7°). При этом решаются две,задачи: частичное усреднение диполь - дипольных взаимодействий (вследствие, вращения молекулы под магическим углом) и наблюдение диффузии в плоскости.

Измерения на однокомпонентных бислоях для фосфолипидов с различной структурой молекул и при различных содержаниях воды при температурах выш:е температуры фазового перехода (Тт) жидкий кристалл - твердая фаза ,(гель) показали, .что ДЗ описывается единственным КСД, а температурная зависимость КСД близка к Аррениусовому типу. Коэффициент латеральной диффузии зависит от молекулярной структуры и уменьшается при понижении концентрации воды, относительно равновесного набухания бислоя.. Это было объяснено'уменьшением площади полярных голов при уменьшении их гидратации и последующим упорядочиванием углеводородных цепей липидов. При температурах вблизи Тт присутствие гель - фазы обнаруживается по калориметрическим данным и приводит для молекул липида в ЖК фазе к появлению эффектов, типичных для ограниченной диффузии молекул низкомолекулярной жидкости в пористой среде (Глава I): неэкспоненциальной форме ДЗ и зависимости КСД от времени диффузии. При этом температурная зависимость КСД отклоняется от Аррениусовой.

При различных значениях равновесного набухания бислоя для молекул ряда фосфолипидов (диолеоилфосфатидилхолин (БОРС), пальмитоилолеоил-фосфатидилхолин (РОРС), дипальмитоилфосфатидилхолин (ЭРРС)) с одинаковыми по структуре полярными головами (холиновая группа) и близкими значениями длины угдейодородной цепи, но различающихся долей насыщенных цепей была обнаружено, что с увеличением доли насыщенных цепей коэффициент латеральной диффузии уменьшается, а энергия активации процесса само-

i

-31 -

диффузии увеличивается. Причем, эта зависимость имеет неаддитивный характер. Для данного ряда систем температурные зависимости КСД описывались при использовании теории свободного объема. Факт зависимости КСД и энергии активации Еа от доли насыщенных цепей удовлетворительно объясняется предположением об уменьшении свободного объема, необходимого для самодиффузии молекулы, при переходе от ненасыщенной цепи к насыщенной.

Известно, что в однокомпонентном липидном бислое в отсутствии холе-стерола (CHOL) ЖК фаза однородна, а углеводородные цепи липидов в этой фазе характеризуются меньшей степенью упорядоченности и более интенсивной вращательной подвижностью по сравнению с гель - фазой (s0). В последнее время в литературе эта фаза называется разупорядоченной ЖК фазой (ld). В присутствии CHOL бислой, содержащий фосфолипид с насыщенными цепями или смесь двух и более липидов один из которых насыщенный, образует фазу, которая является промежуточной по степени упорядоченности и интенсивности вращательной подвижности углеводородных цепей ld и s0 и называется упорядоченной ЖК фазой (10). Фаза 10 содержит повышенную концентрацию холестерола, а в случае смеси двух фосфолипидов, насыщенный фосфолипид также преимущественно переходит в 10 фазу. В двухфазной ld - 10 мембране возможно образование доменов одной из фаз (меньшей по объему). Для фосфолипидов, содержащих насыщенные цепи, 10 фаза экспериментально обнаруживалась методами ЭПР, флуоресцентной и атомной силовой микроскопии, в то время как в присутствии ненасыщенных цепей 10 фаза экспериментально не обнаруживалась, хотя ее существование предсказывалось теоретически и в компьютерном моделировании.

Исследования, проведенные нами для бислоев ряда насыщенных фосфолипидов (димиристоилфосфатидилхолин (DMPC), DPPC, сфингомиелин (SM)) в смеси с CHOL при концентрациях CHOL от 0 до ~50 мольных % в интервале температур от Тга до 60°С, обнаружили немонотонность зависимости КСД фос-фолипида от концентрации CHOL и температуры. Было установлено, что при концентрациях и температурах, соответствующих ld фазе (согласно микроскопическим, ЭПР и данным ионной проницаемости), зависимость КСД фосфоли-пида от концентрации CHOL слабая, также как в области 10 фазы. При этом КСД в фазе в 2-3 раза больше, чем в 10 фазе. Температурные зависимости КСД близки к Аррениусовым, за исключением температур близких к Тт для ld фазы (вследствие образования доменов s0 фазы), а энергия активации самодиффузии в ~ 2 раза больше для 1„ фазы. Однако в двухфазной ld - 10 области происходит отклонение КСД от Аррениусовой температурной зависимости. КСД сильно зависит от концентрации CHOL и описывается правилом рычага с учетом значений КСД и 10 фазах на границах области двухфазности. Экспериментально фиксируемая экспоненциальность формы ДЗ свидетельствует о быстром молекулярном обмене между фазами. Оценки сделанные исходя из соотношения времени диффузии эксперимента и условия быстрого обмена показывают, что размеры доменов не превосходят 1 мкм. Таким образом, было показано, что ЯМР ИГМП позволяет обнаружить двухфазную область ЖК фа-

зы по резкому изменению КСД и измерить КСД в упорядоченной и неупорядоченной фазах.

В бислоях фосфолипида с двумя ненасыщенными цепями (DOPC) повышение концентрации CHOL также приводит к понижению КСД, однако монотонному, так что температурная зависимость при всех концентрациях CHOL имеет Аррениусов вид. Такое понижение КСД фосфолипида согласуется с существующими представлениями о замедлении подвижности молекул в ЖК фазе в присутствии холестерола (вследствие взаимодействия ОН группы CHOL с полярной головой фосфолипида) при невозможности образования в этой системе упорядоченной ЖК фазы.

Для липида с одной насыщенной и одной ненасыщенной цепью (РОРС) зависимости КСД фосфолипида от концентрации CHOL были линейными вплоть до температур на ~20°С больше Тт (-2.4°С), а температурные зависимости КСД имели Аррениусов вид. Однако для интервала 0 - 20°С наблюдались эффекты типичные для бислоев с фазовым разделением в ЖК фазе, а именно, изломы на концентрационной зависимости КСД и отклонения в температурных зависимостях от Аррениусова вида. Причем эти эффекты наблюдались в интервалах температур и концентраций, ранее предсказанных теоретически для двухфазной Ц - 1и области системы POPC/CHOL. Таким образом, впервые экспериментально была обнаружена ЖК упорядоченная фаза в бислоях фосфолипида с насыщенной и ненасыщенной цепью и впервые экспериментально полу* чейа фазовая диаграмма для такого типа систем.

1000/1 (к')

РисЛОа. Температурные зависимости КСД SM Та 9риёнтированных бислоях SM/CHOL при содержании воды 35 % и концентрации'CHOL %: 0 (•)', 5 (V), 10.5 (□), 16.3 (О), 31 (А) и 42.5 (о).

10 20 Л

|Л01с% CHOL

Рис.106. Зависимость КСД SM в ориентированных бислоях SM/CHOL при содержании воды 35 % температурах 313 (о), 318 (V), 323 (□), 328 (О), 333 К Ж.

зло

3.№

Особое значение для биологии мембран и биомедицины имеют исследования структуры и функционирования доменов ("rafts") упорядоченной ЖК фазы, так как известно, что "rafts" играют роль в активизации мембранных белков. Домены "rafts" образуются в определенной области температур и концентраций в бислоях содержащих SM, CHOL и фосфолипид с полностью или частично ненасыщенными цепями. Одна из проблем заключается в обнаружении "rafts", так как их образование, в отличие от упорядоченной фазы в системах фосфолипид/CHOL, не сопровождается существенным тепловым эффектом и

значительным увеличением толщины бислоя. Вторая проблема заключается в определении подвижности молекул в доменах и вне их.

Проведенное нами исследование на бислоях DOPC/SM/CHOL («канонической» системе для наблюдения "rafts"), при концентрациях CHOL от 0 до 45 мольных % и температурах от 293 до 333 К, показало, что существует определенная температурно-концентрационная область (рис.11а), в которой наблюдаются признаки, характерные для двухфазной диффузии: двухкомпонентность ДЗ и зависимости формы спектра 'Н молекул липидов от величины приложенного импульсного градиента. Эта область двухфазности совпадает с областью наблюдения доменов в везикулах с тем же составом методами флуоресцентной и атомной силовой микроскопии. ЖК фаза в области однофазной самодиффузии при концентрациях CHOL до 15% (неупорядоченная ЖК фаза) характеризуется более интенсивной поступательной молекулярной подвижностью (КСД до ~3 раз больше, а энергия активации до ~2 раз меньше), чем область однофазной самодиффузии при концентрациях CHOL более 30% (упорядоченная ЖК фаза).

Для разделения сигналов от фаз в температурно-концентрационной области, в которой наблюдается двухкомпонентная самодиффузия, была использована методика компьютерного анализа набора спектров полученных при различных значениях величины градиента поля (Component REsolved spectroscopy [27]). Эта программа основана на двухуровневом подборе параметров для лучшего описания диффузионного затухания амплитуды каждой точки спектра.

f-

Т (SM)

20 30 40 CHOL (mol %>

Experimental

Рис.11 а. Диаграмма, характеризующая самодиффузию в системе DOPC/SM/CHOL (1/1/Х) при варьировании температуры и концентрации CHOL. В областях однофазной (•) самодиффузии система описывается единственным КСД, в то время как в областях двухфазной (о) самодиффузии ДЗ представляет собой сумму двух компонент._

Рис.116. ДЗ и формы спектра при последовательном увеличении ИГМП в исходном эксперименте и для 10 и Id фаз, полученные с помощью CORE.

Применение методики CORE позволило определить коэффициенты самодиффузии и количественно оценить состав 1а и lu фат для области их сосуществова-

ния. Больший КСД характеризует

:ха

Г

БИБЛИ01 СПетербург 09 W «кг

вращательной под-

вижностью углеводородных цепей - а меньший - фазу с заторможенной вращательной подвижностью цепей - 10. Двухкомпонентность ДЗ и отсутствие зависимости формы ДЗ от времени диффузии свидетельствуют об отсутствии молекулярного обмена между фазами за время около 200 мс. Это означает, что размеры доменов значительно больше молекулярных смещений (~ 1 мкм), измеряемых в эксперименте, а определенные КСД представляют тем самым истинные значения КСД фосфолипидов в фазах.

Самодиффузия в мультислойных везикулах.

Лецитин (смесь природных мембранный липидов) при физиологической температуре в зависимости от концентрации ф2 в воде претерпевает фазовое изменение, при этом изменяются размеры и геометрия микрофазовых образований. Проведенные исследования показали, что в этой системе продольная и поперечная ЯМР релаксация неэкспоненциальна, а форма ДЗ неэкспоненциальна и зависит от

Изучение изменения формы ДЗ от времени диффузии показало, что весь диапазон концентраций лецитина ф2 в системе лецитин/вода может быть разделен на три участка для которых наблюдается соответствие с областями фазовой диаграммы этой системы: 90%-80% (гидратация полярных групп), 70%-50% (неламеллярные жидкокристаллические фазы) и 40%-] 0%- (ламеллярная жидкокристаллическая фаза, мультислойные везикулы).

В интервале ф2 от 80% до 90% наблюдается бимодальный спектр КСД с максимумами 0тщ~10"12 и 0тах~10"10 м2/с, причем при увеличении 111 населенность компоненты с меньшим КСД уменьшается с постоянной времени ~ 400 мс. Анализ продольной ЯМР релаксации показал, что данное уменьшение обусловлено различием Т| воды и лецитина. Протоны, характеризующиеся КСД -10"'2 и ~Ю'|0м2/с, относятся к лецитину и воде в системе.

В ЖК состоянии лецитина (ср210%- 70%) зависимость ДЗ от ^ типична для ограниченной диффузии. Однако вид этой зависимости сложен и требует для его описания использования не менее чем трех «фаз». Для разделения ДЗ на вклады, относящиеся к различным «фазам» был использован совместный анализ зависимости ДЗ от ^ и времен релаксации, а также введение парамагнитного допинга в водную фазу для удаления сигнала от части молекул воды. Проведенный анализ позволил разложить ДЗ на три компоненты, соответствующие молекулярным группам («фазам»), различающимся по значениям КСД, характеру зависимости формы ДЗ от ^ и временам продольной релаксации:

А(В) = Р, {, (Т,, ,Т21,0, а,)) + Р^2 (Т12 ,Т22,02 (I,)) + Р3Гз(Т,з ,Т23,03(1,)). (22)

Для «фазы» с наибольшими КСД ~ М0'10м2/с, а Г| экспоненциальна и не зависит от 1(1, что соответствует длинновременному режиму самодиффузии в проницаемой среде. Эти признаки позволяют соотнести «фазу» 1 протонам воды в сообщающихся областях. Для «фазы» 2 поведение ^а) соответствует промежуточному режиму самодиффузии при полном ограничении. КСД, характеризующий эту «фазу», изменяется в зависимости от времени диффузии от

~Ю"10 до ~10'13 м2/с, а вклад в эхо, в зависимости от ф2 и td, может изменяться от -0,80 до < 0,1. «Фаза» 3 по признакам независимости КСД от td соответствует длинновременному режиму при полном ограничении с КСД ~10'13 - 10"14м2/с.

Для области существования мультислойных везикул (ф2 10% - 40%) наиболее информативным по отношению к структуре системы является анализ компоненты ДЗ, соответствующий «фазе» 2. Для количественного анализа ограниченной самодиффузии была выбрана модель тонкого сферического слоя, наиболее соответствующая везикулярной геометрии изучаемой системы. В случае латеральной самодиффузии в сферическом слое радиуса R для распределения спиновой плотности справедливо соотношение:

В результате соотношение для амплитуды спинового эхо (1) в сферическом слое имеет вид:

A(q, t d) = £ (2j +1) ■ (exp(-j( j + l)D'2td))-(-l)'-IJ2(s)J (24)

j=0 л

где функции Ij(s), s=qR, связаны с полиномами Лежандра Р/х):

/>Ufe"/>,(*>fc. (25)

L -1

Нами была разработана итерационная процедура, позволяющая производить на компьютере расчет ДЗ для заданного радиуса сфер:

i (26)

r t \ sins — / \ /sins COSs

h\s)-——> '.(*) = < [—2----

s V s s

Дальнейший анализ заключался в подборе параметров распределения (среднего радиуса сфер, вида и ширины распределения) до наилучшего совпадения расчетных ДЗ с экспериментальными. Лучшие совпадение (рис.12) было получено при использовании лог - нормального распределения радиусов сфер:

спл 1 r (lnR-lnR0)2

F(R) = ^6XP[--(27)

где Ro - среднее значение радиуса, а - ширина распределения и значение КСД ~2'10"|(|м2/с. Значения параметров распределения приведены в табл.2.

В изучаемой системе самодиффузия в тонком сферическом слое происходит для двух типов молекул - лецитина в бислое и воды между бислоями. Для протонов лецитина в ЖК состоянии сигнал может наблюдаться только при ориентации молекулы под «магическим» углом, что не характерно для большей части молекул исследуемой системы. Поэтому «фаза» 2 в большей мере может

быть отнесена к молекулам воды в сферических прослойках между бислоями лецитина. В пользу этого свидетельствует'также значение КСД для «фазы» 2, которое при малых ^ близко к КСД воды между ориентированными бислоями м /с) и значительно превышает типичный КСД фосфолипидов в условиях эксперимента (-5- 10'12м2/с) [10].

Таблица 2. Параметры, использовавшиеся для описания самодиффузии в «фазах» 2 и

Концентрация лецитина Р| К-ю (мкм) ?2 К-20 (мкм)

10% 0,90 3,1 0,30 0,10 0,1

20% 0,82 2,6 0,30 0,18 0,1

30% 0,8 6,0 0,37 0,20 0,1

40% 0,8 8,0 0,38 0,20 0,1

Компонента ДЗ, соответствующая «фазе» 3, может быть отнесена к самодиффузии молекул воды в везикулах с меньшими, чем размерами. Исходя из этого и используя лог - нормальный вид распределения сферических везикул были определены размеры Я2отаких везикул. В этом случае точное значение ст2 и КСД не влияют на форму ДЗ. Результат описания экспериментальных зависимостей показан на рис. 12, а параметры лог - нормального распределения радиусов сфер приведены в табл.2. Следует отметить, что бинарное распределение везикул в дисперсиях липидов, полученное из анализа наших данных, было обнаружен? также по данным светорассеяния.

1 -,

1 ч

0.1

I

л.

200 400

600

Рис.12. ДЗ для системы с 20% лецитина. Экспериментальные значения обозначены символами. Времена диффузии (снизу вверх): 4,5; 30; 100; 250; 750; 1000 мс. Сплошные линии - численный расчет для модели тонкого сферического слоя при бимодальном распределении радиусов сфер по логарифмически - нормальному закону

Таким образом, впервые удалось количественно описать зависимости ДЗ(^) в области ^ от миллисекунд до секунд при использовании единой модели в дисперсии лецитина в воде в области существования мультислойных везикул, и определить их параметры. Полученные методом ЯМР ИГМП результаты согласуются с известными представлениями о структуре везикул [11].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля исследована самодиффузия молекул жидкости в системах различной природы с различной геометрией ограничений: полностью насыщенных жидкостью пористых системах, кристаллизующихся полимерах, плоских ориентированных многокомпонентных бислоях липидов и мультислойных липид-ных везикулах. Рассмотрена возможность получения информации о структуре этих систем из данных о самодиффузии молекул в жидкой фазе с помощью существующих методик анализа ограниченной самодиффузии.

2. Показано, что при исследовании самодиффузии в системах с распределением размеров или анизотропной формой пор экспериментальные данные, полученные с помощью стандартных методик ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля, не позволяют выявить детали исследуемой структуры. Для решения этой проблемы: а) разработана специальная последовательность, содержащая дополнительный временной интервал для анализа развития процесса самодиффузии после частичного подавления сигнала и позволяющая избирательно исследовать самодиффузию отдельных групп молекул, различающихся КСД; б) разработана методика, основанная на использования эффекта Гиббса-Томпсона, позволяющая избирательно исключать сигнал эхо от части жидкости в крупных порах путем ее замораживания. При этом оставшийся сигнал относится к молекулам жидкой фазы в порах меньшего размера, самодиффузия в которых может быть исследована методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля. Преимущества разработанных методик продемонстрированы на примере исследования структуры гипсового камня.

3. Показано, что при кристаллизации полимера изменение формы диффузионного затухания обусловлено главным образом изменением концентрации кристаллизующегося компонента в аморфной фазе и его молекулярно - массовым фракционированием. Эффекты, связанные с неравновесностью процесса, не являются доминирующими.

4. На примере частично-кристаллического полимера полиэтиленоксида показано, что с точки зрения самодиффузии макромолекул он может быть рассмотрен как микро пористая среда, образованная кристаллическими фибриллами. Для самодиффузии в межфибриллярном пространстве могут наблюдаться коротковременной, промежуточный и длинновременной режимы, типичные для самодиффузии низкомолекулярных жидкостей, введенных в пористые тела. Среднеквадратичные смещения, соответствующие переходам между режимами, зависят от концентрации некристалли-зующегося компонента в системе и температуры кристаллизации, определяющими сформировавшуюся структуру ограничений.

5. На примере фракций полиэтиленоксида, введенных в пористые среды с

диаметром пор от 40 до 1440 А, выявлена роль основных факторов, влияющих на кинетику кристаллизации полимера в условиях ограничений. Показано, что скорость кристаллизации определяется, в основном, изменением числа конформационных состояний макромолекулы в присутствии ограничений и геометрией порового пространства. Установлено существование критического размера пор с!*, близкого к минимальной толщине кристаллической ламели, больше и меньше которого структура надмолекулярных кристаллических образований различна. В порах больше <1* происходит ламеллярая кристаллизация, аналогично объемному полимеру, а при размере пор меньше <3* кристаллическая структура разу-порядочена по сравнению с объемным полимером и может быть отнесена к мицелярному типу. Показано, что во всех исследованных системах самодиффузия молекул не является определяющим фактором кристаллизации.

6. Для плоских бислоев ряда (диолеоилфосфатидилхолин, пальмитоилолео-илфосфатидилхолин, дипальмитоилфосфатидилхолин) фосфолипидов (модельных биомембран) в условиях ориентации образца под «магическим углом» относительно магнитного поля детально исследована латеральная самодиффузия фосфолипидов в зависимости от температуры и доли насыщенных углеводородных цепей, а также содержания холестеро-ла. Показано, что процесс самодиффузии в этих системах характеризуется моноэкспоненциальным диффузионным затуханием. При этом с ростом с доли насыщенных цепей коэффициент самодиффузии уменьшается, а энергия активации процесса самодиффузии увеличивается. Зависимость коэффициента самодиффузии и энергии активации от доли насыщенных цепей носит неаддитивный характер.

7. Для бислойных систем, содержащих бинарные смеси ряда (димиристоил-фосфатидилхолин, дипальмитоилфосфатидилхолин, сфингомиелин) насыщенных фосфолипидов с холестеролом, впервые методом ЯМР систематически исследована самодиффузия в условиях жидкокристаллического фазового расслоения на упорядоченную (обогащенную холестеролом и характеризующуюся большим порядком в расположении цепей) и неупорядоченную фазы. Анализ концентрационных и температурных зависимостей коэффициентов самодиффузии липидов, проведенный во всей области исследования, позволил определить коэффициенты самодиффузии, соответствующие неупорядоченной и упорядоченной жидкокристаллическим фазам. Показано, что упорядоченная фаза характеризуется пониженными (до ~3 раз) значениями коэффициентов самодиффузии и повышенными (до ~2 раз) значениями энергии активации самодиффузии липи-да по сравнению со значениями для неупорядоченной фазы. Границы области фазового разделения по данным ЯМР ИГМП согласуются с данными других методов.

8. Для бислоев фосфолипида, содержащего 50% насыщенных цепей (паль-митоилолеоилфосфатидилхолин), впервые экспериментально (по призна-

кам отклонения температурной зависимости от Аррениусовой формы и нарушению монотонной зависимости коэффициента самодиффузии от концентрации холестерола) обнаружено присутствие упорядоченной жидкокристаллической фазы в узком температурном диапазоне вблизи перехода жидкий кристалл - гель.

9. Впервые исследована самодиффузия в бислоях липидов, содержащих тройную смесь компонентов, соответствующую основным компонентам клеточной мембраны (холестерол, фосфолипид с ненасыщенными цепями и сфингомиелин - фосфолипид с насыщенными цепями), в которых могут образовываться особые домены ("rafts") упорядоченной ЖК фазы с повышенным содержанием сфингомиелина и холестерола.

а) Установлены характерные особенности трансляционной динамики фосфолипидов в "rafts", отличающие их от окружающей неупорядоченной ЖК фазы: пониженные коэффициенты самодиффузии липидов (до ~5 раз) и более высокая энергия активации самодиффузии (до ~2 раз). Показано, что данные ЯМР с импульсным градиентом поля могут быть использованы для построения фазовой диаграммы бислоев, образующих "rafts".

б) Установлено, что двухкомпонентная форма диффузионного затухания в этих системах обусловлена наличием вкладов от молекул фосфолипидов в "rafts" и в окружающей жидкокристаллической фазе. Независимость формы диффузионного затухания от времени диффузии свидетельствует о выполнении условий медленного обмена между молекулами этих фаз и об отсутствии эффектов, связанных с наличием границы фазового раздела. Сделанные на основании этих фактов оценки размеров доменов "rafts" не противоречат данным флуоресцентной микроскопии.

10. На основе экспериментальных данных, полученных для системы лецитин-вода при концентрациях, соответствующих образованию мультислойных везикул, рассмотрены особенности самодиффузии при сферической форме ограничений, разработана и применена модель самодиффузии в тонком сферическом слое. Применение этой модели позволило впервые для такого типа дисперсных систем описать зависимость формы диффузионного затухания ЯМР от времени диффузии в диапазоне от миллисекунд до секунд при использовании одного фиксированного набора структурных и динамических (коэффициенты самодиффузии) параметров.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Филиппов А.В. Самодиффузия жидкости в песчаниках Fontainebleau/ А.В.Филиппов, Г.И.Васильев, В.Д.Скирда // Структура и динамика молекулярных систем. Сборник статей. - Уфа-Казань-Москва-Йошкар-Ола., 2002. -Вып. IX. - Т.2. - С.202 - 204.

2. Филиппов А.В., Хозина Е.В., Хозин В.Г. Исследование самодиффузии в порах отвержденного гипса методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля. // Химическая физика. - 1993. - Т. 12. - N.l 1. - С. 1519-1525.

3. Filippov A.V., Khosina E.V., Khosin V.G. Liquid Self-Diffusion in Pores of Hardened Gypsum: Pulsed Field Gradient NMR Study. // Journal of Materials Science. - 1996. - V.31. - P. 1809-1814. . 4. Filippov A.V., Altykis M.G., Khaliullin M.I., Rachimov R.Z., Lantsov V.M. Study of the Porous Structure of Hardened Gypsum by Pulsed Nuclear Magnetic Resonance. // Journal of Materials Science. - 1996. - V.31. - P.4369-4374.

5. Филиппов A.B., Халиуллин М.И., Алтыкис М.Г., Рахимов Р.З., Ланцов В.М., Исследование пор гипсового камня методами импульсного ЯМР. // Журнал прикладной спектроскопии. - 1996. - Т.63. - N.3. - С.477-485.

6. Филиппов A.B., Алтыкис М.Г., Халиуллин М.И., Структура пор гипсового камня по данным самодиффузии жидкости. // Журнал физической химии. -1966.-Т.70.-С.116-119.

7. Филиппов A.B., Вартапетян Р.Ш. Исследование связности пор методом .ЯМР. // Коллоидный журнал. - 1997. - Т.59. - N2. - С.248-251.

8. Филиппов A.B. Диффузокриопорометрия/ А.В.Филиппов, В.Д.Скирда // Структура и динамика молекулярных систем. Сборник статей. - Казань: Унипресс., 1999. - Bbm.VI. - С.387 - 392.

9. Филиппов A.B., Скирда В.Д. Исследование структуры пористого вещества • методом ЯМР криодиффузометрии. // Коллоидный журнал. - 2000. - Т.62. -

№6. - С.837-843.

Ю.Вартапетян Р.Щ., Кларксон Р.Б., Одинцов Б.М., Филиппов A.B., Скирда В.Д. Изучение пористой структуры активных углей по данным адсорбции паров •воды и плавления воды и циклогексана в порах. // Коллоидный журнал.-2000. - TJ62. - №5. - С.590-595.

11.Филиппов A.B.'Метод ЯМР исследования самодиффузии молекул в системах со сложной формой диффузионного затухания/ А.В.Филиппов,

' 'В:Д'.Скирда, Д.Ш;Идиятуллин // Структура и динамика молекулярных сис-''' тем. Сборник статей. - Йошкар-Ола- Казань- Москва, 1996. - 4.2. - С. 15-20.

12.Филйппов A.B., Смирнов B.C., Дорогиницкий М.М., Гиматдинов P.C. Диф-"s фузия'в межкристаллитном пространстве частичнокристаллической смеси

полимеров.'//Высокомолекулярные Соединения. Сер.Б.,- 1989. - Т.31. - N.1. : - С.72-74'.

1 З.Филиппов A.B., Смирнов B.C. Природа аномалии в кинетике кристаллиза-' ции смеси полиэтиленоксида с полипропиленоксидом. Высокомолекулярные соединения. Сер.А. - 1994. - Т.36. - N.12. - С.2021-2025. Н.Филиппов A.B., Смирнов B.C., Гиматдинов P.C., Дорогиницкий М.М., Са-модйффузия в распЛаве полиэтиленоксида при изотермической кристаллизации. // Высокомолекулярные соединения, Сер.Б. -1992. - N.4. - С.67-71.

15.Филиппов A.B., Смирнов B.C., Гиматдинов P.C., Шибанов Ю.Д. Особенности кристаллизации смесей полиэтиленоксида с полипропиленоксидом. // Высокомолекулярные Соединения. Сер.Б. - 1988. - Т.30.: N.l 1. - С.854-855.

16.Филиппов A.B., Смирнов B.C., Гиматдинов P.C., Шибанов Ю.Д. Влияние температуры кристаллизации и состава на форму спада поперечной намаг-

ниченности ЯМР в кристаллизующихся смесях полимеров. // Высокомолекулярные Соединения. Сер.Б. - 1988. - Т.ЗО. - N.7. - С.552-553.

17.Filippov А.V., Smimov V.S. and Doroginizkij M.M. Crystallization of crystalliz-able and amorphous polymer mixtures and peculiarities of their structure: an NMR study. // Magnetic Resonance Imaging. - 1998. - V.16. - N.5-6. - P.631-633.

18.Filippov A.V., Doroginizkij M.M. and Vartapetyan R.Sh. Crystallization of poly(ethylene oxide) confined in pores of active carbon. // Magnetic Resonance Imaging. - 1998. - V.16. - N.5-6. - P.629-630.

19.Филиппов A.B., Зарипов A.M., Пименов Г.Г. Плавление гибкоцепного полимера закристаллизованного в пористой среде. // Коллоидный журнал. -2000. - Т.62. - №3. - С.417-424.

20.Филиппов А.В., Пименов Г.Г., Зарипов A.M. Кинетика кристаллизации гибкоцепного полимера введенного в поры. // Коллоидный журнал. - 2000. -Т.62. - №3. - С.425-430.

21.Filippov A.., Oradd G., and Lindblom G. Lipid and water self/diffusion in oriented lipid/cholesterol bilayers studied by NMR. // Biophysical Journal. - 2002. -V.82. - N.l. - Part 2 of 2. - P.l 55a.

22.Lindblom G., Filippov A., and Oradd G. The effect of cholesterol on the lateral diffusion of phospholipids in oriented bilayers. // Biophysical Journal. - 2003. -V.84. - N2. - Part 2 of 2. - P.378a.

23.Filippov A.., Oradd G., and Lindblom G. The effect of cholesterol on the lateral diffusion of phospholipids in oriented bilayers. // Biophysical Journal. - 2003. -V.84. - N5. - P. 3079-3086.

24.Filippov A., Oradd G., and Lindblom G. Influence of cholesterol and water content on phospholipid lateral diffusion in bilayers. // Langmuir. - 2003. - V.19. -P.6397-6400.

25.Filippov A., Oradd G., and Lindblom G. Domain formation and lateral self-diffusion in lipid bilayers. // Magnetic Resonance Imaging. - 2003. - V.21. -N.3/4. - P.443.

26.Filippov A., Oradd G., and Lindblom G. Lipid lateral diffusion in ordered and disordered phases in raft mixtures. // Biophysical Journal, (in press).

27.Филиппов A.B., Дорогиницкий M.M., Хакимов A.M., Скирда В.Д. Ограниченная самодиффузия лецитина в системе лецитин-вода. // Коллоидный журнал. - 2000. - Т.62. - №5. - С.633-639.

28.Байкеев Р.Ф., Филиппов А.В., Исмаев Н.Э. Динамическая гетерогенность липидов в системе диэтиловый эфир-вода-лецитин. // Биофизика. - 1996. -Т.41. - Вып.6. - С.1227-1233.

29.Filippov A.V. Self-diffusion of lecithin in the ether-water-lecithin dispersions/ A.V.Filippov, R.F.Baykeev // VI Vedecka Konferencia Kosice. Zbornik predna-sok. - Kosice, 1992. - P.209-214.

30.Дорогиницкий M.M. Модели движения молекул в сферическом слое/ М.М.Дорогиницкий, А.В.Филиппов // Структура и динамика молекулярных систем. Сборник статей. - Москва, 2000. - Вып. VII. - С.46 - 49.

31 .Doroginizkij M.M. Restricted diffusion in lecithin - water system/ M.M.Doroginizkij, A.V.Filippov // Magnetic Resonance in Food Science. A view to the future. - Cambridge: Royal Society of Chemistiy, 2002. - P. 165-171.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Stejskal E.O., Tanner J.P. // J. Chem. Phys. - 1965. - V.42. - P.288 - 292.

2. Callaghan P.T. Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy. - Oxford: Clarendon, 1991.-516 p.

3. Двояшкин H.K., Маклаков А.И. // Коллоид. Ж. - 1992. - Т.54. - Р.ЗО - 37.

4. Hurlimann M.D., Helmer K.G., Latour L.L., Sotak C.H. // J. Magn. Reson. -, 1994. - V.l 11 A.-P.169- 178.

5.' Mair R.W., Wong G.P., Hoffmann D., Hurlimann M.D., Patz S., Schwartz L.M., Walsworth R.L. // Phys. Rev. Lett. - 1999. - V.83. - P. 3324 - 3327.

6. Маклаков А.И., Фаткуллин Н.Ф., Двояшкин H.K. // ЖЭТФ. - 1992. - V.l01. -P. 901-912.

7. Valiullin R.R., Skirda V.D., Kimmich R., Stapf S. // Phys. Rev. E. - 1997. - V. 55.-P. 2664-2671.

8. Васина E.H., Скирда В.Д., Волков В.И., Нечаев А.Н., Мчедлишвили Б.В. // ЖФХ. - 1999. - Т.73. - Р.285 - 290.

9. Balinov В., Soderman О., Ravey J.C. // J. Phys. Chem. - 1994. - V.98. P.393 -396.

10. Lindblom G., Oradd G. // Progr. NMR Spectr. - 1994. - V.26. - P.483 - 515.

11. Щипунов Ю.А. // Успехи химии. - 1997. - V.66. - P.328 - 352.

12. Katz A.J., Thompson A.H. //Phys. Rev. Lett. - 1985. - V.54. P. 1325 - 1328.

13. Chachaty C., Korb J.-P., Van der Maarel J.-P.C.; Bras W., Quinn P. // Phys. Rev. B. -1991. - V.44. - P.4778 - 4793.

14. Mitra P.P., Sen P.N. // Phys. Rev. B. - 1992. - V.45. - P.143 - 156.

15. Hoffman J.D. //Macromolecules. - 1986. - V.19. - P.l 124 - 1128.

16. Mitra P.P.//Phys. Rev. В.- 1995. - V.45. - P.15074 - 15078.

17. Straley C. NMR in Partially Saturated Rocks: Laboratory Insights on Free Fluid Index and Comparison with Borehole Logs/ C.Straley, C.E.Morriss, W.E.Kenyon, J.J.Howard // SPWLA 32nd Annual Logging Symposium. 1991

18. Strange J.H. //Nondestr. Test. Eval. - 1994. - V.l 1. - P.261 - 271.

19. Strange J.H., Rahman M, Smith E.G. // Phys. Rev. Lett. - 1993. - V.71. - P.3589 -3591.

20. Douglass D.C., McCall D.W. // J. Phys. Chem. - 1958. - V.62. - P. 1102.

21. Вундерлих Б. Физика макромолекул. Т.2. Зарождение, рост и отжиг кристаллов. - Москва: Мир, 1979. - 574 с.

22. Двояшкин Н.К., Маклаков А.И., Смирнов B.C. // Высокомолек. Соедин. -1979.-V.12.-P.2702-2707.

23. Гиматдинов Р.С., Влияние молекулярной массы на кинетику кристаллизации полиэфиров и структуру образующихся фаз. КГУ: Казань. - 1984. -204 р.

I

24. Hoffman J.D. The rate of crystallization of linear polymers with chain folding/ J.D.Hoffman, G.T.Davis, J.I.Lauritzen Jr. // Treatise of Solid State Chemistry. -New York: Plenum Press. 1976. - P.497- 614.

25. Скирда В.Д. К вопросу о рептационном механизме движения полимерной цепи по данным о самодиффузии макромолекул, введенных в пористое стекло «Vycor»/ В.Д.Скирда, М.В.Скирда // Структура и динамика молекулярных систем. Сборник статей. - Йошкар-Ола-Казань-Москва: 1997. -Р.181-185.

26. Keith H.D. // J. Polym. Sci. A. - 1964. - V.2. - P.4339 - 4343.

27. Stilbs P., Paulsen K., Griffiths P.C. // J. Phys. Chem. - 1996. - V.100. - P.8180 -8189.

Автор выражает благодарность:

> Научно-образовательному центру КГУ (грант BRHE, REC-007);

> Королевской Шведской академии наук (грант «NMR studies of biological membranes and heterogeneous lipid systems»);

> Российскому фонду фундаментальных исследований (гранты «Трансляционная динамика макромолекул и надмолекулярная структура в полимерных растворах, расплавах и объеме: изучение методом ЯМР», 1994 - 1995г.г.; «Экспериментальное изучение особенностей подвижности молекул в гетерогенных системах», 1996- 1997г.г.; «Процессы самодиффузии, спинового и молекулярного обмена в полимерных системах, интра- и интермолекулярных корреляций в динамике полимерной цепи: изучение методом импульсного ЯМР», 1997 - 1999; «Трансляционная диффузия макромолекул в системах с ограничениями», 2000 - 2002 г.г.;).

> Коллективам кафедры молекулярной физики КГУ и кафедры биофизической химии Университета Умео за помощь в проведении исследовании; персонально научному консультанту проф.В.Д.Скирде и проф.Й.Линдблуму за плодотворные дискуссии и помощь в обсуждении результатов.

! t

Отпечатано с готового оригинал-макета в Центре оперативной полиграфии «УНИПРЕСС» ЦВИД КГУ Тираж 100 экз. Заказ 11/11 420008, Казань, ул.Университетская, 17 Тел.31-55-34

\ i

Q.OO? Г/[

•192 03 -

i

i

i

i I

i

Введение.

Глава I. Особенности самодиффузии и применение метода ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля для исследования самодиффузии и структуры гетерогенных систем.

1.1. Современные представления о структуре пористых веществ.

1.2. Особенности самодиффузии молекул жидкости в системах с ограничениями, метод ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля и его применение для исследования самодиффузии и структуры гетерогенных систем.

1.3. Самодиффузия в частично кристаллических полимерах.

1.4. Ограниченная самодиффузия в биологических системах.

Глава II. Материалы и методы.

2.1. Объекты исследования. Их характеристики и приготовление.

2.3. Методы исследования.'.

ЯМР релаксометрия.

ЯМР ИГМП диффузометрия.

2.4. ЯМР - криопорометрия.

Глава.Ш. Возможности метода ЯМР ИГМП для исследования самодиффузии и структуры пористых веществ.

3.1. Самодиффузия в пористых системах.

3.2. Ограничения метода ЯМР ИГМП для анализа структуры пор.

3.3. Совершенствование методики ЯМР ИГМП для исследования самодиффузии в порах и определения структурных параметров пористых систем.

IV Глава. Самодиффузия в кристаллизующихся полимерах.

4.1. Особенности процесса кристаллизации полимера.

4.2. Самодиффузия в ходе кристаллизации.

4.3. Ограниченная самодиффузия и структура частично кристаллического полимера.

4.4. Фазовые переходы и молекулярная подвижность в полимерах, введенных в пористые среды.

Глава V. Самодиффузия в бислойных липидных системах.

5.1. Самодиффузия липидов в ориентированных бислоях.

5.2. Самодиффузия в мультислойных везикулах.

Актуальность проблемы. Многокомпонентные гетерогенные системы с микронными и субмикронными размерами внутренних неоднородно-стей находят исключительно широкое применение в жизни и практической деятельности человека. Наиболее простыми представителями таких систем •являются пористые вещества насыщенные жидкостью. Это неорганические вещества природного (глины, пески, минералы, нефтесодержащие породы) и искусственного (катализаторы, строительные материалы, бытовая и медицинская керамика) происхождения. Более сложные явления характерны для органических гетерогенных веществ, например полимерных композиционных материалов, гелей, эмульсий. Еще более сложны биологические объекты. В последние годы предпринимаются многочисленные усилия для исследования структуры и физических свойств таких систем с применением различных физико-химических методов. Раскрытие универсальных для данных систем закономерностей, также как исследование особенностей каждого из перечисленных вида и подвидов гетерогенных систем требует проведения исследований как теоретических, так и экспериментальных на всех уровнях от молекулярного до макроскопического.

В последнее десятилетие, наряду с традиционными методами исследования пористых и гетерогенных систем, большое развитие получили методы, которые построены на основе изучения протекания в пористой среде физических процессов - поступательного движения молекул (самодиффузии) [1-3] и фазовых переходов [4-7]. В качестве метода регистрации этих процессов, как показали предшествующие исследования, наибольшими преимуществами обладает метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) благодаря своей низкой энергии воздействия, высокой проникающей способности и возможности изучения процессов на молекулярном уровне.

К настоящему времени на модельных, упрощенных объектах наработаны наиболее общие теоретические [8-12] и экспериментальные подходы [13-15] к анализу самодиффузии в гетерогенных системах. Наибольший прогресс сделан благодаря работам сотрудников лабораторий Шлюмберже (США), Каллахана (Новая Зеландия), Каргера с сотрудниками (Германия) и Кафедры молекулярной физики Казанского университета (Россия). Ими изучены закономерности самодиффузии низкомолекулярных веществ различной полярности, а также полимеров, в пористых средах с различной геометрией в широком диапазоне размеров пор, в полностью и частично насыщенном состоянии среды [6, 16-19]. Разработаны экспериментальные методики определения размеров пор [4, 20].

Несмотря на достаточно большое количество экспериментальных работ, которое на сегодняшний день исчисляется тысячами, многие проблемы остаются неисследованными. Так вопросы получения информации о структуре среды по данным молекулярной подвижности рассматривались только для наиболее простых моделей, при этом анализируется, как правило, усредненное значение коэффициента самодиффузии. Не рассматривался вопрос однозначности соотнесения подвижности введенной жидкости и структуры. Наибольшее внимание уделяется характеристикам индивидуальной поры, а вопросы связности исследованы в значительно меньшей степени. При рассмотрении фазовых переходов веществ, введенных в пористую среду, детально рассматривалось только плавление низкомолекулярных жидкостей. Не исследованы особенности процесса кристаллизации в пористой среде связанные со структурой среды. Не рассмотрены фазовые переходы в таком практически важном классе адсорбатов как полимеры.

К актуальным задачам биологии, медицины и биотехнологии относится исследование процессов в биологических дисперсных системах. В биологических объектах (ткани, лекарственные препараты, пищевые продукты, и др.) границы клеточных и субклеточных структур образованы бислойными мембранами, состоящими, в основном из липидов. Удобной моделью биомембраны является бислой, образующийся при смешении липида с водой. Благодаря отмеченным выше особенностям (низкая энергия воздействия и высокая проникающая способность радиоизлучения) метод ЯМР ИГМП имеет преимущество при исследовании биологических систем (особенно живых или моделирующих живые), однако возможности его использования до сих пор ограничены, в частности, из-за отсутствия подходящих методик анализа результатов эксперимента.

Целью работы является:

1. Экспериментальное исследование самодиффузии молекул жидкостей в пористых системах, использование для этого анализа зависимостей коэффициентов самодиффузии и формы диффузионных затуханий спинового эхо от времени диффузии. Разработка методов, расширяющих возможности ЯМР ИГМП для получения информации о самодиффузии и структуре поро-вого пространства в пористых телах.

2. Исследование самодиффузии в двухфазных аморфно — кристаллических полимерах, в ходе кристаллизации и плавления. Изучение влияния кинетики фазового перехода в этих системах на структуру образовавшихся фаз и молекулярную подвижность в аморфной фазе.

3. Изучение особенностей самодиффузии в модельных биологических системах: биологических мембранах и мультислойных везикулах, в том числе в условиях фазового разделения. Выяснение влияния состава и температуры на самодиффузию липидов в биомембранах.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования использовались: пористые системы - осадочные горные породы: песчаники, известняк, мел; образцы гипсового камня, углеродные адсорбенты, стекла с узким и известным распределением размеров пор; адсорбаты - вода, низкомолекулярные углеводороды, кристаллизующиеся и некристаллизующиеся линейные синтетические полимеры; а также гетерогенные системы - многофазные липидные бислои, дисперсии лецитина в воде и частично-кристаллические полимеры и смеси полимеров. Критерием при выборе объектов являлись их охарактеризованность, изученность другими методами и возможность наблюдения явлений типичных для исследуемых классов объектов.

Измеряемые параметры. При исследовании самодиффузии измеряли диффузионные затухания стимулированного спинового эхо в зависимости от квадрата амплитуды импульса градиента поля. Коэффициент самодиффузии определяли из наклона затухания. В случае неэкспоненциального затухания производили его разложение, согласуясь с природой исследуемой системы, зависимостью от времени диффузии и варьируемых параметров эксперимента. При исследовании ЯМР релаксации получали спады поперечной намагниченности, спады и восстановления продольной намагниченности. Динамическую степень кристалличности определяли путем разложения спадов поперечной намагниченности в частично кристаллических образцах.

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:

- Предложены новые подходы к проведению эксперимента ЯМР ИГМП для получения информации о самодиффузии и структуре пористых систем. Разработана импульсная последовательность, позволяющая более детально исследовать структуру порового пространства.

- Для установления деталей структуры порового пространства разработана методика, основанная на исследовании самодиффузии в жидкой фазе в условиях последовательного исключения из диффузионного затухания части сигнала диффузанта в порах большего размера. Такая методика, названная «криодиффузометрия», позволяет оценивать среднеквадратичные размеры участков порового пространства и исследовать их связность.

- Впервые на примере фракций полиэтиленоксида с молекулярными массами от 1500 до 40000, их смесей и смесей с фракциями некристалли-зующегося полипропиленоксида изучена самодиффузия в системах, в которых изменение структуры ограничений производится путем варьирования концентрации некристаллизующегося компонента и условий кристаллизации. Показано, что метод ЯМР ИГМП позволяет получить информацию о размерах и сообщаемости межфибриллярных аморфных областей. Установлено, что зависимости размеров этих областей от температуры кристаллизации и концентрации кристаллизующегося компонента для исследованных систем согласуются с феноменологической моделью фибриллярной кристаллизации. Установлено, что в ходе кристаллизации молекулярно-массовое фракционирование является основной причиной изменения коэффициента самодиффузии.

- На примере фракций полиэтиленоксида, введенных в пористые среды с диаметром пор от 40 до 1440 А, выявлена роль основных факторов, влияющих на кинетику кристаллизации полимера в условиях ограничений. Показано, что скорость кристаллизации определяется, в основном, изменением числа конформационных состояний макромолекулы в присутствии ограничений и геометрией порового пространства. Установлено существование критического размера пор d*, близкого к минимальной толщине кристаллической ламели. В порах больше d* происходит ламеллярная кристаллизация, аналогично объемному полимеру, а при размере пор меньше d* кристаллическая структура разупорядочена по сравнению с объемным полимером и может быть отнесена к мицелярному типу. Показано, что во всех исследованных системах самодиффузия молекул не является определяющим фактором кристаллизации.

- Для плоских бислоев ряда фосфолипидов (модельных биомембран) детально исследована латеральная самодиффузия фосфолипидов в зависимости от температуры и доли насыщенных углеводородных цепей, а также содержания холестерола в условиях ориентации образца под «магическим углом» (54,7°) относительно магнитного поля. Показано, что процесс самодиффузии в таких системах характеризуется моноэкспоненциальным диффузионным затуханием. При этом с ростом доли насыщенных цепей коэффициент самодиффузии уменьшается, а энергия активации процесса самодиффузии увеличивается. Зависимости коэффициента самодиффузии и энергии активации от доли насыщенных цепей носят неаддитивный характер.

- Для бислойных систем, содержащих бинарные смеси ряда насыщенных фосфолипидов с холестеролом, впервые методом ЯМР систематически исследована самодиффузия в условиях жидкокристаллического фазового расслоения на упорядоченную (обогащенную холестеролом и характеризующуюся большим порядком в расположении цепей) и неупорядоченную фазы. На основе анализа концентрационных и температурных зависимостей коэффициентов самодиффузии липидов показано, что упорядоченная фаза характеризуется пониженными (до ~3 раз) значениями коэффициентов самодиффузии и повышенными (до ~2 раз) значениями энергии активации самодиффузии липида по сравнению со значениями для неупорядоченной фазы. Границы области фазового разделения по данным ЯМР ИГМП согласуются с данными других методов.

- Для бислоев фосфолипида, содержащего 50% насыщенных цепей, используя ЯМР ИГМП, впервые экспериментально по признакам отклонения температурной зависимости коэффициента самодиффузии от Аррениу-совой формы и нарушению монотонной зависимости коэффициента самодиффузии от концентрации холестерола обнаружено присутствие упорядоченной жидкокристаллической фазы в узком температурном интервале вблизи перехода жидкий кристалл - гель.

- Впервые исследована самодиффузия в бислоях липидов, содержащих тройную смесь компонентов, соответствующих основным компонентам клеточной мембраны (холестерол, фосфолипид с ненасыщенными цепями, сфингомиелин - фосфолипид с насыщенными цепями), в которых могут образовываться особые домены ("rafts") упорядоченной ЖК фазы с повышенным содержанием сфингомиелина и холестерола. И в этом случае, также как для бинарных смесей, границы области фазового разделения по данным ЯМР ИГМП согласуются с данными других методов. Установлены характерные особенности трансляционной динамики фосфолипидов в "rafts", отличающие их от окружающей неупорядоченной ЖК фазы: пониженные коэффициенты самодиффузии липидов (до ~5 раз) и более высокая энергия активации самодиффузии (до ~2 раз). Показано, что данные ЯМР ИГМП могут быть использованы для построения фазовой диаграммы бислоев, образующих "rafts".

- Установлено, что двухкомпонентная форма диффузионного затухания в этих системах обусловлена вкладом от молекул фосфолипидов в "rafts" и в окружающей жидкокристаллической фазе. Независимость формы диффузионного затухания от времени диффузии свидетельствует о выполнении условий медленного обмена между молекулами этих фаз и об отсутствии эффектов ограничений, связанных с наличием границы фазового раздела. Сделанные на основании этих фактов оценки размеров "rafts" согласуются с данными флуоресцентной микроскопии, полученными для подобных систем.

- На примере латеральной самодиффузии в системе лецитин-вода при концентрациях, соответствующих образованию мультислойных везикул, рассмотрены особенности самодиффузии для случая сферической формы ограничений. На основе анализа полученных экспериментальных данных разработана модель самодиффузии в тонком сферическом слое. Применение этой модели позволило впервые для систем лецитин-вода описать зависимость формы диффузионного затухания ЯМР от времени диффузии в диапазоне от миллисекунд до секунд при использовании одного фиксированного набора структурных (радиусы везикул) и динамических (коэффициенты самодиффузии) параметров.

Практическая и научная ценность. Научная ценность работы обусловлена новизной полученных результатов и возможностью применения обнаруженных закономерностей и разработанных методик к исследованию структуры различных пористых систем. Предложенные новые экспериментальные методики качественно расширяют возможности метода ЯМР ИГМП для исследования структуры гетерогенных систем различной природы. Установленные закономерности кристаллизации и плавления полимеров в пористых средах могут быть использованы для прогнозирования и управления свойствами полимерного компонента в химической технологии (каталитическая полимеризация, армирование полимеров и др.), экологии и нефтяной индустрии (управление фильтрационными свойствами горных пород). Предложенные методики анализа диффузионных затуханий намагниченности ЯМР в дисперсиях лецитина могут быть использованы для определения размеров везикул других липидных систем, а также для анализа микроструктуры эмульсий, образуемых различными эмульгирующими веществами, применяемых в биологии, медицине, фармакологии, пищевой и косметической промышленности. Обнаруженные особенности самодиффузии в двух- и трехкомпонентных ориентированных бислоях липидов показывают роль состава (в частности, концентрации холестерола, содержания воды) и температуры на фазовое состояние и подвижность молекул липида в биомембранах, что важно, в особенности, для биологии мембран. Проведенные исследования показывают, что метод ЯМР ИГМП может быть применен для широкого круга гетерогенных систем, в том числе в условиях фазовых переходов.

Работа выполнена на кафедре молекулярной физики КГУ и является частью проводимых здесь исследований трансляционной молекулярной подвижности в гетерогенных системах, в том числе исследований, проведенных в рамках научно-образовательного центра КГУ (грант BRHE, REC-007). Часть работы выполнена в сотрудничестве с кафедрой биофизической химии Университета Умео (Швеция).

Достоверность полученных результатов. Достоверность измерений обеспечивалась комплексным характером проведенных экспериментальных исследований, многократной повторяемостью измерений. При этом в дополнении к методу ЯМР ИГМП применялись методы ЯМР релаксации, ЯМР высокого разрешения на 'Н, 2Н и 31Р, широко и малоугловое рентгеновское рассеяние, оптическая микроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия. При проведении исследований использовались образцы с характеристиками, известными из справочных данных или определенными с помощью стандартных методов. Экспериментальные данные обрабатывались с использованием стандартных методов, а в тех случаях, когда применялись новые методы обработки, это теоретически обосновывалось. Полученные результаты неоднократно докладывались на конференциях и совещаниях, где они анализировались на предмет их достоверности и согласия с результатами, полученными другими научными группами.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на итоговых научных конференциях КГУ в 1988-2000 годах, на III Всесоюзной конференции по пластификации полимеров (Суздаль, 1988), Всесоюзной конференции "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве" (Казань, 1988) XXIV конгрессе Ампера (Познань, 1988), конференции "MARECO'89" (Лейпциг, 1989), XIX Европейском конгрессе по молекулярной спектроскопии (Дрезден, 1989), II Всесоюзной конференции "Смеси полимеров" (Казань, 1990), II Всесоюзном совещании "Динамика макромолекул" (Казань, 1990), Всесоюзной конференции "Фундаментальные проблемы науки о полимерах" (Ленинград, 1990), XV Всесоюзной конференции по химической технологии неорганических веществ (Казань,

1991), VI конференции Технического университета в Кошице (Кошице,

1992), II Всероссийской конференции "Нефтехимия-92" (Нижнекамск, 1992), на XXVII конгрессе Ампера (Казань, 1994), Всероссийском совещании "Физико-химические методы исследования структуры и динамики молекулярных систем" (Йошкар-Ола, 1994), Конференции университета в Кошице с приглашением международных участников (Кошице, 1994), V конференции по химии и физикохимии олигомеров (Черноголовка, 1994), III Всероссийской конференция по интенсификации нефтехимических процессов "Нефтехимия-94" (Нижнекамск, 1994), VI Европейской конференции по спектроскопии биологических молекул (Франция, 1995), XIII совещании международного общества по гематологии (Стамбул, 1995), Всероссийском семинаре "Структура и динамика полимерных систем" (Йошкар-Ола, 1995), IV конференции по интенсификации нефтехимических процессов "Нефте-химия-96" (Нижнекамск, 1996), XIII Европейской конференции по экспериментальному ЯМР (Париж, 1996), IV Международном совещании по новейшим достижениям ЯМР в пористых средах (Тронхейм, 1997), Международном совещании по пористым средам (Дельфы, 1998), III Международном симпозиуме "Молекулярная подвижность и порядок в полимерных системах" (Санкт-Петербург, 1999), VI Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Казань- Йошкар-Ола, 1999), 5 Международной конференции по магнитной резонансной микроскопии (Гейдель-берг, 1999), VII Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Москва- Йошкар-Ола, 2000), Biophysical Society 46 Annual Meeting (San Francisco, 2002), Biophysical Society 47 Annual Meeting (San Antonio, 2003), Конференции по ЯМР-Микроскопии (Гётеборг, 2003).

Содержание диссертации опубликовано в 92 печатных работах, включающих в себя 27 журнальных статей, 18 статей в сборниках, 47 тезисов в трудах научных конференций и совещаний.

Личный вклад автора. Автору принадлежат большая часть основных идей постановки работы, большая часть экспериментального материала, основные идеи по интерпретации результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, представленного в виде выводов, изложена на 282 страницах машинописного текста, содержит 115 рисунков и 32 таблицы. Список используемой литературы содержит 300 наименования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля исследована самодиффузия молекул жидкости в системах различной природы с различной геометрией ограничений: полностью насыщенных жидкостью пористых системах, кристаллизующихся полимерах, плоских ориентированных многокомпонентных бислоях липидов и мультислойных липидных везикулах. Рассмотрена возможность получения информации о структуре этих систем из данных о самодиффузии молекул в жидкой фазе с помощью существующих методик анализа ограниченной самодиффузии.

Показано, что при исследовании самодиффузии в системах с распределением размеров или анизотропной формой пор экспериментальные данные, полученные с помощью стандартных методик ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля, не позволяют выявить детали исследуемой структуры. Для решения этой проблемы: а) разработана специальная последовательность, содержащая дополнительный временной интервал для анализа развития процесса самодиффузии после частичного подавления сигнала и позволяющая избирательно исследовать самодиффузию отдельных групп молекул, различающихся КСД; б) разработана методика, основанная на использования эффекта Гиббса-Томпсона, позволяющая избирательно исключать сигнал эхо от части жидкости в крупных порах путем ее замораживания. При этом оставшийся сигнал относится к молекулам жидкой фазы в порах меньшего размера, самодиффузия в которых может быть исследована методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля. Преимущества разработанных методик продемонстрированы на примере исследования структуры гипсового камня.

Показано, что при кристаллизации полимера изменение формы диффузионного затухания обусловлено главным образом изменением концентрации кристаллизующегося компонента в аморфной фазе и его молеку-лярно - массовым фракционированием. Эффекты, связанные с неравновесностью процесса, не являются доминирующими. На примере частично-кристаллического полимера полиэтиленоксида показано, что с точки зрения самодиффузии макромолекул он может быть рассмотрен как микро пористая среда, образованная кристаллическими фибриллами. Для самодиффузии в межфибриллярном пространстве могут наблюдаться коротковременной, промежуточный и длинно-временной режимы, типичные для самодиффузии низкомолекулярных жидкостей, введенных в пористые тела. Среднеквадратичные смещения, соответствующие переходам между режимами, зависят от концентрации некристаллизующегося компонента в системе и температуры кристаллизации, определяющими сформировавшуюся структуру ограничений. На примере фракций полиэтиленоксида, введенных в пористые среды с диаметром пор от 40 до 1440 А, выявлена роль основных факторов, влияющих на кинетику кристаллизации полимера в условиях ограничений. Показано, что скорость кристаллизации определяется, в основном, изменением числа конформационных состояний макромолекулы в присутствии ограничений и геометрией порового пространства. Установлено существование критического размера пор d*, близкого к минимальной толщине кристаллической ламели, больше и меньше которого структура надмолекулярных кристаллических образований различна. В порах больше d* происходит ламеллярная кристаллизация, аналогично объемному полимеру, а при размере пор меньше d* кристаллическая структура разупорядочена по сравнению с объемным полимером и может быть отнесена к мицеллярному типу. Показано, что во всех исследованных системах самодиффузия молекул не является определяющим фактором кристаллизации.

Для плоских бислоев ряда (диолеоилфосфатидилхолин, пальмитоило-леоилфосфатидилхолин, дипальмитоилфосфатидилхолин) фосфолипи-дов (модельных биомембран) в условиях ориентации образца под «магическим углом» относительно магнитного поля детально исследована латеральная самодиффузия фосфолипидов в зависимости от температуры и доли насыщенных углеводородных цепей, а также содержания холестерола. Показано, что процесс самодиффузии в этих системах характеризуется моноэкспоненциальным диффузионным затуханием. При этом с ростом с доли насыщенных цепей коэффициент самодиффузии уменьшается, а энергия активации процесса самодиффузии увеличивается. Зависимость коэффициента самодиффузии и энергии активации от доли насыщенных цепей носит неаддитивный характер. Для бислойных систем, содержащих бинарные смеси ряда (димиристо-илфосфатидилхолин, дипальмитоилфосфатидилхолин, сфингомиелин) насыщенных фосфолипидов с холестеролом, впервые методом ЯМР систематически исследована самодиффузия в условиях жидкокристаллического фазового расслоения на упорядоченную (обогащенную холестеролом и характеризующуюся большим порядком в расположении цепей) и неупорядоченную фазы. Анализ концентрационных и температурных зависимостей коэффициентов самодиффузии липидов, проведенный во всей области исследования, позволил определить коэффициенты самодиффузии, соответствующие неупорядоченной и упорядоченной жидкокристаллическим фазам. Показано, что упорядоченная фаза характеризуется пониженными (до ~3 раз) значениями коэффициентов самодиффузии и повышенными (до ~2 раз) значениями энергии активации самодиффузии липида по сравнению со значениями для неупорядоченной фазы. Границы области фазового разделения по данным ЯМР ИГМП согласуются с данными других методов.

Для бислоев фосфолипида, содержащего 50% насыщенных цепей (паль-митоилолеоилфосфатидилхолин), впервые экспериментально (по признакам отклонения температурной зависимости от Аррениусовой формы и нарушению монотонной зависимости коэффициента самодиффузии от концентрации холестерола) обнаружено присутствие упорядоченной жидкокристаллической фазы в узком температурном диапазоне вблизи перехода жидкий кристалл - гель.

Впервые исследована самодиффузия в бислоях липидов, содержащих тройную смесь компонентов, соответствующую основным компонентам клеточной мембраны (холестерол, фосфолипид с ненасыщенными цепями и сфингомиелин - фосфолипид с насыщенными цепями), в которых могут образовываться особые домены ("rafts") упорядоченной ЖК фазы с повышенным содержанием сфингомиелина и холестерола. а) Установлены характерные особенности трансляционной динамики фосфолипидов в "rafts", отличающие их от окружающей неупорядоченной ЖК фазы: пониженные коэффициенты самодиффузии липидов (до ~5 раз) и более высокая энергия активации самодиффузии (до ~2 раз). Показано, что данные ЯМР с импульсным градиентом поля могут быть использованы для построения фазовой диаграммы бислоев, образующих "rafts". б) Установлено, что двухкомпонентная форма диффузионного затухания в этих системах обусловлена наличием вкладов от молекул фосфолипидов в "rafts" и в окружающей жидкокристаллической фазе. Независимость формы диффузионного затухания от времени диффузии свидетельствует о выполнении условий медленного обмена между молекулами этих фаз и об отсутствии эффектов, связанных с наличием границы фазового раздела. Сделанные на основании этих фактов оценки размеров доменов "rafts" не противоречат данным флуоресцентной микроскопии.

10 На основе экспериментальных данных, полученных для системы лецитин-вода при концентрациях, соответствующих образованию мультис-лойных везикул, рассмотрены особенности самодиффузии при сферической форме ограничений, разработана и применена модель самодиффузии в тонком сферическом слое. Применение этой модели позволило впервые для такого типа дисперсных систем описать зависимость формы диффузионного затухания ЯМР от времени диффузии в диапазоне от миллисекунд до секунд при использовании одного фиксированного набора структурных и динамических (коэффициенты самодиффузии) параметров. т

1. Маклаков А.И., Скирда В.Д., Фаткуллин Н.Ф. Самодиффузия в растворах и расплавах полимеров. 1987, Казань: КГУ. 224.

2. Callaghan Р.Т. Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy. 1991, Oxford: Clarendon. 516.

3. Karger J., Ruthven D.M. Diffusion in Zeolites and Other Microporous Solids. 1992, New-York: Willey. 585.

4. Strange J.H., Rahman M., Smith E.G. Characterization of Porous Solids by NMR. 11 Physical Review Letters, 1993. V. 71. p. 3589 3591.

5. Strange J.H. Cryoporometry: A New NMR Method for Characterizing Porous Media. //Nondestr. Test. Eval., 1994. V. 11. p. 261 271.

6. Stapf S., Kimmich R. Molecular Dynamics in Confined Monomolecular Layers. A Field- Cycling Nuclear Magnetic Resonance Relaxometry Study of Liquids in Porous Glass. // Journal of Chemical Physics, 1995. V. 103. p. 2247 2250.

7. Valiullin R.R., Skirda V.D., Kimmich R., Stapf S. Molecular Exchange Processes in Partially Filled Porous Glass As Seen with NMR Diffusometry. //Physical Review E, 1997. V. 55. p. 2664 2671.

8. Фаткуллин Н.Ф. К теории диффузионного затухания сигнала спинового эхо в среде препятствий. // Журнал экспериментальной и теоретическойт физики, 1990. V. 98. р. 2030 2037.

9. Mitra P.P., Sen P.N. Effects of Microgeometry and Surface Relaxation on NMR Pulsed- Field-Gradient Experiments: Simple Pore Geometries. // Physical Review В., 1992. V. 45. p. 143 156.

10. Mitra P.P., Sen P.N., Schwartz L.M., Doussal P.L. Diffusion Propagator as a Probe of the Structure of Porous Media. // Physical Review, 1992. V. 68. p. 3555 -3558.

11. Sen P.N., Schwartz L.M., Mitra P.P. Probing the Structure of Porous Media Using NMR Spin Echoes. // Magnetic Resonance Imaging, 1994. V. 12. p. 227 230.

12. Mitra P.P., Latour L.L., Kleinberg R.L., Sotak C.H. Pulsed-Field-Gradient ф NMR Measurements of Restricted Diffusion and the Return-to-the-Origin

13. Probability. // Journal of Magnetic Resonance, 1995. V. 114. p. 47-58.

14. Волков В.Я., Исследование трансляционного движения молекул жидкости в пористых средах импульсным методом ЯМР. 1976, КГУ: Казань. р. 191.

15. Sen P.N., Hurlimann M.D., Swiet T.M. Debye Porod Law of Diffraction for Diffusion in Porous Media. // Physical Review B, 1995. V. 51. p. 601 -604.

16. Kimmich R., Stapf S., Maklakov A.I., Skirda V.D., Khozina E.V. Self-Diffusion in Fluids in Porous Glass: Confinement by Pores and Liquid Adsorption Layers. // Magnetic Resonance Imaging, 1996. V. 14. p. 793 797.

17. Stapf S., Kimmich R. Translational Mobility in Surface Induced Liquid Layers Investigated by NMR Diffusometry. // Chemical Physics Letters, 1997. V. 275. p. 261 -268.

18. Hansen E.W., Stocker M., Schmidt R. Low Temperature Phase Transition of Water Confined in Mesopores Probed by NMR. Influence on Pore Size Distribution. // Journal of Physical Chemistry, 1996. V. 100. p. 2195 - 2200.

19. Strange J.H., Allen, Stephenson P.C.L., Matveeva N.P. Phase Equilibria of Absorbed Liquids and the Structure of Porous Media. // Magnetic Resonance Imaging, 1996. V. 14. p. 963 965.

20. Strange J.H., Webber J.B.W., Schmidt S.D. Pore Size Distribution Mapping. //Magnetic Resonance Imaging, 1996. V. 14. p. 803 805.

21. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. Пер. с англ. 2-е изд. 1984, Москва: Мир. 306.

22. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. 1985, Москва: Наука. 398.

23. Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах.1990, Москва: Химия. 272.

24. Katz A.J., Thompson А.Н. Katz and Thompson Respond. // Physical Review Letters, 1985. V. 56. p. 2112.

25. Katz A.J., Thompson A.H. Fractal Sandstone Pores: Implications for Conductivity and Pore Formation. // Physical Review Letters, 1985. V. 54. p. 1325 1328.

26. Mandelbrot B.B. Fractals in Physics: Squig Clusters, Diffusions, Fractal Measures, and the Unicity of Fractal Dimensionality. // Journal of Statistical Physics, 1984. V. 34. p. 895 930.

27. Roberts J.N. Comments about Fractal Sandstone Pores. // Physical Review • Letters, 1986. V. 56. p. 2111-2111.

28. Voss R.F. Random Fractals: Self Affinity in Noise, Music, Mountains and Clouds. // Physica D, 1989. V. 38. p. 362 - 371.

29. Maklakov A.I. , Skirda V.D., Fatkullin N.F. Self-Diffusion in Polymer Systems, in Encyclopedia of Fluid Mechanics, N.Cheremisinoff, Editor. 1990, Gulf Publ.Co.: Houston, p. 705 745.31