WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |

«УДК 543.226 МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СИСТЕМ В.А. Покровский Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины, ул. Генерала ...»

-- [ Страница 4 ] --

Рис. 5. а – скорости десорбции и, соответственно, значения интенсивности ионного тока бутена, рассчитанные по формулам (5) работы [24] для первого, второго и третьего порядков реакции; б – экспериментальная температурная зависимость интенсивности пика бутена, определенная по линии М/z 41 Dа. Очевидно, что реакция образования бутена идет по первому порядку.

ТПД МС воды с поверхности высокодисперсных оксидов Содержание различных форм воды, адсорбированной на поверхности нанооксидов и пористых оксидных адсорбентов (исходных и химически или адсорбционно модифицированных), активированных углей и пористых полимеров было изучено методом однопролетной ТПД МС (давление в камере ~107 Па, навеска образца 5–7 мг, скорость нагрева 2 К/с, при расстоянии ~0,5 см между образцом и детектором) с помощью времяпролетного масс-спектрометра MC-3 (ПО «Сэлми» Сумы, Украина, чувствительность 1,65107 А/Па, напряжение ускорения 0,5 кВ, частота пульсации 3 кГц,) [36].

Содержание воды, молекулярно и диссоциативно адсорбированной на поверхности адсорбентов, зависит от природы поверхности и температуры подготовки и может изменяться в широких пределах: от нуля до десяти и более процентов. Распределение молекулярно адсорбированной воды по поверхности пористых или непористых частиц зависит как от природы этой поверхности, так и от текстурных характеристик материала.

На поверхности нанокремнезема молекулы воды образуют кластеры вблизи силанольных групп, не формируя сплошного покрытия даже при C H2O 20 %мас., так как их взаимодействие с силоксановыми связями энергетически невыгодно, свидетельствует о гидрофобности мостиков Si-O-Si. Однако, например, на пирогенном ТiО2 образуется сплошной слой воды уже в обычных условиях, так как концентрация гидроксильных групп на нем значительно выше, чем на нанокремнеземе – на поверхности отсутствуют гидрофобные участки. В случае смешанных оксидов (TiO2/SiO2, Al2O3/SiO2 и особенно TiO2, нанесенного методом наслаивания (CVD) на пирогенный SiO2), адсорбированная в молекулярной форме вода локализуется преимущественно на границах раздела оксидных фаз. Эти особенности распределения адсорбированной воды отражаются в десорбционных термограммах. Ассоциативная десорбция воды с поверхности диоксида титана и смешанных оксидов происходит в основном при более низкой температуре и с меньшей энергией активации, чем в случае кремнезема. После получасовой регидратации тех же образцов десорбционные пики смещаются в область низких температур, что обусловлено меньшей энергией активации десорбции молекул из больших кластеров воды (молекулярная десорбция) или с участием близко расположенных групп МОН и МО(Н)М (ассоциативная десорбция), так как на начальной стадии адсорбции образуются островковые структуры на поверхности и молекулы воды не успевают диффундировать в объем наночастиц. Вакуумирование при комнатной температуре приводит к удалению значительного количества адсорбированной воды: – более 60 % с кремнезема, более 80 % с диоксида титана и более 90 % с титанокремнезема [36]. Эти различия обусловлены величинами C H2O и соотношениями молекулярно и диссоциативно адсорбированной воды на разных оксидах (природа поверхности которых и определяет указанные параметры), а также и тем обстоятельством, что при вакуумировании без нагревания удаляется в основном молекулярно адсорбированная вода.

Для анализа ТПД МС данных была разработана специальная компьютерная программа на основе методов регуляризации, сингулярного разложения функций и максимальной энтропии, позволяющая рассчитать функции распределения по энергии активации десорбции с поверхности твердых тел для различных соединений. Была также разработана программа расчета констант скоростей на основании теории РРКМ, исходя из теоретических данных квантовохимическиих расчетов сечений поверхности потенциальной энергии, статистических сумм в предреакционном и переходном состояниях.

Данные, полученные с помощью разработанных программ, хорошо согласуются с константами скоростей, рассчитанными из экспериментальных данных [36]. Поведение различных форм воды на наноструктурированных поверхностях подробно описано в обзоре [37] и монографии [38].

ТПД МС нанокомпозитов на основе БСА, глюкозы и фруктозы Для иллюстрации применения ТПД МС к нанокомпозитам на основе высокодисперсного кремнезема, модифицированного БСА, на рис. 6 приведен набор термограмм для термолиза БСА в кристаллическом и адсорбированном на поверхности кремнезема состояниях [31].

Рис. 6. Набор ТПД МС термограмм БСА в твердой фазе (а) и адсорбированного на поверхности высокодисперсного кремнезема (б) для компонент масс-спектра: M/z 17 (ОН+), 28 (CO+), 34 (H2S+), 56 (C4H8+).

Как можно видеть из сравнения термограмм, после адсорбции общая картина термического разложения адсорбированного на пирогенном кремнеземе БСА изменяется незначительно в сравнении с термолизом БСА в твердой фазе, сохраняя свои характерные особенности. Основные продукты и фазы разложения твердофазного БСА могут быть использованы для понимания и описания неизотермической кинетики превращений белка, входящего в состав нанокомпозитов. Наблюдается, однако, одно исключение – температурная зависимость компоненты M/z 34, соответствующей молекулярному иону сероводорода H2S+, происхождение которого обусловлено термическим разложением входящих в состав белка серусодержащих аминокислот.

Разложение белка начинается в обоих случаях с выделения молекулы сероводорода в газовую фазу при температуре около 180 оС. Узкая форма термограммы для твердофазного состояния (по сравнению с адсорбированным состоянием БСА) указывает на важную роль и кооперативный характер процессов тиол-дисульфидного обмена в термолизе твердой фазы БСА. Эти вопросы обсуждались в работе [39], равно как и роль водородных связей и молекул воды в образовании белковых олигомеров.



Таким образом, на основании данных ТПД МС можно утверждать, что адсорбция на поверхности наноразмерного кремнезема изменяет неизотермическую кинетику образования и выделения H2S, снижая кооперативные эффекты в межмолекулярных взаимодействиях адсорбированных молекул белка в сравнении с твердофазным образцом, а также позволяет оценить степень этого влияния по форме термограммы.

Методом ТПД МС были также исследованы нанокомпозиты на основе высокодисперсного кремнезема, глюкозы и фруктозы с целью определения и оптимизации их биологической активности, определяемой по воздействию на эритроциты. В состав олигосахаридных цепей поверхности эритроцитов входят глюкоза, галактоза, фукоза и ряд аминосахаров, которые являются терминальными углеводами рецепторов клеточной поверхности высших животных и участвуют, таким образом, в процессах распознавания.

Фруктоза, в отличие от глюкозы, в их число не входит. Оба исследованных сахара сходны по строению и не адсорбируются на ВДК. Для их закрепления на поверхности был в качестве модификатора использован БСА, предварительно адсорбированный на высокодисперсном кремнеземе. Это дало возможность синтезировать и исследовать композиты состава (ВДК+БСА+глюкоза) и (ВДК+БСА+сахароза). Спектрофотометрические измерения подтвердили присутствие каждого из сахаров в адсорбционном слое обоих синтезированных нанокомпозитов.

Как можно было ожидать, образец, содержащий глюкозу, проявил гораздо большую биологическую активность в сохранении эритроцитов по сравнению с композитом, содержащим фруктозу, a также в сравнении с контрольным образцом ВДК+БСА, вообще не содержащим сахара. При этом никаких следов термического разложения сахаров в масс-спектрах не обнаружилось. Это означает, что, хотя молекулы сахаров и присутствуют в адсорбционном слое, механизмы их термических превращений отличны от твердофазного термолиза, вследствие чего летучие продукты их термического разложения не образуются и не наблюдаются.

При этом картина разложения белка существенно различается для каждого из приведенных нанокомпозитов. В случае адсорбции фруктозы картина разложения БСА по форме и локализации максимумов десорбции совпадает с приведенной на рис. 6, б, т.е. фруктоза не влияет на механизм термического разложения белка. В случае же адсорбции глюкозы картина термодесорбции БСА изменяется радикальным образом. Максимумы искажаются и смещаются в сторону высоких температур. На термограммах наблюдаются лишь размытые пики, соответствующие выделению H2S, а остальные максимумы, соответствующие термолизу белка, отсутствуют.

Таким образом, установлено, что образование адсорбционных комплексов с БСА изменяет механизм термического разложения сахаров в сравнении с их твердофазным термолизом. Показано также, что механизмы термолиза адсорбционных комплексов сахар+БСА на поверхности наноразмерного кремнезема различны для биологически активных (содержащих глюкозу) и менее биологически активных (содержащих фруктозу) нанокомпозитов.

Отсутствие летучих продуктов разложения сахаров в синтезированных образцах не позволяет выяснить в деталях причины наблюдаемых различий, коорелирующих с биологической активностью синтезированных нанокомпозитов. Здесь сказывается принципальная ограниченность метода ТПД МС, оперирующего лишь с летучими продуктами разложения, и следует привлекать дополнительные методические возможности, в частности, предоставляемые методами МАЛДИ МС, примеры использования которых приведены в следующем разделе.

Подводя промежуточный итог, можно констатировать, что данные, полученные с помощью ТПД МС, полезны в установлении корреляций между особенностями адсорбции биомолекул на поверхности носителя и биологической активностью синтезированных нанокомпозитов. Возможности метода не всегда позволяют определить детали структуры адсорбционных комплексов и природу обнаруженных корреляций, но указывают пути их дальнейшего исследования.

Масс-спектрометрия с использованием лазерной десорбции/ионизации По инициативе и при активной поддержке А.А. Чуйко в Институте химии поверхности НАН Украины, было приобретено необходимое оборудование и начаты работы по решению проблем химии поверхности наноразмерных систем МС методами, использующими матрично-активированную и безматричную лазерно-десорбцонную ионизацию (МАЛДИ и ЛДИ). Ниже приведен ряд результатов, полученных этими методами при исследовании наноструктурированных систем различной природы и строения.

Использование монокристаллического, пористого и модифицированного пористого кремния для лазерной десорбции/ионизации Развитие упоминавшегося выше метода МАЛДИ неожиданно возродило интерес к безматричным подходам в десорбционной масс-спектрометрии, в основе которых лежат методы полевой ионизации и полевой десорбции (ПИ/ПД) [8]. Обращаясь к истории развития МАЛДИ, следует отметить, что первые эксперименты по применению этого метода использовали в качестве матрицы высокодисперсный металлический порошок с размером частиц в несколько десятков нанометров и, следовательно, эффекты полевой ионизации и локальный разогрев подложки безусловно играли большую роль в десорбции/ионизации молекул образца. Затем применение твердотельных органических матриц вытеснило первоначально применявшиеся металлические наноструктурированныне подложки, и только через двадцать лет после первых экспериментов Танаки, когда метод МАЛДИ уже получил широкое распространение, использование пористого кремния в качестве поверхности, способствующей ионизации адсорбированных молекул, придало новый импульс методам безматричной десорбционной масс-спектрометрии [40].



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 9 |