авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Монодисперсные полимерные частицы c управляемой поверхностной структурой

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МЕНЬШИКОВА АНАСТАСИЯ ЮРЬЕВНА МОНОДИСПЕРСНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ C УПРАВЛЯЕМОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРОЙ 02.00.06 – высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Санкт-Петербург 2008

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук член-корреспондент РАН, профессор

Научный консультант:

Иванчев Сергей Степанович доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Грицкова Инесса Александровна доктор химических наук, профессор Шатаева Лариса Константиновна доктор химических наук Павлюченко Валерий Николаевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Защита диссертации планируется «03» апреля 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.229.01 при Институте высокомолекулярных соединений РАН по адресу: 199004, Санкт-Петербург, В.О. Большой пр. 31, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института высокомолекулярных соединений РАН.

Автореферат разослан « » _2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук Н.А. Долотова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Метод гетерофазной полимеризации в эмульсионном, дисперси онном или суспензионном вариантах обеспечивает в настоящее время производство полимерных дисперсий (латексов) различного назначения (каучуки, дисперсионные краски, покрытия). Достижения современной технологии при этом позволяют регулировать строение цепей, их молекулярно-массовое распределение, улучшать прозрачность, пленкообразующие и физико-механические свойства образующихся полимерных систем, что делает полимерные дисперсии широко востребованными в крупнотоннажном масштабе.

В конце XX столетия возникли новые задачи по разработке полимерных дисперсий, отвечающих специфическим требованиям не только к диаметру частиц и их распределению по размерам, но также к строению и свойствам их поверхностного слоя, в том числе, к его толщине, функциональности, степени гидрофобности и стабильности поверхностной структуры. Эти требования были сформулированы в связи с появлением новых возможностей использования полимерных дисперсий в биотехнологии для создания диагностических иммунореагентов путем связывания биологически активных веществ (БАВ) с частицами и проведения биоспецифи ческих процессов в их поверхностном слое, а также в нанотехнологии для формирования новых типов материалов, в том числе, пространственно периодических твердотельных структур с нелинейными оптическими свойствами.

Потребности в таких полимерных дисперсиях не являются крупнотоннажными, но их разработка и получение крайне важны для развития биотехнологии и новой техники. Вышесказанное вызывает необходимость создания научных основ управ ления поверхностными свойствами частиц в процессе гетерофазной (со)полимери зации и при их последующей поверхностной модификации. В частности, для биотехнологии актуальны исследования изменений в поверхностной структуре частиц при связывании БАВ, а также изучение влияния гидрофобности поверхностного слоя, распределения в нем реакционно-способных и ионогенных групп, их кислотно-основных свойств на эффективность экспонирования био лигандов для участия в биоспецифических реакциях. Актуальность исследований, связанных с методами получения монодисперсных частиц электропроводящих полимеров, а также композитных частиц, содержащих магнитные или металличе ские наночастицы, определяется необходимостью придания им специальных (магнитных, электропроводящих, оптических) свойств, востребованных в нано технологии. При этом также выдвигается задача создания научных основ для формирования частиц определенной морфологии с включением наночастиц модификаторов в состав поверхностного слоя. Для нанотехнологии особенно актуально выявление условий, в которых монодисперсные частицы проявляют способность к самосборке, поскольку этот процесс перспективен для создания материалов с внутренней иерархической структурой, которые могут стать новой элементной базой оптоэлектроники и телекоммуникационной индустрии.

Исследование влияния природы полимера, дисперсности и поверхностной структуры частиц на качество образуемых ими решеток, а также поиск новых синтетических подходов для введения в них люминофоров и хромофорных группировок, испускающих или поглощающих свет в области фотонной запрещенной зоны трехмерно упорядоченных полимерных матриц, актуально для разработки методов управления их фотонно-кристаллическими свойствами.

Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИВС РАН, а также по ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (Индустрия наносистем и материалов) и Научным программам Президиума РАН («Наноструктуры в полимерных системах, перспективных для оптоэлектроники», «Органические и гибридные наноструктурированные материалы для фотоники»), Отделения химии и наук о материалах РАН («Создание и изучение макромолекул и макро молекулярных структур новых поколений») и СПбНЦ РАН при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты «Направленное регулирование поверхностных свойств полимерных наночастиц в процессе синтеза» и «Исследование реакционной способности функциональных групп и биолигандов на поверхности полимерных частиц»).



Цель – разработка методологических подходов к формированию полимерных частиц требуемого размера, дисперсности, поверхностной структуры и функциональности для применения в био- и нанотехнологии.

В ходе исследования решались задачи:

• выявления факторов, позволяющих управлять размером, дисперсностью, поверх ностной структурой и функциональностью частиц в процессе эмульсионной и дисперсионной (со)полимеризации ряда виниловых мономеров и пиррола;

• исследования влияния степени гидрофобности поверхностного слоя, распределе ния и реакционной способности функциональных групп частиц на связывание и эффективность экспонирования БАВ для участия в биоспецифических реакциях;

• разработки методов модификации монодисперсных полимерных частиц нано частицами магнетита, благородных металлов, хромофорными группировками;

• выявления влияния дисперсности и поверхностных характеристик субмикронных частиц на их способность к самосборке в трехмерно упорядоченные периоди ческие структуры, проявляющие фотонно-кристаллические свойства.

Научная новизна. Впервые разработана методология управления дисперсными характеристиками и поверхностными свойствами частиц, формируемых в процессе гетерофазной (со)полимеризации, и выявлено определяющее влияние этих свойств на способность частиц к связыванию биолигандов и их эффективному экспониро ванию для участия в биоспецифических реакциях. Установлено, что формирование монодисперсных полимерных частиц требуемого размера и функциональности (карбоксильные, альдегидные и аминогруппы) с оптимальной степенью гидро фобности и стабильности поверхностной структуры достигается путем целенаправ ленного варьирования природы и концентрации основных и функциональных сомономеров, инициатора, регуляторов роста цепи, гидрофильных полимеров стабилизаторов, поверхностно-активных веществ, а также рН, ионной силы и полярности реакционной среды. Разработаны оригинальные методы формирования карбоксилированных магнетитсодержащих нано- и субмикронных частиц, в которых магнетит экранирован полимером от взаимодействия с дисперсионной средой;

а также полимерных микросфер, покрытых наночастицами благородных металлов. Найдены новые синтетические подходы (контроль реакции обрыва цепи и степени ионизации реагентов) к получению субмикронных частиц сополимеров стирола с функциональными сомономерами со среднеквадратичной дисперсией размера менее 2%, которые способны к самосборке в трехмерные решетки фотонных кристаллов высокой степени совершенства.

Практическая значимость. Разработаны методы получения широкого круга монодисперсных полимерных частиц диаметром от 30 нм до 5.3 мкм с поверх ностной концентрацией карбоксильных, альдегидных, аминогрупп в диапазоне 0.28–4.5 мкг-экв/м2, в том числе, магнетитсодержащих частиц. Полученные частицы перспективны для использования в био- и нанотехнологии. Оптимизированы условия связывания этими частицами ряда антител и антигенов белковой природы, что позволило обеспечить их экспонирование на границе раздела фаз и сохранение биоспецифической активности. Монодисперсные частицы сополимеров стирола с функциональными сомономерами успешно применены в качестве структурных элементов фотонных кристаллов высокой степени совершенства.

Положения, выносимые на защиту:

• Направленное регулирование в процессе гетерофазной (со)полимеризации ряда виниловых мономеров и пиррола размера, дисперсности, функциональности и структуры поверхностного слоя формируемых частиц может быть осуществлено путем варьирования природы и концентрации основного мономера, инициаторов с функциональными группами, функциональных сомономеров, сшивающих агентов, регуляторов роста цепи, анионных ПАВ, гидрофильных полимеров, буферной соли, а также рН, полярности реакционной среды и температурного режима процесса.

• Целенаправленное распределение биолигандов на поверхности носителя для эффективного участия в биоспецифических реакциях осуществляется на основе рационального выбора типа полимерных частиц и оптимальных условий их поверхностной модификации путем адсорбции или ковалентного связывания. При этом учитывается реакционная способность функциональных групп, степень гидрофильности и стабильности структуры поверхностного слоя, величина и распределение в нем поверхностного заряда.

• Использование двухстадийной гетерофазной сополимеризации с введением функциональных сомономеров на второй стадии процесса и фиксацией их звеньев с помощью сшивающих агентов в поверхностном слое образующихся монодисперсных частиц является эффективным методом их модификации люминофорами, а также функциональными группами для ковалентного связывания хромофорных группировок или фотовосстановления благородных металлов на полимерной поверхности.

• Формирование монодисперсных магнетитсодержащих наночастиц и микросфер, в которых магнетит экранирован полимером от дисперсионной среды, может быть осуществлено методами одно- и двухстадийной эмульсионной полимеризации в присутствии магнитных жидкостей в условиях, когда частицы магнетита и полимерной матрицы имеют разноименные заряды.

• Возможность реализации процесса самосборки полимерных частиц в трехмерно упорядоченные периодические структуры, проявляющие фотонно-кристаллические свойства, определяется специфическими свойствами поверхностных слоев частиц на основе сополимеров стирола с гидрофильными функциональными сомоно мерами и исключительно узким распределением частиц по размерам (среднеквадратичная дисперсия менее 2%).

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных симпозиумах II–V «Molecular Мobility and Order in Polymer Systems» (С.-Петербург, 1996, 1999, 2002, 2005), международных конференциях XI и XII «Surface Forces» (Москва, 1996;

Звенигород, 2002), «Polymer Colloids» (Irsee, Германия, 2002), XVI и XVII European Chemistry at Interface (Владимир, 2003;

Loughborough, UK, 2005), «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (С. Петербург, 2001, 2004), «Spectroscopy of Partially Ordered Macromolecular Systems» (Прага, Чехия, 2003), «Current and Future trends in polymeric materials» (Прага, Чехия, 2005), «Polymers in Dispersed Media» (Лион, Франция, 2004), «Modern Problems of Condensed Matter Optics» (Киев, Украина, 2006), IV «Фундаментальные проблемы оптики» (С.-Петербург, 2006), 1-st European Chemistry Congress (Будапешт, Венгрия, 2006), на ХVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), VIII–XIII Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2001–2006), III Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Хилово, 2006) и II-IV Всероссийских Каргинских конференциях (Москва, 2000, 2005, 2007).

Полимерные частицы-носители и методики их модификации биолигандами переданы в организации биомедицинского профиля, где показана эффективность их применения в основанных на реакции агглютинации латекса (РАЛ) тест-системах для определения дифтерийного токсина, антител к возбудителям менингита, легионеллеза, рецепторам мозговой ткани, а также к вирусу иммунодефицита человека. Модифицированные карбоксиметилдекстраном частицы полиметилмет акрилата (ПММА) успешно применены в ГНЦ прикладной микробиологии как адъювантные носители, усиливающие иммунный ответ организма на связанный с ними антиген. Монодисперсные частицы полистирола и (со)полимеров на основе дивинилбензола или диметакрилата этиленгликоля испытаны с положительным результатом в Российском государственном педагогическом университете им. А.И.

Герцена в качестве формообразующих реакционных темплатов для фотовосстанов ления благородных металлов в их поверхностном слое. Полимерные фотонные кристаллы высокой степени совершенства, полученные путем самосборки монодисперсных частиц, использованы в Физико-техническом институте РАН как модельные объекты для изучения тонких фотонно-кристаллических эффектов и экспериментальной апробации теоретических разработок.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 статей и 33 тезисов докладов, получено 2 патента РФ.

Вклад автора состоял в постановке целей и задач исследования, определении методологических подходов к решению поставленных задач, планировании эксперимента и непосредственном в нем участии, в проведении анализа полученных результатов, их интерпретации и обобщении.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав (обзор литературы, экспериментальная часть, результаты и их обсуждение), выводов, библиографического списка (377 наименований), изложена на 297 страницах, содержит 132 рисунка и 66 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Проведен анализ современных представлений о механизмах гетерофазной полимеризации, изложены основные требования к монодисперсным полимерным частицам для био- и нанотехнологии, рассмотрены электроповерхностные свойства и структура поверхности частиц различной гидрофобности, взаимодействие с ней биолигандов, применение монодисперсных полимерных частиц в биотехнологии, а также их способность к самосборке в трехмерные фотонные кристаллы.

Глава II содержит краткое описание основных реагентов и методов гетерофазной полимеризации, изучения процесса полимеризации, характеристик образующихся частиц, а также специальных свойств полимерных частиц и их структур.

Глава III. Результаты и их обсуждение III.1. Монодисперсные частицы полистирола (ПС) с карбоксильными группами III.1.1. Особенности безэмульгаторной эмульсионной полимеризации (БЭП) стирола под действием карбоксилсодержащего азоинициатора 4,4'-азо-бис(4 цианизовалериановой кислоты) (ЦВК) были изучены с целью получения анионных монодисперсных латексов модельных дисперсий для коллоидно-химических исследований. Применение вместо К2S2О8 этого инициатора обеспечило присут ствие на поверхности частиц только карбоксильных групп и открывало возмож ность управления процессом БЭП путем варьирования рН и ионной силы реакци онной смеси. Обнаружено, что скорость БЭП закономерно возрастает с повыше нием концентрации ЦВК (рис. 1). Порядок реакции по инициатору в стационарный период зависит от исходного рН реакционной смеси (рН0): 0.64 при рН0 9.5 и 0. при рН0 11.6. Экстремальный и симбатный характер изменения поверхностного натяжения и рН обусловлен образованием в водной фазе олигомерных радикалов и олигомеров, которые и образуют по мере роста цепи первичные ядра. Падение рН тем заметнее, чем ниже концентрация ЦВК, тогда как при инициировании персульфатом вследствие взаимодействия ион-радикала с водой S2O82 2SO4 • и SO4 • + H2O OH• + HSO имеет место обратная зависимость. Возрастание рН на последней стадии БЭП также указывает на отличие причин изменения рН при полимеризации стирола под действием ЦВК. Метод позволяет формировать монодисперсные частицы ПС. При фиксированном рН0 их размер возрастает с уменьшением концентрации ЦВК и при Время, ч Рис. 2. Влияние рН0 на стационарную Рис. 1. Конверсия стирола (1,4), (2,5) и скорость полимеризации w (1), концент рН (3,6) в ходе БЭП при рН0 9.5, ЦВК 1.5 рацию частиц N (2), их диаметр D (3) и (1-3) и 2.0 мас.% (4-6) к стиролу. Стирол : поверхностный заряд Q (4) при 2. вода 1 : 10, 80оС. мас.% ЦВК к стиролу и 80оС.

повышении концентрации стирола, что характерно и для безэмульгаторных латексов, получаемых под действием персульфатов. Вместе с тем, существенное влияние на размер частиц и его среднеквадратичную дисперсию оказывает рН (рис. 2). Симбатные зависимости концентрации частиц N и стационарной скорости полимеризации w от рН0 указывают, что полимер-мономерные частицы (ПМЧ) являются основной зоной реакции. Влияние рН0 на ход БЭП и свойства латексов определяется изменением степени ионизации карбоксильных групп ЦВК и продуктов полимеризации. Расчет степень ионизации -СООН групп на поверхности частиц как отношения их поверхностных зарядов, определенных потенциометриче ским (фон 10-3 М NaCI) и кондуктометрическим титрованием (Q/Q0), дает 0.90 при рН 9.5 (рис. 2, точка б). В области рН 10.5, где кривые 1–3 имеют экстремум, все карбоксильные группы ионизованы. Дальнейший рост рН0 лишь повышает ионную силу и приводит к связыванию свободного заряда -СОО– в ионные пары -COO–Na+.

Это снижает устойчивость первичных ядер, приводит к укрупнению частиц и уменьшению их числа. В результате сокращается зона протекания стационарного процесса и падает его скорость. Повышение рН0 вызывает снижение поверхностной активности олигомеров и олигомерных радикалов, что затрудняет нуклеацию и адсорбцию олигомеров ПМЧ и приводит к длительному сосуществованию двух зон полимеризации (водная фаза и ПМЧ) и, следовательно, к уширению распределения частиц по размерам (РЧР). Введение электролитов увеличивает размер образующихся частиц, причем буферные соли способны также контролировать кислотно-основное равновесие в ходе БЭП. Так, при сильнощелочном рН0 диаметр частиц ПС возрастал с увеличением концентрации Nа2НРО4. Снижение концент рации ЦВК и повышение содержания стирола приводят к увеличению диаметра частиц (рис. 3а), что соответствует представлениям о механизме БЭП. Однако при больших концентрациях Nа2НРО4 полидисперсность латекса возрастает (рис. 3б), поскольку агрегативная устойчивость снижается при сжатии диффузной части двойного электрического слоя (ДЭС) частиц. Зависимости поверхностной концентрации карбоксильных групп [COOH]S и (рис. 3 б) имеют антибатный характер, причем наиболее узкое РЧР достигается при наибольшем заряде поверхности частиц (рис. 4а). Скорость БЭП максимальна при рН0 11.5 (рис. 5а), когда ионизация -COOH групп способствует образованию самых мелких частиц.

При низком рН0 = 8.3 реакция идет медленнее, т.к. поверхностный заряд частиц недостаточен для обеспечения их устойчивости, число частиц мало, а их агрегация в процессе БЭП уширяет РЧР. На стадии нуклеации при высоком рН0 значения рН снижаются вследствие связывания щелочи развитой поверхностью первичных ядер (рис. 6). Однако в присутствии буферной соли снижение вскоре сменяется плавным ростом, что обусловлено агрегацией этих ядер и уходом цепей с концевыми карбоксильными группами в Н-форме с уменьшающейся поверхности раздела фаз в объем ПМЧ. На этой стадии поверхностное натяжение падает (рис. 5б) в результате образования олигомеров и олигомерных радикалов. В ходе БЭП концентрация инициатора в водной фазе понижается, скорость сорбции олигомеров ПМЧ начинает превышать скорость их образования – вновь возрастает. Широкий максимум на кинетических зависимостях рН в этот период (рис. 6г) указывает, что помимо поглощения олигомерных радикалов и олигомеров в Н-форме в ПМЧ существует и противоположно направленный процесс: выдвижение концов 1,0 D, мкм(а) (а ) (б ) 0.2 N / N 0.6 N i / N i i i 3 8.3 8. 0.0 0. 0,8 0. 1 0. 9. 0. 0,6 0. 0. 0.6 0. 2 4 6 8 9. 1 0. 10, % (б) [СООН]S, мкг-экв/м 0.4 0. 5 2, 8 0.2 0. 6 0. 2, 6 0.0 1 0. 0. 0. 2, 1 1. 1 1. 2 0. 0. 1, 0. 0. 0 2 4. 62 8 0.4 0.8 0.4 0. [Na2HPO4] 10, М D, м км D, м км Рис. 3. Диаметр частиц D (1-3), его (4,5) и Рис. 4. РЧР латексов ПС, полученных в поверхностная концентрация [СООН]S (6) при присутствии 10-2 М Na2HPO4 (а) и без pH0 11.5 в зависимости от концентрации соли (б) при рН0 8.3, 9.5, 10.5 и 11.5, Na2HPO4 при 7 (1,2,4,5,6) и 10 об.% (3) 7.14·10-3 М ЦВК, 10 об.% стирола к воде стирола к воде, 7.14·10-3 (2,3,5,6) и 10-2 М и 80оС.





(1,4) ЦВК и 80оС.

pH 100 X, % pH (а) 11. 80 10 10. 40 pH 8. 9. 10. 2 4 6 9. 11. 70, мН/м (б) 60 8. 8 2 4 Время, ч 30 Рис. 6. Изменения pH реакционной смеси в 2 4 ходе БЭП в присутствии 10-2 М Nа2НРО4 (1-3, Время, ч 5-7, 9,10) и без соли (4,8) при 7.14·10-3 М ЦВК Рис. 5. Конверсия стирола (а) и (б) в и 10 об.% стирола к воде;

pH динамическое – ходе БЭП при 7.14·10-3 М ЦВК, 10-2 М при отборе пробы (1,3,4,6,8,9) и рН Nа2НРО4, 10 об.% стирола к воде, 80оС.

равновесное – через сутки (2,5,7,10).

полимерных цепей с -СООН группами из объема к поверхности ПМЧ. Этот процесс начинает преобладать, когда уменьшение концентрации олигомеров в водной фазе ограничивает их сорбцию. Более того, в отобранных по ходу БЭП пробах через сутки поверхностное натяжение практически неизменно, тогда как рН продолжает снижаться (рис. 6). В случае рН0 10.5, различия в значениях рН в ходе БЭП и через сутки достигают максимального рН = 2.2. При больших рН0 вклад образующейся карбоксилированной полимерной поверхности в изменение рН менее заметен, а при слабощелочном рН0 эти изменения нивелирует присутствие Nа2НРО4. Без нее низкое рН0 = 8.3 в процессе БЭП возрастает до 11.1, при этом конверсия мономера достигает 100%, а полученный латекс имеет довольно узкое РЧР (рис. 4). Напротив, в присутствии Nа2НРО4 при рН0 = 8.3 конверсия едва достигает 50% и образуется полидисперсный латекс. Однако при более высоких рН0 введение Nа2НРО4 в реакционную смесь не только приводит к увеличению размера частиц, но и позволяет сузить РЧР (рис. 4), поскольку препятствует снижению рН в начале БЭП и тем самым стабилизирует поверхностный заряд растущих ПМЧ.

III.1.2. Электроповерхностные свойства частиц ПС с карбоксилированной поверхностью исследовали для латекса с диаметром частиц 0.63 мкм и поверхност ной концентрацией [COOH]S 1.70 мкг-экв/м2. Связывание частицами ПС ионов ОН– возрастало с повышением рН и концентрации NaCl (рис. 7) в согласии с теоре тическими представлениями о строении ДЭС. При концентрации NaCl 10-1 М адсорбция ОН– достигала предельной величины, совпадающей с результатом кондуктометрического титрования. Из зависимостей отношения электропровод ности дисперсии ПС и фонового электролита от объемной доли частиц по уравнениям теории Вагнера рассчитывали удельную поверхностную проводимость Кs (рис. 8), а также поправки к величинам -потенциалов частиц с учетом поверх ностной проводимости. Повышение рН среды закономерно приводило к возраста нию отрицательного -потенциала карбоксилированной поверхности (рис. 9).

Однако для, рассчитанных по Смолуховскому, наблюдалась слабая зависимость от концентрации фонового электролита при фиксированном рН (рис. 10), что не соответствует теоретическим представлениям. Напротив, введение поправок на поверхностную проводимость согласно теории Генри, позволяет получить более 2. 2,0 О Н, м кг-экв /м Ks 10, См [-С О О Н ] = 1.7м кг-экв /м 2. 1, 2. 1, 1. 0,8 1. N a C l, М - 10 0. 0,4 - - 10 -3.6 -3.2 -2.8 -2.4 -2. lgC 4 6 рН Рис. 7. Влияние рН и фонового Рис. 8. Влияние концентрации NaCl (М) на электролита на связывание ионов ОН поверхностную проводимость частиц ПС.

частицами ПС.

2 4 6 8 10 0 -3.0 -2.5 -2. рН lgC NaCl, М - - - -. - 5 - - pH Смолуховский 6.7 Генри-Бусс - -120 Смолуховский 8.0 Генри-Бусс, мВ, мВ Рис. 9. Зависимости -потенциала Рис. 10. Зависимости -потенциала частиц частиц ПС (по Смолуховскому) от рН. ПС от концентрации NaCl.

выраженный характер зависимостей при концентрациях NaCl, меньших 10-3 М. На основании полученных данных можно заключить, что, несмотря на гидрофобность ПС, возможны перестройки конформации полимерных цепей на границе с водной фазой при изменении ее электролитного состава. В щелочной среде с концент рацией электролита 10-3 М и ниже такие цепи могут быть выдвинуты в водную фазу благодаря ионизации концевой -СООН группы. В результате поверхностный слой частиц разрыхляется, а оказавшиеся в нем противоионы обеспечивают избыточную проводимость дисперсии. С увеличением ионной силы уплотнение этого слоя и образование в нем ионных пар приводит к снижению Кs и слабой зависимости от концентрации электролита в области 10-3–10-2 М.

III.1.3.Частицы сополимеров стирола с бифункциональными мономерами (БФС):

диметакрилатом этиленгликоля (ДМЭГ), дивинилбензолом (ДВБ) и глицидилмет акрилатом (ГМА), содержащим винильную и эпоксидную группы, получали, предполагая, что сшивание полимерных цепей с помощью БФС обеспечит постоян ство поверхностной структуры частиц при изменении состава дисперсионной среды. Уже 2 мас.% любого из использованных БФС оказалось достаточно, чтобы снизить диаметр частиц с 0.83 мкм (для несшитого ПС) до 0.45–0.50 мкм (табл. 1) в результате ускорения нуклеации при формировании разветвленных и сшитых полимерных цепей. Увеличение поверхности ПМЧ при уменьшении их размера расширяет зону протекания БЭП, а формирование сшитых структур затрудняет обрыв растущих цепей в ПМЧ и приводит к выраженному гель-эффекту (рис. 11).

Концентрация [СООН]S заметно уменьшалась при введении в реакционную смесь Таблица Влияние БФС на характеристики частиц сшитого ПС Опыт Сомономер* Гель/золь фракции, рН0 D, [СООН]S, мкм мкг-экв/м № мас.% мас.% к стиролу мол.% 1бс – – – 9.6 0.83 2. 2бс ДМЭГ, 2 1.02 85/15 9.6 0.45 1. 3бс ДВБ, 2 0.87 92/8 9.8 0.50 1. 4бс ГМА, 5 3.54 96/4 9.5 0.45 0. 5бс ДМЭГ, 5 2.55 88/12 9.4 0.45 0. 6бс ДВБ, 5 2.15 92/8 9.6 0.49 1. *Компоненты реакционной смеси: 1.43.10-2 М ЦВК, 20 г/л ПВП.

100 X, % 2 4 6 8 рН - без БФС - 2% ДМЭГ через сутки 2% ДВБ -60 без БФС 5% ДМЭГ 20 5% ДВБ через 1 ч 5% ДВБ 5% ГМА 5% ГМА 5% ДМЭГ - 100 200 300, мВ Время, мин Рис. 11. Конверсия мономеров в БЭП Рис. 12. Влияние рН на -потенциал стирола и его сополимеризации с БФС. частиц ПС (1) и сополимеров стирола с БФС в растворе 10-2 М NaCl.

БФС. Самые низкие значения получены в случае 5 мас.% ДМЭГ. Звенья этого наименее гидрофобного БФС могут локализоваться, по преимуществу, в поверхностном слое частиц и формировать плотную сетчатую структуру, что затрудняет выдвижение концов полимерных цепей с -СООН группами из объема на границу с водной фазой. Уже при 2 мас.% ДМЭГ гель-эффект наступает гораздо раньше, чем при использовании гидрофобного ДВБ, что также обусловлено удерживанием растущих радикалов в сетчатой структуре поверхностного слоя.

ГМА, занимающий по своей гидрофобности промежуточное положение в ряду БФС, обеспечивает при 5 мас.% в два раза большую величину [COOH]S, несмотря на повышенное содержание гель фракции в частицах (табл. 1).

Сдвиг рН в щелочную область приводит к возрастанию отрицательных потенциалов частиц, что наиболее ярко проявляется для несшитых частиц ПС с большей поверхностной концентрацией [COOH]S (рис. 12). Напротив, при сдвиге рН в кислую область отрицательные значения несколько выше для частиц П(Ст ГМА) и П(Ст-ДМЭГ), несмотря на меньшие величины [COOH]S. Для этих частиц, выдержанных в кислой среде только 1 ч, такое различие еще более заметно, что указывает на ограничение подвижности полимерных цепей с концевыми -СООН группами на густо сшитой поверхности и, следовательно, на большую длительность перестройки поверхностной структуры частиц при установлении «равновесных» значений -потенциала.

III.1.4. Cинтез монодисперсных частиц ПС с карбоксилсодержащим азоинициатором в присутствии додецилсульфата натрия (ДСН) проводили с целью получения монодисперсных частиц диаметром порядка 100 нм, которые могут быть использованы в качестве моделей вирусов. Для сохранения гомогенного механизма нуклеации ДСН вводили в реакционную смесь в концентрации близкой его критической концентрации мицеллообразования (ККМ – 8.16.10-3 М при 25оС).

Размер частиц ПС закономерно снижался с увеличением концентрации ДСН (рис.

13). Наименьший диаметр достигался в сильнощелочной среде благодаря дополни тельной стабилизации ПМЧ олигомерными ПАВ. Однако конкуренция сульфо групп ДСН и карбоксилат-ионов за место в поверхностном слое приводит к снижению поверхностной концентрации [СООН]S с увеличением рН0 и содержания Таблица Влияние условий полимеризации на характеристики наночастиц ПС № Условия полимеризации* Дисперсность [СООН], опыта Dn, Dm/Dn, мкг-экв/м [ЦВК], рН0 [ДСН], 10-4 М 10-3 М нм % 1дс 3.57 9.5 4.08 108 1.0005 2.2 1. 2дс 7.14 9.6 4.08 128 1.0007 2.7 1. 3дс 8.93 9.6 4.08 145 1.0005 2.3 1. 4дс 17.9 9.5 4.08 140 1.0052 7.2 1. 5дс 3.57 10.4 8.16 100 1.0019 4.3 0. 6дс 8.93 10.5 8.16 90 1.0061 7.8 0. 7дс 17.9 10.5 8.16 78 1.0113 10.6 1. * Полимеризацию проводили при 5 мас.% стирола к водной фазе и 90оС.

ДСН в реакционной смеси. Лишь при 4.08.10-3 - [ДСН], 10 М М ДСН степень карбоксилирования частиц D, нм (а) 0. практически не зависит от рН0, что указывает 0. на слабое заполнение поверхности ПМЧ 0. 1. эмульгатором. При этой концентрации ДСН и рН0 9.5–9.6 размер частиц возрастал с увеличением концентрации инициатора (табл., % 2), что обусловлено вкладом ЦВК в ионную (б) силу реакционной среды. Одновременное увеличение рН0 до 10.4–10.5 и концентрации ДСН до 8.16.10-3 М привело к обратной зависимости размера частиц от концентрации ЦВК при общем уменьшении их диаметра и [СООН]S, мкг-экв/м (в) 1. уширении РЧР. При концентрациях ДСН, меньших ККМ, зависимость диаметра частиц от рН0 имеет пологий минимум (рис. 13), что 1. характерно и для БЭП стирола под действием ЦВК. Напротив, при концентрации ДСН, 0.5 9 10 11 pH равной или большей ККМ, диаметр частиц Рис. 13. Влияние рН0 на диаметр заметно снижается, а РЧР уширяется именно частиц ПС (а), (б) и поверхност при сильнощелочных рН0, что обусловлено ную концентрацию [СООН]S (в).

нуклеацией как по гомогенному, так и по ЦВК 3.57.10-4 М.

мицелярному механизму. Тем не менее, снижение рН0 позволяет и в этих условиях получать монодисперсные латексы, значения для которых не превышают 5–6%.

III.1.5. Дисперсионная полимеризация (ДП) стирола под действием ЦВК в присутствии поливинилпирролидона (ПВП) как стерического стабилизатора была проведена с целью получения монодисперсных микросфер ПС с карбоксилирован ной поверхностью и размером более 1 мкм. С уменьшением полярности среды в ряду (этанол-вода) – этанол – (этанол-толуол) диаметр микросфер возрастает, а их РЧР несколько уширяется (табл. 3, рис. 14). Такую зависимость наблюдали ранее и при инициировании 2,2-азо-бис-изобутиронитрилом, что указывает на независи мость механизма полимеризации от содержания в инициаторе -СООН групп. В слабо полярной среде стабилизирующая способность привитых сополимеров Таблица Влияние полярности среды на характеристики микросфер ПС* MМ 10- Опыт, Состав среды, Стирол, Dn,, Dm/Dn № об.% М мкм % ДМФА толуол 1сэ Этанол:вода 93:7 1.44 1.25 1.002 4.4 55.0 76. 2сэ 1.92 1.88 1.004 6.2 57.0 120. 3сэ Этанол 100 1.92 2.75 1.019 13.5 54.0 68. 4сэ Этанол:толуол 93:7 1.92 4.84 1.022 15.0 32.4 32. *Компоненты реакционной смеси: 1.43.10-2 М ЦВК, 20 г/л ПВП.

100 X, % D, мкм [COOH]S, мкг-экв/м2 D, мкм [COOH]S, мкг-экв/м 1.8 а 2 1. 4 100 X, % 1. 1.2 1 (б) (a) стирол - 1.92 М ПВП - 20 г/л 1.0 б 0.5 1.0 1.5 2.0 10 20 100 200 ПВП, г/л стирол, М Время, мин.

Рис 14. Влияние исходных концентраций стирола (а) и Рис. 15. Конверсия стирола в ПВП (б) на диаметр (1) микросфер ПС, полученных в смеси этанол-вода (93:7 об.%) смеси этанол/вода (93:7 об.%), и на поверхностную при исходных 1.92 М стирола концентрацию [СООН]S (2). и 15 (а) или 30 г/л (б) ПВП.

ПС/ПВП, образующихся in situ, снижается, т.к. они лучше сольватированы по ПС блокам. Более того, в этих условиях само образование привитых сополимеров происходит не столь эффективно, поскольку цепи ПВП свернуты и менее доступны для радикальной атаки. При ДП в этаноле с 7 об.% воды и достаточно высоким содержанием ПВП (20 г/л) наибольшие величины [СООН]S достигаются в области низких концентраций стирола (рис. 14 а), что обусловлено низкими молекулярными массами (ММ) образующихся цепей ПС (24.103–49.103). Постоянство поверхност ной концентрации [CООН]S при повышении содержания стирола указывает на неизменность числа привитых цепей с концевыми -СООН группами на одну цепь ПВП (рис. 14). Зависимость диаметра частиц от концентрации стирола имеет минимум при 1.15 М (рис. 14а), поскольку дальнейшее ее повышение снижает полярность среды. Это позволяет получать монодисперсные частицы заданного диаметра, различающиеся структурой привитых сополимеров и поверхностной концентрацией [СООН]S. При высокой концентрации стирола и низком содержании ПВП из-за недостаточной стабилизации образуются полидисперсные микросферы (рис. 14б), а с повышением содержания ПВП – монодисперсные частицы меньшего диаметра. При этом снижается поверхностная концентрация концевых -СООН групп привитых цепей ПС, что подтверждает уменьшение числа точек прививки на цепь ПВП. Повышение концентрации ПВП с 15 до 30 г/л приводит к увеличению продолжительности полимеризации в растворе с 30 до 60 мин (рис. 15), к формиро ванию более мелких частиц: 1.90 и 1.64 мкм соответственно, и к возрастанию скорости полимеризации в ПМЧ с 1.28·10-4 до 1.61·10-4 моль/л·с.

Таблица Анализ привитых сополимеров ПС/ПВП, выделенных экстракцией Параметры структуры Содержание Содер сополимеров ПС/ПВП сополимеров ПС/ПВП жание Опыт в спиртовой вытяжке IПВП/IСт* блоков Число точек Число № ПВП, прививки на звеньев в % к массе мг/м2 мас.% цепь ПВП, n цепях ПС, m микросфер 6сэ 1.47 3.7 0.89 49.5 9.9 7сэ 1.07 2.8 1.19 52.5 6.8 9сэ 1.01 3.4 1.56 58.9 2.3 * Отношение интенсивностей полос 1674 см-1 (валентные колебания С=О лактамной группы ПВП) и 700 см-1 (деформационные колебания С-Н бензольных колец ПС).

В качестве фактора, позволяющего контролировать структуру привитых сополиме ров и дисперсность микросфер, рассмотрена также температура введения инициа тора. Диаметр монодисперсных частиц ПС возрастал в ряду: 2.75 (25оС), 3. (65оС), 3.80 мкм (72оС). При введении ЦВК в реакционную смесь, нагретую до температуры полимеризации (78оС), образовывался полидисперсный латекс, что указывает на слабую стабилизирующую способность привитых сополимеров с большим количеством коротких цепей ПС и малой длиной сегментов ПВП между точками прививки. Такая структура сополимеров подтверждается понижением ММ ПС и разности ее значений, определенных в ДМФА и в толуоле (соответственно 47.103 и 66.103 при 78оС вместо 57.103 и 120.103 при 25оС). Более высокие значения ММ, при измерениях в толуоле, который является осадителем ПВП, могут быть обусловлены агрегацией привитых сополимеров. Анализ методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) полимерных фракций, экстрагированных с поверхности микросфер ПС, подтвердил присутствие в экстракте только привитых сополимеров и отсутствие ПВП. Методом ИК-спектроскопии оценено массовое содержание в них блоков ПС и ПВП. Исходя из содержания -СООН групп в выделенных сополимерах и полагая, что на каждую привитую цепь ПС приходится одна концевая -СООН группа, для трех образцов,, мВ 4 8 pH полученных в различных условиях, были рассчи таны среднее число (n) цепей ПС, привитых на цепь ПВП, и среднее число мономерных звеньев в них (m) (табл. 4). -40 NaCl, М III.1.6. Электроповерхностные свойства микросфер - ПС до и после модификации белком. Инверсия знака - -потенциала микросфер ПС до и после экстракции - привитых сополимеров ПС/ПВП при рН 2.0–2. (рис. 16), обусловленная протонированием -120 лактамных групп ПВП, показывает, что привитые сополимеры не полностью удаляются из Рис. 16. Влияние рН на поверхностного слоя. Однако -потенциал резко потенциал частиц ПС до (1,2) и возрастал после их частичной экстракции, что после (3,4) спирто-щелочной отмывки.

ИЭТ Г, м г/м 3 1 2 а 1 3 1 б 0,5 1,0 1, С р, м г/м л Рис. 17. Изотермы хемосорбции (1) и Рис. 18. Структура поверхности образцов ПС адсорбции (2) БСА, а также ИЭТ частиц после связывания БСА: (А) с большим латексов 5сэ (а) и 9сэ (б) после количеством коротких цепей ПС привитых хемосорбции (3) и адсорбции (4). на цепь ПВП и (Б) с малым количеством длинных привитых цепей ПС.

свидетельствует об уменьшении экранирования поверхностного заряда частиц, поскольку к плоскости скольжения выносится больше карбоксилат-ионов на концах полимерных цепей в результате возрастания их конформационной подвижности.

С целью выявления роли привитых сополимеров поверхностного слоя в процессе связывания белка были сопоставлены изотермы хемосорбции и адсорбции бычьего сывороточного альбумина (БСА), а также положение изоэлектрических точек (ИЭТ) для образцов, различающихся структурой привитых сополимеров в поверхностном слое. Образец 5сэ был получен в условиях, когда структура этих сополимеров характеризуется большим количеством коротких привитых ПС цепей (аналог образца 7сэ), для образца 9сэ характерно меньшее количество более длинных привитых цепей ПС (табл. 4). Ковалентное связывание БСА проводили, активируя -СООН группы носителя водорастворимым карбодиимидом (КДИ) в присутствии N-гидроксибензотриазола, удаляя избыток реагентов и проводя взаимодействие с аминогруппами белка при рН 5.5. Адсорбцию БСА проводили в тех же условиях без активации -СООН групп. Изотермы адсорбции для образцов 5сэ и 9сэ выходят на плато при 1.6 и 2.7 мг/м2 соответственно (рис. 17). Напротив, значения хемосорбции для образца 5сэ возрастают во всем исследованном диапазоне концентраций БСА. Превышение значений хемосорбции над адсорбцией (рис. 17а) может быть обусловлено разрыхлением поверхности частиц в процессе активации -СООН групп и дальнейшего взаимодействия с БСА. Такому разрыхлению способствует экстракция привитых сополимеров с короткими цепями ПС. Для образца 9сэ привитые цепи ПС имеют большую длину и лучше закреплены в поверхностном слое, что обеспечивает ему более стабильную структуру и отсутствие различий в значениях адсорбции и хемосорбции. При наибольших значениях адсорбции – 2.7 мг/м2 на 1 мкм2 поверхности частиц образца 9сэ находятся 2.3·104 глобул БСА, что приближается по величине к предельной адсорбции на гидрофобных частицах ПС (2.5·104 глобул БСА на 1 мкм2). Таким образом, гидрофилизация поверхности за счет блоков ПВП привитых сополимеров не препятствует эффективному связыванию белка. Следует также учесть, что адсорбция, то есть концентрирование белка в поверхностном слое, является первым этапом взаимодействия и при его ковалентном связывании. Близкие значения хемосорбции и адсорбции свидетельствуют о сохранении конформации белка при химическом связывании, т.к. площадь на 1 глобулу в поверхностном слое соответствует гидродинамическому радиусу БСА (3.6 нм). Уже при минимальных значениях хемосорбции ИЭТ образца 5сэ равна 4.7–4.8 (рис. 17а), что попадает в интервал ИЭТ нативного БСА и указывает на полное экранирование поверхности белком. С увеличением поверхностной концентрации БСА до 3.2 мг/м2 значения ИЭТ неожиданно уменьшаются до 4.0. Этот факт указывает на формирование мозаичной структуры с выдвижением к плоскости скольжения фаз как глобул белка, так и сополимеров ПС/ПВП (рис. 18а). Для образца 5сэ снижение ИЭТ происходит не только в случае хемосорбции, но также при адсорбции, что подтверждает заметное влияние на значение ИЭТ конформационно подвижных цепей привитых сополимеров, которые не позволяют белку полностью экранировать поверхность. Только в случае образца 9сэ, постоянство высоких значений ИЭТ при всех степенях заполнения поверхности белком и любом типе связывания указывает на его эффективное экспонирование на границе раздела фаз (рис. 17б, 18б). Таким образом, строение сополимеров ПС/ПВП оказывает существенное влияние на стабильность поверхностной структуры частиц и на характер изотерм адсорбции и хемосорбции белка.

III.2. Монодисперсные частицы ПММА с карбоксильными группами III.2.1. Безэмульгаторная эмульсионная полимеризация ММА под действием карбоксилсодержащего инициатора была применена для получения носителей иммунореагентов на основе ПММА, менее гидрофобного, чем ПС, что должно уменьшать неспецифическое взаимодействие белков с полимерной поверхностью.

Кроме того, ПММА имеет более высокую плотность и меньший показатель прелом ления, что является его преимуществами в процессах, требующих быстрого оседания частиц или применения оптических методов учета РАЛ. Как и при прове дении БЭП стирола под действием ЦВК, прослежено влияние рН0 на процесс полимеризации ММА. Поскольку при БЭП стирола уже наблюдали сильное изменение рН в первые минуты процесса полимеризации, количество NaOH, необходимое для достижения заданного рН0, определяли предварительным титро ванием реакционной смеси раствором щелочи. В отличие от БЭП стирола, заметный индукционный период, падение скорости реакции и конверсия ММА ниже 80%, наблюдались при высоком рН0 (рис. 19а). При достижении конверсии 30–50% скорость полимеризации и ММ резко возрастали, свидетельствуя, что основной зоной роста цепей являются ПМЧ, достаточно крупные для проявления гель-эффекта. Одновременно резко повышалось (рис. 19б), указывая на практически полное поглощение мономера и олигомерных ПАВ в ПМЧ. Только при рН0 11.7 невысокие значения говорят о присутствии их в водной фазе на всем протяжении БЭП. В ходе БЭП рН смещалось в кислую область тем сильнее, чем выше было значение рН0: при рН0 11.7 концентрация ионов ОН– падала на порядков. Предположение о протекании в системе одновременно с полимеризацией гидролиза ММА до метакриловой кислоты (МАК) было подтверждено при изучении модельных смесей, содержащих корковую кислоту (рис. 20). При БЭП, начатой в сильнощелочной среде, ионизация звеньев МАК в олигорадикалах затрудняет нуклеацию и приводит к длительному индукционному периоду (рис.

19а). Анализ дисперсионной среды латексов обнаружил карбоксилсодержащие продукты, не диффундирующие через диализный целлофан с порами 100.

Однако, в основном, в водной фазе с участием МАК образуются олигомеры, стабилизирующие растущие частицы. С увеличением рН0 повышается степень ионизации -СООН групп, приводя к возрастанию устойчивости частиц и уменьшению их среднего диаметра (рис. 21). Вместе с тем, при рН0 11.7 увеличение продолжительности нуклеации приводит к уширению РЧР. При БЭП стирола уменьшение диаметра частиц приводило к увеличению скорости процесса, тогда как в случае ММА с повышением рН0 его скорость уменьшается симбатно с размером частиц. Это связано с падением рН (рис. 19в) и, следовательно, поверхностного заряда ПМЧ в процессе БЭП. При подкислении среды степень ионизации -СООН групп в составе олигорадикалов уменьшается, что увеличивает скорость их захвата и обрыва в ПМЧ. Сополимеризация ММА с МАК в растворе также приводит к падению общей скорости процесса. С повышением рН поверхностная концентрация [COOH]S в латексах, отмытых от водорастворимых примесей (рис. 21), снижалась, что свидетельствует об удалении карбоксил содержащих олигомеров и полимеров. Поэтому значения [COOH]S на частицах 2,0 [МАК], мол.% 100 X, % 1, 1, (а) 0, 40 80 120 160, мН/м (б) 8 10 pH Рис. 20. Влияние рН0 на образование МАК при гидролизе ММА при 75оС через 1 (1) и ч (2).

0.8 [-COOH], мкг-экв/м 40 80 120 160 200 D, мкм рН pH0 D, мкм (в) 8 5.51 0. 8.25 0. 0. 11.08 0.39 11.47 0.33 4 11.70 0. 0.0 40 80 120 160 200 pH 6 8 Время, мин Рис. 21. Влияние рН0 на диаметр частиц (1,2) Рис. 19. Конверсия ММА (а), поверх и поверхностную концентрацию [СООН]S ностное натяжение (б) и pH (в) (3,4) при БЭП ММА без соли (1,3) и в реакционной смеси в процессе БЭП.

присутствии буферных солей (2,4).

ПММА не выше, чем для частиц ПС, полученных в БЭП с карбоксилсодержащим азоинициатором.

III.2.2. Синтез микросфер ПММА в присутствии буферных солей был исследован с целью подавления гидролиза ММА, а также выявления дополнительных факторов управления характеристиками частиц ПММА (табл. 5). Повышение ионной силы за счет NaCl приводило к торможению БЭП при достижении конверсии ММА 75%, когда рН реакционной смеси уменьшалось до 5.7. Это вызывало падение поверх ностного заряда частиц и их агломерацию. Напротив, в присутствии Na2HPO4 и KH2PO4 конверсия ММА достигала 90% благодаря поддержанию рН в области 6.8– 7.2, что обеспечило агрегативную устойчивость частиц. Природа буферных солей также влияет на ход БЭП и характеристики частиц. Так, в присутствии Na2HPO4 при рН0 7.47 образуются более мелкие частицы вследствие большей степени ионизации карбоксильных групп, чем в присутствии KH2PO4. При увеличении рН0 в диапазоне 8.47–11.15 размер образующихся частиц практически не изменялся, а величина [COOH]S даже повышалась, поскольку формирование в ионных пар снижает латеральное отталкивание карбоксилат-ионов в поверхностном слое (рис. 21).

Таким образом, введение буферных солей различной природы и концентрации позволяет формировать при БЭП ММА под действием ЦВК монодисперсные частицы ПММА и варьировать концентрацию -СООН групп на их поверхности.

Таблица Влияние солевого состава реакционных смесей на скорость полимеризации ММА w в стационарный период и характеристики частиц ПММА w 105, Опыт Соль, NaOH, D, [COOH]S, рН - мкг-экв/м № М 10 М моль/л·с мкм 2·10-2 NaCl 6м 1.37 9.01 1.58 0.7 - 0.8 7м 1.23 7.47 2.66 0.48 1. - 8м 1.60 8.74 1.83 0.42 0. 10 Na2HPO 9м 2.20 11.15 1.42 0.46 1. 10м 1.60 9.10 1.17 0.73 1. 2·10-2 Na2HPO 11м 2.20 10.95 1.11 0.48 1. - 12м 2·10 KH2PO4 2.29 6.93 1.08 0.72 0. *ММА 10 мас.%, ЦВК 0.2 мас.% к воде.

D, мкм Коагулюм, % [COOH], III.2.3. Синтез частиц ПММА в S присутствии декстрана проводили с целью 12 мкг-экв/м 0.6 дополнительной гидрофилизации карбок- силированной поверхности носителей. 8 0.4 Агрегативная устойчивость латекса в ходе БЭП экстремально зависела от концен- 0.2 трации декстрана (рис. 22), т.к. увеличение его содержания вызывает флокуляцию 0.2 0. частиц через полисахаридные цепи. С целью Декстран, мас.% регулирования размера частиц в реакци онную смесь вводили Na2HPO4, что Рис. 22. Влияние декстрана на диаметр вызывало линейный рост диаметра частиц частиц ПММА (1), образование при сохранении агрегативной устойчивости коагулюма (2) и поверхностную латекса, тогда как без декстрана при концентрацию [СООН]S (3).

высоких концентрациях Na2HPO 0.8 D, мкм образуется коагулюм (рис. 23). III.2.4. Влияние полимерных 0. стабилизаторов на гидролиз ММА было изучено на моделях реакционных 0. смесей. В присутствии декстрана и 0. Na2HPO4 уже в первые 20 мин 0.04 0. образуется 0.12 мол.% МАК. Более Na 2HPO 4, М кислая соль KH2PO4 замедляет гидролиз, и на стадии нуклеации Рис. 23. Влияние Na2HPO4 на диаметр частиц концентрация МАК незначительна. ПММА при 0.2 мас.% декстрана к воде (1) и В присутствии карбоксилированных без него (2).

производных декстрана гидролиз ММА еще более замедляется из-за наличия в системе большего количества карбоксильных групп. Даже при высоких рН концентрация МАК в моделях реакционных смесей через 1 ч не превышала 0. мол.%. Таким образом, удалось значительно ограничить гидролиз ММА.

III.2.5-7. Синтез частиц ПММА в присутствии карбоксилированных производных и полиальдегида декстрана был проведен для увеличения поверхностной концент рации -СООН групп, а также введения альдегидных групп в поверхностный слой.

Таблица Влияние производных декстрана на характеристики частиц ПММА Опыт Полимерный стабилизатор Коагулюм, D, [-СOOH]S/[-СНO]S pH рH мкг-экв/м № мас.% мкм конечн.

СЗ мас.% 27м КМД 0.10 4 0.42 0.8 7. 8. 28м 0.61 0.15 8.80 14 0.58 4.2 7. 29м 8.05 14 3.6 7. 0.25 0. 30м 0.30 8.75 12 0.49 2.7 7. 31м КЭД 0.10 6 0.49 1.0 7. 8. 33м 0.61 0.15 7.40 2 0.31 2.4 7. 34м 0.20 7.75 0 0.37 2.9 7. 35м 7.80 2 1.2 7. 0.25 0. 36м КЭД 0.10 7.70 14 0.16 0.9 7. 37м 0.91 0.15 7.70 12 0.38 1.6 7. 38м 0.20 7.40 10 0.36 0.5 7. 39м 7.30 16 0.6 7. 0.25 0. 50м ПАД 0.10 6.50 20 0.54 1.4/2.4 6. 53м 1.15 0 0.8/1.2 6. 0.25 0. 6. При этом использовали карбоксиметилдекстран (КМД), карбоксиэтилдекстран (КЭД) и полиальдегид декстрана (ПАД) с разной степенью замещения (СЗ). Самые крупные частицы формировались при введении в реакционную смесь 0.25 мас.% каждого из этих производных (табл. 6), а наибольшая поверхностная концентрация [COOH]S достигалась при 0.15–0.20 мас.%. Для частиц, полученных в присутствии КМД, величина [COOH]S заметно выше, чем в случае КЭД с той же СЗ 0.61. Вместе с тем, КЭД обеспечил меньший размер частиц и низкое содержание коагулюма (табл. 6), что свидетельствует о лучшей стабилизирующей способности. При увеличении СЗ КЭД до 0.91 величина [COOH]S снижалась, а количество коагулюма возрастало. Можно допустить, что с повышением СЗ КЭД из-за отталкивания ионизованных карбоксильных групп образуются рыхлые поверхностные структуры большой толщины, причем низкая концентрация -СООН групп на границе раздела фаз приводит к худшей стабилизации частиц, и их агрегации в результате флокуляции.

В стационарный период полиме- 100 X, % 100 X, % 6 ризации ММА без стабилизатора или с декстраном ход конверси- 80 4 (б) (a) онных кривых совпадает. Это 60 указывает на сохранение механизма БЭП ММА с ЦВК, тогда как в 40 3 присутствии карбоксилированных производных скорость БЭП с 20 самого начала синтеза в 2.5–3 раза выше (рис. 24а). Такую картину 40 80 40 80 наблюдали и в случае ПАД (рис. Время, мин Время, мин 24б). Вместе с тем, в присутствии Рис. 24. Конверсия ММА при полимеризации в производных декстрана образуют- растворах 0.02 М Na2HPO4 (а) или КН2PO4 (б) без ся столь же крупные частицы (1) и в присутствии 0.25 мас.% декстрана (2), КМД ПММА (табл. 6), как и при с СЗ 0.61 (3), КЭД с СЗ 0.61 (4) и 0.91 (5) или ПАД использовании декстрана (0.50 с СЗ 1.15 (6).

мкм) или без стабилизаторов (0.73 мкм). Кроме того, применение КМД с СЗ 0. или КЭД с СЗ 0.61 и 0.91 повышает средневязкостную ММ ПММА: 35.7·104, 28.3·104 и 43.5·104 соответственно, тогда как без стабилизаторов – лишь 22·104, а с декстраном – 23.2·104. Значительное увеличение скорости полимеризации ММА, наряду с ростом ММ, указывает на изменение скоростей элементарных актов процесса. Можно полагать, что его ускорение обусловлено торможением обрыва растущих радикалов при их фиксации в адсорбционном слое, сформированном производными декстрана. Возможность реакции передачи цепи на эти полимеры стабилизаторы подтверждена тонкослойной хроматографией водорастворимых полимерных фракций, в которых обнаружено присутствие привитых сополимеров производных декстрана и ПММА.

C целью получения наночастиц ПММА в реакционные смеси, наряду с карбоксилированными производными декстрана и 2·10-2 М Na2HPO4, вводили додецилсульфат натрия. В присутствии КМД удалось получить частицы диаметром 76 нм с наиболее узким РЧР = 8.3% и величиной [COOH]S 1.30 мкг-экв/м2.

Увеличение СЗ КМД до 0.94 приводило к росту [COOH]S до 2.94 мкг-экв/м2, но сопровождалось образованием коагулюма. Однако в присутствии КЭД с СЗ 0. удалось получить агрегативно устойчивые частицы диаметром 50 нм при 11.9%.

III.3. Монодисперсные частицы сополимеров акролеина со стиролом или ММА получали с целью введения в поверхностный слой частиц альдегидных групп методом БЭП, инициированной К2S2О8. Синтез сополимеров акролеина со стиролом (ПСАК) или с ММА (ПММААК) представляет интерес и для выяснения влияния водорастворимого мономера на ход БЭП и механизм формирования частиц. При сополимеризации акролеина со стиролом наиболее полно процесс протекал при их мольном отношении 1 : 1. Снижение температуры с 60 до 55оС закономерно приводило к укрупнению частиц из-за 0. Звенья акролеина в сополимере, мол% уменьшения скорости распада инициатора, но акролеина, % при этом наряду с основной фракцией, в латексе 0. Конверсия наблюдали и более мелкие частицы. Уменьшение концентрации К2S2О8 не позволило 0. получить более крупные частицы из-за снижения (а) конверсии. Напротив, при повышении содержа 0. ния мономеров конверсия достигала 90%, при 0.3 0.4 0. 60 1.0D, мкм этом формировались частицы диаметром 0. Гель-фракция, %. - мкм. Введение 2 10 М NaCl несколько повышало диаметр частиц, но полидисперсность латекса возрастала. Применение КН2РО4 позво- 0. лило поддержать слабокислую среду, что способствовало сохранению альдегидных групп (б) и повышению агрегативной устойчивости ПМЧ. 0 0. 0.3 0.4 0. В результате были получены монодисперсные [-COOH], [-CHO], частицы ПСАК диаметром от 0.37 до 0.67 мкм. мкг-экв/м2 мкг-экв/м Поскольку данные о безэмульгаторной эмульси- 3 онной сополимеризации акролеина с ММА отсутствуют, было изучено влияние соотно- 2 шения сомономеров на их конверсию и 1 характеристики образующихся частиц.

Оказалось, что с увеличением мольной доли (в) 0 акролеина его конверсия падает (рис. 25а), при 0.3 0.4 0. Акролеин, мол.доля этом конверсия ММА сохраняется на уровне - 1 мас.% K2S2O8, 10 моль/л KH2PO4, около 90%. Число частиц также снижается, а их о (ММА+АК) - 15 мас.% к воде, 60 С размер растет (рис. 25б). Поверхностная концентрация альдегидных групп (рис. 25в) Рис. 25. Влияние доли акролеина в возрастает симбатно с повышением количества смеси с ММА на его конверсию (1а), звеньев акролеина в частицах (рис. 25а). содержание его звеньев (2а) и гель Поверхностная концентрация [COOH]S также фракции в сополимере (1б), диаметр цепи частиц (2б), и концентрацию -СНО слегка увеличивается, поскольку сополимеров с высоким содержанием звеньев (1в) и -СООН групп (2в) на их акролеина дольше остаются в водной фазе и их поверхности.

альдегидные группы в большей мере подвержены окислению персульфатом (рис.

25в). Полученные частицы являются частично сшитыми системами, причем количество гель-фракции возрастает с увеличением доли акролеина и гидрофобности его сомономера (табл. 7). Это подтверждает механизм межмолекулярного сшивания с участием -С=С- и -С=О связей акролеина.

Методом газовой хроматографии изучена кинетика сополимеризации акролеина с ММА или стиролом при мольном отношении сомономеров 1 : 1. Константы сополимеризации ММА и акролеина в диоксане равны 10 и 0.2 соответственно, и при равной концентрации сомономеров в реакционной зоне скорость расхода ММА должна быть заметно выше. Противоположный результат (рис. 26а), полученный при конверсии мономеров до 50%, обусловлен меньшей растворимостью в воде ММА (0.15 моль/л) по сравнению с акролеином (3.7 моль/л). В результате 70% акролеина растворено в водной фазе исходной реакционной смеси. Под действием Таблица Золь фракция в сополимерах ПСАК и ПММААК Мол. доля звеньев Золь-фракция в Сополимер Мол. доля акролеина в акролеина в сополимере сополимере, % акролеина реакционной смеси с ММА 0.33 0. 0.40 0.35 0.50 0.43 со стиролом 0.50 0.53 К2S2О8 в ней образуются олигомерные радикалы и олигомеры. Из-за незначительного различия в 80 X, % (а) полярности сомономеров они имеют низкую поверхностную активность, позже формируют ПМЧ и хуже их стабилизируют. При этом образуются 40 частицы большего размера (0.98 мкм), чем при сополимеризации акролеина с гидрофобным стиролом (0.57 мкм). Такой механизм формирования ПМЧ 200 подтверждается тем, что с увеличением мольной доли Время, мин акролеина в смеси с ММА также формируются более.

крупные частицы (рис. 25б). На втором этапе X, % (б) сополимеризации при постоянной скорости расхода акролеина конверсия ММА плавно возрастает.

Повышение вязкости ПМЧ и сшивание макромолекул за счет звеньев акролеина обеспечивает на этом этапе возможность сосуществования в ПМЧ нескольких радикалов, вследствие чего наблюдается ярко выраженный гель-эффект. При сополимеризации со 200 стиролом расход акролеина несколько выше, чем при Время, мин сополимеризации с ММА до наступления гель эффекта (рис. 26б), благодаря образованию частиц Рис. 26. Конверсия мономе ров при сополимеризации меньшего размера. На конверсионной кривой стирола акролеина (1а, 1б) с ММА нет индукционного периода, что указывает на (2а) или стиролом (2б).

быстрое формирование ПМЧ олигомерными ПАВ и олигорадикалами, содержащими звенья гидрофобного стирола и гидрофильного акролеина. При средних конверсиях, когда основной зоной сополимеризации являются ПМЧ, скорости расхода стирола и акролеина близки. Ранее было показано, что, несмотря на равные константы сополимеризации стирола и акролеина в диоксане - 0.25, при эмульсионной сополимеризации количество звеньев акролеина в сополимере незначительно возрастает с увеличением его доли в смеси мономеров и не превышает 30 мол.%. В нашем эксперименте удалось получить частицы ПСАК с содержанием звеньев акролеина до 53 мол.% уже при мольном отношении сомономеров 1 : 1 (табл. 7). Это обусловлено присутствием в водной фазе KH2PO4, что снижает растворимость акролеина и олигомерных радикалов в воде, смещает основную зону полимеризации в ПМЧ и позволяет получать сополимерные частицы с высоким содержанием альдегидных групп.

III.4. Электроповерхностные свойства частиц ПСАК, ПММА, ПММААК и связывание ими белка. В качестве модельных объектов были изучены частицы ПСАК с различной концентрацией альдегидных и карбоксильных групп (табл. 8).

Таблица Поверхностные функциональные группы латексов ПСАК Латекс № 3са № 4са Срок хранения 1 год 3 месяца 1 год Концентрация групп мкг-экв/м % мкг-экв/м % мкг-экв/м2 % 2 -OSO3- 1.4 9 1.1 11 1.1 -COOH 9.1 60 2.6 26 0.7 -CНO 4.8 31 6.3 63 2.0 Всего 15.3 100 10.0 100 3.8 Диаметры частиц латексов 3са и, мВ 4са равны (0.52 мкм), близки и, мВ поверхностные концентрации a б сульфогрупп, т.к. концентрация 40 К2S2О8 в процессе синтеза была одинакова. Различия в поверх pH pH ностных концентрациях -СНО и 0 4 8 4 8 возникающих при их окислении -СООН групп могли быть -40 -40 вызваны добавлением NaOH в латекс 4са при отгонке остаточ ного мономера с водяным паром, -80 -80 тогда как в латекс 3са щелочь не Рис. 27. Влияние рН на -потенциал частиц ПСАК добавляли. При повышении 3са (а) и 4са (б) в растворах NaCl 10 (1,3,5) и 10 ионной силы отрицательный -4 - потенциал частиц латекса 3са с (2,4,6) М. Хранение – год (1,2,5,6) и 3 мес. (3,4).

большей концентрацией [COOH]S возрастает (рис. 27а). Это явление обусловлено смещением плоскости скольжения вглубь водной фазы вследствие разрыхления поверхностного слоя при взаимном отталкивании карбоксилат-ионов полимерных цепей. С увеличением ионной силы диффузная часть ДЭС и полимерные цепи сжимаются, и их заряд оказывается ближе к плоскости скольжения. Для латекса 4са с меньшей концентрацией [COOH]S эффекты сжатия ДЭС и разрыхления поверхностного слоя компенсируют друг друга (рис. 27б). Однако через год при повышении концентрации NaCl c 10-4 до 10-2 М величины -потенциала частиц снижались, поскольку в процессе хранения концентрация [COOH]S уменьшалась (табл. 8). Для обоих образцов значения ИЭТ равны 2.0. В столь кислой среде все карбоксильные группы уже находятся в Н-форме, а протонирование альдегидных групп преобладает над диссоциацией сульфогрупп.

Альдегидные группы на поверхности частиц позволяют проводить ковалентное связывание аминогрупп белка с образованием оснований Шиффа. При опреде лении остаточной концентрации БСА методом ВЭМДХ было установлено, что в процессе хемосорбции в щелочной среде с поверхности частиц ПСАК и ПММААК вымываются олигомерные цепи. Появление на хроматограммах широких пиков коньюгатов с большим временем удерживания, чем для БСА (рис. 28 а, б) указывает на то, что белок связывается с ними в растворе. Предварительная экстракция олигомеров Поглощение 0.3 в боратном буфере с рН 10.0 позволяет избежать 0. таких потерь белка (рис. 28в). С ростом рН а отрицательные заряды частиц и глобул белка 0. возрастают, а хемосорбция БСА частицами ПСАК 0. снижается (рис. 29) вследствие их электро Поглощение статического отталкивания и уменьшения гидро- 0. фобного взаимодействия. Напротив, снижение б 0. вместе с рН степени ионизации -СООН групп 0. белковых глобул должно приводить к их более плотной укладке в поверхностном слое. Однако 0. падение рН до 8.25 в результате протонирования Поглощение 0. аминогрупп белка выводит систему из области, оптимальной для образования азометиновых в 0. связей, вследствие чего хемосорбция снижается. С увеличением доли альдегидных групп в поверхностном слое (табл. 8) наблюдался рост 0. 2 3 4 хемосорбции БСА (рис. 30). Для латекса 9са с Время, мин самой низкой долей поверхностных карбоксильных групп ([СНО]S 3.2, [СООН]S 0.9 мкг-экв/м2) Рис. 28. Кривые ВЭМДХ раст связывание белка происходило наиболее воров БСА (а, б, в) в буфере с рН эффективно (рис. 29, кривая 5). Восходящий 7.5 (а) и 9.2 (б, в) до (1) и после участок изотермы указывает на интенсивное взаимодействия с частицами связывание белка даже при низкой концентрации ПСАК 9са (2) без (а, б) и после БСА и слабо щелочном рН 7.5. Снижение удаления олигомеров (в).

электростатического отталкивания глобул белка от поверхности частиц латекса 9са благодаря малой величине [СООН]S и низкому рН обусловливает исчезновение S образного участка на изотерме хемосорбции, которая характеризуется ярко выраженным плато. Таким образом, не только рН, но и соотношение -СООН и СНО групп на поверхности частиц ПСАК оказывает влияние и на эффективность ковалентного связывания белка.

2, м г /м 2 Г, м г /м Г, м г /м 2 2 4 1 1 (а ) (б ) 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1. С р, м г /м л C Р, м г /м л C Р, м г /м л Рис. 29. Хемосорбция БСА Рис. 30. Влияние поверхности частиц латексов 3са частицами латекса 3са при рН 8.25 (1) и 4са (2) на величину хемосорбции БСА при (1), 9.25 (2), 9.60 (3), 10.20 (4) и рН 9.25 (а) и 10.2 (б).

латекса 9 (5) при рН 7.5.

Исследование частиц ПСАК 4са после хемосорбции И Э Т 6000 БСА, показало, что зависимости их ИЭТ от равновес- 5, 0 г л о б у л гл о б ул ной концентрации белка проходят через минимум p H = 1 0. (рис. 31). ИЭТ БСА (4.75.0) достигалась только в 4, случае самой низкой и самой высокой величин хемосорбции при рН 10.2, когда белок полностью экранировал поверхность, хотя количество глобул 4, 0 p H = 9.2 БСА на 1 мкм2 отличалось для этих образцов в 4 раза.

При низких заполнениях глобулы белка связываются 3, с поверхностью многоточечно, частично теряя исход- 0,0 0,5 1, С Р, м г /м л ную структуру, при этом их посадочная площадка возрастает. При средних величинах хемосорбции, как Рис. 31. ИЭТ латекса 4са, показано Сломковским методом атомно-силовой модифицированного БСА при микроскопии, глобулы белка образуют кластеры, рН 9.25 (1) и 10.2 (2), в сосуществующие со свободной поверхностью. зависимости от равновесной Известно, что при снижении рН степень ионизации - концентрации БСА при СООН групп белка падает и его глобулы переходят в хемосорбции.

компактную изоморфную форму. В результате, возрастает доля поверхности, незаполненной БСА, что влияет на значение ИЭТ. Таким образом, результаты исследования электроповерхностных свойств частиц ПСАК после хемосорбции белка могут быть интерпретированы на основе представлений о различных способах укладки белковых глобул на полимерной поверхности и об изменении их конформации под действием состава дисперсионной среды в процессе хемосорбции и после ее завершения.

, м В 0,8 1,2 1,, м В 0 0 4 8 [- C O O H ] S, м к г -э к в /м рН -4 -4 -8 -8 Рис. 32. Влияние рН на -потенциал Рис. 33. Влияние концентрации [СООН]S частиц ПММА с [СООН]S: 0.73 (1), 0.96 частиц ПММА на их -потенциал в (2), 1.22 (3), 1.41 (4) и 1.45 (5) мкг-экв/м2 растворах NaCl 10-2 М с рН 2.6 (1), 5.5 (2) и в растворе NaCl 10-2 М. 10.0 (3).

Отрицательные -потенциалы частиц ПММА, полученных без полимерных стаби лизаторов, закономерно возрастают при повышении [СООН]S и рН среды (рис. 32, 33), а их зависимость от ионной силы имеет классический характер (рис. 34а), то есть значения уменьшаются вследствие сжатия диффузной части ДЭС. Это указывает на слабую конформационную подвижность цепей ПММА с концевыми СООН группами. Даже в сильнокислой среде частицы ПММА, не модифици рованные полимерами на основе декстрана, сохраняли отрицательный заряд.

Напротив, при модификации частиц ПММА декстраном, КМД или КЭД была обнаружена ИЭТ при рН около 2.0, что обусловлено координацией ионов Н+, мВ, мВ, мВ, мВ, мВ г д а б в 0 0 0 4 8 рН 4 8 рН 4 8 рН 4 8 рН рН 4 1 -40 -40 -40 - 2 - -80 -80 -80 - - -120 -120 -120 - Рис. 34. Влияние рН на -потенциал частиц ПММА, синтезированных без полимерных стабилизаторов (а), в присутствии декстрана (б), КМД (в, д) и КЭД (г) с СЗ 0.61 в растворах NaCl 10-2 (1) и 10-4 М (2), в том числе после хемосорбции БСА (д).

гидроксилами глюкозидных звеньев и подтверждает присутствие полисахаридных цепей на поверхности частиц (рис. 34). Для частиц ПММА, полученных в присутствии КМД, величина -потенциала возрастала с увеличением концентрации электролита, что свидетельствует о выдвижении к плоскости скольжения полисахаридных цепей с большим количеством -СООН групп. Конформационная подвижность этих цепей в поверхностном слое частиц ПММА может повысить доступность -СООН групп для взаимодействия с БАВ.

Таблица Условия синтеза и характеристики исследованных латексов ПММА Латекс Стерический Буферная рН0 D, [CООН]S, а № стабилизатор, мас.% соль мкм мкг-экв/м 9м – Na2HPO4 7.4 0.46 1.45 2. 21м Декстран 0.25 КH2PO4 6.7 0.63 1.08 2. 27м КМД СЗ 0.61, 0.10 Na2HPO4 7.8 0.42 4.10 3. 29м КМД СЗ 0.61, 0.25 Na2HPO4 7.8 0.70 3.60 2. 37м КЭД СЗ 0.91, 0.15 Na2HPO4 7.4 0.38 1.60 4. В результате выдвижения подвижных полимерных цепей поверхностного слоя в водную фазу вязкость латексов ПММА возрастала и значения коэффициента а в уравнении Эйнштейна отн. = ар + 1 оказались выше, чем 2.5 – для гладких сферических частиц (табл. 9). Наименьшие отклонения наблюдали для полученного в присутствии декстрана и КH2PO4 латекса 21м с самой низкой концентрацией [СООН]S. Для частиц ПММА, полученных в присутствии Na2HPO4, значения а лежат в интервале 2.60–3.32, поскольку в условиях синтеза был возможен гидролиз звеньев ММА с образованием -СООН групп, распределенных по длине полимерных цепей поверхностного слоя. Возрастание значений а в ряду образцов: 9м, 29м, 27м, очевидно, обусловлено повышением концентрации [СООН]S. При использовании КЭД с СЗ 0.91 значение а возрастало до 4.94, что подтверждает формирование на поверхности частиц адсорбционных слоев большой толщины с развитой системой водородных связей и гидрофобных взаимодействий.

Для частиц ПММААК, не содержащих гель-фракции, -потенциал не зависел от ионной силы дисперсионной среды (рис. 35а), тогда как при наличии гель-фракции в частицах зависимость их -потенциала от ионной силы снова приобретала классический вид благодаря ограничению конформационной подвижности сшитых сополимерных цепей поверхностного слоя (рис. 35 б, в).

б в а г 0 0 0 4 8 4 8 4 8 4 pH pH pH pH -40 -40 -40 - 1 1 -80 -80 -80 - -120, мВ -120, мВ -120, мВ -120, мВ Рис. 35. Влияние рН на -потенциал частиц ПММААК в растворах NaCl 10-2 (1) и 10- моль/л (2). [СООН]S и [СНО]S групп: 0.52 и 0.81 (а), 1.76 и 1.53 (б) и 1.73 и 2.96 мкг экв/м2 (в), гель-фракция: 0 (а), 28 (б) и 50% (в, г), в т.ч. после хемосорбции БСА (г).

БСА связывали с частицами при рН 5.5 после предварительной активации их карбоксильных групп КДИ и по альдегидным группам при рН 7.2–10.0. Адсорбция и хемосорбция БСА частицами ПММА с карбоксилированной 2 2,0 Г, мг/м 2,0 Г, мг/м поверхностью происходят с выходом изотерм на плато, что указывает на способных 1,5 1, заполнение центров, связывать БСА (рис. 36). Введение в 3 1,0 2 1, поверхностный слой частиц ПММА 1 спейсеров на основе декстрана не создает стерических препятствий для 0,5 0, б а хемосорбции белка – ее предельные значения в этом случае даже 0,5 1,0 1,5 0,5 1,0 1, несколько выше. Ср, мг/мл Ср, мг/мл Эффективность ковалентного связы вания БСА с альдегидными группами Рис. 36. Изотермы адсорбции (а) и хемо частиц ПММААК зависела от рН сорбции (б) БСА на частицах ПММА, получен ных без полимерного стабилизатора (1), с декс среды (рис. 37). В отличие от частиц траном (2);

КМД – СЗ 0.61 (3);

КЭД – СЗ 0. ПСАК с очень высокой [СООН]S, (4) и 0.91 (5) с [СООН] : 0.96, 1.82, 2.70, 2.88, S наибольшие значения хемосорбции 1.60 мкг-экв/м2 соответственно.

Таблица Г, м г /м Влияние альдегидных групп на предельную хемосорбцию БСА 1. до [CНО]S, рН Хемосорбция мкг-экв/м буфера БСА, мг/м 1.0 ст иг ПММААК 0.5 ал 0.81 8.2 0. pH ис 0.81 10.0 0. ь 7 8 9 10 1.53 8.2 0. 1.53 9.20 0. Рис. 37. Влияние рН на предельную 1.53 10.0 1. хемосорбцию БСА (исходная концентрация 2.96 9.20 1. 1.5 мг/мл) на частицах ПММААК: [СНО]S ПММА+ПАД 1.53 мкг-экв/м2, [СООН]S 1.73 мкг-экв/м2 и 1.22 8.0 ПСАК: [СНО]S 4.8 мкг-экв/м2, [СООН]S 9. мкг-экв/м2. 1.22 10.0 0. достигались при рН 10.0, в самых благоприятных для образования основания Шиффа условиях. Предельные значения хемосорбции возрастали и с увеличением поверхностной концентрации [CНО]S (табл. 10). В случае частиц ПММА, полученных в присутствии ПАД, эти значения значительно ниже, следовательно, альдегидные группы ПАД трудно доступны для глобул БСА.

У частиц ПММААК после взаимодействия с БСА появляется ИЭТ при рН 3.0 (рис.

35г), а ИЭТ частиц ПММА, полученных в присутствии КМД, смещается до 3.5 (рис.

34д), что свидетельствует о присутствии БСА в их поверхностном слое. Однако эти величины не достигали ИЭТ БСА, что указывает на присутствие и цепей полимерной подложки наряду с глобулами белка у границы раздела фаз, как и в случае частиц ПСАК.

III.5. Монодисперсные полимерные частицы со специальными свойствами III.5.1. Магнитные полимерные частицы, востребованные в качестве магнитоуправ ляемых носителей иммунореагентов, а также в различных областях нанотехно логии, получали, проводя полимеризацию ММА или смеси стирол/МАК (10:1) под действием ЦВК или K2S2O8 в присутствии магнитных жидкостей (МЖ), стабилизи рованных декстраном или поливиниловым спиртом (ПВС). Применение анионного 100 нм в б а Рис. 38. Микрофотографии наночастиц ПММА, содержащих 11 мас.% магнетита (а), также частиц ПММААК после осаждения на них наночастиц магнетита (б) и формирования полимерной оболочки (в).

20, мВ эмульгатора Disponil AES 60 IS (1.5 мас.% к воде) и 10-2 М Na2HPO4 для поддержания частицы магнетита рН слабощелочной среды позволило получить устойчивые композитные наночастицы со 4 6 8 средним диаметром 30–54 нм (рис. 38 а) и композитные магнитные частицы - содержанием поверхностных -СООН групп после приготовления до 5.62 мкг-экв/г. Анионный эмульгатор, через сутки звенья МАК и концевые остатки - инициатора обеспечивают достаточный отрицательный заряд полимерных частиц (рис. 39). Напротив, магнетит имеет Рис. 39. Влияние рН на -потенциал положительный заряд, что способствует магнетита и композитных наночастиц на - его поглощению растущими ПМЧ. Кроме основе ПММА в растворе NaCl 10 М.

того, на стадии нуклеации возможна прививка растущих цепей на декстран или ПВC на поверхности частиц магнетита. Характер зависимостей -потенциала полученных частиц от рН сохранялся при их выдерживании в кислой и щелочной среде (рис. 39), что говорит об экранировании магнетита слоем полимера.

Магнитная восприимчивость композитных частиц (5–13)10-5 см3/г попадает в диапазон, характерный для ферромагнетиков.

С целью формирования монодисперсных магнитных частиц большего размера и контролируемой морфологии, полученный газофазным методом магнетит с угле родным покрытием осаждали на поверхность частиц ПММААК диаметром 0. мкм в кислой среде, поскольку магнетит сохранял отрицательный -потенциал в широком диапазоне рН, а частицы ПММААК приобретали положительный заряд при рН2. Используя полученные двухслойные частицы как затравочные (рис. б), проводили полимеризацию стирола под действием ЦВК в присутствии КМД при рН около 8.5. В результате были сформированы частицы правильной сферической формы (рис 38 в), состоящие из ядра ПММААК, прослойки магнетита и оболочки ПС с -СООН группами для связывания биолигандов. Термогравиметрический анализ показал содержание в них 17 мас.% магнетита. В магнитном поле скорость движения частиц достигала 2 см/мин, что позволяет использовать их для переноса БАВ в аналитических микрочипах.

III.5.2. Синтез наночастиц полипиррола (ПП) – актуальная задача, поскольку этот электро- 1.6 мас.% ПВС 100 Х, % проводящий полимер практически не растворим в обычных растворителях, что обусловливает потребность в дисперсиях ПП для формирования композитов на его основе. 50 2 Конъюгаты наночастиц ПП с биоспецифичес- 25 кими лигандами могут быть использованы в биосенсорах с электрическим детектором, а 1 10 100 черный цвет ПП позволяет применять его Время, мин наночастицы в качестве маркеров вместо Рис. 40. Конверсия пиррола в ходе коллоидного золота. Окислительно-восстанови- полимеризации в растворе 1. тельную дисперсионную полимеризацию мас.% ПВС при 23 (1,2) и 4оС (3,4) пиррола исследовали и как особый тип по данным газовой хроматографии гетерофазного процесса, протекающего при (1,3) и спектрофотометрии (2,4).

а б г в Рис. 41. Электронные микрофотографии частиц ПП, полученных при 0.3 (а), 0.5 (б), 0. (в) и 1.6 мас.% (г) ПВС при 4 оС.

низких температурах и стехиометрическом соотношении пиррола и окисляющего агента, в качестве которого использовали FeCl3. Обнаружено, что в растворах ПВС (ММ 5.104, 10 мол.% ацетатных групп) при 23оС полимеризация протекала с высокой скоростью. С повышением концентрации пиррола от 1.0 до 2.7 мас.% наночастицы ПП укрупнялись с 60 до 100 нм, но их РЧР уширялось. При снижении температуры до 4оС скорость полимеризации падала в 3–5 раз (рис. 40), диаметр наночастиц изменялся незначительно, но РЧР сужалось. Повышение концентрации ПВС слабо влияло на скорость полимеризации, но способствовало образованию более мелких частиц ПП (рис. 41). В ходе полимеризации прозрачный раствор реагентов превращался в черную дисперсию ПП. Измерение ее оптической плотности позволило рассчитать конверсию пиррола в ПП и сопоставить ее с данными газовой хроматографии. При этом получены симбатные зависимости (рис.

40), что позволяет использовать простой метод спектрофотометрии для оценки глубины превращения пиррола в ПП. С целью уменьшения размера частиц ПП в качестве затравочных использовали стабилизированные ПВС наночастицы магнетита со средним размером 20 нм. В присутствии НСl они медленно растворялись и под действием образующегося Fe(III) происходила полимеризация пиррола. Для ограничения окисления мономера кислородом воздуха реакционную смесь продували аргоном, что позволило получить наночастицы ПП диаметром 20– 30 нм. Полимеризация пиррола на частицах магнетита продолжалась до их полного растворения, о чем говорит отсутствие у наночастиц ПП магнитных свойств. Таким образом, установлены основные закономерности окислительно-восстановительной дисперсионной полимеризации пиррола и определены условия формирования монодисперсных частиц ПП диаметром 30–90 нм.

III.6. Применение полимерных частиц как носителей биолигандов III.6.1. Реакция латекс-агглютинации (РАЛ) для выявления дифтерийного токсина в сыворотке крови больных дифтерийной инфекцией была применена для ранней диагностики дифтерии совместно с сотрудниками Института детских инфекций МЗ РФ (Санкт-Петербург). Определение оптимальной величины адсорбции дифтерий ного анатоксина на частицах монодисперсного латекса ПС с -СООН группами, а также подбор условий проведения РАЛ позволили создать латексную тест-систему и успешно испытать ее в период эпидемии дифтерии.

III.6.2. Определение бактериальных клеток методом РАЛ. Частицы ПС и ПСАК были испытаны в ГНЦ прикладной микробиологии (пос. Оболенск, Московская обл.) в качестве носителей высокоаффинных иммуноглобулинов IgG при конструировании латексных диагностикумов. Поликлональные кроличьи антитела ковалентно связывали с помощью КДИ с -СООН группами частиц ПС. Чувстви тельность латексных тест-систем для определения возбудителя менингита возраста ла с увеличением размера частиц, достигая 10 КОЕ/мл Neisseria meningitidis A при диаметре 1.06 мкм. Природа полимера и поверхностная концентрация реакционно способных групп оказывали еще большее влияние на активность реагента. Так, порог чувствительности тест-системы для определения легионелл или их антиген 5 ных структур снижался с 6·10 до 5·10 с ростом концентрации [-СООН]S на частицах ПС (диаметр 0.72–0.97 мкм) от 1.24 до 2.3 мкг-экв/м2. Одновременно уменьшались оптимальная концентрация IgG при хемосорбции (с 80 до 40 мкг/мл) и время образования агглютинатов. Это могло происходить благодаря уменьшению доли физически адсорбированного белка и его десорбции при хранении, что определяет вероятность конкурентных взаимодействий в объеме жидкой фазы.

Переход от частиц ПС к частицам ПСАК с соизмеримой концентрацией альдегидных групп (2.0 мкг-экв/м2) позволил снизить порог чувствительности до 103 КОЕ/мл, несмотря на меньший размер частиц (0.52 мкм). Это вызвано повышением доли ковалентно связанных IgG, чему способствует щелочная среда при хемосорбции и менее гидрофобная поверхность частиц.

III.6.3. Определение методом латекс агглютинации антител к опиатным и глута матным рецепторам мозговой ткани. В Институте мозга РАН (Санкт-Петербург) испытаны монодисперсные латексы ПС, ПММА, ПСАК и ПММААК в качестве носителей синтетических пептидов, соответствующих субъединицам глутаматного рецептора GluR1 и NR2A, а также и мю и дельта опиатных рецепторов мозговой ткани. Показано, что препараты, полученные на основе латекса ПС с -СООН и латекса ПММААК с -СНО группами, позволяют эффективно проводить методом РАЛ полуколичественное определение аутоантител к рецепторным белкам нервной ткани в сыворотке крови, что может быть использовано в диагностике эпилепсии и хронической наркомании.

II.6.4. Моделирование реакций молекулярного узнавания на поверхности частиц ПС.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.