УДК 541.64: 543.422.25 ВЛИЯНИЕ ПОДВИЖНОСТИ МАКРОМОЛЕКУЛ В ГЕЛЯХ И РАСТВОРАХ АГАРОЗЫ НА ПОПЕРЕЧНУЮ МАГНИТНУЮ РЕЛАКСАЦИЮ МОЛЕКУЛ РАСТВОРИТЕЛЯ Пименов Г.Г., Скирда В.Д., Ибрагимов Ч.И. Казанский государственный университет При изучении методом ЯМР растворов и гелей агарозы и желатины [1-5] было обнаружено, что уменьшение времени поперечной протонной релаксации Т2 молекул растворителя при застуднивании растворов различается более чем в 10 раз. Так при переходе золь-гель в растворах желатины с концентрацией w2 = 20 % [3] время Т2 молекул воды уменьшается лишь в 1,3, а в растворах агарозы с концентрацией w2 = 15 % [2] в 25 раз. Причем такое сильное различие в изменении времен Т2 при гелеобразовании растворов желатины и агарозы характерно не только для молекул воды, протоны которой могут обмениваться с протонами полимера, но и для других растворителей (диметилсульфоксид, диметилформамид). Для выяснения причин такого сильного различия в уменьшении времени Т2 молекул растворителя была изучена поперечная магнитная релаксация макромолекул желатины и агарозы [3-5]. При застудневании растворов желатины спады поперечной намагниченности макромолекул становятся явно двухкомпонентными с временами Т2с = 30 мкс и Т2в = 50 мкс, относящимися к участкам макромолекул, входящих в узлы и междоузлия сетки геля соответственно. В отличие от желатины в гелях агарозы протоны в узлах и междоузлиях характеризуются близкими и очень короткими временами релаксации Т2 ∼8 мкс и методом ЯМР не различаются. Отсюда был сделан вывод, что сетка гелей агарозы и желатины обладает разной подвижностью, и это может быть косвенной причиной большого различия в уменьшении времени Т2 молекул растворителя при застудневании сравниваемых систем. В данной работе проведены дополнительные исследования ЯМрелаксации молекул растворителя в водных растворах агарозы в зависимости от молекулярной массы полимера и температурного режима процесса нагреваниеохлаждение в области застудневания. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использовалась агароза производства Олайнского завода химреактивов (марка “Б”, партия № 33-1977) и полученные из нее фракции. Фракционирование агарозы проводили методом дробного осаждения из растворов в диметилсульфоксиде диоксаном в качестве осадителя. Было получено 5 фракций со средневесовыми молекулярными массами 56200 (фракция 1), 49300 (фр.2), 40000 (фр.3), 32100 (фр.4) и 19000 (фр.5). В качестве растворителя была взята бидистиллированная вода. Все образцы полисахаридов в виде порошков высушивались и до приготовления растворов хранились в эксикаторе с осушителем. Времена поперечной магнитной релаксации молекул растворителя измерялись методом Карра-Парселла-Мейбума-Гилла на импульсном спектрометре ЯМР с частотой протонного резонанса 22 МГц, временной интервал между 900 и 1800-радиочастотными импульсами составлял 100 мкс. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. На рис. 1 приведены температурные зависимости времен Т2 протонов воды в 6,5%-ом растворе нефракционированной агарозы при различных режимах нагреванияохлаждения образца. В области гелеобразного состояния, которое реализуется ниже 35 0С молекулы воды обладают достаточно короткими временами Т2 ≈13 мс, что на несколько порядков меньше, чем Т20=2,5 с для чистой воды, в то же 400 1 2 3 4 T 2 , мс 300 200 100 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 o T, C Рис. 1. Температурные зависимости времени поперечной релаксации воды в 6,5%-ном растворе нефракционированной агарозы при разных режимах нагревания – охлаждения: 1-нагревание до 96оС и 2- охлаждение с выдержкой при температуре измерения 30 мин., 3-быстрое нагревание до 96оС, выдержка при этой температуре 120 мин.и измерение Т2 при охлаждении, 4- нагревание до 80оС и измерение Т2 при охлаждении. время коэффициент самодиффузии D молекул воды остается близким к коэффициенту D чистого растворителя. Следовательно, скорость поперечной магнитной релаксации воды является более чувствительным индикатором процессов структурирования в растворах. Поэтому измеряемое время Т2 растворителя зависит от длительности выдержки растворов при данной температуре и скорости охлаждения и нагревания. Так при нагреве растворов до 96 0С и последующем достаточно медленном охлаждении (выдержка в течение 30 мин. при каждой температуре) продолжается увеличение времени Т2, см. рис. 1, кривая 2, что свидетельствует о том, что при температурах ниже 960С продолжается разрушение надмолекулярных образований, которые сохранились после быстрого нагрева до 96 0С. Однако, если растворы агарозы были выдержаны при Т=96 0С в течение двух часов, то за это время происходит полное разрушение надмолекулярной структуры раствора и при последующем охлаждении наблюдается обычное сначала слабое, а затем при Т=35 0С резкое падение времени Т2 молекул воды, кривая 3 на рис. 1. Если процесс разрушения геля при нагревании прервать при более низкой температуре, например при Т=80 0С, то при последующем охлаждении время Т2 уже не увеличивается, как после прогрева до 96 0С, а уменьшается, кривая 4 на рис. 1. Следовательно при температуре 80 0С сохранились достаточно устойчивые ассоциаты макромолекул, которые при охлаждении являются центрами структурирования растворов агарозы. Влияние молекулярной массы агарозы на ЯМ-релаксацию растворителя. На рис. 2 построены концентрационные зависимости времени Т2 молекул воды в гелях (при 25 0С) и растворах (при Т = 90 0С) агарозы различных фракций. Видно, что времена Т2 воды не зависят от Мw агарозы, кривая 5-6 на рис. 2, если система находится в студнеобразном состоянии. Таким образом подвижность макромолекулярной сетки геля, которая оказывает влияние на время Т2 молекул растворителя, не зависит от молекулярной массы агарозы. Рис. 3 T 2 , мс 10 1 2 3 4 5 6 2 10 1 10 0 5 10 w 15 ,% 1 20 2. Концентрационные зависимости времени Т2 воды в растворах фракционированной целюлозы: 1- 5 фракция, 2- 4 фракция, 3- 3 фракция, 4- 1 фракция при Т = 90 оС; 5- 1фракция, 6- 5 фракция при Т = 25 оС ( гель ). 25 Влияние молекулярной массы проявляется (см. кривые 1-4 на рис. 2) только в области выше температуры разрушения геля. С уменьшением Мw агарозы наблюдается рост времени Т2 молекул воды, что еще раз свидетельствует о том, что поперечная ЯМ-релаксация растворителя весьма чувствительна к подвижности макромолекул в зависимости от Мw. Изменение Т2 молекул воды оказывается даже несколько больше, чем изменение трансляционной подвижности самих макромолекул. Так измеренные при 90 0С и w2 = 20 % методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля коэффициенты самодиффузии D молекул фракций агарозы с Мw = 19000 и Мw = 56200 оказались равными 7,4⋅10-11 м2/с и 4,15⋅10-12 соответственно и различаются в 17,9 раз. В то время как времена Т2 воды в растворах этих фракций различаются в 69 раз. Такая сильная зависимость коэффициентов D и времен Т2 в растворы от молекулярной массы агарозы характерна для жесткоцепных полимеров, склонных к образованию упорядоченных структур и гелей [6]. Работа выполнена при поддержке грантов CRDF REC –007, INTAS 00-445 и РФФИ 00-03-33071а. ЛИТЕРАТУРА 1. Child T.F., Pryce N.G.// Biopolymers, 1972.– V.11. – P.409. 2. Indovina P.L., Tettamanti E., Miccianncio-Glammarinaro M.S., Palma M.U.// J.Chem.Phys., 1979.– V. 70.– № 6.– Р.15. 3. Пименов Г.Г., Самигуллина С.Ф., Гафуров И.Р., Тюрина Н.В.// Высокомолек.соед. Б, 1989. – Т.31, № 2.– С.120-123. 4. Пименов Г.Г., Чернова Р.Н., Калегина Н.А. //Высокомолек. соед. Б,1990.– Т.32, № 6.– С.475-478. 5. Пименов Г.Г., Тюрина Н.В., Голякова Э.Ш. //Высокомолек. соед. А, 1992. – Т.34. № 12.– С.18-24. 6. Де Жен М. Идеи скейлинга в физике полимеров.- М.: Мир, 1982.