Спектральные исследования особенностей процессов сорбции в разбавленных растворах

Актуальность исследования.

Данная диссертационная работа посвящена оптическим и радиоспектроскопическим исследованиям процессов сорбции в растворах с малыми концентрациями растворенных веществ.

Сорбция лежит в основе многих физико-химических явлений. Это ключевое явление представляет собой динамический процесс, происходящий на границе раздела фаз. При этом конкретные параметры системы принято фиксировать при статистически равновесных состояниях, т. е. в конечных точках динамического процесса. Явление сорбции подробно исследовалось с конца XIX века и к настоящему времени существует ряд сложившихся теоретических подходов к его описанию. Наряду с этим в реальных системах процесс сорбции часто имеет особенности, вносимые сопутствующими динамическими явлениями. Непосредственное изучение процессов, происходящих в растворах, обычно является нетривиальной задачей из-за их сложной динамики. Однако случай разбавленных растворов, где содержание растворенных веществ мало, часто теоретически соотносится со случаем идеального газа. Такой подход открывает возможность интерпретации получаемых данных в рамках достаточно простых приближений. Прямое экспериментальное исследование процесса сорбции в растворах является сложной многопараметрической задачей. В связи с этим на практике применяют непрямые методы изучения этого явления. Среди таких косвенных методов следует выделить спектроскопический подход, который позволяет выявить значительное количество параметров процесса сорбции, соотнося их с регистрируемыми данными.

В настоящее время физические исследования функционирования биологических систем являются особенно актуальными. В частности, для медицинских целей важно изучение процессов, происходящих в физиологических жидкостях человека на молекулярном уровне, например, в крови или лимфе. Исследование особенностей динамики молекул в различных биологических структурах организма позволяет выявлять специфические характеристики различных заболеваний. В рамках изучения возможностей различных спектральных методов для диагностики онкологических заболеваний была подобрана методика, которая позволяет выявлять заболевание с высокой степенью достоверности [Петрусе-вич, 2002].

Основой данного метода является специальная обработка разбавленного раствора сыворотки крови пациента солью тяжелого металла. Диагностическими параметрами могут служить либо коэффициенты межмолекулярного взаимодействия, либо коэффициенты трансляционной диффузии, определяемые оптическими спектральными методами, либо время спин-решеточной релаксации, измеряемой по данным радиоспектроскопии. Для обеспечения высокой селективности данных используются вариации этих параметров до и после обработки солью. Для диагностики заболеваний учитывается различие эффектов воздействия солей тяжелых металлов на разбавленные растворы сыворотки крови онкологических больных и здоровых пациентов.

Биологические растворы являются многофазными системами, основным растворителем в которых является вода. Исследования по сорбции молекул воды выявляют селективное взаимодействие спиновых изомеров водяного пара с поверхностью твердотельных адсорбентов [Уо1коу, 2002; вгесЬко, 2010; КгаусЬик, 2011]. В рамках такого подхода в работе исследовано взаимодействие молекул воды с органическим растворителем, позволяющим сформировать тонкую пленку, т. е. тем самым смоделировать поверхность адсорбента в жидком разбавленном растворе.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является выявление особенностей динамических процессов сорбции в многофазных разбавленных растворах на основе данных фотонно-корреляционной спектроскопии, субмиллиметровой спектроскопии сверхвысокого разрешения и радиоспектроскопии.

Исходя из общей цели диссертации, ставился ряд практических задач:

1. изучение методом фотонно-корреляционной спектроскопии процессов сорбции ионов тяжелых металлов на поверхности белков сыворотки крови в разбавленных растворах, приводящей к кластеризации молекул;

2. определение параметров сорбции ионов металла на поверхности молекулы белка в модельных разбавленных растворах с помощью независимых методов спектроскопии ЯМР и ЭПР;

3. создание специализированного спектрального прибора, позволяющего регистрировать спин-изомерный состав воды в газовой фазе над поверхностью адсорбента с высокой разрешающей способностью;

4. исследование параметров сорбции спин-изомеров воды в жидком органическом растворителе (глицерине) при малых концентрациях воды.

Научная новизна.

Методом фотонно-корреляционной спектроскопии впервые обнаружено явление агрегации молекул белка альбумина при малых концентрациях иона кобальта. Этот феномен связан с эффектом насыщения процесса сорбции ионов данного металла на поверхности белка, впервые установленным по данным радиоспектроскопических исследований.

В работе впервые исследовано сорбционное взаимодействие малых концентраций молекул воды с протонным растворителем в аспекте различия свойств ее ядерных спиновых изомеров. Метод абсорбционной субмиллиметровой ЛОВ-спектроскопии позволил с высокой степенью достоверности интерпретировать изменения спектральных параметров паров воды, что позволило впервые обнаружить селективное изменение параметров спектральных линий поглощения, принадлежащих разным спин-изомерам в парах воды при их сорбции в глицерине. Впервые установлена скорость процесса спин-конверсии молекул воды в протонной жидкости.

Научная ценность.

Результаты исследования вносят вклад в понимание механизмов сорбции ионов тяжелых металлов на поверхности молекул белков в многокомпонентных разбавленных растворах, которые характерны для биологических объектов. На основании полученных данных выявлены качественно новые закономерности в процессах сорбции в разбавленных растворах, включая надмолекулярный структурный переход молекул альбумина в присутствии ионов кобальта, характеризующийся процессом агрегации молекул белка в кластерные образования. Также разработана новая экспериментальная методика, позволившая обнаружить селективное взаимодействие спиновых изомеров молекулы воды в протонном органическом растворителе, имеющее макроскопические масштабы проявления. В работе использован нетрадиционный подход к рассмотрению роли растворителя в разбавленных растворах и приведены оригинальные суждения по проблеме спин-конверсии, сопровождающей процесс селективного взаимодействия спин-изомеров молекул воды.

Практическая значимость.

Обнаружена взаимосвязь процесса сорбции ионов кобальта на поверхности альбумина в разбавленных растворах с явлением агрегации молекул белка, влияющим на параметры спектров оптического рассеяния света в биологических жидкостях. Исследованное в работе электростатическое взаимодействие биополимерных молекул в водных растворах с ионами металлов позволяет установить молекулярный механизм патологических изменений в биологических объектах. Это указывает на возможность использования данного явления в медицинских целях, например при диагностике онкологических заболеваний.

Для изучения спектра нижних вращательных переходов в основном колебательном состоянии молекулы воды был впервые разработан спектрометр на базе усовершенствованной техники ламп обратной волны, позволяющий регистрировать спектры поглощения в дальней инфракрасной области электромагнитных волн, в т.н. терагерцовом диапазоне.

Полученные данные о селективной адсорбции спин-изомеров воды в протонной жидкости могут быть использованы для контроля продуктов реакций спиновой химии и позволяют глубже понять процессы адсорбции, что приобретает неоспоримую значимость для развития современной фундаментальной науки. Собранный фактический материал и результаты исследования могут быть также использованы при чтении курсов по оптике, радиоспектроскопии, химической физике, биофизике, молекулярной физике и другим смежным областям науки.

Апробация работы.

Результаты работы были апробированы в ходе дискуссий в рамках научных семинаров физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, ИОНХ РАН, биологического факультета МГУ имени М. В Ломоносова, выступлений на семинарах молодых ученых ИОФ РАН, а также на международных совещаниях в рамках Европейского сотрудничества по программе «Adventure with water spin-isomers». Различные аспекты диссертационной работы были представлены в докладах, сделанных на всероссийских и международных конференциях: «Волновые явления в неоднородных средах» (Москва, 2004), «ЯМР в гетерогенных структурах» (Санкт-Петербург, 2004), II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии (Москва, 2005), «Ars Separatoria Acta — 2005» (Польша, 2005), XXIII Съезде по спектроскопии (Москва, 2005), 31-ом Международном Конгрессе по ИК и миллиметровым волнам и ТГц электронике «IRMMV-THz — 2006» (Шанхай, 2006) и «ЯМР в науках о живом» (Санкт-Петербург, 2007). 50-ой Научной конференции МФТИ (Москва, 2007), 9-ом Общероссийском семинаре «ДЛС-9» им. А. М. Прохорова (Москва, 2008), VII Международной научной конференции «Лазерная физика и оптические технологии» (Минск, 2008), Всероссийском симпозиуме с участием иностранных ученых «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (Москва, 2009), 13-ом Европейском симпозиуме по газофазной дифракции (Германия, 2009), III Евразийском конгрессе по медицинской физике (Москва, 2010), 7-ой Международной конференции «ЯМР в гетерогенных структурах» (Санкт-Петербург, 2010), Ломоносовских чтениях к 300-летию М. В. Ломоносова (Москва, 2011).

Защищаемые положения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые обнаружено существование надмолекулярного структурного перехода молекул альбумина, сопровождающего процесс сорбции ионов кобальта в разбавленных растворах при малых концентрациях на основе данных фотонно-корреляционной спектроскопии.

2. Впервые обнаружен эффект насыщения сорбции ионов кобальта и свинца на поверхности альбумина в разбавленных растворах при малых концентрациях по данным радиоспектроскопии.

3. Впервые с помощью метода газовой субмиллиметровой спектроскопии выявлено существование селективного взаимодействия спин-изомеров молекул воды с жидким протонным растворителем.

4. Впервые по данным субмиллиметровой спектроскопии определена скорость процесса спин-конверсии в разбавленном растворе воды в глицерине.

Личное участие.

Автор работы непосредственно участвовал в получении исходных экспериментальных данных, включая подготовку образцов и проведение измерений. При его включенном участии была создана установка для газовой субмиллиметровой спектроскопии спин-изомеров воды. Он также участвовал на этапах обработки и интерпретации экспериментальных данных и лично проводил апробацию результатов исследования, включая подготовку основных публикаций.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов исследования обеспечивается применением современных экспериментальных методик исследования, таких как фотонно-корреляционная спектроскопия и газовая субмиллиметровая спектроскопия сверхвысокого разрешения, а также использованием современных методов сбора и обработки исходных данных. Тщательность проведенных измерений подтверждают обоснованные калибровки и воспроизводимость результатов исследования. Сравнение полученных данных с результатами в независимых источниках по данной тематике выявляют их качественное и количественное совпадение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Объединяя результаты анализов экспериментальных зависимостей как для случая растворов альбумина, так и для глицерин-водной смеси в соответствии с предварительными выводами, сделанными, соответственно, в четвертой и седьмой главах следует вывод о наличии особенностей в процессе сорбции в обоих случаях, не отраженных в рамках теорий, описанных в первой главе.

Зарегистрированное методом фотонно-корреляционной спектроскопии явление агрегации молекул белка, которое сопровождает процесс сорбционного насыщения поверхности белка ионами тяжелых металлов при малых концентрациях, выявленный радиоспектроскопическими методами позволяет говорить об одной из особенностей процессов, происходящих в растворах сыворотки крови, использованных для диагностики онкологических заболеваний. Приведенные в работе зависимости спектральных характеристик молекул белков для онкологических больных и здоровых пациентов свидетельствуют о взаимосвязи электростатического взаимодействия молекул белков в этих растворах с параметрами сорбции ионов металлов, в частности обнаруживают образование диполь-дипольных белковых кластеров. Обратимость процесса агрегации белков позволяет говорить не только о диагностических возможностях явления, но также ставит вопрос о возможности его терапевтического применения при заболеваниях.

Зарегистрированное отклонение нормального орто/пара отношения 3:1 с преимуществом к орто молекулам в насыщенном паре над глицериновой пленкой связывается с повышенной летучестью орто-молекул, из чего был сделан вывод о пара-обогащении образца. Таким образом, зафиксированные эффекты указывают на то, что процессы сорбции при данных условиях ведут к нарушению термодинамически равновесного соотношения спиновых изомеров воды в десорбируемом паре. Характерно, что для объемного образца орто/пара отношение вернулось к равновесному значению в течение нескольких недель. Здесь следует отметить процесс «неявной» спин-конверсии в образце, приводящий к восстановлению условий формирования термодинамически равновесного соотношения десорбции спиновых изомеров. Конкретная модель механизма спин-конверсии до сих пор не очевидна, но связана с явлениями спиновой химии.

Поскольку эффект разделения не ограничивается случаем смеси воды и глицерина и включает в себя многие другие водосодержащие смеси целесообразно учитывать полученные результаты в рамках таких наук как материаловедение, где проводятся исследования в масштабах нескольких размеров молекул воды и поэтому следует более тщательно рассматривать вопрос их селективного взаимодействия с поверхностью.

К основным выводам диссертации следует отнести следующие:

1. По данным фотонно-корреляционной спектроскопии выявлен процесс агрегации молекул альбумина, сопровождающий процесс сорбции ионов кобальта на белке.

2. По данным радиоспектроскопии обнаружен эффект насыщения процесса сорбции ионов кобальта и свинца на поверхности альбумина в разбавленных растворах при их малых концентрациях.

3. На основе данных ЭПР спектроскопии разработана методика определения молекулярных параметров процесса сорбции парамагнитных ионов свинца на поверхности макромолекулы белка с возможностью применения для медицинской диагностики онкологических заболеваний.

4. Разработан специализированный прибор «АкваСпектр» для анализа ор-то-пара состава водяного пара на частотах вращательного спектра 3637 см" 1 (1 ТГц), основанный на методе субмиллиметровой ЛОВ-спектроскопии сверхвысокого разрешения, с параметрами регистрации спектра поглощения 300 точек на орто-пара дублет за время 20 с при разрешении 10″ 4 см" 1 и амплитудной точностью несколько процентов.

5. По данным субмиллиметровой спектроскопии выявлено существование селективного взаимодействия спин-изомеров молекул воды с жидким протонным растворителем (глицерином) в микропленочных и объемных образцах при малых концентрациях воды.

6. Впервые получены изотермы адсорбции воды в глицерине раздельно для орто и пара изомеров. При низких парциальных давлениях (< 100 мТорр) в условиях равновесия зарегистрировано полуторакратная разница давлений насыщенного пара для орто и пара молекул (в пользу первых), что интерпретировано как эффект предпочтительной адсорбции молекул пара изомера.

7. По данным субмиллиметровой спектроскопии определена скорость процесса спин-конверсии в разбавленном растворе воды в глицерине. Характеристическое время данного процесса более 10 дней, указывает на неявную связь спиновой орто-пара конверсии с процессом протонного обмена, через который она реализуется.