4.3.2 Анализ населенностей

Несмотря на то, что анализ диффузионных затуханий позволяет получить информацию не только о величинах коэффициентов самодиффузии молекул, но и о населенностях компонент, характеризующихся данными коэффициентами, мы до сих пор намеренно избегали анализа населенностей золь и гель фракции в исследуемых образцах, поскольку данный вопрос заслуживает отдельного обсуждения. На рисунке 7 представлены диффузионные затухания образцов раствор желатины и смесь раствора желатины с раствором AgBr, полученные при одинаковых условиях эксперимента и при одинаковом содержании желатины в системе.

Рисунок 7 - диффузионные затухание протонов раствора желатины и смеси раствора желатины с раствором AgBr ниже температуры гелеобразования. Концентрация желатины и концентрация AgBr 5%вес. Температура измерений 190С.

Очевидным является существенное различие в населенностях гель фракции полимера в исследуемых образцах (рис7). Так на долю молекул, образующих сетку геля в чистой желатине приходится порядка 80% всех молекул, в то время как в образцах, содержащих смесь раствора желатины с раствором AgBr только 50%. Этот результат вполне согласуется с вышеописанным увеличением среднеквадратичных смещений макромолекул сетки геля при наличии кристаллов бромида серебра в образце и позволяет рассматривать изменения как следствие образования менее плотной сетки геля в этом случае.

Заметим, что соотношение населенностей золь и гель фракции обоих образцов остается постоянным для всех рассмотренных времен диффузии, что говорит об одинаковости для них величин времен спин-решеточной релаксации.

Таким образом, в ходе изучения диффузионных затуханий раствора желатины и смеси раствор желатины с раствором AgBr при температуре ниже температуры гелеобразования обнаружено, что в условиях присутствия кристаллов AgBr меньшая доля молекул желатины участвует в образовании сетки геля, в результате чего сетка становиться более редкой и обладает повышенной подвижностью по причине того.

4.4 Исследование времен спин-спиновой релаксации молекул золь и гель фракции желатина в присутствии и отсутствии кристаллов AgBr

В предшествующем разделе была проанализирована населенность гель фракции, образующейся в растворе желатины в присутствии и отсутствии кристаллов AgBr. Заметим, что обсуждаемые там населенности не являются истинными, поскольку при их вычислении не учтено влияния релаксационных процессов. Для получения информации об этих процессах оценим времена спин-спиновой релаксации молекул геля и золя в обоих образцах.

Из уравнения (3) следует, что значение времени спин-спиновой релаксации может быть получено как величина обратная коэффициенту угла наклона из зависимости кажущейся населенности от :

где τ – это интервалах между первыми 90⁰ импульсами.

Таким образом, для оценки времени спин-спиновой релаксации были получены диффузионные затухания систем желатина и раствор желатины + раствор AgBr при разных интервалах между первыми 90⁰ импульсами и одинаковом времени диффузии. При этом для образца чистой желатины использовалась последовательность стимулированного эха, а для образца содержащего желатину и AgBr применялась тринадцати интервальная последовательность. Необходимость применения именно такой последовательности была подтверждена в ходе предварительных экспериментов. Нами было найдено, что если для обычных растворов и гелей желатины диффузионные затухания, полученные ооими последовательностями, совпадают, то для гелей желатины с AgBr наблюдаются различия, свойственные [????] для систем с внутренними градиентами магнитного поля.

^{На рисунке 8а представлен вид диффузионных затуханий образца чистого раствора желатины при временах τ, где τ представляет собой интервал времени между первыми 900-импульсами, на котором происходит процесс спин-решеточной релаксации, меняющихся в интервале от 4 до 24 мс, а на рисунке 2б диффузионные затухания для образца смеси раствора желатины с раствором бромида серебра, интервал изменения τ 8-24 мс.}

Рисунок 8а - диффузионные затухание протонов раствора желатины ниже температуры гелеобразования при интервалах между 900 импульсами 4 мс, 8 мс, 12 мс, 16 мс, 20 мс и 24 мс. Концентрация желатины в исходном растворе 5%вес. Температура измерений 190С.	Рисунок 8б - диффузионные затухания протонов смеси раствора желатины с раствором AgBr ниже температуры гелеобразования при интервалах между 900 импульсами 8 мс, 12 мс, 20 мс и 24 мс. Концентрация желатины и концентрация AgBr 5%вес. Температура измерений 190С.

Для каждой из рассматриваемых систем было отдельно проанализировано поведение населенностей гель и золь фракций макромолекул желатина. Для этого из каждого затухания сначала выделялась компонента, относящаяся к молекулам, образовавшим сетку геля, с уже известным коэффициентом самодиффузии, определенным в разделе 3.3.1. После чего определялась населенность этой компоненты, затем находилась населенность остальных компонент затухания (за исключением компоненты, относящейся к воде) и соответствующая ему населенность.

На рисунках 9а и 9б представлены зависимости вычисленных населенностей золь и гель фракции систем раствор желатины и смесь раствора желатины с раствором AgBr от удвоенного времени τ.

Рисунок 9а – зависимость вычисленных населенностей золь и гель фракции молекул желатины в чистом растворе желатины ниже температуры гелеобразования от удвоенного времени τ. Концентрация желатины в исходном растворе 5%вес. Температура измерений 190С.	Рисунок 9б – зависимость вычисленных населенностей золь и гель фракции молекул желатины в смеси раствора желатины с раствором AgBr ниже температуры гелеобразования от удвоенного времени τ. Концентрация желатины и AgBr в растворе 5%вес. Температура измерений 190С.

Вычисленные из этих зависимостей по формуле (5) времена спин-решеточной релаксации оказались следующими. Для исходной желатины времена T₂ протонов молекул гель и золь фракции с точностью до погрешности эксперимента совпали, и их величина составила порядка 30 мс. В то же время в образце, содержащем смесь желатины и раствора AgBr , времена Т₂ релаксации оказались различными и составили 250 мс и 20 мс для гель и золь фракции, соответственно. Увеличение времени спин-спиновой релаксации макромолекул гель фракции в образце, содержащем AgBr, может быть объяснено повышенной подвижностью сетки геля образующейся в присутствии соли. Однако причины столь существенного уменьшения значений времен T₂ золь фракции не столь очевидны.

Рассмотрим несколько версий…. Поскольку молекулы воды и кристаллы AgBr обладают разными магнитными восприимчивостями, то на поверхности их раздела возникают локальные градиенты магнитного поля, которые являются функцией как пространства (из-за хаотического распределения кристаллов AgBr по образцу), так и времени (из-за движения молекул желатины). Рассмотрим два крайних случая режима движения молекул желатины. []

Первый случай – молекулы золь фракции желатины за время 2τ проходят расстояния, много большие размеров неоднородности магнитного поля. В этом случае за время 2τ будет происходить усреднение внутренних градиентов за счет самодиффузии, и они не будут оказывать влияния на скорость спин-спиновой релаксации рассматриваемых молекул.

Второй случай - молекулы золь фракции желатины за время 2τ проходят расстояния сравнимые с размерами неоднородности магнитного поля. В этом случае градиенты магнитного поля, существующие вблизи поверхности кристаллов AgBr, могут считаться постоянными в течения времени 2τ. Тогда в релаксационном сомножителе для молекул золь фракции в уравнении (3) появится дополнительное слагаемое с градиентом магнитного поля……:

где – величина градиента магнитного поля рядом с i-ым кристаллом AgBr.

В этом случае влияние внутренних градиентов магнитного поля действительно будет приводить к понижению времени спин-спиновой релаксации молекул золь фракции желатина.

Итак, для того, чтобы определить, которая из двух описанных ситуаций реализуется в исследуемом образце, было оценено по формуле (4) среднеквадратичное смещение молекул золь фракции за время 2τ, и оно оказалось порядка 1 мкм. Разумно предположить, что размеры неоднородностей магнитного поля порядка размеров самих кристаллов и составляют несколько мкм. Следователь может быть сделан вывод о том, что причиной повышения скорости спин-спиновой релаксации золь фракции могут являться внутренние градиенты магнитного поля.

Другое возможное объяснение заключается в наличие контакта между молекулами золь фракции желатины и кристаллами AgBr, которые, как было показано в разделеле3.2, являются релаксационными центрами. Подобное поведение молекул желатины позволяет объяснить описанное в разделе 2.1 уменьшение скоростей релаксации молекул воды при температуре ниже температуры гелеобразования. Вследствие предполагаемого контакта молекулы желатины экранируют влияние AgBr на молекулы воды, что и приводит к уменьшению скорости спин-спиновой релаксации последних.

Таким образом, в результате исследования диффузионных затуханий в образцах чистого раствора желатины и смеси раствора желатины с раствором AgBr при температуре ниже температуры гелеобазования от времени τ , было обнаружено заниженное значение времени спин-спиновой релаксации золь фракции в образце, содержащем AgBr. В связи с этим была выдвинута гипотеза о том, что макромолекулы желатины диффундируя в локальных полях в окрестности кристаллов AgBr, или их агрегатов, проходят за время τ расстояния меньшие или порядка размеров неоднородностей магнитного поля, в результате чего приобретают стохастическую расфазировку магнитных моментов, что приводит к понижению времени T₂.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Полученные экспериментальные данные по изучению времен спин-спиновой и спин-решеточной релаксации протонов водного раствора AgBr дают основание предположить, что

   1. кристаллы AgBr характеризуются наличием поверхностных центров релаксации;

   2. в результате агрегации эти центры могут экранироваться, что приводит к соответствующим времени изменениям спин-решеточной релаксации молекул воды.

2. На основания сравнительного анализа релаксационных данных для систем раствор желатины и смесь раствора желатины с раствором AgBr сделано заключение о том, что присутствие молекул желатины в системе приводит к дезагрегации кристаллов AgBr;

3. Показано, что при температуре ниже температуры гелеобразования, для желатинового геля, содержащего кристаллы AgBr, так же как и для чистой желатины, обнаруживаются компоненты, коэффициенты диффузии которых характеризуются зависимостью D_s~ t ^-1. По данному признаку эти компоненты отнесены к молекулам, входящим в состав гель фракции.

4. Обнаружено, что для систем, содержащих желатину и раствор AgBr сетка образующегося геля оказывается менее плотной и характеризуется величиной среднеквадратичных смещений макромолекул, находящихся между узлами сетки, порядка 400 А. Это в два раза больше аналогичной величины для раствора желатины. Установлено, что доля макромолекул желатины, входящих в состав сетки геля в системах содержащих AgBr оказывается меньшей: 50% против 80% в исходном растворе желатины.

5. В результате совместных релаксационно-диффузионных экспериментов установлено, что времена спин-спиновой релаксации золь и гель фракций водного раствора желатины одинаковы. Время Т₂ гель фракции смеси раствора желатины и раствора AgBr имеет большее значение, что может быть объяснено повышенной подвижностью сетки геля. Время же Т₂ золь фракции последней системы имеет аномально низкое значение.

6. Была выдвинута гипотеза о том, что в образцах, содержащих смесь раствора желатины с кристаллами AgBr, появляются неусредняющиеся в процессе диффузии макромолекул внутренние градиенты, которые и оказывают влияние на времена спин-спиновой релаксации молекул золь фракции желатины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гафуроф, И.Р. Самодиффузия и гелеобразование в растворах желатина и триацетата целюлозы [Текст] / И.Р. Гафуров. – Казань. – 1989. – 185 с

2. Capitani, D. Water in Hydrogels. An NMR Study of Water/Polymer Interactions in Weakly Cross-Linked Chitosan Networks [Text] / D. Capitani, V. Crescenzi, A. A. De Angelis, A. L. Segre // Macromolecules. – 2001. – 34 – P. 4136-4144

3. Capitani, D. NMR study of a novel chitosan-based hydrogel [Text] / D. Capitani, A. A. De Angelis, V. Crescenzi, G. Masci, A. L. Segre // Carbohydrate Polymers. – 2001. – 45 – P. 245-252

4. Heerde, G.V. Silver halide emulsions with recombinant collagen suitable for photographic application and also the preparation thereof [Text] / G.V. van Heerde, A.C. van Rijn, J.B. Bouwstra, F.A. de Wolf // EP0926543B1

5. Ghoshal, S. Inhomogeneity in drying process of gelatin film formation: NMR microscopy and relaxation study [Text] / S. Ghoshal, C. Mattea, S. Stapf // Chemical Physics Letters. – 2009. – 485 – P. 343-347

6. Hu, X. Chemically cross-linked chitosan hydrogel loaded with gelatin

for chondrocyte encapsulation [Text] / X. Hu, D. Li, C. Gao // Biotechnology Journal. – 2011. – 6 – P. 1388-1396

7. Новиков, Д.В. Корреляции плотность – плотность на поверхности пленок желатина [Текст] / Д.В. Новиков, А.Н. Красовский // Физика твердого тела. – 2012. – 54 (8) – С.1582-1585

8. Shapiro, Y.E. Structure and dynamics of hydrogels and organogels: An NMR spectroscopy approach [Text] / Y.E. Shapiro // Progress in Polimer Science. – 2011. – 36 – P.1184-1253

9. Чижик, В. И. Ядерная магнитная релаксация [Текст] / В.И. Чижик // М.: Санкт-Петербургский государственный университет, 2000 – 386с.: ил.

10. Вашман, А. А. Ядерная магнитная релаксационная спектроскопия [Текст] / А.А Вашман, И.С. Пронин. // М.: Энергоатомиздат, - 1986.- с.5.: ил.

11. Фаррар, Т. Импульсная и Фурье-спектроскопия ЯМР [Текст]. / Т. Фаррар, Э. Беккер.// перевод с англ. Э. И.Федина – М.: Мир, 1973 – 164с.: ил. – Перевод изд.: Pulse and fourier transform nmr introduction to theory and methods / Thomas C. Farrar, Edwin D. Becker. New York and London, 1971.

12. Маклаков, А.И. Самодиффузия в растворах и расплавах полимеров / А.И. Маклаков, В.Д. Скирда, Н.Ф. Фаткуллин.- Казань: Издательство Казанского университета, 1987.- 220с.

13. Николаева, Т.Н. Исследование комплексообразования альбумина и 16-доксил стеариновой кислоты в водных растворах методом 1H релаксации / Т.Н. Николаева, М.А. Рудакова, Ю.А. Фатрахманова, А.Ш. Гиззатуллина, В.Д. Скирда

62