Глава 3. Исследование ямр релаксации в системах, содержащих раствор желатины и раствор AgBr

АННОТАЦИЯ

В рамках изучения влияния кристаллов AgBr на структурно-динамические характеристики гелевой сетки желатины, образованной в присутствии этой соли, были проведены исследования ЯМР релаксации протонов растворителя. Для получения информации о взаимодействиях, происходящих в этой системе, использовался метод анализа неаддитивной составляющей скоростей спин-спиновой и спин-решеточной релаксации, предложенный и с успехом использованный нами при исследовании взаимодействий в сложных биологических системах. [] В результате была обнаружена агрегация-и кристаллов AgBr в чистых водных растворах и их дезагрегаци в водных растворах, содержащих молекулы желатины.

3.1 Введение

В ходе проведенного исследования были подробно изучены релаксационные характеристики систем водный раствор AgBr, водный раствор желатины и смеси раствор желатины/раствор AgBr как выше, так и ниже температуры гелеобразования.

3.2 Изучение зависимости времен релаксации протонов воды в растворе AgBr от концентрации соли

Рассмотрим наиболее простую, на первый взгляд, из изучаемых систем – водный раствор AgBr. Причины, по которым мы можем полагать её таковой, заключаются в том, что кристаллы AgBr слаборастворимы в воде (10^-5г/100мл при 20⁰С) и не вступают с ней во взаимодействия, а, следовательно, разумно ожидать, что наблюдаемые скорости спин-решеточной и спин-спиновой релаксации всей системы будут подчиняться аддитивному закону сложения скоростей, описывающему релаксацию в диамагнитном растворе:

1/T _1,2 = a*1/T _1,2a + b*1/T _1,2b, a+b=1, (1)

где a и b – доли компонент системы, T_1,2a, 1/T _1,2a исходные времена релаксации, соответствующих подсистем. В данном случае в качестве подсистем рассматриваются 10% раствор AgBr и дистиллированная вода, которую мы добавляем в систему.

Обратимся теперь к экспериментально полученным данным. На рисунках 1а и 1б представлены графики зависимостей скоростей спин-решеточной и спин-спиновой релаксации протонов раствора AgBr от концентрации соли в системе в диапазоне 0-10% вес, соответственно. Сплошной линией обозначена ожидаемая зависимость, которая описывается выражением (1). Измерения проводились при температуре 40⁰С.

	Рисунок 1а – Зависимость скорости спин-решеточной релаксации протонов раствора AgBr от концентрации соли. Максимальная концентрация AgBr составила 10%вес. Температура измерения 400С.
	Рисунок 1б – Зависимость скорости спин-спиновой релаксации протонов раствора AgBr от концентрации соли. Максимальная концентрация AgBr составила 10%вес. Температура измерения 400С.

Из рисунка 1а видно, что для скорости R1 во всем диапазоне рассматриваемых концентраций наблюдается отклонение от ожидаемого значения в сторону меньших скоростей релаксации. Для объяснения полученного результата рассмотрим нашу систему более детально. Изучаемый раствор соли AgBr является трехкомпонентной системой, состоящей из кристаллов AgBr, воды, содержащейся в исходном 10 % растворе AgBr и дистиллированной воды, которую мы добавляем в систему для достижения необходимых концентраций. Очевидно, что вода, находящаяся в исходном растворе, может содержать различные примеси, уменьшающие времена релаксации. Однако, так же очевидно, что, несмотря на это, в отсутствии кристаллов AgBr наблюдаемая скорость релаксации смеси двух вод различной чистоты всегда будет подчиняться закону (1). Следовательно, причина наблюдаемых отклонений кроется в самих кристаллах AgBr, а точнее в релаксационных центрах, находящихся на поверхности этих кристаллов. Поскольку в случае пропорциональности концентрации релаксационных центров содержанию кристаллов AgBr в исследуемом растворе, наблюдаемая скорость спин-решеточной релаксации снова бы описывалась уравнением (1), разумно предположить, что содержание этих центров меняется не линейно с увеличением количества AgBr. Причем принимая во внимание, что скорость R1 с ростом концентрации соли увеличивается не достаточно быстро, количество парамагнитных центров в системе должно уменьшаться. Наиболее вероятной гипотезой, позволяющей объяснить этот эффект является возможная агрегация AgBr, которая приводит к уменьшению общей поверхности кристаллов и как следствие к уменьшению количества центров релаксации, с которыми могут взаимодействовать молекулы воды.

Перейдем к анализу поведения скорости спин-спиновой релаксации протонов нашей системы. Следует отметить, что этот анализ осложнен тем, что скорость R2 в отличие от скорости R1 чувствительна к неоднородностям магнитного поля, возникающим в системе. [????] Итак, из графика, представленного на рисунке 1б видно, что в области малых и средних концентраций кристаллов AgBr наблюдаемая скорость спин-спиновой релаксации системы, так же как и скорость спин-решеточной релаксации имеет отклонение в сторону меньших значений. Здесь её поведение так же может быть объяснено агрегацией кристаллов AgBr. Однако в области больших концентраций отклонение от аддитивного закона (1) меняет знак, и мы видим увеличение скорости R2. Для того, чтобы объяснить подобное изменение, заметим, что магнитная восприимчивость воды составляет -7,2*10^-7, тогда как магнитная восприимчивость кристаллов AgBr -7,3*10^-5, эта разница может приводить к возникновению градиентов магнитного поля [????] вблизи поверхности кристаллов AgBr. Как уже было отмечено выше, скорость R2 является чувствительной к подобным неоднородностям, а значит, в области больших концентраций кристаллов AgBr их влияние может оказать решающим в определении наблюдаемой скорости спин-решеточной релаксации системы в целом, что и приводит к увеличению её значения, что в целом не противоречит предположению об агрегации кристаллов соли.

Таким образом, в результате изучения релаксационных характеристик водного раствора AgBr при температуре 40⁰С было обнаружено, что на поверхности кристаллов соли находятся релаксационные центры. Так же была выдвинута гипотеза о том, что количество этих центров убывает с ростом концентрации AgBr в результате агрегации кристаллов соли. И кроме того был обнаружен эффект так называемых внутренних градиентов, появляющихся на поверхности раздела кристаллов AgBr и воды.

3.3 ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВРЕМЕН РЕЛАКСАЦИИ ПРОТОНОВ ВОДЫ В СМЕСИ РАСТВОР ЖЕЛАТИНЫ + РАСТВОР AgBr ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛИ

После изучения системы водный раствор AgBr перейдем к анализу релаксационных характеристик более сложной системы – смесь водного раствора желатины и водного раствора AgBr. Здесь в качестве подсистем, фигурирующих в уравнении (1) будем рассматривать раствор желатины и раствор AgBr, а в качестве скоростей a/T_ia и b/T_ib скорости этих подсистем, при соответствующих концентрациях желатины и AgBr. Таким образом, мы учитываем нелинейность зависимости скоростей релаксации раствора AgBr от концентрации соли и уравнение (1) снова становится верным для исследуемой системы.

На рисунках 2а, 2б представлены графики зависимостей спин-решеточной и спин-спиновой скоростей релаксации, соответственно, от концентрации AgBr в системах 10%вес раствор желатины + 10%вес раствор AgBr и 2,3%вес раствор желатины + 10%вес раствор AgBr. Измерения происходили при температуре 40⁰С, когда раствор желатины ещё находится в жидкой фазе.

	Рисунок 2а – Зависимость скорости спин-решеточной релаксации протонов систем раствор желатины + раствор AgBr от состава смеси, для исходных концентраций желатины 2,3%вес и 10%вес. Максимальная концентрация AgBr составила 10%вес. Температура измерения 400С.
	Рисунок 2б – Зависимость скорости спин-спиновой релаксации протонов систем раствор желатины + раствор AgBr от состава смеси, для исходных концентраций желатины 2,3%вес и 10%вес. Максимальная концентрация AgBr составила 10%вес. Температура измерения 400С.

Из сравнения рисунков 1а,б и 2 а,б видно, что кроме естественных увеличений скоростей R1 и R2, связанных с появлением в системе молекул желатина, обладающих собственными релаксационными центрами, происходят ещё и качественные изменения в поведении скоростей релаксации.

Так на рисунке 2а показано, что теперь во всем диапазоне концентраций AgBr скорость спин-решеточной релаксации имеет отклонение от линейной зависимости в сторону больших значений, что является обратным эффектом по отношению к наблюдаемому в чистом растворе AgBr. Как видно, этот эффект наблюдается для обеих исходных концентраций желатины. При анализе причин этого явления имеет смысл найти объяснение полученному результату не выходя за рамки выше предложенной гипотезы, согласно которой результаты, рассмотренные в предыдущем пункте, объясняются в предположении, что на поверхности кристаллов AgBr существуют парамагнитные центры. Причем, эти центры могут частично экранироваться в результате агрегации кристаллов AgBr, что, в свою очередь, и приводит к изменению времен релаксации протонов молекул воды. Действительно, если в системе раствор желатины/раствор AgBr наблюдаются завышенные скорости спин-решеточной релаксации, то это говорит о нелинейном увеличении количества парамагнитных центров в системе с увеличением концентрации соли. Формально это соответствует ситуации обратной той, которая наблюдалась в водных растворах (Рис. 1а), то есть -дезагрегации. Если принять во внимание способность кристаллов бромида серебра агрегировать в водных растворах, то разумно допустить, что уже в исходном 10% вес. растворе AgBr кристаллы рассматриваемой соли находились в виде агрегатов. Тогда в случае, наблюдаемом на рис 2а, нелинейное увеличение скорости спин-решеточной релаксации может быть объяснено дезагрегацией в присутствии молекул желатины исходных комплексов AgBr, которая и приводит к увеличению суммарной поверхности кристаллов AgBr и как следствие к увеличению числа парамагнитных центров.

Вернемся к рассмотрению поведения скорости спин-спиновой релаксации в этих же системах. Из рисунка 2а видно, что при малой концентрации желатины в исходном растворе (2,3%) концентрационная зависимость скорости R2 от содержания AgBr в системе мало, чем отличается от подобной зависимости в растворе AgBr. Однако следует отметить, что здесь увеличение скорости R2, объясняемое нами присутствием внутренних градиентов в образце, наступает при меньших концентрациях AgBr. Это обстоятельство так же может быть объяснено дезагрегацией комплексов AgBr, присутствующих в исходном растворе. Действительно, поскольку внутренние градиенты пропорциональны суммарной поверхности кристаллов, следует ожидать, что при дезагрегации AgBr их величина становится значительной уже при меньших весовых концентрациях AgBr в смеси.

Таким образом, в результате сравнительного анализа поведения скоростей релаксации систем раствор AgBr и раствор желатины + раствор AgBr при различной концентрации AgBr при температуре выше температуры гелеобразования, была выдвинута гипотеза о существовании агрегатов кристаллов соли в исходном водном растворе AgBr. А так же получен нетривиальный результат, согласно которому указанные агрегаты могут разрушаться молекулами желатины в смеси раствор желатины + раствор Agbr.

3.4 ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВРЕМЕН РЕЛАКСАЦИИ ПРОТОНОВ ВОДЫ В ГЕЛЯХ ЖЕЛАТИНЫ, СОДЕРЖАЩИХ КРИСТАЛЛЫ AgBr

Все приведенные выше исследования проводились при температуре выше температуры гелеобразования желатины, когда все макромолекулы обладают высокой подвижностью, однако представляет интерес изучить влияние AgBr на рассматриваемую систему, в условиях, когда молекулы желатины образует сетку геля и весь образец в целом переходит в состояние студня. Для этого были получены релаксационные характеристики системы при температуре 23⁰С

На рисунках 3а, 3б представлены зависимости скоростей спин-спиновой и спин-решеточной релаксации протонов систем 2,3%вес. желатин + 10%вес. раствор AgBr и 10%вес. + 10% вес. раствор AgBr от концентрации соли.

	Рисунок 3а – Зависимость скорости спин-решеточной релаксации протонов систем гель желатины, содержащий AgBr от состава смеси, для исходных концентраций желатины 2,3%вес. и 10%вес. Максимальная концентрация AgBr составила 10%вес. Температура измерения 230С.
	Рисунок 3б – Зависимость скорости спин-спиновой релаксации протонов систем гель желатины, содержащий AgBr от состава смеси, для исходных концентраций желатины 2,3%вес. и 10%вес. Максимальная концентрация AgBr составила 10%вес. Температура измерения 230С.

Из рисунка 3а видно, что для смеси, содержащей менее концентрированный исходный раствор желатины (2,3%вес) эффект отклонения от линейного закона (1) скорости спин-решеточной релаксации в сторону больших значений R1 наблюдается уже не так уверенно, как в этой же системе, но при температурах выше температуры гелеобразования (рис 2а). Для более концентрированного исходного раствора желатины (10%вес) наблюдается и вовсе обратный эффект – уменьшение значений скорости R1 по сравнению с ожидаемыми. Таким образом, поведение наблюдаемой скорости спин-решеточной релаксации последней системы аналогично поведению водного раствора AgBr, а именно наблюдается эффект агрегации кристаллов AgBr.

В свою очередь из кривых, представленных на рисунке 3б, видно, что вне зависимости от концентрации исходного раствора желатины наблюдается значительное отклонение скоростей спин-спиновой релаксации протонов системы раствор желатины + раствор AgBr в сторону меньших значений R2.

На данный момент сложно объяснить подобное поведение релаксационных характеристик рассматриваемых систем. Однако следует отметить, что обсуждаемые скорости релаксации являются характеристикой всей системы в целом. Следовательно, в силу того, что изучаемые нами системы преимущественно состоят из воды, скорости спин-спиновой и спин-решеточной релаксации в основном несут информацию именно о её состоянии. Непосредственное наблюдение скоростей R1 и R2 молекул желатина не представляется возможным из-за их малой доли в общем сигнале. В то же время малое содержание молекул желатина в системе не составляет сложности для проведения исследований по самодиффузии. Поскольку коэффициенты самодиффузии воды и желатина существенно отличаются, можно провести эксперименты, в которых сигнал от воды будет подавлен градиентом магнитного поля, в этом случае открывается возможность получения информации непосредственно о состоянии молекул желатина в системе. Поэтому целесообразно будет вернуться к обсуждению представленного на рис 3а и 3б поведения скоростей спин-решеточной и спин-спиновой релаксации протонов системы раствор желатина + раствор AgBr после обсуждения диффузионных данных. Из самих же диффузионных измерений мы надеемся получить дополнительную информацию о влиянии кристаллов AgBr на состояние молекул желатина непосредственно из анализа их динамических характеристик.