Исследования мицеллообразования азобензен триметиламмоний бромида методом малоуглового рассеяния нейтронов

Поверхностно-активные вещества. (ПАВ) получили широкое применение в различных областях науки и техники, таких как исследование живых систем, нанотехнологии, развитие методов доставки лекарств и генетической информации и даже в понимании происхождения жизни.

ПАВ склонны к спонтанной самоорганизации: они формируют мицеллы и биконтину-альные фазы в зависимости от концентрации вещества и внешних условий. Информация о структуре и поведении таких агрегатов имеет фундаментальное значение для понимания и моделирования взаимодействия ПАВ с другими макромолекулами (например, синтетическими и биологическими полимерами).

Ранее был достигнут значительный результат в использовании света, для манипуляции фоточувствительными молекулами [1-3]. Фоточувствительная молекула АзоТАБ, например, способна, обратимо связываться с ДНК. Это в свою очередь позволяет вызывать конформационные изменения в ДНК посредством облучения светом [4-6]. Подобная фоторегуляция достигается благодаря фотоизомеризации двойной связи в азобензеновом участке молекулы АзоТАБ (рис. 1). Транс- и цис-изомеризация вызывается облучением молекулы видимым (> 400 нм) и УФ (365 нм) светом соответственно, что имеет перспективу в биотехнологиях. Было показано, что именно одновалентный АзоТАБ с коротким хвостом может обратимо блокировать возбуждения в сердечной ткани [7]. Помимо этого такой тип АзоТАБ является химически стабильным, имеет быстрый изомеризационный отклик и высокую светочувствительность.

2.    Методы и материалы

Азобензен триметиламмоний бромид (АзоТАБ) был синтезирован по методике, описанной в [8]. Структурная формула, использованного нами соединения приведена, на. рис. 1. Критическая концентрация мицеллообразования для данного типа. АзоТАБ равна. 9.5 мМ [8].

Эксперименты по малоугловому рассеянию нейтронов проводились на. установке ЮМО [9], [10], расположенной на. импульсном реакторе ИБР-2 (Лаборатория нейтронной физики

Рис. 1. Фотоизомеризация молекулы АзоТАБ

Объединенного института ядерных исследований, Дубна). Во время измерений образцы находились темноте. Для получения цис-изомеров АзоТАБ растворы перед измерением облучались светом с длиной волны 365 нм в течение нескольких минут (УФ-диод Hamamatsu LC-L2). Длительность измерений каждого образца составляла 30 минут. Температура регулировалась с помощью проточного термостата Landa и составляла 20 и 35 оC.

Для определения плотности мицеллярного раствора АзоТАБ использовался плотномер DMA 60 с кюветой DMA 602М фирмы Anton PAAR. Температура устанавливалась посредством протока жидкости из термостата Landa с точностью ±0.02 оC. Температура составляла 20 оC. Концентрация АзоТАБ 50 мМ.

3.    Результаты3.1.    Определение объема молекулы АзоТАБ

С помощью денсиметрии была определена плотность р молекулы АзоТАБ, которая составила 1.289 ± 0.013 г/см³. Отсюда можно оценить объем Т одной молекулы АзоТАБ:

М

•Na где М = 408.34 г/моль — молярная масса молекулы АзоТАБ, Na — число Авогадро. Объем То составил 526 ± 5 А3.

3.2.    Структурные параметры мицелл АзоТАБ: транс-конформация

С помощью метода малоуглового рассеяния (МУРН) были исследованы растворы АзоТАБ с концентрациями 15, 20, 25, 35 мМ. Мицеллы АзоТАБ несут на себе положительный поверхностный заряд в результате частичной диссоциации брома в водное окружение. Вследствие этого в кривых рассеяния для образцов с концентрацией выше 20 мМ появляется структурный пик (рис. 2), связанный с электростатическим взаимодействием между мицеллами. Интенсивность рассеяния для заряженных мицелл может быть представлена следующим образом:

I(q) = N •Р(q ) •S(q ), (1)

где вектор рассеяния q = 4л • sin(0)/A, Ө — угол рассеяния, A — длина волны нейтрона, N — количество мицелл в единице объема, Р(q) — форм-фактор мицелл. Форму мицелл АзоТАБ можно описать с помощью эллипсоида вращения с полуосями R, R, vR. Тогда форм-фактор для них имеет следующий вид [11]:

F (q ) = j Ф²[q-йДі + ЛО² — 1)Щ,                      (2)

ф_Ю = з:Щ_Щ^.

S(q ) — структурный фактор, описывающий взаимодействие между мицеллами и отвечающий определенному распределению центров масс мицелл в пространстве [11].

S(q) = 1 + V-1 [I (д(r) — 1) exp(iqr)d3r где д(г) — парная корреляционная функция, V — объем, приходящийся на одну мицеллу.

Рис. 2. Аппроксимация кривых рассеяния для растворов АзоТАБ в транс-конформации моделью взаимодействующих заряженных эллипсоидальных мицелл. Аппроксимация была выполнена для систем с концентрацией 20-35 мМ, где структурный фактор, связанный с взаимодействием заряженных мицелл, ярко выражен. Точки — экспериментальные значения, линии — теоретическая аппроксимация

В работе [12] авторами предложен метод для нахождения структурного фактора для заряженных мицелл — метод Хайтера—Пенфольда с использованием потенциала U_c кулоновского отталкивания для двух заряженных сферических частиц:

Uc(г) = ТГ6Е0d2ф0 exp[—к(г — d^/г, г > d, где d — диаметр мицелл, г — дистанция между мицеллами, во — электрическая постоянная, в — диэлектрическая проницаемость среды, к — обратная дебаевская длина, ф0 — поверхностный потенциал мицеллы с зарядом z.

Ф0    еео (d) (2 +к (d)), где (d) — усредненный диаметр мицеллы.

На рис. 2 и в табл. 1 приведены результаты аппроксимации экспериментальных кривых функцией (1) с помощью описанного выше подхода Хайтера—Пенфольда. Для аппроксимации была использована программа FISH [13].

Для концентрации АзоТАБ, равной 15 мМ, а также 20 мМ при 35 ^оC, структурный пик в кривых рассеяния отсутствует. В этом случае структурный фактор S(q ) — 1, тогда экспериментальные данные можно аппроксимировать с помощью только форм-фактора (2). Результаты данной аппроксимации приведены на рис. 3. и в табл. 1. Аппроксимация проведена программой FITTER [14].

Рис. 3. Аппроксимация кривых рассеяния для растворов АзоТАБ в транс-конформации

Из значений параметров аппроксимации можно определить агрегационное число Nagg (количество мономеров АзоТАБ в мицелле), максимальный размер мицелл Dmax и степень диссоциации брома с поверхности мицелл ф м  _ VeZZ _ 4^Я3 V

^N»^{gg —} v₀ ^—  3V0 ’

Dmax = 2 Rv,

^ — Z/Nagg , где Vezz — объем мицеллы (эллипсоида), V0 — объем молекулы АзоТАБ (по данным денсиметрии V0 — 526 А), z — заряд на поверхности мицеллы. Полученные значения приведены в табл. 1. Из анализа таблицы видно, что при увеличении концентрации АзоТАБ размер и агрегационное число мицелл растут. Повышение температуры вызывает уменьшение этих параметров. Степень диссоциации брома £, напротив, падает с увеличением концентрации АзоТАБ и растет с повышением температуры.

3.3.    Влияние ультрафиолета на структуру мицелл АзоТАБ

При облучении ультрафиолетовым светом молекулы АзоТАБ переходят из трансконформации в цис-конформацию. При этом уменьшаются линейный размер молекулы и степень ее гидрофобности. Поэтому следует ожидать реструктуризации мицелл. Эксперименты по малоугловому рассеянию нейтронов проводились при 35 ^оC для концентраций АзоТАБ 25 и 35 мМ. На рис. 4 показаны изменения кривых МУРН после облучения системы ультрафиолетовым светом. В измеренном диапазоне q (0.01 0.3)А^-1 кривые рассеяния претерпевают значительные изменения. Они имеют прямолинейный участок с наклоном — 1. В области малых q <  0.03А^-1 значение интенсивности в пределах ошибок

Т а б л и ц а 1

Значения параметров эллипсоидальных мицелл АзоТАБ, полученные с помощью малоуглового рассеяния нейтронов

Концентрация, мМ Радиус R, о А Отношение полуосей 7 Заряд г, е Максимальный размер Dmax-j А Агрегационное число ^адд Степень диссоциации брома ^ 20 о C 15 13.3 ±1.9 1.9 ±0.7 — 50 ±20 35 — 20 14.7 ±0.7 2.0 ±0.3 14 ±6 59 ±9 50 28 ±13 25 15.0 ±0.5 1.96 ±0.16 7 ±2 59 ±5 53 13 ±4 35 16.1 ±0.3 1.89 ±0.11 11.8 ±1.3 61 ±4 63 19 ±3 35 о C 15 8.4 ±2.6 2.2 ±1.6 — 37 ±29 10 — 20 15 ±7 1.1 ±1.4 — 33 ±45 30 — 25 13.8 ±0.9 1.6 ±0.3 10 ±4 44 ±9 33 30 ±15 35 15.1 ±0.3 1.6 ±0.1 8.1 ±0.9 48 ±3 44 18 ±3 остается прежней по сравнению с кривыми, измеренными для транс-конформации. Отсюда можно предположить, что объем агрегатов АзоТАБ не уменьшается. Однако кривые рассеяния в данном случае не могут быть аппроксимированы форм-фактором эллипсоида или других глобулярных частиц. Возможно при переходе в цис-конформацию молекулы АзоТАБ формируют сильно анизотропные или разветвленные агрегаты (например, цепочку молекул).

Рис. 4. Изменение кривых рассеяния для растворов АзоТАБ при переходе молекул в цисконформацию (облучение УФ светом с длиной волны 365 нм). Температура 35 оC

4.    Выводы

Были проведены эксперименты по МУ РН на растворах АзоТАБ с концентрациями 1535 мМ при температурах 20 и 35 оC. В транс-конформации молекула АзоТАБ формирует заряженные эллипсоидальные мицеллы. При увеличении концентрации АзоТАБ размер и агрегационное число мицелл растут. Повышение температуры вызывает уменьшение этих параметров. Степень диссоциации брома ф напротив, падает с увеличением концентрации АзоТАБ и растет с повышением температуры. При облучении ультрафиолетовым светом форма кривых рассеяния резко изменяется в измеренном диапазоне векторов рассеяния q, что указывает на реорганизацию агрегатов АзоТАБ. Возможно, что в данном случае АзоТАБ формирует сильно анизотропные объекты.

Данная работа была выполнена в рамках исследований, осуществляющихся по гранту № 11.G34.31.0015 от 30 ноября 2010 г. Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования, а также Министерством образования и науки Российской Федерации.