научная статья по теме ВЫСОКОРАЗБАВЛЕННЫЕ ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ БРОМИДА ЦЕТИЛТРИМЕТИЛАММОНИЯ: ВЗАИМОСВЯЗЬ САМООРГАНИЗАЦИИ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Математика

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОРАЗБАВЛЕННЫЕ ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ БРОМИДА ЦЕТИЛТРИМЕТИЛАММОНИЯ: ВЗАИМОСВЯЗЬ САМООРГАНИЗАЦИИ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 459, № 1, с. 51-57

ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ХИМИЯ

УДК 544.35;544.72;544.275.5

ВЫСОКОРАЗБАВЛЕННЫЕ ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ БРОМИДА ЦЕТИЛТРИМЕТИЛАММОНИЯ: ВЗАИМОСВЯЗЬ САМООРГАНИЗАЦИИ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

© 2014 г. И. С. Рыжкина, О. А. Мишина, А. П. Тимошева, Ю. В. Киселева, А. Д. Волошина, Н. В. Кулик, академик А. И. Коновалов

Поступило 09.04.2014 г.

БО1: 10.7868/80869565214250124

В течение последнего века во всем мире проводят масштабные систематические исследования, касающиеся мицеллообразования, физико-химических и биологических свойств индивидуальных и смешанных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), что связано в первую очередь с широчайшим спектром их промышленного применения [1, 2]. Растворы ПАВ начинают обладать совокупностью полезных свойств по мере достижения критической концентрации мицеллообразования (ККМ), которая для ПАВ разных типов лежит в интервале 10-5-10-1 М. В связи с этим практически весь огромный экспериментальный и теоретический материал в области растворов ПАВ получен при концентрациях, превышающих 10-6 М [1, 2].

В некоторых публикациях показано, что концентрационные зависимости электропроводности, поверхностного натяжения, рН, оптической активности в предмицеллярной области концентраций водных растворов ПАВ (10-5-10-4 М) носят немонотонный характер [2—5]. Высказывали предположения, что это связано с образованием домицеллярных ассоциатов небольшого размера (димеров, тетрамеров), однако прямого экспериментального доказательства образования таких ас-социатов, обусловливающих появление немонотонных концентрационных зависимостей свойств предмицеллярных растворов ПАВ, не было [2—5].

Недавно в ходе изучения самоорганизации вы-сокоразбавленных водных растворов биологически активных соединений (БАС), рассчитанные концентрации которых составляют 10-6-10-20 М, обнаружено ранее неизвестное явление, которое

Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской Академии наук, Казань

состоит в образовании в данных условиях масштабных наноразмерных молекулярных ансамблей (до 400 нм), названных наноассоциатами (обзор [6] и ссылки в нем). Установлено, что формирование наноассоциатов обусловливает возникновение немонотонных концентрационных зависимостей физико-химических свойств высо-коразбавленных растворов и коррелируется с их биоэффектами [6]. Показано, что образование на-ноассоциатов инициируется растворенным веществом при некоторых условиях, важнейшими из которых являются определенная структура растворенного вещества, наличие внешних электромагнитных полей и процедура приготовления растворов. Высокоразбавленные растворы БАС обладают огромными потенциальными возможностями и представляют значительный интерес с точки зрения фундаментальных и прикладных исследований в области фармакологии, токсикологии, медицины, сельского хозяйства [7]. Не менее интересными являются и высокоразбавленные растворы ПАВ, многие из которых проявляют и биологическую активность, однако на сегодняшний день работы, посвященные изучению самоорганизации и физико-химическим свойствам таких растворов ПАВ, практически отсутствуют [8].

С учетом разнообразного спектра применения растворов бромида цетилтриметиламмония (БЦТА), известного мицеллообразующего катионного ПАВ (ККМ = 8 • 10-4М), обладающего антимикробной активностью [1, 2, 9, 10], изучение самоорганизации и свойств высокоразбавленных растворов БЦТА представляет не только значительный теоретический, но и практический интерес.

Н3С-К

Бг-

СН3

БЦТА

51

4*

В настоящей работе методами динамического светорассеяния, микроэлектрофореза, кондукто-метрии, рН-метрии, тензометрии, поляриметрии и диэлькометрии изучены взаимосвязь самоорганизации, физико-химических свойств и бакте-риостатической активности растворов БЦТА со значениями рассчитанных концентраций 1 • 10—12— 1 • 10—2 М, выдержанных в естественных условиях и в условиях пониженного уровня внешнего геомагнитного и низкочастотных электромагнитных полей (в пермаллоевом контейнере). Показано, что концентрационные зависимости параметров наноассоциатов размером от 170 до 240 нм (Z-по-тенциал от —2 до —10 мВ), образующихся в области высоких разведений, которые соответствуют расчетным концентрациям 1 • 10—6—1 • 10—12 М, и физико-химических свойств растворов БЦТА (удельная электропроводность, рН, диэлектрическая проницаемость) изменяются немонотонно и симбатно с экстремумами при 1 • 10—9 и 1 • 10—7 М.

В растворах с расчетными концентрациями 3-10—8—3 • 10—7 М, в которых найдены экстремальные значения Z-потенциала и диэлектрической проницаемости, свидетельствующие о существенном изменении строения и пространственной организации наноассоциатов, впервые установлено появление оптической активности высокораз-бавленных растворов ахирального ПАВ. Впервые показано и объяснено с позиций самоорганизации растворов разнонаправленное действие растворов БЦТА на рост бактерий Bacillus subtilis 6633, подавляющее в интервале образования су-прамолекулярных доменов (1 • 10 5— 1 • 10—4 М) и стимулирующее в интервале образования наноассоциатов (1 • 10—11—1 • 10—10 М). В растворах БЦТА 1 • 10-11—1 • 10-6 М, выдержанных в пермаллоевом контейнере, образование частиц не обнаружено, свойства растворов неотличимы от свойств воды.

Приготовление и изучение растворов БЦТА осуществляли с использованием свежеполучен-ной бидистиллированной воды, удельная электропроводность которой не превышала 1.5 мкСм • см-1. Растворы готовили методом последовательных десятичных разбавлений из исходного раствора вещества с концентрацией 1 • 10-2 М аналогично [6]. Перемешивание растворов осуществляли с помощью минишейкера IKA lab dancer. В высокоразбавленных растворах термин "концентрация" означает расчетную концентрацию и используется в качестве характеристики степени разбавления растворов.

Удельную электропроводность (%), поверхностное натяжение (а), рН, диэлектрическую проницаемость (s) растворов измеряли на кондуктометре inoLab Cond Level 1 ("EcoInstrument"), тензиометре Sigma 720 ET ("KSV Instruments"), рН-метре inoLab рН 720 ("EcoInstrument"), диэлькометре BI-870 ("Brookhaven Instruments Corporation") в условиях

термостатирования при 25 ± 0.1°С, оптическую активность (угол а) — на поляриметре Perkin-Elmer 341 при 20 и 30°С. Относительная ошибка измерения х не превышала 10%, рН — 1.5%, а — 20%, s — 10%. Опыты по измерению оптической активности проводили по стандартной методике при использовании света с длиной волны D-ли-нии натрия (589 нм), толщина кюветы составляла 0.56 дм.

Размер частиц (эффективный гидродинамический диаметр кинетически подвижных частиц в максимуме кривой распределения, D) определяли методом динамического светорассеяния (ДСР) на высокочувствительном анализаторе Zetasizer Nano ZS ("Malvern Instruments", Великобритания). Относительная ошибка измерения размера и Z-потенци-ала не превышала 15%. Эксперименты по изучению влияния внешних электромагнитных полей на водные растворы БЦТА выполнены с использованием трехслойного пермаллоевого экранирующего контейнера, в который на 24 ч помещали одну часть исследованного раствора (гипоэлек-тромагнитные условия). Вторую часть раствора такое же время выдерживали на лабораторном столе (естественные условия), после чего измеряли параметры первой и второй частей раствора. Пермаллоевый контейнер имеет следующую характеристику: если усредненное значение магнитной индукции на средних широтах составляет 53000 нТл, то величина остаточного поля в контейнере находится на уровне 10 нТл.

Для изучения действия на рост бактерий in vitro растворов БЦТА широкой области концентраций 1 • 10—3—1 • 10—12 М в качестве тест-объекта использовали культуру грамположительных бактерий Bacillus subtilis 6633, полученную из Всероссийской коллекции микроорганизмов (Москва). Для культивирования тест-культуры использовали жидкую питательную среду (бульон Хоттингера) [11]. Бактериальная нагрузка в опыте составляла 1 • 104 микробных тел в 1 мл. Посевы инкубировали при 37°C в течение 12—16 ч при постоянном перемешивании. После окончания инкубации проводили измерение оптической плотности суспензии клеток Bacillus subtilis 6633 в контрольных и опытных пробах при помощи цифрового фото-электроколориметра AP-101 ("Apel", Япония) в кюветах толщиной 10 мм при длине волны 540 нм. Стимулирующее действие определяли в процентах по сравнению с контролем, в который вместо раствора БЦТА вносили физиологический раствор.

При изучении самоорганизации растворов БЦТА, выдержанных в естественных условиях и в пермаллоевом контейнере, показано, что в мицел-лярной области концентраций 1 • 10—2 и 1 • 10—3 М растворы БЦТА имеют бимодальное распределение частиц по размерам, в растворе образуются

18 с

Рис. 1. Зависимости размеров частиц (1, 2) и ^-потенциала (3) в растворах БЦТА, выдержанных на лабораторном столе (1) и в пермаллоевом контейнере (2), от концентрации, 25° С.

частицы размером 1—4 нм (мицеллы) и сотни нанометров (супрамолекулярные домены) [6]. При концентрациях БЦТА 1 • 10-4—1 • 10-5 М в растворе образуются только супрамолекулярные домены.

В высокоразбавленных растворах БЦТА (1 • 10—6— 1 • 10-12 М), выдержанных на лабораторном столе и в пермаллоевом контейнере, наблюдается совершенно иная картина. Растворы, выдержанные в естественных условиях, характеризуются мономодальным распределением частиц размером сотни нанометров, а в растворах, выдержанных в контейнере, такие частицы не образуются. Это означает, что пороговой концентрацией (сп), ниже которой в растворе БЦТА в естественных условиях образуются наноассоциаты, является 1 • 10-5 М. Таким образом, наноассоциаты в водных растворах БЦТА формируются только при воздействии внешних физических полей, в то время как супра-молекулярные домены образуются и в гипогео-магнитных условиях, но с измененным размером (рис. 1).

Из зависимостей размера и ^-потенциала су-прамолекулярных доменов (1 • 10—3—1 • 10-5 М) и наноассоциатов (1 • 10-6 - 1 • 10-12 М), приведенных на рис. 1, видно, что размер наноассоциат

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Математика»