Применение ИК фурье-спектроскопии для исследования структурных и ориентационных характеристик жидкокристаллических полипептидных полимерных щеток Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПРИМЕНЕНИЕ ИК ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ И ОРИЕНТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛИПЕПТИДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ЩЕТОК Б.З. Волчек, Г.П. Власов, Е.Н. Власова, И.И. Тарасенко, Е.Н. Смирнова

В последние годы большой интерес как в научных, так и в прикладных исследованиях вызывают работы, касающиеся изучения наноструктур - объектов, в которых размеры хотя бы в одном направлении составляют несколько нанометров. К числу таких структур относятся тонкие пограничные монослои, состоящие из длинных молекул, связанных с какой-либо непроницаемой поверхностью, называемой плоскостью пришивки. Такие объекты получили название полимерных щеток.

Первые теоретические исследования свойств таких систем [1-3] показали, что свойства привитых слоев на основе жидких кристаллов (ЖК) значительно отличаются от свойств свободных молекул такого же химического состава. Интерес к изучению свойств ЖК-полимерных щеток связан с тем обстоятельством, что они оказались весьма распространенными полимерными системами или элементами таких систем. Пограничные слои, состоящие из длинных полимерных молекул, образующиеся на межфазной границе, являются модельными системами для исследования свойств различных гетерогенных систем, важных для биофизики, металловедения, трибологии, получения биологически активных носителей. В настоящее время имеется значительное количество теоретических работ, предсказывающих разнообразные структурные и ориентаци-онные свойства полимерных ветвей щетки в зависимости от типа поверхности, к которой они пришиты, и внешних условий, в которых они находятся [4, 5]. Однако работ, посвященных экспериментальному изучению таких систем, в настоящее время мало [6]. По-видимому, это связано, по крайней мере, с двумя обстоятельствами:

1. приготовление модельных щеток, адекватных рассмотренным в теории, достаточно трудоемко,

2. само исследование структурных и ориентационных характеристик таких объектов с помощью физических методов затруднительно.

Нами были предприняты попытки применения метода ИК фурье-спектроскопии для исследования двух типов ЖК-полимерных щеток: цилиндрических и плоских. В качестве модели цилиндрической щетки были выбраны производные поли-у-бензил -Ь-глутамата

С0-0-СН2-СбН5 СО-Х- (СН2)„СИз X = О (I)

I I

(СН2)2 (СН2)2

I I

(-КН-СН-СО)юо-т -(-КН-СН-С0-)т , X = га (II)

п = 15, 17; т = 30-95 (мольных %)

Рис.1 Общая формула производных поли-у-бензил-Ьглутамата.

В этих системах в качестве цилиндрической поверхности выступала а спираль по-ли-у-бензил-Ь-глутамата - скелет макромолекулы, а в качестве ветвей щетки - длинные углеводородные цепи различной длины и химического строения. Во втором случае исследовались модели плоских полимерных щеток, в которых к плоской непроницаемой поверхности были пришиты макромолекулы полипептидов различного химического

состава. В качестве метода исследования был выбран метод ИК фурье-спектроскопии. При исследовании модельных щеток первого типа рассматривались два типа задач:

1. исследование конформационных и ориентационных характеристик скелета и боковых цепей щетки;

2. возможность получения в этих сополимерах термотропного ЖК-порядка.

Известно, что поли-у-бензил^-глутамат при определенных концентрациях в растворе ряда органических растворителей образует лиотропный порядок [7]. Однако тер-мотропный порядок в этом полимере получить не удается вследствие того, что температура его плавления выше температуры разложения. Можно ожидать, что введение длинных боковых привесков может значительно снизить температуру плавления этих полимеров.

Температуры плавления этих сополимеров близки к температурам плавления соединений, вводимых в боковую цепь, и находятся в зависимости от длин и типа боковых привесков. В соответствии с данными, полученными с помощью метода поляризационной микроскопии, часть из исследуемых сополимеров при этом образует ЖК-порядок в расплаве. Ориентационные и конформационные характеристики фрагментов цепей макромолекул определяли с использованием ИК фурье-спектроскопии в поляризованном излучении. Параметр порядка S в предложенной одноосной ориентации макромолекул определялся выражением

5= (Я-1)/(Я+2)*(1/ (1-1.5мп29)), ( 1 )

где 5 - параметр порядка, Я = Б11/Б± (Бц и Б± - оптические плотности полос поглощения в параллельной и перпендикулярной составляющих поляризованного излучения), 9 - угол между направлением дипольного момента перехода колебания с осью цепи. Для определения параметра порядка скелета была выбрана полоса поглощения амида А (V = 3280 см-1), 9 = 28о, для боковых цепей у(СИ2) = 2900 см-1 . В соответствии с данными, полученными по методу ИК спектроскопии, в режиме пропускания вплоть до ? =150 0С независимо от фазово-агрегатного состояния а-спираль скелета макромолекулы не разрушается. (амид А (V = 3280 см-1), амид I (V = 1650 см-1), амид II (V = 1550 см-1)) [8]. На рис. 2 приведена зависимость от температуры параметров порядка скелета (а-спираль) и боковых привесков для сополимера I, п = 16.

■

и ■ ^ ■

и ■

Рис. 2. Зависимость от температуры параметров порядка скелета (а-спираль) Нд и боковых привесков для сополимера I (п =16).

Как видно из рис. 2, в блочном состоянии оба эти фрагмента ориентированы относительно оси ориентации. При этом характер ориентации этих фрагментов различен: в то время как скелет макромолекулы ориентирован параллельно направлению ориентации молекулы, боковые привески ориентированы перпендикулярно к этому направле-

нию. Исходя из уравнения (1), можно вычислить средний угол наклона боковых цепей по отношению к а-спирали. Он оказался равным 64-70° в зависимости от состава полимера. Отклонение ориентации боковых цепей от ортогональной по отношению к оси ориентации может определяться упаковкой боковых цепей, если предположить, что последовательности СН2-групп полностью находятся в транс-конформации, либо тем, что в них наряду с транс- последовательностями имеются и гош-конформации.

ищ. и ни

ил.

и 14-

—I-1-1—

'411 "-И!

«м, ищ-иш. иш-иа-им-иш . и М -

—I—

чаи

-■-1-■-1-■-1-■-1

ЧЛ1 '«и '«и '441 чзи

фчз

Г № 3

а Ь

Рис. 3. Зависимости от температуры интенсивностей полос поглощения в области 1460-1470 см-1 для сополимера I (п =15) (За) и сополимера II (п =15) (3Ь).

На рис. 3 показаны зависимости от температуры интенсивностей полос поглощения в области 1460-1470 см-1 , соответствующих транс (V = 1465 см-1)- и гош (V = = 1455 см- ^последовательностям СН2-групп. Как видно из рис. 3, в блочном состоянии действительно наблюдаются как транс-, так и гош-конформации СН2-групп, количество последних увеличивается при равной температуре плавления образца. Используя значения дихроичного отношения полосы при 2920 см-1, исходя из грубой модели цепи в предположении, что она состоит из упорядоченных последовательностей CH2-групп в транс-конформации, и неупорядоченных, содержащих гош-транс-конформеры, можно оценить число СН2-групп, находящихся в транс-конформации в зависимости от длины углеводородных привесок. Расчет показывает, что число включенных в регулярные последовательности СН2-групп увеличивается в зависимости от длины цепочки и колеблется от 8 до 4, что, в свою очередь, свидетельствует о том, что упорядочение углеводородных привесков происходит по их внешним концам.

Исходя из полученных данных, можно заключить, что введение боковых привесков в основную цепь жесткоцепных полимеров, во-первых, определяет возможность образования в этих полимерах, наряду с лиотропным порядком, термотропного порядка, обусловленного подвижностью боковых цепей. В том случае, когда подвижность затруднена, термотропный порядок не образуется. Во-вторых, боковые углеводородные цепи расположены ортогонально оси а-спирали, образуемой скелетом макромолекул, что характерно для полимерных щеток. При этом происходит взаимопроникновение внешних концов СН2-последовательностей с образованием кристаллической ячейки. Степень взаимопроникновения зависит от длины боковых привесков.

Вторым объектом исследования были выбраны плоские полимерные щетки с ветвями из жесткоцепных ЖК-полимеров - полипептидов. Исследование такого типа систем, помимо теоретического интереса, связано с тем, что большинство свойств, характерных для полимерных щеток с ветвями из гибкоцепных полимеров (полиэлектролитов и других типов полимерных ветвей), хорошо проявляется и в этих системах. Исследование такого типа щеток имеет также и практический интерес. Это обусловлено

тем, что макромолекулы полипептидов имеют значительный дипольный момент. При присоединении таких молекул к поверхности их структурные и ориентационные характеристики, а также динамика изменения этих характеристик могут контролироваться и изменяться под влиянием внешних полей. Эти свойства могут быть в принципе использованы в некоторых областях нелинейной оптики, при создании ЖК-дисплеев, разделительных мембран, биосенсоров и т.д.

При выборе способов приготовления плоских ЖК-полимерных щеток мы руководствовались двумя принципами:

1. получение плоских щеток с возможностью изменения плотности пришивки полимерных ветвей к поверхности;

2. возможность исследования конформационных и ориентационных характеристик полимерных ветвей щетки по методу ИК спектроскопии, позволяющему непосредственно измерять эти характеристики.

Учитывая наноразмеры пришитых слоев (высота слоя близка к длине пришитой макромолекулы), можно заключить, что наиболее подходящим является метод ИК спектроскопии в режиме скользящего излучения. В нашем случае использовалось излучение под углом ~70° к нормали плоскости пришивки. Использование этого метода обусловливает выбор плоской подложки для пришивки макромолекул - полированные пластины кристаллического кремния с нанесенным на него слоем металлов (Аи или А1, имеющие высокий коэффициент отражения) толщиной 30-50 мкм.

Методика пришивки выбранных нами полипептидов поли-у-Ь-бензилглутамата и поли-Ь-аланина включала прочную пришивку на эти поверхности низкомолекулярных мостиковых соединений, имеющих на одном конце якорные группы, способные присоединяться к металлам ^ для Аи и Si—О—Si для А1), а на другом конце - КН2- группы, являющиеся инициаторами для получения полипептидов путем полимеризации соответствующих 1М-карбоксиангидридов [9].

ООО 1 2

Рис. 4. Полимерные щетки: К1 = — 1\1НСН2СН2, (—СН2)зС—1\1НСОСН2МН—, — 1\1НСН2)зЗКО—)з.

Поверхность «мостиковое» соединение Полимер Толщина

А1 NH2—(СН2)з—Si(OCH2)з ПБГ* -250А

Аи ад— (СН2)2—SH ** ПА -200А

Аи №СН2СО—Ж—C(CH2S—)з ** ПА -200 А

* Поли(у-бензилглутамат); Поли(Ь-аланин).

Таблица 1. Параметры исследуемых пленок и подложек

Изменение числа якорных групп, химического строения мостиковых соединений, а также типа полипептидов позволило в определенной степени изменять степень пришивки макромолекулярных ветвей щетки. С использованием такой методики были по-

лучены щетки с ветвями поли-у-бензил-Ь-глутамата и поли-Ь-аланина [10, 11]. Толщины (высоты щеток) определялись по методу ИК спектроскопии и эллипсометрии и в зависимости от типа мостиковых соединений и химической структуры полипептидов находились в пределах 70—250 А.

Положение полос поглощения амида А, амида I и амида II, привитых к поверхности цепей полипептидов (рис. 5-7), свидетельствует о том, что пришивка к поверхности не нарушает а-спиральную конформацию макромолекулярных цепей, характерную для ЖК-полипептидов в свободном состоянии. Сравнение относительных интенсивно-стей полос, наблюдаемых в спектрах поглощения полипептидов в свободном состоянии, и их же, привитых к поверхности с учетом соответствующих моментов переходов

Рис. 5. ИК спектры ПБГ в блоке (2) и пришитого на поверхность Si-Al с использованием «мостикового» соединения NH2- (CH2)3-Si(OCH2)3 (1)

Количественно ориентационные характеристики ветвей щетки по отношению к нормали к поверхности можно определить из известного соотношения для параметра порядка в предположении одноосной ориентации цепей

5 = 0,5 (еоБ2а — 1), (2)

где 5 - параметр порядка, а — средний угол расположения цепей по отношению к оси ориентации.

ист

Рис. 6. ИК спектры ПА в блоке (2) и пришитого на поверхность Б1—Аи с использованием «мостикового» соединения БН— (СН2)2—ЫН2 (1)

Рис. 7. ИК спектры ПА в блоке (2) и пришитого на поверхность 81-Ли с использованием «мостикового» соединения -МНСН2СО-МН-С(СН28-)3 (1)

При использовании поляризованного излучения метод ИК спектроскопии позволяет вычислить £ из соотношения (1). Однако при использовании метода скользящего излучения в тонких пленках с толщинами в несколько сотен ангстремов в ИК спектре проявляется только ^-составляющая поглощения, поэтому прямое нахождение значения Я, необходимого для вычисления £, невозможно. Однако недостающая составляющая может быть получена путем достаточно простых вычислений. Нами было предложено два способа вычисления этой составляющей.

Первый способ основан на сопоставлении интенсивностей полос поглощения амидов А, I и II с соответствующими интенсивностями неориентированного образца в предположении, что изменения оптических плотностей в пришитых к поверхности полимерах по сравнению с оптическими плотностями соответствующих свободных макромолекул при одинаковых толщинах происходит за счет ориентации макромолекул. В этом случае, используя соотношение

^неор. = (П + 2 П±)/3, (3)

можно, зная Пц, получить П±. Этот метод, однако, требует достаточно точного определения толщины щетки, что затруднительно, учитывая их малые величины. В случае исследования щеток ПБГ это затруднение можно обойти, нормировав соответствующие интенсивности по полосе поглощения уС=О = 1730 см- , которая, будучи неориентированной, может быть использована в качестве реперной. Отметим также, что наблюдаемая в эксперименте составляющая спектра получена при падении излучения под углом 70° к нормали, что должно быть учтено при расчетах. При использовании мостикового соединения КН2-(СН2)3-81-(ОСН3)3 на подложке ЛЬ была получена полимерная щетка с ветвями поли-у-бензил-Ь-глутамата, толщина которой составила ~250 А.

Как видно из рис. 5, интенсивности полос амидов I и II сильно изменяются по сравнению с неориентированным образцом. Исходя из направлений моментов переходов соответствующих полос амидов I и II, видно, что вместо ожидаемой ортогональной ориентации макромолекул имеется плоская ориентация.

Проведенный расчет для ПБГ показал, что угол наклона осей цепей по отношению к перпендикуляру к поверхности составляет 72°-75°, £ = (- 0.45)-(-0.5).

Известно, что величина оптической плотности неориентированного образца Пнеор, и полностью ориентированного в плоскости определяются следующим уравнением: ПХнеор /ПХориент = (3/4)(1 + СОБ20). (4)

Достаточная точность предложенного метода расчета подтверждается определенными углами моментов переходов амидов I, II и А к оси цепи и сопоставлением их с рассчитанными согласно уравнению (4).

Полоса Эксперимент (угол, град) Данные [8] (угол, град)

Амид А 27 28

Амид I 38 34,5

Амид II 72 85

Таблица 2. Направление дипольных моментов полос поглощения для ПБГ

К сожалению, для ЖК-щеток с ветвями ПА в применяемой области спектра нет полос поглощения, не имеющих дихроизма. Таким образом, для этого случая предложенный метод непригоден. Для количественной оценки ориентации макромолекул в такого типа щетках мы применили метод, основанный на оценке отношения интенсив-ностей полос поглощения амидов I и II при различных степенях ориентации от 1 (полная гомеотропная ориентация) до -0,5 (полная плоская ориентация), используя выражения (1) и (2) и теоретические значения угла 9 между моментом перехода соответствующего колебания и осью молекулы (табл. 2).

Расчет показал, что с использованием мостикового соединения NH2CH2CH2SH была получена щетка ПА с практически полной плоской ориентацией и углом наклона к нормали к плоскости 75°—80°, в то время как при использовании мостикового соединения NH2CH2CO—NH—C(CH2S—)3 была получена щетка с ветвями поли-Ь-аланина с достаточно большой гомеотропной ориентацией, параметром порядка 5 = 0,3-0,4, что соответствует среднему углу наклона осей макромолекул поли-Ь-аланина к нормали к плоскости 41°—47°. Полученные результаты приведены в табл. 3.

Полимер "Мостиковые» соедине! Ориентация Э

РОВ С -КН-(СН2)3-«1(0-)3 Плоская (0 45 -0?)

РА Плоская -(0.45 - 0.5)

РА -КНСНз С О-ИН- С (СН2 Я-)з Гомеотгюпнля 0.3-0.4

Таблица 3. Ориентационные характеристики полипептидных ветвей в щетке

Таким образом, в зависимости от типа ЖК-полимерных ветвей щетки и типа мос-тикового соединения характер ориентации ветвей щетки может быть близким либо к планарному, либо к гомеотропному. Полученные данные находятся в соответствии с теоретическими предсказаниями о двух возможных ориентационных состояниях ветвей щетки в зависимости от плотности пришивки: стабильном - гомеотропном и метаста-бильном - плоском [11]. Таким образом, метод ИК фурье-спектроскопии может успешно применяться для исследования основных характеристик полимерных щеток, достаточно прост в использовании и позволяет получить прямую информацию как о кон-

формационных, так и ориентационных характеристиках пришитых к плоскости полимерных молекул.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 03-03-32709 и ФЦП «Интеграция».

Литература

1. Birshtein T., Amoskov V. // Russian Polym. J. 2000. V. 42. P. 2286-2291.

2. Milner S.T. // Science. 1991. V. 251. P. 205-209.

3. Halperin A., Tirrel M., Lodge T.P. // Adv. Polym. Sci. 1992. V. 100. P. 31-36.

4. Birshtein T., Mercurieva A. et al // Computational and Theoretical Polymer Science. 1998. V. 8. № 1-2. P. 179.

5. Klushin L., Birshtein T., Mercurieva A. // Macromolecular Theor. Simul. 1998.V. 7. № 5. P. 483.

6. Whiesell J. K., Chang H.K., Whiesell C. S. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1994. V. 33. P. 871-873.

7. Volchek B.Z., Purkina A.V. Applied Polymer Analysis and Characterization. Munich: Hathell, 1992. V. 2. P. 311.

8. Miyazava T. // J. Chem. Phys. 1960. V. 32. P. 1647-1652.

9. Vlasov G. P., Korol'kov V.I., Pankova G.A. et al. // Russ. J. Bioorgan. Chem. 2004. V. 30. P. 1-10.

10. Volchek B., Vlasova E., Tarasenko I., Vlasov G. // 22 Discussion Meeting on Macro-molecules. Prague, 2003. P. 14.

11. Volchek B., Vlasova E., Tarasenko I., Vlasov G. // ESOPS. 2001. V. 14.

12. Polozky A., Birshtein T., Cherniavsky M. // Russian Polym. J. 2002. V. 44. P. 844-856.