Локальная гетерогенность структуры ионообменных мембранных систем по данным мессбауэровской спектроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.18, кандидат физико-математических наук Костюченко, Ирина Георгиевна

• Костюченко, Ирина Георгиевна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Костюченко, Ирина Георгиевна

1. Литературный обзор.

1.1 Роль локальной гетерогенности в формировании свойств мембранных систем и методы ее исследования.

1.2 Возможности метода мессбауэровской спектроскопии в исследовании локальной гетерогенности мембранных систем.

1.2.1 Эффект Мессбауэра.

1.2.2. Мессбауэровские спектрометры.

1.2.3. Параметры мессбауэровских спектров.

1.2.4. Краткие результаты мессбауэровских исследований гидратных комплексов железа в растворах.

1.2.5. Краткие результаты мессбауэровских исследований перфторированной сульфокатионитовой мембраны в Бе -форме.

1.2.6. Краткие результаты мессбауэровских исследований железосодержащих частиц, осажденных в поры перфторированной сульфокатионитовой мембраны.

2. Методика получения и анализа мессбауэровских спектров при исследовании локальной гетерогенности перфторированных сульфокатионотовых мембран.

2.1 Мессбауэровский детектор, использованный для проведения измерений.

2.2 Методика анализа спектральной информации при исследовании влияния локальной гетерогенности перфторированных сульфокатионитовых мембран на образование в ней гидратных комплексов железа.

2.2.1 Введение. Постановка задачи.

2.2.2 Получение образцов перфторированных сульфокатионотовых мембран, полностью нейтрализованных ионами железа (в Ре-форме), с различным влагосодержанием.

2.2.3 Обсуждение результатов и выводы.

2.3 Выявление локальной гетерогенности мембран из анализа температурной зависимости релаксационных мессбауэровских спектров.

2.3.1 Постановка задачи.

2.3.2 Возможности мессбауэровской спектроскопии при исследовании микроструктуры ультрамалых частиц.

2.3.3 Экспериментальная часть.

2.3.4 Результаты и обсуждение.

3. Особенности формирования субмикроструктур в мембранах на основе ароматических полиамидов.

3.1 Объекты исследования.

3.2 Экспериментальная часть.

3.2 Обсуждение результатов и выводы.

4. Локальная гетерогенность структуры мембран бактериородопсина и некоторые ее проявления в функциональной активности пурпурных мембран.

4.1 Введение и постановка задачи.

4.2 Экспериментальная часть.

4.3 Результаты.

4.4 Обсуждение результатов и выводы. Заключительные выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Локальная гетерогенность структуры ионообменных мембранных систем по данным мессбауэровской спектроскопии»

Гетерогенность структуры мембранных материалов на различных пространственных масштабах является одной из важнейших особенностей, определяющих функциональные свойства мембранных систем. Многочисленные исследования показали, что в широком классе химических и биологических мембран трансмембранный перенос заряженных ионов осуществляется через ионные каналы- специализированные гидрофильные участки мембран, содержащие функциональные (ионогенные, полярные) группы. Изучение субмикроструктуры ионных каналов, условий их формирования, механизмов трансмембранного переноса, зависимости функциональных свойств мембран от конкретного вида локальной гетерогенности структуры является актуальной научной задачей, которая решается с помощью различных физико-химических методов.

Применение для решения таких задач метода мессбауэровской спектроскопии, когда в качестве противоионов полимерной системы используются ионы железа, оказалось весьма перспективным. В мессбауэровских спектрах ионообменных мембран сосредоточена уникальная информация о локальной симметрии и пространственном окружении мессбауэровского иона в мембране, о его зарядовом состоянии и характере магнитных взаимодействий с другими ионами, а также о степени подвижности самого мессбауэровского иона и фрагментов полимерных цепей, с которыми он связан. Анализ этой информации позволяет делать выводы о степени гетерогенности гидрофильных участков и с большой точностью оценивать взаимное расположение и размеры структурных элементов.

Целью настоящей диссертации является развитие методик анализа структуры мембранных материалов, основанных на использовании техники мессбауэровской спектроскопии, и применение разработанных методик для анализа гетероструктуры синтетических и природных мембранных материалов. Решение этой задачи позволяет продвинуться в решении проблем взаимосвязи структуры и функциональных возможностей ионообменных мембранных материалов различной природы, в том числе при контроле структуры мембранных материалов при их синтезе, в условиях функционирования, при разнообразных модификациях.

В качестве объектов исследования были выбраны пленки, полученные из смеси двух ароматических полиамидов, один из которых содержит сульфокислотные функциональные группы. Полимеры такого типа успешно используются для создания первапорационных, ионообменных и обратно-осмотических мембран. В настоящее время на их основе разрабатываются новые мембраны для осушки простых газов. Поэтому впервые выявленная зависимость структуры нового типа полимерных мембран от процентного состава компонентов смеси и установленный для этого класса полимеров состав, оптимальный для формирования ионных каналов, могут быть использованы при разработке различных типов мембран на основе ароматических полиамидов.

Другим объектом исследования была биологическая мембрана-бактериородопсин - фоточувствительный мембранный белок, который является одним из наиболее перспективных объектов для применения в биомолекулярной электронике. Полученные экспериментальные данные о локализации ионов металлов в пурпурных мембранах галобактерий и предложенная модель роли катионов металлов в механизме активного транспорта могут быть использованы при разработке фотохромных и электрохромных систем на основе бактериородопсина.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Костюченко, Ирина Георгиевна, 2000 год

1. Тимашев С.Ф. Физико- химия мембранных процессов. //1988. М. Изд. Химия С. 179218.

2. Озерин А.Н., Ребров А.В., Якунин А.Н. и др. // Высокомол. Соед. А. 1986. Т.28. № 2. С.254-259.

3. Товбин Ю.К., Васюткин Н.Ф. // ЖФХ. 1993. Т. 67. № 3. С. 524.

4. Товбин Ю.К. Рентгеноструктурный анализ аморфной части перфторированных сульфокатионитовых мембран. // ЖФХ. 1998. Т. 72. № 1. С. 55-59.

5. Зезина Е.А., Попков Ю.М., Тимашев С.Ф, Конкурирующий электро-массо перенос ионов и через перфторированную мембрану. // Электрохимия 1997.

6. Валуев В.В., Нидченко О.Ю., Семина Н.В. и др. // Сорбционные свойства сульфонатсодержащих ароматических полиамидов. // ЖФХ. 1994. Т.68. 9. С.1667-1672.

7. Волков В.И и др. //ДАН СССР. 1984. Т.276. №2. С.395-400.

8. Волков В.И., Сидоренкова Е.А., Тимашов С.Ф., Лакеев С.Г. Состояние и диффузионная подвижность молекул воды в перфторированных сольфокатионитовых мембранах по данным протонного магнитнитного резонанса. // ЖФХ 1993 Т.6. №5. С.1014-1018.

9. Воробьев А.В. Влияние структуры перфторированных сульфокатионитовых мембран на «облегченный» перенос диоксида углерода. ЖФХ 1998 Т72 н11 с2027-2032.

10. Химические применения мессбауэровской спектроскопии. Под редакцией Гольданского В.И., Крижанского Л.М., Храпова В.В. //1970. Изд. «Мир». С. 9-247; 437494.

11. Tovbin Y.K., Vasyatkin N.F. Theoretical ivestigation of water sorption in perfluorinated sulfocationoc membranes. // Colloids and Surfaces A 1999. V.158. p. 385-397.

12. Morup S. and Knudsen J.E. Messbauer spectroscopy applied to solution chemistry. // Acta Chemica Hungaria. 1986 V.121 (1-2) p.147-171.

13. Vertes A., Koreez L., Burger K. Messbauer Spectroscopy. 1979. Elsever. Amsterdam.

14. Vertes A. and Czaco-Nacy I. Messbauer studies on the structure of solutions. // Acta Chemica Hungaria. 1986 V.121 (1-2) p.215-231.

15. Mulay L. N. Stlwood P.W. // J.Am.Chem.Soc. 1955. V.77. p.2693.

16. Суздалев И.П. Динамические эффекты в гамма- резонансной спектроскопии. // 1979. Атомиздат. С. 94-97.

17. Rodmacq В. et.al. Messbauer investigation of Nafïon membranes. // Rev. Phys. Appl. 1980. V.15 p. 1179- 1182.

18. Rodmacq B. et.al. Messbauer spectroscopy of Nafion polymer membranes exchanged with Fe2+, Fe3+ and Eu3+. // Journal of Polymer Science 1982 Y.20 p.603-621.

19. Rodmacq B. et.al. Water Absorption in Neutralized Nafion Membranes. Water in Polymers American Chemical Society 1980. p.487-501.

20. Morup S., Dumesic J.A. and Topsoc H. //Application of Mosbauer Spectroscopy 1980. v. 11 ed.R.L.Colen (Academic Press,N-Y,) p. 1-53.

21. Brawn W.F, // J.Appl.Phys. 1959, v.30. Suppl.1305; Appl.Phis. 34 (1963) p.1319; Phys.Rev. 130 (1963) p. 1677.

22. Aharani A. Phis.Rev. 1964. v.135. p.1447.

23. Wilkler W. Mossbauer studies of small magnetite particles of magnetic fluid. // Phys. Stat. Sol. 1984. V.84. p. 193-198.

24. Meagher A., Rodmaq В., Coey J.M.D. and Pinery M. Mossbauer and electron microprobe studies of precipitation in Nafion ion exchange membranes. // Reactive Polimers. Elsever Science Publishers B.V. Amsterdam. 1984. V.2. p.51-59.

25. Pinery M., Jesior J.C. and Coey J.M.D. Iron oxide particles in perfluorosulfonate membrane. //J. Membr. Sci. 1985. V.24. p. 325-334.

26. Rodmaq B. Superparamagnetic properties of small iron hidroxide precipitates in ion exchangr membranes. // J.Phys.Chem. Solids. 1984. T.45. p. 1110.

27. Van der Kraan A.M. and Van Loef J.J. // Phys. Lett. 1966. N 20. p.614 .

28. Plachinda A.S., Makarov E.F. Mossbauer investigation of the glass to cristall transformation in frozen aqueous FeCl3 solutions // Chem.Phys.Lett. 1972 15(4) 627-630

29. Чибирова Ф.Х. и др. Применение эффекта Мессбауэра для исследования перфторированных ионообменных мембран. // Изв. АН сер.физ. 1986. Т. 50. № 12. С. 2425-2430.

30. Чибирова Ф.Х. и др. Применение эффекта Мессбауэра для исследования субмикроструктуры перфторированных ионообменных мембран. ЖФХ 1988. T. LXII. №З.С. 645-651.

31. Чибирова Ф.Х., Захарьин Д.С., Седов Д.Е. и др. // Химическая физика. 1987. Т.6. № 8. С.1137.

32. Chibirova F.Kh. and Timashev S.F. The impact of external conditions on the structure of prefluorinate ion-exchange membranes, determined by means of Mossbauer spectroscopy. // Macromol. Chem., Macromol. Symp. 1989. T.27. P.311-318.

33. Rodmaq B. et.al. // Ibid. 1982.V.20. P.603-621.

34. Mitrofanov K.P., Gor'kov V.P., Plotnikova M.V., Reiman S.I. Determination of the Messbauer effect probability using resonance detectors. // Nuclear Instruments and Methods. 1978. № 155. P.539-542.

35. Mitrofanov K.P., Gor'kov V.P., Plotnikova M.V. The parameters of messbauer spectra taken by means of resonance detectors. // Nuclear Instruments and Methods. 1977. № 144. P. 263269.

36. Николаев B.H., Русаков B.C. Мессбауэровские исследования ферритов. // 1985. Издательство Московского Университета.

37. A.M.Afanas'ev, E.Yu.Tsymbal. Hyp.Int. 1990. Т.62. с. 959.

38. Tsimbal Е.А., Chibirova F.Kh., Kostjuchenko I.G. Magnetic relaxation and submicristructure of iron hydroxide precipitates in ionomer membrane. // J. Magnet. Materials. 1994 v. 136 P.197.

39. Dormann. J.L. //Rev.Phys.Appl. 1981. V.16. p.275.

40. S.Morup, M.B.Madsen, J.Franc, J.Villadsen and C.J.W Koch. // J.Magn.Mater. 1983. У.40. p.163-174.

41. F.Hartmonn-Boutron, A.Aot-Bahammon and C.Meyer. //J.Physique 1987. У. 48. p.435.

42. Кирш Ю.Э. Тимашев С.Ф. // ЖФХ. 1991 т.65 № 9 С.2469

43. Кирш Ю.Э. // Журн. прикл. химии. 1994. Т. 67. №2. С. 177.

44. Кирш Ю.Э., Федотов Ю.А., Иудина Н.А., Артемов Д.Ю., Януль Н.А. Некрасова Т.Н. Высокомолек соед. 1991. т 33 А № 5 С 1127.

45. Максимычев А.В., Волков В.И., Левин Е.В., Гасюк О.В., Муромцев В.И., Тимашев С.Ф., Чекулаева Л.Н. //Биол. мембраны 1991. Т.8. 42. С.1260-1268.

46. Максимычев А.В, Волков В.И., Левин Е.В., Хуцишвили В.Г., Чекулаева Л.Н., Тимашев С.Ф. //ЖФХ 1994. Т.68. №9. С.1701-1708.

47. Oesterhelt D, Krippahl G. //FEBS Lett. 1973. V.36. P.72-76.

48. Khorana H.G. //J. Biol. Chem. 1988. V.263. No.16. P.7439-7442.

49. Greenhalgh D.A., Altenbach C., Hubbell W.L, Khorana H.G. //Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1991. V.88. P.8626-8630.

50. Stern L.J., Ahl P.L., Marti Т., Mogi Т., Dunach M., Berkowitz S., Rothschild K.J., Khorana H.G. //Biochem. 1989. V.28. No.26. P.10035- 10042.

51. Henderson R., Baldwin J.M., Ceska T.A., Zemlin F., Beckmann E., Downing K.H. //J. Mol. Biol. 1990. V.213. P.899-929.

52. Zimanyi L., Varo G., Chang M., Ni В., Needleman R., Lanyi J.K. //Biochem. 1992. V.31. P.8535-8543.

53. Greenhalgh D.A., Altenbach С., Hubbel W.L., Khorana H.G. //Proc. Natl. Acad. Sei. USA1991. V.88. P.8626-8631.

54. Marti Т., Otto H„ Rosselet S.J., Heyn M.P., Khorana H.G. //Proc. Natl. Acad. Sei. USA1992. V.89. P.1219-1223.

55. Subramaniam S., Greenhalgh D.A., Rath P., Rothschild K.J., Khorana H.G.// Proc. Natl. Acad. Sei. USA 1991. V.88. P.6873-6877.

56. Greenhalgh D.A., Subramaniam S., Alexiev U., Otto H., Heyn M.P., Khorana H.G. //J. Biol. Chem. 1992. V.267. No.36. P.25734-25738.

57. Gervert K., Hess В., Engelhard M. //FEBS Lett. 1990. V.261. No.2. P.449-454.

58. Subramaniam S., Greenhalgh D.A., Khorana H.G. //J. Biol. Chem. 1992. V.267. No.36. P.25730-25733.

59. Kates M., Kushwaha S., Sprott G. //Meth. Enzymol. 1982. V.88. P.98-111.

60. Sternberg В., L'Hostis C., Whiteway C.A., Watts A.// Biochim. Biophys. Acta 1992. V.l 108. P.21-30.

61. Oesterhelt D. //Progr. Mol. Subcell. Biol. 1976. V.4. P.136

62. Bayley S.T., Morton R.A. //Crit. Rev. Microbiol. 1978. V.6. P.151

63. Чекулаеа Л.Н., Циренина M.JI., Вавер B.A. //Укр. Биохим журн. 1980. Т.52. Ч. С.429-433.

64. Chang С.-Н., Chen J.-G., Govindje R, Ebrey T.G.// Proc. Natl. Acad. Sei USA 1985. V.82. No.2. P.396-400.

65. Szundi I., Stoeckenius W. //Biophys. J. 1989. V.56. P.369-383.

66. Dunach M., Padros E., Muga A., Arrondo J.L.R. //Biochem. 1989. V.28. P.8940-8945.

67. Roux M., Seigneuret M., Pigaud J.-L. //Biochem. 1988. V.27. No.18. P.7009-7015.

68. Chang C.-H., Jonas R., Govindje R., Ebrey T.G.// Photochem. Photobiol. 1988. V.47. No.2. P.261-265.

69. Chronister E.L., Corcoran T.C., Song Li, El-Sayed M.A. //Proc. Natl. Acad. USA 1986. V.83. No.23 P.8580-8584.

70. Drachev L.A., Kaulen A.D., Khitrina L.V., Skulachev V.P. //Eur. J. Biochem. 1981. V.l 17. No.3. P.461-467.

71. Шкроб A.M., Родионов A.B.// Биоорган химия 1978. Т4. Ч. С.500-513.

72. Engelhard M, Kohl K.D., Muller K.H., Hess В., Heidemeier J., Fischer M., Parak F. //Eur. Biophys. J. 1991. V. 19. No.l. P.l 1-18.

73. Parak F., Finck P., Kucheida D., Mossbauer R.L. //Hyperfine Interactions 1981. V.10. P. 1075-1078.

74. Parak F., Knapp E.W, Kucheida D. //J. Mol. Biol. 1982. V. 161. P.l77-194.76. 76.Parak F, Reinisch L. //Meth. Enzym. 1986. V.131. P.568-607.

75. Zhilinskaya E.A, Lazukin V.N, Bychkov E.A, Likholit I.L. //J. Non-Crystal line Solids 1990. V.119. P.263-268.

76. Дьяков Ю.А,ТовбинЮ.К.//ЖФХ 1995. No7 1233-1236.

77. Kim S.R, Galland D. Pineri M. Coey J.M.D. Microstructure studies of perflurocarboxylated ionomer membranes. // J. Membr.Sci. 1987. 30. 171-189.

78. Волков В.И, Гладких C.H, Тимашев С.Ф. // Хим. Физика 1984. № 1. С. 49-53.

79. Хитрина Л.В., Каулен АД. //Биол. мембраны 1992. Т.9. '3. С.259-262.

80. Papadopulos G, DencherN.A, Zaccai G, Bueldt G. //J. Mol. Biol. 1990. V.214. No.l. P.l5-22.

81. Неорганическая биохимия/ Ред. Г. Эйхгорн. М. Мир, 1978. Т.1. 711 с.

82. Zhang Y.N, Sweetman L.L, Awad E.S, El-Sayed M.A. //Biophys. J. 1992. V.62. P.1201-1206.

83. Jaffe J.S, Glasser R.M. //Ultramicroscopy 1987. V.23. No.l. P.17-28.

84. Ariki M, Lanyi J.K. //J. Biol. Chem. 1986. V.261. No.l8. P.8167-8174.

85. Engelhard M, Pevec B, Hess B. // Biochem. 1989. V.28. No.13. P.5432-5438.

86. Dunach M, Seigneuret M„ Rigaut J.L. Padros E. //Biochem. 1987. V.26. No.4. P.l 1791186.

87. Mitra A.K, Stroud R.M. //Biophys. J. 1990. V.57. No.2. P.301- 311.

88. Di Cera E. //J. Chem. Phys. 1992. V.96. No.9. P.6515-6522.

89. Renthal R, Shuler K, Regalado R. //Biochim. Biophys. Acta 1990. V.1016. No.3. P.378-384.

90. Bashford D, Gerwert K. //J. Mol. Biol. 1992. V.224. P.473-486.

91. Marque J., Kinosita К., Govindjee R., Ikegami A., Ebrey T.G., Otomo J. //Biochem. 1986. V.25. P.5555-5559.

92. Katre N.V, Kimura Y., Stroud R.M. //Biophys. J. 1986. V.50. P.277-284.

93. Dunach M., Seigneuret M., Rigaut J.L. Padros E. //J. Biol. Chem. 1988. V.263. P.17378-17384.

94. Corcoran T.C., Ismail K.Z, El-Sayed M.A.// Proc. Natl. Acad. Sei. USA 1987. V.84. P.4094-4098.

95. Nienhaus G.U. et al. //Nature 1989 V.338. p.665-666.

96. Parak F. Et.al. //Eur.Biophys.J. 1987. V.l5. p.237-249.

97. БалашовС.П., Литвин Ф.Ф. Фотохимические превращения бактериородопсина. // М. Изд-во МГУ, 1985. 163 с.

98. Koch M.H.J., Dencher N.A., Oesterhelt D., Plohn H.-J, Rapp G, Buldt G. //EMBO J. 1991. V.10. No.3. P.521-526.