Коллоидно-химические свойства смесей лизоцим-ПАВ в системе водный раствор-октан, страница 14

31. Изотермы поверхностного натяжения смесей Lz – SDS с концентрацией белка 0,01 г/л(♦) и 0,1 г/л (▲) на границе водный раствор/воздух (а) и раствор/октан (б).В отличие от смеси с DTAB, межфазное натяжение смешанного раствораLz – SDS начинает снижаться при концентрации 10-5 М, на порядок меньшей, чему индивидуального SDS. Начало снижения межфазного натяжения соответствуетмольному соотношению в водной фазе SDS:Lz ≈ 10:1 для растворов белка концентрацией СLz = 0,01 г/л, SDS:Lz = 1:1 в растворах СLz = 0,1 г/л и 1 г/л. При этомсоотношение SDS:Lz в адсорбционном слое составляет 9:1 (СLz = 0,01 г/л) и 8:1(СLz = 0,1 г/л).

По-видимому, указанные соотношения SDS:Lz соответствуют стехиометрии гидрофобного комплекса. При концентрации ПАВ 10-5 М лизоцим сохраняет свое присутствие в адсорбционном слое, и величина его адсорбции превышает соответствующее значение для индивидуального белка (рис. 19). Адсорбция SDS из бинарного раствора, начиная с концентрации ПАВ 3·10-5 М, увеличи-81вается и превышает адсорбцию индивидуального SDS (рис. 20б).

Это значит, чтов области концентраций SDS 10-6 – 10-4 М происходит совместная адсорбция гидрофобного комплекса Lz – SDS и молекул SDS. Схема процесса представлена нарис. 32.Рис. 32. Формирование гидрофобного комплекса Lz – SDS.При дальнейшем увеличении концентрации SDS на изотермах межфазногонатяжения на границе с октаном в области концентраций ПАВ 10 -4 – 10-3 М наблюдается слабо выраженное плато, после которого происходит дальнейшее снижение натяжения до постоянной величины при 10-3 – 5·10-3 М.

Согласно литературным данным [1, 67, 78], наличие плато на изотермах поверхностного натяжения смесей полимер – ПАВ и белок – ПАВ может свидетельствовать об образовании ассоциатов между компонентами в водном растворе. В нашем случае ассоциат представляет собой гидрофильный комплекс Lz – SDS, образующийся по механизму гидрофобного связывания. Адсорбция Lz из бинарного раствора начинаетснижаться при концентрации SDS выше10-4 М, что согласуется с предположениемо формировании гидрофильного комплекса в этой области концентраций SDS.При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ поверхностное натяжениеснижается до постоянных значений, меньших поверхностного натяжение индивидуального SDS; выход на постоянные значения происходит при концентрациях,существенно меньших ККМ SDS.

Последний результат позволяет сделать вывод отом, что белок индуцирует мицеллообразование в растворах SDS.Для смесей Lz – SDS с концентрацией белка 1 г/л изотермы межфазного натяжения имеют вид, отличный от изотерм для других концентраций белка82(рис.

33). В области концентраций SDS 2·10-4 – 10-3 М в водном растворе выпадаетосадок Lz – SDS, что приводит к снижению концентрации веществ в объеме фаз ина межфазной поверхности. Поверхностное натяжение в этой области концентраций возрастает, а потом снова снижается после растворения осадка.Рис. 33. Изотермы поверхностного натяжения смесей Lz – SDS с концентрацией Lz 1 г/л награнице раствор/воздух (1) и раствор/октан (2).Формирование осадка начинается при мольном соотношении SDS:Lz в водном растворе ≈ 1:1, а его растворение происходит при соотношенииSDS:Lz ≈ 15:1.

Полученный результат хорошо согласуется с литературными данными, согласно которым при добавлении SDS к раствору Lz 1 г/л осадок начинаетобразовываться при мольном соотношении SDS:Lz = 1:1, а растворяется приSDS:Lz ≥ 19:1 [14, 20, 23 – 25]. В цитируемых работах изучали водные растворы снизкой ионной силой и полагали, что в осадок выпадает электронейтральныйкомплекс со стехиометрией Lz(SDS)8. Повторное растворение осадка достигаетсяпри избыточном связывании анионного ПАВ с комплексом, после полной компенсации заряда Lz (общее число положительно заряженных групп на макромолекуле Lz 19).Для смесей Lz – CAPB на начальных участках изотерм межфазного натяжения (С 10-6 – 10-5 М) значения σ соответствуют значениям для индивидуальноголизоцима (рис.

26). Затем, при увеличении концентрации CAPB, натяжение снижается и выходит на плато при концентрации 2∙10-5 – 2∙10-4 М. С ростом концен-83трации белка область плато расширяется. На изотермах межфазного натяжения награнице вода/октан область плато выражена слабее, чем на изотермах поверхностного натяжения на границе раствор/воздух.

При дальнейшем увеличении концентрации САРВ натяжение снова снижается до минимальных значений, соответствующих (для границы вода/октан) или меньших (для границы вода/воздух) натяжениям раствора индивидуального САРВ.Рис. 34. Изотермы поверхностного натяжения смесей Lz – CAPB с концентрацией белка 0,01г/л (▲) и 0,1 г/л (▲) на границе водный раствор/воздух (а) и раствор/октан (б).Вид изотерм поверхностного натяжения позволяют судить о связываниибелка с ПАВ в водном растворе.

Начиная с концентрации САРВ 10 -5 М, поверхностное натяжение смешанных растворов снижается до значений, меньших натяжения индивидуального белка и ПАВ. Такое снижение можно объяснить формированием гидрофобного комплекса белок – ПАВ, образующегося за счет взаимодействия полярных групп белка и ПАВ.

После начального снижения, натяжение вы-84ходит на плато. В области плато происходит связывание белка с молекулами ПАВв водном растворе, количество «свободных» молекул ПАВ остается постоянным,чем и объясняется постоянство поверхностного натяжения. После завершениясвязывания, наблюдается дальнейшее снижение натяжения и выход на второеплато при концентрации, соответствующей образованию мицелл САРВ в водномрастворе.При концентрации Lz 1 г/л наблюдается резкое снижение поверхностногонатяжения при концентрации САРВ 3·10-5 М, после чего устанавливается примерно постоянное значение σ.

Постоянная величина поверхностного натяжениядостигается при концентрации САРВ 10-4 М, существенно меньшей ККМ(рис. 35). Можно сделать вывод, что лизоцим индуцирует агрегирование CAPB.Рис. 35. Изотермы поверхностного натяжения смесей Lz – CAPB с концентрацией белка 1 г/лна границе водный раствор/воздух (1) и раствор/октан (2).3.4. Определение констант взаимодействия белок – ПАВ в адсорбционных слоях по модели ФайнерманаДля совместного описания изотерм поверхностного натяжения и адсорбциисмесей белок – ПАВ была использована модель Файнермана, описанная в главе1.2 обзора литературы. В модели учитывается, что молекулы на поверхности занимают определенную площадь и взаимодействуют друг с другом.

Площадь, занимаемая молем молекул ПАВ на поверхности, определяется из величин макси-85мальной адсорбции (таблица 2) и составляет3,7·105 м2/моль для DTAB и2,2·105 м2/моль для SDS. Площадь, занимаемая молем воды на поверхностиω0 = 4,95·105 м2/моль [79, 80].Для макромолекулы лизоцима ωmin = 7,72·106м2/моль и ωmax = 2,54·107 м2/моль [79, 213], соответственно, среднее значение ω =1,66 ·107 м2/моль.Для описания адсорбции ПАВ из индивидуальных растворов были использованы уравнения (3-3 – 3-4). Избыток электролита, используемый при приготовлении буферных растворов, приводит к подавлению диссоциации ионогенныхПАВ, поэтому при расчетах использовали уравнения для неионогенных ПАВ:(3-3),(3-4).Расчет адсорбции и поверхностного натяжения для индивидуальных ПАВнеобходим для определения параметра взаимодействия молекул ПАВ в адсорбционном слое as, который в дальнейшем использовали при описании смесей белок –ПАВ.

Величины as были подобраны методом наименьших квадратов таким образом, чтобы расчётные изотермы адсорбции (рис. 36) и приведенного двумерногодавления (рис. 37) совпадали с экспериментальными значениями.Рис. 36. Адсорбция DTAB (a) и SDS (б) из индивидуальных растворов. Точки (♦) – экспериментальные значения, пунктирные линии – расчет по модели Файнермана.86Рис. 37. Зависимость приведенного двумерного давления от концентрации DTAB (a) и SDS (б).Точки (♦) – экспериментальные значения, пунктирные линии – расчет по модели Файнермана.Получено, что параметры аs равны –0,9±0,1 для DTAB и –0,4±0,2 для SDS.Небольшие отрицательные значения констант соответствуют слабому взаимномуотталкиванию молекул ПАВ в адсорбционном слое.В растворах смесей белок – ПАВ, согласно модели, адсорбционный слойсостоит из молекул ПАВ и комплексов белок – ПАВ.

Уравнения двумерного состояния и изотермы адсорбции ПАВ и комплексов белок – ПАВ из смесей белок –неионогенное ПАВ имеют вид:(3-5),(3-6),(3-7).Для растворов смесей Lz – ПАВ были подобраны параметры взаимодействия между комплексами белок – ПАВ aps и комплексами белок – ПАВ с ПАВ asps,позволяющие одновременно описать экспериментальные данные по адсорбцииПАВ (рис. 38), адсорбции лизоцима (рис. 39) и приведенному двумерному давлению(рис. 40). Полученные результаты приведены в таблице 3.87Рис. 38. Адсорбция ДТАБ (а) и SDS (б). Точки (♦) – экспериментальные значения, пунктирныелинии – расчет по модели Файнермана.Рис. 39. Адсорбция лизоцима из смесей Lz – DTAB (а) и Lz – DTAB (б).

Точки (♦) – экспериментальные значения, пунктирные линии – расчет по модели Файнермана.Рис. 40. Зависимость приведенного двумерного давления от концентрации ПАВ. Точки (♦) –экспериментальные значения, пунктирные линии – расчет по модели Файнермана.88Таблица 3.Результаты расчета по модели Файнермана.ПараметрDTAB – Lz4SDS – Lz4bps, л/моль(4,8±0,7)·10bs, л/мольaps(3,0±1,4)·107,7±0,7(1,5±0,5)·1010,5±0,7as–0,9±0,1–0,4±0,2asps2,7±0,41,8±0,54(4,0±0,9)·104Положительные значения aps и asps обусловлены притяжением между комплексами белок – ПАВ и между комплексами и молекулами ПАВ.

По-видимому,при концентрации соли, соответствующей физиологическому раствору, дисперсионные силы притяжения между компонентами адсорбционного слоя превышают силы электростатического отталкивания. Отметим, что для смесей лизоцима ис катионным, и с анионным ПАВ получены одинаковые знаки параметров взаимодействия.3.4. Определение размера частицМетодом динамического светорассеяния изучены растворы лизоцима с концентрацией 0,1 и 1г/л и установлено, что на кривых распределения частиц по размерам при 3,5 нм наблюдается максимум (рис. 41). Полученный максимум соответствует гидродинамическому диаметру белковой глобулы Lz.Рис. 41.