Диссертация (1104736), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Были проверены разные крупнозернистые модели системы и их влияниена тип образующейся структуры [147-148,128], их верификация на основе экспериментальныхданных позволила оставить представленную на Рисунке IV.2 КЗ модель как наиболееподходящую.63Рисунок IV.2. Крупнозернистая модель a) фосфатидилхолина и двух типов СЖК: б)натриевой соли холевой кислоты (СХК), в) натриевой соли дезоксихолевой кислоты (СДК).Цветом выделены частицы КЗ модели и соответствующие им условные обозначенияподсистем из Таблицы IV.1. Гидрофильные части СЖК отмечены желтым, тип О(2), изеленым, тип О(3), лецитина – фиолетовым цветом, тип P, и красным цветом, тип О(1),гидрофобные части окрашены в серый цвет, тип С.
Цветовая гамма для каждого компонентасистемы сохраняется на рисунках далее в Главе IV и Главе V. Равновесный валентный уголдля СЖК отмечен как = .IV.2.2. Параметризация валентно-силового поля. Для параметризации предложеннойкрупнозернистой модели использовался подход, описанный в Разделе I.4. Сначалаиспользовался метод групповых инкрементов Аскадского, для расчета молярных объемов и параметров растворимости молекулярных фрагментов согласно КЗ разбиению на РисункеIV.2. Средний молярный объем ДДЧ частицы , необходимый для расчета параметраФлори-Хаггинса(I.14),рассчитывалсякаксреднееарифметическоекаждогомолекулярного фрагмента.
Затем рассчитанные значения по инкрементам энергии были64проверены с помощью компьютерного моделирования методом МД с использованием ВСПPCFF [141].Согласно теории Гильдебранда вещества с близкими будут смешиваться, то естьвзаимно растворяться, однако, это верно только в случае отсутствия специфическихвзаимодействий.
Наличие сильно полярных или заряженных групп может приводить ксмешению веществ большим отличием . Так, согласно подходу групповых инкриментовчастицы типа P, представляющие заряженные части лецитина (холиновую и фосфатнуюгруппы), имеют параметр растворимости ~25 , что говорит о том, что их сродство кнеполярному растворителю выше, чем к полярному, например, к воде. Поэтому при выборепараметров растворимости для частиц типа P, были взяты значения, посчитанные методомМД. Значения остальных параметров растворимости отличались незначительно, поэтомудалее в моделировании для всех ДДЧ частиц, кроме типа P, использовались значения,посчитанные методом инкрементов. Значения параметров растворимости представлены вТаблице IV.1.
Для параметров взаимодействия полярных или заряженных частиц одного типавводилось небольшое отталкивание (метод ДДЧ не предполагает сил притяжения).Таблица IV.1. Условные обозначения молекулярных фрагментов соответствующих КЗчастиц, их химическая структура и параметр растворимости Гильдебранда.65IV.2.3. Параметры компьютерного эксперимента. Для моделирования была выбрана ячейкаразмером 60 × 60 × 60 σ3 (σ – диаметр частицы моделирования σ), содержащая 648000 (~106)частиц. Температура в методе ДДЧ задается равной 300 . Для контроля прихода системы кравновесию рассматривались временные ряды энергии системы и распределения мицелл поразмерам.
Обычно для уравновешивания системы требовалось около 0.5 млн. шаговмоделирования. Полное время моделирования составляло около 1.5-2 млн. шаговмоделирования Δ для накопления статистических данных и усреднения временных рядовизмеряемыхпараметров,такжепроводилосьдополнительноеусреднениепотремнезависимым расчетам системы из начального состояния.На основе выбранной схемы огрубления (см.
Рисунок IV.2) можно оценить реальныевременные и пространственные масштабы, достижимые в рамках данного компьютерногоэксперимента. Диаметр частицы моделирования σ~ 7Å , таким образом, размер ячейкимоделирования 60 × 60 × 60 σ3 соответствует реальному объему ~420 × 420 × 420 Å3 .Согласно работе [108] Δ~ 41 пс, что соответствует общему времени моделирования ~ 80 мксдля 2000000Δ ; таких временных масштабов довольно трудно достичь с помощьюатомистической МД для заданного размера системы.Объемная доля лецитина была фиксирована = 0.05, в то время как количество СЖКварьировалось, общая объемная доля всех компонентов, включая растворитель, составляла = 1. Для описания состава системы используется молярное отношение СЖК к лецитину0 ∈ [0.133; 0.6].IV.3. Результаты и обсуждениеIV.3.1.
Морфология мицелл. Фосфолипиды в органическом растворителе, как правило,образуют инвертированные сферические или эллипсоидальные мицеллы [127]. Морфологиямицелл в смесях лецитина и СЖК зависит от их молярного отношения 0. Визуальный анализмолекулярных агрегатов на Рисунке IV.3 а показывает, что молекулы лецитина и СЖК прималых значениях 0 = 0.1 в растворе гексана самоорганизуются в малые мицеллыэллипсоидальной формы близкой к сферической. При увеличении концентрации СЖК всистеме наблюдается уменьшение количества мицелл и увеличение их длины за счетагрегации.
СЖК благодаря своей особой геометрии молекул способствует увеличениюплощади поверхности мицелл лецитина, меняя эффективную форму мицелл с эллипсоиднойна цилиндрическую. На Рисунке IV.3 б показана типичная морфология цилиндрическоймицеллы при 0 = 0.5. Частицы типа С, соответствующие неполярным частям лецитина и66соли желчной кислоты, формируют оболочку мицеллы, в то время как ядро мицеллы состоиттолько из полярных частиц (тип P, O(1), O(2), O(3)). В рамках предложенного КЗпредставления, молекулы СЖК при встраивании в инвертированные мицеллы лецитинаувеличиваютобъемядра,сформированногогидрофильнымигруппамилецитина,значительнее, чем площадь поверхности сформированную гидрофобными частицами,поскольку объем поверхностного слоя мицеллы лецитина больше объема его ядра (см.Рисунок IV.2). В результате, объем ядра мицеллы растет быстрее, чем объем поверхностногослоя и возникает потребность в увеличении эффективной площади поверхности мицелл,приводящая к слиянию мицелл и образованию сильно вытянутых структур, напоминающихизогнутые «сплющенные» цилиндры (имеющие эллиптическое поперечное сечение, см.Рисунок IV.3 б).Рисунок IV.3.
а) Структуры, формирующиеся в растворе гексана и лецитина, при увеличенииконцентрации СЖК. Объемная доля лецитина фиксирована и равна = . . Слевапредставлена система с молярным отношением СЖК к лецитину = . , справа – =. . Растворитель (гексан) не показан на рисунке. б) Типичная морфология цилиндрическоймицеллы: ядро, сформированное гидрофильными группами, и оболочка мицеллы, состоящаяиз гидрофобных групп, в плоскости OXY и OXZ.Простые геометрические расчеты помогают понять наблюдаемое увеличение длинымицелл лецитина с введением в раствор СЖК.
Благодаря особому янусоподобному строению,молекулы СЖК при встраивании в сферические мицеллы лецитина вносят больший вклад вобъем поверхностного слоя, чем в объем ядра. Из геометрии предлагаемой КЗ модели (см.Рисунок IV.2) видно, что молекулы лецитина склонны образовывать сферические мицеллы, а67СЖК – дискообразные мицеллы. Объемное отношение гидрофильных и гидрофобных частицв случае чистого раствора лецитина равно двум (4 гидрофобные частицы типа С и 2гидрофильные частицы типа О(1) и Р), в общем случае, оно зависит от молярного отношенияСЖК к лецитину, например, оно равно 7/5 = 1.4 для 0 = 1.Какие геометрические объекты мы можем получить, если предположим, что всегидрофильные частицы образуют плотное ядро и полностью покрыты всеми гидрофобнымичастицами? В идеальном случае существуют три типа возможных объектов – сферы,цилиндры или диски.
Гидрофильное ядро (внутреннее пространство) этих объектов должнобыть компактным, поэтому сфера и цилиндр могут иметь радиус не более двух (двегидрофильные группы лецитина вытянуты в линию), диск также может иметь толщинувнутренней части не более двух (единица длины ). Для простоты не будем учитыватькраевые эффекты, таким образом, длина цилиндра и диаметр диска могут быть сколь угоднобольшими.
Однако, большое количество малых объектов (дисков или цилиндров) будетпредпочтительнее одного большого объекта из-за энтропийного вклада в свободную энергию.Ядро любой формы должно быть покрыто гидрофобным поверхностным слоем слинейным размером около единицы. Для сфер отношение объема поверхностного слоя кобъему ядра равно 2.4 (почти такое же, как объемное соотношение гидрофобных игидрофильных частиц для чистого лецитина). Для цилиндров ⁄ = 5/4 = 1.25, чтосоответствует примерно объемному соотношению гидрофильных и гидрофобных частиц всмеси лецитина и СЖК с молярным отношением 0 = 1 .
Эти простые геометрическиерасчеты подтверждают, что наша КЗ модель (см. Рисунок IV.2) разумно учитывает наиболееважные особенности реальной системы.IV.3.2. Кластерный анализ. Для исследования распределения числа частиц в мицеллахиспользовалась процедура кластерного анализа системы, позволяющая выделять молекулярныеагрегаты и исследовать их свойства.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
