А.Р. Хохлов, С.И. Кучанов - Лекции по физической химии полимеров (1109463), страница 9
Текст из файла (страница 9)
зываются полиэлектролитами. Заряды на мономерных звеньях возникают при диссоциапии нейтральных мономерных звеньев с образованием заряженного мономерного звена и контриона. Наиболее важными полиэлектролитами являются биологические макромолекулы: ДНК и белки. В качестве примера применения теории рептаций рассмотрим гель-элекзпрофорез полиэлектролитов, имея в виду прежде всего молекулы ДНК.
Метод гель-электрофореза используется при разделении фрагментов цепи ДНК разной длины и состава. Гель представляет собой набухшую полимерную сетку. В ходе гель-электрофореза отрицательно заряженные молекулы ДНК (с общим зарядом Я) движутся через гель во внешнем электрическом поле Е (рис. 5.10). Скорость движения зг зависит от длины цепи; с учетом этого достигается разделение молекул ДНК различной длины. Рнс. 5.10.
Молекула ДНК, движущаяся через гель под влияние и электрического поли. 5.4. Гель-эле т еяь-электрофорез н гель-зтроникающая «роматограф 61 Рнс. 5.11. Пень пНК "од~ Форетического движения. " у -ие геля разделение не происходит. ДеР= ЕС гй о сила ~, действующая в растворе на свободн е РУ ' ~т~роньц Р = >з.и, где и — коэффициент т е цепи ДНК. Таким обра о,, — д / ттРениЯ различных частей молекулы ДНК независимо' поэ о', поэтому и не зависит от Г, и молекулы ДНК в растворе (без геля) разделить нельзя. В геле молекулы ДНК находятся в эффективных «трубках> н движутся посредством рептаций.
Разделим макромолекулу на небольшие фрагменты и будем учитывать только силы, действ ю ие рубки. Силы в направлении, перпендикулярном оси трубки, у щие уравновешиваются реакцией самой трубки. Отсюда следует (рис. 5.11) Ез = ~~', Е = — ~~~ з58з~ Е = (5 23) «,)ЬЯ, г„з / 1 ЯВ.Е С йо — коэ корость движения вдоль трубки равнаи = К/ . — зг', з/Ри где Д = Ре о — коэффиниент трения одного мономерного звена.
Таким образом, «,зЛЕ ьззоз>г П оскольку «з Г, Л зуз/г (в слабом поле), Х Ь получаем чт , что величина и пропорциональна 1/з,ззг (илн 1/Юззг'. Э означает что в или /,'. то то в геле короткие цепи движутся быстрее, и поэ озмохгно . тому .но разделение фрагментов ДНК разной длины. в сильных полях молекула ДНК вытягивается, Н стаОднако рци ным Х и разрешающая способность метода овится прона аваль ь-электрофореза сильно уменьшается. Для решения этой про- Гл. 5. Вязкость полимерных систем 62 Рис. 5.12.
ДНК в геле под действием двух альтериирующих взаимно перпенпнкулярных электрических полей. блемы был предложен следующий метод. Через каждый интервал времени т' направление полл изменяется на угол (т'— эта время обновления первоначальной трубки в ходе рептаций) (рис. 5.12).
Тогда, цепь не успеет вытянуться за один цикл. Таким путем можно сохранить хорошее разрешение метода гельэлектрофореза Д ф . ДНК даже в случае достаточно сильного поля. б.в.2. Гель-проникающая хроматография Поскольку мы рассмотрелн метод гель-электрофореза, который используется для разделения макромолекул полиэлектролитов различной длины, имеет смысл кратко обсудить здесь и метод гель- проникающей хроматографии. Этот метод также основан на идее разделения цепей по длинам в процессе их движения через микро- пористую среду (гель), находящуюся в хроматографической колонке. Основные отличия этого метода от метода гель-электрофореза можно сформулировать следующим образом.
1. Причина, вызывающая движение, — это градиент давления (возникающий вследствие продавлнвания полимерного раствора через хроматографическую колонку), а не электрическое поле. Поэтому данный метод можно применять ко всем полимерам, а не только к заряженным. 2.
Среда в хроматографической колонке чаще всего представляет с обой твердый л«икропористый материал, а не набухгпий мяты наикий гель. В противоположность гель-электрофорезу размеры н больших пор обычно намного больше размеров клубка (хотя разме рыпр пор могут изменяться в широком диапазоне). ычном эке 3. В противоположность гель-электрофорезу в обычн, кяюзионнол«режиме гель-проникающей хроматографии (в отсу« 5А. Гель-алеки о 'Роф рез и гвльчзроиикзюгпая хроматография 63 ствие специ ических ные спи д .
взаимоденствий полимера с кало й д нко лини н ц . вижутся быстрее. Объяснение; ие; короткие цепи мог т ро икать даже в малые поры мик по ист у' длинные пепи ° виж т пористой системы, тогда как м «э е пепи движутся только через очень большие . П у .
ффективный путь> для длиннс«х ие поры. оэто- С г ых цепеи короче. уществует другой режим, нззляваел«ый адсо б и тог фией кот а л«ы а сор ционной хромак опо истой раф .", "да полимерные цепи притягиваю ва тся к стенкам мир р системы колонки и «прилипают» к ним. В этом энергия «прилипан д » к ним. этом случае медленнее.
ия» для линных елей вь ц . ппе и они движутся 65 Рззбнвяенный РЗЕ1НЛР Канвюрирлнанный Пллиыерннй Рзсглер рзслллв Павразйзвпенный Пктнр 1 Ф* зз11/2 ' Концентрированные полимерные растворы 6.1. Возможные области ти концентраций поли р мерных растворов т 1 . астворы полимеров, т зивали разбавленные ра Д сих пор мы рассматр м раздела, посвящен- цепей (за исключением )Т,р име ных систем с запеплениями, ного вязкости полимерн , 1 ь|е свойства кенцентриро- трим более послед1 овательно равновесные 1 ающимися клубками. налиме ое с перекрьюаю тотво а полимера при котВначале определи м концентрацию раств р ., т .
Т я ситуация показана рой " клубки начинают п р р е ек ываться. акая но что концентр ация перекрывания . 6.1. Из этого рисунка вид с е няя концентра- рис. й того же порядка что и сред с* является величина того ция внутри одного клубка: Х М 1 (6.1) 4 222 21из1газ о,У~(~аз' -л12 о з С твующа,я объемная д оля Ф равна оответс (6.2) и очень низких пе ек ывание возникает пр Поскольку Ф" (( 1, перекр е. Следовательно, существу- концентрациях с* полимера в растворе. ледов ю ее началу перекрыв ання клубков Рнс.
6.. о .1. С стояние, соответству щ в р астворе полимера. 6.2. Экрввнрование исключенного объема о -о,г 1 ф фк пэгт 1 Рнс. 6.2. Диаграмма возможных концентрационных режимов полимерных растворов. ет широкая область концентраций, где а) клубки перекрываются и сильно зацеплены; б) Ф « 1. Такие растворы называются полуразбавленнмми. Область полуразбавленных растворов схематически показана на рис. 6.2. Его левой границей является концентрация перекрывания Ф' « 1, тогда как правая граница не имеет четкого определения, Обычно, если объемная доля Ф больше, чем примерно 0,2, растворы уже нельзя рассматривать как полуразбавлеиные.
Такие растворы называются концентрированными. Наконец, случай Ф = 1 соответствует отсутствию растворителя, т,е. полимерному расплаву. Существование области полуразбавленных растворов — это специфическая черта полимерных сисгаем, связанная с тем, что 11'»1; для низкомолекулярных растворов такой области не существует. Обвемнел доля полимера Ф*, соответствующая области перехода между двумя режимами, для б-растворителя (идеальные клубки) равна поскольку в этом случае о 1, а для хороших растворителей (набухшие клубки) 1 1 Ф' озД11~2 111415: так как для этого случая о 111111е (см. уравнение (3,13)).
6 2. Экранирование исключенного объема и полуразбавленных и концентрированных Полимерных растворах 1то происходит с цепями, набухшими (благодаря исключенному объему) в хорошем растворителе выше концентрации перекрыва- 66 Гл. 6. Концентрнрованные полимерные растворы ния? Важным является представление об экранировке езаи Одейстеий исключенного объема в концентрированных растворах (Флори, Эдвардс): по мере роста концентрации цепей в области с > с* набухание клубка постепенно уменьшается и окончательно исчезает е раснлаее (т. е. клубки являются идеальными в расплаве полимера — теорема Флори). Дадим качественную иллюстрацию представлений об экранировании исключенного объема в концентрированных системах, Экранирование означает появление лрилъяженил, компенсирующего отталкивание.
Природа такого дополнительного притяжения иллюстрируется на рис. 6.3. Рассмотрим взаимодействие двух твердых частиц с исключенным объемом (обозначенных сферами) на решетке (рис. 6.3, а). В отсутствие любых других частиц две данные частицы отталкиваются друг от друга из-за наличия исключенного объема. Теперь предположим, что эти пробные частицы погружены в жидкость, состояп1ую из димеров (днмеры обозначаются на рис, 6.3 эллипсоидальными части, занимающими на решетке две ячейки). В случае реализации ситуации рис. 63, б, когда пробные частицы разделены более чем одним ребром решетки, число, исключенных» положений для частицы димера равно 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
