eng
Выпуск #4/2014
В.Анненков, Е.Даниловцева, Т.Ежевская, А.Бубликов
ИЗУЧЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ИК-ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА ФТ-801
ИЗУЧЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ИК-ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА ФТ-801
Просмотры: 2350
Представлены результаты научных исследований группы химии кремнистых наноструктур ЛИН СО РАН, полученные методом ИК-спектроскопии. Измерения выполнены на ИК-фурье-спектрометре ФТ-801 с использованием методик НПВО (нарушенного полного внутреннего отражения), зеркально-диффузного отражения, пропускания (изготовитель оборудования – фирма “СИМЕКС”). Предложены методики определения состава новых синтезированных органических веществ, моделирования процессов биосилификации in vitro, а также стабилизации пластика на основе ПВХ путем добавления диатомита
Теги: diatom algae ftir spectroscopy siliceous nanostructures диатомеи ик-фурье-спектроскопия кремнистые наноструктуры
Группа химии кремнистых наноструктур проводит комплексные работы, включающие идентификацию природных веществ, получение их синтетических аналогов, моделирование биологических процессов in vitro и прямые эксперименты с кремнистыми организмами (диатомовые водоросли, губки), направленные на установление молекулярных механизмов их жизнедеятельности. В представленной работе структуры новых материалов исследовали с помощью ИК-фурье-спектрометра ФТ-801 (рис.1) с набором приставок и приспособлений (рис.2). Диапазон измерений составил 4000–500 см-1 с разрешением 4 см-1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА
НОВЫХ ОРГАНИЧЕКИХ ВЕЩЕСТВ
Полиамины – класс веществ, присутствующих в большинстве живых клеток. Они играют важную роль в экспрессии генов и ряде ферментативных процессов, имеющих отношение к регуляции клеточного роста [1, 2], причем снижение внутриклеточного содержания полиаминов приводит к торможению роста и гибели клеток. Относительно давно установлен и используется в диагностических целях факт повышения концентрации полиаминов при онкологических заболеваниях [3]. К этому классу относят кадаверин, путресцин, спермидин, спермин и ряд менее распространенных аминов с тремя и четырьмя атомами азота, содержащих мостики из трех или четырех метиленовых групп.
Необычные полиамины обнаружены в кремнистых створках диатомовых водорослей. Диатомеи – это одноклеточные фотосинтетические организмы, заселяющие практически все водоемы и влажные места. Они весьма привлекательны для специалистов из различных областей: "классических" и "новых" биологов, биотехнологов, палеонтологов и палеоклиматологов, химиков и нанотехнологов. Диатомеи представляют собой важную часть биосферы, обеспечивая производство более 20% первичного биогенного углерода и соответствующее количество кислорода [4]. Характерной чертой диатомей является экзоскелет, состоящий в основном из диоксида кремния, близкого скорее к плавленому (аморфному) кварцу (по плотности, площади удельной поверхности, механической прочности), чем к кремнезему, получаемому в водной среде. Естественно, живые клетки не могут существовать в закрытой стеклянной капсуле, поэтому экзоскелет (створки) имеет множество субмикронных отверстий, образующих красивые видоспецифичные узоры (рис.3). Механизм образования подобных кремнистых панцирей до сих пор неясен. Одно из достижений последних лет в этой области – обнаружение в биокремнеземе специфических метилированных полипропиламинов [5], роль которых в физиологии диатомей неизвестна. В ЛИН СО РАН разработан метод синтеза подобных соединений [6], позволяющий получать их в количествах, достаточных как для модельных экспериментов, так и для создания новых кремнистых и композитных материалов. Одно из полученных веществ представляло собой олигомерную смесь различных полиаминов, молекулы которых содержат от 6 до 30 аминогрупп. Для установления средней длины олигомерной цепи получены ИК-спектры индивидуальных полиаминов с 2–7 атомами азота (рис.4). Построена калибровочная кривая: зависимость отношения числа концевых N-H-групп к числу метильных групп от отношения их полос поглощения (3290 и 2941 см-1 соответственно). Данные для олигомерной смеси соответствуют средней длине олигомеров в 24 аминогруппы. Регистрацию спектров жидких образцов проводили в виде тонкого слоя с помощью ZnSe- и Si-окон. Применение метода НПВО в данном случае было нецелесообразно из-за гидрофильности веществ.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
БИОСИЛИФИКАЦИИ IN VITRO
Важная и плохо изученная стадия жизни диатомовых водорослей связана с захватом ими кремниевой кислоты из окружающей среды. Кремниевая кислота присутствует в природных водах в очень малой концентрации (менее 3 мг/л), при этом по химическим свойствам она напоминает воду. В соответствии с одной из гипотез, процесс ассимиляции происходит с помощью специального белка-транспортера, в активном центре которого находится ион цинка, комплексообразование с которым обусловливает распознавание белком молекул кремниевой кислоты и дальнейший ее транспорт внутрь клетки. Для проверки принципиальной возможности захвата кремниевой кислоты из разбавленных растворов цинк-содержащими системами [7] был синтезирован гель на основе сшитого поливиниламина (ПВА, ~[CH2CH(NH2)]~) со степенью набухания 19, что соответствует ≈5% твердого полимера в геле. После комплексообразования этого геля с ионами цинка получен материал, контакт с которым привел к уменьшению в несколько раз концентрации кремниевой кислоты в разбавленных растворах. Для подтверждения этого факта и установления формы кремниевой кислоты, захваченной цинк-содержащим полимером, гели ПВА изучали с помощью приставки НПВО, используя в качестве стандарта воду. Несмотря на известные сложности получения ИК-спектров в водных системах, удалось получить удовлетворительные данные (рис.5). Оказалось, что захват кремниевой кислоты протекает через образование коротких олигомеров (максимумы в спектре через 24 реакции – 990 и 1125 см-1, полоса тримера кремниевой кислоты соответствует 602 см-1). Через 48 часов от начала реакции захвата ИК-спектр комплекса приближается к спектру кремнезема.
Изучение молекулярных механизмов биосилификации вызвало интерес к исследованиям конденсации кремниевой кислоты в присутствии полимерных оснований. Была изучена [8, 9] конденсация Si(OH)4 под действием поли-1-винилимидазола (ПВИ). При проведении этой работы получены композитные осадки, содержащие ПВИ и кремнезем. Для определения состава этих осадков использовали метод ИК-спектроскопии (рис.6). В качестве аналитических полос использовали поглощение кремнезема при 1137 см-1 и имидазольных звеньев при 661 см-1. Калибровочные смеси готовили путем нанесения расчетного количества раствора ПВИ на навеску кремнезема, высушивания в вакууме и растирания с KBr в агатовой ступке при соотношении калибровочная смесь/KBr = 1/10. Полученную смесь использовали для приготовления таблетки с KBr. Получен линейный калибровочный график (см.рис.6), позволивший определить состав композитных осадков, полученных в различных условиях.
СТАБИЛИЗАЦИЯ
ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНОГО ПЛАСТИКА ДИАТОМИТОМ [10]
Понижение пожароопасности пластиков – это актуальная задача из-за их широкой распространенности и высокой горючести. Известно, что горение сопровождается выделением токсичных веществ. Группой химии кремнистых наноструктур ЛИН СО РАН установлено, что введение в пластик на основе ПВХ 2–3% диатомита улучшает его механические свойства и понижает пожароопасность, уменьшая максимальную температуру горения и дымообразование. Диатомит – осадочная порода, состоящая, в основном, из кремнистых панцирей отмерших диатомей. Используется как компонент строительных материалов, фильтрующий элемент при производстве вина и пива, входит в состав динамита. Изучение остатка после сгорания наполненного ПВХ (рис.7) с помощью ИК-фурье-спектрометра ФТ-801 показало, что на поверхности пластика образуется прочная корка из кремнезема (полоса колебаний Si-O-Si при 1100 см-1) и органических веществ (1600 см-1 – графитоподобные структуры кокса, 1720 см-1 – карбонильные группы пластификатора диоктилфталата). Полученные
данные позволили понять механизм огнезащитного действия добавок диатомита, заключающийся в образовании на поверхности горящей пластмассы прочного органо-неорганического материала, препятствующего нагреву и горению основной массы материала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российской Академии Наук, проект № VI.50.1.3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Seiler N., Delcros J.G., Moulinoux J. P. Polyamine Transport in Mammalian Cells. An Update. – The International Journal of Biochemistry and Cell Biology, 1996, v.28, №8. p.843–861.
2. Thomas Th., Thomas T.J. Polyamine metabolism and cancer. – Journal of Cellular and Molecular Medicine, 2003, v.7, №2. p.113–126.
3. Бердинских Н.К., Залеток С.П. Полиамины и опухолевый рост. – Киев: Наук. думка, 1987, с.140.
4. Treguer P., Nelson D.M., Van Bennekom A.J., DeMaster D.J., Leynaert A., Queguiner B. The silica balance in the world ocean: a reestimate. – Science, 1995, v.268, р.375–379.
5. Kröger N., Deutzmann R., Bergsdorf C., Sumper M. Species-specific polyamines from diatoms control silica morphology. – Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 2000, v.97, р.14133-14138.
6. Annenkov V.V., Zelinskiy S.N., Danilovtseva E.N., Perry C.C. Synthesis of biomimetic polyamines. – ARKIVOC XIII, 2009, р.116–130.
7. Danilovtseva E., Aseyev V., Karesoja M., Annenkov V. Sorption of Silicic Acid from Non-Saturated Aqueous Solution by a Complex of Zinc Ions with Poly(vinylamine). – European Polymer Journal, 2009, v.45, р. 1391–1396.
8. Annenkov V.V. , Danilovtseva E.N. , Filina E.A., Likhoshway E.V. Interaction of Silicic Acid with Poly(1-vinylimidazole). – Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2006, v.44, p.820–827.
9. Annenkov V.V., Danilovtseva E.N., Likhoshway E.V., Patwardhan S.V., Perry C.C. Controlled Stabilisation of Silicic Acid below pH 9 Using Poly(1-vinylimidazole). – Journal of Materials Chemistry, 2008, v.18, p.553–559.
10. Шеков А.А., Егоров А.Н., Анненков В.В. Влияние диатомита на процессы горения поливинилхлоридных пластизолей. – Высокомолекулярные соединения, 2007 А, т.49, с.1072–1079.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА
НОВЫХ ОРГАНИЧЕКИХ ВЕЩЕСТВ
Полиамины – класс веществ, присутствующих в большинстве живых клеток. Они играют важную роль в экспрессии генов и ряде ферментативных процессов, имеющих отношение к регуляции клеточного роста [1, 2], причем снижение внутриклеточного содержания полиаминов приводит к торможению роста и гибели клеток. Относительно давно установлен и используется в диагностических целях факт повышения концентрации полиаминов при онкологических заболеваниях [3]. К этому классу относят кадаверин, путресцин, спермидин, спермин и ряд менее распространенных аминов с тремя и четырьмя атомами азота, содержащих мостики из трех или четырех метиленовых групп.
Необычные полиамины обнаружены в кремнистых створках диатомовых водорослей. Диатомеи – это одноклеточные фотосинтетические организмы, заселяющие практически все водоемы и влажные места. Они весьма привлекательны для специалистов из различных областей: "классических" и "новых" биологов, биотехнологов, палеонтологов и палеоклиматологов, химиков и нанотехнологов. Диатомеи представляют собой важную часть биосферы, обеспечивая производство более 20% первичного биогенного углерода и соответствующее количество кислорода [4]. Характерной чертой диатомей является экзоскелет, состоящий в основном из диоксида кремния, близкого скорее к плавленому (аморфному) кварцу (по плотности, площади удельной поверхности, механической прочности), чем к кремнезему, получаемому в водной среде. Естественно, живые клетки не могут существовать в закрытой стеклянной капсуле, поэтому экзоскелет (створки) имеет множество субмикронных отверстий, образующих красивые видоспецифичные узоры (рис.3). Механизм образования подобных кремнистых панцирей до сих пор неясен. Одно из достижений последних лет в этой области – обнаружение в биокремнеземе специфических метилированных полипропиламинов [5], роль которых в физиологии диатомей неизвестна. В ЛИН СО РАН разработан метод синтеза подобных соединений [6], позволяющий получать их в количествах, достаточных как для модельных экспериментов, так и для создания новых кремнистых и композитных материалов. Одно из полученных веществ представляло собой олигомерную смесь различных полиаминов, молекулы которых содержат от 6 до 30 аминогрупп. Для установления средней длины олигомерной цепи получены ИК-спектры индивидуальных полиаминов с 2–7 атомами азота (рис.4). Построена калибровочная кривая: зависимость отношения числа концевых N-H-групп к числу метильных групп от отношения их полос поглощения (3290 и 2941 см-1 соответственно). Данные для олигомерной смеси соответствуют средней длине олигомеров в 24 аминогруппы. Регистрацию спектров жидких образцов проводили в виде тонкого слоя с помощью ZnSe- и Si-окон. Применение метода НПВО в данном случае было нецелесообразно из-за гидрофильности веществ.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
БИОСИЛИФИКАЦИИ IN VITRO
Важная и плохо изученная стадия жизни диатомовых водорослей связана с захватом ими кремниевой кислоты из окружающей среды. Кремниевая кислота присутствует в природных водах в очень малой концентрации (менее 3 мг/л), при этом по химическим свойствам она напоминает воду. В соответствии с одной из гипотез, процесс ассимиляции происходит с помощью специального белка-транспортера, в активном центре которого находится ион цинка, комплексообразование с которым обусловливает распознавание белком молекул кремниевой кислоты и дальнейший ее транспорт внутрь клетки. Для проверки принципиальной возможности захвата кремниевой кислоты из разбавленных растворов цинк-содержащими системами [7] был синтезирован гель на основе сшитого поливиниламина (ПВА, ~[CH2CH(NH2)]~) со степенью набухания 19, что соответствует ≈5% твердого полимера в геле. После комплексообразования этого геля с ионами цинка получен материал, контакт с которым привел к уменьшению в несколько раз концентрации кремниевой кислоты в разбавленных растворах. Для подтверждения этого факта и установления формы кремниевой кислоты, захваченной цинк-содержащим полимером, гели ПВА изучали с помощью приставки НПВО, используя в качестве стандарта воду. Несмотря на известные сложности получения ИК-спектров в водных системах, удалось получить удовлетворительные данные (рис.5). Оказалось, что захват кремниевой кислоты протекает через образование коротких олигомеров (максимумы в спектре через 24 реакции – 990 и 1125 см-1, полоса тримера кремниевой кислоты соответствует 602 см-1). Через 48 часов от начала реакции захвата ИК-спектр комплекса приближается к спектру кремнезема.
Изучение молекулярных механизмов биосилификации вызвало интерес к исследованиям конденсации кремниевой кислоты в присутствии полимерных оснований. Была изучена [8, 9] конденсация Si(OH)4 под действием поли-1-винилимидазола (ПВИ). При проведении этой работы получены композитные осадки, содержащие ПВИ и кремнезем. Для определения состава этих осадков использовали метод ИК-спектроскопии (рис.6). В качестве аналитических полос использовали поглощение кремнезема при 1137 см-1 и имидазольных звеньев при 661 см-1. Калибровочные смеси готовили путем нанесения расчетного количества раствора ПВИ на навеску кремнезема, высушивания в вакууме и растирания с KBr в агатовой ступке при соотношении калибровочная смесь/KBr = 1/10. Полученную смесь использовали для приготовления таблетки с KBr. Получен линейный калибровочный график (см.рис.6), позволивший определить состав композитных осадков, полученных в различных условиях.
СТАБИЛИЗАЦИЯ
ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНОГО ПЛАСТИКА ДИАТОМИТОМ [10]
Понижение пожароопасности пластиков – это актуальная задача из-за их широкой распространенности и высокой горючести. Известно, что горение сопровождается выделением токсичных веществ. Группой химии кремнистых наноструктур ЛИН СО РАН установлено, что введение в пластик на основе ПВХ 2–3% диатомита улучшает его механические свойства и понижает пожароопасность, уменьшая максимальную температуру горения и дымообразование. Диатомит – осадочная порода, состоящая, в основном, из кремнистых панцирей отмерших диатомей. Используется как компонент строительных материалов, фильтрующий элемент при производстве вина и пива, входит в состав динамита. Изучение остатка после сгорания наполненного ПВХ (рис.7) с помощью ИК-фурье-спектрометра ФТ-801 показало, что на поверхности пластика образуется прочная корка из кремнезема (полоса колебаний Si-O-Si при 1100 см-1) и органических веществ (1600 см-1 – графитоподобные структуры кокса, 1720 см-1 – карбонильные группы пластификатора диоктилфталата). Полученные
данные позволили понять механизм огнезащитного действия добавок диатомита, заключающийся в образовании на поверхности горящей пластмассы прочного органо-неорганического материала, препятствующего нагреву и горению основной массы материала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российской Академии Наук, проект № VI.50.1.3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Seiler N., Delcros J.G., Moulinoux J. P. Polyamine Transport in Mammalian Cells. An Update. – The International Journal of Biochemistry and Cell Biology, 1996, v.28, №8. p.843–861.
2. Thomas Th., Thomas T.J. Polyamine metabolism and cancer. – Journal of Cellular and Molecular Medicine, 2003, v.7, №2. p.113–126.
3. Бердинских Н.К., Залеток С.П. Полиамины и опухолевый рост. – Киев: Наук. думка, 1987, с.140.
4. Treguer P., Nelson D.M., Van Bennekom A.J., DeMaster D.J., Leynaert A., Queguiner B. The silica balance in the world ocean: a reestimate. – Science, 1995, v.268, р.375–379.
5. Kröger N., Deutzmann R., Bergsdorf C., Sumper M. Species-specific polyamines from diatoms control silica morphology. – Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 2000, v.97, р.14133-14138.
6. Annenkov V.V., Zelinskiy S.N., Danilovtseva E.N., Perry C.C. Synthesis of biomimetic polyamines. – ARKIVOC XIII, 2009, р.116–130.
7. Danilovtseva E., Aseyev V., Karesoja M., Annenkov V. Sorption of Silicic Acid from Non-Saturated Aqueous Solution by a Complex of Zinc Ions with Poly(vinylamine). – European Polymer Journal, 2009, v.45, р. 1391–1396.
8. Annenkov V.V. , Danilovtseva E.N. , Filina E.A., Likhoshway E.V. Interaction of Silicic Acid with Poly(1-vinylimidazole). – Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2006, v.44, p.820–827.
9. Annenkov V.V., Danilovtseva E.N., Likhoshway E.V., Patwardhan S.V., Perry C.C. Controlled Stabilisation of Silicic Acid below pH 9 Using Poly(1-vinylimidazole). – Journal of Materials Chemistry, 2008, v.18, p.553–559.
10. Шеков А.А., Егоров А.Н., Анненков В.В. Влияние диатомита на процессы горения поливинилхлоридных пластизолей. – Высокомолекулярные соединения, 2007 А, т.49, с.1072–1079.
Отзывы читателей
