Устройство для определения конформационных свойств макромолекул

Использование: полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для исследования свойств растворов полимеров, в частности для определения конформационных свойств макромолекул, под которыми понимают пространственные свойства макромолекул, такие как размер, форму, степень свернутости, проницаемость и т.п. Сущность: Устройство для определения конформационных свойств макромолекул, содержит систему формирования светового потока, включающую лазерный источник излучения с установленными на одной оптической оси с ним пространственно-частотным фильтром, линзой и источником когерентного света с круговой поляризацией и размещенное под углом к указанной оси глухое зеркало, оптически сопряженное с частотным модулятором и первым фотоприемником, выход которого подключен к анализатору спектра, и приемную оптическую систему, установленную на платформе, включающую гидродинамический прозрачный канал с исследуемым раствором полимера, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси системы формирования светового потока, эллиптическое зеркало, первый и второй фокусы которого совпадают с оптической осью системы формирования светового потока, на которой в фокальной плоскости упомянутого зеркала установлены нейтральный оптический фильтр и поворотное зеркало, закрепленное на вращающейся оси, проходящей через второй фокус эллиптического зеркала, при этом на концах гидродинамического канала установлены датчики давления, а поворотное зеркало оптически связано через анализатор степени поляризации света с вторым фотоприемником, выход которого подключен к входу микропроцессора. Полезная модель позволяет повысить точность измерения конформационных свойств макромолекул и расширить функциональные возможности устройства за счет обеспечения одновременного измерения градиента скорости потока, характеристической вязкости и молекулярного веса макромолекулы.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для исследования свойств растворов полимеров, в частности для определения конформационных свойств макромолекул, под которыми понимают пространственные свойства макромолекул, такие как размер, форму, степень свернутости, проницаемость и т.п.

Информация о конформационных свойствах макромолекул или полимеров используется для решения разных задач в практической медицине, микробиологической промышленности, а также при изучении процессов фильтрации, вытеснения с использованием полимерных добавок.

Известны устройства для исследования свойств неньютоновских жидкостей, выполненные на базе доплеровского анемометра с инверсно-дифференциальной схемой, содержащего лазер в качестве источника когерентного излучения, объектив, уголковый отражатель, пространственно-частотный фильтр, систему зеркал, фотоприемник и частотный модулятор (SU 1716388, G 01 N 11/04, 1989).

Однако известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как позволяет получать информацию только о вязкости,

скоростях движения газового и жидкостного потоков и зависимости вязкости от скорости сдвига и не позволяет получить информацию о молекулярных весах и конформационных свойствах макромолекул.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения конформационных свойств макромолекул, основанное на явлении двойного лучепреломления в потоке (динамооптический эффект Максвелла), включающее динамооптиметр, представляющий гидродинамический канал, образованный двумя коаксиальными цилиндрами, между стенками которых находится исследуемая жидкость - раствор полимера, при этом внутренний цилиндр - ротор, вращающийся вокруг общей для цилиндров оси, увлекает за собой жидкость и в ней устанавливается градиент скорости - слой, примыкающий к стенке ротора движется с наибольшей скоростью, слой, примыкающий к стенке неподвижного цилиндра, неподвижен. В результате макромолекула ориентируется в растворе и подвергается растягивающим усилиям, жидкость становится анизотропной, подобной двухосному кристаллу, и наблюдается двойное лучепреломление в направлении, параллельном оси динамооптиметра. Измеряя степень поляризации света, прошедшего через раствор полимера, определяют геометрические свойства макромолекул. При этом блок определения степени поляризации света, прошедшего через раствор полимера, содержит систему формирования светового потока и фотоприемник. Основной частью системы формирования светового потока является источник света (лампа СВДШ-250) с вращающимися вокруг своей оптической оси поляризатором и анализатором прошедшего через раствор полимера света и оптическими элементами, улучшающими структуру наблюдаемого светового поля. Свет, прошедший через анализатор, поступает на фотоприемник. Сигнал с фотоприемника подается на регистратор, где регистрируется изменение интенсивности света, а, следовательно, регистрируется изменение степени поляризации света. (В.Н.Цветков и др., Структура макромолекул в растворах. М,: Наука, 1964, с.576-579)

Основной недостаток этого устройства заключается в том, что для получения достаточной величины анизотропии исследуемого раствора необходимо проводить измерения в потоках с большими градиентами скорости со строгим соблюдением ламинарности потока. Это приводит к необходимости исследования в области градиентов скорости заведомо выше критического числа Рейнольдса, в результате чего данные исследования в таких потоках не отражают истинные конформационные свойства макромолекул.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения конформационных свойств макромолекул за счет обеспечения сохранения ламинарных свойств потока и устранения деструкции макромолекулы, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения одновременного измерения градиента скорости потока, характеристической вязкости и молекулярного веса макромолекулы.

За счет возможности увеличения числа выборок значений функции распределения света рассеянного на макромолекуле Р(_i) при различных углах рассеяния представляется возможность уточнить форму макромолекулы, а относительная погрешность измерения параметров, определяющих конформационные свойства, может быть менее 1%.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения конформационных свойств макромолекул, содержит систему формирования светового потока, включающую лазерный источник излучения с установленными на одной оптической оси с ним пространственно-частотным фильтром, линзой и источником когерентного света с круговой поляризацией и размещенное под углом к указанной оси глухое зеркало, оптически сопряженное с частотным модулятором и первым фотоприемником, выход которого подключен к анализатору спектра, и приемную оптическую систему, установленную на платформе, включающую гидродинамический прозрачный канал с исследуемым раствором полимера, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси системы

формирования светового потока, эллиптическое зеркало, первый и второй фокусы которого совпадают с оптической осью системы формирования светового потока, на которой в фокальной плоскости упомянутого зеркала установлены нейтральный оптический фильтр и поворотное зеркало, закрепленное на вращающейся оси, проходящей через второй фокус эллиптического зеркала, при этом на концах гидродинамического канала установлены датчики давления, а поворотное зеркало оптически связано через анализатор степени поляризации света со вторым фотоприемником, выход которого подключен к входу микропроцессора.

Сущность полезной модели заключается в следующем. Конформационные свойства макромолекул, т.е. их геометрические свойства (например, стержень, клубок, глобула), их взаимный переход и размеры зависят от физических и химических воздействий. Например, если макромолекулу поместить в раствор, то в результате возникшего течения в гидродинамическом канале образуется профиль скорости, градиент скорости, которые в свою очередь будут влиять на конформационные свойства макромолекулы. На макромолекулу будут действовать гидродинамические силы, которые приведут к ориентации макромолекул в потоке и к изменению ее пространственных свойств, и в ряде случаев к конформационным превращениям. При освещении потока монохроматическим когерентным светом с плоским волновым фронтом частице с определенным размером, формой и конформационным состоянием будет соответствовать определенное угловое распределение интенсивности рассеянного света. Для простых случаев (например, сфера, гантель, стержень) это распределение известно или рассчитывается на основе теории Ми (М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики. М., Наука, 1970, с.693-727). Поскольку пространственное распределение интенсивности рассеянного света в большинстве случаев не известно, поэтому, при модельном представлении о форме и размерах макромолекул используют значения функции распределения относительной мощности рассеянного света Р(), представляющей отношение

интенсивности света в двух точках, рассеянного в направлении угла , к интенсивности света, рассеянного в направлении =0, в одном или в двух направлениях. Для того чтобы избежать неопределенностей, связанных с таким модельным представлением макромолекулы необходимо определить экспериментально всю функцию распределения интенсивности света в пространстве Р(). Определенная экспериментально функция Р() и зависимость

позволяют определить молекулярный вес макромолекулы.

В выражении (1) I - приведенная интенсивность рассеянного света в направлении пространственного угла , М - молекулярный вес, С - концентрация макромолекул, Р() - функция распределения мощности света в зависимости от угла , Н - константа,

где n₀ - показатель преломления растворителя, n - показатель преломления раствора, N _A - число Авогадро, ₀ - длина волны зондирующего света, С - концентрация раствора макромолекул.

Параметры, определяющие конформационные свойства макромолекул, рассчитываются по определенному выше значениям молекулярного веса макромолекулы и измеренной характеристической вязкости из зависимости:

где [()] - характеристическая вязкость в зависимости от градиента скорости, М - молекулярный вес, , Ф, К - константы, характеризующие конформационные свойства макромолекул и свойства растворителя, в общем случае зависящие от градиента скорости, - среднеквадратичное расстояние между концами молекулярной цепи. Ниже, в качестве примера, приводятся численные значения параметров, определяющих

конформационные свойства макромолекул и соответствующие им пространственные структуры макромолекул.

Для растворов полимерных клубков показатель степени в формуле (3) меняется в зависимости от проницаемости клубка в пределах 0.51.0. Для полностью проницаемого клубка =1.0, для непроницаемого клубка =0.5. Для жестких сфер =0, для длинных жестких стержней =1.7.

В простом сдвиговом течении при разных градиентах скорости макромолекула меняет свою конформацию под действием сил вязкости, с ростом молекулярного веса М растет асимметрия клубка и показатель степени >0, при убывании М асимметрия клубка уменьшается и <0.

Представляемое техническое решение позволяет уточнить диаграмму рассеяния при измерении конформационных свойств, для чего необходимо одновременно измерять профиль скорости раствора макромолекул в канале (а, следовательно, и градиент скорости) и определять полную диаграмму рассеяния света.

Для измерения профиля скорости в канале используется метод динамического рассеяния когерентного света, сущностью которого является изменение частоты рассеянного света в зависимости от скорости потока в данной точке канала (эффект Допплера) (Митюшин А.И. Супергеродинный трехкомпонентный лазерный доплеровский анемометр. // ПТЭ, 2003, №2, с.115-121).

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где:

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для измерения конформационных свойств макромолекул.

На фиг.2 представлено пояснение к определению поправки к углу рассеяния при наличии рефракции.

На фиг.3 представлена зависимость приведенной характеристической вязкости от скорости сдвига для раствора синтетического полиизопрена в бензоле для фракции с молекулярном весом 2.8·10⁶.

На фиг.4 изображена зависимость характеристической вязкости раствора полистирола в бензоле от молекулярного веса.

На фиг.5 изображена зависимость отношения приведенной интенсивности рассеянного света I к интенсивности рассеянного света I₌₀ (при =0) от различных углов рассеяния для раствора полистирола в бензоле с молекулярном весом 1·10⁶-9·10⁶ .

Предлагаемое устройство состоит из системы формирования светового потока, выполненного на базе супергетородинного лазерного доплеровского анемометра с инверсно- дифференциальной оптической схемой, и приемной оптической системы с подвижным гидродинамическим каналом с исследуемым потоком жидкости.

Система формирования светового потока состоит из

1 - лазерного источника излучения,

2 - пространственно-частотный фильтр,

3 - объектив,

4 - полностью отражающее зеркало,

5 - полупрозрачное зеркало,

6 - частотный модулятор,

7 - фотоприемник,

8 - анализатор спектра,

9 - поляризационное устройство, для получения когерентного света с круговой поляризацией.

Приемная оптическая система включает

10 - платформу,

11 - подвижный гидродинамический плоский прозрачный канал с исследуемым потоком жидкости и с датчиками давления 12 P ₁ и Р₂,

13 - цилиндрическое зеркало с эллиптическим поперечным сечением (эллиптическое зеркало),

14 - нейтральный оптический фильтр,

15 - фотоприемник,

16 - электронный процессор и регистратор (например, запоминающий осциллограф),

17 - вращающееся плоское зеркало, отражающая плоскость, которого наклонена под углом 45° к вертикальной оси вращения,

18 - анализатор степени поляризации рассеянного света.

При этом эллиптическое зеркало имеет два фокуса:

F₁ - первый фокус эллиптического зеркала, через который проходит рассеивающая свет макромолекула потока,

F₂ - второй фокус эллиптического зеркала, в котором собирается свет рассеянный в фокусе F ₁. Через фокус F₂ проходит вертикальная вращающаяся ось, на которой расположено зеркало 17.

Устройство работает следующим образом.

Раствор макромолекул пропускают через плоский прозрачный канал 11, в котором создано простое сдвиговое течение. Лазерный пучок света П₀ фокусируется линзой 3, попадает в движущуюся в канале макромолекулу, на которой происходит рассеяние света. Рассеянный свет, сдвинутый по частоте, от движущейся макромолекулы, находящейся в момент измерения в фокусе F₁, выделяется с помощью пространственно-частотного фильтра 2 и зеркал 4,5 и попадает на фотоприемник 7. При этом один из рассеянных пучков П ₁, проходя через частотный модулятор 6 приобретает начальный частотный сдвиг.

Выход фотоприемника 7 соединяется со спектроанализатором 8. Фокус линзы 3 совпадает с фокусом F₁ эллиптического зеркала 13. Для определения скорости и пространственных свойств макромолекулы в каждой точке поперечного сечения гидродинамического канала, этот канал перемещается вдоль оптической оси. Свет, рассеянный макромолекулой в фокусе F₁, отразившись от эллиптического зеркала 13, попадает в фокус F ₂, в котором находится вращающееся зеркало 17. Это зеркало направляет свет из фокуса F₂ в фотоприемник 15. Часть электрического сигнала с фотоприемника 15 поступает на запуск развертки осциллографа 16. С этого момента сигнал с

фотоприемника 15 начинает регистрироваться на осциллографе 16. На экране осциллографа отображается диаграмма рассеянного света. На пути зондирующего пучка света П₀ перед вращающимся зеркалом установлен нейтральный фильтр 18 с известным коэффициентом пропускания. Он необходим для ослабления интенсивности пучка П₀ до уровня динамического диапазона фотоприемника.

Использование эллиптического зеркала обусловлено тем, что пучки света, вышедшие из фокуса F ₁, отразившись от эллиптического зеркала, (например пучки П₃ и П₄) проходят одинаковые оптические пути и собираются в фокусе F ₂. Это позволяет регистрировать диаграмму рассеяния без искажения интенсивности пучков света, рассеянных в разных направлениях.

Гидродинамический канал снабжен устройством 12 (датчиками) для измерения перепада давления (Р₁, Р ₂) в области канала, где наблюдается простое сдвиговое течение. Сигнал с датчиков давления поступает на электронный процессор 16.

Сущность работы устройства заключается в следующем.

Через гидродинамический канал 11 известного сечения и длины при условии существования простого сдвигового течения прокачивается исследуемый раствор макромолекул. Путем перемещения гидродинамического канала вдоль оптической оси в каждой точке сечения канала определяется скорость течения и диаграмма рассеяния. При этом скорость движения потока определяется выражением

где - сдвиг частоты между пучками света П₁ и П₂, обусловленный движением макромолекул, - длина волны, зондирующего света, V - определяемая скорость, - угол сведения пучков П₁ и П ₂.

Зная скорость в каждой точке поперечного сечения, находят скорость потока жидкости, что дает возможность определить отношение V/у. Далее находят зависимость вязкости от скорости сдвига

где - вязкость раствора, Р - перепад давления на участке канала длиной l, у - координата - положение точки измерения в канале на оптической оси , h - высота канала.

Проведя измерение вязкости при различных концентрациях макромолекул, определяют характеристическую вязкость по формуле

где - вязкость раствора, ₀ - вязкость растворителя, С - концентрация раствора (г/см³).

Используя диаграмму рассеяния и известные соотношения находят молекулярный вес и функцию распределения макромолекул по весам

где к - индекс, указывающий номер - положение точки измерений в канале, i - индекс, указывающий угловое положение принимаемого рассеянного света.

Далее, используя соотношения

находят параметры, характеризующие конформационные свойства k; ; макромолекул. Здесь Ф - константа Флори, равная 2,8·10 ²³ 1/моль.

Используя фиг.2 легко найти связь между положением точки рассеяния F₁' в потоке и положением фокуса F₁ - в отсутствие рефракции, а также

найти истинный угол рассеяния ₁, который при наличии рефракции отличается от угла рассеяния ₀ в отсутствии рефракции. Эти соотношения имеют вид:

где ₀ - угол регистрации рассеянного света в отсутствии рефракции, n₀, n ₁ - показатели преломления сред вне и внутри гидродинамического канала, соответственно, x₀ - положение точки измерения - положение фокуса эллипса F₁ относительно стенки канала в отсутствии рефракции, x - смещение фокуса эллипса (точки измерения) относительно первоначального положения при наличии рефракции.

Предлагаемое устройство позволяет также определять конформационные свойства молекул по отношению к известной форме дисперсных частиц, внедренных в поток, например, латексов круглой формы с известной узкой фракцией распределения по размерам. В этом случае возможно увеличение точности измерения конформационных свойств макромолекул за счет сравнения полученной функции рассеяния Р() с известной диаграммой рассеяния света для этой фракции.

Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства (фиг.1).

Система формирования светового потока (ЛДА) содержит одномодовый Аr - лазер 1, например, ЛГН-10 с мощностью 1 Вт, линзу 3 с фокусным расстоянием 30-50 мм и апертурой 50-60 мм. пространственно-частотный фильтр, представляющий собой экран с 3-мя диафрагмами 2-3 мм, при этом одна расположена на оптической оси, а две другие на расстоянии 20-30 мм от оси, зеркала 4,5 (одно полностью отражающее, а другое полупрозрачное) для пространственного совмещения лучей П₁ и П₂, фотоприемник ФЭУ-79 с соответствующим блоком питания.

Платформа представляет собой плато с размещенным на ней эллиптическим зеркалом 13 и подвижным прозрачным гидродинамическим

каналом 11. Большая и малая полуоси эллипса имеют размеры порядка 100 мм и 60 мм соответственно.

Прозрачный гидродинамический канал имеет ширину 10 мм и высоту 200 мм и длину не менее 400 мм.

Геометрические размеры гидродинамического канала определяются необходимыми для изучения конформационных свойств макромолекул величинами градиентов скорости потока. Поэтому, при выборе размеров гидродинамического канала использовалась зависимость отношения характеристической вязкости раствора синтетического полиизопрена (цепная макромолекула) в бензоле к характеристической вязкости раствора макромолекул гантельной формы от градиента сдвига (фиг.3).

Анализ данной зависимости позволил оценить градиент скорости.

Градиент скорости - порядка 10^-3 с^-1. Из соотношения =-U₀, где U₀ - осевая скорость потока жидкости при ламинарном режиме течения, b - ширина канала, у - положение исследуемой макромолекулы в гидродинамическом канале, и при U₀˜10^-3 м/с получаем b=10 мм.

На одинаковом расстоянии от концов канала установлены датчики давления. Гидродинамический канал может перемещается вдоль оптической оси. Кроме того, для удобства канал имеет степень свободы вокруг вертикальной оси, проходящей через фокус F₁.

В фокусе F ₂ находится плоское вращающееся зеркало с отражающей поверхностью, расположенной под углом 45° к плоскости основания. Перед зеркалом на пути пучка П₀ находится нейтральный фильтр 14. Приемный блок фотоумножителя 15, снабжен анализатором степени поляризации рассеянного света.

Вращающееся зеркало снабжено системой запуска развертки осциллографа 16 с возможностью фиксации начала развертки диаграммы рассеянного света.

Электронная система обработки и регистрации электрических сигналов состоит из спектроанализатора 8 типа СК4-58 и запоминающего осциллографа С8-14. Для увеличения точности измерений может быть использована компьютерная обработка и регистрация данных.

В качестве примера проведения измерений представлены данные по наиболее изученному раствору макромолекул (полимера) - раствор полистирола в бензоле (фиг.3, 4, 5). На фиг.3 представлена зависимость приведенной характеристической вязкости от скорости сдвига. На фиг.4 - зависимость характеристической вязкости от молекулярного веса. На фиг.5 - зависимость отношения приведенной интенсивности рассеянного света I к интенсивности рассеянного света I₌₀ (при =0) от различных углов рассеяния . Анализ представленных данных определяет конформационные свойства полистирола в бензоле. Сравнение экспериментально полученных диаграмм рассеяния когерентного света с компьютерной диаграммой рассеяния света на модельных дисперсных частицах уточняет форму макромолекул.

Таким образом, устройство для измерения конформационных свойств макромолекул в растворе позволяет определить форму, проницаемость макромолекул, средний размер клубков, распределение по молекулярным весам и т.п. без каких-либо модельных предположений о свойствах макромолекул.

Устройство для определения конформационных свойств макромолекул, содержащее систему формирования светового потока, включающую лазерный источник излучения с установленными на одной оптической оси с ним пространственно-частотным фильтром, линзой и источником когерентного света с круговой поляризацией и размещенное под углом к указанной оси глухое зеркало, оптически сопряженное с частотным модулятором и первым фотоприемником, выход которого подключен к анализатору спектра, и приемную оптическую систему, установленную на платформе, включающую гидродинамический прозрачный канал с исследуемым раствором полимера, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси системы формирования светового потока, эллиптическое зеркало, первый и второй фокусы которого совпадают с оптической осью системы формирования светового потока, на которой в фокальной плоскости упомянутого зеркала установлены нейтральный оптический фильтр и поворотное зеркало, закрепленное на вращающейся оси, проходящей через второй фокус эллиптического зеркала, при этом на концах гидродинамического канала установлены датчики давления, а поворотное зеркало оптически связано через анализатор степени поляризации света со вторым фотоприемником, выход которого подключен к входу микропроцессора.