Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В экспериментах по спектрометрии в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах была исследована скорость адсорбции и десорбции метиленового синего (Mс+) на поверхности полимерной мембраны Нафион. Интерес к представленным ниже исследованиям обусловлен широким спектром использования метиленового синего в медицинских и промышленных целях, в частности при лечении коронавирусных инфекций вида SARS-CoV-2 (COVID-19, SARS) [1–6]. С одной стороны, МС обладает достаточно сильной биохимической активностью, участвует в окислительно-восстановительных реакциях, принимая один или более электронов либо принимая или отдавая протон и в результате меняет свои формы. С другой стороны, известна катионная активность полимерной мембраны Нафион [7, 8]. По этой причине физически логичным является использование пары «Нафион — водный раствор МС», которая будет проявлять совместную электрохимическую активность [9]. Когда Нафион набухает в воде, полимерные волокна разматываются в основную массу окружающей жидкости. При эффекте разматывания волокна не отделяются от поверхности полимера, а образуют структуру, подобную гибкой мицеллообразной щетке вблизи ее поверхности. Также полимерная мембрана содержит сквозные каналы, внутренняя поверхность которых заряжена отрицательно.
Принимая во внимание разницу в масштабе, следует полагать, что поры в объеме полимерной мембраны подобны порам клеточной мембраны, в то время как размотанные полимерные волокна подобны гликокаликсу (внеклеточному матриксу). По этой причине изучение особенностей адсорбции метиленового синего на поверхности Нафиона является актуальным с точки зрения возможного медицинского применения при лечении вирусных болезней и при отравлении. Ранее мы также обнаружили, что разматывание полимерных волокон контролируется изотопным составом воды; например, когда содержание дейтерия составляет не более трех частей на миллион, эффект разматывания отсутствует. В данной работе показано, что скорость адсорбции метиленового синего определяется изотопным составом воды; в случае размотанных полимерных волокон скорость адсорбции метиленового синего примерно на 28 % меньше, чем при отсутствии эффекта размотки.
Для исследования процесса адсорбции использовали пластинки полимера «Нафион» N117 (Sigma Aldrich, USA) толщиной L0 = 175 мкм и площадью 2,0×3,0 см. Растворы были приготовлены на дистиллированной воде (MQ) и на без дейтериевой воде (DDW). Концентрация раствора по порошку МС составила 0,0165 мг/мл. Исходные растворы МС на MQ и DDW представляли собой окисленную форму Мc+ — раствор синего цвета. Вымачивание мембраны осуществляли в чашке Петри. В процессе вымачивания мембраны снимали спектр раствора МС, и таким образом определяли скорость адсорбции полимерной мембраной Нафион водного раствора Мс+.
Измерение спектра поглощения растворов и мембраны производили на двулучевом спектрофотометре Cintra-4040 GBS в диапазоне длин волн 190...900 нм. В итоге было проведено исследование скорости адсорбции полимерной мембраной Нафион водного раствора метиленового синего. Процесс замачивания мембраны в указанных растворах Мc+ осуществляли при поддержании температурного режима (25 °С) и герметизации раствора с мембраной. Объем раствора, в котором вымачивали Нафион, составил 12 мл. Динамику процесса адсорбции раствора Мc+ изучали по спектрам поглощения раствора, в котором вымачивалась мембрана, полученными в разные моменты времени. Для этого формировали забор раствора МС, в котором находился Нафион, и заполняли кварцевую кювету. Объем раствора в кварцевой кювете, используемого для измерения его спектра, составлял 2 мл. Динамику процесса высушивания мембраны (десорбции) проводили посредством измерения спектра поглощения самой мембраны в различные моменты времени. В процессе вымачивания мембраны изменялся ее цвет, она приобретала цвет исходного раствора и становилась синей, а раствор становился светлым.
На рис. 1 показаны спектры поглощения раствора Мc+, приготовленного на MQ (0,0165 mg/ml), снятые в процессе вымачивания Нафиона. Все характерные для водного раствора Мc+ спектральные линии, соответствующие поглощению излучения, в процессе вымачивания мембраны уменьшались по интенсивности. Это связано с диффузией Мc+ через поверхность мембраны. На рис. 2 показана временная зависимость коэффициента поглощения раствора Мс+, приготовленного с использованием MQ на длине волны 650 нм. Данная зависимость отражает динамику процесса осветления раствора МС и позволяет определить скорость процесса адсорбции раствора Мс+ мембраной. Показатель экспоненты, который определяет скорость адсорбции мембраной Нафион водного раствора МС на MQ, составляет 58,49 мин, а постоянная скорости реакции соответственно 0,017 мин-1.
Аналогичные измерения были проведены при адсорбции раствора Мс+, приготовленного на без дейтериевой воде – DDW (3 ppm).
На рис. 3 показана временная зависимость коэффициента поглощения раствора Мс+, приготовленного с использованием DDW на длине волны 650 нм, полученная в процессе адсорбции мембраной раствора Мс+.
Показатель экспоненты, который определяет скорость адсорбции мембраной Нафион водного раствора Мс+ на DDW, составляет 42,3 мин, а постоянная скорости реакции соответственно 0,024 мин–1. Получается, что постоянная скорости реакции адсорбции мембраной раствора Мс+ данной концентрации в 1,39 раза больше для раствора, приготовленного на DDW.
На рис. 4 показаны кинетические кривые — временная зависимость коэффициента поглощения мембраны, полученные в процессе ее высушивания после вымачивания в растворах Мс+, приготовленных на природной воде и на DDW.
Полученные результаты можно объяснить проявлением эффекта разматывания волокон полимерной мембраны. Из анализа графиков на рис. 1–3 можно сделать вывод, что эффект разматывания полимерных волокон замедляет адсорбцию МC на поверхность полимерной мембраны, а также замедляет скорость десорбции молекул воды (рис. 4) с поверхности мембраны. Поскольку мы получили различие в скорости адсорбции МC и десорбции воды в случае разматывания волокон и в отсутствии этого эффекта, а также исходя из того, что адсорбция и десорбция контролируются диффузией, можно в качестве нулевого приближения принять, что наблюдаемые эффекты обусловлены именно уменьшением коэффициента диффузии внутри слоя размотанных полимерных волокон.
Поскольку протяженность этого слоя достигает нескольких сотен микрометров, при рассмотрении диффузионных процессов внутри этого слоя можно не учитывать эффекты дебаевской экранировки; однако данная гипотеза нуждается в дополнительном анализе.
