Рассмотрено взаимодействие полимерной мембраны Нафион с различными аминокислотами в экспериментах по фотолюминесцентной спектроскопии. Представлено, что при набухании полимерной мембраны в воде происходит разматывание полимерных волокон в объем жидкости, причем в случае обычной воды размер области, содержащей размотанные волокна, в то время как при набухании в обедненной по дейтерию воде этот размер существенно меньше. Показано, что при взаимодействии аминокислот с размотанными в объем жидкости полимерными волокнами, следует учитывать эффекты тушения люминесценции. Сделаны выводы, что на основе полимерной мембраны, набухающей в суспензиях аминокислот, вызывающих тушение и восстановление люминесценции, можно создавать логические бинарные ячейки.
Ключевые слова:
полимерная мембрана Нафион, фотолюминесцентная спектроскопия, аминокислоты, динамическое рассеяние света
Основной текст труда
Введение
Данная работа посвящена изучению взаимодействия биологических макромолекул с полимерной мембраной Nafion [1, 2]. Взаимодействие рассмотрено в контексте образования исключенной зоны из концевых волокон молекулы вблизи поверхности Нафиона [3, 4].
Мы исследовали суспензии аланина, глицина, лизина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот в физиологическом растворе NaCl на основе обычной и обедненной дейтерием воды(DDW)[5].
Материалы и методы
В экспериментах по фотолюминесцентной спектроскопии (рис. 1) было изучено взаимодействие полимерной мембраны Нафион с различными аминокислотами. Эксперименты проводились с физиологическими растворами NaCl, приготовленными на основе обычной воде (содержание дейтерия 157 ppm) и на обедненной дейтерием воде (deuterium depleted water, DDW, содержание дейтерия 1 ppm).
Эффект разматывания волокон Нафиона в объем жидкости
Было установлено, что при набухании полимерной мембраны в воде происходит разматывание полимерных волокон в объем жидкости, причем в случае обычной воды размер области, содержащей размотанные волокна, порядка 300 μm, в то время как при набухании в DDW этот размер существенно меньше, т. е. эффектом разматывания (с учетом погрешности измерений) можно пренебречь, что было подробнее показано в [3]. Размотанные с поверхности мембраны в объем воды полимерные волокна аналогичны гликокаликсу (внеклеточному матриксу) клеточных мембран, то есть исследования взаимодействий аминокислот с такой структурой позволяет на качественном уровне (с учетом разницы масштабов) проводить моделирование процессов на поверхности клеточных мембран, то есть изучать клеточные метаболизмы [4].
Результаты взаимодействия Нафиона с аминокислотами
Показано, что при взаимодействии аминокислот с размотанными в объем жидкости полимерными волокнами следует учитывать эффекты тушения люминесценции [5]. Оказалось, что динамика набухания мембран Нафиона и тушения люминесценции аминокислотами различна для суспензий аминокислот, приготовленных в физиологических растворах на основе обычной воды и DDW, что прослеживается из рис. 2. Стационарный уровень интенсивности люминесценции для суспензий на основе обычной воды существенно выше, чем для DDW, что связано с защитной функцией размотанных в объем воды полимерных волокон.
Рис. 2. Интенсивность люминесценции I(t) в зависимости от времени вымачивания Нафиона в солевом растворе на водной основе и на основе DDW (0,9 об.% NaCl) для суспензии гистидина
При длительном вымачивании Нафиона в суспензии глутаминовой кислоты интенсивность люминесценции на поверхности Нафиона падает из-за эффектов тушения, но добавление в жидкость небольшого количества лизина приводит к восстановлению интенсивности (рис. 3). Именно в суспензиях на основе DDW попеременные добавки глутаминовой кислоты и лизина приводят к эффектам тушения и восстановления люминесценции, причем величины скачков и спадов интенсивности люминесценции достаточно стабильны [6, 7].
На 30-й минуте добавляли суспензию лизина (1 г/л), приготовленную в физиологическом растворе на основе DDW. Затем на 70-й минуте еще раз добавляли суспензию глутаминовой кислоты того же объема и концентрации 1 г/л (см. рис. 3).
Рис. 3. Интенсивность люминесценции I(t) в зависимости от времени вымачивания Наифона в растворах на основе DDW (0,9 об.% NaCl), содержащих суспензию глутаминовой кислоты (концентрация 1 г/л)
Заключение
В результате проделанной работы мы видим, что добавки различных аминокслот приводят как к ослаблению, так и к востановлеию интенсивности люминесценции Нафиона в зависимости от выбранной аминокислоты. Была высказана гипотеза, что на основе полимерной мембраны, набухающей в суспензиях аминокислот, вызывающих тушение и восстановление люминесценции, можно создавать логические бинарные ячейки 0 — 1 и 0 — 1 — 0.
Литература
Mauritz K.A., Moore R.B. State of understanding of Nafion. Chem Rev, 2004, vol. 104, pp. 4535–4585. DOI: https://doi.org/10.1021/cr0207123
Choi J.S., Tsui J.H., Xu F., Lee S.H., Sung S.K., Lee H.J., Wang C., Kim H.J., Kim D.H. Fabrication of micro- and nanopatterned nafion thin films with tunable mechanical and electrical properties using thermal evaporation-induced capillary force lithography. Adv Mat Int, 2021, vol. 8, art. no. 2002005. DOI: https://doi.org/10.1002/admi.202002005
Yurchenko S.O., Shkirin A.V., Ninham B.W., Sychev A.A., Babenko V.A., Penkov N.V., Kryuchkov N.P., Bunkin N.F. Ion-specific and thermal effects in the stabilization of the gas nanobubble phase in bulk aqueous electrolyte solutions. Langmuir, 2016, vol. 32, pp. 11245–11255. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b01644
Bunkin N.F., Bolotskova P.N., Bondarchuk E.V., Gryaznov V.G., Kozlov V.A., Okuneva M.A., Ovchinnikov O.V., Penkov N.V., Smoliy O.P., Turkanov I.F. Dynamics of polymer membrane swelling in aqueous suspension of amino-acids with different isotopic composition, photoluminescence spectroscopy experiments. Polymers 2021, vol. 13. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13162635
Millero F.J., Lo Surdo A., Shin C. The apparent molal volumes and adiabatic compressibilities of aqueous amino acids at 25 °C. J Phys Chem, 1978, vol. 82, pp. 784–792. DOI: https://doi.org/10.1021/j100496a007
Ji G., Zheng T., Gao X., Liu Z. A highly selective turn on luminescent logic gates probe based on postsynthetic MOF for aspartic acid detection. Sens Actuators B Chem, 2019, vol. 284, pp. 91–95. DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.12.114
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
