АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Подготовка к работе

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ

НА ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЛИПИДНЫХ ПЛЕНОК

Цель работы: исследовать влияние УФ-облучения на поверхностное натяжение липидных пленок..

Необходимое оборудование и принадлежности: торсионные весы ВТ-500, УФ лампа, кольцо, чашки Петри, стеклянная палочка; дистиллированная вода, глицерин, этанол, линетол..

Подготовка к работе.

Повторить следующие вопросы:

1. Понятие поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения.

2. Понятие монослоя. Образование липидных монослоев на границе раздела жидкость-газ. Силы межмолекулярного взаимодействия в монослое.

3. Действие ультрафиолетового излучения на липидные молекулы.

Поверхностное натяжение является важной характеристикой поверхности раздела фаз и поверхностных явлений. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящейся на единицу межфазной поверхности. Чем больше различия в силе межмолекулярных взаимодействий граничащих фаз, тем больше поверхностное натяжение. При температуре 20 °С поверхностное натяжение ртути составляет 485,0 мДж/м², воды – 72,8 мДж/м², этанола – 22,0 мДж/м², подсолнечного масла – 33,0 мДж/м², сливок – 42,0 мДж/м², вина – 45…55 мДж/м². Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др.

Наиболее доступными для экспериментального измерения поверхностного натяжения являются системы жидкость–газ и жидкость–жидкость. Определяющую роль в свойствах образующихся тонких жидких пленок (мономолекулярных слоев) играют ван-дер-вальсовы взаимодействия. Под ван-дер-вальсовыми взаимодействиями понимают взаимодействия, имеющие флуктуационное электромагнитное происхождение. Для этих взаимодействий во многих случаях характерна универсальная зависимость от расстояния. Так энергия диполь-дипольного ван-дер-вальсова взаимодействия двух атомов обратно пропорциональна шестой степени расстояния, а для атомов и поверхности конденсированной среды - третьей. При этом универсальность выражается в том, что специфика взаимодействующих частиц или тел, т.е. их конкретные свойства, сказывается лишь на значениях соответствующих коэффициентов, а не на виде функциональной зависимости энергии взаимодействия. Сильная зависимость ван-дер-вальсовых взаимодействий от расстояния обусловливает их короткодействующий характер и определяет радиус сферы молекулярного действия от нескольких ангстрем до нескольких тысяч ангстрем.

Возрастание потенциала ван-дер-вальсовых взаимодействий вблизи поверхности конденсированной фазы, означает, что молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Избыток свободной энергии D F, приходящийся на единицу площади поверхности раздела фаз DS, характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения s :

Свободную энергию образования границы раздела можно понимать как работу, которую необходимо затратить на перенос молекул жидкости из объема (субфазы) на поверхность раздела фаз. Силы, действующие в субфазе на определенную молекулу со стороны других молекул, скомпенсированы, тогда как на молекулу, расположенную на поверхности раздела, действуют силы притяжения только со стороны субфазы. Действием молекул, находящихся над поверхностью, можно пренебречь, так как плотность пара во много раз меньше плотности жидкости. Поэтому переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой для увеличения поверхности связан с необходимостью совершения работы против действующих в поверхностном слое сил. Эта работа совершается молекулой за счет запаса ее кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости уменьшается с ростом температуры, а при критической температуре он обращается в нуль (см. Примечание 1). Поверхностное натяжение раствора σ почти всегда отличается от поверхностного натяжения растворителя σ₀, так как растворенные вещества в зависимости от их природы могут концентрироваться на поверхности раствора или переходить в объем раствора. Например, растворение солей приводит к увеличению коэффициента поверхностного натяжения (см. Примечание 2). Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, называются поверхностно-активными (ПАВ). ПАВ относительно воды являются спирты, органические кислоты, амины и др. Поверхностно-активные вещества способны адсорбироваться на поверхности воды, образуя при этом монослои. Такое свойство ПАВ обусловлено особенностями их структуры: молекулы наряду с полярными гидрофильными группами содержат неполярные углеводородные радикалы. На поверхности воды полярные группы взаимодействуют с молекулами воды, а гидрофобные концы выступают в воздушное пространство. Благодаря такому строению мономолекулярного слоя коэффициент поверхностного натяжения воды уменьшается.

На поверхности жидкости мономолекулярный слой нерастворимых и слаборастворимых ПАВ может находиться в различных "агрегатных" состояниях. Если расстояние, разделяющее молекулы в мономолекулярном слое, велико по сравнению с их размерами и молекулы почти не взаимодействуют, слой называется газообразным (G -пленка). Мономолекулярный слой с предельно плотной упаковкой молекул называется конденсированным; его уподобляют двухмерной жидкости (L -пленка) или двумерному твердому телу (S -пленка). В газообразном монослое на границе водная среда-газ гидрофобные группы амфифильных молекул ПАВ располагаются вдоль поверхности раздела фаз, в конденсированных монослоях они ориентированы по нормали или под углом к межфазной поверхности. Макромолекулы в мономолекулярном слое могут находиться в виде клубков, спиралей или иных структурных форм. Молекулы линейных полимеров обычно принимают плоскую конформацию, располагаясь вдоль поверхности раздела фаз. Однако отдельные участки цепи могут образовывать "петли" и "хвосты", выступающие далеко за пределы поверхностного слоя. Некоторые макромолекулы, например белковые, имеющие в растворе форму спирали, при выходе из объема фазы в поверхностный слой полностью или частично разворачиваются.

Структура и свойства монослоев сильно зависят от строения образующих его молекул, степени ионизации полярных групп, природы контактирующих фаз и др. Мономолекулярные слои, особенно S - и L -пленки, влияют на скорость массопереноса через поверхность раздела фаз (например, участвуют в регуляции влажности кожи человека), трение, адгезию. Монослои некоторых веществ эффективно снижают испарение летучих нефтепродуктов, защищают металлы от коррозии. Состояние мономолекулярного слоя, его электрические и реологические свойства решающим образом сказываются на устойчивости эмульсий и пен. Важную роль играют мономолекулярные слои (липидные, липопротеидные и др.) в клеточных мембранных процессах.

ПАВ выполняют важные функции в организме человека. Например, сурфактант, выстилающий альвеолы легких изнутри, является смесью поверхностно-активных веществ и, находясь на границе воздух-жидкость в этих пузырьках, препятствует спадению (слипанию) стенок альвеол при дыхании за счёт снижения поверхностного натяжения. Сурфактант состоит из фосфолипидов, белков и полисахаридов.

Состав лёгочного сурфактанта:

Сурфактант также имеет защитное действие. Высокие поверхностно-активные свойства сурфактанта объясняются присутствием в нём дипальмитоилфосфатидилхолина. Располагающийся на поверхности альвеолярногоэпителиясурфактант включает 2 фазы: гипофазу (нижнюю), состоящую из тубулярногомиелина; апофазу - поверхностную мономолекулярную плёнкуфосфолипидов, обращённую в полостьальвеолыгидрофобнымиучастками.

Слеза, распределяясь на поверхности глаза, представляет некое подобие слоя или пленки. Так как поверхность роговицы сама по себе не является постоянной (за счет слущивания эпителия), слезная пленка (СП) сглаживает неровности в ней и создает преломляющую поверхность с безупречной оптической характеристикой. Кроме того, СП нужна для поддержания адекватного метаболизма роговичного и конъюнктивального эпителия. Кислород, растворенный в СП, обеспечивает адекватное дыхание поверхностного эпителия глаза. СП также играет роль смазки при движении век и содержит антибактериальные субстанции (лизоцим, лактоферрин, церулоплазмин, бета-лизин, секреторный иммуноглобулин А и др.), что обеспечивает значительную стойкость наружной поверхности глаза к повреждающему действию различных инфекционных агентов.

СП представляет собой трехслойный мениск, состоящий из слоя липидов, водного слоя и слоя муцина. Наружный слой СП представлен, в основном, липидами, которые являются продуктами мейбомиевых желез век. Он состоит преимущественно из фосфолипидов, нейтрального жира и эфиров холестерина, которые растворяются при температуре тела человека. Слой липидов регулирует степень испарения среднего водного слоя, а также совместно с поверхностноактивными белками водного слоя участвует в регуляции поверхностного натяжения СП, представляя собой подобие биологической мембраны. Как в любой биологической мембране, липиды, особенно холестерин и фосфолипиды, обеспечивают проницаемость и пластичность мембраны. Cредний водный слой - толщиной 7 мкм - занимает почти 90% толщины всей слезной пленки и формируется, в основном, за счет секреции добавочных слезных железок Генле, Манца, Краузе, Вальдеера, Уолфринга. Водный слой имеет низкую вязкость и включает все водорастворимые компоненты слезы - неорганические соли, глюкозу, мочевину, протеины, гликопротеиды и др. В слезной пленке найдено около 11 белковых компонентов с молекулярной массой от 16 000 до 400 000 дальтон. Тем не менее, наиболее часто в слезной пленке находят 4 белка: лизоцим, лактоферрин, b-лизин и секреторный иммуноглобулин. Белки слезной пленки принимают участие в процессах регуляции поверхностного натяжения слезной пленки, поддержания буферной ёмкости, защитных и трофических процессах глаза. Глюкоза, растворенная в слезной пленке, является главным компонентом энергетического обмена роговицы.

Внутренний слой слезной пленки (слой муцина) представлен кислыми мукополисахаридами, находящимися в гелевой и солевой формах. Источником поступления муцина являются бокаловидные клетки Бехера конъюнктивы. Полярный муцин находится в состоянии, которое не позволяет ему адгезироваться на поверхности роговичного эпителия. Распределяясь в виде монослоя на микроворсинках эпителиальной поверхности глаза, муцин сглаживает все неровности присущие такой поверхности. Более того, муцин служит своеобразным детергентом гидрофобного эпителия роговицы по отношению к среднему водному слою СП. В результате такого влияния первично гидрофобный роговичный эпителий превращается в гидрофильный, способствуя, таким образом, поступлению питательных веществ из водного слоя СП к эпителию поверхности глаза.

Новая, сформированная после очередного моргания, слезная пленка имеет толщину 6-10 мкм, осмолярность 300 мОсм/л при рН 7,0−7,3 и удельной плотности 1001÷1008 кг/м³.

Исследование монослоев дает информацию о таких физических параметрах индивидуальных веществ, как поверхностное давление монослоя (Ds=s_о-s, где s_о, s - поверхностное натяжение для чистой воды и после адсорбции ПАВ на границе раздела, соответственно), молекулярная площадь вещества в монослое, зависимость поверхностного давления от молекулярной площади. Для оценки величины поверхностного натяжения наиболее часто используют статические или полустатические методы, позволяющие измерять равновесные значения поверхностного натяжения жидкостей. К статическим относятся методы капиллярного поднятия жидкости и висячей (лежащей) капли. Полустатическими являются методы максимального давления в капле (пузырьке), отрыва кольца или пластины и сталагмометрический метод. Наиболее часто для определения поверхностного натяжения применяют следующие методы: наибольшего давления, сталагмометрический, отрыва кольца и уравновешивания пластинки (метод Вильгельми).

а) б) в) г)

Рис. 1. Методы определения поверхностного натяжения:

а – наибольшего давления; б – сталагмометрический; в – отрыва кольца;

г – уравновешивания пластинки

Метод наибольшего давления основан на продавливании пузырька газа или воздуха под воздействием внешнего давления р через калиброванный капилляр радиусом r ₀ (рис. 1, а). С увеличением давления пузырек растет, а радиус кривизны его поверхности R превышает радиус капилляра (положение 1: R > r ₀). Дальнейшее увеличение объема пузырька будет происходить до тех пор, пока внутреннее давление достигнет своего максимального значения; радиус кривизны при этом будет минимальным, т.е. R = r ₀ (положение 2).

В этот момент пузырек потеряет устойчивость: при увеличении его объема он отрывается от капилляра. Если в момент отрыва пузырька измерить давление р, то поверхностное натяжение можно выразить следующим образом:

(2)

Для того чтобы не измерять радиус капилляра, можно определить р эталонной жидкости, поверхностное натяжение которой известно, например воды. Тогда вместо формулы (2) можно записать

(3)

В сталагмометрическом методе определяют вес капли, которая отрывается от капилляра (рис 1. б) под действием силы тяжести или в результате выдавливания микрошприцом. Приближенно считают, что при отрыве вес капли Р _к уравновешивается силой, равной поверхностному натяжению, умноженному на длину окружности капилляра радиусом r ₀ т.е.

(4)

(5)

где k – постоянная сталагмометра; m – масса одной капли.

При измерении поверхностного натяжения методом наибольшего давления и сталагмометрическим методом пузырек и капля формируются сравнительно быстро за время, недостаточное для образования адсорбционного слоя растворенных молекул ПАВ, особенно, если они имеют сравнительно большую молекулярную массу. В этих условиях не успевает установиться равновесное поверхностное натяжение. Для подобных растворов рекомендуется увеличивать время формирования пузырька или капли до тех пор, пока давление или число капель станут постоянными.

В методе уравновешивания пластинки (или методе Вильгельми) определяют силу F, необходимую для извлечения из жидкости, погруженной в нее тонкой пластинки шириной h (рис. 1. г):

(6)

Метод отрыва кольца основан на том, что поверхностное натяжение можно определить как силу, действующую на единицу длины контура поверхности раздела фаз и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. Направлена сила поверхностного натяжения по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует.

Величину поверхностного натяжения экспериментально можно определить по силе отрыва кольца, образующего контур по формуле:

(7)

где Р - вес кольца, [Н], измеренный в момент отрыва;

Р_о - абсолютный вес кольца [Н];

r - наружный радиус кольца, [м].

Поскольку весы отградуированы в единицах массы, поэтому формулу (7) удобно привести к виду:

(7а)

где g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

m и m_о - показание весов в момент отрыва и абсолютная масса, соответственно, [кг].

Измерение поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва кольца производится при помощи торсионных весов. Для этого, легкое металлическое кольцо, подвешенное к торсионным весам, приводится в соприкосновение с поверхностью исследуемой жидкости. Затем увеличивают силу натяжения подвески, медленно поворачивая рычаг натяжения, и фиксируют показания весов в момент отрыва кольца. Значение силы в момент отрыва кольца пропорционально поверхностному натяжению.

Х о д р а б о т ы:

Задание 1. Определение поверхностного натяжения воды.