С. м., определяемых аналогично геометрич. сегментам и характеризуемых продольной и поперечной составляющими дипольного момента. Для гибкоцепных макромолекул число мономерных звеньев в электрич. С. м. «эО, тогда как для жесткоцепных эти характеристики, как правило, совпадают.

С. м. определяют методами, чувствительными к размерам макромолекулы и внутримолекулярной подвижности (см. Диффузионное движение макромолекул, Седиментация, Вязкость характеристическая, Светорассеяние, Двойное лучепреломление), а также по рассеянию рентгеновских лучей. Для макромолекул известной жесткости экспериментально определяемый размер С. м. может служить характеристикой совершенства химич. структуры.

Лит.: Цветков В. Н., Эскин В. Е., Френкель С. Я., Структура макромолекул в растворах, М., 1964;

Цветков В. Н., Усп. хим., 88, в. 9, 1674 (1969); Высоко-молек. соед., А16, № 5,944 (1974); Бартенев Г. М., 3 е л е-нев Ю. В., Курс физики полимеров, Л., 1976. ТТ. Н. Лавренко.

СЕДИМЕНТАЦИЯ полимеров (sedimentation, Sedimentation, sedimentation).

Содержание: Техника седиментационного анализа

Аналитическая ультрацентрифуга 39 4

Оптические методы регистрации 395

Теория и методы седиментационного анализа 396

Скоростная седиментация 396

Изучение седиментационного равновесия 398

Изучение приближения к равновесию 399

Центрифугирование в градиенте плотности . . .399 Применение седиментационного анализа

Определение молекулярной массы и размеров макромолекул 401

Определение молекулярно-массового распределения 401

Определение композиционной неоднородности полимера 403

Изучение обратимой ассоциации белков 404

Седиментация — оседание частиц дисперсной фазы в гравитационном или центробежном поле, обусловленное различием плотностей этой фазы и дисперсионной среды. При исследовании полимеров изучают оседание макромолекул в ультрацентрифуге (УЦ) при центробежных ускорениях до сотен тысяч g. С.— важнейший метод определения молекулярной массы М, молекулярно-массового распределения (ММР) и неоднородности состава полимеРис. 1. Схематич. изображение расширяющейся концентрационной границы: а— кювета с секторным углом <р; б — интегральные распределения концентрации с по смещениям х; в — кривые распределения градиента концентрации вс/дх(х) для трех моментов времени tt ,4г, (,; хт—максимум седимен-тационной границы, х„ и хь — координаты соответственно мениска и дна кюветы, х^ — область плато, 0 — ось вращения.

ров, а также размеров, формы, гибкости макромолекул. С. используют также для исследования избирательной сольватации, разделения микроколичеств биологически активных веществ и др.

Благодаря направленному макроскопич. движению макромолекул в кювете с р-ром полимера, помещенной в сильное центробежное поле, происходит перераспределение концентрации полимера. При скоростной С. в результате такого движения молекул возникает концентрационная граница между чистым растворителем и р-ром (см. рис. 1). Эта граница непрерывно движется в направлении дна кюветы со скоростью, равной скорости оседания отдельных макромолекул. Наблюдение С. сводится к регистрации распределения концентрации полимера и его изменения с течением времени.

Техника седиментационного анализа

Аналитическая ультрацентрифуга. Большие центробежные поля создаются в УЦ вследствие вращения ротора с высокими скоростями v (обычно до 75 ООО об/мин; сконструированы УЦ с v>105 об/мин).

В аналитич. УЦ в ротор, расположенный в термоста-тируемой вакуумированной камере, вставляют кювету (одну или несколько) с исследуемым р-ром. Кювета представляет собой металлич. цилиндр, имеющий в торцах окна из толстых пластин оптич. кварца или сапфира. Окна сжимают с двух сторон помещенный в кювету вкладыш с секторной полостью (<р=2—4°) толщиной от 1,5 до 30 мм. Р-р вводится в эту полость через отверстие, герметически закрываемое винтом. Наиболее употреби

тельна односекторная кювета. Широко используют также двухсекторную, в одну полость к-рой вводится р-р, в другую — растворитель; это облегчает учет оптич. искажений, обусловленных влиянием гидростатич. давления, перераспределения компонентов при использовании смешанного растворителя и др.

Оптические методы регистрации седиментации. С. наблюдают с помощью оптич. методов, основанных на дифракции, интерференции и поглощении светового пучка, проходящего через кювету с р-ром. Первые два предполагают различие показателей преломления растворителя щ и полимера пп. Показатель преломления р-ра nv=nu-\-Kc, где с — концентрация (г/дл), К= — dnldc — уд. инкремент показателя преломления. Для р-ров полимеров, как правило, можно допустить, что внутри одного класса молекул К не зависит от с, а пп — от М, т. е. КфК(М). Тогда dnldxпропорционален dcldx и наблюдаемая на экране или фотопластинке оптич. картина (седиментограмма) позволяет определять распределение dcldx.

Основной рефрактометрич. метод, позволяющий визуально наблюдать С,—т. наз. шлирен-метод —

основан на том, что отклонение луча в радиальном наа правлении, пропорциональное dnldx, преобразуется в отклонение в перпендикулярном направлении путем введения в оптич. схему наклонной диафрагмы и цилиндрич. линзы (метод Филпота — Свенссона). Более чувствительный метод регистрации С.— использование интерферомет р а Р э л е я, когда седиментограмма получается в результате интерференции

Рис. 2. Седиментограммы, получаемые с помощью интерферометра Рэлея (а) и оптики Филпота — Свенссона (б); в— распределения концентрации с (х) и градиента концентрации

двух световых пучков, один из к-рых прошел через полость с растворителем, другой — через полость с р-ром (в методе используют двухсекторные кюветы); распределение с (х) определяется по форме интерференционных полос. На рис. 2 показаны типичные седиментограммы, получаемые данными методами, и соответствующие им

распределения с (х) и ^(#).

Наиболее совершенный поляризационно-интерферен-ционный метод, предложенный В. Н. Цветковым, основан на использовании интерферометра А. А. Лебедева (см. Диффузионное движение ромолекул). В нем применяют односекторные кюветы; седиментограмма образуется в результате интерференции двух систем поляризованных световых пучков, разделенных в радиальном направлении. Этот метод позволяет получать одновременно функции распределения концентрации в кювете как в интегральной, так и в дифференциальной форме. Оптич. искажения учитывают сопоставлением седиментограммы с оптич. картиной для чистого растворителя.

В методе поглощения света параллельный световой пучок проходит через кювету, изображение к-рой проектируется на фотопленку; при этом радиальное распределение оптич. плотности негатива пропорционально с(х). Требования к стабильности источника света и чистоте р-ра снижаются при использовании двухлучевой системы, в к-рой из поглощения р-ром автоматически вычитается поглощение растворителем (используется двухсекторная кювета).

Для автоматизации математич. обработки седимен-тограмм УЦ совмещают с ЭВМ посредством установки микрофотоумножителей или многоканального анализатора (вместо фотопластинки). С помощью сканирования автоматизированы метод поглощения [с двойной записью данных в виде зависимостей с(х) и ^(#)] и

шлирен-метод в своей наиболее грубой модификации — когда в качестве наклонной диафрагмы используется нож. Предпринимаются попытки расчета конечных молекулярных характеристик полимеров по одной седи-ментограмме.

Теория и методы седиментационного анализа Седиментационный анализ включает следующие три основных экспериментальных метода: скоростную С., изучение седиментационного равновесия и процесса приближения к равновесию. Скоростная С. позволяет определить константу С. полимера и полидисперсность образца; изучение седиментационного равновесия — мол. массу различных типов усреднения; изучение приближения к равновесию — мол. массу (менее надежно, но и с меньшей затратой времени, чем в предыдущем методе) и неоднородность состава полимера. Процесс С, состояние равновесия и приближение к нему м. б. исследованы также в условиях искусственно создаваемого в кювете градиента плотности; центрифугирование в градиенте плотности — важный метод определения мол. массы, наличия неоднородности и ее типа; служит также для разделения.

Скоростная С. В УЦ на частицу массой т, к-рая находится на расстоянии х от оси вращения, действует центробежная сила ы2х(т—vp) (v — изменение объема большого количества р-ра при добавлении в него частицы, р — плотность р-ра), возникающая при вращении ротора с угловой скоростью co=2nv/60. С. наблюдается при (т—i>p)>0; при (т—i>p)<0 макромолекулы всплывают. Центробежная сила уравновешивается силой

трения , где / — коэфф. поступательного трения

макромолекул. В предположении однородности центробежного поля в кювете движение частицы описывается ур-нием:

ы?х(т— vp)=f(dx/dt) (1)

S =

(2)

Величина

1 dx

ш2* dt

наз. коэффициентом седиментации. Из ур-ния (1), учитывая, что шМА—М (Л/д— число Аво-гадро), и вводя понятие уд. парциального объема v= = (ди/дт)т>р (изменение объема р-ра при добавлении бесконечно малого количества полимера при постоянных темп-ре Т и давлении р), получаем:

M = NAfS/{l-vp0) (3)

где р0 — плотность растворителя. Значение /, определяемое формой и размерами седиментирующих частиц, связано с коэфф. диффузии D соотношением: f=kTlD (к — константа Больцмана, см. Диффузионное движение макромолекул). При бесконечном разбавлении справедливо допущение, что коэфф. поступательного трения в процессах С. и диффузии равны (/5=/д), и ур-ние (3) можно записать в виде:

MSD = [RT/(i -Up0)} (S0/Do) (4)

где R — универсальная газовая постоянная, 50 и D0— значения S и D, экстраполированные к нулевой концентрации. Ур-ние (4), наз. «первой ф-лой Сведберга», дает абсолютный метод определения мол. массы, т. к. при его выводе не использовались никакие модельные

представления. В случае полимолекулярного образца MSD по типу усреднения является промежуточной между среднечисленной мол. массой МП и среднемассовой MW(M„<.MSD