Vpliv prisotnih soli

1.1.3.1 Hofmeistrova vrsta

Enostavne soli moˇcno vplivajo na lastnosti polielektrolitske raztopine. Pred veˇc kot 130 leti je Franz Hofmeister razvrstil nekatere soli glede na njihovo sposobnost vsoljevanja in izsoljevanja proteinov. Te soli je razvrstil v vrsto glede na njihovo sposobnost stabilizacije proteinov v raztopini. Za soli, ki so protein šˇcitile pred denaturacijo, se je uveljavilo poime-novanje kozmotropne soli, kaotropne soli pa so tiste, ki denaturacijo proteinov pospešijo. Po njem imenovana Hofmeistrova vrsta se sklada z mnogimi drugimi pojavi. Glede na sposob-nost stabilizacije proteinov lahko posamezne katione in anione v soleh postavimo v naslednjo vrsto [11]:

N(CH₃)⁺₄<N H₄⁺<Cs⁺<K⁺<N a⁺<Li⁺<M g²⁺<Ca²⁺

SO²⁻₄ <HP O²⁻₄ <OAc⁻<cit⁻<OH⁻<Cl⁻<Br⁻<N O⁻₃<ClO⁻₃<BF₄⁻<I⁻<ClO⁻₄<SCN⁻<P F₆⁻

Tabela 1: Primerjava kozmotropnih in kaotropnih soli glede na sposobnost stabilizacije proteinov[11].

Kozmotropi Kaotropi

•Stabilizirajo proteine •Destabilizirajo proteine

•Zavirajo denaturiracijo proteinov •Pospešijo denaturiracijo proteinov

•Zmanjšajo topnost hidrofobnih topljencev •Poveˇcajo topnost hidrofobnih topljencev

•Povzroˇcajo izsoljevanje topljencev •Povzroˇcajo vsoljevanje topljencev

•Kationi z manjšo gostoto naboja •Kationi z veˇcjo gostoto naboja

•Anioni z veˇcjo gostoto naboja •Anioni z manjšo gostoto naboja

Ko govorimo o vplivu ionov na topnost proteinov, poteka vrsta v primeru kationov od "meh-kih", slabo hidratiranih ionov na levi strani do "trdih", moˇcno hidratiranih ionov na desni.

Pri anionih je ravno obratno. Ta pojav lahko razložimo s Collinsovo teorijo, ki pravi, da se moˇcno hidratirana ("trda") nasprotno nabita iona, kot tudi šibko hidratirana ("mehka") nasprotno nabita iona med seboj moˇcno privlaˇcita in tvorita ionski par, medtem ko se pri kombinaciji ionov, kjer je en ion "mehak", drugi pa "trd", iona ne združita. Proteini vsebu-jejo moˇcno hidratirane karboksilne skupine (trd anion) in šibko hidratirane aminske skupine (mehak kation). Poslediˇcno se na proteine raje vežejo anioni z nižjo in kationi z višjo gostoto naboja [11–13].

Anione in katione lahko razdelimo na kaotrope in kozmotrope, vendar pa je pomen teh poj-mov nekoliko drugaˇcen od tistih pri soleh. Dandanes se izraza redko uporabljata za opis zmožnosti vsoljevanja in izsoljevanja, pogosteje pa za razdelitev ionov na tiste, ki urejajo vodno strukturo okoli sebe (kozmotropi), in na tiste, ki rušijo vodno strukturo (kaotropi).

Tabela 2: Primerjava kozmotropnih in kaotropnih ionov glede na sposobnost urejanja vodne strukture.

Kozmotropi Kaotropi

•Urejanje vodne strukture •Rušenje vodne strukture

•Poveˇcajo površinsko napetost raztopine •Zmanjšajo površinsko napetost raztopine

•Kationi z veˇcjo gostoto naboja •Kationi z manjšo gostoto naboja

•Anioni z veˇcjo gostoto naboja •Anioni z manjšo gostoto naboja

Ko govorimo o ionski sposobnosti urejanja vodne strukture, so kaotropi anioni in kationi z manjšo gostoto naboja. V primerjavi z vplivom na topnost proteinov je tu kationska vrsta

obrnjena. Naˇceloma imajo kationi manjši vpliv na raztopino kot anioni, ker anioni moˇc-neje interagirajo z vodo kot kationi primerljive velikosti. To drži le, ˇce interakcije ion-voda prevladujejo nad ion-ion interakcijam [11–13].

1.1.3.2 Manningova teorija

Manningova teorija je elektrostatska teorija, ki obravnava raztopine linearnih polielektroli-tov, osredotoˇca pa se na pojav zgošˇcevanja (kondenzacije) protiionov ob poliion. Ta teorija protiionom dovoljuje le dve stanji: ali so kondenzirani (elektrostatsko zelo moˇcno vezani ob poliion) ali pa prosti [1]. Temelji na naslednjih predpostavkah: (i) polielektrolit si predsta-vljamo kot nabito premico z dano linearno gostoto nabojaΓ; (ii) veriga se nahaja v neskonˇcno razredˇceni raztopini, zaradi ˇcesar so interakcije med verigami zanemarljive; (iii) dielektriˇcna konstanta raztopine je enaka tisti za ˇcisto topilo; (iv) ko je linearna gostota nabojaΓ>1/|z|, se protiioni kondenzirajo ob verigi, pri tem pa senˇcijo naboj poliiona. Ioni s kondenzacijo manjšajo efektivno linearno gostoto naboja Γef dokler ta ne pridobi vrednosti 1/|z|, kjer je z veˇckratnik osnovnega naboja; (v) proste (nevezane) protiione se obravnava v Debye-Hücklovem približku [14].

Teorija pravi, da se protiioni lahko kondenzirajo na poliionu, dokler elektriˇcni potencial med sosednjimi nabitimi monomeri ne pade pod neko kritiˇcno vrednost. Pri linearnih polielek-trolitih se Manningova kondenzacija pojavi, ko nominalna linearna gostota naboja doseže vrednostΓ[15]:

Γ = λ_B

l_naboj >1, (12)

kjer je λB Bjerrumova razdalja, to je razdalja na kateri je elektrostatska interakcija med dvema nabojema enaka termiˇcni energiji k_BT, l_naboj pa je razdalja med sosednjima nabi-tima monomeroma. V trenutku, ko je pogoj te enaˇcbe izpolnjen, se efektivna linearna gostota naboja zaˇcne razlikovati od nominalne, kot to prikazuje slika 4. Manningova teorija pravi, da je delež kondenziranih protiionov enak vrednosti1−_Γ¹, kjer kondenzacija pomeni, da se protiioni nahajajo znotraj Manningovega radijaR_M [15].

Slika 4: Efektivna linearna gostota naboja v odvisnosti od nominalne, ko jez = 1.

Drugaˇcen opis vedenja protiionov ponuja Poisson-Boltzmannova teorija, kjer je porazdelitev zvezna in ni diskretnega preskoka med vezanim in prostim stanjem. Prostor okoli poliiona lahko razdelimo na dve regiji. Blizu polielektrolitske verige je privlaˇcna energija veˇcja od kBT in lahko na protiione gledamo kot vezane. V bolj oddaljeni regiji je privlaˇcna energija manjša odkBT in protiione štejemo za nevezane [1].

1.1.3.3 Interakcije med polielektrolitom in soljo

Pri polielektrolitih je konformacija solvatiranih verig moˇcno povezana z ionsko moˇcjo razto-pine. Dodatek enostavnega elektrolita senˇci odboj med enako nabitimi monomernimi mesti, kar omogoˇca verigi, da preide v bolj sprošˇceno konformacijo nakljuˇcnega klobˇciˇca [2].

Ce koncentracija polielektrolita v raztopini ni premajhna, imajo iztegnjene verige veˇcjo ver-ˇ jetnost interakcij s sosednjimi poliioni in raztopina poslediˇcno znatno višjo viskoznost. Že manjše spremembe v ionski moˇci lahko notranjo strukturo precej spremenijo [1, 8]. Ko na po-liion ne delujejo veˇc dolgosežne Coulombske sile, se zaradi kratkosežnih van der Waalsovih sil in vodikovih vezi poliion lahko zvije [16].

Kako bo enostavna sol vplivala na raztopino polielektrolita je v veliki meri odvisno od kon-centracije polielektrolita. Pri koncentraciji podc_D dodana sol viskoznost raztopine zmanjša, nad koncentracijo c_D pa se viskoznost ob dodatku soli poveˇca. Pri tako veliki

koncentra-ciji polielektrolita so elektrostatske interakcije zasenˇcene že same po sebi in dodatek soli ne zmanjša znatno števila interakcij med njimi. Ko je iz polimernih verig spletena tako go-sta mreža, se ioni dodane soli vrinejo v preplete in s tem poveˇcajo viskoznost in elastiˇcnost mreže. Pri razvejanih polielektrolitih je ta vpliv še bolj izrazit. Veˇcji kot je ion, bolj od-pre prostor med verigami. Dvakrat nabiti kationi lahko delujejo kot mostovi, ki inter- ali intramolekularno povezujejo verige. To privede do bolj kompaktne notranje strukture [3, 16].

Veˇc kot je dodane soli, hitreje se viskoznost s koncentracijo polielektrolita poveˇcuje in verige se zaˇcnejo prepletati (c_e) pri višji koncentraciji [4].

1.1.3.4 B-koeficient

Za opis viskoznosti vodnih raztopin enostavnih soli ob odsotnosti polielektrolita je pogosto uporabljena relativna viskoznost,η_rel= _η^η

S, kjerη_Soznaˇcuje viskoznost ˇcistega topila. Mate-matiˇcno lahko odvisnost med relativno viskoznostjo in koncentracijo soli v limitnih pogojih (razredˇcena raztopina) opišemo z enaˇcbo [17]:

η_rel = 1 +A·√

c, (13)

kjer je konstantaA odvisna od lastnosti topila, naboja in mobilnosti ionov ter temperature.

G. Jones in M. Dole sta enaˇcbo razširila na veˇcje koncentracije [18]:

ηrel = 1 +A·√

c+B·c, (14)

kjer je konstantaB znana kotB-koeficient in je odvisna od elektrolita in temperature. Vre-dnost B-koeficienta je moˇcno povezana z entropijo raztopine. Kaotropni ioni (npr. Rb⁺, Cs⁺, I⁻, ClO₃⁻, N O₃⁻), ki rušijo strukture vode, imajo negativen B-koeficient. Le-ta se s temperaturo poveˇcuje. Pri višji temperaturi je struktura vode že sama po sebi tako porušena, da ioni nanjo nimajo veˇc velikega vpliva. Moˇcno hidratirani kozmotropni ioni (npr. N a⁺, Li⁺, M g²⁺, La³⁺, F⁻) imajo veˇcje, celo pozitivne B-koeficiente. Enaˇcba 14 velja za kon-centracije soli do približno 0,5 mol/L. Za opis viskoznosti raztopin nekaterih soleh se nad to koncentracijo v enaˇcbo 14 doda dodaten ˇclenDc² [17, 19].

Tabela 3: B-koeficienti nekaterih protiionov v polielektrolitskih soleh, ki sem jih preuˇceval.

Vrednosti veljajo pri temperaturi 25 °C [19].

Anion B (dm³/mol)

Tabela 4: Viskoznosti raztopin nekaterih natrijevih soli pri 25 °C in koncentraciji 1 mol/kg.

Sol Viskoznost(mP a·s)

Tabela 5: pKa-vrednosti kislin, ki sem jih uporabljal pri eksperimentalnem delu.

Kislina pKa