光及び中性子散乱法を用いた高分子水溶液高圧物性の時空間解析

使用光和中子散射方法对聚合物水溶液的高压物理性质进行时空分析

基本信息

批准号：
07J04468
负责人：
大坂昇
金额：
$ 1.15万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

项目摘要

本申請者は昨年度において小角中性子散乱法を用いて高分子の高次構造へ与える圧力効果を研究し、相分離に重要な働きをする疎水性相互作用が高圧下で低下することを明らかにした。また、タンパク質であるβ-ラクトグロブリンへの圧力効果を調べることで、疎水性相互作用が低下する変化が高圧下で普遍性に見られる現象である可能性を示した。本年度は、高分子水溶液への圧力効果をミクロな観点から理解するために、中性子準弾性散乱法を用いて水和水のダイナミクスの測定を行った。用いた高分子は温度、圧力誘起相分離を示すpoly(N-isopropylacrylamide)(PNIPA)である。まず、大気圧下において昇温による水和水のダイナミクスの変化を調べた。低温、相溶状態においては水分子は高分子と水素結合を形成しており、バルク水と比べて小さい拡散係数の値を示す。また、相分離温度においては水和水は脱離するため、水和水の拡散係数は急激に上昇する。一方、高圧下においては低圧下と同様に相分離温度に応答した拡散係数の上昇を示す。しかし、この拡散係数の温度変化は大気圧下の変化と比べて連続的になっており、この傾向は高圧下になるほど顕著である。中性子準弾性散乱法においては、溶媒中の重水素分率を調整することで高分子の振動モードを検出することが可能である。それによると、高分子の振動モードも水和水の変化に対応して、高圧下においては転移が連続的になることが明らかにされた。また、高圧下における水和水の緩慢な変化は水素結合の低下を意味しており、この変化が高圧下において疎水性相互作用が低下することの起源であることが実験的に示された。

去年，申请人使用小角度的中子散射方法研究了对聚合物高阶结构的压力效应，表明疏水相互作用在相分离中起重要作用，在高压下降低。此外，通过检查对蛋白质β-乳球蛋白的压力效应，我们已经表明，减少疏水相互作用的变化可能是在高压下普遍看到的一种现象。在今年，为了从微观的角度理解对水性聚合物溶液的压力效应，我们使用中子准循环散射测量了水合水的动力学。所使用的聚合物是聚（N-异丙丙烯酰胺）（PNIPA），该聚合物表现出温度和压力诱导的相分离。首先，我们研究了由于大气压下温度升高而导致的水合水动力学变化。在低温和兼容状态下，水分子与聚合物形成氢键，表明比大水的扩散系数值较小。此外，由于水合水在相分离温度下解剖，水合水的扩散系数急剧上升。另一方面，在高压下，扩散系数响应于相分离温度的响应，类似于在低压下。但是，扩散系数的温度变化比大气压更连续，并且在较高的压力下，这种趋势更为明显。在中子准弹性散射中，可以通过调节溶剂中的氘馏分来检测聚合物的振动模式。据此，可以发现聚合物的振动模式也对应于水合水的变化，并且在高压下过渡变得连续。此外，在高压下，水合水的缓慢变化平均降低氢键，并且在实验上，这种变化被证明是高压下疏水相互作用下降的起源。