Оптические свойства ленгмюровских пленок органических красителей и белков

Введение
Глава 1.
Глава 2.
Глава 3.
к
Глава 4.
СОДЕРЖАНИЕ
Структура пленки Ленгмюра - Блоджетт
Литературный обзор
Литература
Метод приготовления монослоев и его применение для различных исследований Литературный обзор Оригинальные результаты
2.1. Влияние солевого состава субфазы на формирование монослоя белка на границе раздела фаз
2.2. Исследование корреляции между поведением органических молекул в монослоях на границе раздела фаз вода-воздух
и их спектральными свойствами в пленках ЛБ Литература
Взаимодействие между молекулами красителя в растворах и лепгмюровских пленках Литературный обзор Оригинальные результаты
3.1. Спектральное исследование агрегации бензотиазольных цианиновых красителей (БТЦК) в растворах и полимолекулярных слоях
3.2. Агрегирование БТЦК в растворах
3.3. Полислои ЛБ
3.4. Формирование агрегатов скварилиевого красителя (СК) в растворах и пленках ЛБ
3.5. Исследование агрегации СК в растворах
3.6. Образование агрегатов СК в слоях Л Б Литература
Перенос энергии в системе пленки Ленгмюра - Блоджетт -раствор
Литературный обзор Оригинальные результаты
4.1. Флуоресценция и кофлуоресценция УЬ, Оу,Тш комплексов с тетрафенилпорфирииом
4.2. Влияние окружения на флуоресценцию лантаноидных комплексов порфиринов. Флуоресценция УЬ комплекса мезотетра(р-сульфофенил)порфирина в растворах.
4.3. Флуоресценция УЬ комплекса мезотетра (р-сульфофенил ) порфирина в мицеллярных растворах.
4.4. Флуоресценция комплексов РЗИ с теноилтрифторацетоном.
4.5. Исследование флуоресценции и кофлуоресценции УЬТФП на поверхности раздела фаз вода/воздух и в ленгмюровских пленках.
4.6. Исследование флуоресценции и кофлуоресценции ЭуТФП в ленгмюровских пленках.
4.7. Исследование флуоресценции и кофлуоресценции ТтТФП в ленгмюровских пленках.
Литература
3
8
8
21
26
26
53
53
59
68
79
79
105
105
108
109
112
115
117
123
145
145
187
187
190
196
199
202
210
217
221
Глава 5. Биосенсоры. Флуоресцентный иммуноанализ 240
Литературный обзор 240
Оригинальные результаты 272
5.1. Иммуносенсорные модельные системы на основе ленгмюровских пленок с флуоресцентной регистрацией
(ФИА анализ). 272
5.2. FRET иммуносенсор с регистрацией в ближнем ИК. 278
5.3. FRET иммуносенсор с регистрацией сигнала в красном диапазоне спектра. 285
Литература 292
Выводы 312
Список
публикаций 315
Заключение 318
Ь
I
2
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Значительные успехи, достигнутые в области конструирования различных молекулярных структур в последние десятилетия, во многом обусловлены использованием такого метода получения организованных пленок амфифильных (биполярных) соединений, как метод Ленгмюра - Блоджетт (ЛБ). Его важным достоинством является возможность получения многослойных планарных структур с заданным количественным и качественным составом как в плоскости монослоя, так и в направлении, перпендикулярном к подложке.
Другие высокотехнологичные методы, такие как молекулярно - лучевая эпитаксия, металлорганичсскос химическое газофазное нанесение, жидкофазная эпитаксия, расширяют возможности для создания новых пленочных материалов за счет модификации субстрата с помощью нанесения тонкого слоя или слоев. Технология ЛБ является одним из методов, позволяющих создавать молекулярные приборы. Конечно, как любая технология получения тонких пленок, метод ЛБ имеет свои ограничения, прежде всего - это необходимость использования биполярных молекул, способных образовывать монослои на водной поверхности. Пленки, полученные методом ЛБ, имеют ту же область применения в оптических и электронных устройствах, как и пленки, полученные другими методами.
Поскольку живые организмы имеют в своем составе многие компоненты, которые применяются для получения пленок ЛБ (жирные кислоты, фосфолипиды, белки), существует возможность создания совместимых поверхностей раздела между традиционными материалами и биоматериалами для конструирования биосенсоров или биохимических зондов. Тонкие органические пленки часто используются в качестве матрицы для роста ориентированных кристаллов из белков или органических и неорганических материалов, с помощью которых достаточно просто изменять кристаллическую структуру и кинетику роста кристаллов.
Разработка высокочувствительных биосенсоров — быстро прогрессирующая область прикладной науки, которая становится главной темой исследований по созданию дешевых и быстродействующих (в режиме реального времени) анализов для определения биомолекул: антигенов, ферментов, антител. Метод ЛБ позволяет осуществлять нанесение пленок белка на твердый субстрат. Такой способ не только не разрушает структуру белка, но и придает ей новые полезные свойства, такие как термоустойчивость, стабильность во времени и определенную анизотропию пленки белка. Известно, что структура белков в пленках ЛБ не претерпевает существенных изменений при нагревании. Термическая стабильность таких пленок белков на 30 - 40°С выше по сравнению с их растворами.
Таким образом, использование пленок ЛБ является одним из перспективных и эффективных подходов к получению наноструктур, обладающих уникальными свойствами,
для создания на их базе молекулярных приборов (наноэлектроника), а также чувствительных микрочипов для химического, биологического, медицинского мониторинга окружающей среды и организма человека.
В настоящей работе с помощью оптических методов (спектроскопия поглощения, флуоресцентная спектроскопия) нами были исследованы различные молекулярные структуры, приготовленные с помощью методики Ленгмюра - Блоджетт.
Цель работы. Целью было исследование объектов различных классов, методически объединенных использованием методики ЛБ, чтобы определить общие закономерности и оптимальные условия формирования и функционирования активных молекул в тонких пленках, как на поверхности водной субфазы, так и на твердой подложке, а также предложить использование пленок для широкого спектра практических применений.
Цель работы определила следующие задачи:
1. Исследовать влияние структурной организации смешанных монослоев на границе раздела фаз вода/воздух на свойства этих же монослоев на твердом субстрате.
2. Изучить зависимость активных свойств смешанных пленок от состава субфазы (присутствие различных буферных систем, различных неорганических солей, pH, ионной силы).
3. Исследовать связь основных параметров, влияющих па формирование пленки ЛБ, а именно, компонентного состава (соотношения активного вещества и матрицы) и количества перенесенных на твердый субстрат монослоев, а также длины алифатического заместителя в структуре матрицы, модификации поверхности с оптическими свойствами молекул в ЛБ пленках.
4. Изучить сенсибилизацию (кофлуоресценцию) флуоресценции смешанных пленок, состоящих из смеси комплекса редкоземельного иона (РЗИ) с порфирином (основной ион) и матрицы, при воздействии растворами, содержащими разные концентрации комплексов тенонлтрифторацетона с РЗИ (усиливающий ион) для дополнительного увеличения сигнала флуоресценции основного иона.
5. Исследовать эффективность безызлучательиого переноса энергии в различных донорно-акцепторных парах красителей, иммобилизованных на белках, составляющих иммунную пару, в процессе иммунологической реакции в пленках ЛБ для определения оптимальной донорно-акцепторной пары, которая в дальнейшем будет использована при создании чувствительного элемента иммуносенсора с флуоресцентной регистрацией.
6. Определить и оптимизировать основные параметры чувствительного элемента иммуносенсора с флуоресцентной регистрацией на базе пленок ЛБ, а именно, способ
4
иммобилизации биомолекул в пленках, отношение полезного сигнала к сигналу фона, чувствительность, селективность, воспроизводимость.
Объекты исследования. Объектами исследования являлись монослои на поверхности раздела фаз вода/воздух и пленки, полученные из этих монослоев. Для приготовления монослоев и пленок ЛБ использовались органические красители из класса полиметинов, сквараинов, спиропиранов, комплексы различных порфиринов с РЗИ, комплексы бензоилтрифторацетоиа и тсноилтрифторацетона с РЗИ, биомолекулы (иммунологическая пара), в качестве матрицы использовались жирные кислоты и липиды.
Научная новизна и практическая ценность. В данной работе приведены результаты использования классического метода Ленгмюра - Блоджетт для молекулярного конструирования тонких ориентированных пленок, содержащих органические красители, впервые синтезированных нами или синтезированных специально для наших целей, а также белков, составляющих иммунную пару, для решения практических задач. Новизна полученных результатов заключается также в систематическом исследовании физикохимических и иммунологических свойств упомянутых выше красителей и белков на поверхности воды и на твердом субстрате, что позволило выявить условия их оптимального функционирования, которые определяют максимальный отклик системы. Такие систематические исследования позволили нам в какой-то мере предсказывать свойства молекул, как при формировании монослойной структуры на поверхности воды, так и после перенесения на твердый субстрат.
Новизна работы заключается и в использовании синтезированных нами красителей, обладающих флуоресценцией в красной области спектра и в ближнем ИК диапазоне (тех областей, в которых отсутствует фоновое свечение биологических объектов), в качестве флуоресцентных маркеров для иммунологического анализа с флуоресцентной регистрацией. Нами были впервые использованы для иммобилизации антител смеси этого белка в липиде и формирование из них ленгмюровских пленок. Создание кооперативной системы на основе ленгмюровских пленок, состоящих из смеси белка и липида, позволило нам существенно снизить растворимость белка в воде. Это позволяет нам говорить о новом методе иммобилизации белков на поверхность субстрата, в дополнение к уже имеющимся методам ковалентного связывания. Использование метода Ленгмюра - Блоджетт для иммобилизации белков, меченных упомянутыми выше флуоресцентными маркерами, на твердом субстрате позволяет увеличить чувствительность за счет снижения фонового сигнала, значительно сократить величину неспецифического связывания, сократить время анализа, снизить расход дорогостоящих биологических материалов. Все сказанное выше от формирования белок -липидного монослоя на поверхности воды и на твердом субстрате до использования маркеров с флуоресценцией в красной области и ближнем ИК диапазоне, приводит к
образованию чувствительной кооперативной системы, называемой ленгмюровской пленкой или, что то же, чувствительным элементом биосенсора, и является, по нашему мнению, новым научным направлением.
Практическая ценность полученных нами результатов определяется возможностью использования такого рода пленок в органической наноэлектронике и фотонике, а также в биохимии, экологии, медицине (в качестве высокочувствительных и быстродействующих биосеисоров для биохимического, медицинского и экологического скрининга).
На защиту выносятся:
1. Экспериментальное определение условий оптимального функционирования активных молекул в тонких пленках на границе раздела фаз и твердой подложке.
2. Выявление корреляции между структурой и компонентным составом смешанных монослоев на границе раздела фаз вода/воздух и их спектральными свойствами при осаждении на подложку.
3. Комплексный метод исследования агрегатов органических красителей различных классов, образующихся в процессе формирования полислойной пленки различного компонентного состава, с использованием спектроскопии поглощения, определение эффективности этого процесса.
4. Экспериментальное обнаружение сенсибилизированной флуоресценции пленок ЛБ, содержащих комплексы тстрафенилпорфирина с РЗИ (иттербий (Yb), туллий (Тт), диспрозий (Dy)), растворами теноилтрифторацетонатных (ТТА) комплексов РЗИ, и оптимальных пар: основной ион - усиливающий ион, приводящих к максимальному эффекту.
5. Экспериментальное определение и оптимизация основных параметров чувствительного элемента иммуносенсора на базе ленгмюровских пленок.
Апробация работы. Материалы работы были доложены на конференциях:
1. G.Chudinova. V. Rumiantseva, I. Nagovitsyn, ’’The IR fluorescence and cofluorescencc study of tetraphenylporphyrin - dysprosium complex in Langmuir -Blodgett films" // VIII International Conference on Spectroscopy and Chemistry of Porphyrins and their Analogs, Book of Abstracts, Minsk, Republic of Belarus, Sept. 22-26, 1998, p. 81.
2. I. Nagovitsyn, G.Chudinova. V. Rumiantseva, A. V. Lobanov, ’’The Red Fluorescence Enhancement of Thulium Tetraphenylporphyrin in Langmuir - Blodgett Films’7/ VI Международная конференция “Наукоемкие химические техноло-гии”, тезисы докладов, 25-29 октября 1999, Москва, Россия, с.208-209.
3. G.Chudinova. V.Rumiantseva, A.Chudinov, ‘The red fluorescence sensitization of ytterbium ion in complex with tetraphcnylporphin in LB films under the action of rare earth
6
ions thenoyltrifluoroacetonates in solution”, ECOF 7 Proceedings, Sept. 14-18, 1998, Potsdam Germany, p.342-343.
4. V.Barachevsky, M.Alfimov, G.Chudinova. M.Kozlova, T.Tolmachev, N.Tvorogov «Photopolymerizable heterogeneous systems for nonsilver light-sensitive color papers» // Proc. SPIE, 1997, v.3227, p.144-152.
5. V. Barachevsky, G.K. Chudinova «Photochromie and nonlinear optical properties of Langmuir - Blodgett dye films» (poster). European Conference Thin Organized Films (ECOF 7), September 14-18,1998. Potsdam. Germany. Abstracts. 1998, p. 258.
6. G.K. Chudinova. I.A. Maslyanitsyn, V.A. Barachevsky, V.D. Shigorin, R. Guglielmetti, A. Samat «Nonlinear optical properties of Langmuir - Blodgett Photochromie films». Abstracts, XVII IUPAC Symposium on Photochemistry. Barcelona. Spain, July 19-24, 1998, p. 244.
7. V.A. Barachevsky, A.M.F. Oliveira - Campos, L.V. Stebunova, G.K. Chudinova. V.G. Avakyan, I.A. Maslyanitsyn, V.D. Shigorin “Photochromie and nonlinear optical properties of systems based on thienothiazole azodyes”. Book of Abstracts of XX International Conference on Photochemistry. Moscow. July 30 - August 4, 2001, p. 179-180.
8. R.E. Karpov, V.A. Barachevsky, L.V. Stebunova, G.K. Chudinova. Yu. P. Strokach, O.A. Fedorova, S.P. Gromov «Photoinduced aggregation of photochromie spirocompounds». Book of Abstracts of XX International Conference on Photochemistry. Moscow. July 30 -August 4, 2001, p. 289-290.
9. G.K. Chudinova. L.V. Stebunova, T.V. Pichuzhkina, R.E. Karpov, O.A. Fedorova, V.A. Barachevsky, A. Samat, R. Guglielmetti “Study of aggregation for photochromie spirocompounds in solution and LB films” // Russian - France Symposium on Organic Photochromes Moscow, Russia, August 6,2001, p.33-34.
10. А. Лобанов, Г. Чудинова «Перенос энергии в липидных монослоях Ленгмюра -Блоджетт, содержащих Yb - порфирин - белковые конъюгаты» // Материалы III съезда фотобиологов России, Москва, 28 июня -4 августа 2001г., с. 116.
11. V. Barachevsky, G. Chudinova “Polymolecular and aggregated structures of photochromie organic compounds”// The International Nanophotonics Symposium. Handai, Japan, July 24-26,2003, p. 59.
Публикации. В диссертационной работе использованы материалы, полученные лично автором или при его активном участии, и отражены в 34 печатных работах.
7
ГЛАВА 1. Структура пленки Ленгмюра - Блоджетт.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Несколько книг и обзорных статей знакомят нас с областью монослоев и мультислоев из поверхностно-активных веществ. Петги [1] в своей книге по Л Б пленкам описывает химические структуры молекул, которые обычно используются для приготовления ленгмюровских моно - и мультислоев, а также более детально обсуждает экспериментальное оборудование, применяемое в методе Ленгмюра - Блоджетт. Адамсон в своей монографии по физической химии поверхности обсуждает природу и свойства монослоев [2].
Поверхность (граница) раздела фаз. Имеется ряд обзоров, в которых наиболее полно отражена большая часть всего огромного объема литературы, имеющегося по ленгмюровским монослоям. Обзоры Мехвальда [3], Маккониела [4], Шварца [5,6], Ричмонда[7], Нобле и Дези [8] посвящены фазовому поведению, структуре и морфологии монослоев на границе раздела фаз воздух-вода.
Ванна представляет собой емкость различной формы: круглой, квадратной, но чаще прямоугольной из тефлона с большой поверхностью, в которую наливается субфаза (тридистиллированная вода, буферные растворы с различным значением pH, приготовленные на тридистиллированной воде). Леигмюровсками монослоями обычно называют монослои нерастворимых амфифильных молекул на границе раздела фаз вода-воздух, они обычно готовятся с помощью распыления известного количества амфифильных молекул на водной субфазе (один конец таких молекул - полярный и гидрофильный располагается в воде, а другой гидрофобный - в воздухе), при этом необходимый объем переносится на поверхность субфазы очень осторожно по каплям. Растворы для нанесения на поверхность субфазы готовятся в легколетучих растворителях: хлороформ, метанол, бензол, которые испаряются с поверхности субфазы в течение нескольких минут [9]. Кроме возможности температурного контроля ванна позволяет формировать с помощью подвижного барьера монослои, из нанесенных на поверхность субфазы амфифильных молекул, а также измерять поверхностное натяжение (или поверхностное давление) [10]. Площадь монослоя обычно выражается как площадь на одну молекулу, поскольку количество молекул, нанесенных на поверхность субфазы известно.
Поверхность раздела фаз относится к поіраничной зоне между двумя, находящимися в
равновесии фазами: жидкая - жидкая, жидкая - газообразная, жидкая - твердая и твердая -
твердая. На границе раздела фаз существует переход (обмен) между составом и свойствами
этих двух фаз, разделенных границей раздела. В этом переходе могут участвовать не более
одной двух молекул, находящихся в толще субфазы. Для того, чтобы проанализировать
8
ситуацию внутри приповерхностной области Гиббс [И] ввел воображаемое математическое разделение поверхности и в этой эталонной системе допускалось, что все общие свойства, такие как энергия, энтропия, структура не претерпевают изменений вплоть до поверхности раздела. Таким образом, в реальной системе будет существовать избыточное количество (положительных или отрицательных) этих различных свойств по сравнению с эталонной системой. Математическая обработка, данная Гиббсом [11] показывает, что для любой вариации из уравнения плоской и жидкой границы раздела:
dU = TdS + dn, - PdV + у ds (1.1),
где U - внутренняя энергия системы, S - энтропия, pi и ni - химический потенциал и число молей i -того компонента соответственно, s - общая (полная) площадь границы раздела и у -поверхностное натяжение (давление) границы раздела.
Поверхностное натяжение (давление). Измерение силы, оказывающей давление на гидрофильную пластинку, изготовленную, например, из фильтровальной бумаги и проходящую через границу раздела воздух-вода (пластинка Вильгельми), является наиболее общим методом определения поверхностного давления (у). Измерение силы производится с использованием электробалланса. Поверхностное натяжение равно силе на единицу длины, выраженное в единицах N/m или mN/m. Как например, поверхностное натяжение чистой воды уо = 72,75 mN/m. [12].
Преимуществом границы раздела фаз вода - воздух является плоская поверхность, разделяющая эти две фазы, это преимущество дает возможность определить изменение свободной энергии из простого измерения поверхностного давления.
Метод Вильгельми наиболее часто используется для определения поверхностного давления плоских поверхностей раздела фаз. Тонкая пластина, обычно сделанная из стекла, слюды, платины, фильтровальной бумаги, частично помещена в жидкую фазу и связана с микроэлектробаллансом. Силы, действующие на пластину - се вес (Р) и поверхностное натяжение (у) направлены вниз, а сила Архимеда (А) противоположно направлена. Равнодействующая этих сил направлена вниз и равна:
F = Р + 2у( \v+t)co$0 - А , (1.2) где w и t (t«w ) ширина и толщина пластины соответственно и 0 - угол контакта жидкости с твердой пластиной. Если пластина полностью влажная, то угол контакта равен 0 = 0, a cosQ = 1, так что
F = Р + 2у w - А (13).
9
Когда состав границы раздела изменяется, то Р и А (при условии, что пластина остается в определенном фиксированном положении) будут оставаться постоянными, тогда при условии, что разница в поверхностном натяжении воды и раствора называется поверхностным давлением Л И поверхностное давление 71 = Усубфаза “ Увода» тогда АР=2 \*’(усубфаза - Увода) =-2\\'Я (1.4) И
л = -ДР/2 \у (1.5),
таким образом, поверхностное давление зависит от ширины пластины и разницы равнодействующих сил в субфазс и в воде.
Лдсобция. На свойства поверхности раздела фаз будут оказывать воздействия изменения в обеих фазах, особенно присутствие веществ, растворенных в жидкой фазе. Липиды, полимеры, белки называются биологически активными соединениями, потому что подобно мылам они проявляют активность на границе раздела фаз, т.с. являются веществами, способными к адсорбции на границе раздела фаз. Эти биполярные соединения являются ассиметричными молекулами, которые обладают высокой способностью к ориентации на границе раздела фаз, чтобы обеспечить постепенный переход от одной фазы к другой. Молекула можег адсорбироваться из раствора в приграничный слой, если энергия обмена с поверхностью компенсируется возрастанием свободной энергии, которое сопровождается удалением молекулы из объема раствора в приграничный слой.
Уравнение изотермы адсорбции Гиббса:
Г=-1/Я (с!у/с11пС) (1.6)
широко используется при определении степени адсорбции поверхностно-активных веществ в разбавленных растворах из измерений поверхностного натяжения. Это выражение показывает, что если существует адсорбция растворенного вещества в приграничный слой, то поверхностное натяжение раствора уменьшается [13].
Для нанесения монослоя с поверхности субфазы на поверхность твердого субстрата ванна снабжается устройством, называемым вертикальным нанесением, которое перемещает твердый субстрат через границу раздела воздух-вода при контролируемой скорости и при постоянном поверхностном давлении монослоя.
Измерение поверхностного давления как функции молекулярной площади при постоянной температуре, известное как л - А изотерма, является стандартным термодинамическим измерением, проводимом на монослоях. Эта изотерма может быть рассмотрена в качестве двумерного эквивалента изотермы давление-объем. Термодинамика фазовых переходов в монослое отражается на изотермах в виде особенностей, таких как
плато и изменение наклона (см. рис. 1.1) [4, 14-16]. Кроме уже известных газообразной, жидкой и нескольких кристаллических фаз, ряд жидко - кристаллических мезофаз, представляющих собой жидкие кристаллы, как показано на рис. 1.1, также могут быть идентифицированы с помощью я - А изотерм [17-19].
Приготовление ленгмюровских пленок. Пленка, приготовленная из амфифильных молекул при прохождении твердого субстрата через ленгмюровский монослой, называется пленкой Леигмюра - Блоджетт. Это может быть одним слоем или мультислоями в зависимости от числа прохождений, сделанных через поверхность воды.
Идеальное нанесение. Процесс приготовления мультислоев ЛБ состоит из проведения пленки вверх и вниз через монослой на границе раздела фаз воздух/вода. Слой, переносится во время каждого прохождения, отсюда молекулы, перенесенные при прохождении субстрата вверх, ориентируются полярными головами к субстрату, в то время как молекулы, нанесенные при прохождении вниз, ориентированы к субстрату гидрофобными концами. В результате полярные группы прилипают к полярным группам предыдущего слоя во время прохождения
молскулярпая площадь, А2
Рис.1.1. Изотермы сжатия (л-А изотермы) монослоев пентадекановой кислоты на чистой воде при 30°С. Различные участки изотермы могут быть соотнесены с определенными структурными фазами и переходами между ними [6].
субстрата вверх, а неполярные группы приклеиваются к неполярным группам предыдущего
слоя во время прохождения субстрата вниз. Существуют три условия, которые обязательно
выполняются независимо от нашего желания и являются своего рода ограничениями,
налагаемыми на молекулярную ориентацию в зависимости от направления погружения (из
воды или в воду). Во-первых, основной единицей идеального мультислоя является бислой.
11
Во-вторых, первоначальный слой может быть перенесен только при движении субстрата вверх на гидрофильный субстрат, поскольку алифатические заместители (гидрофобные хвосты) в общем случае не будут прилипать к такому субстрату при движении его вниз. Аналогично, первый слой может быть нанесен при движении субстрата вниз на гидрофобную поверхность субстрата. В-третьих, ЛБ пленка существует на воздухе (гидрофобная среда), если гидрофобные хвосты конечного слоя ориентированы в направлении от поверхности субстрата, т.е. в воздух и поверхность пленки гидрофобна. В воде полярные группы самого дальнего слоя становятся внешним слоем. Эти три следствия постулируют структуру ЛБ пленки и их достаточно трудно обойти, поскольку энергетика амфифильных взаимодействий жестко ограничивает возможность построить желаемую структуру. Для примера, несмотря на то, что перенесение монослоя обычно происходит при перемещении субстрата вверх - вниз (У-тип перенесения), все же при некоторых условиях нанесения можно получать слои X -типа, которые получаются при перенесении слоев только при движении субстрата вниз, \\Ъ -типа нанесение при движении субстрата только вверх. И можно было бы ожидать, что при упомянутых выше способах нанесения такая необычная структура (X и 1) будет сохраняться в каждом слое, чего на самом деле не происходит. Как показывают рентгеноструктурные исследования пленка, состоящая из мультислосв X и Ъ - типов представляет собой обыкновенный бислой (постулат 1), т.с. слои такого типа претерпевают перегруппировку в процессе нанесения и хранения [20]. Другой пример, можно попытаться приготовить пленку с внешними полярными группами, направленными в воздушную фазу путем удаления монослоя от водной поверхности перед завершающей проводкой субстрата вверх. При этом происходит простое «сдирание» внешнего полярного слоя, и остается слой с гидрофобными хвостами, направленными от поверхности субстрата (см. постулат 3) [21].
Во время нанесения индивидуального ЛБ слоя поверхностное давление монослоя на поверхности воды понижается из-за ухода молекул на субстрат. Простой параметр, применяющийся для диагностики нанесения - коэффициент переноса (кп), который определяется как: кп = А8/Бо (1.7),
где ДБ - уменьшение площади монослоя, Б0 - общая площадь поверхности субстрата. Если кп близок к I, то это указывает на хорошее нанесение. Однако, принимая значение коэффициента переноса за 1, как идеальное, упрощаем процесс нанесения, сводя его к простому переносу молекул с поверхности воды на субстрат, получение точной копии. Это предположение не является корректным. ЛБ перенос является сложным процессом, в котором амфифильные молекулы большей частью пытаются достичь нового
термодинамического минимума, когда они испытывают взаимодействия с твердым ^ субстратом.
Однако, во многих случаях молекулы на поверхности субфазы поджаты в почти плотно упакованное состояние перед нанесением и, хотя детали молекулярной упаковки могут изменяться, молекулы остаются плотно упакованными после перенесения. В таких случаях различия в плотности упаковывания составляют несколько процентов, которые можно отнести за счет типичной ошибки в измерении коэффициента переноса. Это наблюдается почти для всех жирных кислот и их солей [22].
Существуют три различных типа нанесения: 1- первый слой; 2 - нанесение при движении субстрата вверх; 3 - нанесение при движении субстрата вниз. Первый слой можег отличаться от последующих, поскольку молекулы взаимодействуют с субфазой, вместо полярных голов или гидрофобных хвостов предыдущего слоя. Различная энергетика можег воздействовать на динамику перенесения, а также и на структуру первого слоя. В процессе получения мультислоев нанесение при движении субстрата вверх и вниз не будет явно отличаться изначально, несмотря на необходимость осушения слоя от воды во время нанесения при движении субстрата вверх. В результате можно предположить, что слои, перенесенные при движении вверх, будут иметь точно ту же самую структуру, что и слои, нанесенные при ^ движении вниз, и будут образовывать симметричную бислойную структуру в конечной
равновесной пленке. Эго выдвигает на первый план структурную странность ЛБ пленки, а именно, окончательная структура идеально определяется как высоко - симметричный синтетический кристалл, но поскольку пленка строится наслаиванием слоя на слой, в результате чего может возрастать возможность образования неравновесных кинетических эффектов на полученной структуре [23,24].
Спинк в своей работе [25] провел сравнение коэффициентов переноса монослоев на слюду, окись кремния, стекло, серебро, медь, платину и железо. Он установил, что в пределах pH от 2 до 6, для поверхностного давления 10 < тг < 30 мН/м и для скорости нанесения от 2,5 до 12,5 мм/мин, коэффициент переноса практически равен 1. Он постулировал, что монослой (особенно первый слой) должен переноситься на субстрат как «ковер» с коэффициентом переноса 1. Если же монослои не сильно связаны с поверхностью субстрата, то возможна перегруппировка монослоя после нанесения.
Агира и Окахата [26] сделали вывод, что коэффициент переноса равен 1 только при л > 20 мН/м, затем он прогрессивно понижается с понижением поверхностного давления до 5 -10 мН/м. Они установили, что необходимо выдерживание субстрата на воздухе для удаления
13
воды (15 мин), которая захватывается слоем при движении субстрата вверх. Количество воды, захватываемое пленкой, максимально при нанесении первого слоя и снижается в 2 раза в последующих слоях, нанесенных при движении вверх. Высокая скорость погружения очень сильно увеличивает количество воды, захватываемое пленкой. Количество воды уменьшается в ряду: стеарат кадмия, стеариновая кислота, октадеканамид, этил октадеканоат, октадеканол, при этом, количество воды в слоях из октадеканола максимально велико.
Петерсон с соавт. [27] установил, что скорость ухода воды из слоев после нанесения гораздо выше для свежих, только что приготовленных монослоев на поверхности субфазы и резко уменьшается для монослоев через 100 мин после приготовления. Приготовление мультислоев из таких «старых» монослоев приводит к потере кристаллических свойств полученной пленки.
Далее, нанесение на подложку первого слоя, содержащего «старый» монослой с последующим нанесением свежеприготовленных монослоев приводит, по мнению авторов [28], к образованию хорошо упорядоченной пленки, содержащей кристаллические кластеры. Размеры кластеров можно изменять. Так, нанесение свежеприготовленных монослоев приводит к образованию кластеров размером 20-50 цгп.. Нанесение первого слоя с монослоя, выдержанного на воздухе 10 мин, с последующим нанесением уже свежеприготовленных монослоев, приводит к образованию кристаллических кластеров размером 50-100|дш. Такая зависимость скорости ухода воды из слоев и получающейся в результате структуры позволила авторам работы [29-30] предложить модель эпитаксиального нанесения. Чем больше зернистость монослоя (образование мелких доменов), тем быстрее они реорганизуются в правильную ориентацию для эпитаксиального нанесения, отсюда, быстрее скорость ухода воды из свежеприготовленных монослоев, содержащих небольшие домены.
Гемма с соавт. [31] описали термодинамику переноса монослоя, принимая во внимание свободную межфазную энергию и угол контакта, как функцию поверхностного давления монослоя и гидрофильности субстрата. Их теоретические расчеты показали, что угол контакта субстрата с монослоем и сила межфазного натяжения оказывает влияние на субстрат во время переноса монослоя как функция п и гидрофильности, и, как было обнаружено, находится в хорошем соответствии с экспериментами, проведенными с использованием алкилированных кварцевых пластинок и пленок из стеарата кадмия или стеаринового спирта. Они также определили оптимальные значения л и гидрофильности субстрата, при которых перенос монослоев термодинамически выгоден.
Влияние субфазы и pH. Вещества, растворенные в водной субфазс, также могут внедряться в
* Л Б пленку в процессе ее перенесение на твердый субстрат. Такой перенос часто обусловлен простыми кислотно-щелочными химическими взаимодействиями веществ субфазы с жирными кислотами, например, образованием соли между карбоксильной группой жирной кислоты в монослое и катионом, растворенным в субфазе. Двухвалентные катионы обычно наиболее эффективно взаимодействуют с жирной кислотой с образованием мыла. При низких значениях pH кислотные группы кислоты не диссоциированы и катионы не могут воздействовать на монослой. При достаточно высоких значениях pH амфифильные кислоты полностью дспротонированы и образуют мыло. В области промежуточных значений pH относительные фракции кислоты и мыла в мопослое являются функцией pH [32]. Несмотря на то, что рКа обычной жирной кислоты равно 5,4, та область pH, выше которой происходит переход кислота - мыло, является специфичной для отдельного катиона и определяется экспериментально. Варьирование значений pH необходимо для более полного перевода кислоты в мыло. Для этих целей был введен параметр 0 для оценки фракции мыла, содержащейся в ЛБ пленке. Параметр 0 может изменяться от 0 до 1. При низких значениях pH, когда пленка состоит из кислоты 0 = 0, при высоких значениях pH, когда пленка состоит из мыла 0 = 1 [33].
* Поверхностный потенциал. Как видно из всего приведенного выше, существует тенденция для молекул, находящихся в приграничном слое жидкости, к специфической ориентации. Ориентация молекул воды, которые ведугсебя как диполи, продуцирует асимметричное поле около поверхности. Распределение монослоя на поверхности чистой воды будет вызывать изменения в ориентации на границе раздела фаз и в природе электрического поля. Разность (ДУ) поверхностных потенциалов для водной фазы и для покрытой пленкой фазы возникает за счет образования пленки. Этот поверхностный потенциал ДУ также определяется как работа, затрачиваемая на то, чтобы переместить единицу заряда из бесконечности прямо до субфазы. Качественная интерпретация ДУ обычно дается по аналогии с конденсатором: поляризованная молекула с эффективным дипольным моментом М = цб подобна двум проводящим пластинкам, находящимся на расстоянии с! друг от друга с плотностью заряда ц. Тогда разность потенциалов будет равна:
ДУ = 4тгч(1/8, (1.8)
где е - диэлектрическая константа. Если существует ряд, состоящий из п диполей на единицу площади, тогда
» ДУ = 4тт М±/е, (1.9)
15
где М±- нормаль дипольного момента к поверхности.
На величину разности потенциалов (ДУ) оказывает влияние: (1) изменение, вызванное реориентацией диполей воды в присутствии пленкообразующих молекул; (2) сами диполи пленкообразующих молекул, а именно, тот эффект, что полярная группа и алкильная часть, локализуются в областях с разными диэлектрическими константами [13].
Сравнение структуры ленгмюровского монослоя со структурой Л Б пленки. Как показывают результаты исследований, приведенных в литературе, взаимодействия между полярными группами и твердым субстратом могут существенно отличаться от взаимодействий между полярными группами и поверхностью воды, что создает потенциал для структурных изменений в процессе нанесения монослоя с поверхности. Как уже обсуждалось выше, при достаточно высоких скоростях погружения коэффициент переноса очень близок к 1. Это предполагает ограничение при усреднении молекулярной плотности для определения равновесной структуры. Однако, при очень низких скоростях погружения (которые на практике не используются) нанесение становилось бы квазистатичным, и равновесная структура была бы показателем взаимодействий между молекулами и между молекулами и субстратом, независимо от структуры на водной поверхности - но аналогии с самособирающимися монослоями. Но ЛБ слои никогда на практике не находятся в равновесии и монослой налагает определенные условия на структуру ЛБ пленки. Все это может служить объяснением тем противоречиям между экспериментальными результатами, полученными разными лабораториями. Если полученная пленка не является равновесной, то она будет очень чувствительна к тонким различиям в условиях нанесения, хранения или определения. Таким образом, в общем случае можно говорить о несовпадении структуры монослоя, перенесенного на твердую подложку, со структурой монослоя на поверхности водной субфазы. Хотя детали взаимосвязи между ЛБ - монослоем на субстрате и монослоем на поверхности воды остается спорным [34,35].
Как структура на молекулярном уровне в ЛБ - монослое соотносится со структурой монослоя на поверхности воды? Для ответа на этот вопрос необходимо знать геометрию локальной упаковки (кристаллическую структуру), степень позиционной и ориентационной корреляции, а также иметь информацию о наклоне молекул к поверхности субфазы в монослое и к поверхности субстрата в ЛБ слоях. Монослои из жирных кислот на поверхности водной субфазы и на поверхности различных субстратов достаточно хорошо изучены с помощью рентгеноструктурного анализа. И в данном случае следует подчеркнуть большое несоответствие полученных в разных лабораториях результатов. В большинстве
случаев структура получаемых ЛБ слоев совпадает с той картиной, которая говорит о том,
к
что монослой может перегруппироваться, чтобы получилась наиболее энергетически выгодная структура во время и после нанесения. Такой структурой является гексагональная структура, которая характерна для солей кадмия с жирными кислотами, данная система наиболее часто применяется для формирования монослоев на поверхности субфазы и для ЛБ слоев. Так, для стеарата кадмия расстояние между ближайшими соседями в гексагональной структуре бпп= 4,9А, корреляционная длина около 40А, а арахидата кадмия бпп= 4,8А, а корреляционная длина 21А [6,36,37].
Хениг [38], Хасмони [39] и Псиг [40] в своих исследованиях наблюдали аномалии, происходящие при нанесении ЛБ слоев, такие как переход от У- типа нанесения к ХУ-типу. Непонятное с точки зрения термодинамики явление частичного переворота слоя стеарата кадмия гидрофобными хвостами в водную фазу при движении субстрата вниз, которое достаточно часто встречается при перенесении слоев на твердую подложку, они объясняли тем, что сила отталкивания полярных групп очень велика и тогда энергетически выгоден переворот молекул гидрофобными хвостами в водную фазу.
Отклонение от идеальности - дефекты структуры. Спинк в своей работе [25] установил, что общая морфология ЛБ монослоев зависит от свойств субстрата и условий нанесения. Он использовал разнообразные подложки для нанесения стеариновой кислоты и определил, что несмотря на одинаковые условия нанесения пленки на разных субстратах сильно отличались. Монослои, нанесенные на металлическую пластинку или пластинку из слюды, были однородными. Однако, монослои, нанесенные на окись кремния и подложку из стекла, состояли из частиц размером 10-50 рт, которые автор назвал кристаллитами. Кроме того, он определил, что монослои, нанесенные при давлении 30 шЫ/ш были гомогенны, а при давлении 10-17,5 шЫ/ш монослои содержали ряд дыр размером 100 рт. Его интерпретация заключалась в том, что молекулы, перенесенные на субстрат, предпочитают относительно плотную упаковку, а если монослой менее плотно упакован, то при нанесении его на субстрате образуются пустоты. Такие макроскопические дефекты наблюдались и другими авторами [41-43].
Термодинамическая стабильность. Послойное нанесение является очень актуальным и искусственным способом получения конденсированных материалов. В противоположность другим методам, таким, как кристаллизация или получение пленки выпариванием, ЛБ метод практически не допускает вмешательства во время приготовления пленки.
\
17
В процессе приготовления ЛБ пленки, как уже упоминалось, может происходить перегруппировка молекул, при этом возникают различия молекулярной упаковки на поверхности воды и в ЛБ пленке. ЛБ метод заставляет молекулы лежать в слоях в обычной мультислойной структуре, и нет никаких гарантий того, что нанесенное расположение молекул является термодинамическим минимумом для всей системы. Таким образом, возникает вопрос термодинамической стабильности. Как описывается в работах [44-47] одним из видов нестабильности является образование борозд и террас, разделенных бислоем или 4-мя слоями. Близость и соответствующие формы соседних борозд и террас предполагают, что процесс образования борозд и изгибов происходит поверх пятен бислоя. Такие изменения происходят медленно при хранении пленки на воздухе, и очень быстро при хранении пленки в воде.
Существует доказательство того, что кинетика реорганизации зависит только от длины алифатической цепи. Например, пленка из стеарата бария претерпевает более широкую реорганизацию, чем пленка из арахидата кадмия, приготовленная в тех же условиях [48]. Такое влияние от длины цепи в жирной кислоте на кинетику объяснимо, поскольку силы отталкивания Ван-дер-Ваальса между цепями обладают значительным активационным барьером для процесса образования борозд и изгибов. Движущей силой такого процесса, очевидно, является образование дополнительной границы раздела, образующейся при взаимодействии между полярными головами жирной кислоты.
Другим типом термодинамической нестабильности является существование множественных форм упаковки молекул. Так, например Шварцем с соавт. было установлено существование трех типов упаковки молекул в мультислоях из арахидата бария [49,50].
Менее общим типом нестабильности является превращение обычной структуры У-типа (голова к голове, хвост к хвосту) в структуру - голова к хвосту. С помощью оптической микроскопии было обнаружено, что такого типа перегруппировка приводит к образованию пустот в ЛБ пленке [51].
В работе [52] было обнаружено, что при определенных условиях может образовываться стопкообразная фаза, причем стопки лежат параллельно субстрату и ориентированы относительно направления погружения в субфазу. Подобный вид нестабильности, а именно, переход от тонкой пленки к стопкообразной фазе наблюдается даже для солей жирных кислот, такой переход происходит при нагревании пленки из стеарата кадмия до 120°С [53].
В некоторых случаях макроскопическая целостность пленки не является стабильной
величиной при повышенной температуре. Некоторыми исследователями была
просканирована структура пленок арахидата кадмия с помощью оптической микроскопии и
18
установлено, что пленка, эффективно теряющая влагу, при нагревании до 110-120°С разрушается, образуя каплевидные структуры [54,55].
Механическая стабильность. Одним из главных камней преткновения в использовании ЛБ пленок является их хрупкость по сравнению с неорганическими материалами. Рядом авторов была изучена их механическая стабильность. Было установлено, что пленки из арахиновой кислоты повреждаются легче, чем пленки из ее кадмиевой соли, приготовленные при тех же условиях [56]. Шварц исследовал пленки из арахидата кадмия на механическую прочность, и обнаружил, что выдержанные на воздухе пленки достаточно прочные [57]. В работе [58] была исследована устойчивость к трению и к износу. Было установлено, что при величинах приложенной силы > 37,5 пЫ начинается износ пленки, который выражается в разрыве пленки с образованием в ней пустот, после этого пленка просто удаляется с субстрата, а при силах < 37,5 пЫ начинается образование в пленке небольших островков, которые отрываются от пленки и движутся по всей поверхности пленки. Стабильность или гистерезис углов контакта, измеряемых на поверхности пленки, интерпретируется как определение механической прочности пленки, поскольку очень большие по величине силы проявляются на этой линии существования трех фаз [59].
Фазовые переходы. Изменения в структуре ЛБ пленки при нагревании часто называют переходом порядок - беспорядок. В связи с этим возникает вопрос: будет ли являться такой переход действительно термодинамическим фазовым переходом или результатом необратимой нестабильности. Рабе с соавт. [60] определил, что, несмотря на то, что алкильные цени в мультислоях из кадмия арахидата остаются в основном перпендикулярными к поверхности субстрата, все же появляются дефекты в цепях, начинающиеся при нагревании до 90°С. Необратимое разупорядочение в пленке из кадмия стеарата на кремниевой подложке детально изучалось Ротбергом [61] и Регле [62] с помощью дифракции электронов. Было найдено, что начало перехода от порядка к его потере в пленках начинается уже при 30, 50 и 65° С для кадмия стеарата, кадмия арахидата и кадмия бегената соответственно.
В работе [63] исследовался переход порядок - беспорядок в мультислоях из бегеновой
кислоты и ее кадмиевой соли (40 слоев) методом дифракции рентгеновских лучей. В
мультислоях из бегеновой кислоты наблюдались пики соответствующие бислойному
расположению с интервалом в 53 А при комнатной температуре. При нагревании до 55°С
появлялся второй ряд пиков, соответствующий расстоянию в 48 А, сосуществующий с
первоначальными. При 65°С исходные пики полностью замещаются новыми пиками.
Кадмиевая соль бегеновой кислоты ведет себя качественно таким же образом, хотя и при
19
более высокой температуре. Первоначальный размер бислоя 60 А при нагревании остается * неизменным вплоть до 90°С, далее происходит образование ряда пиков с интервалом 58 А.
При 100°С первоначальные пики исчезают. Объяснено это явление было в работе [54]. При комнатной температуре бислойная структура арахидата кадмия представляет собой гексагональную сдвоенную орторомбическую структуру. При нагревании она превращается в образец с гексагональной решеткой. Эти изменения являются обратимыми.
Десорбция. При работе со ЛБ пленками рядом авторов было отмечено, что при нагревании пленка становится на 10-20% тоньше. Такое изменение толщины пленки называется десорбцией [64,65]. Некоторые авторы отмечают значительную десорбцию и при отсутствии нагревания [66]. Низкие значения pH < 4,1, при которых пленка полностью состоит из арахиновой кислоты, ускоряют десорбцию кислоты [67].
В заключении хотелось бы отметить, что применение современных методов определения структуры монослоев и пленок ведет к глубокому пониманию полученной информации. Пленки представляют собой прекрасные модельные системы для многих экспериментов, поскольку обладают хорошо определяемой молекулярной ориентацией и организацией. Но пленки не идеальны, различные дефекты и присущая им нестабильность приводят к изменению ее толщины по всей длине образца. Предпринятые попытки к пониманию причин I образования дефектов, нестабильности пленок, а также фазовых переходов в них, привели к
росту интереса к термодинамике процесса нанесения пленки. Огромное различие в термодинамическом поведении было идентифицировано в пленке, которое изменяется от обратимых структурных фазовых переходов, спонтанных перегруппировок, приводящих термодинамическому минимуму энергии и до десорбции.
20
Литература к главе 1
»
1. М. Petty “LB films: an introduction”// Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1996, 234 pp.;
2. A Adamson “Physical chemistry of surfaces”// Wiley, New York, 1997, 808pp.;
3. H. Môhwald “Phospholipids and phospholipid - protein monolayes at the air/water interface”// Ann.. Rev. Phys. Chem., 1990, v. 41, p. 441-476;
4. H. McConnell “Structures and transitions in lipid monolayers at the air-water interface”// Ann.. Rev. Phys. Chem., 1992, v. 42, p. 171-195;
5. D. Schwartz “Mechanisms and kinetics of self-assembled monolayer formation”// Ann. Rev. Phys. Chem., 2001, v. 52, p. 107-137;
6. D. Schwartz “Langmuir - Blodgett film structure”// Surf. Sci. Reports, 1997, v. 27, p. 241-234;
7. G. Richmond “Structure and bonding of molecules at aqueous surfaces”// Ann. Rev. Phys. Chem., 2001, v. 52, p. 357-389;
8. C. Knobler, R. Desai “Phase transition in monolayers”// Ann. Rev. Phys. Chem., 1992, v. 43, p. 207-236;
9. J. Swalcn, D. Allara, J. Andrade, S. Garoff “Molecular monolayers and films”// Langmuir, 1987, v. 3, p. 932-950;
10. S. Riviere, S. Henan, D. Schwartz, M. Tsao, C. Knobler ‘Texture and phase transitions in Langmuir monolayers of fatty acids”// J. Phys. Chem., 1994, v. 101, p. 10045-10051;
11. J. Gibbs “Collected works”// Longmans, New York, 1931, v. 1 ;
12. R. Breslow and T.Guo “Surface tension measurements show that chaotropic salting-in dénaturants arc not just watcr-structurc breakers” // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1990 January 1; 87(1): 167-169;
13. V.Gevod, K.Birdi, “Melittin and the 8-26 fragments. Differences in ionophoric properties as measured by monolayer method” // Biophys. J., 1984, v.45, p.1079-1083;
14. S. Choudhury, R. Chitra, J. Yakhmi “Studies on the formation of Langmuir monolayer and LB films of octadecyl amine-bromocresol purple dye complexes”// Thin Solid Films, 2003, v. 440, p. 240-246;
15. Y. Chen, H. Liu, J. Jiang “LB films of substituted bis(naphthaIocyaninato)rare earth complexes: structure and interaction with NO2”// Thin Solid Films, 2004, v. 460, p. 279-285;
16. R. Paolesse, L. Valli, C. Goletti “LB films of a modified tetraphenylporphyrin”// Mater. Sci. Engin. С, 2002, v. 22, p. 219-225;
17. S. Zhcludeva, N. Novikova, O. Konovalov, E. Tereschenko “Langmuir monolayers on water ^ surface investigated by X-ray total reflection”// Mater. Sci. Engin. С., 2003, v. 23, p. 567-570;
21
18. H. Tachibana, Y. Yamanaka, M. Abe “Temperature-dependent behavior of Langmuir monolayers of amphiphilic spiropyran”// Thin Solid Films, 2003, v. 440, p. 94-99;
19. A. Biadasz, R. Hermanovski, K. Inglot, D. Baumann “Langmuir Films of dichroic dyes with fluorescent properties”// Dyes Pigments, 2003, v. 56, p. 209-217;
20. P. Dynarowicz - Latka, A. Dhanabalan, O. Oliveira “Modem physicochemical research on Langmuir monolayers”// Adv. Colloids Interface Sci., 2001, v. v. 91, p. 221-293;
21. T. del Cano, V. Parra, M. Rodriguez-Mendez, R. Aroca, J. de Saja “Molecular stacking and emission properties of two substituted perylene letracarboxylic diimides”// Organic Electronics, 2004, v. 5, p. 107-114;
22. J. Peng, G. Bames, I. Gentle “The structures of LB films of fatty acids and their salts”// Advances Colloid Interface Sci., 2001, v. 91, p. 163-219;
23. M. Petty “Langmuir-BIodgett films”// Plenum, N.Y, 1990, p. 133-221;
24. P. Cea, S. Martin, M. Lopez, C. Lafuente, F. Royo “LB films of TCNQ in a mixed valence state incorporated from aqueous subphase: preparation and characterization”// Synthetic Metals, 2002, v. 128, p. 7-14;
25. J. Spink “The transfer ratio of LB monolayers for various solids”// J. Coll. Interface Sci., 1967, v. 23, p. 9-26;
i 26. K. Agira, Y. Okahata “In situ characterization of LB films during a transfer process. Evaluation of transfer ratio and water incorporation by using a quartz crystal microbalance”// Langmuir, 1994, v. 10, p. 3255-3259;
27. I. Peterson, G. Russell, G. Roberts “A new model for deposition of co-tricosenoic acid LB film layers”// Thin Solid Films, 1983, v. 109, p. 371-378;
28. S. Toxvacrd “Molecular dynamics simulation of domain formation in Langmuir monolayers of molecules with dipole moments”// Mol. Phys., 1998, v. 95, p. 539-547;
29. F. Rustichelli “Structures of organized organic mono- and multilayer films”// Liq. Cryst., 1998, v. 24, p. 39-48;
30. C. Busano, A. Pelizzola, M. Pretty ‘Tilting and swiveling transitions in a molecular model for Langmuir monolayers”// Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2001, v. 372, p. 179-187;
31. N. Gemma, S. Egusa, M. Azuma “Thermodynamics of monolayer transfer in LB method”//
Phys. Rev. B, 1992, v. 46, p. 1655-1663;
32. M. Yazdanian, H. Yu, G. Zografi “Ionic interactions of fatty acid monolayers at the air/water interface”//Langmuir, 1990, v. 6, p. 1093-1098;
22
33. M. Linden, J. Rosenholm “Influence of multivalent metal ions on monolayer and multilayer ^ properties of some unsaturatcd fatty acids”// Langmuir, 1995, v. 11, p. 4499-4504;
34. D. Schwartz, R. Viswanathan, J. Gamaes, J. Zasadzinski “Quantitative lattice measurement of thin LB films by AFM7/ Phys. Rev. E, 1993, v. 47, p. 452-460;
35. V. Vogel, C. Woll ‘Two dimentional crystal structure of single LB films deposited on noble metal single crystals studied with LEED”// J. Chem. Phys., 1986, v. 84, p. 5200-5204;
36. J. Riegle “Thermal behavior of LB films. 1. Electron diffraction studies on monolayers of Cd -stearate, arachidate, and behenate”//J. Phys. Chem., 1989, v. 93, p. 6475-6480;
37. P. Tippmann-Krayer, R. Kenn, H. Mohwald “Thickness and temperature dependent structure of Cd arachidate LB films”// Thin Solid Films, 1992, v. 210/211, p. 577-582;
38. E. Honig, J. Hengst, D. Den Engelsen “LB deposition ratios”// J. Colloid Interface Sci., 1973, v. 45, p. 92-102;
39. H. Hasmonay, M. Vincent, M. Dupeyrat “Composition and transfer mechanism of LB multilayers of stearates”// Thin Solid Films, 1980, v. 68, p. 21-31;
40. J. Peng, J. Ketterson, P. Dutta “A study of the transition from Y to X - type transfer during deposition of lead and cadmium stearate LB films”// Langmuir, 1988, v. 4, p. 1198-1202;
41. H. Hansma, S. Gould, P. Hansma, H. Gaub, J. Zasadzinski “Imaging nanometer scale defects in I LB films with the atomic force microscopy”// Langmuir, 1991, v. 7, p. 1051-1054;
42. R. Viswanathan, D. Schwartz, J. Gamaes, J. Zasadzinski “Atomic force microscopy imaging of substrate and pH effects on LB monolayers”// Langmuir, 1992, v. 8, p. 1603-1607;
43. A. Schaper, L. Wolthaus, D. Moebius, J. Jovin “Surface morphology and stability of LB mono -and multilayers of saturated fatty acids by scanning force microscopy”// Langmuir, 1993, v. 9, p. 2178-2184;
44. T. Moenke-Wedler, G. Foester, G. Brczcsinski, I. Peterson “Diol monolayer structure on the water surface and on solid substrate”// Langmuir, 1993, v. 9, p. 2133-2140;
45. B. Gocttgens, R. Tillmann, M. Radmacher, H. Gaub “Molecular order in polymerizable LB films probed by microfluorescence and scanning microscopy”// Langmuir, 1992, v. 8, p. 1768-1774;
46. C. Eckhardt, N. Peachey, J. Wang, P. Beak “Crystal engineering in two dimensions: design of amphiphilcss for ordered films”// Langmuir, 1992, v. 8, p. 2591-2594;
47. H. Merle, R. Stcitz, U. Pietsch, I. Peterson “The lamellar-columnar transition in LB mulilayers of Cd soaps”// Thin Solid Films, 1994, v. 237, p. 236-243;
48. D. Schwartz, R. Viswanathan, J. Zasadzinski “Reorganization and crystallite formation in LB films”//J. Phys. Chem., 1992, v. 96, p. 10444-10447;
49. D. Schwartz, R. Viswanathan, J. Zasadzinski “Coexisting lattice structures in a LB film
* identified by AFM”//Langmuir, 1993, v. 9, p. 1384-1391;
50. D. Schwartz, R. Viswanathan, J. Zasadzinski “Commensurate defect superstructures in a LB
film“// Phys. Rev. Lett., 1993, v. 70, p. 1267-1270;
51. G. Dechcr, J. Maclcnnan, J. Rcibel “Creation and structural comparison of ultra thin film assemblies: transferred freely suspended films and LB film of liquid crystals”// Thin Solid Films, 1992, v. 210/211, p. 504-507;
52. P. Albouy, X. Perez, M. Veber, C. Jallabert “Liquid crystalline order in LB films of diskshaped heteroaromatic salt as determined by X-ray diffraction”// Langmuir, 1992, v. 8, p. 2262-2268;
53. P. Tippmann-Krayer, H. MOhwald “Structural changes before and during desorption of LB films”// Langmuir, v. 7, p. 2298-2302;
54. C. Bôhm, R. Steitz, H. Riegler ‘Temperature - dependent electron diffraction studies of cadmium arachidate monolayers and multilayers'V/Thin Solid Films, 1989, v. 178, p. 511-517;
55. Y. Sasanuma, Y. Kitano, K. Fukuda “Characterization of long-periodic layered structures by X-ray diffraction. IIÏ: Structure of LB film of cadmium arachidate at elevated temperatures”// Thin Solid Films, 1991, v. 199, p. 359-365;
I 56. L. Chi, L. Fang, K. Graf, H. Fuchs “Structure and stability of LB films investigated by scanning force microscopy”// Langmuir, 1992, v. 8, p. 2255-2261;
57. D. Schwartz, M. Tsao, C. Knoblcr “Domain morphology in a two-dimensional anisotropic mesophase: cusps and boojum textures in Langmuir monolayers”// J. Phys. Chem., 1994, v. 101, p. 8258-8261;
58. E. Meyer, R. Ovemey, L. Howald, J. Frommer, H. Giintherodt “Friction and wear of LB films observed by friction force microscopy”// Phys. Rev. Letts., 1992, v. 69, p. 1777-1780;
59. J. Berg, L. Ericsson, P. Clacsson, K. Borve “Three-component of LB films with a controllable degree of polarity”//Langmuir, 1994, v. 10, p. 1225-1234;
60. J. Rabe, J. Swalen, J. Rabolt “Order-disordcr transitions in LB films. III. Polarized Raman studies of cadmium arachidate using integrated optical techniques”// J. Chem. Phys., 1987, v. 86, p. 1601-1607;
61. L. Rothberg, G. Higashi, D. Allara, S. Garoff “Thermal disordering of LB films of cadmium stearate on sapphire”// Chem. Phys. Letts., 1987, v. 133, p. 67-72;
62. J. Riegler “Thermal behavior of LB films. I. Electron diffraction studies on monolayers of cadmium stearate, arachidate, behenate”// J. Phys. Chem., 1989, v.93, p. 6475-6480;
24
63. M. Buhacnko, M. Grundy, R. Richardson, S. Roscr “Structure and temperature dependence of fatty acid LB films studied by neutron and X-ray scattering”// Thin Solid Films, 1988, v. 159, p. 253-265;
64. P. Tippmann - Krayer, H. Mohvvald “Quantitative analysis of thermo-desorption of LB monolayers”// J. Phys. Chem, 1992, v. 96, p. 5220-5222;
65. Y. Kato, A. Aoki, T. Miyashita “Surface modification using polymer LB films”// J. Mater. Sci., 2002, v. 37, p. 4839-4843;
66. H. Wu, M. Foster, S. Ross, W. Mattice, M. Matties ‘Temporal stability of a bilaycr in LB multilayer and its dependence on multilayer structure”// Langmuir, 1996, v. 12, p. 3015-3023;
67. P. Gaugly, M. Sasty, K. Patil “Deposition of yttrium ions in LB films using arachidic acid” // Langmuir, 1993, v. 9, p. 487-490.
25
ГЛАВА 2. Метод приготовления монослосв и его применение для различных
исследований.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Образование и свойства мономолекулярных слоев. Методы исследования монослоев. Для характеристики поведения амфифильных молекул (АМ) на поверхности раздела фаз измеряют изотермы двумерного давления мономолекулярных слоев (монослосв). Монослои АМ образуются при нанесении раствора в подходящем растворителе на поверхность раздела фаз вода/воздух. Устойчивые монослои формируются, если выполняется условие растекания, определяющееся соотношением работ когезии и адгезии АМ к поверхности воды. Например, результаты исследований монослоев белков легли в основу современных представлений о поверхностных свойствах этих амфифильных соединений [1-3].
Для изучения свойств мономолекулярных слоев и пленок АМ используются весы Ленгмюра. Метод позволяет разделять исследуемые АМ на компоненты, образующие и не образующие устойчивые монослои. С помощью весов измеряют двумерное давление:
7Т = СТО - СУ (2.1),
где Сто и ст - поверхностное натяжение жидкости и монослоя АМ соответственно при строго заданном и известном содержании АМ на поверхности.
Основным элементом весов Ленгмюра является ванна (рис.2.1.,1), выполненная из фторопласта и снабженная барьерами (2 и 3) из того же материала. Подвижный барьер (2) позволяет изменять площадь поверхности, занятой АМ. Ванна обычно заполняется чистой тридистиллированной водой (дополнительно очищенной пропусканием через мембранный фильтр), раствором электролита или буферным раствором определенного pH. На предварительно очищенной поверности жидкости формируют мономолекулярную пленку исследуемого вещества. Критерием возможности использования растворов электролитов и буферных систем в качестве субфазы является отсутствие двумерного давления при движении барьера (после предварительного выдерживания поверхности длительное время, обычно сутки): п не должно превышать значения - 1 тЫ/т.
Раствор АМ наносят на поверхность субфазы в пространство между барьерами (2) и (3), причем в момент нанесения барьер 2 должен быть максимально сдвинут влево (см. рис.2.1), обеспечивая максимально открытую поверхность для нанесения. После нанесения АМ систему выдерживают определенное время, необходимое для растекания нанесенного раствора но всей площади открытой поверхности. Затем, постепенно смещая барьер (2) вправо уменьшают площадь, приходящуюся на монослой, при этом регистрируют
26
поверхностное давление л и площадь монослоя Б (экспериментальные данные, необходимые для построения изотерм двумерного давления).
Рис. 2.1 Схема весов Ленгмюра: 1 - ванна; 2,3 - барьеры (2 - подвижный барьер); 4,5 -измеряющее и регистрирующее устройства.
Монослои белков. С помощью весов Ленгмюра была определена однотипность вида изотерм давления л - площадь 5 для очень многих веществ органической и биологической природы, в частности, и для белков. Начало участка сжатия на изотерме, сопровождающееся резким увеличением поверхностного давления при сколь угодно малом уменьшении площади монослоя для большинства белков наблюдается при площади монослоя, равной 1 м2/ мг белка [3]. С помощью метода монослоя для некоторых белков с небольшой молекулярной массой была определена молекулярная масса, значение которой практически совпадало со значениями, полученными другими физическими методами. При небольших значениях л ~ 0,1 молекулы белков ведут себя в монослое независимо, и их состояние описывается
изотермой Амага, аналогичной изотерме состояния неидсальных газов [2]:
где С - поправка, учитывающая собственную площадь молекулы; п - число молей белка в монослое.
Буле [4] установил, что двумерное давление в области небольших значений соответствует осмотическому давлению и выражается в следующем виде: дБ = \УІІТ / М (3), где W - масса пробы белка, М - молекулярная масса белка. Два свойства монослоев, а именно, нерастворимость и большая площадь, приходящаяся на молекулу белка, определенная экстраполяцией зависимости л от Б к нулевому значению поверхностного давления, положены в основу первых моделей строения монослоев белка, образующихся на границе раздела фаз вода / воздух.
л(Б - С) = пЯТ (2.2),
Простота и наглядность объяснения адсорбции АМ правилом уравнивания полярности » привела к широкому распространению представлений о поверхностной денатурации белков с
«выворачиванием» неполярных боковых остатков из внутренней части белковой глобулы наружу с ориентацией этих неполярных остатков к воздуху, как более неполярной фазе. Энергетический выигрыш от переноса неполярных остатков из объема глобулы на ее поверхность не превышает работу по образованию контакта поверхность - неполярный участок глобулы [5].
Представление о поверхностной денатурации привело на определенном этапе к мнению об ограниченном применении метода монослоев для исследования свойств нативных белков. Несоблюдение условий, необходимых для работы с нативными белками, например, длительное выдерживание монослоя белка (в течение многих суток при повышенной температуре) приводит к полной потере свойств, присущих нативному белку и к образованию пленок на поверхности вода/ воздух со свойствами, аналогичными полимерным каучукам [6,7].
Конформационное состояние белка отражается на виде я(8) - изотерм и изменение вида изотерм сильно коррелирует с изменением конформации белка при нанесении белка, растворенного в некоторых растворителях, на поверхность.
Еще отчетливее обнаруживается изменение хода изотермы л(Б) для денатурированных белков. Так, монослои денатурированных белков имеют более пологую изотерму, и явление гистерезиса проявляется в них сильнее [8,9].
Современный этап исследований монослоев белков характеризуется интенсивным изучением механизмов поверхностных явлений, определяющих свойства монослоев [10]. В первую очередь проводятся исследования реологических свойств монослосв. При определенном значении я монослои перестают быть ньютоновскими жидкостями. Равновесие между я и Э устанавливается немгновенно, поскольку в монослоях происходят релаксационные процессы. Для измерения я чаще всего применяют метод Вильгельми с использованием пластинок из различных материалов с шероховатыми и гладкими поверхностями.
Для определения состава и распределения компонентов в монослоях используют флуоресцентную микроскопию. Параллельно с измерением изотерм двумерного давления проводят спектроскопические, радиоактивные и другие исследования перенесенных на твердые подложки монослоев.
28