Изучение сенсорных свойств органических и полимерных пленок на твердой основе

На правах рукописиКиселев Глеб АлександровичИЗУЧЕНИЕ СЕНСОРНЫХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ И ПОЛИМЕРНЫХПЛЕНОК НА ТВЕРДОЙ ПОДЛОЖКЕСпециальности 02.00.06 – высокомолекулярные соединения,01.04.07 – физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2007Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физическогофакультета Московского государственного университетаим. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорЯминский Игорь ВладимировичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, профессорГиваргизов Евгений ИнвиевичКандидат физико-математических наукПрохоров Валерий ВасильевичВедущая организация:Государственный научно-исследовательский институт физических проблемим. Ф.В.

ЛукинаЗащита состоится « 25 » апреля 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственном университете им.М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, ауд. ___С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ.Автореферат разослан « » ___________ 2007г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наук2Лаптинская Т.В.Общая характеристика работыАктуальность работы. Многие процессы, протекающие в тонких органических и полимерных слоях в настоящий момент недостаточно изучены в силу ограниченных возможностей большинства косвенных методов анализа свойств тонкихпленок.

При этом знания об энергетических причинах самоорганизации субьединицмонослоев и сил кооперативных взаимодействий биополимеров вблизи поверхностиявляются насущной необходимостью в областях сенсорных приложений, биосовместимых материалов и медицинских приборов, контактирующих с физиологическими жидкостями, таких как зонды, протезы, контактные линзы и т.д. Подобнаязадача актуальна также в исследованиях механизмов агрегации биополимеров вклеточных мембранах, приводящих к нарушениям ионного обмена и нейродегенеративным заболеваниям человека.Благодаря использованию современных микрокантилеверных преобразователей поверхностных реакций совместно с методами атомно-силовой микроскопии(АСМ) становится возможным получение более полной информации о морфологиии энергетических свойствах монослойных пленок, с чем связан интенсивный ростчисла публикаций по данной тематике в ведущих научных журналах.Появление кантилеверов во многом обусловлено интенсивным развитиематомно-силовой микроскопии.

Устройства с микромеханическими преобразователями зарекомендовали себя в качестве полноценного научного инструмента, применяемого в исследованиях межмолекулярных взаимодействий в монослойныхпленках низкомолекулярных веществ, биополимерных объектов, а также в областяххимии поверхностных реакций, биологии и медицине. Существенной особенностьюкантилевера, не имеющей альтернативных аналогов, является способность прямогоизмерения натяжения в пленках, помещенных на одну из его сторон.

Благодаряэтому информация о состоянии исследуемых объектов, получаемая с помощьюмикромеханических систем, оказывается уникальной и, вообще говоря, отличаетсяот той, которую дают распространенные методы анализа массы, а также оптических, и электрических свойств пленок. Уникальность информации состоит в том,что она непосредственно характеризует энергию межмолекулярных взаимодействий3внутри пленки, преобразующуюся в статический изгиб кантилевера (энергию аналитического сигнала).Основной целью диссертационной работы являлось получение новых экспериментальных данных с использованием зондовой микроскопии и микрокантилеверных систем о свойствах самоорганизующихся монослойных пленок сераорганических соединений, иммунных комплексов и белков, иммобилизованных на твердойподложке, и разработка методики иммобилизации биополимеров на поверхностикантилевера.

Методическая часть работы включала в себя также разработку научного прибора на основе атомно-силового микроскопа, позволяющего прецизионно измерять массу микрообъектов и латеральные напряжения в тонких пленках, помещенных на поверхность кантилевера. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи исследования.1. Выявить и охарактеризовать основные механизмы, инициирующие аналитический сигнал деформаций микрокантилеверного преобразователя при комплексации ионов двухвалентных металлов в рецепторном слое молекул бис4-(2-пиридилметиленаминофинил)дисульфида на примере самоорганизующихся монослоев сурфактантов: тиофенола, 4-аминотиофенола и гексантиола.2. Разработать методику ковалентной и физической иммобилизации биополимеров на кремниевой и золотой поверхностях кантилевера.

Исследовать морфологию рецепторных слоев прямых биополимерных кантилеверных анализаторов морфина и высокомолекулярного антигена – пероксидазы хрена(ПХ). Изучить механизмы, отвечающие за возникновение поверхностного натяжения в рецепторной пленке при различных методах иммобилизации молекул IgG в рецепторе.3.

С помощью АСМ исследовать процессы образования фибрилл лизоцима принизких pH из монослойных пленок на модифицированных гидрофильной игидрофобной поверхностях. Изучить кинетику и измерить абсолютные значения сил изгиба кантилевера на примере молекул лизоцима, привитых назолотой и кремниевой сторонах кантилевера. Построить схему расчета силпарных взаимодействий соседних белковых звеньев, находящихся на поверх-4ности кантилевера, исходя из данных о величине изгиба кантилевера и оструктуре монослойной пленки.4. Разработать методику закрепления микрочастиц и реализовать метод измерения их массы с использованием кантилевера атомно-силового микроскопа врезонансном режиме.

Провести сопоставление модельных и экспериментальных результатов определения массы с помощью кантилевера для оценки относительной погрешности измерения массы и разрешающей способностиразработанной системы микровзвешивания. Исследовать индивидуальныесорбционные свойства одиночных микрочастиц хроматографического сорбента (силикагеля с модифицированной поверхностью).Материалы и методы. Измерения проводились на атомно-силовом микроскопе ФемтоСкан (Центр перспективных технологий, Россия) в режиме прерывистого контакта на воздухе с использованием кантилеверов NSC14 (MikroMasch,Россия) из кремния с номинальной жесткостью 5 Н/м и резонансной частотой сканирования в диапазоне 150–170 кГц.

Обработка изображений осуществлялась с помощью программы ФемтоСкан Онлайн (Центр перспективных технологий, Россия).В качестве подложек для образцов были выбраны свежесколотые с золотым напылением (напылитель Eiko IB-3) и подвергнутые различным модификациям поверхности слюды. В качестве модификатора слюды (кремния в случае кантилеверов),аминирующего поверхность, использовался 3-аминопропилсилатран (АПС), дляаминирования золотой поверхности – 4-аминотиофенол.

Модификация аминированных поверхностей для последующей иммобилизации белков производилась спомощью глутарового альдегида. Остаточные альдегидные группы блокировалисьтрис-(гидроксиметиламинометаном).Измерение сил в пленках и массы на поверхности микрокантилеверов осуществлялось с помощью разработанного в рамках данной работы устройства, тестирование которого для экспериментов прецизионного контроля массы проводилось сиспользованием полистироловых калибровочных микросфер и пьезосканера атомно-силового микроскопа. Диаметр полистироловых микросфер определялся на растровом электронном микроскопе (HITACHI S-520). Для измерения массы использовались кантилеверы Nanosensors c резонансной частотой 320 кГц и жесткостью 42Н/м.

При измерении сил в тонких пленках применялись кремниевые консоли fpC015жесткостью 0,03 Н/м (изготовленные в Государственном научно-исследовательскоминституте физических проблем им. Ф.В. Лукина, Москва).Иммобилизация белков на поверхности кантилеверов и образцов для АСМпроводилась в одинаковых условиях путем непосредственного контакта поверхности и буфера с модификатором.Конъюгат морфин-овальбумин, сыворотка крови кролика, содержащая специфические антитела к морфину, растворы морфина были предоставлены сотрудниками Института физиологически активных веществ (ИФАВ). Эксперименты сданными веществами проводились на территории ИФАВ.Иммобилизатор IgG – белок А, пероксидаза хрена (ПХ), анти-ПХ-IgG кролика, бычий сывороточный альбумин (БСА) и овальбумин были предоставлены сотрудниками кафедры химической энзимологии химического факультета МГУ им.М.В.

Ломоносова.Низкомолекулярные сурфактанты (4-аминотиотиофенол, гексанотиол, тиофенол, бис-4-(2-пиридилметиленаминофинил)дисульфид, 3-аминопропилсилатран,трис-(гидроксиметиламинометан), глутаровый альдегид), буферные солевые растворы (фосфатный (pH = 7,0), ацетатный (pH = 4,5), глициновый (рН = 3,0)), растворы солей (MX2·6H2O, где M – Co, Cu, Ni и X – ClO4) были предоставлены сотрудниками кафедр органической химии, химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Научная новизна диссертации.1.