Межмолекулярные взаимодействия в монослоях высокомолекулярных соединений

На правах рукописиГорелкин Петр ВладимировичМЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МОНОСЛОЯХ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ02.00.06 – высокомолекулярные соединения, физико-математические наукиАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных соединений химического факультета Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорЯминский Игорь ВладимировичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорВасилевская Валентина Владимировнадоктор химических наук, профессорШтильман Михаил ИсааковичВедущая организация:Учреждение Российской академии наукИнститут синтетических полимерных материалов им.

Н.С. Ениколопова РАНЗащита состоится «16» ноября 2011 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, конференц-зал ЦКП Физического Факультета МГУ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «11» октября 2011г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наук2Лаптинская Т.В.Общая характеристика работыДиссертационная работа посвящена исследованию особенностей формирования полимерных пленок полиэлектролитов и биополимеров на поверхностях золота и кремния.

Известно, что эти материалы можно модифицироватьтио- и кремнийорганическими соединениями, создавая при этом поверхности с заданными свойствами. В работе была изучена специфическая адсорбция полиэлектролитов на модифицированные подложки золота и кремния,были определены межмолекулярные взаимодействия, возникающие в адсорбированных полимерных слоях нанометровой толщины, и исследованыих структура и физико-химические свойства.Актуальность работы.Создание высокоселективных биосенсоров, способных проводить непрерывный качественный и количественный анализ веществ в жидкостях в режиме реального времени, важно для создания непрерывной прикроватнойклинической диагностики. Наиболее перспективным направлением в разработке таких биосенсоров является создание нанометровых датчиков на базекантилеверов атомно-силового микроскопа.

Изгиб кантилеверной консоли,регистрируемый лазерооптической системой, происходит в результате формирования латеральных напряжений внутри сенсорного слоя, который нанесен на поверхность. Процессы, протекающие при взаимодействии сенсорного слоя с определяемым веществом, обуславливают чувствительность и селективность таких датчиков. Формирование латеральных напряжений в процессе адсорбции высоко и низкомолекулярных соединений зависит отструктуры и физико-химических свойств адсорбированных полимерных слоев. В основу анализа жидкостей с помощью биосенсоров положено биоспецифическое распознавание, такое как взаимодействие антигена с антителом,гибридизация молекул ДНК и взаимодействие аптамер-белок. Вещества, обладающие способностью биоспецифического распознавания, являются, какправило, полиэлектролитами.

Знание основных механизмов формированиятонких полимерных слоев полиэлектролитов и биополимеров необходимодля дальнейшего изучения процессов, проходящих на поверхности биологических мембран, создания высококачественных рецепторных слоев и разработки биокаталитических поверхностей.Цель работы - определить механизмы формирования нанометровых полимерных слоев на поверхности золота и кремния при специфической адсорбции из растворов полиэлектролитов.Для этого были решены следующие задачи:1. Выявлены влияния электростатического и структурного факторов на формирование латеральных напряжений на примере модельных систем мо32.3.4.5.нослоев металлокомплексов бис-4-(2-пиридилметиленаминофенил)дисульфида и 4’-(12-меркаптододеканилокси)-[2,2,’;6’,2’’]-терпиридина(Рис. 1а и 1б, стр.7).Определены процессы появления и развития напряжений в полиэлектролитах при адсорбции на твердую заряженную подложку.

В качестве полиэлектролитабылвыбранрастворбромидаполи-N-этил-4винилпиридиния (4-ВП).Исследовано влияние первичной структуры макромолекул ДНК, привитыхк поверхности золота и способных к формированию вторичной структуры,на процесс образования двойной спирали с комплементарными им полинуклеотидами из раствора.Оценен вклад длины метиленовой цепи аптамера, интегрированного врецепторный слой триэтиленгликольунодекантиола, на процесс адсорбции тромбина из раствора.Определена взаимосвязь ориентации белковых макромолекул на поверхности и формирования латеральных напряжений в слое в процессе образования иммунного комплекса (антиген-антитело) при специфической адсорбции.Научная новизна работы. Впервые изучены закономерности формированиялатеральных напряжений в нанометровых слоях в процессе адсорбции полиэлектролитов. В диссертационной работе установлено:1.

Взаимосвязь латеральных напряжений и межмолекулярных взаимодействий в тонких полимерных пленках при адсорбции полиэлектролитов на заряженную поверхность.2. Охарактеризовано влияние заряда и структуры молекул на образование напряжений в поверхностном слое.3. Для молекул ДНК, привитых к золотой поверхности и обладающих вторичной структурой, предложена тримолекулярная модель комплементарного связывания.4. Обнаружено различие механизмов генерации поверхностных напряжений при взаимодействии тромбина с аптамерами, встроенными вмонослой и отличающимися длиной метиленовой цепи.5.

Установлена взаимосвязь между структурой слоя антител и латеральными напряжениями, возникающими при биоспецифической адсорбции антигена пероксидазы хрена.Практическая значимость работы. Разработан метод непрерывного определения веществ в потоке жидкости с помощью новой наномеханической кантилеверной системы, позволяющей измерять интерпланарные межмолекулярные напряжения в тонких слоях.

Создана методика контроля релаксациинапряжений в адсорбированных полиэлектролитных пленках на заряженных4поверхностях золота и кремния. Предложен экспериментальный способ определения наличия вторичной структуры одноцепочечной ДНК, крайне важный для разработки датчиков на основе полинуклеиновых кислот. Разработан способ создания селективного рецепторного слоя на основе аптамеров итриэтиленгликольунодекантиола для определения тромбина в растворе.Предложена методика создания слоя антител на поверхности кантилевера,пригодного для многократного использования в качестве биосенсора.Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на 7ой международной конференции по наномеханическим кантилеверным системам, Банф, Канада, 2010 год; на 6-ой международной конференции по наномеханическим кантилеверным системам, Джеджу, Южная Корея, 2009 год;2-ой и 3-ей Международных конференциях «Современные достижения бионаноскопии», Москва, 2008, 2009 годы; Международной конференции «Наномедицина», Сант-Филио, Испания, 2008 год; 5-ой международной конференции по наномеханическим кантилеверным системам, Майнц, Германия,2008 год; Международной научно-практической конференции «Биотехнология.

Вода и пищевые продукты», Москва, 2008 год; Четвертой всероссийскойКаргинской конференции «Наука о полимерах 21-му веку», Москва, 2007 год;Малом полимерном конгрессе, Москва 2005 год.Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач диссертационной работы. Им лично выполнена подготовка образцов и их исследование методами атомно-силовой микроскопии и методом измерения отклонения наномеханического кантилеверного датчика(НКС).Автором лично проведены анализ и интерпретация экспериментальных данных, полученных методами: сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ),НКС и кварцевого микровзвешивания (КМВ). Обобщены результаты экспериментов, проведен анализ факторов, влияющих на формирование латеральных напряжений в рецепторных слоях, нанесенных на поверхность кантилевера.Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из которых 5 – статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, и 12 тезисов докладов на российских и международныхконференциях.Структура и объём диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 186 наименований. Работа изложена на 137 страницах и содержит 52 рисунка, 5 таблиц.5Основное содержание работыВо введении обоснована актуальность темы диссертации, формулируетсяцель работы, обсуждается новизна и практическая значимость полученныхрезультатов.В главе 1 представлен обзор литературы по теме диссертационной работы.Проанализированы работы зарубежных исследовательских групп, посвященные определению межмолекулярных латеральных напряжений в различныхполимерных системах.

В главе представлены теоретические результаты различных исследовательских групп, которые объясняют основы формированиялатеральных напряжений в тонких слоях, нанесенных на твердую поверхность. Теоретические модели, описывающие формирование латеральныхнапряжений в тонких слоях, опираются на формулу, сформулированную Г.Стоуни при проведении исследований формирования поверхностного напряжения в металлических слоях, нанесенных на тонкие пластины: E t2 z3  (1   )  l 2,(1)где - σ – изменение поверхностного натяжения (латеральных напряжений вслое); Е – модуль Юнга; t – толщина балки; ν – коэффициент Пуассона; l длина балки; z - отклонение балкиИзменение поверхностного натяжения кантилеверной балки, исходя из геометрического приближения малых отклонений, определяется суммой двухвкладов: первый появляется в результате протекания химической реакции наповерхности, второй возникает вследствие изменения упругости исследуемой системы.

Латеральные напряжения, возникающие в слое в результатехимической реакции, можно выразить через изменение поверхностной свободной энергии на единицу площади, используя уравнение Шатлворта: chem  ( F A)F AAA(2)где σchem – латеральные напряжения в слое, возникающие в результате химической реакции, F – изменение поверхностной свободной энергии, A - площадь.Особый акцент сделан на анализ теоретических моделей формирования латеральных напряжений в процессе иммобилизации молекул ДНК на поверхность золота и образования двуспиральной ДНК при взаимодействии с комплементарной последовательностью полинуклеотидов из раствора.Глава 2. Влияние электростатического и структурного факторов на формирование латеральных напряжений в мономолекулярных слоях.Возникновение латеральных напряжений в адсорбированном слое связано споявлением интерпланарных межмолекулярных взаимодействий.

Измере6ние латеральных напряжений можно проводить с помощью наномеханической кантилеверной системы (НКС). Измерительная консоль (кантилевер)представляет собой кремневую балку, одна сторона которой покрыта золотом. Закрепленные на поверхности золота или кремния молекулы за счетвзаимодействия друг с другом формируют напряжения, вызывающие изгибкантилевера. Расталкивание между двумя соседними молекулами в слоеприводит к генерации расталкивающих (отрицательных изменений) латеральных напряжений, в то время как появление новых связей между молекулами ведет к появлению стягивающих (положительных изменений) латеральных напряжений.Для изучения процессов создания наноразмерных пленок на поверхности всложных полимерных системах необходимо установить ряд базовых закономерностей формирования латеральных межмолекулярных напряжений напримере упорядоченных монослоев.На данный момент опубликован ряд работ, касающихся вопроса влиянияэлектростатического фактора на формирование интерпланарных межмолекулярных взаимодействий в монослоях.