Изучение сенсорных свойств органических и полимерных пленок на твердой основе (1103011), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Установлен факт увеличения поверхностного давления в самоорганизующейсяпленке молекул бис-4-(2-пиридилметиленаминофинил)дисульфида (лиганда),иммобилизованной на поверхности кантилевера, вследствие возрастания электростатической плотности в пленке в результате комплексации ионов Co2+, Ni2+,Cu2+ с молекулами лиганда. Показана обратимость реакции образования хелатных комплексов в рецепторе. Обнаружено различие в значениях поверхностныхсил при комплексации ионов Co2+, Ni2+, Cu2+ в слое лиганда, связываемое с тем,что энергии образования соответствующих хелатных комплексов отличаютсядруг от друга.2. Разработаны методики ковалентной и физической иммобилизации белков накремниевых и золотых поверхностях кантилевера. Впервые реализованы высо6коселективные микрокантилеверные анализаторы на основе биополимерной пары – пероксидазы хрена и IgG – с чувствительностью к нескольким наномоляманалита в 1 л буферного раствора.
Показано, что конформационные изменениямолекул IgG при связывании с пероксидазой генерируют аналитический сигналдеформаций кантилевера, характеризующий уменьшение энтропии макромолекулярных комплексов.3. Впервые реализован контроль селективной реакции определения морфина наповерхности кантилевера. Установлено, что причиной деформаций кантилеверапри диссоциации комплексов морфин-IgG на его поверхности является спонтанное снятие напряжения в рецепторной пленке, которое сообщалось системе прииммобилизации молекул IgG в рецепторе.4. Обнаружен катализ роста фибрилл лизоцима из химически иммобилизованногомонослоя на поверхностях золота и слюды при pH = 3,0. Впервые получены данные по морфологии и размеру фибрилл лизоцима, выросших из монослоя химически иммобилизованых молекул белка.
С помощью микрокантилеверной системы проведены измерения сил в пленках привитого лизоцима на гидрофобныхи гидрофильных поверхностях кантилевера при «кислом» значении pH = 3,0.Обнаружена корреляция между скоростями процессов роста фибрилл из монослоев на гидрофильных и гидрофобных подложках и развитием сил в пленкебелка на данных поверхностях.5. Предложена качественная модель, объясняющая возможность образования фибрилл из молекул белка, находящихся на поверхности в связанном состоянии.6. Предложена схема расчета парных взаимодействий соседних белковых звеньев,находящихся на поверхности кантилевера, на основе данных о величине изгибакантилевера и структуре монослойной пленки. Экспериментально определенысилы парных взаимодействий молекул лизоцима в монослое на поверхностикантилевера.7.
Разработана методика закрепления микрочастиц на поверхности кантилевера иреализован метод измерения их массы с помощью кантилевера атомно-силовогомикроскопа в резонансном режиме. Впервые охарактеризованы сорбционныесвойства одиночных микрочастиц хроматографического сорбента диасорб-60С16 к парам полярных и неполярных растворителей.7Практическая значимость работы. Результаты диссертации позволяют продвинуться в решении следующих задач:-исследовании кооперативных взаимодействий в биополимерных пленках;-разработке новых методов исследования массовых свойств микрообъектов;-создании новых прямых методов иммунохимического анализа на базе микроэлектромеханических систем;-создании высокочувствительных сенсоров на ионы металлов в жидкостях, разработка ионоселективных электродов;-создании методов диагностики и профилактики нейродегенеративных заболеваний животных и человека, вызванных прионными патогенными белками.Следует отметить, что результаты диссертации могут быть полезны в физикебиополимеров, биофизике, молекулярной биологии и медицине.Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы былидоложены на следующих научных конференциях:-Международный симпозиум «Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур», Казань, 2004.-Международная конференция «Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy andRelated Techniques in conjunction with 13th International Colloquium on ScanningProbe Microscopy», Sapporo, Japan, 2005.-Международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития»Москва, 2005.-Международная конференция «Малый полимерный конгресс», Москва, 2005.-Международная конференция «Биотехнология и медицина», Москва, 2006.-Международная конференция «International Conference on Nanoscience and Technology 2006», Swisserland, Basel, 2006.-Всероссийская конференция (с международным участием) «Химия поверхностии нанотехнология», Санкт-Петербург, 2006.-«Четвертая всероссийская каргинская конференция», Москва, Россия, 2007.Личный вклад автора.
Все экспериментальные измерения зондовой микроско-пии проведены автором. Все образцы приготовлены автором лично (за исключением синтеза химических веществ). Разработка многофункционального научного из-8мерительного комплекса и проведенные на нем измерения выполнены автором лично. Анализ и интерпретация экспериментальных данных проведены автором лично.Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ.Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 203 наименования. Работа изложена на 138 страницах, содержит 74 рисунка и 9 таблиц.Основное содержание работыВо введении отмечается актуальность темы диссертационной работы, определяются ее цели и задачи.Глава 1 содержит обзор литературы по теме диссертации.
В обзоре краткопредставлены основы методов зондовой микроскопии, в особенности атомносиловой микроскопии (раздел 1.1.1) и силовой спектроскопии (раздел 1.1.2), и ихприменения при исследовании свойств биополимерных систем. В разделе 1.1.3 рассматриваются аспекты функционирования современных перспективных микрокантилеверных устройств в качестве высокочувствительных многофункциональныхбиохимических датчиков. Проанализированы основные факторы, отвечающие завыработку аналитического сигнала микрокантилеверных сенсоров. Представленспектр применений микромеханических систем и схем регистрации аналитическогосигнала (раздел 1.3), при этом особое внимание уделено анализу супрамолекулярных структур рецепторных слоев силовых преобразователей. В обзоре также краткоописаны основные характеристики и принципы функционирования распространенных преобразователей биофизических реакций в аналитический сигнал (раздел 1.2).Изложение результатов диссертации логически разделено на две части: экспериментальную (главы 2 – 5) и теоретическую (главы 6 – 8).Глава 2 содержит описание разработки и конструкторской сборки научногоприбора на основе атомно-силового микроскопа (раздел 2.2), предназначенного дляисследования физико-химических свойств тонких пленок и микрообъектов, помещенных на поверхность кантилевера (рис.
1б).9Рис. 1. а) Сборка жидкостной ячейки, содержащей кантилевер. б)Универсальная микрокантилевернаясенсорная система.В цель работы входило проведение калибровки и тестирования комплекса исоздание оптимальных методов закрепления объектов исследования на поверхностиЧастота кантилевера, кГцкантилевера.300284268252236220010203040506070Присоединенная масса, нгРис. 2. Изображение кантилевера с пятнадцатью полистирольными микрошариками, прикрепленными к его концу спомощью эпоксидного клея.Рис. 3. Зависимость резонансной частоты балкикантилевера от изменения массы на ее конце припоследовательном прикреплении калибровочныхмикросфер. Сплошная кривая – теоретическийрасчет.Ошибка метода измерения массы микрообъектов с помощью кантилеврераоценивалась на основе сопоставления экспериментальных данных и теоретическогорасчета массы (глава 6) последовательно, одна за другой, взвешиваемых полистироловых микрошариков (рис.
3), закрепляемых на свободном конце кантилевера«Nanosensors» эпоксидным клеем (рис. 2). Эта ошибка, обусловленная дисперсиейлокализации частиц на поверхности кантелевера, не превышала 5%. Достигнутаяразрешающая способность измерения массы одиночных объектов составила 1 пг(что сравнимо с массой одной бактериальной клетки E-coli) и на порядок превзошлачувствительность традиционного метода кварцевого микровзвешивания.В разделе 2.3.3 проанализированы артефакты метода микровзвешивания, связанные с температурными градиентами в измерительной системе и флуктуациями10плотности (влажности среды). Было установлено, что при измерении масс меньших10-9 г во избежание теплового дрейфа и для сохранения величины ошибки не более5% требуется поддерживать в системе стабильность температуры (колебания температуры не должны превышать 1 °С).
Флуктуации влажности среды также значительно ухудшают стабильность микровзвешивающей системы. В связи с этим напримере кантилеверов CSC12(E) было показано, что микрорезонансные системыможно использовать в качестве измерителей влажности среды. Для устранения перечисленных артефактов была разработана герметичная ячейка (рис. 1а), обеспечивающая необходимую стабильность температурных и диссипационных вкладов вошибку измерений.С помощью резонансной кантилеверной системы были исследованы микрочастицы силикагеля с поверхностью, модифицированной гидрофобными углеводородными молекулами, для изучения сорбции паров толуола. Результаты измеренийсорбции паров толуола частицами сорбента диасорб-60-С16, закрепленными наконце кантилевера, представлены на графике зависимости массы паров растворителя поглощенных частицей частице сорбента, от массы самой частицы (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
