Диссертация (1151496), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В ряде современных работ в этой области [27, 28, 45] развивается идеяадсорбции ПМ на БЛМ, адсорбированных, в свою очередь, на пористыхметаллических или полимерных подложках (так называемые «микро-БЛМ» или«нано-БЛМ»). В таких структурах [45] величина фототока составляет более 150нА•см-2 (Рис. 1.5), однако требуется около 40 минут для адсорбции ПМ на БЛМ,что технологически не очень удобно.
Другим примером достаточно простыхгибридных систем на основе ПМ являются смешанные бислои липидов и ПМ,представленные в работах [27, 28].22Рисунок 1.5 - Характеристики фототока (J – плотность фототока) до и последобавления пурпурных мембран (ПМ) к бислойным липидным мембранам.Фототок до (-ПМ) и после (+ПМ) добавления ПМ к нано-БЛМ (а); (+ПМ): первыйи второй переходы соответствуют включению и выключению света.
Ток былзарегистрирован через 40 мин после добавления ПМ; (-ПМ): прямая на графикесоответствует сигналу тока, записанному до добавления ПМ (смещена на -50нA/см2). Никаких значительных фото-артефактов зафиксировано не было.Временная зависимость максимальной плотности тока после добавления ПМ(Дж макс-вкл. ). Максимум тока наблюдается после ~40 мин (б). Адаптировано из[45].В данном случае, первым этапом является модификация поверхностиртутно-капельного электрода поверхностно-активными тиолами, вторым —перенос монослоя фосфолипидов (DOPC или DOPS) с границы разделавода/воздухнатиол-модифицированнуюповерхностьртутно-капельного23электрода, а третьим — перенос ПМ на сформированную таким образомгетероструктуру. При фотоактивации данной системы наблюдался отрицательныйток (до -1.45 нА), тогда как при выключении освещения — положительныйсигнал (до 0.45 нА), причем в обоих случаях рН составлял 6.0.
Существенноменьшие значения фототока наблюдаются при очень низких (меньше 2) и приочень высоких (больше 10) величинах рН [28].Более технологичным подходом для создание фотоячеек на базе системыITO/ПМ/Au является использование проводящих полимеров, что описано в работе[59]. Ориентация ПМ достигалась путем воздействия внешнего электрическогополя на слой ПМ на субфазе. Ориентированный слой ПМ был перенесен настеклянную подложку с напыленным ITO методом Ленгмюра-Шефера.
Золотойэлектрод изготавливали испарением золота на ITO/ПМ. Гибридная системаITO/ПМ/Au характеризовалась фототоком с разностью потенциалов ~5 мВ приразмере образца ячейки 3×3 мм. В дальнейшем авторами была использованадругая система для изготовления молекулярного электрода. Для созданиямультислойнойгибриднойнано-биоструктурыиспользовалсяпроводящийполимер поли(o-анизидин) (POAS), который переносили на стеклянную подложкуметодомЛенгмюра-Блоджеттсполучениемвитогесистемыстекло/POAS/ПМ/POAS [59].Таким образом, важно различать ленгмюровские пленки ПМ (или БР), как«одноуровневые» слои из одного вида молекулярно интегрированных БР, иадсорбированные пленки ПМ на БЛМ и других бислойных мембранах, как«двухуровневые» слои, состоящие из бислоя липидов, на котором находится БРлипидный слой [59, 73, 76]. Последние типы систем можно считать болееадекватными моделями гибридных нано-биоструктур, поскольку они состоят изнаноразмерных и молекулярно интегрированных бислоев на границе раздела фазс заданными строением и функциями.241.1.4 Самоассоциация и послойная сборка пурпурных мембранБольшое число работ по получению ультратонких пленок БР или ПМметодами самосборки или послойной сборки разумно рассматривать в единомразделе, поскольку эти методы «идеологически» подобны, а сами статьипересекаются друг с другом по большинству позиций [21, 23, 24, 41, 42, 50, 89].
Вработе [21] проведено сравнительное исследование параметров структур ПМ,полученных методом самосборки на поверхности «физически» и «химически»модифицированного стекла. Под «физически» модифицированным стекломавторы [21] понимали стекло, на котором различные ПАВ (производные аминов,спиртов, фторсодержащих углеводородов и т.д.) адсорбированы только за счетнековалентных связей (тогда количество ПАВ составляет около 0.02 мкг на см2поверхности стекла), при этом контактный угол становится менее 10 градусов, аколичество самоассоциированных ПМ составляет около 0.85 мкг•см-2.
Под«химически» модифицированным стеклом понимается стекло, на которомразличные ПАВ ковалентно пришиты (тогда количество ПАВ варьирует от 0.05мкг до 0.09 мкг на см2 поверхности стекла), при этом контактный угол становитсязначительно больше (от 47 до 96 градусов), а количество самоассоциированныхПМ варьирует от 0.57 мкг до 0.09 мкг на см2 поверхности стекла [21]. Указанныепараметры существенно изменяются при фотоактивации структуры, что авторы[21] считают полезным в свете использования данных систем для литографии.Следующим шагом в развитии данного направления стало использованиезаряженных полимеров (вместо ПАВ).
Так, в работах [24, 41, 42] ультратонкиепленки БР и ПМ были сформированы на стеклянных подложках с оксидом индияиолова(ITO)иадсорбированнымслоемполикатионов,например,поли(аллиламин гидрохлорида) или поли(диметилдиаллиламмоний хлорида).Указанные структуры, состоящие из шести таких бислоев, давали фототок вобласти 100-200 нА•см-2 [24]. Аналогичные структуры, состоящие из восьмибислоев с БР дикого типа или из шести слоев БР-D96N, давали максимальныезначения фототока 52 или 80 нА•см-2, соответственно [42].25В работах [23, 89] ультратонкие пленки БР и ПМ были сформированы настеклянных подложках с «напыленным» слоем золота толщиной 100-200 нм.Первым шагом процесса была адсорбция молекул 11-меркаптоундекановойкислоты (11-МУК) путем самоассоциации (СА) в течение 24 часов [23].
Вторымшагом была СА-адсорбция монослоя полилизина в течение 2 часов (который приpH 8 является положительно заряженным). Третий шаг состоял в СА-адсорбциисуспензии БР на подложку. Важным элементом структурной характеристики слояявилось измерение толщины слоя 11-МУК — порядка 1.7±1 нм, что близко ктеоретически рассчитанному диапазону толщин — 1.8–1.9 нм. Это небольшоеотличие определяется незначительным наклоном (менее 30°) метиленовых цепей,которыепрактическиперпендикулярныплоскостиподложки.Указанныетолщины слоя 11-МУК очень хорошо согласуются с данными, полученнымиметодами эллипсометрии и поверхностного плазмонного резонанса (1.6-1.9 нм).После дальнейшей адсорбции полилизина толщина гибридного слоя увеличиласьеще на 1.2 нм, что свидетельствует о расположении полипептидных цепейпараллельно поверхности подложки.
Последним шагом процесса явиласьадсорбция на положительно заряженный слой полилизина фрагментов ПМ,которые несли отрицательный заряд, поскольку pH среды был равен 8.0, аизоэлектрическая точка БР составляет 4.8-4.9 [3, 34, 44, 60, 87]. Ориентацияфрагментов ПМ была параллельна поверхности подложки. На основаниитопографии поверхности таких гибридных структур, полученной методом АСМ,авторы работ [23, 50] сделали вывод, что однородность и степень ориентации БР втаких структурах зависит от указанных выше способов их получения.Перспективными являются разработки в области создания многослойныхпленок из поли-L-лизина и БР или ПМ, которые получают методом послойнойсборки за счет сил электростатического притяжения между поли-L-лизином иотрицательно заряженной стороной ПМ (Рис.
1.6) [50].26Рисунок 1.6 - Схематическое изображение сборки слоев поли-L-лизин/пурпурнаямембрана на отрицательно заряженной поверхности золота. МУК –меркаптоундекановая кислота, ЦС – цитоплазматическая сторона, ПСпериплазматическая сторона. Адаптировано из [50].Бактериородопсинвмногослойныхпленкахостаетсястабильнымдлительное время и сохраняет нативную структуру, хотя, по данным АСМ, иимеет некоторые дефекты в структуре отдельных монослоев (Рис.
1.7) [50].27Рисунок 1.7 - Изображения слоев поли-L-лизин/пурпурная мембрана (ПМ),адсорбированных на золотой поверхности, модифицированноймеркаптоундекановой кислотой (МУК), с внешним слоем ПМ, полученные спомощью атомно-силовой микроскопии. Изображения слоев поли-L-лизин/ПМ,полученных из 1, 2, 4, 6 и 8 бислоев, соответственно. Масштаб каждогоизображения — 5.0 × 5.0 мкм; максимальное z-разрешение — 80 нм (a-д).Соотношение между шероховатостью поверхности и числом бислоев (е)Адаптировано из [50].Такие мультислойные гибридные нано-биоструктуры используются дляусиления фотоэлектрического ответа БР.
Например, фототок, генерируемыйпленками поли-L-лизин/ПМ, увеличивается с ростом числа бислоев, достигаязначений порядка 420 нА•см-2 при количестве бислоев поли-L-лизин/ПМ, равном8 (Рис. 1.8) [50].28Рисунок 1.8 - Плотность фототока (J) структуры поли-L-лизин/пурпурнаямембрана. Фототок, генерируемый вторым, четвертым и восьмым бислоямипленки поли-L-лизин/ПМ, полученной при оптимальных условиях (а).Максимумы фототока при фотоактивации различного числа бислоев поли-Lлизин/ПМ (б).
Адаптировано из [50].Таким образом, использование поли-L-лизина в качестве линкера вгибридных нано-биоструктурах перспективно, т.к. позволяет значительно усилитьфотоэлектрический ответ БР.1.1.5 Электрофоретическое осаждение и седиментация пурпурныхмембранОдним из наиболее простых методов получения ориентированных пленок,содержащихбольшиеколичестваПМилиБР,являетсяиспользованиеэлектрофореза в их растворах или набухших пленках (в т.ч., в смеси ссинтетическими полимерами) с постепенным осаждением белка на прозрачнуюподложку. Последующее высушивание позволяет сохранять как заданнуюориентацию белка, так и фотоэлектрические свойства БР. Такие работы впервыеначались около 30 лет назад под руководством профессора Кесхеле (Keszthelyi) внаучном центре Венгерской академии наук и продолжаются до настоящеговремени [85, 97].
Оптические свойства таких пленок характеризовали по29изменению времени жизни и относительной амплитуды падения интенсивностипоглощения при 400 нм после активации лазерно-оптической системой сфильтром, пропускающим свет с длинами волн выше 500 нм. Было показано, чтовремя жизни М-интермедиата фотоцикла БР составляет порядка 2.2 мс [85]. ТакиеБР-пленки в ряде работ этой и других групп были использованы как прототипыэлементов оптических устройств [85, 97]. В работе [81] были получены БР-пленкис высокими техническими характеристиками: площадью 1 см2, толщиной 25 мкм,сопротивлением 109-1010 Ом и оптической плотностью около 2.0 при 570 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
