Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 11
1.1. Ленгмюровские монослои на поверхности жидкости: способы их получения и исследования физико-химических свойств 11
1.2. Мультислоиные пленки Ленгмюра-Блоджетт на твердой подложке 17
1.2.1. Последовательный перенос ленгмюровских монослоев на твердую подложку 17
1.2.2. Особенности поведения ленгмюровских монослоев при переносе на твердый субстрат 20
1.3. Физико-химические свойства ленгмюровских монослоев амфифильных молекул, несущих заряженные группы 22
1.3.1. Влияние варьирования значения рН водной фазы на состояние ленгмюровских монослоев слабых электролитов 22
1.3.2. Особенности взаимодействия катионов поливалентных металлов с ленгмюровским монослоем жирных кислот... 26
1.4. Влияние процессов образования координационных комплексов катионов металлов вблизи заряженной поверхности ленгмюровского монослоя жирных кислот на структуру мультислоиных ЛБ пленок 33
1.4.1. Исследование структуры пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих катионы поливалентных металлов 33
1.4.2. Ленгмюровские монослои и мультислоиные пленки Ленгмюра-Блоджетт, содержащие трехвалентные катионы переходных металлов 34
1.5. Теоретические описание процессов взаимодействия ионов с плоской заряженной поверхностью 39
1.6. Исследование комплексов молекул ДНК с модельными мембранными системами 41
1.7. Методы исследования структуры и поверхности пленок Ленгмюра-Блоджетт 43
1.7.1. ИК Фурье спектроскопия 43
1.7.2. Малоугловое рентгеновское рассеяние 45
1.7.3. Атомно-силовая микроскопия 47
2. Реактивы и методы 50
3. Получение и исследование физико-химических свойств ленгмюровских монослоев и структуры мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния 55
3.1. Исследование физико-химических свойств ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты с помощью анализа формы изотерм сжатия 57
3.2. Исследование влияния анионного состава водной фазы, содержащей катионы гадолиния, на структуру получаемых мультислойных ЛБ пленок стеарата редкоземельного металла 66
3.2.1. Исследование ЛБ пленок методом ИК Фурье спектроскопии 67
3.2.2. Исследование структуры ЛБ пленок стеарата гадолиния методом рентгеновской дифракции 71
3.2.3. Исследование морфологии и топографии поверхности 20-ти слойных ЛБ пленок стеарата гадолиния методом АСМ 80
3.2.3. Исследование термической стабильности 20-ти слойных ЛБ пленок стеарата гадолиния 93
4. Получение и исследование новых планарных тонкопленочных структур, содержащих комплексы молекул ДНК 94
Выводы 113
- Мультислоиные пленки Ленгмюра-Блоджетт на твердой подложке
- Влияние процессов образования координационных комплексов катионов металлов вблизи заряженной поверхности ленгмюровского монослоя жирных кислот на структуру мультислоиных ЛБ пленок
- Исследование комплексов молекул ДНК с модельными мембранными системами
- Исследование влияния анионного состава водной фазы, содержащей катионы гадолиния, на структуру получаемых мультислойных ЛБ пленок стеарата редкоземельного металла
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Исследование процессов, протекающих на границе раздела фаз в молекулярных системах, является актуальным направлением современной биофизики и ряда смежных областей фундаментальной науки. Выяснение физико-химических механизмов структурной организации и трансформации в биологических супрамолекулярных системах важно для более глубокого понимания закономерностей процессов самосборки, самоорганизации и самовоспроизведения структуры, характерных для разнообразных биологических систем, включая ансамбли белков, липидные мембраны, нуклеиновые кислоты и т.д. Разработка подходов к эффективному управлению процессами биомолекулярной организации и функционирования вплоть до наноуровня определяет успешное решение большого числа практических задач в медицине и биоинженерии. Возникновение и развитие нового междисциплинарного направления молекулярной нанотехнологии делает актуальным разработку новых эффективных подходов к созданию организованных функциональных молекулярных наноструктур и получению мультислоиных высокоорганизованных наноструктурированных материалов с послойным контролем их состава, структуры и, соответственно, свойств и функциональных характеристик.
Катионы многих металлов включены в различные процессы метаболизма, вследствие чего необходимы для жизнедеятельности биологических организмов. Помимо этого, присутствие катионов металлов в водной фазе влияет на физико-химические свойства, фазовые состояния биологических мембран и мембранных компонентов, сказывается на регуляции их работы. В настоящее время значительное количество исследовательских работ посвящено изучению механизмов влияния катионов редкоземельных металлов на различные биологические системы. Несмотря на то, что катионы лантаноидов являются абиологичными, они находят применение в биологии и медицине в качестве диагностических средств, благодаря своим уникальным оптическим и магнитным свойствам: катионы европия успешно используются как флуоресцентные зонды, катионы гадолиния применяют, например, при магнитно-резонансной рентгенографии суставов в качестве контрастных
агентов. Изучается влияние катионов гадолиния на пролиферацию и подвижность некоторых опухолевых клеток.
Исследование процессов структурообразования, в которых участвуют молекулы нуклеиновых кислот, представляется важным в связи с тем, что эти молекулы помимо биологической функции хранения и передачи наследственной информации обладают уникальной структурой, характеризуются механической прочностью и физико-химической стабильностью, и поэтому являются перспективными для создания на их основе структурных и функциональных элементов новых устройств и наноматериалов для нанобиотехнологии. Исследование процессов самоорганизации и образования супрамолекулярных структур на основе комплексов молекул ДНК с амфифильными катионными молекулами актуально в настоящее время с практической точки зрения, поскольку может способствовать разработке новых невирусных химических переносчиков для эффективного направленного транспорта нуклеиновых кислот через биологические мембраны, которые могут найти применение в генной терапии и биоинженерии.
Одними из наиболее адекватных и удобных модельных систем для исследования физико-химических свойств биологических мембран служат ленгмюровские монослои амфифильных молекул на поверхности жидкости и мультислойные пленки Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) на твердой подложке. Технология, разработанная Ленгмюром и Блоджетт, позволяет формировать на границе раздела газовой и жидкой фаз планарные молекулярные системы, имеющие значительное структурное и морфологическое сходство с реальными биологическими мембранами. Данный подход позволяет встраивать в матрицу ленгмюровского монослоя различные функциональные молекулы и молекулярные комплексы. Ленгмюровская техника делает возможным также изучение физико-химических свойств монослоев при их взаимодействии с компонентами водной фазы и, кроме того, позволяет переносить мономолекулярный слой с поверхности жидкости на твердую подложку, чтобы в дальнейшем изучать его состав и структуру различными физическими методами.
Степень разработанности проблемы
Начиная с пионерских работ Ленгмюра и Блоджетт ученых, работающих в области физической химии поверхностных явлений, волновал вопрос об эффектах, оказываемых катионами металлов на состояние и свойства ленгмюровского монослоя амфифильных молекул в связи с ключевой ролью, которую играют металлы в функционировании и регуляции деятельности биологических мембран и живых организмов в целом. Если понимание механизмов влияния катионов щелочных и щелочноземельных металлов на физико-химические свойства ленгмюровского монослоя было достигнуто учеными достаточно быстро, то природа эффектов, которые оказывают катионы двух- и трехвалентных переходных металлов на состояние планарных молекулярных систем на границе раздела газовой и жидкой фаз до сих пор во многом не изучена. В настоящий момент также не решена проблема получения пригодных для прикладных применений организованных мультислойных ЛБ пленок с высоким содержанием катионов переходных металлов и управления их составом и структурными характеристиками.
Несколькими исследовательскими группами было независимо установлено, что структура искусственно синтезированных невирусных переносчиков в значительной степени определяет их эффективность, тем самым была установлена важность структурных исследований комплексов ДНК с амфифильными катионами. Однако большинство зарубежных и российских ученых проводили эксперименты по формированию и исследованию комплексов ДНК/амфифильный катион, организуя поверхностно активные вещества в виде липосом в объемной водной фазе. Подобная организация амфифильных молекул затрудняет, например, исследования динамики процессов образования комплексов и механизмов управления их структурой, возможности для которых открывают преимущества технологии Ленгмюра-Блоджетт.
Цель и задачи исследования
Целью работы является исследование физико-химических механизмов ионных взаимодействий на поверхности ленгмюровского монослоя и особенностей процессов структурообразования в модельных молекулярных системах для разработки эффективных подходов к созданию новых
высокоорганизованных функциональных молекулярных и биомолекулярных наноструктур.
Исходя из общей цели, в диссертации решались следующие задачи:
1. Исследование влияния величины рН и природы анионов, присутствующих в
водной фазе, на структуру мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния.
2. Исследование влияния ионного состава водной фазы на структуру
мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния.
3. Получение и исследование структуры ленгмюровских. монослоев
амфифильных полиэлектролитов.
4. Исследование особенностей взаимодействия ленгмюровских монослоев
амфифильных полиэлектролитов и катионного липида с ДНК.
5. Исследование структуры комплексов амфифильный полиэлектролит/ДНК и
амфиф ильный катион/ДНК, полученных методом Ленгмюра-Блоджетт.
Научная новизна диссертации
Обнаружен эффект влияния ионного состава водной фазы и типа анионного лиганда на структуру мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния,
Впервые получены мультислойные ЛБ пленки стеарата гадолиния с уникальными структурными характеристиками, определяемыми методами рентгеновской дифракции, и макроскопически планарной поверхностью с отклонением от плоскости, не превышающем 1нм на расстояниях - 1 мкм.
Впервые получены и охарактеризованы новые монослойные полимерные структуры амфифильного поликатиона, обладающие высокой степенью организации в плоскости слоя.
Впервые получены и исследованы новые планарные комплексы амфифильный поликатион/ДНК. Получены комплексы в виде тороидов, а также новые комплексы амфифильный поликатион/ДНК в виде планарной сетчатой структуры.
Научно-практическая значимость исследования
Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, открывают возможности для разработки эффективных подходов к
созданию новых высокоорганизованных функциональных молекулярных и биомолекулярных наноструктур. Сформированные высокоорганизованные планарные молекулярные структуры, содержащие катионы редкоземельных металлов, представляют практический интерес как прототипы новых наноструктурированных функциональных материалов. Полученные результаты открывают новые перспективы для понимания особенностей взаимодействия редкоземельных катионов, в частности катионов гадолиния, с биологическими мембранами, что имеет большое значение для биомедицинских применений катионов редкоземельных металлов. Результаты исследования процессов самоорганизации и образования супрамолекулярных структур на основе комплексов молекул ДНК с амфифильными катионными молекулами будут полезны в генной терапии и биоинженерии для разработки новых невирусных химических переносчиков для эффективного направленного транспорта нуклеиновых кислот через биологические мембраны. Апробация работы
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались на 14 Всероссийских и международных конференциях, в том числе, на международной конференции "Химия Высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии" (С-Петербург, 2001), "European Conference on Organized Films" (Otranto (Lecce), Italy, 2001), "International Conference on nanometer-scale science and technology + European conference on surface science NANO-7 and ECOSS-21" (Malmo, Sweden, 2002), "European Chemistry at Interfaces Conference" (Vladimir, Russia, 2003), "International Conference on Intelligent Processing and Manufacturing of Materials" (Sendai, Japan, 2003), "E-MRS Spring Meeting" (Strasburg, France, 2003), "International Symposium on Nanostructures: physics and technology" (St. Petersburg, Russia, 2003), "International Symposium on Bioelectrochemistry and Bioenergetics" (Florence, Italy, 2003), "European Conference on Surface Science" (Praga, Chech Republic, 2003), "First International Meeting on Applied Physics" (Badajoz, Spain, 2003), "Национальной конференции по применению рентгеновского,
синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов" (Москва, Россия, 2003).
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в печатных работах: 7 статей в российских и международных научных журналах и 20 тезисов докладов на российских и международных научных конференциях.
Структура и объем работы
Структура работы обусловлена целями и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии.
В первой главе кратко изложены основные сведения о ленгмюровских монослоях на поверхности жидкости, а также о мультислоиных пленках Ленгмюра-Блоджетт на твердотельных подложках и способе их получения. Описаны экспериментальные методы исследования структуры и физико-химических свойств ленгмюровских пленок. Отдельное внимание уделено анализу имеющихся в литературе результатов исследований особенностей взаимодействия поливалентных катионов переходных металлов с ленгмюровским монослоем жирных кислот и проблемам получения упорядоченных металлсодержащих мультислоиных ЛБ пленок. Изложены основные литературные данные о формировании и исследовании комплексов молекул ДНК с модельными мембранными системами.
Во второй главе перечислены использовавшиеся в работе материалы. Описано устройство ленгмюровской ванны, методика получения и исследования физико-химических свойств ленгмюровских монослоев, а также способ последовательного переноса мономолекулярных слоев с поверхности водной фазы на твердую подложку для формирования мультислоиных пленок Ле н гмюра-Б л оджетт.
Третья глава работы посвящена исследованию физико-химических свойств ленгмюровских монослоев и структуры мультислоиных ЛБ пленок
стеарата гадолиния. Предложен подход к эффективному управлению ультраструктурой планарных супрамолекулярных систем, содержащих комплексы поливалентных катионов переходных металлов.
В главе четвертой приведены результаты исследования взаимодействия молекул ДНК с молекулами амфифильных моно- и поликатионов. Описано получение новых планарных полимерных тонкопленочных структур, содержащих комплексы молекул ДНК. Представлены результаты анализа сформированных комплексов методом атомно-силовой микроскопии.
Объем диссертационной работы составляет 130 страниц.
Мультислоиные пленки Ленгмюра-Блоджетт на твердой подложке
Общая схема наращивания мультислойных пленок по методике, предложенной Ленгмюром и Блоджетт, приведена на рис. 4. Чтобы перенести сформированный на поверхности водной фазы ленгмюровский монослой на твердую подложку его сначала поджимают с помощью подвижного плавучего барьера, пока значение поверхностного давления в монослое не будет лежать в диапазоне, соответствующем фазовому состоянию «конденсированная жидкость» (см. рис. 4.а). Затем начинают медленно последовательно перемещать твердую плоскую подложку вниз и вверх через покрытую монослоем поверхность жидкости (см. рис. 4.6-г). По свойствам поверхности твердые подложки могут быть разделены на две группы. Подложки металлические, стеклянные или изготовленные из полупроводника с естественным слоем оксида характеризуются тем, что при их первом погружении в воду перенос монослоя не осуществляется, так как поверхность подложек из перечисленных материалов гидрофильная (см. рис. 4.в). На гидрофильную подложку первый мономолекулярный слой успешно переносится только во время ее поднятия из воды (см. рис. 4.г). При следующем погружении подложки в водную фазу на нее переносится еще один слой молекул амфифильного вещества (см. рис. 4.д) и т.д. Если подложку многократно погружать в водную фазу и поднимать из воды через мономолекулярный слой амфифильного вещества, то монослои будут последовательно укладываться друг на друга на ее поверхности, однако, конечное число монослоев на гидрофильной подложке, когда она полностью поверхностью, например, из полупроводниковых материалов без естественного слоя оксида, серебра, золота и т.д. монослой переносится уже при их первом погружении в водную фазу, так что общее число монослоев на подложке, когда она находится в воздухе, четное. Обычно экспериментаторы получают мультислойные ЛБ пленки на подложках из полированного кремния или кварца, а также на стеклянных пластинках.
Особая популярность стекла связана с тем, что оно легко доступно, и позволяет в дальнейшем исследовать структуру получаемых мультислойных пленок оптическими методами. Чтобы иметь возможность исследовать электромагнитные свойства пленок, ленгмюровские монослои переносят на проводящие подложки, которые обычно получают методом напыления в вакууме алюминия, хрома, олова, свинца, серебра, золота, или платины на стекло. Однако какой бы материал не использовался в качестве подложки, формирование мультислойных пленок Ленгмюра-Блоджетт, обладающих регулярной структурой, возможно только на подложке с однородными.свойствами поверхности на всей площади [11, 15]. В процессе переноса слоев амфиф ильных молекул на твердую подложку в монослое на границе раздела фаз газ-жидкость поддерживается постоянное поверхностное давление с помощью специального следящего устройства, поэтому подвижный барьер медленно поступательно движется, сокращая площадь, занимаемую монослоем на поверхности водной фазы по мере переноса монослоя на подложку (рис. 1.4.г-д). Постепенное уменьшение площади поджатого до определенного значение поверхностного давления монослоя на поверхности жидкости при погружении подложки в водную фазу и ее обратном движении вверх через монослой позволяет судить о том, что перенос мономолекулярных слоев на твердую подложку действительно осуществляется. Вычислив отношение разности площадей, занимаемых монослоем на поверхности жидкости до и после перенесения слоя на подложку, к площади подложки можно получить значение коэффициента переноса монослоя амфмфильного вещества в условиях конкретного эксперимента (поверхностном давлении, скорости движения подложки через монослой и т.п.) на подложку из определенного материала с определенными свойствами поверхности. Перенос монослоев на подложку является наилучшим, если коэффициент переноса близок к единице. Однако величина значения коэффициента переноса показывает лишь, какая часть молекул монослоя была успешно перенесена на подложку, и не дает обычно какой-либо информации о том, насколько организованной и упорядоченной будет структура формируемой мультислойной пленки [3]. Уникальность и ценность техники Ленгмюра-Блоджетт состоит в том, что она позволяет получать твердые мультислойные структуры заранее заданного состава, толщины и ориентации [2-11]. 1.2.2. Особенности поведения ленгмюровских монослоев при переносе на твердый субстрат Согласно общим представлениям, при последовательном переносе ленгмюровских монослоев с поверхности раздела фаз газ-жидкость на твердую подложку, гидрофильные группы амфифильных молекул монослоя «прилипают» к гидрофильной подложке по мере ее движения вверх через монослой — из водной фазы в газовую. Таким образом, когда подложка будет полностью вынута из воды, вся ее поверхность станет гидрофобной.
Далее, при погружении подложки через монослой в воду молекулы монослоя будут притягиваться к ней своей гидрофобной частью, находящейся в газовой фазе. Следовательно, когда подложка будет полностью находиться в воде, ее поверхность станет вновь гидрофильной. Именно так происходит при переносе на твердую подложку мономолекулярных слоев большинства известных амфифильных веществ, а подобный тип переноса монослоя на подложку называется Y-типом. Однако при получении мультислойных пленок, например, солей жирных кислот, особенно солей свинца, часто можно наблюдать, что площадь, занимаемая монослоем, уменьшается только при погружении подложки через монослой в водную фазу [16 — 17]. В таком случае говорят о X-типе переноса монослоя на подложку. Первыми его наблюдали Ленгмюр и Блоджетт [2-6]. В литературе сообщается также, что перенос на подложку монослоев некоторых амфифильных веществ успешно осуществляется только при движении подложки вверх — из водной фазы в газовую. Подобный тип поведения монослоя при переносе на подложку, или Z-тип, наблюдался в процессе получения мультислойных ЛБ пленок из монослоев молекул замещенных производных антрацена, содержащих короткие углеводородные цепи, а также при переносе монослоев бегеновой и арахиновой кислоты с поверхности водной фазы (не содержащей каких-либо электролитов, при рН 5) на сколотую слюдяную подложку [18-21]. В соответствии с тремя типами поведения мономолекулярных слоев при переносе на твердую подложку можно предположить существование трех типов ориентации молекул в мультислойных пленках Ленгмюра-Блоджетт (см. рис. 5). Исходя из того, что при переносе Х-типа за один цикл движения подложки на нее переносится один монослой, а при переносе Y-типа — два монослоя, можно было бы предположить, что структурные характеристики мультислойных пленок, полученных при разных типах переноса монослоев на подложку, будут различными.
Однако результаты исследования параметров некоторых мультислойных пленок солей жирных кислот, имевших предположительно Х- и Y-типы ориентации молекул к подложке, свидетельствуют об обратном. Так, оптическими методами было установлено, что при переносе Y-типа перенос с поверхности водной фазы на подложку одного бислоя амфифильного вещества приводит к утолщению мультислойной пленки на величину равную двум длинам углеводородной цепи молекул, образующих монослой [5-6, 22]. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, в мультислойных пленках солей жирных кислот расстояние между ионами, связанными с полярными группами амфифильных молекул в двух соседних слоях, также приблизительно соответствовало длине углеводородного хвоста, взятой два раза. Оно было примерно одинаково для пленок Ленгмюра-Блоджетт, при получении которых наблюдались Y- и Х- типы переноса монослоев с поверхности водной фазы на подложку [23 — 24]. Возможно, что в монослоях ориентация молекул к подложке может меняться на противоположную либо в процессе, либо после переноса слоя на субстрат. Таким образом, в результате ориентация молекул в мультислойной пленке будут аналогична ориентации молекул в пленке, при получении которой наблюдался Y-тип переноса монослоев на подложку [3], 1.3. Физико-химические свойства ленгмюровских монослоев амфифильных молекул, несущих заряженные группы 1.3.1 Влияние варьирования значения рН водной фазы на состояние ленгмюровских монослоев слабых электролитов Если ленгмюровский монослой на поверхности раздела фаз газ-жидкость образован молекулами, проявляющими свойства слабых электролитов, например молекулами жирной кислоты, то протоны карбоксильных групп могут диссоциировать в объемную водную фазу.
Влияние процессов образования координационных комплексов катионов металлов вблизи заряженной поверхности ленгмюровского монослоя жирных кислот на структуру мультислоиных ЛБ пленок
В литературе имеется много работ, в которых сообщается об успешном получении мультислоиных пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих катионы двухвалентных металлов [44, 52-54], а также приводятся экспериментальные данные, указывающие на то, что структура и свойства мультислоиных пленок амфифильного вещества на твердой подложке в значительной мере определяются состоянием, в котором находился ленгмюровский монослой в процессе формирования пленки [12, 49-50]. Например, от того, катионы каких металлов, щелочноземельных или переходных, присутствуют в водной фазе, зависят и физико-химические свойства ленгмюровского монослоя жирной кислоты, и организация молекул амфифильного вещества в пленке Ленгмюра-Блоджетт [24, 35, 39-40, 55]. С помощью рентгеноструктурного анализа, Оутка и соавторы установили, что углеводородные цепи молекул арахиновой кислоты в мультислоиных пленках арахидата кадмия были ориентированы перпендикулярно к Si (111) подложке. В то же время в мультислойных пленках арахидата кальция углеводородные цепи молекул жирной кислоты отклонялись от нормали к подложке примерно на 33. Более того структура мультислойных пленок, полученных путем последовательного переноса монослоев арахиновой кислоты с поверхности чистой воды, была неупорядоченной, углеводородные цепи молекул жирной кислоты не имели выделенного направления ориентации. Перпендикулярная ориентация углеводородных цепей молекул стеариновой кислоты к подложке наблюдалась также в мультислойных пленках стеаратов железа, кобальта и никеля [56]. Исследования состояния ленгмюровского монослоя на поверхности водной фазы, содержащей катионы переходных металлов, показали, что значительная подверженность катионов гидролизу в определенном интервале значений рН водной фазы приводит к расширению монослоя.
При этом структура мультислойных пленок, полученных методом последовательного переноса монослоев с поверхности водной фазы, содержащей катионы переходных металлов, в том же интервале значений рН сильно неупорядочена. Анализ состояния ленгмюровского монослоя жирной кислоты на поверхности водной фазы, содержащей катионы кадмия и тербия, позволил подобрать условия (рН водной фазы, ее анионный состав и концентрация катионов металла) для формирования мультислойных ЛБ пленок с организованной структурой [57-58]. 1.4.2. Ленгмюровские монослои и мультислойные пленки Ленгмюра-Блоджетт, содержащие трехвалентные катионы переходных металлов Получение упорядоченных мультислойных пленок жирных кислот с высоким содержанием трехвалентных катионов металлов считалось проблематичным в течение длительного периода времени. Блоджетт утверждала даже, что успешный перенос на твердую подложку ленгмюровских монослоев амфифильных молекул, связанных с такими катионами, принципиально невозможен [5 - 6, 22]. Причиной тому служит сильная подверженность трехвалентных катионов металлов гидролизу в водной фазе, вызывающая ломкость и нестабильность ленгмюровского монослоя жирной кислоты, сформированного на поверхности раствора, содержащего катионы трехвалентных металлов, при переносе на твердый субстрат. Однако, стремясь получить упорядоченные квазикристаллические мультислойные структуры содержащие катионы металлов с большим координационным числом, ученые часто останавливают свой выбор на катионах лантаноидов или редкоземельных металлов. Такой выбор экспериментаторов неудивителен. Установлено, что координационное число катионов лантаноидов в комплексах бывает 8 или 9. Относительно большой радиус и низкая способность к образованию ковалентных связей позволяет катионам редкоземельных металлов взаимодействовать с гидроксид-ионами группой преимущественно электростатически, благодаря чему они существенно менее склонны к образованию гидроксидов металла по сравнению с другими трехвалентными катионами (Fe3+, Cl3+, Al3+, V3+ и др.) [59]. Но, несомненно, главной причиной, благодаря которой получение ЛБ пленок, содержащих катионы редкоземельных элементов, стало актуальным, является наличие у катионов лантаноидов уникальных физических свойств.
Так, катионы некоторых редкоземельных элементов фотоактивные и обладают электролюминесцентными свойствами: материалы, содержащие европий (III), излучают в красной, тербий (III) — в зеленой [60], тулий (III) — в синей области спектра. Металлический гадолиний является ферромагнетиком (температура Кюри - 294 К) с гексогональной плотноу пакован ной кристаллической решеткой [61]. Атомы гадолиния обладают собственным локальным магнитным моментом (7цБ), который создается семью 4/-электронами, заполняющими 4/ оболочку только наполовину. Встроенные в ЛБ пленки катионы металлов образуют двумерные ансамбли и распределены с определенной пространственной периодичностью. Использование катионов гадолиния позволяет придать ленгмюровским мультислойным пленкам свойства двумерного магнетика [62]. Финк и соавторы одними из первых сообщили об успешном переносе на кремниевые подложки монослоев арахиновой кислоты с поверхности водного раствора хлорида неодима.
Анализ состава, структуры и морфологии поверхности мультислойных ЛБ пленок выявил их хорошее качество и высокое содержание катионов неодима (все молекулы арахиновой кислоты в ЛБ пленках были связаны с катионами металла) [63]. В работе [63] было также показано, что механическая и временная стабильность ленгмюровских монослоев стеариновой кислоты на поверхности растворов солей редкоземельных элементов повышается по мере увеличения порядкового номера атома лантаноида в таблице Менделеева, Проблеме получения мультислойных ЛБ пленок стеарата лантана посвящена статья [64]. Силва и соавторы изучали физико-химические свойства Ленгмюровских монослоев и мультислойных ЛБ пленок арахиновой кислоты, содержащих европий и тербий [65]. Пленки арахадата европия и тербия характеризовались высоким содержанием катионов редкоземельных элементов и обладали люминесцентными свойствами. Используя методику Ленгмюра-Блоджетт, были получены бислойные структуры Y-типа и мультислоиные пленки гексадеканата и нонадеканата эрбия, а также бегената эрбия на твердой подложке из фторида кальция [62]. Арсланов и соавторы провели исследование особенностей связывания катионов иттрия с ленгмюровским монослоем стеариновой кислоты при варьировании значения рН водной фазы. На основании полученных для различных значений рН водной фазы концентрационных зависимостей степени превращения молекул жирной кислоты, образующих монослой, в соль, авторы [66 — 68] впервые выявили два механизма превращения. Первый механизм, определяемый степенью ионизации кислоты, состоит в электростатическом взаимодействии анионов стеариновой кислоты с катионами из объемной водной фазы. Обнаруженный в [67-68] полный переход стеариновой кислоты в соль в монослое при невысоких значениях рН (низкая степень ионизации кислоты), но относительно высоких концентрациях электролита в субфазе (1 мМ), позволил авторам предложить второй механизм превращения, состоящий в реакции замещения протона кислоты на металл. Полученные мультислойные (до 30 бислоев) пленки стеарата иттрия характеризовались вертикальной ориентацией углеводородных цепей, (что свидетельствует об их высоком качестве), а также большей термической стабильностью по сравнению с мультислойными пленками стеариновой кислоты, не содержащими катионы металлов.
Исследование комплексов молекул ДНК с модельными мембранными системами
В настоящее время наблюдается значительный интерес ученых к исследованию процессов комплексообразования, протекающих с участием биологических полимеров. Макромолекулы нуклеиновых кислот могут быть выделены в особую группу, поскольку, помимо ключевой биологической функции хранения и передачи наследственной информации, обладают уникальной структурой, физико-химической стабильностью и механической прочностью, вследствие чего являются перспективными для создания на их основе функциональных элементов новых устройств и наноматериалов [87]. С использованием эффекта гибридизации олигомеров ДНК были получены организованные ансамбли золотых наночастиц [88]. Металлизация молекул ДНК позволила синтезировать нанопровода из серебра [89], золота [90] и платины [91]. Методом флуоресцентной микроскопии изучались взаимодействия между отдельными молекулами ДНК и катионными поверхностно-активными соединениями в водном окружении. Было установлено, что высокая концентрация амфифильных катионных молекул в растворе может приводить к образованию комплексов, сопровождающемуся структурным переходом спираль-глобула в молекуле ДНК [92] или приводить к коллапсу молекул ДНК [93 — 94]. Исследовалось связывание ДНК с катионными липидами, организованными в виде бислойной структуры на поверхности твердотельной подложки [95] и в виде слоя на границе раздела водной и органической фаз [96]. В работе [97] показано, что морфология ДНК-липидных комплексов может зависеть не только от природы липида, но и от буферного состава водного раствора нуклеиновой кислоты. Обнаружено, что олиговалентные соли, например соли ЕДТА, присутствующие в водной фазе, могут, стимулировать процесс образования на границе раздела фаз мультислойных структур из смеси катионных липидов и ДНК.
В работах, посвященных изучению взаимодействия ДНК с катионными полимерами в объемной водной фазе, были получены компактные комплексы ДНК с тороидальной и вытянутой структурой [98 - 100]. Предполагается, что формирование комплексов ДНК с поликатионами определяется, главным образом, энтропийными факторами и электростатическими взаимодействиями между положительно заряженными группами поликатиона и анионными фосфатными группами ДНК [101-102]. Разработана теория, позволившая описать формирование упорядоченных жидкокристаллических структур, обнаруживаемых в конденсатах ДНК, получаемых в водных полимерных или солевых растворах [103]. Различные организованные молекулярные фазы были обнаружены в структуре комплексов ДНК/катионный лип ид, сформированных в водном растворе [104]. Изучалась структура и свойства комплексов ДНК, получаемых посредством формирования ленгмюровских монослоев на границе раздела водная фаза-воздух, образованных катионными липидами и адсорбированными из водной фазы молекулами ДНК [105—106]. Для создания новых функциональных материалов на основе нуклеиновых кислот может использоваться концепция молекулярного узнавания. Накамура и сотрудники получили двумерные комплексы путем связывания молекул ДНК, находящихся в водном растворе, с ленгмюровским монослоем, образованным смесью амфифильных производных тимина (октадецилтимин) и аденина (октадециладенин). Авторы показали, что адсорбция молекул ДНК на поверхности монослоя вызвана образованием уотсон-криковских пар [107]. Также были исследованы физико-химические свойства ленгмюровского монослоя жирного эфира 1-(2 -карбоксиэтил)аденин на поверхности водного раствора тимидина и установлено образование димеров тимина и урацила при облучении ультрафиолетом ЛБ пленок амфифильных нуклеолипидов, сформированных на субфазе, содержащей тимидин или уридин соответственно [108]. 1.7. Методы исследования структуры и поверхности ленгмюровских пленок 1.7.1. ИК Фурье спектроскопия Метод ИК Фурье спектроскопии активно используется для исследований структуры и состава ЛБ пленок. Этот метод позволяет получать достаточно информации о различиях в упаковке молекул в случае моно- и мультислоев, так как чувствителен к характеру межмолекулярных взаимодействий в монослое.
Существенным преимуществом метода ИК спектроскопии для изучения структуры ЛБ пленок является то, что его применение не нарушает структуру исследуемого образца [109]. Сравнительный анализ ИК спектров ленгмюровских пленок и кристаллов тех же амфифильных веществ, которые использовались для формирования ЛБ пленок, позволяет обнаружить различия в ориентации молекул в трехмерном кристаллическом образце и в квазидвумерной ЛБ пленке [110]. Используя метод ИК спектроскопии, можно также выявлять различия в молекулярной ориентации и расположении молекул в плоскости монослоя, и исследовать зависимость типа упаковки молекул в пленке от гидрофобных свойств подложки [111]. Линии поглощения в ИК спектре соответствуют определенным функциональным группам молекулы. При изучении связывания катионов металлов с молекулами жирных кислот, образующими ленгмюровский монослой, ИК спектроскопию активно используют для определения наличия в получаемых ЛБ пленках молекул, несущих — СООН и — СОО" группы [72]. При исследовании комплексных соединений ИК спектры могут служить важным источником информации об их строении, о степени изменений, претерпеваемых лигандами при связывании с координационным центром, о симметрии координационной сферы и прочности связи металл-лиганд. Методом ИК спектроскопии исследовались координационные комплексы некоторых редкоземельных элементов. Результаты показали наличие в комплексоне недиссоциированных карбоксильных групп и карбоксильных групп, связанных с катионом металла. Также удалось установить, что в комплексах —СОО" групп и катионов редкоземельных металлов возможно образование и слабоковалентных связей [112]. Малоугловое рентгеновское рассеяние Методы рентгеноструктурного анализа и электронография позволяет получать достоверную информацию о структуре пленок Ленгмюра-Блоджетт, модельных и природных мембран и их компонентов. В настоящее время рентгеновские исследования ЛБ пленок наиболее активно развиваются с использованием малоуглового рассеяния [113-117]. Спектры, полученные в процессе исследования мультислойных пленок методом малоуглового рентгеновского рассеяния, дают сведения об общей толщине пленки на подложке, количестве в ней мономолекулярных слоев. По ним можно рассчитать профиль электронной плотности поперек слоя, локализовать расположение тяжелых атомов и некоторых характерных групп молекул в пленке. Анализ дифрактограмм ЛБ пленок позволяет определить величину угла наклона углеводородной цепочки в слое и тип упаковки молекул в двумерную решетку, а также выявить внутренние искажения бимолекулярных слоев.
Исследование влияния анионного состава водной фазы, содержащей катионы гадолиния, на структуру получаемых мультислойных ЛБ пленок стеарата редкоземельного металла
В ходе экспериментов 20-ти слойные ЛБ пленки на кремниевой подложке были получены путем последовательного переноса ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты с поверхности чистой воды, рН 5,6; водной фазы, содержащей GdCl3 (1хЮ"4М), рН4,0; GdClj (IxlO M), рН 5,0; GdCl3 (1x10 4М), рН5,6; Gd(CH3COOH)3 (1х10"4М), рН5,6; Gd(CH3COOH)3 (lxlO M) и NaCl (Зх10 2 М), рН 5,6; GdCl3 (1х10 4 М) и СН3СООН (ЗхІО 4 М), рН 5,6; GdCl3 (1x10"4 М) и NaCI (3x10"2 М), рН 5,6. 3.2.1. Исследование ЛБ пленок методом ИК Фурье спектроскопи На ИК Фурье спектрах всех исследуемых мультислойных ЛБ пленок, приведенных на рис. 13 присутствуют пики, обусловленные валентными деформационными антисимметричными (2920 см"1), симметричными (2850 см ) колебаниями —СНг— групп и антисимметричными колебаниями метильных групп -СНЭ (2954 см 1). Значение ширины пиков, обусловленных колебаниями —СН2— групп, на уровне половины амплитуды приблизительно равное 20 см" показывает, что углеводородные цепи всех молекул стеариновой кислоты находятся в транс- конформации, что свидетельствует о плотной упаковке молекул жирной кислоты в полученных ЛБ пленках [140]. ИК спектр 20-ти слойной ЛБ пленки, полученной путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев стеариновой кислоты с поверхности чистой воды (рН 5,6) (кривая 1 на рис. 13), обнаруживает характерный пик в области 1700 см"1, обусловленный валентными колебаниями двойной связи С=0 в неионизированных карбоксильных группах, и полосу поглощения в районе 1300 см 1, появляющаяся в спектре вследствие валентных деформационных колебаний С-О-Н групп [70]. Близкие частоты деформационных валентных колебаний С=0 групп наблюдались ранее в спектрах мультислойных ЛБ пленок арахидоновой [141] и стеариновой [142] кислот. При диссоциации ионов водорода антисимметричные валентные колебания ионизованных СОО- групп вызывают сильное поглощение в области 1540 см"1, причем значение волнового числа, при котором соответствующий пик появляется в спектре, может слегка варьироваться в зависимости от того, катионы каких металлов связаны с карбоксильными группами молекул жирной кислоты [141].
Пик в области 1540 см"1 присутствует в спектрах всех двадцатислойных ЛБ пленок, полученных путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев с поверхности водной фазы, содержащей катионы гадолиния (см. рис. 13, кривые 2-8). Интенсивность указанного пика в спектрах 3-8 свидетельствует о том, что практически все молекулы жирной кислоты в соответствующих ЛБ пленках связаны с катионами гадолиния. Исключение составляет спектр ЛБ пленки стеарата гадолиния, полученной с использованием водного раствора хлорида гадолиния при рН4,0 (см. рис. 13, кривая 2), в котором интенсивность пика в области 1540 см 1 значительно меньше, чем в спектрах остальных ЛБ пленок стеарата гадолиния (см. рис. 13, кривые 3-8). Сравнение интенсивностей пиков при 1540 см (нормированных на интенсивность пиков, обусловленных антисимметричными валентными колебаниями —СН2— групп при 2920 см 1) в спектрах 2 и 4, показывает, что поглощение в инфракрасной области ионизованных карбоксильных групп для пленок, полученных в присутствии в водной фазе хлорида гадолиния, почти на 30 % выше, если ленгмюровские монослои переносили с поверхности раствора, значение рН которого было 5,6. Аналогичное сравнение интенсивностей пиков при 1700 см 1 в ИК Фурье спектрах, представленных кривыми 1 и 2, показывает, что ЛБ пленки, полученные с использованием раствора хлорида гадолиния, рН4,0 в качестве субфазы для формирования ленгмюровских монослоев содержат около 35 % недиссоциированных молекул стеариновой кислоты. В спектрах ЛБ пленок, представленных на рис. 13 кривыми 2, 3, 4, 8 пик в области 1540 см"1 превращается в дуплет, тогда как пик в этой же области в спектрах ЛБ пленок, представленных кривыми 5, 6 и 7 является синглетом. Аналогичное расщепление пика, обусловленного антисимметричными колебаниями СОО- групп было обнаружено также в спектрах ЛБ пленок, содержащих катионы Са [143-144]. В спектрах ЛБ пленок, содержащих катионы гадолиния, полученных при значении водной фазы 5,6, обеспечивающем практически полное связывание катионов металла с молекулами ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты (см. кривые 4-8 на рис. 13), присутствует небольшой пик при 1735 см"1, обусловленный валентными деформационными колебаниями связи С-0 в неионизованых карбоксильных группах. Происхождение недиссоциированных карбоксильных групп, колебания которых обусловливают поглощение области 1735 см"1 в составе указанных ЛБ пленок, содержащих редкоземельные ионы, вызывает вопрос. По-видимому, эти группы не могут принадлежать молекулам стеариновой кислоты, образующим ленгмюровский монослой, так как это противоречит данным, полученным при анализе изотерм сжатия (см. рис. 11), из которых следует, что в при рН 5,6 достигается практически полное связывание молекул амфифильного вещества и катионами металла. Разумным объяснением появления в спектрах ЛБ пленок стеарата гадолиния, полученных путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев с поверхности водного раствора, рН которого 5,6 пика в области 1735 см"1 может служить технология, по которой осуществлялось наращивание мультислойных пленок. Известно, что на структурное совершенство ЛБ пленок заметное влияние оказывает состояние поверхности подложки (чистота, рельеф и т.д.). Чтобы избежать этого влияния формирование мультислойных пленок стеарата гадолиния осуществлялось только после предварительного перенесения на подложку буферного слоя стеариновой кислоты с поверхности чистой воды. Эта небольшая фракция несвязанных с катионами металла молекул стеариновой кислоты, вероятно, и обусловливает появление в спектрах 4-8 на рис. 13 небольшого пика при 1735 см 1.
Содержание неионизированных групп в ЛБ пленках стеарата гадолиния, спектры которых приведены на кривых 4-8 на рис. 13, оцененное из соотношения интенсивностей пиков при 1735 см 1 в указанных спектрах и пика при 1700 см"1 в спектре ЛБ пленки стеариновой кислоты, полученной на поверхности чистой воды (кривая 1 на рис. 13), составляет не более 13 % от общего количества молекул стеариновой кислоты. Подобные небольшие пики при 1735 см"1 наблюдались в ИК спектрах мультислойных ЛБ пленок, арахидата иттрия, полученных с использованием в качестве субфазы для формирования ленгмюровских монослоев водного раствора хлорида иттрия с концентрацией 1x10"5 М в присутствии уксусной кислоты в качестве буфера. Отношение количества неионизированных молекул амфифильного вещества, к общему числу молекул в пленке исследовалось в широком диапазоне значений рН (от 4,0 до 7.0). Минимальное полученное значение составило 10 %. Исследование структуры ЛБ пленок стеарата гадолиния методом рентгеновской дифракции Рентгеновская дифрактограмма 20-ти слойной ЛБ пленки, полученной путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев стеариновой кислоты с поверхности чистой воды (рН 5,6), представлена кривой 1 на рис. 14. Измеренные из дифрактограммы значения толщины бимолекулярного слоя или межслоевого периода в пленке показывают, что исследуемая ЛБ пленка не является однофазной, а образована, по крайней мере, тремя фазами молекул стеариновой кислоты с характерными периодами повторяемости структуры d} = (39,5+0,4) A, d2 = (44,7±0,3) А и d 3 = (46,3+0,2) А. Наибольшая пиковая интенсивность сосредоточена в пиках, соответствующих межслоевому периоду dj«39,5 А, следовательно, именно эта молекулярная фаза преобладает в составе исследуемой ЛБ пленки.
Содержание фазы d2 в пленке не превышает 36%, а фаза d$ еще менее значительна. Её содержание составляет не более 3%. Основной интерес представляет анализ структурного совершенства ЛБ пленок стеарата гадолиния, полученных путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев с поверхности водной фазы с различным анионным составом и значением рН. Характерной особенностью дифрактограмм ЛБ пленок стеарата гадолиния является наличие на них нескольких брэгговских рефлексов разных порядков с практически постоянной шириной и последовательным уменьшением пиковых значений интенсивностей дифрагированных лучей. Число регистрируемых пиков полностью определяется интенсивностью первичного рентгеновского излучения. Кривая 2 на рис. 14 представляет собой дифрактограмму ЛБ пленки, полученной на субфазе, содержащей lxlO"4 М хлорида гадолиния, при рН 4,0. В области углов 29=1-23 на дифрактограмме проявляется 13 брэгговских рефлексов. Значения пиковых интенсивностей (I), полуширин кривых отражения (WR) И рассчитанных из экспериментальных значений брэгговских углов межслоевых периодов представлены в табл. 2.
