Кристаллы аналогов фосфолипидов. Синтез и исследование свойств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Ленинградский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции эле'-агротехнический институт имени Е И. Ульянова (Ленина)

Нч правах рукописи

Куликова Наталия Александров,чз

КРИСТАЛЛЫ АНАЛОГОВ ЮСТОЛИПИДОВ. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ.

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и

диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена в Ленинградском ордена Ленина и орден. Октябрьской Революции электротехническом институте имен: В. И. Ульянова( Ленина).

Научный руководитель -

доктор технических наук профессор Таиров К1 М.

.Официальные оппоненты:

доктор биологических наук профессор Иванов И, И. кандидат физико-математических наук доцент Сердюк A.C.

Ведущая организация - Ленинградский технологический институ им. Лэнсовета

Защита диссертации состоится «¿Х« 1990 г

в /^¿"¿час. на заседании специализированного совета К 063. 36. и Ленинградского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революци электротехнического института имени Е И. Ульянова (Ленина) и адресу: 197022, Ленинград, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан "Л5 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Окунев IQ Т

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время ведется поиск эинципиально новых материалов й методов преобразования ин-эрмации, позволяющих расширить функциональные возможности аектроники. Одним из таких направлений является молекулярная «электроника, «эсновой развития которой служит разработка ноле материалов с целью создания технических систем, активно ¡пользующих особенности структурной организации биосред, а *кже кооперативные явления и процессы, присуще таким, средам.

Биоорганические соединения вызывают болыгой интерес по ¡едуювим причинам:

- эти материалы более разнообразны по своим структурным и иико-химическим свойствам, чем традиционные неорганические, « как в конденсированном состоянии для них характерны до->льно слабые межмолекулярные связи;

- они обладают способностью легко менять свое физическое »стояние; им также присущ полиморфизм, то есть множество руктурно устойчивых состояний, определяющих многообразие ойств; <

- з данных средах протекают явления самоорганизации, про-ляющиеся в самоструктури{ювании и самоформировании в нерав-весных условиях;

- известными и прогнозируемыми свойствами систем на осно-таких сред являются сверхсенсорность восприятия, ассоциа-

вность и параллельность обработки информации;

- биосреды как материалы для биотехнических систем харак-ризуюгея максимальной адаптивность» к живым организмам и к ловеку, в частности.

Установление в последнее время перечисленных свойств у лого ряда биологических сред, в том числе у основных состав-х элементов биологических мембран.- фосфолипидов, а также вестные результаты по участию фосфолипидов в процессах работки информации на молекулярном уровне делает актуальными

исследования в области их направленного синтеза и использов ния в биосенсорах и приборах молекулярной электроники.

Однако, известная неустойчивость фосфолипидов биологиче ких мембран на воздухе, а также отсутствие данных о получен и свойствах монокристаллов фофсфолипидов в твердом состоян ограничивает возможности применения данных материалов в элек ронике. •

Поэтому решение. задачи о практическом использовании и вестных свойств фосфолипидов для целей электроники на эта постановки работы сдерживалось:

. - отсутствием технологии получения монокристаллов! фосф липвдов в твердом состоянии, устойчивых на воздухе в нормал ных условиях;

- отсутствием данных о реализации по отношению к вышена ванным материалам основных процессов микротехнологии: нанес ния. удаления и модифицирования вещества;

-» отсутствием данных о физико-химических и электрофиз ческих свойствах фосфолипидов' в твердом крисаллическ состояниии.

Учитывая известные структурные и физико-химические свой тва фосфолипидов, в качестве цели диссертационной работы б определен синтез и исследование свойств кристаллов аналог фосфолипидов, включая разработку методов выращивания монокри таллов аналогов фосфолипидов, устойчивых на воздухе в нормал ных условиях, определение их структуры, физико-химических электрофизических свойств.

Основными объектами исследования служили изобутил-2-ам ноэтилфосфат (ИФ0А) - аналог фосфоэтаноламина (<18А) и изобут -2(триметиламмонио)зтилфосфат хлорид (ИФХ) аналог фосфот дилхолина (ФХ), в которых диглицеридная часть фосфолипидов з метена на изобутильный остаток.

В рамках достижения поставленной цели решались следуют задачи.

1. Синтез аналогов фосфолипидов из исходных компонентов

2. Разработка методов их свободной и вынужденной криста

лизациИ.

3. Исследование структурных, физико-химических, оптических, электрофизических свойств кристаллов аналогов фосфолипи-' цов и особенностей их проявления при различных внешних условиях существования кристаллов.

4. Разработка твердотельных приборов на основе выявленных свойств.

Научная новизна работы заключается в следувдем :

1. Впервые синтезированы низкомолекулярные аналоги фосфо-шпидов: изобутил-2-аминоэтилфосфат и нзобутил-2-( трнметилам-лэнио) этилфосфатхлорид. Получено положительное решение на «обретение на новое вещество - аналог фосфолипида ИФХ и его свойства.

2. Впервые получены кристаллы аналогов фосфолипидов ИФЭА i ИФХ и их композиций: .

- из раствора на границе ¡раздела газ - лидкость;

- из раствора на границе раздела твердое тело - гидкость;

-из раствора в капилляре.

3. Обнаружен процесс, периодической кристаллизации и само->гранения монокристалла И®ЭА при его вырапцванни в неравновес-!ых условиях в капилляре.

4. Установлено, что синтез гомогенного кристалла на осно-. ie композиций ИФЭА и ИФХ без индивидуального фазообразованкя ¡ристаллических индивидов ИФХ и MOA возможен лишь при соотно-¡ении компонентов ИФХ: JKQA - 2:1, что соответствует типичному оотношению содержания фосфолипидов ФХ и..<НЭА в клеточных юмбранах.

5. Установлено, что кристаллы И5ЭА имеют моноклинную син-онию; определены основные параметры элементарной ячейки ИС0А.

6. Определены основные физико-химические свойства синте-ированнЫх аналогов фосфолипидов ИФЗА и ИФХ: молекулярная мас-а, плотность, температура плавления.

Практическая значимость работы:

1. Разработан способ выраедвання свободнорастущих приагз-ических моно1сристаллов И5ВА из раствора.

2. Разработан способ, сырацизания нитевидных монокристал-

лов И'ЮА в формообразователе типа капилляра.

3. Разработан способ выращивания моно- и поликристаллических слоев аналогов фосфолипидов из раствора на инородных подложках.

4. Разработан способ получения кристаллов на основе композиций аналогов фосфолипидов и экспериментально установлено .оптимальное соотношение компонентов для синтеза гомогенных кристаллов на основе композиции ИФХ И20А = 2;1.

5. Определены основные электрофизические свойства аналогов фосфолипидов в твердом кристаллическом состоянии.

6. Обнаружены влагочувствительные свойства у ИФХ; разрабо тана конструкция и создан датчик влажности на ИФХ.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Кристаллы аналога фосфолипида - изобутил-2-аминоэтил-фосфата имеют моноклинную сингонию (параметры элементарной ячейки а - 0,763 нм, b -0,924 нм, с"- 3,233 hm.JÍ, =89,4*) И устойчивы на воздухе в нормальных условиях.

2. При выращивании кристаллов M0A в капилляре из раствора наблюдается явление периодической кристаллизации и само-огранения монокристаллов И<КЭА. ,

3. Синтез гомогенного кристалла на основе композиции ИФ6А и ИФХ возможен лишь при соотношении компонентов ИФХ; ЖКЭА = 2:1, что соответствует типичному соотношению содержания фосфолипидов ФХ и ФЭА в клеточных мембранах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV республиканском семинаре "Самоформирование. Теория и применение в полупроводниковой технологии" (Шауляй, -1989 г.), Всесоюзной конференции "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов .технологии микроэлектроники" (Лэнинград, 1989 г.).

Публикации. По материалам диссертации имеются 2 публикации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти раздёлов с выводами и заключения. Основной текст работы изложен на 145 страницах машинописного текста. Содержит 38 рисунков, 12 таблиц. \Список литературы включает 11Б наименований

. . ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается обоснование актуальности темы, ставятся цели и задачи диссертационной работы, излагаются результаты проведенных исследований и формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору современного бостояния исследований в области молекулярной электроники. Показано, что эсновными направлениями исследований является поиск подходящих эрганических и элементоорганических материалов, технологий их обработки и сборки в функциональные структуры. Наряду с этим эбсуждаются возможные механизмы переноса энергии и заряда в органических молекулах и средах. В качестве материалов молеку-шрной электроники в настоящее время предлагаются : пленки на >снове полиацетилена как универсального материала для "молеку-шрных проводов", фотохромные органические материалы полисного типа; органические проводники и сверхпроводники ионрадйкальные соли ч комплексы с переносом заряда), моно- и (ультимолекулярные ' пленки Лэнгмюра-Блоджетт. Специфика [ерспективных материалов молекулярной электроники, . как прави-га, исключает использование традиционных приемов микроэ-:ектронных технологий. Поэтому для построения молекулярных [икросхём предлагается использовать: принципы молекулярного аслаивания по схеме Меррифилда с дополнительными управляющими оздействиями; направленный синтез тонкопленочных структур по еханизму Лэнгмюра-Блоджетт, явления-самоорганизации, присущие рганическим композициям.

Особое внимание уделено характеристике исследований в об-асти молекулярной биоэлектроники, которая предполагает активное использование отдельных биологических молекул в качестве ушсциональных элементов, а также надмолекулярных структур, аких как ДНК,' мембраны фотосинтезирующих микроорганизмов, икротрубочки. В данном случае определяющим является вопрос о ринципах переноса зарядов в биоструктурах. Используя сущест-

вущий теоретический материал, выделены два направления - физическое и биоэнергетическое, в рамках которых рассмотрен ряд подходов: солитонный, туннельный, эксиплексный, хемиостатичес-кая теория Митчелла, концепция цепей перераспределения связей, структурно-функциональная концепция систем сопряженных ион-но-водородных связей и другие.

Из обзора литературы следует, что несомненный интерес для молекулярной биоэлектроники представляют основные компоненту биологических мембран - фосфолипиды. Однако, использование фосфолипидов для целей электроники сопряжено с определенными трудностями, связанными с их активным взаимодействием, с окружающей средой, проявляющемся в неустойчивости кристаллов природных фосфолипидов на воздухе в нормальных условиях. I связи с этим обосновывается выбор в качестве основных объектов исследования аналогов фосфолипидов - иэобутил-2-аминоэтилфос-фата и изобутил -2-(триметиламмонио)этилфосфата хлорида, в которых е целью повышения устойчивости их твердого состояния диглицеридная часть фосфолипидов замещена на изобутильный остаток. В заключении литературного обзора ставятся задачи работы по синтезу, кристаллизации и исследованию свойств аналогов фосфолипидов.

Вторая глава посвящена описанию синтеза аналогов фосфолипидов. Каждый из синтезированных аналогов фосфолипидов И0Ш и ИФХ имеет свою специфику получения. Общим является то, чтс исходным реагентом при синтезе была хлорокись фосфора, к которой последовательно присоединяли различные спиртовые групп! (изобутильную, 2-оксиэтилфталамидную, хлорэтилоксидную).

При выборе пути синтеза руководствовались следующим! критериями:

- доступностью и дешевизной реагентов и растворителей;

- простотой и воспроизводимостью синтеза;

- максимально высоким выходом.целевого продукта

Нзобходимо отметить, что оригинально синтез нигде не описан, а синтез промежуточных продуктов осуществлялся по аналогии с синтезом структурно близких веществ. На рисунке предстш

лены структурные формулы фосфолипидов биологических мембран <КЭА и ФХ и полученных соединений ИФЭА и. ИФХ. Синтезированные вещества при комнатной температуре в нормальных условиях представляют собой в случае И<ЮА - прозрачные, бесцветные, плоские, чешуйчатые кристаллиты, без запаха, стабильные на воздухе в течение длительного времени с молекулярной массой , равной 197 а. е. м. и плотностью 1,2 г/см ИФХ - мелкие, мато-

0

И У

ь

. но

Н0±Р=0

*о

I

I

фэл

№ ЦС-р-СЪ

V

I ' !- - _ _

£4 1

ФХ

■ . Нг^

уиь

но-Р-0

к

СНи

■ снь с с иьс-/-снл

но~р=о

к

Кг,

ТйГ^

и<РЭЛ

ЦФХ

Фосфолипиды биологических мембран и их залоги

вые кристаллиты, обладающие характерным запахом триметйламина (он используется при введении холиновой группировки на последней стадии синтеза) и имевшие молекулярную массу 275 а. е.м., плотность 1,28 г/см?

Идентификация синтезированных веществ осуществлялась методом масс-спектрометрии (по наличию молекулярного иона, а также по характерным осколкам), инфракрасной (ИК) спектрбско-. пии и методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР). ИК-спектры и ЯМР-спектры подтверждают наличие соответствующих функциональных групп аналогов фосфолипидов. Обнаружено, что' в структуре кристалла ИФЭА аминогруппа содержится в виде иона С - МН3 и образует водородные связи. Вывод о том, • что аминогруппы в кристаллах ИФЗА является заряженной и содержит два типа протонов, испытывающих симметричные и антисимметричные деформационные колебания, нашел в дальнейшем подтверждение в данных по рентгеноструктурному анализу кристаллов ШЭА.

Третья глава отражает разработку процессов выращивания кристаллов и твердых слоев аналогов фосфолипидов на инородных подложках. В качестве метода кристаллизации аналогов фосфолипидов использовался метод выращивания кристаллов из раствора. Кристаллизация осуществлялась на границе раздела газ - жидкость, твердое тело - жидкость, а также. в ' формообразователе типа капилляра. •

В случае кристаллизации из раствора на границе раздела газ - жидкость сущность "эксперимента заключалась . в предварительном растворении И58А и ИФХ в этаноле с последующим выращиванием слоев на инородной подложке- в. среде, дополнительно насыщенной парами этанола определенной концентрации. Были получены монокристаллические слои И<ЮА толщиной до 50 мкм, ■ раз--, мером 5x20 мм, а также поликристаллические слои ИФХ. ■ Аналогичным методом исследовалась возможность кристаллизации композиции ИФХ и ИФЗА при- различных соотношениях компонентов, в результате чего было обнаружено, что рост гомогенных кристаллов происходит лишь при соотношении ИФХ: И20А-2:1. Это соответствует типичному соотношению содержания природных фосфолипидов ФХ и ФЭА. .

У -

Предложен и реализован метод свободной кристаллизации ИФЗА из раствора,на границе раздела,твердое тело - жидкость, принципиальное отличие-которого от предшествующего заключается в наличии активного буферного слоя 96% этанола над системой кристаллизуемое вещество -. растворитель. Установлено, что данная схема, выращивания создает благоприятные условия для формирования отдельных центров кристаллизации и обеспечивает получение призматических монокристаллов ИФЭА длиной до 10 мм.

. С целью синтеза нитевидных кристаллов, то есть кристаллов с габитусом, широко используемым при формировании датчиков, проводилось- выращивание - кристаллов И40А в формообразователе типа капилляра.. В результате получены монокристаллические нитевидные кристаллы с соотношением-геометрических размеров 1:100 при длине до 100 мм. Экспериментально обнаружен процесс периодической кристаллизации и эффект самоогранения монокристаллов ШЭА при их синтезе в капилляре в неравновесных условиях.

Четвертая глава посвящена изучению фундаментальных свойств кристаллов ранее неизвестных низкомолекулярных аналогов фосфолипидов ИФ0А и ИФХ-

Определяющим элементом в проведении исследований являлось изучение кристаллической структуры полученных новых веществ. С этой целью использовались ДЕе методики: рентгеноструктурный анализ и электронография. При оптимизации технологии, направленной на' получение монокристаллов аналогов фосфолипидов основным экспресс-методом являлась электронография на просвет и этраженйе.

Основные сведения о кристаллической структуре и- параметрах решетки выращенных кристаллов были получены с применением зентгеноструктурного анализа.Установлено, что ранее неизвест-*ое. вещество, аналог фосфолипида изобутил-2-аминоэтилфосфат лохет быть получено в виде монокристалла, устойчивого на воз-1ухе, который относится к моноклинной сингонии. Определены ос-ювные параметры элементарной ячейки кристалла ИФЭА (а = 0.763 ш, Ь = О! 924 нм,. с - 3. 233 нм, £> - 89.4"), содержащей 8 молекул М0А. На основании данных рентгеноструктурного анализа сделано ¡включение о проявлении чередования зон водородных связей в

структуре И&ЭА.

С целью изучения фундаментальных физико-химических свойств кристаллов аналогов фосфолипидов проводился их терми-' ческий анализ. Обнаружено, что в пределах 40-55вС на кривой изменения теплосодержания (ЯГА) для ИФХ.отмечается . эндотермический эффект с минимумом при 48°С.. Сопоставление, его с кривой измения массы С ТО позволяет сделать вывод о наличии у ИФХ в этом диапазоне температур критических явлений (известно, что фосфолипиды в бислойных мембранах испытывают фазовый переход в той же области температур). Экспериментально'установлены температуры плавления кристаллов ИФХ и И48А.(1'50*С и 246° С, соответственно).

С целью определения возможности существования критического явления типа фазового перехода у ИФХ проводилось исследование аналогов фосфолипидов методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Для реализации процесса изучения свойств аналогов фосфолипидов метоДом ЭПР была синтезирована используемая в качестве спинового зонда метка ТЕМПО-ИФЭА. Сопоставление ИК-. спектров исходных компонентов синтеза и продукта , их. . реакции позволило оценить характер изменений, происшедших в конечном продукте в результате синтеза метки- Показано, что в результате образования ТЕМПО-И<КЗА, при котором' атомы водорода аминогруппы ЩЭА реагируют с кислородом карбонильной группы оксо-; ТЕМПО с ' образйванием воды и формированием С=№ связи, исчезают валентные и деформационные, колебания N-4-связи в ИСЙА и- валентное колебание С=0 оксо-ТЕМПО. • Получены ЭПР-спектры метки ТЕМПО-ИФЭА, ИФХ с меткой ТЕМПО-ИФЭА и ИФЭА с меткой -ТЕМПО-И«ЭА при различных температурах. Установлено, что для. ИФЭА.наблюда-' ется явное уменьшение амплитуды ЭПР.-сигнала. Вид и ширина сигнала остаются неизменными, что не позволяет однозначно трактовать наблюдаемое • явление как • фазовый. .'■ переход. Можно предположить, что уменьшение амплитуды ЭПР-сигнала ИФЭА.с рос-, том температуры отражает процесс спонтанного, переноса заряда по зонам ИФЭА между двумя молекулами метки, сопровождающийся инактивацией спин-радикала ■ .

В пятой главе представлены результаты исследований элект-

рофизических свойств кристаллов аналогов фосфолипидов и их композиций. Обьем и глубина исследований определялись одной из основных задач работы - реализацией на базе новых синтезированных материалов приборов, и в частности, датчиков для контроля окружающей среды.

Следуя вышеназванной цели, проводились исследования температурной зависимости основных электрофизических параметров кристаллов аналогов фосфолипидов И30А,• ИФХ и их композиций -удельной электропроводности И емкости. Экспериментально установлено, что в области температур 48-55°С у кристаллов ШЭА

наблюдается резкое изменение проводящих свойств (удельная

■1 ^ -г

электропроводность изменяется от 7*10 Ом *см до 4*10 Ом *см ).

В то же время установлено, что для ИФХ и его смеси с ИФ8А имеет место возрастание электропроводности с ростом температуры. Аналогичные закономерности в том же диапазоне температур наблюдались для емкости исследуемых веществ. Установлено, что изменение удельной электропроводности и емкости кристаллов ШЭА с ростом температуры является необратимым.

Исследована зависимость сопротивления аналогов фосфолипидов И®ЭА и ИФХ от влажности окружающей среды. Экспериментально установлено, что ИФХ обладает влагочувствительными свойствами и поэтому может быть использовано в качестве влагочувствитель-ного элемента в датчиках влажности.

Разработана конструкция и создан миниатюрный, высокочувствительный датчик влажности на .кристаллах ИФХ с использованием элементов микротехнологии. Экспериментально установлено, что в интервале от 25%. до- 85% влажности изменение сопротивления чувствительного элемента датчика достигает 10 Ом/%.

В заключении - приведены основные результаты и выводы диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Синтезированы ранее неизвестные ниэкомолекулярные аналоги фосфолипидов: изобутил-2-аминоэтилфосфат и изобу-тил-2-(триметиламмонио)этилфосфат хЛорид.

2. Разработаны и реализованы методы выращивания объемных призматических и нитевидных монокристаллов ИФЭА и слоев аналогов фосфэлипидов и их композиций на инородной подложке.

3. Экспериментально установлено, что при выращивании кристаллов ИО0А из раствора в капилляре наблюдается явление периодической . кристаллизации и самоогранения нитевидных монокристаллов ИФЭА.

4. Осуществлен синтез гомогенного кристалла на основе композиции ИФЗА и ИФХ без индивидуального фазообразования кристаллических индивидов ИФЭА и ИФХ и■установлено оптимальное соотношение компонентов ИФХ: ИФЭА -2:1, ■ что соответствует типичному соотношению содержания фосфолипидов ФХ и <КЭА в клеточных мембранах.

5. Экспериментально установлено, что кристаллы ИФЗА устойчивы на воздухе в нормальных условиях.

6. Определены основные физико-химические свойства впервые, синтезированных аналогов фосфолипидов: ■■'„.•■■

- молекулярная масса ( для ИФЭА - 197 а. е. м., для ИФХ -275 а. е. м.);

- плотность "(ДЛЯ И<КЭА - 1,2 г/СМ1,., для ИФХ - 1,28 г/см );

- температура плавления (246° Си 150°С, соответственно).

7. Методом рентгеноструктурного анализа показано, что кристаллы ИКЭА имеют моноклинную сингонию; определены основные параметры кристаллической решетки ИФЭА:". а « О.'.763 Нм, Ь -0.924 нм, с = 0.3233 нм,^= 89.4°: Предложена модель укладки в-структуре ИФЭА.

8. Синтезирована и экспериментально опробована спин-радикальная метка ТЕМП0-Ш8А, обеспечивающая проведение исследований аналогов фосфолипидов методом . электронного парамагнитного. резонанса. .

9. Определены основные электрофизические• характеристики ИФЭА и ИФХ и обнаружен эффект . резкого' изменения удельной электропроводности и емкости кристаллов ИФЭА в интервале температур 323-330 К.

10. Обнаружены влагочувствительные свойства у ИФХ, проявляющиеся в изменении его сопротивления от влажности окружающей среды; Разработана конструкция и изготовлен датчик влажности на основе кристаллов ИФХ

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях: .

I: Карасев В. А. , Куликова Н. А. , Лучинин В. В. Структуро- и формообразование биосред для приборов молекулярной электроники. // . Тез. докл. IV республиканского семинара "Самоформирование. Теория и применение в-полупроводниковой технологии". - 24-27 апреля. - Вильнюс, 1989. - С. 26-28. 2. Карасев В. А. , Куликова !1 А. , Лучинин В. В. Функционально - технологическая . база молекулярной биоэлектроники. //Тез. докл. 1 Всееоюзн. конф. "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники". 25-27 ноября. - Ленинград. 1989. . - С. 92-96.

Подп. в печ.19 .11.90. Формат 60x84 1/16. Офсетная печать. Печ. л. 1,0 уч. -изд. л. 1,0; Тираж 100 экз. -Зак. NÓ9J. Бесплатно.

Ротапринт ЛЭТИ 197022, Ленинград, ул. Проф. Попова, 5.