Субстрат-индуцированная самоорганизация в монослоях Ленгмюра и пленках Ленгмюра-Блоджетт тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

/V Нгуф^вах рукописи

Калинина Мария Александровна

СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ В МОНОСЛОЯХ ЛЕНГМЮРА И ПЛЕНКАХ ЛЕНГМЮРА-

БЛОДЖЕТТ

02.00.04 - физическая химия 02.00.11 — коллоидная химия

V ФЕВ 20Н

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Москва-2013

005545539

005545539

Работа выполнена в ФГБУН Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук

Научный консультант: доктор химических наук, профессор

Арсланов Владимир Валентинович

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор химических наук, профессор Юртов Евгений Васильевич

доктор физико-математических наук Алексеев Александр Сергеевич

доктор химических наук, профессор Носков Борис Анатольевич

Ведущая организация: Химический факультет Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова

Защита состоится «_ 12>_»_ и£т2014 г. в _15.00_часов на заседании

диссертационного совета Д002.259.02 в конференц-зале ИФХЭ РАН по адресу: г. Москва, Ленинский проспект, д.31, к.4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФХЭ РАН по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский пр., д.31, к.4. Электронные варианты отзывов просим направлять по адресам: sovet@phvche.ac.ru и npplatonova@yandex.ru

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь Совета, кандидат химических наук

Н.П.Платонова

Актуальность работы. Современная тенденция развития физической химии упорядоченных наноразмерных систем определяется постепенным переходом от механических манипуляций для получения наноструктур к стратегиям, в основе которых лежит контролируемая самоорганизация структурных элементов в ансамбли с заданными строением и свойствами. Самосборка таких ансамблей на твердой поверхности и, прежде всего, планарных структур и ультратонких покрытий, имеет особое фундаментальное и прикладное значение, поскольку позволяет не только изучать закономерности поведения вещества в двумерном состоянии, но и создавать органические и гибридные наносистемы для целого ряда практических приложений от миниатюрных сенсорных элементов до компонентов программируемых устройств и оптических переключателей. До настоящего времени наиболее развитой стратегией создания планарных наноархитектур остается применение принципов технологически сложного и затратного структурного масштабирования к подобным объектам: уменьшение размеров элементов и несущих матриц, нанолитография, контактная микропечать, допирование и др. Разработка альтернативной стратегии, основанной на принципах контролируемой самоорганизации планарных систем с заданной структурой и функциональными характеристиками - одна из приоритетных междисциплинарных задач на стыке современной физикохимии поверхности, коллоидной химии и супрамолекулярной химии.

В этой области субстрат-индуцированная самоорганизация представляет собой базовую методологическую концепцию, объединяющую различные подходы к контролируемой самосборке планарных объектов, принципиальная особенность которой заключается в спонтанной генерации упорядоченных ансамблей за счет взаимодействий между веществом и твердой поверхностью.

Самосборка планарной структуры на твердом субстрате, контактирующем с источником вещества, может протекать как в плоскости субстрата, так и по направлению «снизу-вверх» от поверхности с равномерным наращиванием планарной структуры. В настоящее время существует три основных подхода к созданию упорядоченных ультратонких органических покрытий: метод самоорганизованных монослоев (САМ), метод послойной электростатической сборки (ПЭС), и объединенный метод монослоев Ленгмюра и техники Ленгмюра-Блоджетт (ПЛБ). Первые два не требуют предорганизации вещества для построения планарного ансамбля на поверхности. Метод ПЛБ позволяет реализовать как латеральную организацию в пределах каждого монослоя, типичную для САМ, так и вертикальную упорядоченность в полислойной системе, характерцу! ПЭС, однако, в отличие от этих систем, ПЛБ не образуются самопроизв

при контакте с твердым субстратом, а требуют предварительной сборки монослоев-прекурсоров на поверхности жидкости. Структурные характеристики, заданные в монослое Ленгмюра, затем закрепляются в ПЛБ на твердой поверхности при переносе монослоя на подложку. По сравнению с методами САМ и ПЭС, метод ПЛБ использует наиболее широкий набор функциональных групп и предоставляет возможность для прецизионной настройки молекулярной организации в ультратонкой пленке за счет изменения плотности упаковки, ориентации и взаимодействий молекул в монослоях-прекурсорах, в том числе, и в композиционно сложных системах. Организованная, плотноупакованная, слоистая структура ПЛБ определила их традиционное рассмотрение в качестве нанообъектов, представляющих собой конечную самостоятельную цель последовательной сборки молекулярного ансамбля, которая не предусматривает дальнейшую «достройку» с усложнением его морфологии и функций.

Эта методическая особенность существенно сузила диапазон исследовательских возможностей для развития новых направлений в этой области. Потенциал монослоев Ленгмюра и ПЛБ как молекулярных матриц для инициирования субстрат-индуцированной самоорганизации до настоящего времени оставался практически невостребованным. Попытки использовать предорганизованную структуру этих систем для генерации порядка следующего иерархического уровня предпринимались в очень небольшом числе работ и касались ограниченного круга веществ и условий. Между тем, монослои Ленгмюра и ПЛБ обладают рядом отличительных особенностей, весьма перспективных для реализации и изучения процессов самоорганизации в этих системах.

Прежде всего, большинство конденсированных монослоев Ленгмюра представляют собой метастабильные системы, неустойчивость которых может служить потенциальным источником самоорганизации в условиях, далеких от равновесия. Неравновесная самосборка в монослоях Ленгмюра открывает принципиально иные возможности по сравнению с другими известными методами для генерации структурной упорядоченности в планарных системах.

Кроме того, возможность структурной настройки монослоев Ленгмюра критически важна с точки зрения обеспечения взаимодействий, чувствительных к стерическим условиям и лежащих в основе кооперативной самоорганизации супрамолекулярных ансамблей, прежде всего, в биомиметических моделях. Существует множество примеров использования монослоев Ленгмюра как «планарных рецепторов» для распознавания и самоорганизации различных веществ за счет координационных и водородных связей с исключительной селективностью, недоступной для других методов сборки планарных ансамблей. Точная трансляция заданной

4

структуры таких монослоев-рецепторов в стабильную открытую структуру на твердой поверхности могла бы заложить основу для нового направления в высокоспецифичной (био)химической сенсорике и кооперативном супрамолекулярном синтезе планарных ансамблей в водных средах. Реализация этой идеи требует разработки особого подхода к стабилизации неустойчивых ПЛБ открытого типа с гидрофильными функциональными группами, ориентированными во внешнюю среду и доступными для молекулярного распознавания, поскольку до сих пор эта сложная задача остается нерешенной.

Наконец, анализ взаимодействий ПЛБ с веществом из внешней среды, которые можно рассматривать как «вынужденную» субстрат-индуцированную самоорганизацию «гостя» в планарном «шаблоне-хозяине», позволяет рационализировать дизайн ПЛБ-сенсоров. До настоящего времени такие исследования проводились без учета стерического фактора и изменения микроокружения в ПЛБ по сравнению с монослоем-прекурсором. Управление диффузионными потоками вещества в анизотропной структуре ПЛБ открывает перспективы и для разработки сенсоров нового типа, в которых генерация отклика осуществляется за счет самоорганизации структурно-химического рисунка при взаимодействии анализируемого вещества с поверхностью, модифицированной с помощью предорганизованной чувствительной пленки.

Данная работа обобщает результаты фундаментальных исследований субстрат-индуцированной самоорганизации в монослоях Ленгмюра и ПЛБ и изучения характерных особенностей этого явления в системах различного состава и назначения. Работа объединяет развитые автором подходы к функционализации и модификации твердых поверхностей с помощью пленок Ленгмюра-Блоджетт в единую стратегию, позволяющую существенно расширить представления об этих уникальных объектах коллоидной химии и увеличить их прикладной потенциал.

Цель работы состоит в разработке базовой стратегии субстрат-индуцированной самоорганизации в монослоях Ленгмюра и пленках Ленгмюра-Блоджетт для сборки упорядоченных планарных органических и гибридных наноструктур на твердых поверхностях. Основное внимание уделено развитию новых принципов управления поведением метастабильных монослоев Ленгмюра при неравновесной конденсации на твердых поверхностях, разработке новых подходов к дизайну химических ПЛБ-сенсоров, а также созданию планарных структур открытого типа на основе ПЛБ для селективного распознавания биоактивных соединений и супрамолекулярного синтеза биомиметических структур. В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Изучение неравновесного структурообразования в метастабильных монослоях Ленгмюра при их динамическом контакте с твердыми субстратами в широком диапазоне условий.

2. Исследование неравновесной субстрат-индуцированной конденсации в монослоях Ленгмюра на поверхности коллоидных растворов.

3. Разработка метода мягкой химической ПЛБ-литографии для создания латерально-упорядоченных структурно-химических паттернов на твердых поверхностях.

4. Исследование влияния предорганизации синтетических рецепторов в ПЛБ на чувствительность и селективность связывания катионов металлов и определение основных принципов рационального дизайна ПЛБ-хемосенсоров на основе конформационно-гибких макроциклических ионофоров.

5. Разработка нового подхода к неравновесной химической ПЛБ-сенсорике с использованием ион-чувствительных мембран, принцип действия которых основан генерации отклика за счет преобразования и распределения связанных ионов в нерастворимой форме в ПЛБ-мембране с заданной латерально-неоднородной структурой.

6. Реализация принципиально новой стратегии супрамолекулярного синтеза планарных систем за счет контролируемой кооперативной самоорганизации двумерных молекулярных ансамблей на поверхности активных матриц на основе ПЛБ-структур открытого типа, полученных сочетанием методов самоорганизованных монослоев и пленок Ленгмюра-Блоджетт.

Научная новизна состоит в развитии новых фундаментальных физико-химических принципов субстрат-индуцированной самоорганизации в монослоях Ленгмюра и пленках Ленгмюра-Блоджетт, а также в выявлении новых эффектов, сопровождающих самоорганизацию и функционирование планарных супрамолекулярных систем:

1. Впервые обнаружена и исследована неравновесная субстрат-индуцированная конденсация метастабильных монослоев Ленгмюра с образованием линейно-упорядоченных структур (ПЛБ-паттернов) из частиц коллапсировавшей фазы на твердой поверхности. Подробно изучено морфологическое разнообразие ПЛБ-паттернов и установлены основные закономерности самоорганизации этого типа.

2. Впервые выявлена и изучена конденсация смешанных кислотно-основных монослоев Ленгмюра с образованием стабильных двумерных коллоидных гелей на поверхности коллоидных растворов. Исследованы структурообразование, оптическое поведение и неравновесное разрушение двумерных гелей на поверхности гидрозоля металла и твердых подложках.

3. Впервые реализована стратегия латеральной химической модификации с образованием заданного микрорисунка в пленках Ленгмюра-Блоджетт с помощью мягкой гелевой литографии. Оптимизированы условия формирования гелевых штампов и параметры процесса литографии на примере металлсодержащих ПЛБ дифильного макроциклического комплексообразователя.

4. Исследована взаимосвязь структурных и сенсорных характеристик ион-чувствительных ПЛБ на основе макроциклического ионофора и выявлена ключевая роль стерического фактора в молекулярном распознавании в таких системах.

5. Впервые предложен и реализован подход к созданию сенсорных ПЛБ для высокоэффективного неравновесного связывания катионов металлов, основанный на направленном формировании латеральных структурно-химических неоднородностей в полислойной мембране, обеспечивающих согласованное протекание процессов латерального транспорта и связывания ионов с образованием нерастворимых соединений.

6. Впервые разработана оригинальная методика формирования чувствительных однослойных пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе макроциклических соединений на твердых поверхностях, модифицированных самоорганизованными монослоями тиолов (композитные матрицы САМ/ПЛБ). Подробно изучено молекулярное распознавание неорганических фосфатов, нуклеооснований и нуклеотидов на активных матрицах САМ/ПЛБ на основе макроциклических моно - и бис-цикленов.

7. Впервые реализована кооперативная сборка комплементарных супрамолекулярных структур - бислоев мономерных 5'-рибонуклеотидов четырех основных семейств («двойные плоскости») на матрицах САМ/ПЛБ из металлокомплекса дифильного бис-циклена в водной среде. Установлен механизм кооперативной самоорганизации и выявлена определяющая роль рН среды и молекулярной структуры макроциклического металлокомплекса в многоцентровом молекулярном распознавании в таких системах. Показано, что сочетание нуклеооснований по Уотсону-Крику является обязательным условием кооперативной самосборки и стабильности комплементарной самоорганизованной структуры из мономерных нуклеотидов на планарном макроциклическом субстрате.

Практическая значимость работы. Результаты исследования субстрат-индуцированной самоорганизации в монослоях Ленгмюра, полученные в данной работе, обладают высоким потенциалом для разработки на их основе новых технологических решений и подходов к модификации поверхностей с помощью упорядоченных планарных

органических и гибридных ансамблей различного состава и назначения. Методика формирования ПЛБ-паттернов потенциально позволяет формировать поверхности с контролируемым градиентом смачиваемости и регулируемым рельефом. Субстрат-индуцированная конденсация двумерных коллоидных гелей открывает перспективы для разработки новой доступной и недорогой технологии формирования протяженных двумерных открытых наноструктур нового поколения с заданной морфологией, таких, как плазмонные сети, фоточувствительные и проводящие покрытия. Стратегия мягкой гелевой литографии ПЛБ может быть успешно использована для химического паттернирования органических полислойных пленок и получения гибридных паттернов нанометровой толщины и заданной геометрии. Особую практическую ценность представляют методы, предложенные в данной работе для формирования ультратонких сенсорных элементов принципиально нового типа для количественного и качественного определения ионов, молекул и активных молекулярных фрагментов в водных растворах. При выполнении работы получены и протестированы лабораторные образцы быстродействующих ультратонких элементов сенсоров, совместимых с оптическими, электрохимическими и масс-чувствительными методами регистрации отклика, для высокоселективного распознавания ионов кальция в диапазоне концентраций 10'ш-10"2 М, с аналитическими характеристиками, превосходящими соответствующие показатели коммерческих аналогов, и получен патент. На основе САМ/ПЛБ цинковых комплексов производных циклена созданы прототипы универсальных сенсорных чипов с настраиваемым оптическим откликом для лабораторного анализа растворов соединений содержащих различные нуклеооснования в диапазоне концентраций от 10'5 до 10"3 моль. Наборы сенсорных СППР-чипов могут быть использованы для составления «сенсорных библиотек», разделенных на сенсорные группы по нуклеооснованиям для селективного перекрестного анализа растворов на присутствие нуклеотидов четырех основных семейств. Созданные сенсоры обладают высоким практическим потенциалом для научно-исследовательского и коммерческого химического и биохимического анализа в пищевой промышленности, фармакологии, медицинской диагностике и экологическом мониторинге.

На защиту выносятся

1. Результаты исследования и механизм субстрат-индуцированного коллапса монослоев Ленгмюра в условиях динамического контакта с твердой поверхностью

2. Результаты исследования субстрат-индуцированной конденсации смешанных монослоев Ленгмюра на поверхности коллоидных растворов

3. Метод мягкой гелевой литографии пленок Ленгмюра-Блоджетт

4. Данные по зависимости сенсорных характеристик ПЛБ на основе макроциклического ионофора от строения ПЛБ и предорганизации лиганда в монослое-прекурсоре

5. Метод создания сенсорных тонкопленочных элементов нового типа с латерально-неоднородной структурой для определения катионов кальция

6. Стратегия создания биомиметических планарных структур на основе САМ и ПЛБ для селективного распознавания биомолекул

7. Экспериментальные данные и механизм кооперативной самосборки бислоев рибонуклеотидов на поверхности планарных биомиметических систем САМ/ПЛБ на основе бис-циклических металлокомплексов циклена

Апробация работы Материалы диссертационной работы были представлены в виде устных докладов на следующих российских и международных конференциях и семинарах: Российско-Британском семинаре «Зеленая химия» (2002, Ноттингем, Великобритания), Конференции по супрамолекулярной химии под эгидой Европейского научного фонда (2002, Сан-Фелиу де Гишолс, Испания), Конференции по морфологии поверхности и межфазных границ (2003, Ядвижин, Польша), V Общеевропейской химической конференции молодых ученых (Турин, Италия, 2004), И, III, и V, Международной конференции-школе «Супрамолекулярные системы в химии и биологии» (Туапсе, 2004, 2006,

2008), V Международном симпозиуме по супрамолекулярной химии (Казань,

2009), IV Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2013), 27-й конференции Европейского общества коллоидной химии и физикохимии поверхности (София, Болгария, 2013), в виде приглашенных докладов-лекций в Ягеллонском университете (Польша, 2005, 2006) и Университете Регенсбурга (Германия, 2007, 2009), результаты работы также докладывались на секции «Физикохимия нано- и супрамолекулярных систем» при Учёном совете ИФХЭ РАН (Москва, 2011).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 19 оригинальных статей в журналах списка ВАК, 2 главы в монографиях, получен один патент.

Личный вклад автора состоит в выборе направлений исследований, постановке и обосновании цели и задач работы, разработке комплекса экспериментальных подходов к их решению, анализе, интерпретации и

обобщении результатов исследований, подготовке публикаций в качестве основного автора и руководителя работы.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из 5 глав, заключения и выводов, содержит 285"страницы, 1С» ( рисунка и ЗШссылки на использованную литературу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Субстрат-индуцированный коллапс в смешанных монослоях Ленгмюра на движущейся подложке: самоорганизация 2В-ЗБ паттернов Ленгмюра-Блоджетт

Первую главу открывает обзор литературы, касающийся развития представлений о метастабильной природе монослоев Ленгмюра и обобщающий сведения о неравновесных структурных и фазовых переходах в этих системах.

Как упоминалось выше, большинство конденсированных монослоев Ленгмюра, из которых формируют ПЛБ, существуют при поверхностных давлениях выше равновесного давления растекания, отвечающего истинному равновесию монослой/объемная фаза. Действие различных факторов, в том числе, контакт монослоя с твердой поверхностью, может приводить к потере устойчивости такой метастабильной системой. В неравновесных динамических условиях неустойчивость монослоя, инициированная движущимся твердым субстратом, становится потенциальным источником самоорганизации.

Известно, что нестабильность, возникающая при линейном контакте твердой поверхности с монослоями некоторых липидов в окрестности Ь<гЬс перехода, приводит к спонтанной конденсации материала монослоя на твердой подложке.'11 В случае вертикально движущегося субстрата, на поверхности образуются периодически упорядоченные структурные микрорисунки (2Б ПЛБ-паттерны) из чередующихся линейных зон конденсированной и растянутой фаз, располагающихся параллельно или перпендикулярно направлению переноса в зависимости от его скорости. Предполагается, что механизм образования 20 ПЛБ-паттернов связан с синхронизацией осцилляций толщины мениска и краевого угла на возникающих неоднородностях смачивания. [2] Самоорганизация этого типа до настоящего времени рассматривалась как специфический эффект, присущий липидным системам, для которых типично появление протяженной области сосуществования растянутой и конденсированной двумерных фаз при сравнительно низких поверхностных давлениях.

Ограниченность этого рассмотрения не согласуется с представлением о природе субстрат-индуцированной конденсации, которая является фундаментальным следствием потери устойчивости в результате

взаимодействий материала метастабильного монослоя с твердой поверхностью, а значит, должна обнаруживаться в более широком диапазоне систем и условий и протекать по сходному механизму. Спонтанное изменение фазового состояния при контакте с твердым субстратом должно проявляться в окрестности любых структурных переходов, связанных с изменением плотности молекулярной упаковки в двумерной системе. Наиболее общий тип такого перехода для конденсированных монослоев - это коллапс (разрушение) монослоя, протекающий вдали от равновесия.

Рис. 1. (а) Изотермы поверхностного давления монослоев Ленгмюра из СК (У), ОДА (2) и эквимолярной смеси СК/ОДА (5) на поверхности водной субфазы с рН 8.0. (б) Диаграмма избытка свободной энергии смешения компонентов бинарного монослоя СК/ОДА для различных значений поверхностного давления. Значения АСех рассчитаны по методу Гудриха'4 на основании кривых сжатия смешанных монослоев с различным соотношением компонентов.

£ -100,00

-300,00

20 25 30 35

А2/ молекула ■

Для подтверждения этого предположения в данной работе в качестве модельной системы была выбрана смесь катионного и анионного ПАВ -стеариновой кислоты (СК) и октадециламина (ОДА). Эти соединения образуют смешанные монослои (рис. 1а), поведение которых соответствует отрицательному отклонению от идеального. Минимальное значение ДО смешения достигается при эквимолярном соотношении компонентов в изоэлектрической точке смеси (рН~8.0), за счет притяжения между разноименно заряженными молекулами ПАВ (рис. 16). Важная особенность поведения такого монослоя при разрушении, известная из литературы, [3] состоит в том, что монослой остается гомогенным вплоть до точки коллапса, который сопровождается растрескиванием с образованием протяженных складок. Эта особенность позволяет исключить образование зародышей объемной фазы в монослое на поверхности жидкости при ят <яс.

Вертикальный перенос смешанных монослоев СК/ОДА на твердые подложки проводили при поверхностных давлениях ят>30 мН/м, варьируя

скорость переноса V, и число перенесенных слоев. Было установлено, что в определенном диапазоне условий контакт монослоя и субстрата приводит к

Расстояние, ни

Рис. 2. Самоорганизация коллапсирующей фазы монослоя Ленгмюра СК/ОДА на движущемся твердом субстрате, (а, б) ПЛБ-паттерны толщиной 21 слой, сформированные на поверхности кремния при ят=37 мН/м и уг=10 (СЭМ-микрофотографии). (в, г) ПЛБ-паттерны толщиной в 17 слоев: (в) АСМ-изображение и профиль поверхности (вставка) вдоль вертикального ансамбля частиц в паттерне на поверхности кремния и (г) оптическая микрофотография паттерна на поверхности золота, покрытого САМ октантиола. Паттерны получены при тст=37 мН/м и уг=15 мм/мин. (д, е) Профили поверхности вдоль вертикальных элементов ПЛБ-паттернов толщиной: (д) 2 и (е) 6 слоев на тиолированном золоте, сформированные при тех же условиях. Шкала (а-в) 30 и (г) 60 мкм.

Расстояние, нм

спонтанному разрушению монослоя с выделением частиц объемной фазы в линейно-упорядоченные 20-30 структуры на твердой подложке (рис. 2). Такие структуры могут быть сформированы как на гидрофильных (окись кремния, стекло, кварц, золото, рис. 2а-в), так и на гидрофобных (тиолированное золото, рис. 2г) подложках. Размер частиц в паттерне можно пропорционально «наращивать» за счет увеличения толщины пленки и конденсации материала монослоя, контактирующего с подложкой, на уже сформированных частицах организованного ансамбля (рис. 2д, е).

Основные типы обнаруженных в данной работе 2В-ЗБ ПЛБ-паттернов схематически представлены на диаграмме (рис.3). Эта диаграмма не только точно задает область условий образования ПЛБ-паттернов для данной системы, но также впервые позволяет выявить универсальный характер процесса субстрат-индуцированной конденсации для систем произвольного состава. Как видно из диаграммы, для паттернов, образующихся из коллапсирующих монослоев, характерно существенно большее

морфологическое разнообразие, чем для линейных ансамблей, формирующихся при двумерной конденсации липидовм Тем не менее, можно выделить и общие закономерности, управляющие самоорганизацией этих структур.

Рис. 3. Динамическая диаграмма неравновесных структур 210-31) ПЛБ-паттернов, образующихся при субстрат-индуцированной конденсации смешанных монослоев Ленгмюра на основе СК/ОДА. Штриховые и пунктирные линии обозначают приблизительные границы переходов между паттернами разных типов.

Заполнение поверхности структурными элементами в паттернах обоих типов определяется скоростью движения подложки V, и значением лт. При малых значениях ут образуются вертикальные элементы, параллельные направлению переноса, при высоких — горизонтальные элементы, располагающиеся перпендикулярно направлению движения подложки, при промежуточных значениях наблюдается суперпозиция паттернов обоих типов. Зависимость морфологии паттерна от давления переноса противоположна - уменьшение ят способствует изменению морфологии паттерна с вертикальной на горизонтальную. Сходство морфологии двумерных паттернов липидов и сложных паттернов СК/ОДА указывает на общий механизм неравновесной самоорганизации, который обусловлен действием одного и того же набора факторов. На подобие механизмов самоорганизации указывает и полное совпадение структурных рисунков паттернов липидов и 2Б-30 ПЛБ-паттернов для некоторых сочетаний экспериментальных условий при заметном различии геометрических размеров этих систем (расстояние в 2 Г) ПЛБ-паттернах в среднем меньше, чем в 2D-ЗD структурах, в 5 -10 раз в зависимости от типа паттерна).

Можно заключить, что формирование 2Б-30 ПЛБ-паттернов при субстрат-индуцированном коллапсе определяется, в первую очередь, профилем концентрации вещества в монослое вблизи ЛТК, зависящем от гидродинамических условий, как это имеет место и при двумерной неравновесной конденсации.121 Схематическая иллюстрация механизма образования ПЛБ-паттернов для трех режимов неравновесного субстрат-индуцированного коллапса приведена на рис. 4.

В общем случае, при сродстве вещества монослоя к субстрату, движущемуся вертикально, положение ансамбля частиц конденсированной фазы определяется положением максимума концентрации Стах, поскольку в этой области поверхностное натяжение, и, соответственно, толщина смачивающей пленки воды под монослоем минимальны. Расстояние (I от Стах до ЛТК увеличивается с ростом скорости движения субстрата ут, что приводит к конденсации монослоя на твердой подложке на различном расстоянии от ЛТК в зависимости от условий переноса.

При относительно малых значениях ут, максимум концентрации Стах локализуется вблизи ЛТК, вдоль которой распространяются флуктуации концентрации, вызванные движением подложки и направляющие нуклеацию частиц трехмерной фазы (Рис. 4-1а). Распределение образующихся частиц по размерам вдоль ЛТК неоднородно за счет изотермической перегонки материала от мелких зародышей к более крупным. Неоднородности смачивания, возникающие при формировании горизонтального ансамбля, искажают ее форму (Рис. 4-1аб) и определяют положение нижележащих частиц относительно уже сформировавшихся (Рис. 4-1в-г). Таким образом, при низкоскоростном режиме морфология паттернов определяется синхронизацией скорости диффузии материала монослоя к ЛТК и движения мениска по подложке, что обуславливает формирование протяженных вертикальных ансамблей частиц коллапсировавшей фазы (Рис. 4-1д).

При увеличении сг диффузия молекул из монослоя на поверхности жидкости уже не компенсирует конденсацию на ЛТК (рис. 4-И). Формирование горизонтального «направляющего» ансамбля ЗЭ частиц в этих условиях приводит к сильному искажению и неустойчивости ЛТК (Рис 4-Па-в). Зона конденсации быстро обедняется веществом, при этом размер элементов в вертикальном ансамбле уменьшается, а различие в поверхностном натяжении между приповерхностной зоной и «плавающим» монослоем растет (рис. 4-Пг). Процесс конденсации завершается спонтанным понижением энергии системы за счет срыва мениска вниз и переноса растянутой обедненной области, а затем воспроизводится заново, формируя характерную «полосчатую» структуру паттерна (рис. 4-Нд, рис.2г).

г

• • ® ®

• 9 * О

• • Ф •

• • • •

1 < - ' . •

; !: • i '.! ;

!

- - '? .

• • • •

_

• • • •

• • • •

Рис. 4. Схематическое изображение механизма субстрат-индуцированной самоорганизации в монослоях Ленгмюра, коллапсирующих на твердой подложке, для различных режимов переноса. Текущее положение ЛТК обозначено красной пунктирной линией, последующее положение - точечной линией, движение мениска обозначено красными стрелками. I -Вертикальные 2D-3D ПЛБ-паттерны, низкоскоростной режим, вид спереди: (а) концентрационный максимум локализован на ЛТК; (б) нуклеация с образованием «направляющей» линии частиц; (в, г) каждая частица задает положение зародыша в нижележащей зоне монослоя в вертикальном ансамбле; (д) оптическая микрофотография вертикального ПЛБ-паттерна CK/ОДА. II - Суперпозиция паттернов, среднескоростиой режим, вид спереди: (а, б) формирование «направляющего» элемента на ЛТК, (в) возникновение неустойчивости ЛТК и соскальзывание мениска к более устойчивому положению, (г) обеднение контактной зоны и уменьшение размера частиц, д) увеличение поверхностного натяжения до критического значения и срыв мениска вдоль подложки с переносом растянутой обедненной фазы. III- Горизонтальные паттерны, высокоскоростной режим: (а, б) формирование волнообразного профиля мениска с образованием складки на монослое, концентрационный максимум находится на расстоянии от ЛТК; в) распад складки на однородный горизонтальный ансамбль частиц и соскальзывание мениска вдоль подложки, (г) образование новой складки позади ЛТК, (е) оптическая микрофотография горизонтального ПЛБ-паттерна, выноска: распределение частиц в горизонтальном линейном ансамбле однородно.

При высокоскоростном режиме (рис. 4-Ш) гидродинамические условия конденсации начинают превалировать над термодинамическими. Мениск приобретает волнообразную форму, что приводит к образованию складок в конденсированном монослое (рис. 4-Ша). Таким образом, максимум концентрации локализуется в складке на некотором расстоянии от ЛТК (рис. 4-Шб). Линейная складка неустойчива и распадается на отдельные частицы трехмерной фазы, которые образуют горизонтальный ансамбль, «тормозящий» мениск при его соскальзывании вниз по подложке (рис. 4-Шв). Таким образом, линейный ансамбль частиц задает текущее положение ЛТК, ниже которого формируется следующая складка (рис. 4-Шг). Осцилляции мениска, вызывающие субстрат-индуцированный коллапс такого типа, генерируют периодически упорядоченный паттерн из горизонтальных ансамблей с относительно узким распределением частиц по размеру (рис. 4-Шд). Эта особенность морфологии горизонтальных паттернов позволяет усложнять их строение за счет управляемой суперпозиции с помощью серии поворотов подложки и изменения глубины ее погружения в субфазу при «наращивании» толщины паттерна (Рис. 5а).

Все описанные 2П-3 Г) ПЛБ-паттерны представляют собой неравновесные системы, которые при хранении на воздухе медленно релаксируют (от нескольких месяцев до года) за счет двумерной диффузии и перекристаллизации вещества в сетчатые структуры (рис. 56), строение которых напоминает морфологию аналогичных монослоев СК/ОДА при разрушении на поверхности жидкости.[3' Время релаксации сокращается до нескольких недель в условиях повышенной влажности, что указывает на гидратацию полярных групп и перестройку молекулярной упаковки дифильных ПАВ в процессе релаксации. Дальнейшие релаксационные изменения сильно заторможены, и образовавшиеся сетчатые структуры остаются стабильными, по крайней мере, в течение двух лет. Релаксационные «сетки» можно модифицировать в растворе солей металлов, например, хлористого кадмия. При такой обработке ионная пара кислоты и амина распадается с образованием флуоресцирующего стеарата кадмия по контуру элементов сетки (рис. 5в). Полученный результат открывает новые возможности для создания протяженных гибридных структур за счет субстрат-индуцированной самоорганизации в монослоях дифильных соединений, претерпевающих последовательные неравновесные 20-30 структурные переходы. Функционализация поверхности, основанная на

Рис. 5. (а) Оптическая микрофотография 15-слойного ПЛБ-паттерна, полученного с помощью серии последовательных поворотов кремниевой подложки на 90° перед переносом каждого бислоя при я=35 мН/м со скоростью 50 мм мин"1. Нечетные бислои нанесены на всю предоставленную поверхность, четные - на половину поверхности подложки. Размер кадра 0.85x1.3 мм. (б) Оптическая микрофотография релаксационной структуры, образовавшейся в ПЛБ-паттерне при хранении во влажной атмосфере в течение 5 недель; размер кадра 800x600 мкм. (в) Флуоресцентная микрофотография поверхности скелетизированной релаксационной структуры в ПЛБ-паттерне на поверхности кремниевой пластины, выдержанная в растворе СМСЬ (5ХЮ"3М) в течение 2-х часов; размер кадра 165x125 мкм.

субстрат-индуцированной конденсации двумерной кислотно-основной системы, позволяет получать планарные структуры различных морфологических типов за счет управляемой самоорганизации элементов метастабильной структуры.

Данные, изложенные в этой главе, позволяют предполагать, что неравновесная 21)-ЗС субстрат-индуцированная конденсация может быть инициирована в конденсированных монослоях Ленгмюра различного химического состава, для которых точка коллапса лежит существенно выше значения равновесного давления растекания. Это означает, что возможности модификации поверхности с помощью монослоев Ленгмюра не исчерпываются классическими пленками Ленгмюра-Блоджетт или Ленгмюра-Шеффера с однородной периодической молекулярной организацией. Гомогенные структуры такого типа характерны для квазистационарного режима динамического контакта монослоя и твердой подложки, в то время как в широком диапазоне неравновесных условий метастабильная природа монослоев Ленгмюра порождает обширное морфологическое разнообразие гетерогенных структур - паттернов Ленгмюра-Блоджетт. Термодинамическая неустойчивость конденсированных

монослоев Ленгмюра и ПЛБ, которую многие исследователи до сих пор считают существенным недостатком этих систем с точки зрения разработки возможных практических приложений, может служить потенциальным источником направленной многостадийной самоорганизации неравновесных органических шаблонов и их модификации для получения разнообразных гибридных структур.

Глава II. Субстрат-индуцированная самоорганизация в монослоях Ленгмюра на поверхности коллоидного раствора: образование двумерных коллоидных гелей

Главу II открывает краткий литературный обзор работ, обобщающий имеющиеся сведения по электростатической адсорбции наночастиц на монослоях Ленгмюра дифильных соединений и о поведении монослоев Ленгмюра на поверхности коллоидных растворов.

Как было показано выше, универсальный характер субстрат-индуцированной конденсации монослоев Ленгмюра обусловлен метастабильностью этих систем, теряющих устойчивость при контакте с твердым субстратом. С этой точки зрения геометрия контакта между субстратом и монослоем не должна играть существенной роли, и контакт монослоя с дисперсным субстратом, например, наночастицами, так же может инициировать спонтанную конденсацию. Тем не менее, до настоящего времени конденсация монослоев Ленгмюра на поверхности коллоидных растворов остается практически неизученной. Большинство работ в этой области посвящено электростатической сборке нано- или микрочастиц в плотноупакованные планарные ансамбли на противоположно заряженных монослоях Ленгмюра, что подразумевает сильное взаимодействие между молекулами ПАВ и поверхностью частиц. При этом подходе скорость и величина адсорбции, как правило, настолько велики, что исследователи наблюдают структурные переходы не в монослоях-прекурсорах, а в монослоях агрегированных частиц, покрытых адсорбционными оболочками из молекул ПАВ (рис.6а, кривая 2).

Для инициирования спонтанной конденсации монослоя на коллоидном субстрате взаимодействия между молекулами в монослое должны быть достаточно сильны, чтобы конкурировать с взаимодействиями между ПАВ и поверхностью частиц. Модельная система, описанная в предыдущей главе, удовлетворяет этому требованию, поскольку эта смесь ПАВ быстро достигает «пересыщения» относительно образования трехмерной фазы при увеличении поверхностного давления или при контакте с твердым субстратом.

Было исследовано поведение монослоев СК/ОДА на поверхности цитрат-стабилизированного гидрозоля золота с размером частиц 18-20 нм.

Локальные флуктуации концентрации и состава монослоя в такой системе обеспечивают адсорбцию частиц на областях с избытком протонированного основания, однако в целом эквимолярно-смешанный монослой, состоящий из катион-анионных пар, стабилизированных гидрофобными взаимодействиями

А2/молекупа время, мин

Рнс.6. (а) Изотермы поверхностного давления монослоев СК (1), ОДА (2) и смеси СК/ОДА (3) на поверхности цитрат-стабилизированного гидрозоля золота. Расширение монослоя ОДА на поверхности гидрозоля отвечает типичной картине электростатической адсорбции частиц на монослое с последующим сжатием монослоя частиц, покрытых ОДА. (б) Кинетические зависимости поверхностного давления в конденсированных монослоях СК/ОДА (1) и ОДА (2) на поверхности гидрозоля золота. Начальное значение поверхностного давления яКонДенс=30 мН/м, площадь, занимаемая монослоем, поддерживалась постоянной в течение всего эксперимента. Относительное уменьшение поверхностного давления Дя = л:Конденс - Яеч обозначено горизонтальными штриховыми линиями. Минимальное значение я в монослое ОДА отвечает динамическому равновесию между растянутым монослоем и агрегированной коллоидной фазой, стабилизированной ПАВ.

остается нейтральным по отношению к поверхности частиц.

Изотерма поверхностного давления смешанного монослоя ОДК/ОДА (рис 6а, кривая 3) сходна по форме с кривыми, записанными для монослоя на поверхности воды (рис.1, кривая 3) и незначительно смещена по оси абсцисс в сторону меньших площадей. Тем не менее, согласно данным кинетических измерений, монослой смеси ПАВ на поверхности коллоидного раствора нестабилен. Как видно из рис.66, в предварительно сжатом монослое СК/ОДА поверхностное давление быстро снижается с 30 до -2-3 мН/м (кривая 1, кривая 2 для монослоя ОДА в тех же условиях приведена для сравнения), что соответствует равновесному давлению растекания в такой системе (~5 мН/м). Этот результат указывает на спонтанный коллапс смешанного монослоя на поверхности коллоидного раствора.

Уменьшение двумерного давления в монослое сопровождается изменениями в оптическом поведении системы, которые определяли с помощью оптоволоконной иУ-у!з спектроскопии отражения/поглощения, позволяющей получать спектры экстинкции тонких пленок на поверхности жидкости (рис. 7а). В спектре монослоя ПАВ, не содержащем собственных

характеристических полос в видимой области спектра, при адсорбции частиц на монослое появляется широкая интегральная полоса поглощения поверхностных плазмонов наночастиц. Два максимума экстинкции отчетливо

Длина волны,нм

Рис. 7. Образование двумерного коллоидного геля при субстрат-индуцированной конденсации смешанных монослоев Ленгмюра. (а) Изменение спектра экстинкции монослоя СК/ОДА при выдержке на поверхности цитрат-стабилизированного гидрозоля золота (время обозначено стрелкой); спектры записаны с интервалом 5 мин, время выдержки 420 мин. (б, в) Два основных типа морфологии двумерного коллоидного геля, перенесенного на кремниевую подложку после стабилизации поверхностного давления в монослое СК/ОДА на поверхности гидрозоля золота, данные СЭМ. Изображение (в) получено в режиме обратного рассеяния электронов для визуализации элементного контраста.

проявляются в коротковолновой и длинноволновой областях спектра монослоя уже при малых временах адсорбции. Начальное положение коротковолнового пика смещено к 535 нм относительно пика гидрозоля золота (520 нм по данным электронной спектроскопии), этот сдвиг монотонно нарастает со временем на 25-25 нм. Отношение площади и высоты коротковолнового и длинноволнового пиков (начальное положение 620 нм, конечное — 645) изменяется со временем на противоположное. Подобное оптическое поведение отвечает изменению соотношения различных продольных и поперечных мод коллективных плазмонов при сближении, взаимодействии и агрегации частиц, адсорбированных в монослое, и указывает на развитие во времени нескольких типов коллоидных структур с различной упаковкой.

Это заключение подтверждается данными морфологического исследования смешанных монослоев, перенесенных с поверхности гидрозоля

после стабилизации поверхностного давления. Большую часть поверхности занимает структура, морфология которой соответствует двумерному гелю, образованному разветвленными цепочками наночастиц (рис.76). На микрофотографии на рис. 7в представлена структура второго типа, занимающая меньшую площадь и состоящая из одиночных частиц и небольших двумерных агрегатов. Характерная особенность этой структуры — наличие «капель» органической фазы, декорированных плотноупакованными одномерными «контурами» из наночастиц. Образование таких «капель» прямо указывает на затормаживание растекания вещества монослоя по поверхности коллоидного раствора и служит еще одним признаком субстрат-индуцированной конденсации. Важно отметить, что структуры обоих типов устойчивы по отношению к трехмерной агрегации при переносе с поверхности жидкости на твердую подложку, что указывает на высокую вязкость дисперсной среды, препятствующую агрегации двумерной структуры на мениске.

Аналогичные структуры были обнаружены и в пленках СК/ОДА, перенесенных с поверхности гидрозоля на подложки из пирографита и слюды. Поскольку значения поверхностной энергии этих материалов сильно отличаются, то выявленное морфологическое сходство коллоидных ансамблей свидетельствует о том, что их образование не является результатом агрегации частиц под действием подложки, а протекает в монослое на поверхности жидкости.

Образование ионной пары между дифильными молекулами СК и ОДА стабилизировано гидрофобными взаимодействиями между алкильными заместителями и более энергетически выгодно, чем взаимодействие между протонированным ОДА и цитрат-анионом на поверхности частицы. Таким образом, большая часть вещества монослоя остается химически инертной по отношению к поверхности частиц. Каждая частица, адсорбированная на монослое, действует как центр конденсации аналогично центрам кристаллизации в пересыщенном растворе, то есть, вызывает локальное «виртуальное охлаждение» двумерной смеси ПАВ вокруг частицы. На макромасштабе интегральный эффект взаимодействий частиц и монослоя выражается в его «усадке» на обширных участках, что заставляет одиночные частицы сближаться на расстояния, достаточные для линейной агрегации в короткие цепочки и их объединения в более протяженную сеть. В результате такой субстрат-индуцированной конденсации смешанного монослоя ПАВ на поверхности гидрозоля образуется двумерный коллоидный гель. Этот процесс протекает относительно медленно, поскольку жесткость монослоя ПАВ возрастает по мере развития структурообразования, ограничивая латеральную подвижность частиц. Кроме того, разветвленные цепочки из плотноупакованных частиц, как и линейные ансамбли, опоясывающие капли

21

Рис. 8. (а) Парные оптические микрофотографии в светлом и темном поле, иллюстрирующие рост неравновесных кристаллитов в частично разрушенном двумерном геле на основе СК/ОДА, перенесенном с поверхности гидрозоля золота, с увеличением числа слоев от 3 до 19 (первые четыре кадра в направлении сверху вниз соответствуют увеличению толщины на один бислой). (б) ТЭМ-изображение фрагмента кристаллита с вытесненными на поверхность наночастицами. (в) АСМ-изображенне участка кристаллита в пленке толщиной 19 слоев.

конденсированной смеси ПАВ, создают механические барьеры, существенно затрудняющие транспорт вещества по поверхности в области с более высоким поверхностным натяжением.

Таким образом, упаковка наночастиц в коллоидной структуре определяется локальным сочетанием динамических параметров в монослое. Агрегация частиц в протяженные цепочки эффективно протекает на тех участках, на которых молекулы ПАВ распределены по поверхности более однородно и, соответственно, выше скорость латеральной диффузии. На участках с низким растеканием и высоким пересыщением монослоя относительно образования объемной фазы формируются небольшие агрегаты из нескольких частиц, «вмерзшие» в кристаллизованную органическую матрицу.

Вследствие диффузионных ограничений такие двумерные гели, иммобилизованные на твердых подложках, обладают исключительной

22

стабильностью и сохраняют свою структуру в течение нескольких лет. Сегрегацию коллоидных частиц и кристаллической органической фазы на жидкой поверхности, тем не менее, можно наблюдать, удерживая постоянное высокое значение поверхностного давления в системе (>30 мН/м) в процессе адсорбции частиц к монослою. В такой системе можно наблюдать и другой тип неравновесной самоорганизации при переносе «пережатых», частично разрушенных гелей, содержащих объемные зародыши органической фазы, на твердые подложки. На рис. 8а приведены парные оптические микрофотографии в светлом и темном поле для пленок с разным числом слоев из сегрегированного геля, нанесенного на поверхность кварца при постоянном поверхностном давлении спустя 30 минут после растекания монослоя по поверхности жидкости. Развитие неравновесной структуры органических кристаллитов в разрушенном двумерном геле определяется количеством нанесенного на поверхность материала. Это означает, что смесь ПАВ конденсируется при переносе на уже существующих кристаллитах трехмерной фазы, вытесняя наночастицы на поверхность, так же, как крупные примеси вытесняются в межплоскостные области или на поверхность при кристаллизации в объеме (рис. 86). По мере увеличения толщины пленки шероховатая рельефная поверхность кристаллитов (рис. 8в) становится более гладкой, и рассеяние на этих структурах сменяется отражением. Описанный процесс можно обозначить как «субстрат-субстрат-индуцированную самоорганизацию», возникающую в результате инициирования каскада неустойчивостей в метастабильной пленке на поверхности жидкости, последовательно контактирующей с коллоидным и планарным субстратами.

Перечисленные особенности двумерных гелей открывают перспективы для целого ряда практических приложений таких систем, прежде всего, для создания так называемых двумерных плазмонных сетей с регулируемым спектральным поведением. Кинетические характеристики

структурообразования в двумерном геле из частиц благородных металлов позволяют контролировать его морфологию и таким образом программировать спектральный отклик конечной системы. Полное спектральное описание эволюции такой двумерной системы («спектральная библиотека») также предоставляет дополнительные возможности для развития теоретического моделирования спектральных характеристик одномерных и двумерных плазмонных ансамблей наночастиц. Кроме того, природа выявленного эффекта позволяет широко варьировать как химический состав коллоидной фазы, так и композицию монослоя-прекурсора, объединяя различные физико-химические параметры коллоидной и органической фаз в единой гибридной системе.

Глава III. Субстрат-индуцированная самоорганизация в полислойных пленках Ленгмюра-Блоджетт: мягкая гелевая литография ПЛБ.

Третью главу открывает краткий обзор основных литографических методов, используемых в настоящее время для модификации (ультра)тонких пленок на твердой поверхности.

Классические структурно-однородные полислойные пленки Ленгмюра-Блоджетт рассмотрены в качестве предорганизованных шаблонов, которые могут быть использованы для организации в них вещества при контакте ПЛБ с внешней средой. Отмечается, что латеральная самоорганизация в ПЛБ сопряжена с целым рядом фундаментальных ограничений, связанных с их специфическим «закрытым» строением, диффузионной анизотропией и неустойчивостью в неводных средах, что требует разработки нетривиальных методологических приемов. Предлагаемое в работе решение этой задачи заключается в управлении неравновесной диффузией в пленке с помощью создания локальных потоков вещества из ПЛБ во внешнюю среду в заданных участках поверхности, образующих единый, латерально упорядоченный рисунок.

Рис. 9. I - Структурная формула дицетилциклена (ДЦЦ). II- Схема мягкой гелевой литографии ПЛБ: (а) формирование штампа из агарозы на поверхности ПДМС-шаблона, (б) выдержка штампа в 0.1 М растворе Ю, (в) выдержка штампа на поверхности ПЛБ, содержащей металлокомплексы ДЦЦ-Ag+, (г) диффузия ионов серебра в штамп с образованием AgJ, (д) УФ-отжиг органической фазы ПЛБ, (е) образование литографического рисунка из ансамблей наночастиц восстановленного серебра.

Этот принцип был положен в основу метода химической модификации ПЛБ с помощью мягкой гелевой литографии, разработанного автором диссертации (рис. 9). Метод основан на диффузии ионов из ПЛБ,

содержащей металлокомплексы ионофора, в гелевый штамп, содержащий или более сильный комплексообразователь, чем ионофоры ПЛБ, или анионы, образующие с ионом металла нерастворимую соль. В качестве модельной системы были использованы ПЛБ на основе дифильного макроциклического ионофора (дицетилциклена, ДЦЦ), образующего комплексы с ионами ряда переходных и благородных металлов (меди, свинца, серебра, и др.). Монослои-прекурсоры ДЦЦ формировали на поверхности водного раствора нитрата серебра и переносили на кремниевые подложки. На поверхность полученных ПЛБ помещали рельефный гелевый штамп из агарозы, сформированный из горячего водного раствора на поверхности шаблона из полидиметилсилоксана и затем насыщенный 0.1 М раствором Ы (рис. 9а-г), и выдерживали в течение нескольких часов во влажной атмосфере.

На рис. 10а приведена оптическая микрофотография ПЛБ после удаления гелевого штампа. Непрерывный рисунок, проявившийся на поверхности пленки в областях, находившихся в контакте со штампом и соответствующий геометрии рельефа его поверхности, имеет четкие границы. Изменение цвета пленки в месте контакта свидетельствует о протекании на этих участках химической реакции с образованием иодида серебра.

Рис. 10. Паттернированная поверхность ПЛБ ДЦЦ (21 монослой) на разных стадиях литографии, (а) Оптическое изображение ПЛБ после удаления гелевого штампа. Зоны контакта штампа и ПЛБ образуют непрерывный «сетчатый» геометрический рисунок; зоны пленки, не контактировавшие со штампом, имеют форму пятиугольников (б) СЭМ-изображение поверхности после УФ-отжига органической фазы, (в) ТЭМ-изображение участка поверхности с наночастицами серебра, образовавшимися в зонах, не контактировавших со штампом.

После удаления штампа прекурсоры подвергали УФ-обработке для удаления органической фазы (рис.9д). В зонах контакта после УФ-обработки не обнаружено материала пленки, гелевого штампа или частиц серебра, то есть, все содержавшееся в этих зонах серебро было удалено за счет диффузии ионов из ПЛБ в объем гелевого штампа и связывания их в нерастворимый иодид серебра (рис.106). При таком способе модификации диффузия гидратированных иодид-ионов в объем ПЛБ через гидрофобный барьер на

поверхности пленки и образование йодистого серебра в ПЛБ практически блокированы.

В зонах ПЛБ, не контактировавших с гелевым резервуаром, после удаления органической фазы образовались наночастицы восстановленного серебра (рис. 10в). Таким образом, в результате постадийной модификации ПЛБ на основе металлокомплексов ДЦЦ получен неорганический микропаттерн заданной геометрии из ансамблей наночастиц. Подобные паттерны представляют интерес в качестве каталитических и затравочных поверхностей для направленного роста неорганических и гибридных ансамблей.

Предложенный метод дает возможность осуществлять локальную химическую модификацию ПЛБ без нарушения структуры пленки за счет инициирования неравновесных диффузионных потоков на заданных участках поверхности и может рассматриваться как один из вариантов субстрат-индуцированной самоорганизации для систем такого типа. Простота, доступность, дешевизна и эффективность метода в сочетании с расширением композиционного спектра используемых ПЛБ открывает перспективы как для решения фундаментальных задач в области физикохимии ультратонких пленок, связанных с диффузией и неравновесными химическими реакциями в таких системах, так и для осуществляемого в мягких условиях литографического дизайна функциональных микро- и наноструктурированных поверхностей для сенсорики, микрофлюидики, оптики и других практических приложений ПЛБ.

Глава 4. Субстрат-индуцированная самоорганизация в химической ПЛБ-сенсорике. Часть 1. Влияние предорганизации на сенсорные характеристики ион-чувствительных ПЛБ макроциклического ионофора

В части 1 главы 4 приведен краткий литературный обзор по проблеме ион-чувствительных ПЛБ. Особое внимание уделено обсуждению взаимосвязи молекулярной структуры функциональных элементов, строения ПЛБ на их основе и аналитических параметров ПЛБ-хемосенсоров.

До настоящего времени общепринятый подход к созданию ПЛБ-сенсоров на основе наиболее эффективных комплексообразователей-макроциклических ионофоров основывается на стремлении к достижению максимальной плотности их упаковки в ПЛБ без учета изменения характеристик микроокружения активных групп при переходе от монослоя-прекурсора на поверхности жидкости к полислойной пленке на твердой подложке. Роль стерического фактора в распознавании в таких ПЛБ практически не рассматривается, несмотря на то, что способность к комплексообразованию для большинства макроциклических соединений в

26

значительной степени определяется пространственным соответствием, которое, в свою очередь, прямо влияет на рабочие характеристики и практическую ценность ПЛБ-сенсоров.

В рамках развиваемых в работе представлений о связывании катионов в ПЛБ как о самоорганизации элементов среды внутри упорядоченного шаблона, создание ПЛБ на основе макроциклических соединений требует контроля стерических условий, который можно обеспечить, задавая оптимальные плотность и тип упаковки функциональных структурных элементов еще в монослое-прекурсоре.

Важность этого похода была продемонстрирована на примере работы ион-чувствительных сенсоров на основе ПЛБ ДЦЦ в водных растворах солей переходных металлов (СиСЬ, №СЬ и 7пСЬ) с помощью методов пьезокварцевого микровзвешивания (ПКМ) электрохимической импедансной спектроскопии (СЭИ). Показано, что напряженность макроцикла возрастает при увеличении плотности молекулярной упаковки, что приводит к уменьшению как скорости комплексообразования с катионами из субфазы, так и устойчивости комплексов ДЦЦ в монослое. Причина наблюдаемого эффекта заключается в ограничении конформационного набора для замещенного циклического тетраамина вследствие влияния межфазной границы.

Рис.11, (а) Прирост массы 11-слойиой ПЛБ ДЦЦ, сформированной на поверхности кварцевого резонатора при ят=23 мН/м после выдержки в растворах СиСЬ. (б) Линейная калибровка сигнала СЭИ для 4-слойной ПЛБ, сформированной на поверхности золотого электрода при яг=23 (/) и 28 мН/м (2), в растворах СиСЬ, рН 6.0±0.05.

Эта закономерность сохраняется и в ПЛБ на основе ДЦЦ, сформированных переносом монослоев на твердые подложки при различных значениях поверхностного давления. Оптимальные аналитические характеристики были достигнуты для ПЛБ, сформированных при л=23 мН/м, которое отвечает наиболее благоприятной конформации макроцикла для связывания катионов в устойчивой конденсированной пленке (рис. 11 а, рис

116, зависимости 1). Величина отклика таких ПЛБ линейно зависит от логарифма концентрации ионов меди в анализируемом растворе в широком концентрационном диапазоне 10"8—10"3 М, что позволяет использовать их в качестве удобных и надежных сенсоров для количественного определения этого катиона в водных растворах.

Тем не менее, даже небольшое изменение давления переноса до лт=28 мН/м оказывает заметное влияние на величину отклика пленки, которая, несмотря на увеличение удельной концентрации ионофоров в более конденсированной ПЛБ, оказывается существенно ниже чувствительности ПЛБ, сформированных при меньшем поверхностном давлении (рис. 116, 2) ,

50 1К В 20 10 И 00 0 5 10 15 20

2", кП г", кО г", кО

Рис.12. Зависимость сигнала СЭИ от структуры 4-слойных ПЛБ, сформированных переносом монослоев при различных рН субфазы: (а) 5.8, (б) 4.8 и (в) 4.1. Сигнал измерен при выдержке ПЛБ в чистой воде (а-в, кривые /), 2пС1г (а, кривая 3), СиСЬ (а, б - кривые 4 и 3, соответственно), №СЬ (а и б - кривые 2, в - кривые 2-4). Концентрация солей металлов для (а, б) - 10"4 М, для (в) 10"8 (2), 10"6 и 10"4 М (3); рН 6.0±0.05 для всех измеренных растворов.

вследствие иммобилизации макроцикла в сенсорной мембране в конформации, неблагоприятной для прочного связывания катиона.

Способность ДЦЦ к комплексообразованию определяется не только плотностью упаковки в монослое, но и рН субфазы. Изменение этого параметра приводит к рН-индуцированной инверсии селективности ДЦЦ при связывании катионов меди(П) и никеля(И) в монослоях Ленгмюра (специфическое связывание катионов Си2+ соответствует диапазону 4.2<рН <7.6; ионов №2+- рН 4.2), которая была впервые выявлена на основании анализа изотерм сжатия и впоследствии подтверждена методом рентгеновской флуоресцентной спектроскопии ПЛБ ДЦЦ, полученных с поверхности соответствующих субфаз.

Чувствительность ПЛБ к тем или иным катионам также может быть запрограммирована в структуре монослоя-прекурсора путем варьирования рН субфазы. Для пленок, сформированных переносом монослоев на регистрирующую подложку при рН 5.8, была достигнута высокая селективность по отношению к ионам меди(И) по сравнению с ионами 2п2+ и М2+ (рис. 12а). По данным ПКМ ошибка измерения в присутствии мешающих

ионов в концентрации 5x10"3 М (для №С1 и КС1 до 0.1 М) в анализируемом растворе соли меди с концентрацией 10'6 М составила -5%. Константу связывания ионов меди ПЛБ ДЦЦ определяли по зависимостям С/Дтмакс от С, построенным на основании данных рис. 11а.

ПЛБ-мембраны, иммобилизованные на поверхности электродов при рН 4.8-5.0, способны связывать как ионы Си2+, так и ионы №2+ из индивидуальных растворов солей (рис. 126). Снижение рН субфазы до 4.1 позволяет сформировать ПЛБ-мембрану, для которой электрохимический отклик на ионы никеля пропорционален их концентрации в анализируемом растворе (рис.12в). Наблюдаемая зависимость селективности ПЛБ от рН, при котором она была сформирована, отвечает рН-зависимости селективности связывания в монослоях Ленгмюра на основе ДЦЦ, при этом селективность полученных ПЛБ практически не зависит от рН измеряемого раствора.

Таким образом, рН-индуцированное изменение конформации ДЦЦ фиксируется в ПЛБ, что и определяет селективность сенсора в контакте с водным раствором. Изменение конформации макроцикла объясняет и принципиальное различие электрохимического поведения ПЛБ в растворах хлоридов никеля и меди: с увеличением концентрации раствора: сопротивление пленки переносу заряда в растворе №СЬ уменьшается, а в растворе СиСЬ растет (ср. рис. 126 и 12в). Ионы №2+ координируются с макроциклом в копланарной конформации, образуя комплекс состава 1:1, аналогичный тому, что формируется в монослое Ленгмюра при низких рН субфазы. Для связывания ионов меди макроцикл должен принять конформацию искаженной пирамиды, при этом ион металла находится вне плоскости кольца. Такая конформация, зафиксированная в ПЛБ с плотно контактирующими гидрофильными группами соседних слоев, способствует образованию комплексов типа «сэндвич» состава 2:1, которые не образуются в монослоях Ленгмюра. Образование подобных комплексов приводит к «стягиванию» гидрофильных субслоев и снижению проницаемости пленки для редокс-системы.

Таким образом, предорганизация макроциклических лигандов в монослое Ленгмюра позволяет изменять их свойства и фиксировать эти изменения в ПЛБ на твердой подложке. Конформация лиганда с гибким циклом оказывает большее влияние на функциональные характеристики сенсора такого типа, чем количество лиганда в ПЛБ, которое в данном случае не является параметром, однозначно определяющим величину отклика. Поведение дифильных комплексообразователей при их иммобилизации в ПЛБ может отличаться от того, что имеет место в объеме растворов, но сохранять сходство с поведением таких лигандов в монослоях Ленгмюра. Тем не менее, тип связывания в ПЛБ и монослое Ленгмюра из одного и того же лиганда может различаться. Специфическая структура ПЛБ позволяет

29

реализовать такие типы связывания, которые могут быть недоступны для данного лиганда в монослое на поверхности жидкости.

Глава 4. Субстрат-индуцированная самоорганизация в химической ПЛБ-сенсорике. Часть 2. Количественное определение ионов кальция в водных растворах за счет неравновесной кристаллизации в ПЛБ с латеральной структурной анизотропией

Вторую часть четвертой главы открывает краткое обсуждение литературных данных, касающихся использования ПЛБ как реакционной или «затравочной» матрицы, в которой контакт с внешней средой «запускает» неравновесную реакцию с выделением продукта реакции в нерастворимой форме по заданному структурному шаблону.

Такой подход, базирующийся на управлении диффузией и распределением вещества внутри ПЛБ, может стать основной принципиально нового направления в области химической сенсорики с использованием тонких пленок. Отклик большинства ион-чувствительных мембран является результатом специфического связывания ионов активными компонентами (ионофорами или хелаторами). Количество введенного в систему ионофора лимитирует максимальную интенсивность отклика чувствительного элемента при достижении равновесия между пленкой и объемом раствора. Это ограничение можно преодолевать при выведении системы из равновесия за счет инициирования взаимосвязанных процессов: быстрой транспортировки катионов металла ионофорами в объем мембраны и последующей аккумуляции ионов металла в пленке в нерастворимой форме (в виде кристаллов или осадка), что высвобождает ионофоры для нового акта распознавания.

Рис 13. (а) Структурная формула 1,2-бис-(2-аминофенокси)этан-Н1Ч,>1,Ы-тетрауксусной кислоты (БАФТУ), (б) Зависимость прироста массы 17-слойных смешанных ПЛБ-мембран от концентрации СаСЬ в водном растворе. Данные приведены для ПЛБ, сформированных на поверхности пьезокварцевых резонаторов при поверхностном давлении 32 мН/м и выдержанных в растворах хлорида кальция 5 минут (1) и ПЛБ, перенесенных при поверхностном давлении 22-23 мН/м и выдержанных в растворах СаСЬ в течение 10 (2) и 40 с (3), 1.5 (4) и 5 мин (5).

Эта идея была реализована на примере ультратонкой чувствительной ПЛБ-мембраны для определения ионов кальция на основе ОДА и БАФТУ, селективного водорастворимого ионофора для ионов кальция (рис. 13а), иммобилизация которого в монослое-прекурсоре достигается за счет образования ионных пар между аминогруппами ОДА и карбоксильными группами БАФТУ. ПЛБ из смешанных монослоев формировали при лг <34 мН/м на субфазах с рН 7.0-7.2 и переносили на различные регистрирующие подложки.

Методом ПКМ показано, что чувствительность полученных ПЛБ-сенсоров к присутствию катионов в водных растворах с различной концентрацией СаСЬ прямо зависит от величины ят. Пленки, сформированные при л-г>28 и ят<20, слабо чувствительны к присутствию кальция вследствие потери водорастворимого БАФТУ при сжатии монослоя на поверхности жидкости (рис. 136, 1) или при контакте рыхлой ПЛБ с анализируемым раствором, соответственно. Наибольшей чувствительностью и малым временем отклика отличаются смешанные ПЛБ, сформированные в узком диапазоне значений Ят=22-23 мН/м с коэффициентом переноса 0.92 (рис. 136, 2-5). Увеличение массы таких пленок после выдержки в растворе СаСЬ в течение 10 секунд линейно зависит от логарифма концентрации соли кальция в достаточно широком диапазоне — от 10"' до 10"8 М (136, 2).

Эффективность связывания кальция смешанными ПЛБ была рассчитана на основании изменения массы ПЛБ после выдержки в растворах соли (рис.136, 2) как молярное отношение концентрации БАФТУ в ПЛБ к концентрации связанного пленкой кальция с учетом двух координационных молекул воды. Согласно расчетам, количество связанных пленкой ионов Са2+ значительно превышает число молекул БАФТУ: например, из раствора с концентрацией 10"8 М ПЛБ связывает катионы в соотношении 4.2:1, а из I О"3 М- 12.5:1.

Рис.14, (а) Оптические микрофотографии поверхности 17-слойных ПЛБ на основе ОДА/БАФТУ после выдержки в растворе СаСЬ (10"4 М) в течение 10 с и (б) на основе ОДА, выдержанные в растворе с концентрацией 10"2 М в течение 5 мин.

По данным оптической микроскопии, катионы, аккумулированные в ПЛБ, выделяются в виде линейных ансамблей нерастворимых кристаллитов по всей площади пленки (рис. 14а).

Поскольку кристаллизация катионов возможна только в виде гидроокиси (комплекс БАФТУ-Са2+ водорастворим), можно предположить, что кристаллизация протекает в зонах, в которых создается избыток гидроксид-ионов за счет протонирования ОДА при взаимодействии с водным раствором, а линии кристаллизации «декорируют» границы доменов в пленке. При этом присутствие ионофора в ПЛБ также необходимо для кристаллизации, которая не может быть инициирована в ОДА-обогащенных областях непосредственно из раствора, поскольку кристаллиты не образуются в ПЛБ из чистого ОДА после их выдержки в растворе СаС12 с концентрацией 10"2 М даже в течение 5 минут (рис. 146).

Был предложен механизм связывания ионов кальция смешанными ПЛБ, который учитывает неоднородную структуру пленки, сочетающую в себе домены, обогащенные БАФТУ, и домены, состоящие преимущественно из дифильного основания ОДА (рис. 15).

Рнс. 15. Схематическое изображение механизма связывания ионов кальция смешанной ПЛБ на основе ОДАЛ>АФТУ (приведено изображение одного из гидрофильных субслоев, образованного аминогруппами и молекулами хелатора и части гидрофобного субслоя, образованного алкильными цепями ОДА), (а) Ионы кальция диффундируют в пленку из раствора и транспортируются вдоль зон, обогащенных БАФТУ, к областям локализации ОДА, протонированного в результате контакта с анализируемым раствором, (б) Образование центров кристаллизации гидроксида кальция (нуклеация) в зонах с локальным избытком гидроксид-ионов высвобождает молекулы БАФТУ от связанных ионов металла, что вызывает обеднение транспортных областей, граничных с зоной нуклеации. (в) Это, в свою очередь, инициирует перенос кальция вдоль областей ОДА/БАФТУ и возобновляет поток ионов металла из контактного раствора, (г) "Конвейерный" перенос ионов поддерживает рост кристаллов до тех пор, пока не установится равновесие между пленкой и раствором.

Механизм описывает работу мембраны как "молекулярного химического насоса", которые доставляет катионы из раствора вдоль зон, обогащенных хелатором, к растущим кристаллам в зонах с избытком ОДА. I

Аналогичные результаты были получены для ПЛБ-мембран при измерениях методом СЭИ и с помощью оптического метода - спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса (СППР), позволяющей записывать кинетические кривые адсорбции или связывания вещества с поверхностью ППР-пластины в режиме реального времени. Сигнал СППР (изменение угла ПНР) пропорционален количеству адсорбировавшегося/десорбировавшегося с поверхности вещества.

Рис. 16 (а) Кинетика адсорбции ионов кальция 6-слойными ПЛБ на основе ОДА/БАФТУ из растворов СаСЬ с концентрацией соли 10~8 М (1), 10"6 М (2), 10"4 М (3) и 10"2 М (4). Изменение интенсивности отраженного света во времени измерялось непрерывно при фиксированном угле падения (6=64°). (б) Калибровка сигнала поверхностного плазмонного резонанса в диапазоне концентраций раствора СаСЬ 1 (Г8- КГ2 М при времени контакта мембраны и анализируемого раствора, равном 10 с.

Ход кинетических кривых, полученных методом СППР соответствует предложенному механизму: участки кривых с малым наклоном к оси абсцисс отвечают быстрой диффузии ионов в мембрану и началу образования центров кристаллизации, а росту кристаллов соответствует медленно возрастающая часть кинетических кривых (рис. 16а). Калибровка СППР-сигнала для времени контакта, равного 10 с, также дает линейную зависимость (рис. 166).

Механизм отклика ПЛБ-сенсора обуславливает его высокую селективность в отношении катионов кальция, что позволяет определять кальций в фоновом 0.1 М растворе NaCl при рН 7.2, то есть, в условиях, близких к физиологическим (см. таблицу). Полученные результаты имеют большое практическое значение и открывают возможность для разработки биохимических сенсоров на основе ПЛБ-мембран для быстрого определения кальция в биологических жидкостях in vitro.

В работе были определены основные аналитические параметры ПЛБ-сенсора (предел обнаружения, точность и др., см. [9] в списке публикаций). Предложенный подход к созданию чувствительных ПЛБ-мембран может

служить основой для разработки и других типов сенсорных ПЛБ, допированных различными производными ЭДТА или других ионофоров, специфичными к определяемым веществам.

Таблица. Влияние природы катиона металла на интенсивность отклика масс-чувствительных элементов на основе смешанных ПЛБ_

[соль металла], 1.00х10"3М СаСЬ ВаСЬ месь №С1 КС1

Прирост массы (Дт), нг 827 58 72 24 8

Можно заключить, что традиционное представление о том, что взаимодействие пленок Ленгмюра-Блоджетт с внешней средой соответствует однородному распределению вещества в упорядоченной матрице с образованием стабильной структуры, является неполным. Подход к описанию таких взаимодействий в рамках модели субстрат-индуцированной самоорганизации элементов среды в неравновесные структуры мог бы стать основой для применения ПЛБ в конструировании сложных сенсорных систем, например, затравочных матриц для контролируемого инициирования неравновесных процессов сборки иерархически упорядоченных систем.

Глава 5. Субстрат-индуцированная самоорганизация в композитных структурах на основе пленок Ленгмюра-Блоджетт: кооперативная самосборка рибонуклеотидов в двойные плоскости на пленарных матрицах производных 2п2+-циклена.

В кратком литературном обзоре обсуждаются примеры самосборки супрамолекулярных структур в объеме водных растворов и в монослоях Ленгмюра. Проводится анализ возможных подходов к созданию так называемых открытых структур (т.е. структур с функциональными группами, ориентированными во внешнюю среду) на твердой поверхности для реализации кооперативной самоорганизации планарных систем за счет координационных и водородных связей в водных средах

Разработка подхода к созданию стабильной открытой структуры на основе монослоев Ленгмюра-Блоджетт связана с необходимостью решения двух основных проблем. Во-первых, это проблема термодинамической неустойчивости ПЛБ, в которых углеводородные радикалы обращены к поверхности, а гидрофильные группы доступны для распознавания и обращены во внешнюю (водную) среду. Как правило, такие структуры разрушаются еще в процессе формирования. Во-вторых, это проблема свободного объема головных групп - отсутствие их пространственной фиксации приводит к изменению ориентации активных центров, заданной в монослое Ленгмюра, в пленке на твердой поверхности. Преодолеть эти проблемы позволяет методика, предложенная автором работы, которая основана на стабилизации взаимопроникающей бислойной структуры за счет

гидрофобных взаимодействий алкильных радикалов. Этот принцип хорошо известен в коллоидной химии, но до настоящего времени применялся только для модификации и стабилизации коллоидных частиц в объеме растворов. Предорганизованные монослои Ленгмюра предложено иммобилизовать на разреженных САМ алкантиолов (рис.17). Бислойная структура обеспечивает термодинамическую стабильность ПЛБ Х-типа с объемными гидрофильными группами, обращенными к гидрофобной воздушной фазе, позволяет зафиксировать их взаимную ориентацию и избежать фазового разделения компонентов.

Эффективность предложенного подхода была продемонстрирована на примере композитных матриц моно- и бис-циклических производных циклена и его металлокомплексов с ионами цинка, которые обладают активностью в отношении ряда анионов, таких, например, как фосфаты и имиды (рис. 17, схема). Стабильность слоев композитных матриц макроциклических соединений при их последовательной фиксации на твердой поверхности была подтверждена методами СППР и ЦВА. В первом случае измеряли изменение угла ППР (рис. 17а), во втором - уменьшение величины заряда, перенесенного через поверхность электрода (рис.176), соответственно.

I НН^р^СНз

я 2000 = 1600

J 1200

s.

Б 800

400 600

62 64 Угол. град.

Е, MB

Рис. 17. (вверху) Схематическое изображение структуры композитной матрицы из монослоя Ленгмюра-Блоджетт на основе 7гг\ЩЩ на разреженном самоорганизованном монослое октантиола на поверхности золота, (а) Изменение угла ППР (Х=670 нм) и (б) вольтамперные характеристики системы (редокс 0.5 М КС1/1 мМ (Те(СМ)б]2"/1 мМ |Ре(С>Г)б]3~) при формировании САМ/ПЛБ 2п2+-БЦ. Номера кривых в обоих случаях соответствуют поверхности чистого золота (1) и поверхности с последовательно нанесенными: САМ октантиола (2) и монослойной ПЛБ 2п2+-БЦ (5).

Полученные САМ/ПЛБ были использованы для изучения селективного связывания соединений, содержащих имидную группу, неорганических фосфат-анионов №гНР04 и МаНгРО.!, а также 5'-рибонуклеотидов из водных растворов методом СППР.

Сродство к фосфат-дианиону позволяет использовать производные 2п2+-циклена для связывания мононуклеотидов на поверхности САМ/ПЛБ, что, в свою очередь, предоставляет потенциальную возможность для высокоспецифичного синтеза латерально-упорядоченных структур за счет образования комплементарных водородных связей между нуклеотидами, усиленных по сравнению с объемом водного раствора за счет резкого градиента диэлектрической проницаемости среды на межфазной границе.

Взаимодействия 5'-рибонуклеотидов и их компонентов с активными планарными матрицами 2п2+-ДЦЦ подробно описаны Д. С. Турыгиным в кандидатской диссертации, выполненной под руководством автора данной работы.'61 Была впервые осуществлена иммобилизация аденозин- и уридин-содержащих рибонуклеотидов с разным числом фосфатных групп на матрицах 2п2+-ДЦЦ и показано, что связывание происходит за счет моновалентной координации концевых фосфатных групп нуклеотидов на макроциклических металлокомплексах. При этом нуклеооснования остаются экспонированными в раствор и доступными для простых взаимодействий с комплементарными партнерами в соотношении 1:1.

Наибольшее развитие предложенный подход получил при реализации кооперативной самоорганизации 5'-рибонуклеотидов четырех основных семейств (аденинозин-, гуанозин-, уридин- и цитидин-фосфатов с числом фосфатных групп от 1 до 3; далее в тексте обозначаются как 5'-АХФ, 5'-ГХФ, 5-УХФ и 5'-ЦХФ, где Х- число фосфатных групп) на композитных матрицах САМ/ПЛБ на основе бис-циклического металлокомплекса 2п2+-БЦ. Связывание нуклеотидов на поверхности осуществляли непосредственно в СППР-ячейке путем последовательной замены исследуемых растворов с одновременной записью кинетических кривых адсорбции.

В результате проведенных исследований была выявлена кооперативная самосборка сочетаний 5'-рибонуклеотидов, комплементарных по Уотсону-Крику, в «двойные плоскости» - однородные бислои, состав которых определяется правилами Чаргаффа.

На рис. 18а представлена типичная СППР-сенсограмма для последовательной адсорбции комплементарного сочетания 5'-ЦТФ/5'-ГТФ/5'-ЦТФ. Как видно из рисунка, кинетика первичного связывания 5'-ЦТФ на поверхности САМ/ПЛБ и кинетика адсорбции 5'-ГТФ на уже сформированном слое 5'-ЦТФ существенно различаются. Максимальная величина СППР-отклика Д©2 на стадии вторичной адсорбции составляет около 2хД0|. Полученный результат указывает на то, что на одну молекулу

36

5'-ЦТФ в первичном адсорбционном слое на поверхности САМ/ПЛБ приходится не одна, как можно было ожидать для взаимодействия комплементарных оснований, а две молекулы 5'-ГТФ. По окончании двухстадийной адсорбции матрица способна к повторному связыванию 5'-ЦТФ, при этом величина А@з практически совпадает с величиной Д01, что соответствует связыванию Ц-нуклеотида с половиной присутствующего на

100 200 ( / МИН--

В)

100 150 ( /мин

О 100 200 300

(/мин —

Рнс.18. (а) Сенсограмма СППР для активной матрицы САМ/ПЛБ Zn(II)-BLÍ при последовательном добавлении в контактный раствор 5'-ЦТФ/5'-ГТФ/5'-ЦТФ. (б) Сенсограммы СППР для последовательной адсорбции некомплементарной пары 5'-ЦТФ/5'-АТФ. (в) Ход кинетических кривых для каждой из стадий (рис. 18а) в полулогарифмических координатах, (г) Кинетическая картина адсорбции синтетического нуклеотида 5'-(С1)АМФ на темплатном слое 5-УДФ. Концентрация растворов нуклеотидов 2 мМ, рН 7.5±0.05.

поверхности комплементарного Г-нуклеотида. По окончании третьей стадии система стабилизируется, и последующее добавление любого нуклеотида в раствор не приводит к заметному росту СППР-сигнала. Промывание измерительной ячейки чистой водой с тем же значением рН не вызывает и десорбции вещества с поверхности, что указывает на стабильность полученных структур. Введение нуклеотидов в раствор в обратной последовательности (Г-Ц-Г) дает аналогичную кинетическую картину.

Сходные кинетические зависимости связывания нуклеотидов с поверхностью САМ/ПЛБ Zrr -БЦ были получены для комплементарных сочетаний нуклеотидов четырех основных семейств (А-У и Г-Ц, соответственно) с различным числом фосфатных групп. При замене нуклеозид трифосфатов на соответствующие ди- или монофосфаты величина

отклика уменьшается пропорционально изменению молекулярной массы нуклеотидов. С помощью пошаговой компьютерной оптимизации экспериментальных CI II IP-кривых в рамках 5-фазной модели Френеля (программа Winspall™) была произведена оценка средней геометрической толщины д адсорбционных слоев комплементарных 5'-нуклеозидтрифосфатов, составившая —3.2-3.4 нм. Эта величина отвечает модели «идеального» плотного бислоя, в котором нуклеотиды ориентированы перпендикулярно поверхности подложки. Последовательные измерения изменения шероховатости поверхности с увеличением числа слоев методом АСМ дают величину д ~2 нм, которая соответствует представлению о рыхлом бислое, молекулы в котором имеют высокую конформационную свободу и располагаются под углом <90° к твердой поверхности.

Описанные кинетические закономерности самосборки характерны исключительно для сочетаний рибонуклеотидов, комплементарных по Уотсону-Крику. Последовательная адсорбция некомплементарных и неканонических сочетаний нуклеотидов (А-Ц, А-Г, Ц-У и Г-У) на матрице САМ/ПЛБ приводит к образованию нестабильного верхнего слоя, взаимодействия компонентов в котором недостаточно сильны, чтобы обеспечить его устойчивость в токе воды. На рис. 186 приведена типичная кинетическая картина такого связывания для адсорбции 5'-АТФ темплатным монослоем 5'-ЦТФ. Для этой системы Д©2«Л©1, при этом адсорбированный 5'-АТФ легко удаляется водой с поверхности темплатного слоя, а 111IP-сигнал снижается до прежнего значения A©i. Сходное поведение было выявлено для всех некомплементарных комбинаций, независимо от порядка введения нуклеотидов в раствор.

Таким образом, связывание нуклеотида поверхностью активной супрамолекулярной матрицы приводит к усилению последующего связывания другого нуклеотида из раствора только в случае комплементарных сочетаний нуклеотидов, что указывает на высокоспецифичный и кооперативный характер этих взаимодействий. Этот вывод находит подтверждение при графическом анализе кинетических кривых последовательной адсорбции комплементарных нуклеотидов в полулогарифмических координатах \п(0^0) -время (рис. 18в). Формирование темплатных слоев А-, Г-, и У-фосфатов подробно обсуждается в диссертации и отвечает модели адсорбции Ленгмюра, в рамках которой были рассчитаны константы скорости образования темплатных слоев в интервале 90-102 х 10"4с"', с переходом к процессу с нулевым порядком, типичному для гетерогенных реакций. Этот механизм образования темплатного слоя не реализуется в случае Ц-нуклеотидов (рис. 18в, 1). Первичная адсорбция Ц-нуклеотидов не удовлетворяет уравнению реакции псевдо-первого порядка и носит слабовыраженный кооперативный

38

характер вследствие их наиболее высокой основности среди изученных нуклеотидов, которая обуславливает взаимодействие Ц-основания со вторым макроциклом (природа этого взаимодействия объясняется ниже при обсуждении данных потенциометрического титрования лиганда). Скорость адсорбции Ц-нуклеотидов на поверхности активной матрицы, формально определенная по начальному линейному участку, составляет ~188 х 10"4с"'.

Тем не менее, кинетические кривые вторичной адсорбции в этих координатах сходны для всех комплементарных пар и представляют собой выраженные сигмоиды (рис 18в, 2). Такая форма кинетической кривой не типична для адсорбционных процессов, однако, она характерна для кооперативных взаимодействий с участием природных соединений сложного строения. В предположении о необратимости наблюдаемого процесса при данных условиях, порядок реакции п для этой стадии связывания нуклеотидов на поверхности может быть формально определен подбором показателя степени при спрямлении кинетических кривых в координатах I/©"1-/. Порядок реакции, вычисленный таким образом для различных сочетаний нуклеотидов, составляет 1.5-1.7, что также нехарактерно для простых реакций, протекающих на поверхности.

Повторная адсорбция темплатного нуклеотида может быть аппроксимирована линейной зависимостью, соответствующей адсорбционной модели Ленгмюра, для всех исследованных систем.

= аденин О 3 рибоза , <

■0 = урацил

фосфат

Рис.19. Схема механизма кооперативной самоорганизации нуклеотидов на активных пленарных матрицах 7пШ)-БЦ: (а) связывание темплатного нуклеотида с металлоцентром, (б) образование комплементарной пары и кооперативная атака концевым фосфатом на второй металлоцентр, (в) образование нижнего комплементарного слоя и (г) достройка «двойной плоскости» с образованием верхнего комплементарного слоя.

Кооперативность кинетики вторичной адсорбции комплементарного нуклеотида на темплатном слое представляет собой наиболее сложный аспект изученного процесса с точки зрения его адекватной интерпретации в терминах молекулярных взаимодействий. Дополнительная информация о

механизме вторичной адсорбции была получена с помощью ингибирования этой стадии с помощью уридин-5'-монофосфата (УМФ). Кинетика адсорбции 5'-УМФ на активной матрице сходна с кривыми первичной адсорбции нуклеотидов с большим числом фосфатных групп из растворов с той же концентрацией. Тем не менее, связывание 5'-УМФ с поверхностью приводит к полной инактивации матрицы по отношению к последующей адсорбции нуклеотидов группы аденина. Инактивация достигается за счет одновременного внутримолекулярного двухцентрового связывания 5'-УМФ молекулой Zn2+-БЦ, бивалентной по отношению к имидной и фосфатной группам нуклеотида. Оба макроцикла и концевые группы нуклеотида, взаимодействующие по принципу «ключ-замок», становятся недоступны для специфических взаимодействий с молекулами из раствора. Таким образом, для связывания комплементарного нуклеотида с поверхностью нуклеооснования темплатного слоя должны оставаться доступными для образования комплементарной пары.

На основании проведенных кинетических исследований был предложен механизм последовательного связывания комплементарных 5'-рибонуклеотидов с поверхностью супрамолекулярной матрицы (рис. 19.) На первой стадии концевая фосфатная группа 5'-рибонуклеотида координируется на один из двух макроциклических фрагментов 2п2+-БЦ (рис.19а). Вторая стадия (рис. 196, в) протекает путем взаимодействия нуклеооснований темплатного нуклеотида и его комплементарного партнера из раствора. Образование комплементарной пары сопровождается связыванием концевого фосфата комплементарного партнера на соседнем макроцикле, что и придает процессу кооперативный характер. Вклад относительно слабых взаимодействий между нуклеооснованиями в энергию образования интермедиата из двух нуклеотидов и рецептора должен быть ниже, чем вклад прочной, сильно поляризованной связи между координированным ионом металла и концевым остатком фосфоэфира. Образование и распад комплементарной пары находятся в динамическом равновесии, и высвобождение темплатного нуклеотида из уже существующей пары позволяет образовать новую, со второй молекулой нуклеотида из раствора. Стекинговые взаимодействия в триплете нуклеотидов могут быть сильнее, чем в паре, и дополнительно стабилизировать тримолекулярный ансамбль. Наконец, повторное добавление в раствор темплатного нуклеотида позволяет завершить структуру «зеркального» димера как элемента «двойной плоскости» из равного числа комплементарных нуклеотидов (рис.19г). Эта цепочка последовательных актов молекулярного распознавания приводит к образованию системы, в которой число пуриновых оснований равно числу

пиримидиновых в структуре в целом и в каждой из «плоскостей» по отдельности.

Предложенный механизм позволяет объяснить кинетические закономерности адсорбции комплементарных пар нуклеотидов на поверхности САМ/ПЛБ, но не отвечает на вопрос о химической природе кооперативности и селективности самосборки.

Ответ на первый вопрос был получен с помощью потенциометрического титрования аналога с коротким заместителем, которое показало, что оба цикла при данном значении рН химически не эквивалентны: один из них координирует молекулу воды, другой-гидроксид-анион (схема 1).

нуклеотид

2п(Н)-БЦ : рН » 7.5

Схема 1. Предполагаемый механизм взаимодействия концевых фосфатных групп нуклеотидов с бис-циклическим рецептором при различных значениях рН. Схема построена на основании данных потенциометрического титрования метилзамещенного 2п(Н)-БЦ в водном растворе, выполненного в лаборатории физической органической химии проф. Б. Кенига (Университет Регенсбурга, Германия).

Связывание первого нуклеотида протекает через замещение молекулы воды с образованием координационной связи между фосфатной группой и металлокомплексом, но другой макроцикл остается связан с гидроксид-ионом. Замена именно этого заряженного лиганда на концевой фосфатный фрагмент второго нуклеотида и требует «ассистирования» (дополнительной стабилизации) для нуклеофильной атаки в интермедиате.

Вопрос о природе селективной стабилизации бислоя комплементарных нуклеотидов имеет особое значение, поскольку изучаемый процесс протекает в водной среде, где различия в энергии связей между комплементарными и некомплементарными основаниями настолько малы, что не определяются достоверно даже с помощью самых современных методов. С другой стороны, стабилизация интермедиата сильными стекинговыми взаимодействиями противоречит экспериментальным данным - некомплементарные слои между неканоническими парами (А-Г, Г-А), в которых стекинговые взаимодействия наиболее сильны, легко разрушаются в токе воды. Можно предположить, что пренебрежимо малые различия в энергии водородных связей комплементарных и некомплементарных пар в объеме раствора, возрастают вблизи поверхности, покрытой организованной жироподобной пленкой, так, что позволяют системе селективно «различать» более стабильные комплементарные пары по Уотсону-Крику.

Рнс.20. Кинетическая картина образования бислоев нуклеотидов на активных матрицах САМ/ПЛБ 2п(П)-БЦ в кислой среде, рН 6.0±0.05. (а) Сенсограмма СППР для последовательной адсорбции 5'-УТФ/5'-АТФ/. (б) Сенсограммы СППР для последовательной адсорбции некомплементарной пары 5'-АТФ/5'-ГТФ. Концентрация растворов нуклеотидов 2 мМ.

Ключевую роль водородных связей в селективности самосборки «двойных плоскостей» нуклеотидов наглядно иллюстрирует система, в которой для вторичной адсорбции был использован 5-(С1)АМФ с модифицированным пуриновым основанием, в котором аминогруппа аденина замещена атомом хлора (рис. 18г). Такой нуклеотид структурно близок к 5-АМФ, при этом он не способен к образованию водородных связей, но, в то же время, способен к взаимодействию с комплементарными У-нуклеотидами за счет ароматического стекинга. Тем не менее, и в этом случае стекинговые взаимодействия не приводят к стабилизации структуры бислоя. Кинетическая кривая вторичной адсорбции сходна с теми, что были получены для некомплементарных сочетаний, и модифицированный нуклеотид легко удаляется с поверхности темплатного слоя 5-УДФ при

промывке водой. Этот результат означает, что самосборка нуклеотидов в «двойные плоскости» критически зависит от соблюдения химического и стерического соответствия нуклеооснований, и способность этих оснований к образованию комплементарных пар посредством водородных связей является фундаментальной основой наблюдаемой специфичности.

Справедливость этого заключения подтверждается зависимостью характера самосборки от рН среды. Как следует из схемы 1, в кислой среде оба металлокомплекса с координированными молекулами воды химически эквивалентны, что потенциально позволяет двум темплатным молекулам нуклеотида занять одну молекулу рецептора уже на стадии первичной адсорбции. В результате, кооперативные взаимодействия при вторичной адсорбции окажутся подавленными.

Действительно, при рН 6.0 адсорбция 5-УТФ приводит к двукратному увеличению ПНР-сигнала по сравнению со значением А©ь измеренным при рН 7.5 (рис. 20а). Это превышение отвечает связыванию одной молекулой рецептора двух идентичных молекул нуклеотида. Вторичное распознавание на поверхности темплатного слоя в кислой среде протекает неселективно, при этом стабильность бислоя зависит от природы добавляемого нуклеотида. Для сочетания А-У нуклеотидов величина Д©2, измеренная при вторичной адсорбции, очень близка к Д©1 независимо от порядка введения нуклеотидов в контактный раствор, что соответствует связыванию комплементарных соединений в соотношении 1:1, при этом полученные бислои стабильны в токе воды. Вторичная адсорбция других некомплементарных молекул в большинстве случаев приводила к росту сигнала до значения, составляющего '/г Д©1, что отвечает связыванию нуклеотида из раствора с молекулами темплатного слоя в соотношении 1:2 (рис. 206). Некомплементарные слои,

Схема 2. Возможные типы распределений водородных связей в бислоях 5'-рибонуклеотидов на поверхности активных матриц САМ/ПЛБ 7п(П)-БЦ.

темплатный слой

адсорбированные на А- или У-темплатных слоях, стабильны в водном растворе в течение длительного времени, в то время как с поверхности Г-темплатного слоя они десорбируются в токе воды.

«Посадка» любого нуклеотида на поверхность темплатного слоя нуклеотидов в кислой среде определяется «шаблоном» сетки водородных связей, который формируется в темплатном слое. Этот принцип проиллюстрирован на примерах, приведенных на схеме 2. Димер из двух молекул У-нуклеотида на одном рецепторе гп2+-БЦ может связать две молекулы АТФ со стабилизацией тетрамера стекинговыми взаимодействиями, а темплатные слои Г- и А-нуклеотидов позволяют связать лишь по одной молекуле У- и Г-нуклеотида и не обеспечивают стабилизации образующихся тримеров.

Таким образом, молекулярная структура рецептора и состав среды определяют кинетику самосборки и строение бислоев нуклеотидов, образующихся на поверхности. При фиксированном рН раствора в слабощелочной области (рН 7.5-7.6) механизм сборки зависит от строения рецептора. Бис-циклическая структура 2п2+-БЦ в этих условиях задает самоорганизацию двойных плоскостей нуклеотидов, комплементарных по Уотсону-Крику, в строгом соотношении в соответствии с правилами Чаргаффа — каждая плоскость, которая состоит из равного числа пуриновых и пиримидиновых оснований, представляет собой «зеркальную» копию другой. Строение «двойной плоскости» зависит от кислотности среды. Специфичный кооперативный характер самоорганизации, проявляющийся при рН 7.5, сменяется некооперативным и неселективным при подкислении раствора.

Стабильность бислоев нуклеотидов при кооперативной самосборке прямо зависит от природы оснований, и только их сочетания по Уотсону-Крику способны обеспечить достаточную стабилизацию системы. Очевидной аналогией полученному результату может служить зависимость стабильности двойной спирали ДНК от ее состава, нарушение которого приводит к дестабилизации определенных участков или всей структуры, в зависимости от числа некомплементарных замен. Кооперативная самосборка на супрамолекулярной матрице не требует жестких или специфических условий и протекает при физиологических значениях рН. Эта простота кооперативной самоорганизации, протекающей через каскад поверхностных реакций, ее специфичность и относительная лабильность, а также новизна обнаруженных эффектов в совокупности позволяют определить описанный в данном разделе процесс и методологию его реализации как принципиально новый биомиметический подход к супрамолекулярному синтезу наносистем и супрамолекулярной сенсорике с использованием открытых планарных наноразмерных структур нового типа.

выводы

1. Разработана универсальная стратегия создания микро- и наноструктурированных планарных систем, использующая субстрат-индуцированную самоорганизацию в монослоях Ленгмюра и пленках Ленгмюра-Блоджетт. В рамках этой стратегии сформулированы основные принципы управления структурно-химической организацией и функциональными характеристиками упорядоченных ультратонких пленок.

2. Выявлен и изучен эффект спонтанного разрушения в конденсированных смешанных монослоях Ленгмюра, инициированного неравновесным динамическим контактом с твердой поверхностью. Показано, что неравновесная 20-30 субстрат-индуцированная конденсация монослоев приводит к самоорганизации линейно-упорядоченных структурных рисунков (ПЛБ-паттернов) на твердой поверхности. Установлена зависимость морфологии ПЛБ-паттернов от скорости и поверхностного давления переноса и предложены механизмы самоорганизации для основных типов полученных структур. Изучена релаксация ПЛБ-паттернов с образованием двумерных сетчатых структур и продемонстрирована возможность их дальнейшей модификации в растворах солей металлов.

3. Впервые обнаружена субстрат-индуцированная конденсация смешанных кислотно-основных монослоев Ленгмюра с образованием стабильных двумерных коллоидных гелей на поверхности водных коллоидных растворов. Показано, что изменение спектрального поведения двумерного геля, содержащего наночастицы золота, во времени определяется его морфологическими характеристиками. Продемонстрировано разрушение коллоидного геля на планарном субстрате, которое приводит к образованию сегрегированной структуры с неравновесной морфологией.

4. Реализован подход к созданию латерального функционального микрорисунка в пленках Ленгмюра-Блоджетт путем их химической модификации с помощью мягкой гелевой литографии. Определены условия формирования гелевых штампов и параметры процесса литографии на примере металлсодержащих ПЛБ дифильного макроциклического ионофора - дицетилциклена. Показано, что с помощью предложенного метода можно получать гибридные полислойные структуры с заданной латеральной геометрией и различным химическим составом участков ультратонкой пленки.

5. Сформулированы основные принципы рационального дизайна ПЛБ -хемосенсоров на основе конформационно-гибких

45

макроциклических ионофоров. Показано, что чувствительность и селективность ультратонких пленок дицетилциклена при связывании Cu(II), Ni(II) и Zn(II) в водных растворах прямо зависит от структурной предорганизации полислойной пленки.

6. Получены селективные смешанные ПЛБ-мембраны на основе матричного основания и селективного комплексообразователя, обладающие неоднородной латеральной структурой и способные связывать катионы кальция из водных растворов. Установлено, что такая структура обеспечивает согласованное протекание процессов селективного распознавания, латерального транспорта и распределения ионов в предорганизованной структуре ПЛБ с образованием нерастворимой гидроокиси. Выявленный механизм функционирования ион-чувствительной мембраны позволяет создавать ультратонкие сенсорные элементы с малым временем отклика (10 секунд), высокой чувствительностью и точностью определения катионов кальция в водных средах в широком диапазоне концентраций 10"8-10'2 М, в том числе, в условиях, близких к физиологическим.

7. Разработан новый подход к созданию открытых планарных структур на основе САМ алкантиолов и однослойных ПЛБ из синтетических макроциклических рецепторов. Изучено молекулярное распознавание ионов, функциональных групп и биологически активных молекул активными композитными матрицами САМ/ПЛБ на основе производных металлокомплексов циклена. Впервые реализована и исследована кооперативная самосборка планарных супрамолекулярных структур («двойных плоскостей») из мономерных 5'-рибонуклеотидов на поверхности активных матриц бис-циклических металлокомплексов циклена. Продемонстрирован селективный характер самоорганизации в отношении комплементарных пар нуклеотидов по Уотсону-Крику, указывающий на более высокую устойчивость этих сочетаний по сравнению с некомплементарными парами вблизи межфазной границы в водной среде.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Riegler Н., Spratte К. Structural changes in lipid monolayers during the Langmuir-Blodgett transfer due to substrate/monolayer interactions //Thin Solid Films. - 1992. -T. 210. -C. 9-12

2. Raudino A., Pignataro B. Switching direction of laterally ordered monolayers induced by transfer instability //The Journal of Physical Chemistry B. - 2007. - Т. 111. - №. 31.-C. 9189-9192.

3. Lee Y. L., Yang Y. C., Shen Y. J. Monolayer characteristics of mixed octadecylamine and stearic acid at the air/water interface //The Journal of Physical Chemistry B. -2005. - Т. 109. - №. 10. - C. 4662-4667.

4. Goodrich F. С. Proceedings of 2nd International Congress on Surface Activity //Т. I. - 1957.-C. 85.

5. Chen X. et al. Langmuir-Blodgett patterning: a bottom-up way to build mesostructures over large areas //Accounts of chemical research. - 2007. - T. 40. -№. 6.-C. 393-401.

6. Турыгин Д. С. Молекулярное распознавание рибонуклеотидов на пленарных матрицах дифильных металлокомплексов циклена://Дисс. канд. хим. наук, ИФХЭ РАН, Москва. - 2009.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Калинина М. А., Арсланов В. В., Царькова Л. А., Рахнянская А.А. //Монослои Ленгмюра из алкилированных тетраазацикленов на поверхности воды// Коллоидный журнал. 2000. Т. 62. С. 610-615.

2. Калинина М. А., Арсланов В. В., Царькова Л. А., Должикова В.Д., Рахнянская А.А. //Монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетг алкилзамещенных тетраазакраунов, содержащие ионы инаночастицы металлов// Коллоидный журнал. 2001. Т. 63. N. 3. С. 344-349.

3. М.А.Калинина, В.В.Арсланов. //Кинетика комплексообразования в монослоях дифильного дицетилциклена на поверхности водных растворов солей меди// Коллоидный журнал, 2002, Т.64, С.56-62

4. Калинина М.А., Арсланов В.В., Вацадзе С.З.// Ион-чувствительные монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетг дифильного циклена: селективность и регенерация// Коллоидный журнал. 2003. Т.65. С.201-210.

5. M.A.Kalinina, V.V.Arslanov, S.I.Zheludeva, E.Yu.Tereschenko// The inversion of amphiphilic cyclen selectivity toward transition metal ions in Langmuir monolayers // Thin Solid Films, 2005, V. 472. N.l-2. P.232-237.

6. В.В.Арсланов, Л.С.Шейнина, М.А.Калинина // Супрамолекулярная химия высокоорганизованных планарных систем // в книге «Современные проблемы физической химии», Изд. Дом «Граница» 2005, 94-118.

7. Kalinina М.А., Raitman О.А., Selector S.L., Turygin D.S, Arslanov V.V. // Conformational Tuning of Sensing Langmuir-Blodgett Membranes for Selective Determination of Metal Ions, Anions, and Molecular Fragments // IEEE Sensors Journal, 2006, V.6, N.2, P.450-457

8. Turygin D.S., Subat M„ Raitman O.A., Arslanov V.V., Konig В., Kalinina M.A. // Cooperative Self-Assembly of Adenosine and Uridine Nucleotides on a 2D Synthetic Template // Angewandte Chemie Int. Ed. 2006, V.45, P.5340 - 5344.

9. Kalinina M.A., Golubev N.V., Raitman O.A., Selector S.L., Arslanov V.V. //A novel ultra-sensing composed Langmuir-Blodgett membrane for selective calcium determination in aqueous solutions // Sensors and Actuators В Chemical, 2006, V.114, p. 19-27.

10. D.S. Turygin, M. Subat, O.A. Raitman, S.L. Selector, V.V. Arslanov, B. Konig, M.A. Kalinina //Two-dimensional Arrays of Amphiphilic Zn2+"cyclens for Guided Molecular Recognition at Interfaces // /Langmuir, 2007, V.23, P.2517-2524.

11. Калинина M.А., Арсланов B.B., Турыгин Д.С., Терещенко Е.Ю., Желудева С.И. // Влияние иммобилизации макроциклического тетрамина в монослоях Ленгмюра на селективность комплексообразования // Журнал физической химии. 2008, Т.82, №4, С.725-731.

12. Калинина М.А., Райтман О.А., Турыгин Д.С., Селектор С.Л., Голубев Н.В., Арсланов В.В. // Композитные пленки Ленгмюра-Блоджетг для селективного

определения кальция в водных растворах // Журнал физической химии, 2008, Т.82, №8, С.1501-1510.

13. М.А. Калинина, В.В. Арсланов, Д.С. Турыгин //Самосборка «двойных плоскостей» нуклеотидов на наноструктурированных матрицах макроциклических аминов// в книге «Современные проблемы физической химии наноматериалов», Изд. Дом «Граница», 2008, С. 91 - 106.

14. Арсланов В.В., Шейнина Л.С., Калинина М.А. //Иммобилизация функциональных молекул и наночастиц в двумерных органических сетках как способ получения стабильных супрамолекулярных устройств// Защита металлов. Обзоры по современным проблемам физической химии поверхности, материаловедения, защиты материалов, 2008, Т.44, № 1, С.4-34

15. М.А. Калинина, В.В. Арсланов, Д. С. Турыгин, И. А. Гагина // Молекулярное распознавание нуклеооснований урацила и аденина монослоями ленгмюра на основе металлокомплексов дифильного циклена // Коллоидный журнал, 2009, Т.71, С.609-615.

16. Еленский А. А., Турыгин Д. С., Арсланов В.В., Калинина М.А // Химическое паттернирование пленок Ленгмюра-Блоджетт методом мягкой гелевой литографии // Российские нанотехнологии, 2009, Т.4, N.5-6, С.50-53.

17. Lomova E.V., Turygin D.S., Arslanov V.V., Kalinina М.А.// Lateral 2D-3D phase segregation in fatty acid/fatty amine monolayers induced by Langmuir-Blodgett deposition// J. Phys. Chem. B, 2009, V.l 13, P.8581-8587.

18. Turygin D.S., Subat M., Arslanov V V., König В., Kalinina М.А. //Hydrogen-bond-guided self-assembly of nucleotides on a receptor-array surface//Chemistry - A European Journal. 2010. T. 16.N.34. C. 10560-10568.

19. Gruber, В., Stadlbauer, S., Späth, A., Weiss, S., Kalinina, M., König, В. //Modular Chemosensors from Self-Assembled Vesicle Membranes with Amphibilic Binding Sites and Reporter Dyes//Angewandte Chemie Int. Ed. 2010. V.49,7125 -7128.

20. Babenko D.I., Ezhov A.A., Turygin D.S., Ivanov V.K., Arslanov V.V., Kalinina M.A.// 2D "Soap"-Assembly of Nanoparticles via Colloid-Induced Condensation of Mixed Langmuir Monolayers of Fatty Surfactants// Langmuir. 2012. V.28, N.l, P.125-133.

21. Дубае А.Л., Гагина И. А., Золотаревский В. И., Арсланов. В. В., Калинина М. А., Шейнина Л. С.//Полимеризация эпоксидного олигомера и циклена на поверхности раздела воздух/вода// Коллоидный журнал. 2013. Т. 75 N.4, С.422-430.

22. Арсланов В. В., Калинина М. А., Селектор С. Л. «Пленочная ионоселективная мембрана для определения ионов кальция» Патент № 60731 (2007.01.27)

ФГБУН ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКОЙ химии и ЭЛЕКТРОХИМИИ ИМ. А.Н. ФРУМКИНА РОССИЙСКОЙ

АКАДЕМИИ НАУК

Калинина Мария Александровна

СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ В МОНОСЛОЯХ ЛЕНГМЮРА И ПЛЕНКАХ ЛЕНГМЮРА-

БЛОДЖЕТТ

Специальности 02.00.04 - физическая химия 02.00.11 - коллоидная химия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора химических наук

0520145<659

Не описи

МОСКВА 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СТР.

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННЫЙ КОЛЛАПС В СМЕШАННЫХ МОНОСЛОЯХ ЛЕНГМЮРА НА ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОДЛОЖКЕ: САМООРГАНИЗАЦИЯ 2В-ЗВ ПАТТЕРНОВ ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ 15

1.1. Неравновесные структурные переходы в метастабильных конденсированных монослоях Ленгмюра и двумерные паттерны Ленгмюра-Блоджетт: обзор литературы 15

1.1.1. Неравновесное структурообразование в метастабильных монослоях Ленгмюра 15

1.1.2. Субстрат-индуцированная конденсация монослоев Ленгмюра и образование 2Б паттернов липидов на твердых поверхностях 25

1.2. Управляемый неравновесный коллапс монослоев Ленгмюра и самоорганизация 2D-ЗD паттернов Ленгмюра-Блоджетт 39

1.2.1. Динамические условия образования и структурное многообразие 2Б-30 паттернов Ленгмюра-Блоджетт на основе модельной катион-анионной смеси ПАВ 39

1.2.2. Механизм образования 20-ЪТ) паттернов Ленгмюра-Блоджетт 60

1.2.3. Влияние состава монослоя, субфазы и природы твердой поверхности на образование ПЛБ-паттернов. Релаксация Ю-ЪТ) паттернов Ленгмюра-Блоджетт 67

1.2.4. Заключение 77

ГЛАВА 2. СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ В МОНОСЛОЯХ ЛЕНГМЮРА НА ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА: ОБРАЗОВАНИЕ ДВУМЕРНЫХ КОЛЛОИДНЫХ ГЕЛЕЙ

2.1. Электростатическая адсорбция наночастиц из водных коллоидных растворов на монослоях Ленгмюра: обзор литературы

2.2. Субстрат-индуцированная конденсация катион-анионных монослоев Ленгмюра на поверхности коллоидных растворов

2.2.1. Образование двумерных коллоидных гелей в смешанных конденсированных монослоях Ленгмюра на поверхности гидрозоля золота

2.2.2. Неравновесное разрушение двумерных коллоидных гелей

2.2.3. Заключение

ГЛАВА 3. СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ

В ПОЛИСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ: МЯГКАЯ

ГЕЛЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ ПЛБ

3.1. Современная литография ультратонких органических пленок:

обзор литературы

3.2. Мягкая гелевая химическая литография поверхности ПЛБ на

основе металлокомплексов дицетилциклена

3.3. Заключение

ГЛАВА 4. СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ В ХИМИЧЕСКОЙ ПЛБ-СЕНСОРИКЕ

4.1. Часть 1. Влияние предорганизации на сенсорные характеристики ион-

чувствительных ПЛБ макроциклического ионофора 141

4.1.1. Особенности использования ион-чувствительных ПЛБ в химической сенсорике: обзор литературы 141

4.1.2. Управление сенсорными характеристиками в ПЛБ на основе дицетилциклена: влияние структуры и конформации ионофора

на эффективность отклика ПЛБ-хемосенсора 149

4.1.3. Заключение 166

4.2. Часть 2. Количественное определение ионов кальция в водных растворах за счет неравновесной кристаллизации в ПЛБ с латеральной структурной анизотропией 168

4.2.1. Пленки Ленгмюра-Блоджетт как организованные шаблоны для синтеза и иммобилизации наночастиц: обзор литературы 168

4.2.2. Планарная «молекулярная помпа» на основе смешанной ПЛБ с анизотропной структурой для селективного определения ионов кальция в водных растворах 176

4.2.3. Заключение 194

ГЛАВА 5. СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ

В КОМПОЗИТНЫХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК

ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ: КООПЕРАТИВНАЯ САМОСБОРКА

РИБОНУКЛЕОТИДОВ В «ДВОЙНЫЕ ПЛОСКОСТИ» НА

ПЛАНАРНЫХ МАТРИЦАХ ПРОИЗВОДНЫХ 2п2+-ЦИКЛЕНА 196

5.1. Комплементарная самосборка нуклеооснований в планарных

супрамолекулярных системах: обзор литературы 196

5.2. Кооперативная самоорганизация нуклеотидов на поверхности ультратонких композитных ансамблей макроциклических рецепторов

5.2.1. Активные композитные матрицы САМ/ПЛБ для молекулярного распознавания на твердой поверхности

5.2.2. Самосборка комплементарных «двойных плоскостей» рибонуклеотидов на поверхности активных матриц

5.2.3. Механизм самоорганизации «двойных плоскостей» нуклеотидов, комплементарных по Уотсону-Крику

5.2.4. Влияние рН среды на селективность сборки бислоев нуклеотидов на поверхности САМ/ПЛБ 2п2+-БЦ

5.2.5. Заключение

ГЛАВА 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Современная тенденция развития физической химии упорядоченных наноразмерных систем определяется постепенным переходом от механических манипуляций для получения наноструктур к стратегиям, в основе которых лежит контролируемая самоорганизация структурных элементов в ансамбли с заданными строением и свойствами. Самосборка таких ансамблей на твердой поверхности и, прежде всего, планарных структур и ультратонких покрытий, имеет особое фундаментальное и прикладное значение, поскольку позволяет не только изучать закономерности поведения вещества в двумерном состоянии, но и создавать органические и гибридные наносистемы для целого ряда практических приложений от миниатюрных сенсорных элементов до компонентов программируемых устройств и оптических переключателей. До настоящего времени наиболее развитой стратегией создания планарных наноархитектур остается применение принципов технологически сложного и затратного структурного масштабирования к подобным объектам: уменьшение размеров элементов и несущих матриц, нанолитография, контактная микропечать, допирование и др. Разработка альтернативной стратегии, основанной на принципах контролируемой самоорганизации планарных систем с заданной структурой и функциональными характеристиками — одна из приоритетных междисциплинарных задач на стыке современной физикохимии поверхности, коллоидной химии и супрамолекулярной химии.

В этой области субстрат-индуцированная самоорганизация представляет собой базовую методологическую концепцию, объединяющую различные подходы к контролируемой самосборке планарных объектов, принципиальная особенность которой заключается в спонтанной генерации упорядоченных ансамблей за счет взаимодействий между веществом и твердой поверхностью.

Самосборка планарной структуры на твердом субстрате, контактирующем с источником вещества, может протекать как в плоскости субстрата, так и по направлению «снизу-вверх» от поверхности с равномерным наращиванием планарной структуры. В настоящее время существует три основных подхода к созданию упорядоченных ультратонких органических покрытий: метод самоорганизованных монослоев (САМ), метод послойной электростатической сборки (ПЭС), и объединенный метод монослоев Ленгмюра и техники Ленгмюра-Блоджетт (ПЛБ). Первые два не требуют предорганизации вещества для построения планарного ансамбля на поверхности. Метод ПЛБ позволяет реализовать как латеральную организацию в пределах каждого монослоя, типичную для САМ, так и вертикальную упорядоченность в полислойной системе, характерную для ПЭС, однако, в отличие от этих систем, ПЛБ не образуются самопроизвольно при контакте с твердым субстратом, а требуют предварительной сборки монослоев-прекурсоров на поверхности жидкости. Структурные характеристики, заданные в монослое Ленгмюра, затем закрепляются в ПЛБ на твердой поверхности при переносе монослоя на подложку. По сравнению с методами САМ и ПЭС, метод ПЛБ использует наиболее широкий набор функциональных групп и предоставляет возможность для прецизионной настройки молекулярной организации в ультратонкой пленке за счет изменения плотности упаковки, ориентации и взаимодействий молекул в монослоях-прекурсорах, в том числе, и в композиционно сложных системах. Организованная, плотноупакованная, слоистая структура ПЛБ определила их традиционное рассмотрение в качестве нанообъектов, представляющих собой конечную самостоятельную цель последовательной сборки молекулярного ансамбля, которая не предусматривает дальнейшую «достройку» с усложнением его морфологии и функций.

Эта методическая особенность существенно сузила диапазон

исследовательских возможностей для развития новых направлений в этой

области. Потенциал монослоев Ленгмюра и ПЛБ как молекулярных матриц

8

для инициирования субстрат-индуцированной самоорганизации до настоящего времени оставался практически невостребованным. Попытки использовать предорганизованную структуру этих систем для генерации порядка следующего иерархического уровня предпринимались в очень небольшом числе работ и касались ограниченного круга веществ и условий. Между тем, монослои Ленгмюра и ПЛБ обладают рядом отличительных особенностей, весьма перспективных для реализации и изучения процессов самоорганизации в этих системах.

Прежде всего, большинство конденсированных монослоев Ленгмюра представляют собой метастабильные системы, неустойчивость которых может служить потенциальным источником самоорганизации в условиях, далеких от равновесия. Неравновесная самосборка в монослоях Ленгмюра открывает принципиально иные возможности по сравнению с другими известными методами для генерации структурной упорядоченности в планарных системах.

Кроме того, возможность структурной настройки монослоев Ленгмюра

критически важна с точки зрения обеспечения взаимодействий,

чувствительных к стерическим условиям и лежащих в основе кооперативной

самоорганизации супрамолекулярных ансамблей, прежде всего, в

биомиметических моделях. Существует множество примеров использования

монослоев Ленгмюра как «планарных рецепторов» для распознавания и

самоорганизации различных веществ за счет координационных и

водородных связей с исключительной селективностью, недоступной для

других методов сборки планарных ансамблей. Точная трансляция заданной

структуры таких монослоев-рецепторов в стабильную открытую структуру

на твердой поверхности могла бы заложить основу для нового направления в

высокоспецифичной (био)химической сенсорике и кооперативном

супрамолекулярном синтезе планарных ансамблей в водных средах.

Реализация этой идеи требует разработки особого подхода к стабилизации

неустойчивых ПЛБ открытого типа с гидрофильными функциональными

9

группами, ориентированными во внешнюю среду и доступными для молекулярного распознавания, поскольку до сих пор эта сложная задача остается нерешенной.

Наконец, анализ взаимодействий ПЛБ с веществом из внешней среды, которые можно рассматривать как «вынужденную» субстрат-индуцированную самоорганизацию «гостя» в планарном «шаблоне-хозяине», позволяет рационализировать дизайн ПЛБ-сенсоров. До настоящего времени такие исследования проводились без учета стерического фактора и изменения микроокружения в ПЛБ по сравнению с монослоем-прекурсором. Управление диффузионными потоками вещества в анизотропной структуре ПЛБ открывает перспективы и для разработки сенсоров нового типа, в которых генерация отклика осуществляется за счет самоорганизации структурно-химического рисунка при взаимодействии анализируемого вещества с поверхностью, модифицированной с помощью предорганизованной чувствительной пленки.

Данная работа обобщает результаты фундаментальных исследований субстрат-индуцированной самоорганизации в монослоях Ленгмюра и ПЛБ и изучения характерных особенностей этого явления в системах различного состава и назначения. Работа объединяет развитые автором подходы к функционализации и модификации твердых поверхностей с помощью пленок Ленгмюра-Блоджетт в единую стратегию, позволяющую существенно расширить представления об этих уникальных объектах коллоидной химии и увеличить их прикладной потенциал.

Цель работы состоит в разработке базовой стратегии субстрат-

индуцированной самоорганизации в монослоях Ленгмюра и пленках

Ленгмюра-Блоджетт для сборки упорядоченных планарных органических и

гибридных наноструктур на твердых поверхностях. Основное внимание

уделено развитию новых принципов управления поведением метастабильных

монослоев Ленгмюра при неравновесной конденсации на твердых

10

поверхностях, разработке новых подходов к дизайну химических ПЛБ-сенсоров, а также созданию планарных структур открытого типа на основе ПЛБ для селективного распознавания биоактивных соединений и супрамолекулярного синтеза биомиметических структур. В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Изучение неравновесного структурообразования в метастабильных

монослоях Ленгмюра при их динамическом контакте с твердыми субстратами в широком диапазоне условий.

2. Исследование неравновесной субстрат-индуцированной конденсации в

монослоях Ленгмюра на поверхности коллоидных растворов.

3. Разработка метода мягкой химической ПЛБ-литографии для создания

латерально-упорядоченных структурно-химических паттернов на твердых поверхностях.

4. Исследование влияния предорганизации синтетических рецепторов в

ПЛБ на чувствительность и селективность связывания катионов металлов и определение основных принципов рационального дизайна ПЛБ-хемосенсоров на основе конформационно-гибких макроциклических ионофоров.

5. Разработка нового подхода к неравновесной химической ПЛБ-

сенсорике с использованием ион-чувствительных мембран, принцип действия которых основан генерации отклика за счет преобразования и распределения связанных ионов в нерастворимой форме в ПЛБ-мембране с заданной латерально-неоднородной структурой.

6. Реализация принципиально новой стратегии супрамолекулярного

синтеза планарных систем за счет контролируемой кооперативной самоорганизации двумерных молекулярных ансамблей на поверхности активных матриц на основе ПЛБ-структур открытого типа, полученных сочетанием методов самоорганизованных монослоев и пленок Ленгмюра-Блоджетт.

Научная новизна состоит в развитии новых фундаментальных физико-химических принципов субстрат-индуцированной самоорганизации в монослоях Ленгмюра и пленках Ленгмюра-Блоджетт, а также в выявлении новых эффектов, сопровождающих самоорганизацию и функционирование планарных супрамолекулярных систем:

1. Впервые обнаружена и исследована неравновесная субстрат-

индуцированная конденсация метастабильных монослоев Ленгмюра с образованием линейно-упорядоченных структур (ПЛБ-паттернов) из частиц коллапсировавшей фазы на твердой поверхности. Подробно изучено морфологическое разнообразие ПЛБ-паттернов и установлены основные закономерности самоорганизации этого типа.

2. Впервые выявлена и изучена конденсация смешанных кислотно-

основных монослоев Ленгмюра с образованием стабильных двумерных коллоидных гелей на поверхности коллоидных растворов. Исследованы структурообразование, оптическое поведение и неравновесное разрушение двумерных гелей на поверхности гидрозоля металла и твердых подложках.

3. Впервые реализована стратегия латеральной химической модификации

с образованием заданного микрорисунка в пленках Ленгмюра-Блоджетт с помощью мягкой гелевой литографии. Оптимизированы условия формирования гелевых штампов и параметры процесса литографии на примере металлсодержащих ПЛБ дифильного макроциклического комплексообразователя.

4. Исследована взаимосвязь структурных и сенсорных характеристик ион-

чувствительных ПЛБ на основе макроциклического ионофора и выявлена ключевая роль стерического фактора в молекулярном распознавании в таких системах.

5. Впервые предложен и реализован подход к созданию сенсорных ПЛБ

для высокоэффективного неравновесного связывания катионов

12

металлов, основанный на направленном формировании латеральных структурно-химических неоднородностей в полислойной мембране, обеспечивающих согласованное протекание процессов латерального транспорта и связывания ионов с образованием нерастворимых соединений.

6. Впервые разработана оригинальная методика формирования

чувствительных однослойных пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе макроциклических соединений на твердых поверхностях, модифицированных самоорганизованными монослоями тиолов (композитные матрицы САМ/ПЛБ). Подробно изучено молекулярное распознавание неорганических фосфатов, нуклеооснований и нуклеотидов на активных матрицах САМ/ПЛБ на основе макроциклических моно - и бис-цикленов.

7. Впервые реализована кооперативная сборка комплементарных

супрамолекулярных структур - бислоев мономерных 5'-рибонуклеотидов четырех основных семейств («двойные плоскости») на матрицах САМ/ПЛБ из металлокомплекса дифильного бис-циклена в водной среде. Установлен механизм кооперативной самоорганизации и выявлена определяющая роль рН среды и молекулярной структуры макроциклического металлокомплекса в многоцентровом молекулярном распознавании в таких системах. Показано