Силанизация кремния и слюды
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти сообщения )
|
Силанизация кремния слюды и представляет собой покрытие этих материалов тонким слоем самособирающихся единиц.
Биологическое применение силанизации
[ редактировать ]Наномасштабный анализ белков с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ) требует поверхностей с четко определенной топологией и химическим составом для многих экспериментальных методов. Биомолекулы, особенно белки, можно просто иммобилизовать на немодифицированной поверхности подложки посредством гидрофобных или электростатических взаимодействий. [ 1 ] Однако с физической адсорбцией белков на поверхностях связан ряд проблем. Сообщалось о денатурации белка, нестабильном и обратимом связывании с металлическими поверхностями, неспецифической и случайной иммобилизации белка. [ 2 ]
Одна из альтернатив предполагает взаимодействие химически модифицированных поверхностей с белками в неденатурирующих условиях. [ 2 ] Химическая модификация поверхностей дает возможность точно контролировать химический состав поверхности, и при правильной химической модификации этот подход имеет несколько преимуществ. Во-первых, белки, адсорбированные на поверхности, более стабильны в широком диапазоне условий. Белки также принимают более однородную ориентацию на поверхности. Кроме того, возможна более высокая плотность отложения белка с большей воспроизводимостью.
Химическая модификация поверхностей в ряде случаев успешно применялась для иммобилизации белков с целью получения ценной информации. Например, визуализация ДНК с помощью атомно-силовой микроскопии была выполнена с использованием слюды, покрытой 3-аминопропилтриэтоксисиланом ( APTES ). Отрицательно заряженный остов ДНК прочно связан с положительными зарядами аминогруппы, что приводит к образованию стабильных структур, которые можно визуализировать как на воздухе, так и в буфере. [ 3 ] В недавнем исследовании Беренса и др. кремниевые поверхности с аминоконцевыми группами были успешно использованы для иммобилизации костного морфогенетического белка 2 (BMP2) в медицинских целях (ср. Кремниевая поверхность с водородными концевыми группами ). 14 Молекулы с аминогруппами (особенно APTES) важны для биологических применений, поскольку они допускают простые электростатические взаимодействия с биомолекулами. [ 4 ]
Функционализация поверхностей с помощью самоорганизующихся монослоев
[ редактировать ]Самособирающиеся монослои (SAM) представляют собой чрезвычайно универсальный подход, позволяющий точно контролировать характеристики поверхности. Он был введен в 1946 году Бигелоу и др. [ 5 ] но только в 1983 году он вызвал широкий интерес, когда Аллара и др. сообщили об образовании SAM алкантиолатов на золоте. [ 6 ] Самостоятельная сборка монослоев может быть достигнута с использованием нескольких систем. В основе самосборки лежит образование ковалентной связи между поверхностью и молекулой, образующей слой; и это требование может быть выполнено с использованием различных химических групп, таких как органосиланы и гидроксилированные материалы (стекло, кремний, оксид алюминия, слюда) и соединения на основе серы и благородные металлы. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Хотя последняя система хорошо охарактеризована, гораздо меньше известно о поведении органосилановых слоев на поверхностях и основных механизмах, которые контролируют организацию и структуру монослоя.
Хотя силанизация силикатных поверхностей была внедрена более 40 лет назад, процесс образования гладких слоев на поверхностях до сих пор мало изучен. Вероятно, наиболее важной причиной такой ситуации является то, что ряд исследований, в которых силанизация была частью процедуры, не были направлены на тщательную характеристику образующегося силанового слоя. Единственный результат, который объединяет недавние исследования по характеристике силановых слоев, связан с чрезвычайной чувствительностью реакций, которые приводят к образованию силановых слоев. [ 8 ] Действительно, сообщалось, что самоорганизующиеся слои силанов на силикатных поверхностях зависят от различных параметров, таких как влажность, температура, примеси в силановом реагенте и тип силикатной поверхности. Чтобы последовательно и воспроизводимо создавать разнообразные функционализированные поверхности со слоями, которые являются молекулярно гладкими, важно понимать химию силикатных поверхностей и то, как различные параметры влияют на природу самоорганизующихся слоев.
Структура поверхности кремния и слюды
[ редактировать ]Кремний
[ редактировать ]Окисленный кремний широко изучался как субстрат для осаждения биомолекул. Раствор Пираньи можно использовать для увеличения поверхностной плотности реакционноспособных гидроксильных групп на поверхности кремния. Группы –OH могут гидролизоваться и впоследствии образовывать силоксановые связи (Si-O-Si) с молекулами органического силана. Подготовка кремниевых поверхностей к силанизации включает удаление поверхностных загрязнений. Этого можно добиться с помощью УФ-озона и раствора пираньи . В частности, раствор Piranha представляет собой довольно жесткую обработку, которая потенциально может повредить целостность кремниевой поверхности. Финлейсон-Питтс и др. исследовали влияние определенных обработок на кремний и пришли к выводу, что как шероховатость (3-5 Å), так и наличие рассеянных крупных частиц сохранились после 1 цикла плазменной обработки. [ 9 ] Однако поверхность кремния была значительно повреждена после 30 циклов обработки раствором пираньи или плазмой. В обоих случаях обработка привела к появлению неровностей и крупных агрегатов на поверхности (размер агрегатов > 80 нм), причем эффект был более выражен при использовании пираньи. В любом случае многократная обработка сделала поверхность непригодной для осаждения небольших биомолекул.
Слюда
[ редактировать ]Слюда – еще один силикат, широко используемый в качестве субстрата для осаждения биомолекул. Слюда имеет заметное преимущество перед кремнием, поскольку она молекулярно гладкая и, следовательно, лучше подходит для исследования небольших плоских молекул. [ 10 ] Он имеет кристаллическую структуру с общей формулой K[Si3Al]O10Al2(OH)2 и содержит листы октаэдрического гидроксила алюминия, зажатые между двумя тетраэдрическими слоями кремния. [ 11 ] В слое кремния каждый четвертый атом кремния заменяется атомом алюминия, создавая разницу в заряде, которая компенсируется несвязанным K+, присутствующим в области между соседними слоями кремния. [ 11 ] Слюда-мусковит наиболее подвержена расколу по плоскости, расположенной в слое калия. Когда свежесколотая поверхность слюды контактирует с водой, гидратированные ионы калия могут десорбироваться с поверхности слюды, что приводит к образованию отрицательного заряда на поверхности.
Как и в случае с кремнием, поверхность слюды не содержит заметной плотности силанольных групп для ковалентного присоединения силанов. [ 10 ] Недавнее исследование показало, что свежесколотая слюда содержит 11% силанольных групп (т.е. примерно 1 из 10 атомов кремния несет гидроксильную группу). [ 11 ] Хотя возможно, что силанизация может быть проведена с использованием необработанной слюды, повышенная плотность поверхностных силанольных групп на активированной слюде может значительно улучшить ковалентное прикрепление молекул силана к поверхности. Слюду можно активировать обработкой плазмой аргона/воды, что приводит к поверхностной плотности силанола 30%. [ 11 ] [ 12 ] Работа с активированными поверхностями приводит к еще одному соображению относительно стабильности силанольных групп на активированных поверхностях. Гиассон и др. сообщили, что силанольные группы на свежерасколотой слюде, которая не подвергалась какой-либо обработке, оказались более стабильными в высоком вакууме по сравнению с активируемой плазмой слюдой: через 64 часа покрытие поверхности силанольными группами свежерасколотой слюды в плазме было примерно то же самое, а заполнение поверхности активированной слюдой снизилось в 3 раза до 10%. [ 11 ]
Адсорбция молекул на силикатных поверхностях
[ редактировать ]Адсорбция описывает процесс, посредством которого молекулы или частицы связываются с поверхностями, и отличается от абсорбции , при которой частицы распространяются в объеме поглощающего материала. Адсорбированный материал называется адсорбатом, а поверхность — адсорбентом. Обычно различают два типа адсорбции: физическую адсорбцию (которая состоит из межмолекулярных сил, удерживающих адсорбированный материал на поверхности) и химическую адсорбцию (которая состоит из ковалентных связей, привязывающих адсорбированный материал к поверхности). Природа образующегося слоя адсорбата зависит от взаимодействия адсорбируемого материала и адсорбента. [ 13 ] Более конкретно, механизмы адсорбции включают ионный обмен (замещение противоионов, адсорбированных из раствора, на одноименно заряженные ионы), ионное спаривание (адсорбция ионов из фазы раствора на участки подложек, несущих противоположный заряд), гидрофобное связывание ( неполярное притяжение между группами на поверхности подложки и молекулами в растворе), поляризация p-электронов, полярные взаимодействия между частично заряженными участками на поверхности подложки и молекулами, несущими противоположные частичные заряды в растворе, и ковалентные связи. [ 8 ] [ 14 ] Разнообразие способов возникновения адсорбции указывает на сложности, связанные с контролем типа адсорбируемого слоя.
Тип используемого силана может еще больше усугубить проблему, как в случае с APTES. APTES — это классическая молекула, используемая для иммобилизации биомолекул, и исторически она была наиболее широко изученной молекулой в этой области. Поскольку APTES содержит три этоксигруппы на молекулу, он может полимеризоваться в присутствии воды, что приводит к латеральной полимеризации между молекулами APTES в горизонтальном и вертикальном направлениях и образованию олигомеров и полимеров, которые могут прикрепляться к поверхности.
К самосборке можно подойти с помощью реакций в растворе или паровой фазы . В экспериментах в растворной фазе силан растворяют в безводном растворителе и приводят в контакт с поверхностью; в парофазных экспериментах только пары силана достигают поверхности подложки. [ 8 ]
Реакции фазы раствора
[ редактировать ]Реакция в фазе раствора исторически была наиболее изученным методом, и общее мнение, сложившееся в отношении условий, необходимых для образования гладких аминосилановых пленок, включает следующее: (1) требуется безводный растворитель, такой как толуол. , с жестко контролируемым следовым количеством воды для регулирования степени полимеризации аминосиланов на поверхности и в растворе; (2) образованию олигомеров и полимеров благоприятствуют более высокие концентрации силана (>10%); (3) умеренные температуры (60–90 °C) могут нарушить нековалентные взаимодействия, такие как водородные связи, что приведет к уменьшению количества молекул силана, которые слабо связаны с поверхностью. Кроме того, условие (3) способствует десорбции воды из подложки в фазу толуола20; (4) Промывка растворителями, такими как толуол, этанол и вода, после реакции силанизации способствует удалению слабосвязанных молекул силана и гидролизу остаточных алкокси-связей в слое; (5) сушка и отверждение при высокой температуре (110 °C) способствуют образованию силоксановых связей, а также превращают ионы аммония в нейтральный амин, который более реакционноспособен. [ 8 ]
Парофазные реакции
[ редактировать ]К силанизации в паровой фазе подходили как к способу обойти сложности, связанные с наличием следов воды в растворе и чистотой силана. [ 8 ] Поскольку олигомеры и полимеры силанов имеют незначительное давление пара при обычно используемых температурах реакции, они не достигают поверхности силиката во время осаждения. Поскольку в системе нет растворителя, легче контролировать количество воды в реакции. Сообщалось о гладких монослоях при силанизации в паровой фазе нескольких типов силанов, включая аминосиланы, октадецилтриметоксисилан и фторалкилсиланы. Однако природа прикрепления молекул силана к подложке неясна, хотя образованию силоксановых связей можно способствовать, вымачивая подложку в воде после осаждения.
В недавнем исследовании Чена и др. монослои APTES были получены последовательно при разных температурах и времени осаждения. Толщина полученных слоев составила 5 Å и 6 Å при 70 и 90 °C соответственно, что соответствует примерной длине молекулы APTES и указывает на образование монослоев на подложках в каждом случае. [ 8 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Юнес-Мецлер; Бен; Георгий (2011). «Адсорбция незамерзающего гликопротеина фракции 8 на сухой и влажной слюде». Коллоиды и поверхности B: Биоинтерфейсы . 82 (1): 134–140. дои : 10.1016/j.colsurfb.2010.08.029 . ПМИД 20846837 .
- ^ Перейти обратно: а б Ферретти, С. (2000). «Самособирающиеся монослои: универсальный инструмент для создания биоповерхностей». TrAC Тенденции в аналитической химии . 19 (9): 530–540. дои : 10.1016/S0165-9936(00)00032-7 .
- ^ Крэмптон, Н.; Бонасс, Вашингтон; Киркхэм, Дж.; Томсон, Нью-Хэмпшир (2005). «Формирование слюды, функционализированной аминосиланом, для визуализации ДНК с помощью атомно-силовой микроскопии». Ленгмюр . 21 (17): 7884–7891. дои : 10.1021/la050972q . ПМИД 16089396 .
- ^ Айсауи, Н.; Бергауи, Л.; Ландулси, Дж.; Ламберт, Дж.; Буждай, С. (2012). «Силановый слой на поверхности кремния: механизм взаимодействия, стабильность и влияние на адсорбцию белка». Ленгмюр . 28 (1): 656–665. дои : 10.1021/la2036778 . ПМИД 22107153 .
- ^ Нуццо, Р.Г.; Аллара, Д.Л. Адсорбция бифункциональных органических дисульфидов на золотых поверхностях J. Am. хим. Соц. 1983 год; 105, 4481-4483.
- ^ Перейти обратно: а б Ван, В.; Вон, МВт (2008). «Морфология и доступность аминов пленок (3-аминопропил) триэтоксисилана на стеклянных поверхностях» . Сканирование . 30 (2): 65–77. дои : 10.1002/sca.20097 . ПМИД 18320600 .
- ^ Шленофф, Дж.Б.; Ли, М.; Ли, Х. (1995). «Стабильность и самообмен в монослоях алкантиолов». Дж. Ам. хим. Соц . 117 (50): 12528–12536. дои : 10.1021/ja00155a016 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Чжу, М.; Лерум, МЗ; Чен, В. (2012). «Как приготовить воспроизводимые, гомогенные и гидролитически стабильные слои аминосилана на диоксиде кремния» . Ленгмюр . 28 (1): 416–423. дои : 10.1021/la203638g . ПМК 3243110 . ПМИД 22128807 .
- ^ Макинтайр, ТМ; Смолли, СР; Ньюберг, Дж. Т.; Леа, А.С.; Хеммингер, Дж. К.; Финлейсон-Питтс, Би Джей (2006). «Изменения в субстрате, связанные с химией самоорганизующихся монослоев на кремнии». Ленгмюр . 22 (13): 5617–5624. дои : 10.1021/la060153l . ПМИД 16768485 .
- ^ Перейти обратно: а б Ким, С.; Кристенсон, Гонконг; Карри, Дж. Э. (2002). «Влияние влажности на стабильность монослоя октадецилтриэтоксисилана, самоорганизующегося на необработанной и обработанной плазмой слюде». Ленгмюр . 18 (6): 2125–2129. дои : 10.1021/la011020x .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Либерель, Б.; Банки, X.; Гиассон, С. (2008). «Стабильность силанолов и привитых монослоев алкилсилана на поверхностях слюды, активированной плазмой». Ленгмюр . 24 (7): 3280–3288. дои : 10.1021/la703522u . ПМИД 18303926 .
- ^ Вуд, Дж.; Шарма, Р. (1994). «Приготовление прочного гидрофобного монослоя на слюде». Ленгмюр . 10 (7): 2307–2310. дои : 10.1021/la00019a047 .
- ^ Парида, СК; Даш, С.; Патель, С.; Мишра Б.К. Адсорбция органических молекул на поверхности кремнезема. Адв. Коллоидный интерфейс. 2006, 121, 77–110.
- ^ Пария, С.; Хилар, К.К. Обзор экспериментальных исследований адсорбции поверхностно-активных веществ на границе раздела гидрофильное твердое тело-вода. Адв. Коллоидный интерфейс. 2004, 110, 75–95.