Исследование структуры и физико-химических свойств планарных модельных молекулярных и биомолекулярных систем, получаемых методом Ленгмюра-Блоджетт

Антипина, Мария Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование структуры и физико-химических свойств планарных модельных молекулярных и биомолекулярных систем, получаемых методом Ленгмюра-Блоджетт
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование структуры и физико-химических свойств планарных модельных молекулярных и биомолекулярных систем, получаемых методом Ленгмюра-Блоджетт"

На правах рукописи

Антипина Мария Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАНАРНЫХ МОДЕЛЬНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ И БИОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ

Специальность 03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ им.

М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Лобышев Валентин Иванович

кандидат физико-математических наук, доцент Хомутов Геннадий Борисович

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Кислов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, заместитель директора Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН Заседателев Александр Сергеевич

доктор физико-математических наук, профессор Плотников Геннадий Семенович

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

Защита диссертации состоится 20 мая 2004 г. в 1Ц- ч. на заседании Диссертационного совета К 501.001.08 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М. В. Ломоносова, Физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан СЫ^&УкЯ. 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 501.001.08 кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Исследование процессов, протекающих на границе раздела фаз в молекулярных системах, является актуальным направлением современной биофизики и ряда смежных областей фундаментальной науки. Выяснение физико-химических механизмов структурной организации и трансформации в биологических супрамолекуляриых системах важно для более глубокого понимания закономерностей процессов самосборки, самоорганизации и самовоспроизведения структуры, характерных для разнообразных биологических систем, включая ансамбли белков, липидные мембраны, нуклеиновые кислоты и т.д. Разработка подходов к эффективному управлению процессами биомолекулярной организации и функционирования вплоть до наноуровня определяет успешное решение большого числа практических задач в медицине и биоинженерии. Возникновение и развитие нового междисциплинарного направления молекулярной нанотехнологии делает актуальным разработку новых эффективных подходов к созданию организованных функциональных молекулярных наноструктур и получению мультислойных высокоорганизованных наноструктурированных материалов с послойным контролем их состава, структуры и, соответственно, свойств и функциональных характеристик.

Катионы многих металлов включены в различные процессы метаболизма, вследствие чего необходимы для жизнедеятельности биологических организмов. Помимо этого, присутствие катионов металлов в водной фазе влияет на физико-химические свойства, фазовые состояния биологических мембран и мембранных компонентов, сказывается на регуляции их работы. В настоящее время значительное количество исследовательских работ посвящено изучению механизмов влияния катионов редкоземельных металлов на различные биологические системы. Несмотря на то, что катионы лантаноидов являются абиологичными, они находят применение в биологии и медицине в качестве диагностических средств, благодаря своим уникальным оптическим и магнитным свойствам: катионы европия успешно используются как флуоресцентные зонды, катионы гадолиния применяют, например, при магнитно-резонансной рентгенографии суставов в качестве контрастных агентов. Изучается влияние катионов гадолиния на пролиферацию и подвижность некоторых опухолевых клеток.

Исследование процессов структурообразования, в которых участвуют молекулы нуклеиновых кислот, представляется важным в связи с тем, что эти молекулы помимо биологической функции хранения и передачи наследственной информации обладают уникальной структурой, характеризуются механической прочностью и физико-химической стабильностью, и поэтому являются перспективными для создания на их основе структурных и функциональных элементов новых устройств и наноматериалов для нанобиотехнологии. Исследование процессов самоорганизации и образования супрамолекулярных структур на основе комплексов молекул ДНК с амфифильными катионпыми молекулами актуально в настоящее время с практической точки зрения, поскольку может способствовать разработке новых невирусных химических переносчиков для эффективного направленного транспорта нуклеиновых кислот через биологические мембраны, которые могут найти применение в генной терапии и биоинженерии.

Одними из наиболее адекватных и удобных модельных систем для исследования физико-химических свойств биологических мембран служат леигмюровские монослои амфифильных молекул на поверхности жидкости и мультислойные пленки ТТ»гт"1Г|га-Вл(ЛТ'г'*'т"т' (дп твердой

РОС. национальная

1 I БИБЛИОТЕКА |

! гг-ч» !

подложке. Технология, разработанная Лснгмюром и Блоджетт, позволяет формировать на границе раздела газовой и жидкой фаз планарные молекулярные системы, имеющие значительное структурное и морфологическое сходство с реальными биологическими мембранами. Данный подход позволяет встраивать в матрицу ленгмюровского монослоя различные функциональные молекулы и молекулярные комплексы. Ленгмюровская техника делает возможным также изучение физико-химических свойств монослоев при их взаимодействии с компонентами водной фазы и, кроме того, позволяет переносить мономолекулярный слой с поверхности жидкости на твердую подложку, чтобы в дальнейшем изучать его состав и структуру различными физическими методами.

Степень разработанности проблемы

Начиная с пионерских работ Лснгмюра и Блоджетт ученых, работающих в области физической химии поверхностных явлений, волновал вопрос об эффектах, оказываемых катионами металлов на состояние и свойства ленгмюровского монослоя амфифильных молекул в связи с ключевой ролью, которую играют металлы в функционировании и регуляции деятельности биологических мембран и живых организмов в целом. Если понимание механизмов влияния катионов щелочных и щелочноземельных металлов на физико-химические свойства ленгмюровского монослоя было достигнуто учеными достаточно быстро, то природа эффектов, которые оказывают катионы двух- и трехвалентных переходных металлов на состояние планарных молекулярных систем на границе раздела газовой и жидкой фаз до сих пор во многом не изучена. В настоящий момент также не решена проблема получения пригодных для прикладных применений организованных мультислойных ЛБ плепок с высоким содержанием катионов переходных металлов и управления их составом и структурными характеристиками.

Несколькими исследовательскими группами было независимо установлено, что структура искусственно синтезированных невирусных переносчиков в значительной степени определяет их эффективность, тем самым была установлена важность структурных исследований комплексов ДНК с амфифильными катионами. Однако большинство зарубежных и российских ученых проводили эксперименты по формированию и исследованию комплексов ДНК/амфифильный катион, организуя поверхностно активные вещества в виде липосом в объемной водной фазе. Подобная организация амфифильных молекул затрудняет, например, исследования динамики процессов образования комплексов и механизмов управления их структурой, возможности для которых открывают преимущества технологии Ленгмюра-Блоджетт. Цель и задачи исследования

Целью работы является исследование физико-химических механизмов ионных взаимодействий на поверхности ленгмюровского монослоя и особенностей процессов структурообразования в модельных молекулярных системах для разработки эффективных подходов к созданию новых высокоорганизованных функциональных молекулярных- и биомолекулярных наноструктур.

Исходя из общей цели, в диссертации решатись следующие задачи:

1. Исследование влияния величины рН и природы анионов, присутствующих в водной фазе, на структуру мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния.

2. Исследование влияния ионного состава водной фазы на структуру мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолинияг

3. Получение и исследование структуры ленгмюровских монослоев амфифильных полиэлектролитов.

4. Исследование особенностей взаимодействия ленгмюровских монослоев амфифильных полиэлектролитов и катионного липида с ДНК.

5. Исследование структуры комплексов амфифильный полиэлектролит/ДНК и амфифильный катион/ДНК, полученных методом Ленгмюра-Блоджетг.

Научная новизна диссертации

1. Обнаружен эффект влияния ионного состава водной фазы и типа анионного лиганда на структуру мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния.

2. Впервые получены мулътислойные ЛБ пленки стеарата гадолиния с уникальными структурными характеристиками, определяемыми методами рентгеновской дифракции, и макроскопически планарной поверхностью с отклонением от плоскости, не превышающем 1нм на расстояниях ~ 1 мкм.

3. Впервые получены и охарактеризованы новые монослойные полимерные структуры амфифильного поликатиона, обладающие высокой степенью организации в плоскости слоя.

4. Впервые получены и исследованы новые планарные комплексы амфифильный поликатион/ДНК. Получены комплексы в виде тороидов, а также новые комплексы амфифильный поликатион/ДНК в виде планарной сетчатой структуры.

Научно-практическая значимость исследования

Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, открывают возможности для разработки эффективных подходов к созданию новых высокоорганизованных функциональных молекулярных и био-молекулярных наноструктур. . Сформированные высокоорганизованные планарные молекулярные структуры,- содержащие катионы редкоземельных металлов, представляют практический интерес как прототипы новых наноструктурированных функциональных материалов. Полученные результаты открывают новые перспективы для понимания особенностей взаимодействия редкоземельных катионов, в частности катионов гадолиния, с биологическими мембранами, что имеет большое значение для биомедицинских применений катионов редкоземельных металлов. Результаты исследования процессов самоорганизации и образования супрамолекулярных структур на основе комплексов молекул ДНК с амфифильными катионяыми молекулами будут полезны в генной терапии и биоинженерии для разработки новых певирусных химических переносчиков для эффективного направленного транспорта нуклеиновых кислот через биологические мембраны. Аппробация работы

Bioelectrochemistry and Bioenergetics" (Florence, Italy, 2003), "European Conference on Surface Science" (Praga, Chech Republic, 2003), "First International Meeting on Applied Physics" (Badajoz, Spain, 2003), "Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов" (Москва, Россия, 2003). Публикации

Результаты диссертации опубликованы в печатных работах: 7 статей в российских и международных научных журналах и 20 тезисов докладов па российских и международных научных конференциях. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет страниц, работа содержит 35 рисунков. 8 таблиц и список цитируемой литературы из 162 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и определены основные задачи исследования, кратко изложены научная новизна и научно-практическая значимость работы.

В первой главе кратко изложены основные сведения о ленгмюровских монослоях на поверхности жидкости, а также о получении мультислойных пленок Ленгмюра-Блоджетт на твердотельных подложках. Описаны экспериментальные методы исследования структуры-и физико-химических свойств ленгмюровских пленок. Отдельное внимание уделено анализу имеющихся в литературе результатов исследований особенностей взаимодействия поливалентных катионов переходных металлов с ленгмюровским монослоем жирных кислот и проблемам получения упорядоченных металлсодержащих мультислойных ЛБ пленок. Изложены основные литературные данные о формировании и исследовании комплексов молекул ДНК с модельными мембранными системами.

Во второй главе перечислены использовавшиеся в работе материалы. Описано устройство ленгмюровской ванны, методика получения и исследования физико-химических свойств ленгмюровских монослоев, а также способ последовательного переноса мономолекулярных слоев с поверхности водной фазы на твердую подложку для формирования мультислойных пленок Ленгмюра-Блоджетт.

В третьей главе диссертационной работы предложен подход к эффективному управлению ультраструктурой планарных супрамолекулярных систем, получаемых методами послойной химической сборки, содержащих комплексы поливалентных катионов переходных металлов, В связи с тем, что пространственная организация лигандов молекулярной поверхности ленгмюровского монослоя носит квази-двумерный характер, тогда как структура комплексов поливалентных катионов металлов существенно трехмерная, планарно-организованные лиганды в принципе не могут заполнить координационную сферу поливалентного катиона. Таким образом, в состав поверхностных комплексов могут также включаться лиганды различной природы из объемной водной фазы, что открывает возможности для контроля и целенаправленного управления составом и свойствами поверхностных комплексов и ультраструктурой соответствующих мультислойных супрамолекулярных систем. В работе представлено

исследование влияния типа. соли редкоземельного металла, концентрации одновалентного электролита (№0) и величины рН в водной фазе, на которой формировался ленгмюровский монослой, на физико-химические свойства ленгмюровского монослоя и структуру получаемых мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния.

Влияние типа лигандов и их концентрации в водном растворе, содержащем катионы редкоземельного металла, на состояние ленгмюровского монослоя амфифильного вещества можно наблюдать по изменениям формы его характерной изотермы сжатия в зависимости от ионного состава субфазы (см. рис. 1). Кривая 1 на рис. 1 представляет собой изотерму сжатия

Рис. 1. Изотермы сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности

1 — чистой воды; водной фазы, содержащей

2 — СаСЬ (1x104 М). рН 4,0; 5 — С<1(СН£00)3 (1x1а4 М), рН5,6;

3 — ШС1з (1x1 (Г4 М). рН 5,0; 6 — в<1(СНзСОО)} (1x1 СГ4 М) и №С1 (3x1 а7 М), рН5,б;

4 — СсЮз (1x1а4Щ, рН5,6; 7— всЮ] (1x10т4 М) и Л'аС/ (3x1 а2 М), рН5,6.

ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности чистой воды. На изотерме хорошо видны фазовые переходы двумерный газ — жидкость, и жидкость — твердое состояние, которые происходят в двумерной системе, когда площадь монослоя составляет соответственно 25 и 20 А2, приходящихся на одну молекулу. Характерная форма изотермы сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты претерпевает изменения, если монослой находится на поверхности раствора хлорида гадолиния при рН 4,0 (см. рис. 1, кривая 2). Сравнивая формы кривых 1 и 2 на рис. 1, можно видеть на кривой 2 дополнительный излом, соответствующий фазовому переходу, происходящему в ленгмюровском монослое стеариновой кислоты на поверхности водного раствора хлорида гадолипия при рН4,0, когда площадь монослоя составляет 21 А2 на одну

молекулу амфифилъного вещества. Таким образом, по мере постепенного поджатая монослоя в системе имеет место следующая последовательность фазовых переходов: фаза двумерного молекулярного газа —> жидкая фаза Li жидкая фаза Ц —> твердая фаза. Дополнительный фазовый переход 1,1 —> Ьг в свою очередь может свидетельствовать о негомогенном составе монослоя. Неоднородность в молекулярном составе монослоя стеариновой кислоты па поверхности раствора 10"4 М хлорида гадолиния при рН 4,0 есть следствие того, что выбранное значение рН водной фазы значительно меньше рК» карбоксильной группы молекул амфифильного вещества, организованных на поверхности, даже учитывая эффект уменьшения характерного рК, в присутствии катионов металла. При низких степенях ионизации жирной кислоты связывание катионов гадолиния с молекулами стеариновой кислоты возможно только по пути конкурентного замещения протонов карбоксильных групп на катионы металла. Однако сравнительно невысокая концентрация катионов гадолиния и значительная концентрация протонов у поверхности монослоя делают невозможным полный переход жирной кислоты в соль. В результате лишь некоторая часть молекул монослоя оказывается связанной с катионами гадолиния, а остальные молекулы стеариновой кислоты остаются недиссоциированными. Угол наклона квазилинейного участка кривой 2 на рис. 9, соответствующего фазовому состоянию монослоя Ь] (от 25 до 21 А2/мол.) близок к углу наклона кривой 1 на рис. 10 на линейном участке изотермы, соответствующем жидкой фазе (от 25,5 до 20 А2/мол.). Таким образом, фазовое состояние Li ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты, по-видимому, обусловлено наличием в монослое протонированных молекул жирной кислоты, а Ьг — молекул стеариновой кислоты, связанных с катионами гадолиния. У изотермы сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности водной фазы, содержащей хлорид гадолиния при рН 5,0 (кривая 3 на рис.1) видоизменена характерная форма изотермы в области коллапса монослоя. Кривая 3 показывает, что в данном случае по мере постепенного уменьшения площади в монослое также последовательно происходят три фазовых перехода. Однако квазилинейный участок, относящийся к жидкой фазе Ы, на изотерме сжатия, представленной на кривой 3, значительно короче соответствующего участка на кривой 2 на рис. 1. Данный факт свидетельствует об уменьшении количества молекул стеариновой кислоты в монослое, несвязанных с катионами редкоземельного металла при увеличении значения рН водной фазы до 5,0. По изотерме сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности раствора хлорида гадолиния при рН 5,6 (кривая 4 на рис. 1) можно судить о происходящих в данной системе двух фазовых переходах — газ — жидкость, и жидкость — твердое состояние, как и в случае сжатия монослоя на поверхности чистой воды. Квазилинейный участок на изотерме сжатия монослоя, характерный для фазы Li систем, представляемых кривыми 2 и 3 (см рис. 1) на кривой 4 отсутствует. Специфическая форма и наклон части изотермы сжатия монослоя стеариновой кислоты на поверхности водного раствора хлорида гадолиния при рН 5,6 (участок от 23 до 22 А /мол. на кривой 4) соответствующей жидкой фазе характерны для фазы Ьг на кривых 2 и 3 рис. 1. Таким образом, последовательность типичных фазовых переходов, происходящих в описанной системе, показывает, что при значении рН водного раствора хлорида гадолиния равном 5,6 все молекулы монослоя стеариновой кислоты, находящегося на его поверхности, связаны с катионами редкоземельного металла. Важным фактом является то, что на поверхности раствора хлорида гадолиния при рН 5,6 на одну молекулу леигмюровского монослоя стеариновой кислоты в твердой фазе приходится большая площадь, чем

в случае, когда монослой стеариновой кислоты находится в твердой фазе на поверхности чистой воды. Подобное «смещение» изотермы сжатия ленгмюровского монослоя в сторону больших значений его площади, приходящейся на одну молекулу, вероятно, является результатом эффективного включения гидроксид-ионов в координационную сферу катионов гадолиния, связанных с молекулами стеариновой кислоты на поверхности водной фазы. Особенности структуры и полимерный характер поверхностных координационных комплексов, содержащих ОН" группы, приводят к расширению мопослоя на поверхности водной фазы, содержащей катионы гадолиния при рН 5,6. Предположение о том, что структура и природа кислотного остатка соли редкоземельного металла может влиять на состояние ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты, основано на имеющихся в литературе результатах анализа спектров ЭПР растворов GdCU и О(1(СНзСОО)з, показавших, что структура комплексов катионов гадолиния с хлорид-ионами и остатками уксусной кислоты различна. Кривая 5 на рис. 1 представляет собой изотерму сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности водной фазы, содержащей lxЮ"4 М 0<1(СНзС00)з. На приведенной изотерме отсутствуют изломы, соответствующие фазовым переходам, монослоя из газовой фазы в фазу растянутой жидкости и из фазы растянутой жидкости в жидкое конденсированное состояние, то есть при постепенном сжатии мопослоя происходит переход двумерного молекулярного газа непосредственно в твердое состояние. Также наблюдается «сдвиг» изотермы сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности раствора ацетата гадолиния с концентрацией ^104 M в сторону меньших значений площади, приходящейся на одну молекулу амфифильного вещества, по сравнению с контрольной изотермой сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности чистой воды (рН5,6) (см. рис. 1, кривая 1) и изотермой сжатия монослоя на поверхности раствора хлорида гадолиния, рН5,6 (см. рис. 1, кривая 4). Форма и «сдвиг» в изотермы сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности раствора ацетата гадолиния (рН 5,6) в область меньших значений площади, приходящейся на одну молекулу амфифильного вещества, свидетельствуют о значительной конденсации ленгмюровского монослоя, которая может быть объяснена особенностями связывания ацетат-ионов с катионами редкоземельного элемента и структурой образующихся координационных комплексов. Согласно имеющимся в литературе данным, константа связывания катионов гадолиния с ацетат-ионами больше соответствующих констант связывания катионов гадолиния с хлорид-ионами и катионов гадолиния с гидроксид-ионами. Следовательно, ацетат-ионы способны (в разумных пределах значений рН водной фазы и концентрации в ней всех остальных анионов) эффективно конкурировать с другими лигандами, присутствующими в водной фазе, за места связывания в координационной сфере катионов гадолиния, взаимодействующих с молекулами монослоя. В результате на поверхности монослоя образуется электронейтральная система координационных комплексов, содержащих катионы гадолиния в качестве центральных атомов, и присоединенные лиганды — ацетат-ионы и ионизованные молекулы стеариновой кислоты. При этом в системе образуются дополнительные сшивки и планарные интегральные комплексы за счет карбоксильной группы ацетат-ионов. Приведенные данные непосредственно свидетельствуют о влияние типа кислотного остатка растворенной в водной фазе соли гадолиния на физико-химические свойства ленгмюровского монослоя жирной кислоты и указывают на возможность целенаправленно изменять фазовые состояния и взаимную ориентацию молекул в монослое, регулируя состав и структуру

поверхностных комплексов катионов гадолиния. С целью дальнейшего исследования влияния анионного состава водной фазы, содержащей катионы гадолиния, на состояние леимюровского монослоя стеариновой кислоты были получены изотермы сжатия монослоев на поверхности водных растворов 1x10"* М Оа(СНзСОО)з И ЗхЮ"2 М КаС1, рН 5,6 (кривая 6 на рис. 1) и субфазы, содержащей 1x10* М б(1С1з и Зх 10"2 МКаС1, рН 5,6 (кривая 7 на рис. 1). Чтобы иметь возможность рассматривать ожидаемые изменения форм изотерм сжатия только как результат влияния трехвалентных катионов и анионного состава водной фазы на состояние ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты была получена изотерма сжатия монослоя на поверхности водной фазы, содержащей Сравнение изотермы сжатия монослоя жирной кислоты

на поверхности чистой воды с изотермой сжатия монослоя на поверхности раствора с указанной концентрацией №С1 показало, что присутствие в водной фазе катионов натрия существенно не влияет на состояние монослоя. На кривых 6 и 7 на рис. 1, как и на кривой 5 на том же рисунке, можно видеть отсутствие изломов, свидетельствующих о происходящих в соответствующих системах фазовых переходах растянутая жидкость — конденсированная жидкость и конденсированная жидкость — твердое состояние. Точно так же, как на изотерме сжатия, представленной кривой 5, участки кривых 6 и 7, соответствующие твердым фазам монослоев, не демонстрируют тенденции к «сдвигу» в область больших значений площади монослоев, приходящейся на одну молекулу амфифильного вещества. Таким образом, добавление в водную фазу, содержащую 1х10-4 М ацетата гадолиния, стократного избытка хлорид-ионов не приводит к расширению лепгмюровского монослоя стеариновой кислоты на ее поверхности. Более того, высокая концентрация анионов хлора в растворе ОёСЪ так же способствует сильной конденсации ленгмюровского монослоя. Наблюдаемые формы изотерм сжатия ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности растворов, содержащих катионы гадолиния и избыточные концентрации хлорид-ионов, могут быть объяснены эффективным включением хлорид-ионов в координационные комплексы катионов гадолиния с ионизованными молекулами монослоя. По-видимому, структура таких комплексов не препятствует конденсации ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты на поверхности раздела фаз вода-воздух. Расширение монослоя стеариновой кислоты, нанесенного на поверхность раствора 1х10-4 М ОёСЪ (кривая 4 на рис. 1), возможно, происходит результате того, что столь низкая концентрация хлорид-ионов в водной фазе при значении рН 5,6 не позволяет последним эффективно конкурировать с гидроксид-ионами за место в координационной сфере катионов гадолиния.

В процессе выполнения работы были получены мультислойные ЛБ пленки, сформирование на субфазах, содержащих катионы гадолиния с фиксированной концентрацией (1х10-4М) и анионы различного типа с различными концентрациями. Структура полученных мультислойных ЛБ пленок исследовалась методом рентгеновской дифракции. На рис.2 приведены рентгеновские дафрахтсгргммы 20-ти елейных ЛБ пленок кг кремкиегей подложке, полученных путем последовательного переноса ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты с поверхности чистой воды, рН 5,6; водной фазы, содержащей 0(1С1з (1x10"* М), рН 4,0; 0<ЗС1з (1x10* М), рН 5,0; Ос1С1з (1x10* М), рН 5,6; С(3(СНзСООН)з (1x10* М), рН5,6; С<3(СН3СООИ)з (1x10* М) и ХаС1 «х10"2 М), рН 5,6; 0<1С1з (1x10* М) и СНзСООН (3x10* М) рН 5,6; ОаС13 (1x10* М) и №С1 (3x10"

рН 5,6. Количественные результаты рентгенодифракционного анализа структуры ЛБ пленок

стеарата гадолиния приведены в табл. 1.

Кривая 1 на рис. 2 представляет собой рентгеновскую дифрактограмму 20-ти слойной ЛБ пленки стеариновой кислоты, сформированной на поверхности чистой воды. Измеренные из

И' к

О «\

о. Я-са

8н

ш 2

<Ь

0,06

0,00-£>

8(6)

29°

Х-

—I— 20

20°

Рис. 2. Дифрактограммы 20-ти слойных ЛБ пленок на кремниевой подложке, полученных путем

последовательного переноса ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты с поверхности

1 — чистой воды, рН 5,6; водной фазы, содержащей

2 — Сс/С/) (1х1(Х4 М), рН 4,0; 5 — вс1(СНзСОО)з (1*10* М); рП 5,6;

3 —в<1аз(1 XIV4 М),рН 5,0; 6 ~ С<1(С113СОО)¡(¡хЮ4 К{) и ЫаС1 (Зх10Г3М)рН 5,6;

4 — Сс/С/; (1x10* М), рН 5,6; 7— вйС1, (1x1а4 М) и СН3СООН (ЗхКГ4 М) рН5,6;

8(а)и8(б) — в<1С1з (¡хНТ4 М) и ШС1 (ЗхЮ'2 М) рН 5,6. дифрактограммы значения толщины бимолекулярного слоя или межслоевого периода в пленке показывают, что исследуемая ЛБ пленка не является однофазной, а образована, по крайней мере, тремя фазами молекул стеариновой кислоты с характерными периодами повторяемости структуры ¡¡, = 39,510,4, <12 = 44,7±0,3 и ¿з = 46,3±0,2 А. Наибольшая пиковая интенсивность сосредоточена в пиках, соответствующих межслоевому периоду </;»39,5 А, следовательно, именно эта молекулярная фаза преобладает в составе исследуемой ЛБ пленки. Основной интерес представляет анализ структурного совершенства ЛБ пленок стеарата гадолиния, полученных путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев с поверхности водной фазы с различным анионным составом и рН. Кривая 2 на рис. 2 представляет собой дифрактограмму ЛБ пленки, полученной с использованием раствора 1х10лМ хлорида гадолиния, при рН4,0. В области углов '29= 1"— 23° на дифрактограмме проявляется 13 брэгговских рефлексов. Из приведенных данных следует, что формирование монослоев на поверхности водной фазы, содержащей катионы гадолиния, даже в области значений рН, соответствующих неполному

связыванию катионов металла с молекулами стеариновой кислоты обеспечивает получение однофазных мультислойных пленок. Определенная по разностным значениям брэгговских углов средняя величина межслоевого периода мультислойной пленки равна ё- (49,58+0,16) Л. Кривая 3 на рис. 2 соответствует дифрактограмме 20-ти слойной ЛБ пленки, полученной при наличии в водной фазе хлорида гадолиния, рН 5,0. Исследуемая ЛБ пленка также является однофазной со средней величиной межслоевого периода равной ё=(49,63+0,07) А. Однако полуширина брэгговских пиков на дифрактограмме данной ЛБ пленки почти на 20% меньше, чем соответствующая величина на дифрактограмме ЛБ пленки стеарата гадолиния, полученной при значении рН водной фазы 4,0.

Таблица 1. Количественные результаты рентгенодифракционного анализа структуры ЛБ пленок стеарата гадолиния

Водный раствор, использовавшийся для получения ЛБ пленки, содержал Средний межслоевой период, А Средняя ширина брэгговских рефлексов на дифрактограмме, град.

1хЮ4МСаС1з,рН 4,0 49,58±0,16 0,1910,05

1х1(Г4МОсКПз,рН5,0 49,6310,07 0,1310,02

1х10ч М ОёС1з,рН 5,6 49,310,2 0,2610,09

40,15±0,07 -

1х10^мса(с113соо)3, рН 5,6 49,50±0,12. 0,1310,02

1хЮ"МС<1(СНзСОО)зи Зх10-2М№С1, рН 5,6 49,49±0,06 0,1510,02

1хю"моас1зи 9х 10"* М СНзСООН, рН 5,6 49,1 ±0,3 0,14Ю,02

МО-4 м вась и ЗхЮ"2 МИаС!, рН 5,6 49,5110,04 0,1310,08

Дифрактограмма ЛБ пленки, полученной с использованием в качестве субфазы раствора хлорида гадолиния с концентрацией 1х10-4 М при значении рН5,6 (см. рис.2 кривая 4 и данные, приведенные в табл. 1) существенно отличается от двух ранее описанных дифрактограмм ЛБ пленок стеарата гадолиния. В области углов на дифрактограмме проявляются пять

рефлексов Брэгга. Из приведенных данных видно, что указанная ЛБ пленка состоит из двух фаз. Первая, преобладающая в пленке фаза, обладает межслоевым периодом ё= (49,3+0,2) А. Третий слабовыраженный рефлекс на кривой 4 (рис. 2) при град, и пятый рефлекс при

град, на той же кривой, вероятнее всего, являются вторым и третьим рефлексами минорной фазы с

периодом d— (40,15±0,07) А, первый пик которой наложен на первый пик преобладающей фазы, в связи с чем, отчетливо на дифрактограмме не проявляется. Наблюдаемая вторая фаза, по-видимому, соответствует чистой стеариновой кислоте. Характерной особенностью брэгтовских рефлексов, отвечающих фазе с межслоевым периодом d = (49,3±0,2) А является существенное уширение рефлексов с увеличением их номера. Так, третий рефлекс этой фазы (при 5,34 град) практически в два раза шире первого рефлекса (при 1,79 град). В среднем значение полуширины брэгтовских рефлексов на кривой 4 (рис. 2) почти в два раза превышает значение той же величины для плепок стеарата гадолиния, полученных с использованием водного раствора 1x10* М GdClj при рН 5,0. Этот результат свидетельствует о наличии дефектов планарной структуры таких ЛБ пленок. Полученные результаты указывают на то, что использование водной фазы, содержащей хлорид гадолиния с концентрацией 1x10* М при значении рН5,6, не позволяет получать однофазные и совершенные по структуре пленки стеарата гадолиния. Причиной тому могут быть сложные процессы образования комплексов катионов гадолиния на поверхности монослоя, включающие взаимодействие катионов металла с гидроксид- и хлорид-ионами. Механические свойства монослоя,- взаимодействия при переносе монослоя на подложку и формировании многослойной пленки, также оказывают влияние на её структуру. Последовательный перенос ленгмюровских монослоев, сформированных на поверхности водной фазы, содержащей lxlO"4 M при рН 5,6, приводит к появлению у формируемой мультислойной ЛБ пленки структуры с параметрами, близкими к тем, которыми характеризуется образец, полученный на поверхности водной фазы, содержащей 1x10* М GdCb, при pH 5,0. Пленка является однофазной, рассчитанный межслоевой период составляет . Пояшгение в водном растворе

(рН 5,6), содержащем 1x10* М ацетат гадолиния, стократного избытка хлорид-ионов (относительного анионов ацетата) не сказывается заметно на структурном совершенстве получаемой таким образом мультислойной ЛБ пленки. Напротив, на кривой 6 (рис. 2) хорошо видны 11 брэгговских рефлексов, полуширина которых не превышает 0,17 (град), что свидетельствует о достаточно высоком совершенстве таких ЛБ пленок. В пределах погрешности рассчитанный по данным, приведенным в табл. 6, период повторяемости структуры в исследуемой ЛБ пленке d — (49,49±0,0б) А равен межслоевому периоду в ЛБ пленке, сформированной с использованием субфазы, содержащей (рН5,6). Примечательно, что

добавление в водную фазу, содержащую всего лишь трехкратного по-

отношению к анионам хлора избытка уксусной кислоты приводит к исчезновению минорной фазы у полученной на ее поверхности ЛБ пленки (см. рис. 2 кривая 7 и табл. 1). Более того, полуширина рефлексов Брэгга не увеличивается по мере увеличения их номера Приведенные в табл. 7 данные свидетельствуют о возможности получать упорядоченные однофазные (рассчитанный средний период межслоевой структуры в=(49,1±0,3) А) мультислойные ЛБ пленки, используя водную фазу, содержащую lxl0-4M GdCb и 9х10-4М СНзСООН при рН5,6. Дифрактограмма и результаты рентгенодифракционного анатаза структуры 20-ти слойной ЛБ пленки, полученной путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев с поверхности водного раствора, содержащего lx10-4 M GdCb и 3x10-2 М NaCl (рН 5,6), приведены на рис. 2 (кривая 8 (а) и 8 (б)) и в табл. 1. Рассчитанный период повторяемости структуры в исследуемой ЛБ пленке стеарата гадолиния rf=(49,51 ±0,04) А, равен межслосвому периоду в ЛБ пленках, полученных с

использованием субфаз, содержащих ацетат гадолиния при рН 5,6 (см. кривые 5 и 6 на рис. 2 и соответствующие им таблицы данных). На дифрактограмме ЛБ пленки стеарата гадолиния, образованной путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев с поверхности водной фазы, содержащей 1х10-4М GdQ3 и 3х10-2М №С1, видны 17 хорошо разрешимых рефлексов Брэгга. Значение параметра межслосвой структуры, большое количество рефлексов и малые значения их полуширины свидетельствует о том, что наличие в растворе помимо соли хлорида гадолиния многократного избытка анионов хлора позволяет получать мультислойные макроскопически-однофазные планарные структуры с наиболее высокой степенью упорядоченности.

Морфология поверхности мультислойных ЛБ пленок исследовалась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). На рис. 3 а. представлены топографические АСМ-изображения 20-ти слойной ЛБ пленки, полученной путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев стеариновой кислоты с поверхности чистой воды (рН 5,6). Мультислойные ЛБ пленки

Рис. 3. АСМ-изображения поверхности 20-ти слойных ЛБ пленок, полученных путем последовательного переноса ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты с поверхности • ■

а) — чистой воды, рН5,6 (размер изображения 15000x15000 им, черно-белая шкала высот 0-315 им);

б) — водной фазы, содержащей ¡хЮ4 М С<1С1з, рН4,0 (размер изображения ¡5000 нм х 15000 нм, черно-белая шкала высот 0-110 нм);

в) — водной фазы, содержащей ¡хЦХ4 М С<1С1з, рН5,0 (размер изображения 15ООО нм х 15000 нм, черно-белая шкала высот 0—156 нм);

г) — водной фазы, содержащей 1x11т4 М й<1С1ь рН 5,6 (размер изображений ¡5000 нм х ¡5000 нм, черно-белая шкала высот 0-50 нм).

стеариновой кислоты обладают существенно неоднородной поверхностью, на которой видны глубокие «дыры» и домены, высота которых колеблется от 160 до 200 нм. Результат влияния

варьирования значения рН водной фазы, содержащей 1х10-4 М ОёСЪ, на структуру поверхности получаемых мультислойных ЛБ пленок показан на рис. 3, см. изображения б-г. Уже в области значений рН водной фазы, лежащих значительно ниже рК„ стеариновой кислоты, катионы гадолиния, присутствующие в объемной водной фазе с концентрацией способны

связываться с некоторой частью молекул монослоя и влиять на структуру (согласно данным рентгенодифракционного анализа) и морфологию поверхности получаемых мультислойных ЛБ пленок, что отражено на рис. 3 б. Структура поверхности мультислойной ЛБ пленки, сформированной на субфазе, содержащей МО^-М <МС1з при рН 4,0, существенно отличаются от тех, которыми характеризовались ЛБ пленки стеариновой кислоты, полученные на поверхности чистой воды, — на их поверхности не наблюдается каких-либо квазикристаллических доменов и значительного перепада высот (см. на рис. 3 б). Дальнейшее повышение рН в водной фазе, содержащей катионы гадолиния (до рН 5,0) приводит к тому, что поверхность полученной с ее использованием мультислойной ЛБ пленки характеризуется наличием достаточно гомогенных квазикристаллических доменов от 0,3 до 2 мкм в ширину и от 1 до 2 мкм в длину (см. рис. 3 в). При рН 5,6 гидроксид-ионы активно включаются в координационные комплексы катионов гадолиния, что приводит к формированию на поверхности водной фазы, содержащей ОёСЪ более рыхлого и нестабильного монослоя, а также сказывается на структуре и свойствах поверхности получаемой мультислойной ЛБ пленки, на которой видны нерегулярно расположенные конические домены разной высоты и дефекты структуры.

Влияние анионного состава'водной фазы, содержащей катионы гадолиния, на структуру поверхности мультислойных ЛБ пленок представлено на рис. 4. В зависимости от типа и концентрации анионов, присутствующих в водной фазе, на которой формировали ленгмюровский монослой, существенно меняется морфология поверхности получаемых мультислойных ЛБ пленок. Так, наличием квазикристаллических доменов характеризуется поверхность мультислойной ЛБ пленки, сформированной на субфазе, содержащей М ацетата гадолиния

(см. рис. 4 а). Однако в этом случае домены имели несколько иную форму и меньшую высоту относительно междоменного пространства, чем в случае, когда для формирования пленки в качестве субфазы применяли водный раствор С(1С1з при рН5,0 (см. рис. 3 в и рис. 4 а). Использование для формирования мультислойных ЛБ пленок раствора 1Х10"4 М (СНзСОО)з и Зх10"2 М №С1 (рН 5,6) (см. рис. 4 б) приводит к появлению у получаемых ЛБ пленок качественно иных структурных особенностей поверхности: на плоской поверхности образца видны достаточно плоские плато, высота которых примерно соответствует толщине бислоя. Добавка к раствору М хлорида гадолиния (рН 5,6) трехкратпого по отношению к хлорид-ионам избытка уксусной кислоты позволяет получать мулътислойные ЛБ пленки стеарата редкоземельного металла и по структурным характеристикам и по морфологии поверхности аналогичные ЛБ пленкам, для формирования которых в качестве субфазы применяли водный раствор М

(СНзСОО)з, рН 5,6 (см. рис. 4 в). Изображение 4 г представляет микрофотографию поверхности 20-ти слойной ЛБ пленки стеарата гадолиния, полученной с использованием водной фазы, содержащей 1x10"* М 0(Ю13 и ЗхЮ'2 М КаС1 (рН 5,6). Поверхность исследуемой мультислойной пленки характеризуется наличием квазипланарных доменов (перепад высот в пределах домена не

превышает 0,6 нм), достаточно больших по площади и достигающих в длину до нескольких микрон. •

Рис. 4. АСМ-изображения поверхности 20-ти слойных ЛБ пленок, полученных путем последовательного переноса ленгмюровских монослоев стеариновой кислоты с поверхности водной фазы (рН5,6), содержащей

а) — 1x1 (Т' М а(С11£00), (размер изображения 15000 нм х 15000 нм, черно-белая шкала высот 0-160нм);

б) — 1x10* МС^СНзСОО)) и Зх1СГ3 МЫа£1 (размер изображения 15000 нм х 15000 нм, черно-белая шкала высот 0-110 нм);

в) — 1x10* М вс1С1} и 9x10* М С11/200Н (размер изображения 15000 нм х 15000 им. черно-белая шкала высот 0 - 220 нм);

г) — 1x10* М С^а, и 3x10' М Л'дС/ (размер изображения 6500 нм х 6500 нм, черно-белая шкала высот 0 — 32 нм).

В процессе выполнения работы также была исследована термическая стабильность 20-ти слойных ЛБ пленок стеарата гадолиния, сформированных на субфазе, содержащей 1x10"* М (СНзСОО)з И 3x10*'' М КаС1 (рН 5,6). 4 образца помещали в кварцевый термостат и инкубировали в течение 15 мин при 50, 100, 150 и 200° С соответственно. Согласно данным рентгенодифракционного анализа, структура анализируемых мультислойных ЛБ пленок не разрушается при нагревании вплоть до 150°С. После инкубации при 200° С структура мультислойной ЛБ плеяхи стеарата гадолиния была значительно разрушена. Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о том, что мультислойные ЛБ пленки стеариновой кислоты без катионов редкоземельных металлов практически полностью разрушаются в процессе инкубации уже при 100° С.

Таким образом, представленный в работе подход к формированию мультислойных структур, содержащих катионы редкоземельных металлов, позволяет получать ЛБ пленки совершенные по структурным и поверхностным характеристикам, а также обладающие

уникальными физическими свойствами.

В четвертой главе диссертационной работы представлены экспериментальные результаты, описывающие получение планарных полимерных тонкопленочных структур. Упорядоченные монослои амфифилыгых моно- и поликатионов, а также их комплексы с молекулами ДНК были сформированы на поверхности водной фазы и перенесены на твердые подложки с использованием ленгмюровской монослойной технологии. Технология получения моно- и мультислойных структур, разработанная Ленгмюром и Блоджетт, позволяет эффективно управлять свойствами получаемого тонкопленочного материала, а также регулировать состояние ленгмюровского монослоя на поверхности водной фазы, в частности, поверхностную концентрацию амфифильных молекул, их латеральную подвижность и структурную организацию, и, тем самым, влиять на процессы взаимодействия молекул монослоя с компонентами водной фазы. Эта техника также дает уникальную возможность исследования динамики структурообразования в процессе формирования монослойных комплексов с компонентами водной фазы посредством остановки процесса на разных стадиях путем нанесения монослоя на твердотельную подложку и изучения его структуры.

В ходе экспериментальных исследований были получены монослойные комплексы амфифильного поликатиона поли-4-винилпиридина с 16% цетилпиридиниевых групп (ПВП-16) и молекул ДЫК. Для сравнения также исследовалась структура комплексов катионного ПАВа октадециламина и ДНК, полученных с использованием монослойной технологии.

Природа молекул амфифильного полиэлектролита, их размер и заряд являются важными факторами, определяющими структуру и свойства образуемых ими ленгмюровских монослоев. На рис. 5 представлены полученные методом АСМ изображения поверхности ЛБ пленок (два бислоя) ОДА (см. рис. 5 а) и ПВП-16 (см. рис. 5 б-г), сформированных путем последовательного переноса ленгмюровского монослоя ОДА или ПВП-16 с поверхности водной фазы, содержащей 1 мМ №С1 при рН 6, на атомарно-гладкую подложку из слюды. На поверхности ЛБ пленок ОДА видны гомогенные плоские участки с отклонением от средней высоты около 1 нм и трехмерные агрегаты высотой приблизительно 10 нм. Установлено, что структура ЛБ пленок ОДА не зависит существенно от времени инкубации ленгмюровского монослоя ОДА на поверхности водной субфазы (от 10 до 60 мин.) и степени поджатая монослоя (в пределах значений поверхностного давления от 0 до 20 мН/м) в процессе инкубации. Напротив, структура полимерных ЛБ пленок ПВП-16 существенно зависит от времени инкубации монослоя на поверхности водной фазы и его состояния в процессе инкубации. Было обнаружено два различных типа организации молекул полимера в ЛБ пленке ПВП-16, в зависимости от продолжительности и условий инкубации монослоя ПВП-16 на поверхности водной фазы. На рис. 5 б представлено полученное методом АСМ изображение ЛБ пленки, образованной путем перенесения на слюду ленгмюровского монослоя ПВП-16 после 10-ти минутной инкубации на поверхности водной фазы в поджатом состоянии Морфология поверхности такой ЛБ пленки ПВП-16 схожа с морфологией

поверхности ЛБ пленки ОДА (см. рис. 5 а). Подобная структура поверхности Л Б пленок ПВП-16 наблюдалась также в случае, когда ленгмюровский монослой ПВП-16 переносили на твердотелыгую подложку без инкубации непосредственно после нанесения раствора ПВП-16 в хлороформе на поверхность водной субфазы и испарения хлороформа (5 мин). Увеличение времени инкубации неподжатого монослоя ПВП-16 на поверхности водной субфазы до 10

минут приводит к существенному изменению структуры соответствующих ЛБ пленок (см. рис. 5 в-г). В этом случае структура пленки представляет собой ансамбль высокоупорядоченных плотноупакованных поверхностных мицелл (около 50 нм в длину, 30 нм в ширину и 4 нм в высоту) (см. изображения в-г на рис. 5). Подобная структура ЛБ пленок ПВП-16 наблюдается также при длительной (более 20-ти минут) инкубации монослоя ПВП-16 в поджатом состоянии при поверхностном давлении л.^0 мН/м. Тенденция к образованию параллельных" цепей поверхностных мицелл в ЛБ пленке ПВП-16 может быть следствием жидкокристаллической организации линейных молекул ПВП-16 в ленгмюровском монослое на поверхности водной фазы. В термодинамически равновесном состоянии монослоя, соответствующем минимуму свободной электростатической энергии, молекулы ПВП-16 на поверхности водной фазы организованы как планарные квази-параллельные нити (двумерные смектические жидкие кристаллы) вследствие электростатического отталкивания между положительно заряженными группами в цепи

полимерной молекулы и электростатического отталкивания линейных заряженных полимерных молекул друг от друга. Кроме того, известно, что линейные полимерные молекулы и неорганические одномерные наноструктуры (нанопровода) могут пространственно ориентироваться также и при поджатии монослоя и его последующем переносе на твердотельную подложку. Полученные результаты исследования структуры поверхности ЛБ пленок ПВП-16 указывают на то, что упорядоченная супрамолекулярная организация в ленгмюровских монослоях амфифильных полиэлектролитов, обусловленная тендепцией к минимизации свободной электростатической энергии системы, представляет собой довольно медленный процесс и зависит от состояния ленгмюровского монослоя (степени сжатия), которое определяет подвижность полимерных молекул в монослое и возможности структурной реорганизации монослоя. Организованная планарная структура ЛБ пленок амфифильных полиэлектролитов делает их перспективными для применения в наноэлектроникс и нанотехнологии, поскольку встраивание в такие слои функциональных или структурных наноразмерных компонентов — молекул (в том числе биологической природы), нанокластеров, напочастиц и т.д. открывает возможности формирования стабильных упорядоченных полимерных планарных предельно тонких нанокомпозитных пленок и покрытий на различных поверхностях, в том числе на системах электродов, получаемых методами нанолитографии.

На рис. 6 приведены изотермы сжатия ленгмюровского монослоя ПВП-16 на поверхности чистой воды (см. рис. 6, кривая 1) и на поверхности раствора, содержащего ДНК с концентрацией 1,2x10-4 М (на мономер) (см. рис.6, кривая 2). Представленные кривые иллюстрируют влияние, оказываемое молекулами ДНК,

адсорбирующимися на поверхности монослоя, на его состояние: при поджатии монослой ПВП-16 на поверхности водной фазы, содержащей молекулы ДНК, сильнее конденсирован вплоть до значения занимаемой площади 20 А2, приходящихся на один мономер поликатиона, чем монослой ПВП-16 на поверхности чистой воды. При дальнейшем поджатии ленгмюровский монослой ПВП-16 на поверхности водной фазы, содержащей молекулы ДНК, напротив, занимает большую площадь, чем монослой ПВП-16 на поверхности чистой воды при одних и тех же значениях поверхностного давления. Присутствие молекул ДНК в водной

2 — на поверхности водной фазы,

фазе влияет также на наклон изотермы сжатия ленгмюровского монослоя ПВП-16. рН5,6.

На рис. 7 представлено полученное методом АСМ изображение характерной топографии поверхности ЛБ пленки комплекса ДНК/ПВП-16, получаемого в результате взаимодействия молекул ДНК объемной водной фазы с молекулами ПВП-16 в неподжатом ленгмюровском

Рис. 6. Изотермы сжатия ленгмюровского

им 3,5 3,0 V 2,0 1J 1,0

-W

100 150 200 250 300 350 ИМ

160 200 240 НМ

Рис. 7. АСМ-юображения топографии поверхности ЛБ пленок комплексов ДНК/ПВП-16 на слюде (два бислоя). Условия формирования комплексов: неподжатый монослой ПВП-16 в процессе инкубации (я^О), время инкубации монослоя 25 мин., водная фаза содержала ДНК (концентрация 1,2х1(Г* на мономер), 1мМ ЫаС1, рН 6.

а) — размер изображения 2800 нмх2800нм, черно-белая шкала высот 0-4.5 нм;

б) — профиль вертикального сечения поверхности ЛБ пленки, представленной на рисунке а);

в)—размер изображения 260нм х260 им, черно-белая шкала высот 0 —3.5км;

г) — профиль вертикального сечения поверхности ЛБ пленки, представленной на рисунке в).

, нм

J000-fe

Г.. • tt 12

фг-Чё*!^* -Л-» '"1

" ¡i- - '

о -^Hms^-f^ "¿y* -I ,

0 500 101» IS00 2000 2500 HM

-^---1

' -i't ■'- . ¿i f * ~ w— -i *

- "i-*' í

V Ц

300 600 900 1200 1500 KM Рис. 8. АСМ-юображения топографии поверхности ЛБ пленок комплексов ДНК/ПВП-16 на слюде (два бислоя). Условия формирования комплексов: поверхностное давление в монослое ПВП-16 в процессе инкубации на поверхности водной фазы яз20 м1Ум, время инкубации монослоя 25 мин., водная фаза содержала ДНК (концентрация 1,2x10* на мономер), 1 мМ NaCl, рН 6.

а)—размер изображения 3000 нм х 3000 нм, черноЛелая шкала высот 0- 42нм;

б)—размер изображения 1250 нм х ¡250 нм, черно-белая шкала высот 0-31 нм;

в)—профиль вертикального сечения поверхности ЛБ пленки, представленной на рисунках а) и б).

монослое (л=0). Из рис. 7 видно, что комплекс ДНК/ПВП-16, получаемый при таких условиях, характеризуется планарной сетчатой структурой. Исходя из известных данных о фазовых состояниях ленгмюровских монослоев амфифильных веществ можно предполагать, что в данном случае имеет место взаимодействие молекул ДНК объемной фазы с индивидуальными молекулами ПВП-16, образующими фазу разреженного двумерного газа на поверхности водной фазы. При этом молекулы ПВП-16 в неподжатом ленгмюровском монослое (л=0) максимально удалены друг от друга вследствие электростатического отталкивания. Линейная плотность заряда в вытянутых молекулах ПВП-16 составляет один положительный заряд на 2,5 нм. Индивидуальная молекула ПВП-16 не способна полностью нейтрализовать отрицательный заряд на связывающейся с ней молекуле ДНК, анионные группы которой (по 2 фосфатные группы на каждые 3,5 А) имеют степень диссоциации ~ 0.5 при низкой ионной силе водного раствора. Таким образом, в процессе связывания молекул ДНК с молекулами ПВП-16 в условиях неподжатого монослоя может происходить перезарядка монослоя и образование на границе раздела фаз вода-воздух мультимолекулярных агрегатов вытянутых молекул ДНК и ПВП-16, имеющих сетчатую структуру. Типичный поперечный профиль поверхности (сечение по вертикали), соответствующей сетчатой структуры представлен на рис. 7 б, из которого видно, что толщина полученных комплексов ДНК/ПВП-16 составляет 2 - 2.5 нм, что близко к значению, полученному методом АСМ для мультимолекулярных агрегатов ДНК (~2.1 нм) и, по крайней мере, в три раза превышает значение, полученное на воздухе тем же методом при исследовании структуры нативной двуспиральной ДНК на твердотельной подложке (0.5-1 нм). В структуре комплексов ДНК/ПВП-16 на рис. 7 отсутствуют упорядоченные ансамбли плотноупакованных мицелл, наблюдающиеся в ЛБ пленках ПВП-16, полученных при аналогичных условиях инкубации монослоя амфифилъного поликатиона в отсутствие ДНК в водной фазе (рис. 5 в). Данный результат указывает на практически полное включение молекул ПВП-16 в планарные сетчатые мультимолекулярные комплексы с молекулами ДНК. При детальном анализе морфологии полученных комплексов обнаруживались также и линейные протяженные структуры, которые, по-видимому, соответствуют индивидуальным молекулам ДНК (рис. 7 в-г). Толщина таких структур не превышала 1 нм, а ширина (на полувысоте) составляла 10 нм, что близко к радиусу кривизны иглы кантилевера ЛСМ.

Структура ЛБ пленок комплексов ДНК/ПВП-16, полученных путем инкубации ленгмюровского монослоя ПВП-16 при постоянном давлении 71^20 мН/м на поверхности водной фазы, содержащей молекулы ДНК, представлена на рис. 8 и существенно отличается от структуры комплексов, полученных в результате взаимодействия ДНК с неподжатым монослоем . амфифильного поликатиона (см. рис. 7). Монослой ПВП-16, поджатый до значения поверхностного давления Jt^20 мН/м, характеризуется компактной структурой плотноупакованных молекул амфифильного поликатиона, которой соответствует величина средней поверхностной плотности положительного заряда, равная В поджатом

состоянии ленгмюровского монослоя ПВП-16 нет существенной анизотропии распределения поверхностного положительного заряда в плоскости монослоя и, таким образом, при данных условиях имеет место взаимодействие линейных молекул ДНК, находящихся в объемной водной фазе, с достаточно однородной положительно-заряженной поверхностью поджатого монослоя молекул ПВП-16. Из топографических изображений (см. рис. 8 а и б) и вертикального сечения

профиля поверхности (см. рис. 8 в) видно, что ЛБ пленки комплекса ДНК/ПВП-16, полученные при описанных выше условиях, представляют собой планарно-организованные торроидальные и линейные структуры. Внешний диаметр торроидов изменяется в пределах от 30 до 300 нм. При этом молекулы ПВП-16 в ЛБ пленках такого комплекса образуют организованные планарные ансамбли поверхностных мицелл (хорошо видимые на детальном изображении топографии комплекса — рис. 8 б), как и в случае с ЛБ пленками ПВП-16, структура которых представленна на рис. 5 в. Формирование торроидальных структур в процессе взаимодействия молекул ДНК с поджатым монослоем ПВП-16, создающим значительную величину положительного поверхностного заряда, обусловлено эффективной нейтрализацией орицательного заряда адсорбирующихся молекул ДНК и их компактизацией на поверхности монослоя. На рис. 8 в представлено характерное вертикальное сечение поверхности пленки, изображенной на рис. 8 а и б, из которого видно, что высота торроидальных структур достигает 15 нм и существенно превышает толщину двуспиральной молекулы ДНК. Согласно литературным данным, подобные торроидальные структуры наблюдались при исследовании комплексов, образованных молекулами ДНК с полиаминами, пептидами, катионными ПАВами и катионами металлов. Сообщается также о торроидальной и линейной структуре комплексов, полученных в процессе взаимодействия молекул ДНК с поликатионами в объемной водной фазе. Молекулярные комплексы ДНК/полиамин (спермидин), образованные при высокой концентрации спермидина (6 мМ) по отношению к ДНК (1 мкМ) и высокой ионной силе водного раствора (50 мМ №С1 иЮ мМ MgCb) представляли собой гигантские торроиды диаметром ~ 200 нм. Планарная организация молекул катионного поверхностно-активного вещества (ПВП-16) и, соответственно, комплексов ДНК с полиэлектролитом в наших экспериментах приводит к появлению торроидов со значительно большим внешним диаметром (до 300 нм). В представленных экспериментах такие торроидальные структуры наблюдались преимущественно на ранних стадиях связывания ДНК с поджатым монослоем амфифильного поликатионна (время инкубации монослоя на поверхности водной фазы составляло 25 мин), когда существует избыток положительного поверхностного заряда монослоя, эффективно нейтрализующего заряд молекул ДНК и обусловливающего их компактизацию.

Обнаружен эффект влияния времени инкубации поджатого (7:^0 мН/м) монослоя ПВП-16 на структуру комплексов ДНК/ПВП-16, что указывает на важность кинетических факторов в процессах структурообразования в такой системе. При длительной (более 50 минут) инкубации поджатого монослоя ПВП-16 на поверхности водной фазы, содержащей молекулы ДНК, образующиеся комплексы ДНК/ПВП-16 характеризуются планарной компактной структурой с элементами цепочечной и гранулярной организации, покрывающие более 80% поверхности образца.

В ходе выполнения работы также были получены АСМ-изображения структуры сформированной ЛБ пленки комплекса ДНК/ОДА. В таком комплексе присутствуют гранулярные цепочки и кольцевые структуры толщиной 5-6 нм, имеющие определенное морфологическое сходство с комплексами, образованными молекулами ДНК с поджатым монослоем амфифильного поликатиона ПВП-16 при длительной (более 55 минут) инкубации.

выводы

1. Исследована структура мультислойных пленок Ленгмюра-Блоджстт (ЛБ) стеарата гадолиния в зависимости от ионного состава водной фазы. Установлено, что при одной и той же концентрации катионов гадолиния структура получаемых пленок существенно зависит от типа и концентрации анионов, присутствующих в водной фазе, а также от значения рН раствора, на поверхности

, которого сформирован, ленгмюровский монослой. Обнаружено, что структура ЛБ пленки стеарата гадолиния, полученной с использованием раствора хлорида гадолиния, характеризуются наличием двух'фаз'с параметрами-слоистой структуры 4,9 и 4,0 нм и средней шириной брэгговских рефлексов 0,26 град. При этом ЛБ пленки, полученные в присутствии в водной фазе ацетата гадолиния, характеризуется существенно более упорядоченной слоистой структурой - являются однофазными с параметром слоистой структуры 4,9 нм и в два раза меньшей шириной рефлексов Брэгга.

2. Обнаружен эффект влияния ионного состава водной фазы на структуру мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния. С использованием водной фазы, содержащей избыток №С1 (3х10"2 М), впервые получены мультислойные ЛБ пленки стеарата гадолиния с высшей степенью структурного совершенства, определяемой методами рентгеновской дифракции, и макроскопически планарной поверхностью с отклонением от плоскости, не превышающем 1нм на расстояниях ~ 1 мкм.

3. Впервые получены.и исследованы структура и физико-химические свойства ленгмюровских монослоев и ЛБ пленок амфифильного поликатиона поли-4-винилпиридин с 16% цетилпиридиниевых групп. Установлено, что структура пленок существенно зависит от состояния

. ленгмюровкого монослоя амфифильного поликатиона и от времени его инкубации на поверхности водной фазы. Впервые получены монослойные полимерные структуры амфифильного поликатиона, обладающие высокой степенью организации в плоскости слоя.

4. С использованием леигмюровской технологии проведено исследование комплексообразования между амфифильным катионным липидом ОДА, а также амфифильным поликатионом ПВП-16, образующими ленгмюровские монослои на поверхности раздела газовой и водной фаз, и молекулами ДНК из объемной водной фазы. Обнаружены существенные изменения изотерм сжатия монослоев, отражающие процессы комплексообразования на границе раздела фаз.

5. Впервые получены и исследованы новые планарные комплексы амфифильный поликатион/ДНК. Методом атомно-силовой микроскопии установлено, что морфология комплексов существенно зависит от условий их формирования. Получены комплексы в виде тороидов, а также новые комплексы амфифильный поликатион/ДНК в виде планарной сетчатой структуры.

Результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. G.B. Khomutov, M.N. Antipina. I.V. Bykov, R.V. Gainutdinov, ICA.Dembo, V.V. Klechkovskaya, A.L. Tolstikhina, T.V. Yurova, J. Bohr, Structural studies of Langmuir-Blodgett films containing rare-earth metal cations, Colloids and Surfaces A: 198-200 (2002) 261-274. (COLSUA11181)

2. M. N. Antipina. I. V. Bykov, R. V. Gainutdinov, Yu. A. Koksharov, A. P. Malakho, S. N. Polyakov, A. L. Tolstikhina, T. V. Yurova, G. B. Khomutov, Structural control of Langmuir-Blodgett films containing metal cations by ligands exchange, Materials Science and Engineering C: 22(2) (2002) 171-176.

3. G.B. Khomutov, V.V. Kislov, M.N. Antipina. R.V. Gainutdinov, S.P. Gubin, A.Yu. Obydenov, SA. Pavlov, АЛ. Rakhnyanskaya, A.N. Sergeev-Cherenkov, E.S. Soldatov, D.B. Suyatin, A.L. Tolstikhina, A.S. Trifonov, T.V. Yurova, Interfacial nanofabrication strategies in development of new functional nanomaterials and planar supramolecular nanostructures for nanoelectronics and nanotechnology, Microelectronic Engineering, Volume 69, Issues 2-4, September 2003, Pages 373383.

4. M.N. Antipina. R.V. Gainutdinov, A.A. Rachnyanskaya, A.L. Tolstikhina, T.V. Yurova, G.B. Khomutov, Studies of nanoscale structural ordering in planar DNA complexes with amphiphilic mono- and polycations, Surface Science 532-535 (2003) 1025-1033.

5. M.N. Antipina. R.V. Gainutdinov, I.V. Golubeva, Y.A. Koksharov, A.P. Malakho, S.N. Polyakov, A.L. Tolstikhina, T.V. Yurova, G.B. Khomutov, The design, fabrication and characterization ofrare-earth containing multilayer supramolecular films with nanometer-scale controlled composition, structure and properties, Surface Science 532-535 (2003) 1017-1024.

6. M.H. Антипина. Р.В. Гайнутдинов, А.А. Рахнянская, А.Н. Сергеев-Черенков, АЛ. Толстихина, Т.В. Юрова, В.В. Кислов, Г.Б. Хомутов, Комплексы ДНК, формируемые на поверхности водной фазы: новые планарные полимерные и композитные наноструктуры, Биофизика, (2003) Т. 48, №6, С. 998-1010.

7. G.B. Khomutov, M.N. Antipina. A.N. Sergeev-Cherenkov, T.V. Yurova, A.A. Rakhnyanskaya, V.V. Kislov, R.V. Gainutdinov, A.L. Tolslikhina, Interfacially-organized DNA/polycation complexes: a route to new planar polymeric and composite nanostructures, Mat Sci. Eng. C, 23(6-8) (2003) 903908.

8. Радченко И.В., Антипина М.Н.. Берсенева И.В., Модельные моно- и мультислойвые молекулярные системы, Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-1999" секция "физика", Физический факультет МГУ, 2001, Сборник тезисов, стр. 25.

9. М.Н. Антидина, Взаимодействие трехвалентных катионов с органической поверхностью ленгмюровского монослоя, Тезисы докладов конференции студентов и аспирантов по химии и физике полимеров и тонких органических пленок, Пущино, 14-15 июня 1999 г., с. 4.

10. Юрова Т.В., Антипина М.Н.. Берсенева И.В., Радченко ИЛ., Хомутов Г.Б. Исследование взаимодействия катионов металлов с модельными монослойными и полимерными молекулярными системами, Тезисы докладов II съезда биофизиков России, Москва, 23-27 августа 1999г., 578-579.

И. Г.Б. Хомутов, М.Н. Антипина. И.В. Быков, Р.В. Гайнутдинов, И.В. Голубева, Ю.А. Кокшаров, С.Н. Поляков, ИЛ. Радченко, Т.В. Юрова, Тонкие супрамолекулярные пленки, содержащие

катионы редкоземельных металлов., Авторефераты докладов 3 Международной конференции "Химия Высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии", С-Петербург, 2629 июня 2001 г., с. 432-434.

12. М.Н. Антипина. Г.Б. Хомутов, Т.В. Юрова, Исследование взаимодействия трехвалентных катионов с Ленгмюровским монослоем, Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2001" секция "физика", Физический факультет МГУ, 2001, Сборник тезисов, стр. 18.

13. M.N. Antipina. I.V. Bykov, R.V. Gainutdinov, S.N. Polyakov, A.L. Tolstikhina, T.V. .Yurova and G.B. Khomutov, Structural control of Langmuir-Blodgett films containing metal cations by ligands exchange, ECOF8, 8-th European Conference on Organized Films, Otranto (Lecce), Italy, 3-7 September 2001, Book of Abstracts, p. 0.10.

14. M.N. Antipina. Y.V. Bykov, R.V. Gainutdinov, I.V. Golubeva, Y.A Koksharov, A.P. Malakho, S.N. Polyakov, A.L. Tolstikhina, T.V. Yurova, G.B. Khomutov, The Design, fabrication and characterization of rare-earth containing multilayer supramolecular films with nanometer-scale controlled composition, structure and properties, 7-th International Conference on nanometer-scale science and technology + 21-st European conference on surface science NANO-7 and ECOSS-21,24-28 June 2002, Malmo, Sweden, Proceedings, Session ID: TU-P-060, No A2251.

15. M.N. Antipina. Y.V. Bykov, R.V. Gainutdinov, I.V. Golubeva, Y.A Koksharov, A.P. Malakho, S.N. Polyakov, A.L. Tolstikhina, T.V. Yurova, G.B. Khomutov, The design, fabrication and characterization of rare-earth containing. multilayer supramolecular films with nanometer-scale controlled composition, structure and properties,. 7-th International Conference on nanometer-scale science and technology + 21-st European conference on surface science NANO-7, and ECOSS-21,24-28 June 2002, Malmo, Sweden, Book ofAbstracts, p. 52.

16. M.N. Antipina. R.V. Gainutdinov, I.V. Golubeva, Y.A. Koksharov, A.P. Malakho, S.N. Polyakov, A.A. Rakhnyanskaya, A.L. Tolstikhina, T.V. Yurova and G.B. Khomutov, Interfacial polyionic interactions and structure of surfactant complex films, XVI European Chemistry at Interfaces Conference, May 14-18,2003, Vladimir, Russia, Book ofAbstracts, p. 73.

17. T.V. Yurova, M.N. Antipina. Y.V. Bykov, R.V. Gainutdinov, A.A. Rakhnyanskaya, A.L. Tolstikhina and G.B. Khomutov, DNA complexes with amphiphilic mono- and polycations at the gas/liquid interface, XXVI European Chemistry at Interfaces Conference, May 14-18, 2003, Vladimir, Russia, Book ofAbstracts, p. 74.

18. M.N. Antipina. V.G. Elensky, R.V. Gainutdinov, S.P. Gubin, V.V. Kislov, G.A Maresov, SA Pavlov, АЛ. Rakhnyanskaya, A.N. Sergeev-Cherenkov, E.S. Soldatov, D.B. Suyatin, A.L. Tolstikhina, T.V. Yurova and G.B. Khomutov, Planar Polymeric Composite Nanostractures and DNA Complexes, The 4-th International Conference on Intelligent Processing and Manufacturing of Materials, May 18-23, 2003, Sendai, Japan,XDrROM Proceedings, file "Sergeev-Cherenkov.pdf", Technical Program, p. 15.

19. G.B. Khomutov, M.N. Antipina. A.N. Sergeev-Cherenkov, T.V. Yurova, A.A. Rakhnyanskaya, V.V. Kislov, R.V. Gainutdinov, A.L. Tolstikhina, Interfacially-organized DNA/polycation complexes: a route to new planar polymeric and composite nanostractures, E-MRS Spring Meeting 2003 (10-13 June) Strasburg, A/PI-46, p. 21.

20. A.N. Sergeev-Cherenkov, M.N. Antipina. T.V. Yurova, A.A. Rakhnyanskaya, R.V. Gainutdinov, A.L. Tolstikhina, V.V. Kislov and G.B. Khomutov, Planar DNA complexes as templates for fabrication of organized inorganic nanostructures, International Symposium on Nanostructures: physics and technology, SL Petersburg, Russia, 23-28, June 2003, Proceedings, p. NT.21p., p. 330331

21. M.N. Antipina. Y.V. Bykov, R.V. Gainutdinov, I.V. Golubeva, Y.A. Koksharov, A.P. Malakho, S.N. Polyakov, AX. Tolstikhina, T.V. Yurova and G.B. Khomutov, Creation of organized supramolecular nanostructures via polyionic interactions at the charged interfaces, Xll-th International Symposium on Bioelectrochcmistry and Bioenergetics, Florence, Italy, June 19-24,2003, Book ofAbstracts, p. 15.

22. T.V. Yurova, M.N. Antipina, Y.V. Bykov, R. V. Gainutdinov, A.A.Rakhnyanskaya, A.L. Tolstikhina and G.B. Khomutov, Study of DNA interactions with Langmuir monolayers of amphiphilic mono-and polycations, Xll-th International Symposium on Bioelectrochemistry and Bioenergelics, Florence, Italy, June 19-24,2003, Book ofAbstracts, p. 267.

23. A.N. Sergeev-Cherenkov, M.N. Antipina, T.V. Yurova, A.A. Rakhnyanskaya, R.V. Gainutdinov, A.L. Tolstikhina, V.V. Kislov and G.B. Khomutov, Low-dimensional hybrid organic-inorganic nanostructures via planar DNA-amphiphilic polycation complexes, 22-nd European Conference on Surface ScienceG Praga (Chech Republic) September 7-12, 2003, Conference CD and Book of Abstracts, id 17403, p. 132.

24. G.B. Khomutov, M.N. Antipina, A.N. Sergeev-Cherenkov, АЛ. Rakhnyanskaya, R.V. Gainutdinov, A.L. Tolstikhina, V.V. Kislov, Interfacial synthesis and organization of planar molecular, polymeric, composite and inorganic nanostructured materials, First International Meeting on Applied Physics (APHYS-2003), October 14-18th 2003, Badajoz (Spain), Book ofAbstracts, p. 484.

25. G.B. Khomutov, M.N. Antipina. A.N. Sergeev-Cherenkov, T.V. Yurova, АЛ. Rakhnyanskaya, R.V. Gainutdinov, A.L. Tolstikhina, V.V. Kislov, New low-dimensional supramolecular and hybrid organic-inorganic nanostructures via Interfacially-formed DNA-amphiphilic polycation complexes, First International Meeting on Applied Physics (APHYS-2003), October 14-18Ш 2003, Badajoz (Spain), Book ofAbstracts, p. 485.

26. A.N. Sergeev-Chcrenkov, M.N. Antipina, T.V. Yurova, A.A. Rakhnyanskaya, R.V. Gainutdinov, A.L. Tolstikhina, V.V. Kislov and G.B. Khomutov, Planar DNA complexes as templates for fabrication of organized inorganic nanostructures, First International Meeting on Applied Physics (APHYS-2003), October 14-18A 2003, Badajoz (Spam), Book ofAbstracts, p. 493.

27. Г.Б. Хомутов, М.Н. Антипина. И.В. Быков, Р.В. Гайнутдинов, В.В. Клечковская, Ю.А. Кокшаров, С.Н. Поляков, АЛ. Толстихина, Т.В. Юрова, Получение и исследование структуры пленок Ленгмюра-Блоджетт стеаратов редкоземельных металлов, Тезисы докладов IV Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов, ИК РАН, Москва, 17-22 ноября 2003 г., с.210.

ООП Физ.ф-та МГУ. Заказ 55-80-04

!5 7356

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Антипина, Мария Николаевна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Ленгмюровские монослои на поверхности жидкости: способы их получения и исследования физико-химических свойств.

1.2. Мультислойные пленки Ленгмюра-Блоджетт на твердой подложке.

1.2.1. Последовательный перенос ленгмюровских монослоев на твердую подложку.

1.2.2. Особенности поведения ленгмюровских монослоев при переносе на твердый субстрат.

1.3. Физико-химические свойства ленгмюровских монослоев амфифильных молекул, несущих заряженные группы.

1.3.1. Влияние варьирования значения рН водной фазы на состояние ленгмюровских монослоев слабых электролитов.

1.3.2. Особенности взаимодействия катионов поливалентных металлов с ленгмюровским монослоем жирных кислот.

1.4. Влияние процессов образования координационных комплексов катионов металлов вблизи заряженной поверхности ленгмюровского монослоя жирных кислот на структуру мультислойных ЛБ пленок.

1.4.1. Исследование структуры пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих катионы поливалентных металлов.

1.4.2. Ленгмюровские монослои и мультислойные пленки Ленгмюра-Блоджетт, содержащие трехвалентные катионы переходных металлов.

1.5. Теоретические описание процессов взаимодействия ионов с плоской заряженной поверхностью.

1.6. Исследование комплексов молекул ДНК с модельными мембранными системами.

1.7. Методы исследования структуры и поверхности пленок Ленгмюра-Блоджетт

1.7.1. ИК Фурье спектроскопия.

1.7.2. Малоугловое рентгеновское рассеяние.

1.7.3. Атомно-силовая микроскопия.

Глава 2. Реактивы и методы.

Глава 3. Получение и исследование физико-химических свойств ленгмюровских монослоев и структуры мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния.

3.1. Исследование физико-химических свойств ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты с помощью анализа формы изотерм сжатия.

3.2. Исследование влияния анионного состава водной фазы, содержащей катионы гадолиния, на структуру получаемых мультислойных ЛБ пленок стеарата редкоземельного металла.

3.2.1. Исследование ЛБ пленок методом РЖ Фурье спектроскопии.

3.2.2. Исследование структуры ЛБ пленок стеарата гадолиния методом рентгеновской дифракции.

3.2.3. Исследование морфологии и топографии поверхности 20-ти слойных ЛБ пленок стеарата гадолиния методом АСМ.

3.2.3. Исследование термической стабильности 20-ти слойных ЛБ пленок стеарата гадолиния.

Глава 4. Получение и исследование новых планарных тонкопленочных структур, содержащих комплексы молекул ДНК.

Выводы .ИЗ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследование структуры и физико-химических свойств планарных модельных молекулярных и биомолекулярных систем, получаемых методом Ленгмюра-Блоджетт"

Актуальность темы исследования

Исследование процессов, протекающих на границе раздела фаз в молекулярных системах, является актуальным направлением современной биофизики и ряда смежных областей фундаментальной науки. Выяснение физико-химических механизмов структурной организации и трансформации в биологических супрамолекулярных системах важно для более глубокого понимания закономерностей процессов самосборки, самоорганизации и самовоспроизведения структуры, характерных для разнообразных биологических систем, включая ансамбли белков, липидные мембраны, нуклеиновые кислоты и т.д. Разработка подходов к эффективному управлению процессами биомолекулярной организации и функционирования вплоть до наноуровня определяет успешное решение большого числа практических задач в медицине и биоинженерии. Возникновение и развитие нового междисциплинарного направления молекулярной нанотехнологии делает актуальным разработку новых эффективных подходов к созданию организованных функциональных молекулярных наноструктур и получению мультислойных высокоорганизованных наноструктурированных материалов с послойным контролем их состава, структуры и, соответственно, свойств и функциональных характеристик.

Исследование процессов структурообразования, в которых участвуют молекулы нуклеиновых кислот, представляется важным в связи с тем, что эти молекулы помимо биологической функции хранения и передачи наследственной информации обладают уникальной структурой, характеризуются механической прочностью и физико-химической стабильностью, и поэтому являются перспективными для создания на их основе структурных и функциональных элементов новых устройств и наноматериалов для нанобиотехнологии. Исследование процессов самоорганизации и образования супрамолекулярных структур на основе комплексов молекул ДНК с амфифильными катионными молекулами актуально в настоящее время с практической точки зрения, поскольку может способствовать разработке новых невирусных химических переносчиков для эффективного направленного транспорта нуклеиновых кислот через биологические мембраны, которые могут найти применение в генной терапии и биоинженерии.

Одними из наиболее адекватных и удобных модельных систем для исследования физико-химических свойств биологических мембран служат ленгмюровские монослои амфифильных молекул на поверхности жидкости и мультислойные пленки Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) на твердой подложке. Технология, разработанная Ленгмюром и Блоджетт, позволяет формировать на границе раздела газовой и жидкой фаз планарные молекулярные системы, имеющие значительное структурное и морфологическое сходство с реальными биологическими мембранами. Данный подход позволяет встраивать в матрицу ленгмюровского монослоя различные функциональные молекулы и молекулярные комплексы. Ленгмюровская техника делает возможным также изучение физико-химических свойств монослоев при их взаимодействии с компонентами водной фазы и, кроме того, позволяет переносить мономолекулярный слой с поверхности жидкости на твердую подложку, чтобы в дальнейшем изучать его состав и структуру различными физическими методами.

Степень разработанности проблемы

Начиная с пионерских работ Ленгмюра и Блоджетт ученых, работающих в области физической химии поверхностных явлений, волновал вопрос об эффектах, оказываемых катионами металлов на состояние и свойства ленгмюровского монослоя амфифильных молекул в связи с ключевой ролью, которую играют металлы в функционировании и регуляции деятельности биологических мембран и живых организмов в целом. Если понимание механизмов влияния катионов щелочных и щелочноземельных металлов на физико-химические свойства ленгмюровского монослоя было достигнуто учеными достаточно быстро, то природа эффектов, которые оказывают катионы двух- и трехвалентных переходных металлов на состояние планарных молекулярных систем на границе раздела газовой и жидкой фаз до сих пор во многом не изучена. В настоящий момент также не решена проблема получения пригодных для прикладных применений организованных мультислойных ЛБ пленок с высоким содержанием катионов переходных металлов и управления их составом и структурными характеристиками.

Цель и задачи исследования

Целью работы является исследование физико-химических механизмов ионных взаимодействий на поверхности ленгмюровского монослоя и особенностей процессов структурообразования в модельных молекулярных системах для разработки эффективных подходов к созданию новых высокоорганизованных функциональных молекулярных и биомолекулярных наноструктур.

Исходя из общей цели, в диссертации решались следующие задачи:

2. Исследование влияния ионного состава водной фазы на структуру мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния.

3. Получение и исследование структуры ленгмюровских. монослоев амфифильных полиэлектролитов.

5. Исследование структуры комплексов амфифильный полиэлектролит/ДНК и амфифильный катион/ДНК, полученных методом Ленгмюра-Блоджетт.

Научная новизна диссертации

2. Впервые получены мультислойные ЛБ пленки стеарата гадолиния с уникальными структурными характеристиками, определяемыми методами рентгеновской дифракции, и макроскопически планарной поверхностью с отклонением от плоскости, не превышающем 1нм на расстояниях ~ 1 мкм.

Научно-практическая значимость исследования

Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, открывают возможности для разработки эффективных подходов к созданию новых высокоорганизованных функциональных молекулярных и биомолекулярных наноструктур. Сформированные высокоорганизованные планарные молекулярные структуры, содержащие катионы редкоземельных металлов, представляют практический интерес как прототипы новых наноструктурированных функциональных материалов. Полученные результаты открывают новые перспективы для понимания особенностей взаимодействия редкоземельных катионов, в частности катионов гадолиния, с биологическими мембранами, что имеет большое значение для биомедицинских применений катионов редкоземельных металлов. Результаты исследования процессов самоорганизации и образования супрамолекулярных структур на основе комплексов молекул ДНК с амфифильными катионными молекулами будут полезны в генной терапии и биоинженерии для разработки новых невирусных химических переносчиков для эффективного направленного транспорта нуклеиновых кислот через биологические мембраны. Апробация работы

Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались на 14 Всероссийских и международных конференциях, в том числе, на международной конференции "Химия Высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии" (С-Петербург, 2001), "European Conference on Organized Films" (Otranto (Lecce), Italy, 2001), "International Conference on nanometer-scale science and technology + European conference on surface science NANO-7 and ECOSS-21" (Malmo, Sweden, 2002), "European Chemistry at Interfaces Conference" (Vladimir, Russia, 2003), "International Conference on Intelligent Processing and Manufacturing of Materials" (Sendai, Japan, 2003), "E-MRS Spring Meeting" (Strasburg, France, 2003), "International Symposium on Nanostructures: physics and technology" (St. Petersburg, Russia, 2003), "International Symposium on Bioelectrochemistiy and Bioenergetics" (Florence, Italy, 2003), "European Conference on Surface Science" (Praga, Chech Republic, 2003), "First International Meeting on Applied Physics" (Badajoz, Spain, 2003), "Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов" (Москва, Россия, 2003).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в печатных работах: 7 статей в российских и международных научных журналах и 20 тезисов докладов на российских и международных научных конференциях.

Структура и объем работы

Структура работы обусловлена целями и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. В первой главе кратко изложены основные сведения о ленгмюровских

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Антипина, Мария Николаевна

Выводы

1. Исследована структура мультислойных пленок Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) стеарата гадолиния в зависимости от ионного состава водной фазы. Установлено, что при одной и той же концентрации катионов гадолиния структура получаемых пленок существенно зависит от типа и концентрации анионов, присутствующих в водной фазе, а также от значения рН раствора, на поверхности которого сформирован ленгмюровский монослой. Обнаружено, что структура мультислойной ЛБ пленки стеарата гадолиния, полученной с использованием раствора хлорида гадолиния, характеризуются наличием двух фаз с параметрами слоистой структуры 4,9 и 4,0 нм и средней шириной брэгговских рефлексов 0,26 град. При этом ЛБ пленки, полученные в присутствии в водной фазе ацетата гадолиния, характеризуется существенно более упорядоченной слоистой структурой — являются однофазными с параметром слоистой структуры 4,9 нм и в два раза меньшей шириной рефлексов Брэгга.

2. Обнаружен эффект влияния ионного состава водной фазы на структуру мультислойных ЛБ пленок стеарата гадолиния. С использованием водной фазы, содержащей избыток NaCl (3x10"2 М), впервые получены мультислойные ЛБ пленки стеарата гадолиния с высшей степенью структурного совершенства, определяемой методами рентгеновской дифракции, и макроскопически планарной поверхностью с отклонением от плоскости, не превышающем 1нм на расстояниях ~ 1 мкм.

3. Впервые получены и исследованы структура и физико-химические свойства ленгмюровских монослоев и ЛБ пленок амфифильного поликатиона поли-4-винилпиридин с 16% цетилпиридиниевых групп. Установлено, что структура пленок существенно зависит от состояния ленгмюровкого монослоя амфифильного поликатиона и от времени его инкубации на поверхности водной t фазы. Впервые получены монослойные полимерные структуры амфифильного поликатиона, обладающие высокой степенью организации в плоскости слоя.

4. С использованием ленгмюровской технологии проведено исследование комплексообразования между амфифильным катионным липидом ОДА, а также амфифильным поликатионом ПВП-16, образующими ленгмюровские монослои на поверхности раздела газовой и водной фаз, и молекулами ДНК из объемной водной фазы. Обнаружены существенные изменения изотерм сжатия монослоев, отражающие процессы комплексообразования на границе раздела фаз.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Антипина, Мария Николаевна, Москва

1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. — М.: Мир, 1979. — 62 с.

2. Lengmuir I. The mechanism of the surface phenomena of flotation. // Trans Faraday Soc. — 1920. — Vol. 15. — 62-67.

3. В inks B.P. Insoluble monolayers of weakly ionising low molar mass materials and their deposition to form Langmuir-Blodgett multilayers // Advances in Colloid and Interface Science. — 1991. — Vol. 34. — P. 343-432.

4. Сривастава В.К. Ленгмюровские молекулярные пленки и их применение // В кн. Физика Тонких Пленок, Т. 7. Ред. Хасс Дж., Франкомб М.Х., Гофман Р.У. — М.: Мир, 1977. — с.340-427.

5. Blodgett К.В. Monomolecular films of fatty acids on glass // J. Am. Chem. Soc. — 1934. — Vol. 56. — P. 495-495.

6. Blodgett K.B. Films Built by Depositing Successive Monomolecular Layers on a Solid Surface //J. Am. Chem. Soc. — 1935. —Vol. 57. —P. 1007-1022

7. Блинов JJ.M. Физические свойства и применение ленгмюровских моно- и мультимолекулярных структур // Успехи химии. — 1983. — Вып. 8. — С. 1263-1299.

8. Birdi K.S. Lipid and biopolymer monolayer at liquid interfaces. — N.Y.: Interscience, 1989. — 312 p.

9. Gaines G.L. On the history of Langmuir-Blodgett films I I Thin Solid Films. —1983. —Vol. 99. —P. 9-13.

10. Swalen J. D. Molecular films // Annu Rev. Mater. Sci. — 1991. — Vol. 21. — P. 373-408.

11. Peterson I.R. Langmuir-Blodgett films // J. Phys. D: Appl. Phys. — 1990. — Vol.23. —P. 379-395.

12. Gains G.L. Insoluble monolayers at liquid-gas interfaces. — N.Y.: Wiley, 1966.

13. Harkins W.D. The physical chemistry of surface films. — N.Y.: Reinhold, 1952.

14. Mowald H. Surfactant layers at water surface // Rep. Prog. Phys. — 1993. — Vol. 56. —P. 653-685.

15. Swalen J. D., Allara D. L., Andrade J. D., Yu H. et.al. Molecular monolayers and films // Langmuir. — 1987. — Vol. 3. — P. 932-950.

16. Honig E. P. The transition from Y- to X-type Langmuir-Blodgett films // Langmuir. — 1989. —Vol. 5. —P. 882-883.

17. Peng J. В., Ketterson J. В., Dutta P. A study of the transition from Y- to X-type transfer during deposition of lead stearate and cadmium stearate Langmuir-Blodgett films // Langmuir. — 1988. — Vol. 4. — P. 1198 1202.

18. Vincett P.S., Barlov W.A., Boyle F, Т., Finney J.A., Roberts G.G. Preparation of Langmuir-Blodgett "built-up" multilayer films of a lightly substituted model aromatic anthracene // Thin Solid Films. — 1979. — Vol. 60. — P. 265-277.

19. Daniel M.F., Lettington O.C., Small S.M. Investigations into the Langmuir-Blodgett film formation ability of amphiphiles with cyano head groups // Thin Solid Films. — 1983. — Vol. 99. — P. 61-69.

20. Stroeve P., Srinivasan M. P., Higgins B.G. Kowel S.T. Langmuir-blodgett multilayers of polymer-merocyanine-dye mixtures // Thin Solid Films. —1987. — Vol. 146. — P. 209-220.

21. Blodgett К. B. Properties of Built-up Films of Barium Stearate // J. Phys. Chem. — 1937. —Vol.41. —P. 975-984.

22. Pomerantz M., Segmuller A. High resolution X-ray diffraction from small numbers of Langmuir-Blodgett layers of manganese stearate // Thin Solid Films. — 1980. — Vol. 68. — P. 33-45.

23. Buhaenko M. R., Grundy M. J., Richardson R. M., Roser S. J. Structure and temperature dependence of fatty acid Langmuir-Blodgett films studied byneutron and X-ray scattering // Thin Solid Films. — 1988. — Vol. 159. — P. 253-265.

24. Aveyrad R., Binks В. P., Carr N., Cross A. V. Stability of insoluble monolayers and ionization of Langmuir-Blodgett multilayers of octadecanoic acid // Thin Solid Films. — 1990. — Vol. 188. — P. 361-373.

25. Mukerjee P., Banerjee K. A Study of the Surface pH of Micelles Using Solubilized Indicator Dyes // J. Phys. Chem. — 1964. — Vol. 68. — P. 35673574.

26. Fernandez M. S., Fromherz P. Lipoid pH indicators as probes of electrical potential and polarity in micelles // J. Phys. Chem. — 1977. — Vol. 81. — P. 1755-1761.

27. Lovelock В., Grieser F., Healy T. W. Properties of 4-octadecycloxy-l-naphthoic acid in micellar solutions and in monolayer films absorbed onto silica attenuated total reflectance plates // J. Phys. Chem.— 1985. — Vol. 89. —P. 501-507.

28. Pezron E., Claesson M., Berg J.M. and Vollhardt D. Stability of arachidic acid monolayers on aqueous salt solution // J. Coll. and Int. Sci. — 1990. — Vol. —138. —P.245-254.

29. Grundy M. J., Richardson R. M., Roser S. J., Penfold J., Ward R. C. X-ray and neutron reflectivity from spread monolayers // Thin Solid Films.— 1988.— Vol. 159. —P. 43-52.

30. Kobayashi К., Takaoka K., Ochiai S. Application of X-ray photoelectron spectroscopy and Fourier transform IR-reflection absorption spectroscopy to studies of the composition of Langmuir-Blodgett films // Thin Solid Films. —1988. —Vol. 159. —P. 267-273.

31. Langmuir I., Schaefer V.J. Composition of Fatty Acid Films on Water Containing Calcium or Barium Salts // J. Am. Chem. Soc. — 1936. — Vol. 58. —P. 284-287

32. Langmuir I., Schaefer V. J. The Effect of Dissolved Salts on Insoluble Monolayers//J. Am. Chem. Soc. — 1937. — Vol. 59. — P. 2400-2414.

33. Sasaki Т., Matuura R. II Bull. Chem. Soc. Japan. — 1951. — Vol. 24. — 274.

34. Neuman R.D. II J. Colloid Interface Sci. — 1975. — Vol. 53. — 161.

35. Shutt J. D., Rickert S. E. Poly(diacetylene) salts as thin-film dielectrics in metal-Langmuir film-semiconductor devices // Langmuir— 1987. — Vol. 3. —P. 460-467.

36. Hasmonay #., Vincent M, Dupeyrat M. Composition and transfer mechanism of Langmuir-Blodgett multilayers of stearates // Thin Solid Films. — 1980. — Vol. 68.—P. 21-31.

37. Itaya A., Van der Auweraer M., De Schryverltaya F. C. Preparation of monolayers and stacked layers of 1-octadecanethiol // Langmuir— 1989.— Vol.5. —P. 1123-1126.

38. Vogel C., Corset J., Dupeyrat M. II J. Chim. Phys. — 1979. — Vol. 76. — P. 909.

39. Vogel C., Corset J., Billoudet F., Vincent M., Dupeyrat M. II J. Chim. Phys. — 1980. —Vol. 77. —P. 947.

40. Kjaer K., Als-Nielsen J., Helm C. A., Tippman-Krayer P., Moehwald H. Synchrotron X-ray diffraction and reflection studies of arachidic acid monolayers at the air-water interface // J. Phys. Chem. — 1989. — Vol. 93. — P. 3200-3206.

41. Schulman J. H., Dogan M.Z. II Trans Faraday Soc. Discussions.— 1954.— Vol. 16. —P. 158.

42. Sticland F. G. W. The formation of monomolecular layers by spreading a copper stearate solution // J. Colloid Interface Sci.— 1972. — Vol. 40. — P. 142-152.

43. Yazdanian M., Hyuk Yu, Zografi G. Ionic interaction of fatty aid monolayers at the air/water interface I I Langmuir. — 1990. — Vol. 6. — P. 1093-1098.

44. Block J.M. Vun W. Condensation effect of monovalent and divalent matal ions on a langmuir monolayer // Phys. Rev. A.— 1990. — Vol. 41. — 844-862.

45. Pomerantz M., Dacol F. H. Segmuller A. Preparation of literally two-dimensional magnets // Phys. Rev. Letters. — 1978. — Vol. 40. — P. 246-258.

46. Pomerantz M. Experiments on literally two-dimension magnets // Surface Science. — 1984. — Vol. 142. — P. 556-560.

47. Aviram A., Pomerantz M. Antiferromagnetism of quasi two-dimension manganese stearat // Solid State Communications.— 1982. — Vol. 41. — P. 297-300.

48. Mingins J., Owens N. F. Experimental considerations in insoluble spread monolayers//Thin Solid Films. — 1987. —Vol. 152. — P. 9-28.

49. Pethica B. A. Experimental criteria for monolayer studies in relation to the formation of Langmuir-Blodgett multilayers // Thin Solid Films.— 1987.— Vol. 152. —P. 3-8.

50. Kahn O. Renessance in molecular magnetism: application to design of low dimensional magnetic molecular materials // J. Chim. Phys.— 1998. — Vol. 5. —P. 1113-1118.

51. Hansma H. G., Gould S. A. C., Hansma P. K., Gaub H. E., Longo M. L., Zasadzinski M. L. Imaging nanometer scale defects in Langmuir-Blodgett films with the atomic force microscope // Langmuir. — 1991. — Vol.7. — P. 10511054.

52. Schreck M., Schier H., Goepel W. Thermodesorption of Langmuir-Blodgett films studied by mass spectrometry // Langmuir. — 1991. — Vol.7. — P. 2287-2292.

53. Tippmann-Krayer P., Moehwald H., L'vov Yu. M. Structural changes before and during desorption of Langmuir-Blodgett films // Langmuir.— 1991.— Vol.7. —P. 2298-2302.

54. Rabe J. P., Swalen J. D., Outka D. A., StohrJ. Near-edge X-ray absorption fine structure studies of oriented molecular chains in polyethylene and Langmuir-Blodgett monolayers on Si(l 11) // Thin Solid Films. — 1988. — Vol. 159. — P. 275-283.

55. Ando Y., Hiroike Т., Miyashita Т., Miyazaki T. Magnetic properties of stearate films with 3d transition metal ions fabricated by the Langmuir-Blodgett method // Thin Solid Films. — 1996. — Vol. 278. — P. 144-149.

56. Gyorvary E., Peltonen J., Linden M., Rosenholm J. B. Reorganization of metal stearate LB films studied by AFM and contact angle measurements // Thin Solid Films. — 1996. — Vol. 284-285. — P. 368-372.

57. Baes C. F., Meamer R. E. The hydrolysis of cations. — NY:Wiley, 1976.

58. Zhang H. J., Li В., Ma J. F., Ni Z. Luminescence properties of the Langmuir-Blodgett film of terbium(III) stearoylanthranilate // Thin Solid Films.—1997. —Vol.310. — P. 274-278

59. Dowben P.A., Mellroy D.N. Surface magnetism of lanthanides: Handbook on physics and chemistry of rare earth. Elsevier Science V.B., 1997. — Vol. 24. —32 p.

60. Binnemans K., Gorller-Warland C. Lanthanide-Containing Liquid Crystals and Surfactants //Chem Rev. — 2002. — Vol. 102. — P.2303-2345.

61. Fink C., Hassmann J., Inner В., Saemann-Ischenko G. Langmuir-Blodgett films of trivalent rare earth arachidates—preparation and characterization // Thin Solid Films. — 1997. — Vol. 310. — P. 213-220.

62. Popescu M., Gutberlet Т., Kastowsky M., Koch P.-J., BradaczekH. Preparation and structure of lanthanum stearate films // Thin Solid Films. — 1997. — Vol. 304. —P. 323-326.

63. Silva R. F., Elisabete M., Zaniquelli D., Serra O. A., Torriani I. L., De Castro S. G. C. Europium and terbium carboxylate interactions in monolayers and Langmuir-Blodgett films // Thin Solid Films. — 1998. — Vol. 324. — P. 245252.

64. Арсланов В.В., Зотова Т.В., Гагина И.А. Монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетт стеарата иттрия // Коллоидный журнал.— 1997. — Т.59.— №5. —С. 603-607.

65. Арсланов В.В. Сверхрешетки Ленгмюра-Блоджетт из дифильных органических соединений иттрия, бария и меди: получение, структура и свойства // Информационный бюллетень РФФИ. — 1998. — Том 6. №3 — С. 347.

66. Zotova Т. V., Arslanov V. V., Gagina I. A. Monolayers and Langmuir-Blodgett films of yttrium stearate // Thin Solid Films. — 1998. — Vol. 326. — P. 223226.

67. Johnson D. J., Amm D. Т., Laursen Т., Gupta S. K. Langmuir-Blodgett deposition of yttrium arachidate // Thin Solid Films. — 1993. — Vol. 232. — P. 245-251.

68. Schurr M., Brandl D., Tomaschko Ch., Schoppmann Ch., Voit H. Langmuir-Blodgett films made from yttrium arachidate // Thin Solid Films. — 1995. — Vol. 261. —P. 271-274.

69. Derue V., Alexandre S., Valleton J.-M. Scanning Force Microscopy Characterization of an Elaidic Acid Monolayer Prepared on a Terbium-Containing Subphase // Langmuir. — 1996. — Vol. 12. — P. 3740-3742.

70. Tishin A.M., Koksharov Y.A., Bor J., and Khomutov G.B. Evidence for magnetic ordering in ultrathin gadolinium Langmuir-Blodgett film // Phys. Rev. B. — 1997. — Vol. 55. N 17. — P. 11064-11067.

71. Didenko N.V., Fedyanin A.A., Khomutov G.B. Aktsipetrov O.A. Nonlinear magneto-optical Kerr effect in Gd-containing Langmuir-Blodgett films // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. — 1998. — Vol. 517. — P. 657-661.

72. Khomutov G. В., Tishin A. M., Polyakov S. N., Bohr J. Effect of anion type on monolayers and Langmuir-Blodgett films of gadolinium stearate // Colloids and Surfaces A. — 2000. — Vol. 166. — P. 33-43.

73. Peltonen J. P. K., He P., Rosenholm J. B. Influence of UV irradiation on unsaturated fatty acid monolayers and multilayer films: x-ray diffraction and atomic force microscopy study // Langmuir.— 1993. — Vol.9. — P. 23632369.

74. Linden M., Rosenholm J. B. Influence of Multivalent Metal Ions on the Monolayer and Multilayer Properties of Some Unsaturated Fatty Acids // Langmuir. — 1995. — Vol. 11. — P. 4499-4504.

75. Gericke A., Heinrich H. Investigation of Z- and E-Unsaturated Fatty Acids, Fatty Acid Esters, and Fatty Alcohols at the Air/Water Interface by Infrared Spectroscopy // Langmuir. — 1995. — Vol. 11. — P. 225-230.

76. Barber J. Membrane surface and potentials in relation to photosynthesis // Biochim. et Biophys. Acta. — 1980. — Vol. 594. — P. 253-308.

77. Rhee In H. and Dzombak David A. Surface complexation /Gouy-Chapmen Modeling of binary and ternary cation exchange // Langmuir 1998. — Vol. 14. —P. 935-943.

78. Losche M., Helm, C., Mattes D. and Mohwald H. Formation of Lengmuir-Blodgett films via electrostatic control of the lipid/warer interface // Thin Solid Films— 1985. —Vol. 133.— P. 51-64.

79. Averbakh A., Lobyshev V. I. Adsorption of polyvalent cations to bilayer membranes from negatively charged lipid: estimating the lipid accessibility in the case of complete binding // Biochim. Biophys. Methods. — 2000. — Vol. 45. —P. 23-44.

80. Helm C., Laxhuber L., Losche M., Mohwald H. Electrostatic interactions in phospholipid membranes I: Influens if monovalent ions // Collid & Polymer Sci. — 1986. — Vol. 264. — P. 46-55.

81. Ahn D. J., Frames E. /. Interactions of charged Lengmuir-Blodgett monolayers with dissolved ions // J. Chem. Phys.— 1991. — Vol. 95, № 11. — P. 465469.

82. Рубин А. Б. Биофизика: Учебник — M.: Книжный дом «Университет», 2000, Т.2. —91 с.

83. Niemeyer С.М. И Curr. Opinion Chem. Biol. — 2000. — Vol. 4. — P. 609.

84. Mirkin C.A. Programming the Assembly of Two- and Three-Dimensional Architectures with DNA and Nanoscale Inorganic Building Blocks // Inorg. Chem. — 2000. — Vol. 39. — P. 2258-2272. '

85. Storhoff J.J., Mirkin C.A. Programmed Materials Synthesis with DNA // Chem. Rev.— 1999. —Vol.99. —P. 1849-1862.

86. Harnack O., Ford W.E., Yasuda A., Wessels J.M. Tris(hydroxymethyl)phosphine-capped gold particles templated by DNA as nanowire precursors // Nanoletters. — 2002. — Vol. 2. — P. 919-923.

87. MertigM. CiacchiL.C., SeidelR., Pompe W. DNA as a selective metallization template // Nanoletters. — 2002. — Vol. 2. — P. 841-844.

88. Mel'nikov S.M., Sergeev V.G., Yoshikawa K. Discrete Coil-Globule Transition of Large DNA Induced by Cationic Surfactant // J. Am. Chem. Soc. —1995. — Vol. 117. — P. 2401-2408.

89. GeckP., Naszl. //Anal. Biochem.— 1983. —Vol. 135. —P. 264.

90. Mel'nikov S.M., Dias R., Mel'nikova Y.S., Marques E.F., Miguel M.G., Lindman B. DNA conformational dynamics in the presence of cationic mixtures // FEBS Letters. — 1999. — Vol. 453. — 113-118.

91. Schouten S., Stroeve P., Longo M.L. DNA Adsorption and Cationic Bilayer Deposition on Self-Assembled Monolayers // Langmuir.— 1999. — Vol. 15. —P. 8133-8139.

92. Wong F.M.P., Reimer D.L., Bally M.B. Cationic Lipid Binding to DNA: Characterization of Complex Formation // Biochemistry.— 1996. — Vol. 35. —P. 5756-5763.

93. Heubner S., Politsch E., Vierl U., Cevc G. EDTA-indused self-assembly of cationic lipid-DNA multilayers near a monolayer-covered air-water interface // Biochim. etBiophys. Acta.— 1999. — Vol. 1421. —P. 1-4.

94. Bloomfield V.A. Condensation of DNA by multivalent cations: considerations on mechanism//Biopolymers. — 1991. — Vol. 31. — P. 1471-1481.

95. Tang M.X., Szoka F.C. The influence of polymer structure on the interactions of cationic polymers with DNA and morphology of the resulting complexes // Gene Ther. — 1997. — Vol. 4. — P. 823-832.

96. Racfotraw B.J., Martin A.L., Stolnik S., Roberts C.J., Garnett M.C., Davies M.C., Tendler S.J.B. Microscopic Investigations into PEG-Cationic Polymer-Induced DNA Condensation // Langmuir. — 2001. — Vol. 17. — P. 31853193.

97. Bronich Т., Kabanov A. V., Marky L.A. A Thermodynamic Characterization of the Interaction of a Cationic Copolymer with DNA // J. Phys. Chem. B. —2001. —Vol. 105. —P. 6042-6050.

98. Vasilevskaya V.V., Khokhlov A.R., Kidoaki S., Yoshikawa K. Structure of Collapsed Persistent Macromolecule: Toroid vs. Spherical Globule // Biopolymers. — 1997. — Vol. 41. — P. 51 -60.

99. Нечипуренко Ю.Д., Захаров M.A., Соляное В.И., Евдокимов Ю.М. «Мостиковые» структуры между молекулами нуклеиновых кислот, фиксированными в структуре жидкого кристалла // Биофизика. —2002. — Т. 47, № 4. — С. 600-606.

100. Koltover /., Salditt Т., Radler J.O., Safinya C.R. An Inverted Hexagonal Phase of Cationic Liposome-DNA Complexes Related to DNA Release and Delivery // Science. — 1998. — Vol. 281 — P. 78-81.

101. Kago K., Matsuoka H., Yoshitome R., Yamaoka H., Ijiro K., Shimomura M. Direct in Situ Observation of a Lipid Monolayer-DNA Complex at the Air-Water Interface by X-ray Reflectometry // Langmuir. — 1999. — Vol. 15. —1. P. 5193-5196.

102. Okahata Y., Kobayashi Т., Tanaka K. Orientation of DNA Double Strands in a Langmuir-Blodgett Film // Langmuir. — 1996. Vol. 12. — P. 1326-1330.

103. Yang J., Peng X. G., Li T. J. Size dependent FTIR spectroscopy of nanoparticulate Fe203-stearate alternating Langmuir-Blodgett films // Nuovo Cimento Delia Sosieta Italiana Di Fisica. — 1993. — Vol. 18 D, N 2-3. — P. 305-309.

104. Ahn D.J., Franses E. I. Determination of molecular orientations in Langmuir-Blodgett films by polarized Fourier transform IR attenuated total reflection and transmission spectroscopy // Thin Solid Films. — 1994. — Vol .244. — P.971-976.

105. Blauder D., Buffetean Т., Desbat B. In-plane organization of LB monolayers from FTIR spectroscopy // Thin Solid Films. — 1994. — Vol. 243. — P. 559563.

106. Координационная химия редкоземельных элементов / Под ред. В. И Спицина, Л. И. Мартыненко. — М: МГУ, 1979. — 54 с.

107. Львов М. Ю., Фейгин Л. А. Рентгеновское малоугловое исследование структур молекулярных пленок // Кристаллография. — 1986. — Т. 31. — 751 с.

108. Львов М. Ю., Фейгин Л. А. Ленгмюровские пленки (получение структура и некоторые применения) // Кристаллография— 1987. — Т. 32. — 808818 с.

109. Свергун Д. И., Фейгин JJ. А. Рентгеновское и нейтронное малоугловое расеяние. — М.: Наука, 1986. — 156 с.

110. Jacquemain D., WolfS. G. Leveiller F., Deutsh M., Krayer K., Als-Nielsen J., Lahav M., Leiserowitz L. Two-dimentional crystallography of amphiphilic molecules at air-water interface // Angewandte Chemie Integr. Ed. Engl. —1992 —Vol.31. —P. 130-152.

111. Lin В., Bohanon Т. M., Shih M. C. and Dutta P. X-ray diffraction studies of the effects of Ca2+ and Cu2+ on Langmuir monolayers of heneicosanoic acid // Langmuir. — 1990. Vol. 6, — P. 1665-1667.

112. Zaitsev S.Y., Lvov Y.M. X-ray reflectivity of Langmuir-Blodgett films of reaction center proteins from photosynthetic bacteria // Thin Solid films. —1995. — Vol. 254. — P. 257-262.

113. Kepa H., Kleiwaks L.J., Berk N.F., Majkrzak C.F., Berzina T.S., Troitsky V.I., Antolini R., Feigin L.A. Neutron and X-ray reflectomerty of rough interfaces in a Langmuir-Blodgett film // Physica B. — 1998. — Vol. 241-243. — P. 10481054.

114. Von Sydov E. // Appl. Cryst. — 1955. — Vol. 8. — P. 557.

115. Relini A., Rolandi R., Ciuchi F., Mariani P. Molecular order in self-assembled multilayers of stearic acid // Thin Solid Films. — 1996. — Vol. 284-285. — P. 216-219.

116. Stefens J.P., Tuck-Lee C. The structure of a multilayer of lead stearate // Appl.Ciyst.— 1969. —Vol.2. —P 1-10.

117. Ковъев Э.К., Поляков C.H., Тишин A.M., Юрова T.B., Хомутов Г.Б. Рентгеноструктурные исследования пленок Ленгмюра-Блоджетт стеарата гадолиния // Кристаллография. — 2002. — Том 47, № 3. — С. 555-561.

118. Morris V. J., Pergamon P. Biological applications of scanning probe microscopies//Biophys. molec. Biol.— 1994. — Vol.61. — P. 131-185.

119. Florin E.-L., Rief M., Lehmann H., Ludwig M, Dornmair D., Моу V. Т., Gaub H. E. Sensing specific molecular interactions with the atomic forcemicroscope // Biosensors & Bioelectronics.— 1995. — Vol. 10. — P. 895901.

120. Kolb H. A., Enders O., Schauer R. Morphology of native and reconstructed biological membranes and their components analysed with atomic force microscopy // Applied Physics A. — 1999. — Vol. 68. — P. 247-254.

121. Hui S. U., Viswanathan R., Zasadzinski R. A.Jsraelachvili J., N. The structure and stability of phospholipid bilayers by atomic force microscopy // Biofhysical Journal. — 1995. — Vol. 68. —P. 171-178.

122. Hansma P.K., Elings V.B., Marti O., Bracker C.E. Scanning Tunneling Microscopy and Atomic Force Microscopy: Application to Biology and Technology // Science. — 1988. — Vol. 242. — P. 209-216.

123. Bustamante C., Keller D., Yang G. Scanning force microscopy of nucleic acids and nucleoprotein assemblies // Curr. Opin. Struct. Biol. — 1993. — Vol. 3. — P. 363-372.

124. Лиманский А.П. Визуализация крестообразной структуры суперспиральной ДНК посредством атомно-силовой микроскопии // Биофизика. —2000. —Т. 45, № 6. —С. 1039-1043.

125. HuJ., Wang М, Weier H.-U.G., Frantz P., Kolbe W., Ogletree D.F., Salmeron M. Orientation of DNA Double Strands in a Langmuir-Blodgett Film // Langmuir. — 1996. —Vol. 12. —P. 1697-1700.

126. Thomson N.H., Kasas S., Smith В., Hansma H.G., Hansma P.K. Reversible Binding of DNA to Mica for AFM Imaging // Langmuir.— 1996. — Vol. 12. —P. 5905-5908.

127. Clausen-Schaumann H., Gaub H.E. DNA Adsorption to Laterally Structured Charged Lipid Membranes // Langmuir. — 1999. — Vol. 15. — P. 8246-8251.

128. Uchihashi Т., Tanigawa M., Ashino M., Sugawara Y., Yokoyama K, Morita S., Ishikawa M. Identification of B-Form DNA in an Ultrahigh Vacuum by Noncontact-Mode Atomic Force Microscopy // Langmuir. — 2000. Vol. —16. —P. 1349-1353.

129. Fuoss R.M., Strauss U.P. //J. Polym. Sci. — 1948. — Vol. 3. —P. 246-251.

130. Юрова Т. В. Взаимодействие катионов металлов и биологически-активных веществ с ленгмюровским монослоем стеариновой кислоты: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 1999. — 85 с.

131. Sur S. К., Bryant R.G. Ionic association and electron spin relaxation rates in aquo gadolinium (III) complexes // J. Magnetic Resonance B. — 1996. — Vol. 111. —P. 105-108.

132. Яцимирский КБ., Костромина H.A. и др. Химия комплексных соединений редкоземельных элементов. — Киев: Наукова Думка, 1966. —56 с.

133. Дятлова Н.М., Темкина В.Я., Попов К.И. Комплексоны и комплексонаты металлов. — М.: Химия, 1988. — 335 с.

134. BaggJ., Abramson М.В., Fichman М., Haber M.D., Gregor H.P. Composition of Stearic Acid Monolayers from Calcium-Containing Substrates // J. Am. Chem. Soc. — 1964. — Vol. 86. — P. 2759-2763.

135. Bellamy L.J. The Infra-red Spectra of Complex Molecules. — London: Chapman and hall, 1975 — 57 p.

136. Nakamato K., Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds, 4th ed. — N. Y.: Wiley, 1986 — 232 p.

137. Snyder R.G. // J. Mol. Spectrosc. — 1960. — Vol. 4. — P. 411-420.

138. Snyder R.G., Schachtschneider J.H. Spectrochim. Acta. —1963. — Vol. 19. — P. 85-90.

139. Petruska M.A., Talham D.R. Organic/Inorganic Langmuir-Blodgett Films Based on Metal Phosphonates. 4. Thermal Stability // Langmuir. — 2000. — Vol. 16. —P 5123-5129.

140. Kurnaz M.L., Schwartz D.K. Morphology of microphase separation in arachidic acid/cadmium arachidate Langmuir-Blodgett multilayers // J. Phys. Chem. —1996. —Vol. 100. —P. 11113-11119.

141. Zhu J., Eisenberg A., Lennox R.B. Interfacial behavior of block polyelectrolytes. 5. Effect of varying block lengths on the properties of surface micelles // Macromolecules. — 1992. — Vol. 25. — P. 6547-6555.

142. Gaines G., Jr. Monolayers of polymers // Langmuir. 1991. — Vol. 7. — P. 834-839.

143. Jones R., Tredgold R.H. Orientational effects in Langmuir films of poly(y-benzyl-L-glutamate) studied by polarised infrared spectroscopy // J. Phys. D. Appl. Phys. — 1988. — Vol. 21. — P. 449-453.

144. Schwiegk S.t Vahlenkamp Т., Xu Y., Wegner G. Origin of orientation phenomena observed in layered Langmuir-Blodgett structures of hairy-rod polymers // Macromolecules. — 1992. Vol. 25. — P. 2513-2525.

145. Manning G.S. The molecular theory of polyelectrolyte solutions with applications to the electrostatic properties of polynucleotides // Q. Rev. Biophys. — 1978. — Vol. 11. — P. 179-246.

146. Stigter D. Evaluation of the counterion condensation theory of polyelectrolytes // Biophys. J. — 1995. — Vol. 69. — P. 380-388.

147. Batalia M.A., Protozanova E., Macgregor R.B., Erie D.A. Self-Assembly of Frayed Wires and Frayed-Wire Networks: Nanoconstruction with Multistranded DNA // Nanoletters. — 2002. — Vol. 2. — P. 269-274.

148. Vesenka J., Guthold M., Tang C.L., Keller D., Delaine E., Bustamante C. Substrate preparation for reliable imaging of DNA molecules with the scanning force microscope // Ultramicroscopy.— 1992. — Vol. 42-44. — P. 12431249.

149. Bustamante C., Vesenka J., TangC.L., Rees W., Guthold M., Keller R. Circular DNA molecules imaged in air by scanning force microscopy // Biochemistry. — 1992. — Vol. 31. — P. 22-26.

150. Rackstraw B.J., Martin A.L., Stolnik S., Roberts C.J., Garnett M.C., Davies M.C., Tendler S.J.B. Microscopic Investigations into PEG-Cationic Polymer-Induced DNA Condensation // Langmuir. — 2001. — Vol. 17. — P. 31853193.

151. Woolley А.Т., Kelly R.T. Deposition and Characterization of Extended Single-Stranded DNA Molecules on Surfaces // Nanoletters. — 2001. — Vol. 1. — P. 345-348.

152. Thundat Т., Allison D.P., Warmack R.J. Stretched DNA structures observed with atomic force microscopy // Nucleic Acids Res. — 1994. — Vol. 22. — P. 4224-4228.

153. V.A. Bloomfield DNA condensation // Curr. Opin. Struct. Biol.— 1996.— Vol. 6. —P. 334-341.

154. Eickbush Т.Н., Moudrianakis E.N. The compaction of DNA helices into either continuous supercoils or folded-fiber rods and toroids // Cell. — 1978. — Vol. 13. —P. 295-306.

155. Yoshikawa Y, Yoshikawa K., Kanbe T. Formation of a Giant Toroid from Long Duplex DNA // Langmuir. — 1999. — Vol. 15. — P. 4085-4088.

156. Sternberg В., Sorgi F.L., Huang L. New structures in complex formation between DNA and cationic liposomes visualized by freeze—fracture electron microscopy // FEBS Letters. — 1994. — Vol. 356. — P. 361.

Информация о работе

Антипина, Мария Николаевна
кандидата физико-математических наук
Москва, 2004
ВАК 03.00.02

Диссертация

Исследование структуры и физико-химических свойств планарных модельных молекулярных и биомолекулярных систем, получаемых методом Ленгмюра-Блоджетт - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы