Сквозные нанопористые структуры изоксида алюминия для информационных технологий мембранной биологии
(реферат)
Искусственно созданныеплоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) представляют собой универсальнуюплатформу как для изучения функций различных биологических мембран[1-4], так идля разработки биосенсоров [5]. Одним из перспективных направлений решенияпроблемы формирования плоских БЛМ является использование калиброванныхотверстий в гидрофобных материалах типа фторопласта [4]. Однако данный методдостаточно трудоемок в выборе режимов и условий формирования мембран, требуетопределенной квалификации проведения исследований на сформированной мембране иво многих случаях ограничен временем жизни сформированных мембран. По этойпричине в мире ведется интенсивный поиск методов, позволяющих повысить времяжизни сформированной мембраны [7,8], которые откроют значительно более широкиефункциональные возможности данной платформы в области изучения функций биологическихмембран и при создании биосенсоров. Исследование упругих и неупругиххарактеристик неравновесных кристаллов с различным типом химической связи(ковалентных, металлических, ионных), показало наличие существенноготемператураного и амплитудного гистерезиса эффективного (динамического) модулясдвига (Gef) и внутреннего трения (ВТ) [1,2]. Если кристаллыпретерпевали полиморфные превращения или распад пересыщенных твердых растворов,были облученны высокоэнергетическими частицами или находились под воздействиемвнешних полей, способствующих структурным превращениям, то в спектрахпоглощения упругой энергии, а также в поведении эффективных модулей упругостинаблюдали существенное несовпадение исследуемых величин, измеряемых принагревании и охлаждении материала. При этом обнаруживали гистерзисы разныхтипов: прямой и обратный, обратимый и необратимый, в зависимости от типа ихарактера структурных превращений, происходящих в кристалле. Для изученияприроды обнаруженых гистерезисов мы использовали методикутемпературно-кинетических срезов ВТ и Gef, показавшую высокуючувствительность к изменениям в структуре на атомном уровне, что особенно важнопри низких температурах, когда подвижность атомов вещества существенноограничена. Анализ кинетических зависимостей проводили в рамках известныхкинетических моделей Хема, Аврами, Курдюмова [3].
Результаты исследованиявкратце можно свести к следующему:
· Изучение кинетики низкочастотного ВТи Gef в монокристаллах кремния, выращенного по методу Чохральского,при различных температурах в интервале 100 – 400о С позволилоустановить, что процесс распада пересыщенного твердого раствора кислорода вкремнии протекает даже при таких низких для кремния температурах, причем до 270оС новая фаза выделяется в виде пленок, а при повышении температурывыдержек до 400оС, выделения становятся дископодобными, о чемсвидетельствует величина показателя степени n в модели Хема. (см. рис.1).
· Для подтверждения правильностиподобных выводов, нами были проведены рентгедифракционные исследования состаренныхкристаллов кремния.Изучали поведение кривых дифракционного отражения ианализировали полную интегральную отражающую способность (ПИОС) рентгеновскихлучей на кристаллах состаренного монокристаллического Cz-кремния. МоделированнеПИОС в приближении трех доминирующих типов дефектов (дископодобных преципитатов,дислокационных петель и мелких сферических преципитатов кислорода, являющихсягенетическими дефектами для Cz-Si) позволило нам получить неплохое (расходжениене превышало 1 %) совпадение расчетных и экспериментальных кривых.
· Анализ кинетических зависимостейпозволил установить также, что рост кислородных преципитатов в кристаллахкремния при низких температурах приводит к инверсии температурного гистерезисаGef – он из обратного, при котором кривые нагревания проходили нижекривых охладжения, превращается в прямой гистерезис модуля, характерный дляфазовых превращений первого рода. Этот экспериментальный факт позволяетпредположить, что обратный гистерезис в монокристаллах кремния инициируетсянапряжениями, возникающими в решетке кремния за счет областей с повышеннойконцентрацией кислорода, генетически присущих этому материалу. Выпадениекислородных преципитатов приводит к понижению уровня напряжений в кристалле какза счет появления обособленных границ раздела, так и за счет образованиядислокационных петель, что и приводит, по-видимому, к инверсии динамическогомодуля сдвига.
·
/>
Рис.1 Кинетическиезависимости ВТ (Q-1) состаренного Cz-Si, измеренные в течение 1 часапри 400 оС, в координатах Хема.
· Исследование кинетическихзависимостей ВТ и Gef в конденсате Ве в интервале 20- 400оСпозволило также установить, что необычный, обратимый гистерезис эффективногомодуля сдвига в этом материале связан с протеканием в нем термоупругихмартенситных превращений. По кинетическим зависимостям Gef,проанализированным в рамках кинетической модели Курдюмова Г.В. и МаксимовойП.А. [3], нам удалось оценить размеры кристаллов мартенситной фазы, возникающихв процессе превращения, которые неплохо согласуются с результатами металлографическихисследований.
Таким образом, в работепоказана высокая эффективность методики температурно-кинетических срезовнизкочастотного ВТ и Gef для решения материаловедческих задач внеравновесных кристаллах.
В этом отношениинанопористый оксид алюминия и его электрофизические свойства представляютогромный интерес и открывают широкие перспективы при решении рассматриваемыхпроблем. Нанопористый оксид алюминия является достаточно хорошим диэлектриком,который по диэлектрическим свойствам сопоставим с немодифицированнымибислойными мембранами. Сквозная нанопористая структура заданных размеров даетвозможность создавать на ней плоские БЛМ с достаточно долгим временем жизни,что позволяет изучать механизмы переноса заряда через мембрану при различныхусловиях ее формирования и различных типах среды окружения. Кроме этого,открываются возможности формирования тонкопленочных моно-, би- и многослойныхнаноструктур для биосенсоров, привлекая для этого возможности ЛБ-технологий.
Целью данной работыявляется отработка технологии создания матричной платформы на основе сквозныхнанопористых структур из оксида алюминия, которые предполагается использоватьпри изучении функций различных биологических мембран и при создании различноготипа биосенсоров.
Материалы и методыисследования
При создании матричныхплатформ из ПАОА было использовано техническое оснащение и производственная базамикроэлектроники. Пленки ПАОА толщиной от 500 нм были сформированы наалюминиевой фольге (99.99 %). Перед анодированием алюминиевая фольгапрокатывалась и электрохимически полировалась в смеси этилового спирта ихлорной кислоты до зеркальной поверхности. Анодирование проводили в специальнойячейке в гальваностатическом и потенциостатическом режимах в растворахщавелевой кислоты при температуре 7…10°С в две стадии. Травление оксида, после первого анодирования,проводили при температуре 60°С в растворе, содержащем: 160 г. хромового ангидрида, 270 млортофосфорной кислоты и 1000 мл воды. Создание матричных платформ из ПАОА быловыполнено на основе комбинациии двух технологий. Первая основана на локальномокислении и последующем травлении непрореагировавшего алюминия, вторая — наанизотропном травлении пористого оксида алюминия. При проведении процессовфотолитографии на ПАОА для исключения попадания фоторезиста в глубину пор, чтовлияет на получение ровного края при проявлении и последующее удалениефоторезиста, использовали молибденовую защитную маску, которую наносили методомвакуумного напыления. Пленки ПАОА отделяли от алюминиевой фольги в растворах наоснове соляной кислоты с добавлением хлористой меди. Для получения сквозныхмембран АОА растворение барьерного слоя проводилось ступенчатым понижениемнапряжения анодирования на 5-10% в электролите анодирования с зачисткойповерхности вакуумными методами с использованием аргона. Исследование структурыпленок ПАОА проводили на атомном силовом микроскопе фирмы Digital InstrumentsNanoScope. Исследование электрофизических свойств созданных матричных платформосуществляли с помощью прибора Е7-12 с усовершенствованным входным модулем, вкотором для измерения сквозной проводимости использовали жидкостные электродына основе 0,15М раствора КСl.
Обсуждение результатов
Используя 0,3М растворщавелевой кислоты, двухстадийный потенциостатический режим анодирования притемпературе 7…10°Сбыли получены экспериментальные образцы матричных платформ с упорядоченнойструктурой сквозной пористости, общий вид которых приведен на рисунке 1а, а АСМ- изображение поперечного сечения пористой структуры Аl2O3в области сквозной пористости – на рисунке 1б.
Фронтальная поверхность иповерхность со стороны стравленного барьерного слоя сформированной матричнойплатформы в области сквозной пористости представлены на АСМ-изображении рисунка2а.
/> />
а) б)
Рисунок 2 — Общий видматричных платформ (а) и АСМ-изображение поперечного сечения пористой структурыАl2O3 в области сквозной пористости(б)
На рисунке 2б показанотрехмерное АСМ-изображение фронтальной поверхности сквозной области матричнойплатформы, полученное при более высоком разрешении. Были изученыэлектрофизические параметры созданных матричных структур на предмет получения необходимыхметрологических характеристик, пригодных для использования в методах изучения функцийбиологических мембран и при создании различного типа биосенсоров. Результатыполученных исследований показывают, что при разомкнутых и замкнутых электродахизмерительной системы исходные значения емкости и проводимости составляют С=4,9пФ, G=4,1 μS и С=6,4пФ, G=33,9 μS соответственно. При контакте вобласти сквозной пористости матричной платформы данные параметры имеют значенияС=6,46 пФ, G=33,2 μS, а в области не сквозной пористости данные параметрынаходятся в пределах С=5,09 пФ, G=3,9 μS.
Из полученных результатовследует, что созданные матричные платформы на основе ПАОА могут бытьиспользованы при измерении электрофизических свойств модельных мембран инанокомпозитных структур на основе тонких ЛБ-пленок, поскольку, как видно изприведенных результатов, проводимость в области сквозной пористостисоответствует параметрам проводимости замкнутых контактов, а в других областяхматричной платформы- параметрам разомкнутых контактов измерительной системы.
2
1 /> />
а) б)
Рисунок 3 — АСМ-изображение фронтальной поверхности (1а), барьерного слоя (2а) и трехмерноеАСМ-изображение фронтальной поверхности (б) сквозной области матричнойплатформы
Как показали многочисленные исследования последних лет,физико-химические свойства наноразмерных структур отличаются как от свойствотдельных атомов и молекул, так и от свойств массивных тел состоящих изогромного числа атомов или молекул. Установление закономерностей объединенияатомов и молекул в нано-размерные кластеры, комплексы и агрегаты и умениеконтролировать условия такого объединения позволят сформировать большоеколичество новых наноструктур с наперед заданными свойствами.
Поиск методов полученияновых материалов с наперед заданными свойствами требует знания процессов,происходящих внутри отдельных нано-размерных кластеров при изменении внешних,как физических так химических, условий. Проследить малейшие изменения вструктуре таких ансамблей возможно оптическими методами, что делает актуальнымизучение их оптических и спектроскопических свойств. Методами колебательнойспектроскопии изучены процессы образования нанокластеров перхлоратныхсоединений шестивалентного урана с рядом органических лигандов (диметиформамидДМФА, диметилсульфоксид ДМСО) при механохимическом активировании процессовлигандного обмена. Выбор указанных реагентов обусловлен с одной стороны темфактом, что ион перхлората, как ацидолиганд, является одним из самых слабыхлигандов и в процессе лигандного замещения можно будет создавать первуюкоординационную сферу катиона состоящую только из нейтральных лигандов. Сдругой стороны, донорная способность DN (по Гутману) растворителей ДМФА (DN=26,6) и ДМСО (DN=29,8) значительно больше, чем у воды (DN=18), и они эффективномогут замещать молекулы воды.
Химическая формула перхлоратуранила имеет следущий вид UO2(ClO4)2×5H2O. Кристалл состоит изуранильной группы UO22+ и пяти молекул воды, входящих во внутреннююкоординационную сферу, и двух ионов ClO4 во внешней координационной сфере.В катионе [UO2(OH2)5]2+ атом урана имеетпентоганально-бипирамидальную координацию. Средняя длина экваториальной связиU-O(воды) = 2,45 А, аксиальной U-O(уранила) = 1,71 А. Динамикузамещения первой координационной сферы иона уранила анализировали на основанииизменения положения полосы антисимметричного колебания уранильной группировки иесли это было возможно изменения оптической плотности полосы деформационногоколебания молекулы воды. ИК-спектры изучаемого вещества получали используяcпектрофотометр “SPECORD IR 75”. При приготовлении образцов компоненты смешивалисьв ступке в течение 45- 60 минут.
При замещении молекулы водына молекулу нейтрального лиганда (ДМФА, ДМСО) происходит, вследствие большейдонорной способности последнего, а следовательно и большего отрицательногозаряда переносимого на уран, ослабевание связи U-O в уранильной группе, что всвою очередь приводит к уменьшению частоты антисимметричных колебаний этойгруппы. Чем больше молекул воды замещается, тем больше смещение этой полосы вобласть длинноволновых колебаний. Таки образом наблюдая за смещением, расщеплениеми шириной данной полосы при увеличении концентрации нейтрального лиганда вобразце, мы можем качественно описать комплексный состав изучаемого образца.
Из анализа ИК-спектров(см. таблицу 1) можно сделать заключение, что при смешивании перхлорат уранила сдиметилсульфоксидом в соотношении 1:1, 1:2,…, 1:6 образуются новые комплексыуранилперхлората с молекулами ДМСО в первой координационной сфере иона уранила,причем в зависимости от соотношения меняется концентрация этих комплексов. Приконцентрации ДМСО 1:1 и 1:2 спектральная полоса антисимметричных колебанийуранила к сожалению перекрывается с полосой поглощения ДМСО n = 940 см-1. Присоотношении 1:3 уже удается различить пик данной спектральной полосы nаs = 920 см-1 иона уранила,причем сама полоса довольно широкая. При этом же соотношении спектральнаяполоса антисимметричных колебаний группыCIO4 наиболееширокая, что подтверждает, как следует из вида nаs уранильной группы, наличие при данномсоотношении наибольшего числа комплексов с относительно небольшой разбежкой вконцентрациях. Происходит перекрытие данных полос, принадлежащих различнымкомплексам. При соотношении 1:4 происходит расщепление nаs(UO22+) накомпоненты 950, 920 и 917 см-1. При дальнейшем увеличенииконцентрации ДМСО остаётся только одна полоса nаs = 917 см-1. Измененияоптической плотности полосы деформационного колебания воды в образцахуранилпехлората с различным содержанием ДМСО приведены в таблице 1.
Таблица
UO2(ClO4)2·5H2O: ДМСО D 1:1 0,949 1:2 0,859 1:3 0,280 1:4 0,098 1:5 0,007 1:6
Аналогичные изменениянаблюдаются в спектрах ИК поглощения в системах UO2(ClO4)2×5H2O + nДМФА (см. таблицу1). К сожалению, частичное перекрытие полосы валентных колебаний nc-o диметилформамида с полосойдеформационных колебаний воды не дает, как в случае с ДМСО, такой нагляднойкартины падения оптической плотности последних при постепенном увеличенииконцентрации ДМФА. Однако дополнительные исследования полученных образцов в ИКобласти 2200-4000 см-1 показали уменьшение оптической плотностивалентных колебаний воды с увеличением концентрации ДМФА, что так жеподтверждает замещение молекул воды молекулами ДМФА.
Изменяя времямеханохимической активации, можно целенаправлено получать нанокластеры уранилас преимущественно однообразной, типа [UO2.(5-x) H2O.xS]2+(где S – ДМФА или ДМСО) разнолигадной сферой. Причем, начиная с соотношения UO22+к ДМСО =1:3 получаемый образец можно сохранять в твердом состоянии на открытомвоздухе, то есть он становится устойчивым к воздействию атмосферной влаги.
Таким образом, полученныеэкспериментальные образцы и основы технологии их создания могут найти широкоеприменение для решения задач биосенсорики и мембранной биологии.
Список литературы
[1]. Pantoja, R., D. Sigg, R. Blunck,F., Bezanilla, and J.R. Heath. 2001. J. 81:2389-2394.
[2]. Woodbury, D.J. and C. Miller. 1990.Nystatin-inducedliposome fusion. 58:833-839.
[3]. Wonderlin, W.F., A. Finkel, andR.J. French. 1990. 58:289-297.
[4]. Cho, S.J., M. Kelly, K.T.Rognlien, J.A. Cho, J.K. Horber, and B.P. Jena. 2002. 83:2522-2527.
[5]. Bayley, H. and P.S. Cremer. 2001.Nature 413:226- 230.
[6]. Mayer, M., J.K. Kriebel, M.T.Tosteson, and G.M. Whitesides. 2003. 85:2684-2695.
[7]. Fertig, N., C. Meyer, R.H.Blick, C.Trautmann, and J.C. Behrends. 2001. Phys. Rev. E. Stat. Nonlin.Soft.Matter Physiol. 64:040901.
[8]. Ide, T. and T. Ichikawa. 2005.Biosens. Bioelectron. 21:672-677.