WikiDer > Силанизация кремния и слюды

Silanization of silicon and mica

Силанизация из кремний и слюда это покрытие этих материалов тонким слоем самосборных узлов.

Биологические применения силанизации

Наноразмерный анализ белков с использованием атомно-силовая микроскопия (AFM) требует поверхностей с четко определенной топологией и химическим составом для многих экспериментальных методов. Биомолекулы, особенно белки, можно просто иммобилизовать на немодифицированной поверхности субстрата посредством гидрофобных или электростатических взаимодействий.[1] Однако с физической адсорбцией белков на поверхности связано несколько проблем. В случае металлических поверхностей сообщалось о денатурации белка, нестабильном и обратимом связывании, неспецифической и случайной иммобилизации белка.[2]

Одна альтернатива включает взаимодействие химически модифицированных поверхностей с белками в неденатурирующих условиях.[2] Химическая модификация поверхностей дает возможность точно контролировать химический состав поверхности, и при правильных химических модификациях у этого подхода есть несколько преимуществ. Во-первых, белки, адсорбированные на поверхности, более стабильны в широком диапазоне условий. Белки также имеют более равномерную ориентацию на поверхности. Кроме того, возможна более высокая плотность отложения белка с большей воспроизводимостью.

Химическая модификация поверхностей успешно применялась в нескольких случаях для иммобилизации белков с целью получения ценной информации. Например, визуализация ДНК с помощью атомно-силовой микроскопии была выполнена с использованием слюды, покрытой 3-аминопропилтриэтоксисиланом (APTES). Отрицательно заряженный остов ДНК прочно связывается с положительными зарядами аминной функциональности, что приводит к стабильным структурам, которые можно отображать как в воздухе, так и в буфере.[3] В недавнем исследовании Behrens et al. Кремниевые поверхности с концевыми аминогруппами были успешно использованы для иммобилизации костного морфогенетического белка 2 (BMP2) в медицинских целях (см. поверхность кремния с концевыми водородными группами). 14 Молекулы с аминогруппами (особенно APTES) важны для биологических применений, поскольку они допускают простые электростатические взаимодействия с биомолекулами.[4]

Функционализация поверхностей с помощью самоорганизующихся монослоев

Самособирающиеся монослои (SAM) - это чрезвычайно универсальный подход, позволяющий точно контролировать характеристики поверхности. Он был представлен в 1946 году Бигелоу и др.,[5] но только в 1983 г. он привлек всеобщий интерес, когда Аллара и др. сообщили об образовании SAM алкантиолатов на золоте.[6] Самостоятельной сборки монослоев можно добиться с помощью нескольких систем. Основой для самосборки является образование ковалентной связи между поверхностью и молекулой, образующей слой; и это требование может быть выполнено с использованием различных химических групп, таких как органосиланы в гидроксилированных материалах (стекло, кремний, оксид алюминия, слюда) и соединения на основе сероорганических соединений в составе благородных металлов.[6][7][8] Хотя последняя система хорошо охарактеризована, гораздо меньше известно о поведении органосилановых слоев на поверхностях и лежащих в основе механизмах, которые контролируют организацию и структуру монослоя.

Хотя силанизация силикатных поверхностей была введена более 40 лет назад, процесс образования гладких слоев на поверхностях все еще плохо изучен. Вероятно, наиболее важной причиной такой ситуации является то, что ряд исследований, которые включали силанизацию как часть процедуры, не касались тщательной характеристики образующегося силанового слоя. Один результат, объединяющий недавние исследования характеристик слоев силана, заключается в крайней чувствительности реакций, которые приводят к образованию слоев силана.[8] Действительно, сообщалось, что самоорганизующиеся слои силанов на силикатных поверхностях зависят от различных параметров, таких как влажность, температура, примеси в силановом реагенте и тип силикатной поверхности. Чтобы последовательно и воспроизводимо создавать разнообразные функционализированные поверхности со слоями, которые являются молекулярно гладкими, важно понимать химический состав силикатных поверхностей и способы, которыми различные параметры влияют на природу самоорганизующихся слоев.

Структура поверхности кремния и слюды

Кремний

Окисленный кремний широко изучался как субстрат для осаждения биомолекул. Раствор пираньи можно использовать для увеличения поверхностной плотности реакционноспособных гидроксильных групп на поверхности кремния. Группы –OH могут гидролизоваться и впоследствии образовывать силоксановые связи (Si-O-Si) с молекулами органического силана. Подготовка кремниевых поверхностей к силанизации предполагает удаление поверхностных загрязнений. Этого можно добиться, используя УФ-озон и раствор пираньи. В частности, раствор Пираньи представляет собой довольно жесткую обработку, которая потенциально может повредить целостность поверхности кремния. Finlayson-Pitts et al. исследовали влияние определенных обработок на кремний и пришли к выводу, что как шероховатость (3-5 Å), так и наличие рассеянных крупных частиц сохраняются после 1 цикла плазменной обработки.[9] Однако поверхность кремния была значительно повреждена после 30 циклов обработки раствором пираньи или плазмой. В обоих случаях обработка привела к появлению неровностей и крупных агрегатов на поверхности (размер агрегатов> 80 нм), причем эффект был более выражен при использовании пираньи. В любом случае несколько обработок сделали поверхность непригодной для осаждения небольших биомолекул.

Слюда

Слюда - еще один силикат, который широко используется в качестве субстрата для осаждения биомолекул. Слюда имеет заметное преимущество перед кремнием, потому что она молекулярно гладкая и, следовательно, лучше подходит для исследования небольших плоских молекул.[10] Он имеет кристаллическую структуру с общей формулой K [Si3Al] O10Al2 (OH) 2 и содержит листы октаэдрического гидроксилалюминия, зажатые между двумя тетраэдрическими слоями кремния.[11] В слое кремния каждый четвертый атом кремния заменяется атомом алюминия, создавая разницу в заряде, которая компенсируется несвязанным K +, присутствующим в области между соседними слоями кремния.[11] Мусковитовая слюда наиболее подвержена расколу по плоскости, расположенной в калиевом слое. Когда свежесколотая поверхность слюды находится в контакте с водой, гидратированные ионы калия могут десорбироваться с поверхности слюды, что приводит к возникновению отрицательного заряда на поверхности.

Подобно кремнию поверхность слюды не содержит заметной плотности силанольных групп для ковалентного присоединения силанами.[10] Недавнее исследование показало, что свежая слюда содержит 11% силанольных групп (то есть примерно 1 из 10 атомов кремния несет гидроксильную группу).[11] Хотя возможно, что силанизация может быть проведена с использованием необработанной слюды, повышенная плотность поверхностных силанольных групп на активированной слюде может значительно улучшить ковалентное прикрепление молекул силана к поверхности. Слюду можно активировать обработкой плазмой аргон / вода, в результате чего поверхностная плотность силанола составляет 30%.[11][12] Работа с активированными поверхностями вводит еще одно соображение о стабильности силанольных групп на активированных поверхностях. Giasson et al. сообщили, что силанольные группы на свежесколотой слюде, которая не подвергалась какой-либо обработке, оказались более стабильными в высоком вакууме по сравнению с активированной плазмой слюдой: через 64 ​​часа покрытие поверхности силанольными группами для свежесколотой слюды плазмы было примерно то же самое, в то время как покрытие поверхности для активированной слюды уменьшилось в 3 раза до 10%.[11]

Адсорбция молекул на силикатные поверхности

Адсорбция описывает процесс, посредством которого молекулы или частицы связываются с поверхностями и отличимы от поглощение, в результате чего частицы распространяются в объеме поглощающего материала. Адсорбированный материал называется адсорбатом, а поверхность - адсорбентом. Принято различать два типа адсорбции, а именно физическую адсорбцию (которая состоит из межмолекулярных сил, удерживающих адсорбированный материал на поверхности) и химическую адсорбцию (которая состоит из ковалентных связей, связывающих адсорбированный материал с поверхностью). Природа образовавшегося слоя адсорбата зависит от взаимодействия между адсорбированным материалом и адсорбентом.[13] Более конкретно, механизмы, участвующие в адсорбции, включают ионный обмен (замена противоионов, адсорбированных из раствора ионами с одинаковым зарядом), ионное спаривание (адсорбция ионов из фазы раствора на участки на подложках, которые несут противоположный заряд), гидрофобное связывание ( неполярное притяжение между группами на поверхности подложки и молекулами в растворе), поляризация p-электронов, полярные взаимодействия между частично заряженными участками на поверхности подложки и молекулами, несущими противоположные частичные заряды в растворе, и ковалентные связи.[8][14] Разнообразие способов возникновения адсорбции указывает на сложности, связанные с контролем типа адсорбируемого слоя.

Тип используемого силана может еще больше усугубить проблему, как в случае APTES. APTES - это классическая молекула, используемая для иммобилизации биомолекул, и исторически она была наиболее широко изученной молекулой в этой области. Поскольку APTES содержит три этоксигруппы на молекулу, он может полимеризоваться в присутствии воды, что приводит к латеральной полимеризации между молекулами APTES в горизонтальном и вертикальном направлениях и образованию олигомеров и полимеров, которые могут прикрепляться к поверхности.

Самостоятельную сборку можно подойти с помощью фаза решения реакции или паровая фаза реакции. В экспериментах с фазой раствора силан растворяют в безводном растворителе и приводят в контакт с поверхностью; в парофазных экспериментах на поверхность подложки попадает только пар силана.[8]

Реакции в фазе раствора

Фазовая реакция в растворе исторически была наиболее изученным методом, и общий консенсус в отношении условий, необходимых для образования гладких пленок аминосилана, включает следующее: (1) требуется безводный растворитель, такой как толуол. с жестко контролируемым следовым количеством воды для регулирования степени полимеризации аминосиланов на поверхности и в растворе; (2) образование олигомеров и полимеров благоприятствует при более высоких концентрациях силана (> 10%); (3) умеренные температуры (60–90 ° C) могут нарушать нековалентные взаимодействия, такие как водородные связи, что приводит к уменьшению количества молекул силана, которые слабо связаны с поверхностью. Кроме того, условие (3) способствует десорбции воды из субстрата в фазу толуола 20; (4) Промывка растворителями, такими как толуол, этанол и вода, после реакции силанизации способствует удалению слабосвязанных молекул силана и гидролизу остаточных алкоксильных связей в слое; (5) сушка и отверждение при высокой температуре (110 ° C) способствует образованию силоксановых связей, а также превращает ионы аммония в нейтральный амин, который является более активным.[8]

Парофазные реакции

К силанизации в паровой фазе подходили как к способу обойти сложности, связанные с наличием следов воды в растворе и чистотой силана.[8] Поскольку олигомеры и полимеры силанов имеют незначительное давление пара при обычно используемых температурах реакции, они не достигают поверхности силиката во время осаждения. Поскольку в системе нет растворителя, легче контролировать количество воды в реакции. Сообщалось о гладких монослоях для силанизации в паровой фазе нескольких типов силанов, включая аминосиланы, октадецилтриметоксисилан и фтоалкилсиланы. Однако природа прикрепления молекул силана к субстрату неясна, хотя образованию силоксановой связи можно способствовать замачиванием субстрата в воде после осаждения.

В недавнем исследовании Chen et al. Монослои APTES были получены последовательно при разных температурах и времени осаждения. Толщина полученных слоев составляла 5 Å и 6 Å при 70 ° C и 90 ° C соответственно, что соответствует приблизительной длине молекулы APTES и указывает на то, что монослои образовывались на подложках в каждом случае.[8]

Рекомендации

  1. ^ Юнес-Метцлер; Бен; Георгий (2011). «Адсорбция антифриза гликопротеина фракции 8 на сухой и влажной слюде». Коллоиды и поверхности B: биоинтерфейсы: 134–140.
  2. ^ а б Ферретти, S (2000). «Самособирающиеся монослои: универсальный инструмент для создания биоповерхностей». Тенденции TrAC в аналитической химии: 530–540.
  3. ^ Crampton, N .; Bonass, W. A .; Kirkham, J .; Томсон, Н. Х. (2005). «Формирование функционализированной аминосиланом слюды для визуализации ДНК с помощью атомно-силовой микроскопии». Langmuir. 21: 7884–7891. Дои:10.1021 / la050972q.
  4. ^ Aissaoui, N .; Bergaoui, L .; Landoulsi, J .; Lambert, J .; Буйдай, С. (2012). «Силановые слои на кремниевых поверхностях: механизм взаимодействия, стабильность и влияние на адсорбцию белка». Langmuir. 28: 656–665. Дои:10.1021 / la2036778.
  5. ^ Nuzzo, R.G .; Аллара, Д. Л. Адсорбция бифункциональных органических дисульфидов на поверхности золота. Варенье. Chem. Soc. 1983; 105, 4481-4483.
  6. ^ а б Wang, W .; Вон, М. В. (2008). «Морфология и аминная доступность пленок (3-аминопропил) триэтоксисилана на стеклянных поверхностях». Сканирование. 30: 65–77. Дои:10.1002 / sca.20097.
  7. ^ Schlenoff, J. B .; Li, M .; Ли, Х. (1995). «Стабильность и самообмен в монослоях алкантиолов». Варенье. Chem. Soc. 117: 12528–12536. Дои:10.1021 / ja00155a016.
  8. ^ а б c d е ж грамм Zhu, M .; Lerum, M. Z .; Чен, В. (2012). «Как приготовить воспроизводимые, гомогенные и гидролитически стабильные слои на основе аминосилана на диоксиде кремния». Langmuir. 28: 416–423. Дои:10.1021 / la203638g. ЧВК 3243110.
  9. ^ Макинтайр, Т. М .; Smalley, S. R .; Newberg, J. T .; Lea, A. S .; Hemminger, J.C .; Финлейсон-Питтс, Б. Дж. (2006). «Изменения субстрата, связанные с химией самоорганизующихся монослоев на кремнии». Langmuir. 22: 5617–5624. Дои:10.1021 / la060153l.
  10. ^ а б Kim, S .; Christenson, H.K .; Карри, Дж. Э. (2002). «Влияние влажности на стабильность монослоя октадецилтриэтоксисилана, самоорганизующегося на необработанной и обработанной плазмой слюде». Langmuir. 18: 2125–2129. Дои:10.1021 / la011020x.
  11. ^ а б c d е Liberelle, B .; Банки, X .; Джассон, С. (2008). «Стабильность силанолов и привитых монослоев алкилсилана на плазменно-активированных поверхностях слюды». Langmuir. 24: 3280–3288. Дои:10.1021 / la703522u.
  12. ^ Wood, J .; Шарма, Р. (1994). «Приготовление прочного гидрофобного монослоя на слюде». Langmuir. 10: 2307–2310. Дои:10.1021 / la00019a047.
  13. ^ Parida, S. K .; Даш, С .; Patel, S .; Мишра, Б. К. Адсорбция органических молекул на поверхности кремнезема. Adv. Коллоидный интерфейс Sci. 2006, 121, 77-110.
  14. ^ Paria, S .; Хилар, К. С. Обзор экспериментальных исследований адсорбции поверхностно-активного вещества на гидрофильной границе твердое тело-вода. Adv. Коллоидный интерфейс Sci. 2004, 110, 75-95.