Сквозные нанопористые структуры из оксида алюминия для информационных технологий мембранной биологии

Сквозные нанопористые структуры из оксида алюминия для информационных технологий мембранной биологии

(реферат)

Искусственно созданные плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) представляют собой универсальную платформу как для изучения функций различных биологических мембран[1-4], так и для разработки биосенсоров [5]. Одним из перспективных направлений решения проблемы формирования плоских БЛМ является использование калиброванных отверстий в гидрофобных материалах типа фторопласта [4]. Однако данный метод достаточно трудоемок в выборе режимов и условий формирования мембран, требует определенной квалификации проведения исследований на сформированной мембране и во многих случаях ограничен временем жизни сформированных мембран. По этой причине в мире ведется интенсивный поиск методов, позволяющих повысить время жизни сформированной мембраны [7,8], которые откроют значительно более широкие функциональные возможности данной платформы в области изучения функций биологических мембран и при создании биосенсоров. Исследование упругих и неупругих характеристик неравновесных кристаллов с различным типом химической связи (ковалентных, металлических, ионных), показало наличие существенного температураного и амплитудного гистерезиса эффективного (динамического) модуля сдвига (G_ef) и внутреннего трения (ВТ) [1,2]. Если кристаллы претерпевали полиморфные превращения или распад пересыщенных твердых растворов, были облученны высокоэнергетическими частицами или находились под воздействием внешних полей, способствующих структурным превращениям, то в спектрах поглощения упругой энергии, а также в поведении эффективных модулей упругости наблюдали существенное несовпадение исследуемых величин, измеряемых при нагревании и охлаждении материала. При этом обнаруживали гистерзисы разных типов: прямой и обратный, обратимый и необратимый, в зависимости от типа и характера структурных превращений, происходящих в кристалле. Для изучения природы обнаруженых гистерезисов мы использовали методику температурно-кинетических срезов ВТ и G_ef, показавшую высокую чувствительность к изменениям в структуре на атомном уровне, что особенно важно при низких температурах, когда подвижность атомов вещества существенно ограничена. Анализ кинетических зависимостей проводили в рамках известных кинетических моделей Хема, Аврами, Курдюмова [3].

Результаты исследования вкратце можно свести к следующему:

· Изучение кинетики низкочастотного ВТ и G_ef в монокристаллах кремния, выращенного по методу Чохральского, при различных температурах в интервале 100 - 400^о С позволило установить, что процесс распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии протекает даже при таких низких для кремния температурах, причем до 270 ^оС новая фаза выделяется в виде пленок, а при повышении температуры выдержек до 400^оС, выделения становятся дископодобными, о чем свидетельствует величина показателя степени n в модели Хема. (см. рис.1).

· Для подтверждения правильности подобных выводов, нами были проведены рентгедифракционные исследования состаренных кристаллов кремния.Изучали поведение кривых дифракционного отражения и анализировали полную интегральную отражающую способность (ПИОС) рентгеновских лучей на кристаллах состаренного монокристаллического Cz-кремния. Моделированне ПИОС в приближении трех доминирующих типов дефектов (дископодобных преципитатов, дислокационных петель и мелких сферических преципитатов кислорода, являющихся генетическими дефектами для Cz-Si) позволило нам получить неплохое (расходжение не превышало 1 %) совпадение расчетных и экспериментальных кривых.

· Анализ кинетических зависимостей позволил установить также, что рост кислородных преципитатов в кристаллах кремния при низких температурах приводит к инверсии температурного гистерезиса G_ef - он из обратного, при котором кривые нагревания проходили ниже кривых охладжения, превращается в прямой гистерезис модуля, характерный для фазовых превращений первого рода. Этот экспериментальный факт позволяет предположить, что обратный гистерезис в монокристаллах кремния инициируется напряжениями, возникающими в решетке кремния за счет областей с повышенной концентрацией кислорода, генетически присущих этому материалу. Выпадение кислородных преципитатов приводит к понижению уровня напряжений в кристалле как за счет появления обособленных границ раздела, так и за счет образования дислокационных петель, что и приводит, по-видимому, к инверсии динамического модуля сдвига.

·

Рис.1 Кинетические зависимости ВТ (Q^-1) состаренного Cz-Si, измеренные в течение 1 часа при 400 ^оС, в координатах Хема.

· Исследование кинетических зависимостей ВТ и G_ef в конденсате Ве в интервале 20- 400^оС позволило также установить, что необычный, обратимый гистерезис эффективного модуля сдвига в этом материале связан с протеканием в нем термоупругих мартенситных превращений. По кинетическим зависимостям G_ef, проанализированным в рамках кинетической модели Курдюмова Г.В. и Максимовой П.А. [3], нам удалось оценить размеры кристаллов мартенситной фазы, возникающих в процессе превращения, которые неплохо согласуются с результатами металлографических исследований.

Таким образом, в работе показана высокая эффективность методики температурно-кинетических срезов низкочастотного ВТ и G_ef для решения материаловедческих задач в неравновесных кристаллах.

В этом отношении нанопористый оксид алюминия и его электрофизические свойства представляют огромный интерес и открывают широкие перспективы при решении рассматриваемых проблем. Нанопористый оксид алюминия является достаточно хорошим диэлектриком, который по диэлектрическим свойствам сопоставим с немодифицированными бислойными мембранами. Сквозная нанопористая структура заданных размеров дает возможность создавать на ней плоские БЛМ с достаточно долгим временем жизни, что позволяет изучать механизмы переноса заряда через мембрану при различных условиях ее формирования и различных типах среды окружения. Кроме этого, открываются возможности формирования тонкопленочных моно-, би- и многослойных наноструктур для биосенсоров, привлекая для этого возможности ЛБ-технологий.

Целью данной работы является отработка технологии создания матричной платформы на основе сквозных нанопористых структур из оксида алюминия, которые предполагается использовать при изучении функций различных биологических мембран и при создании различного типа биосенсоров.

Материалы и методы исследования

При создании матричных платформ из ПАОА было использовано техническое оснащение и производственная база микроэлектроники. Пленки ПАОА толщиной от 500 нм были сформированы на алюминиевой фольге (99.99 %). Перед анодированием алюминиевая фольга прокатывалась и электрохимически полировалась в смеси этилового спирта и хлорной кислоты до зеркальной поверхности. Анодирование проводили в специальной ячейке в гальваностатическом и потенциостатическом режимах в растворах щавелевой кислоты при температуре 7…10С в две стадии. Травление оксида, после первого анодирования, проводили при температуре 60С в растворе, содержащем: 160 г. хромового ангидрида, 270 мл ортофосфорной кислоты и 1000 мл воды. Создание матричных платформ из ПАОА было выполнено на основе комбинациии двух технологий. Первая основана на локальном окислении и последующем травлении непрореагировавшего алюминия, вторая - на анизотропном травлении пористого оксида алюминия. При проведении процессов фотолитографии на ПАОА для исключения попадания фоторезиста в глубину пор, что влияет на получение ровного края при проявлении и последующее удаление фоторезиста, использовали молибденовую защитную маску, которую наносили методом вакуумного напыления. Пленки ПАОА отделяли от алюминиевой фольги в растворах на основе соляной кислоты с добавлением хлористой меди. Для получения сквозных мембран АОА растворение барьерного слоя проводилось ступенчатым понижением напряжения анодирования на 5-10% в электролите анодирования с зачисткой поверхности вакуумными методами с использованием аргона. Исследование структуры пленок ПАОА проводили на атомном силовом микроскопе фирмы Digital Instruments NanoScope. Исследование электрофизических свойств созданных матричных платформ осуществляли с помощью прибора Е7-12 с усовершенствованным входным модулем, в котором для измерения сквозной проводимости использовали жидкостные электроды на основе 0,15М раствора КСl.

Обсуждение результатов

Используя 0,3М раствор щавелевой кислоты, двухстадийный потенциостатический режим анодирования при температуре 7…10С были получены экспериментальные образцы матричных платформ с упорядоченной структурой сквозной пористости, общий вид которых приведен на рисунке 1а, а АСМ - изображение поперечного сечения пористой структуры Аl₂O₃ в области сквозной пористости - на рисунке 1б.

Фронтальная поверхность и поверхность со стороны стравленного барьерного слоя сформированной матричной платформы в области сквозной пористости представлены на АСМ-изображении рисунка 2а.

а) б)

Рисунок 2 - Общий вид матричных платформ (а) и АСМ-изображение поперечного сечения пористой структуры Аl₂O₃ в области сквозной пористости (б)

На рисунке 2б показано трехмерное АСМ-изображение фронтальной поверхности сквозной области матричной платформы, полученное при более высоком разрешении. Были изучены электрофизические параметры созданных матричных структур на предмет получения необходимых метрологических характеристик, пригодных для использования в методах изучения функций биологических мембран и при создании различного типа биосенсоров. Результаты полученных исследований показывают, что при разомкнутых и замкнутых электродах измерительной системы исходные значения емкости и проводимости составляют С=4,9 пФ, G=4,1 ?S и С=6,4пФ, G=33,9 ?S соответственно. При контакте в области сквозной пористости матричной платформы данные параметры имеют значения С=6,46 пФ, G=33,2 ?S, а в области не сквозной пористости данные параметры находятся в пределах С=5,09 пФ, G=3,9 ?S.

Из полученных результатов следует, что созданные матричные платформы на основе ПАОА могут быть использованы при измерении электрофизических свойств модельных мембран и нанокомпозитных структур на основе тонких ЛБ-пленок, поскольку, как видно из приведенных результатов, проводимость в области сквозной пористости соответствует параметрам проводимости замкнутых контактов, а в других областях матричной платформы- параметрам разомкнутых контактов измерительной системы.

а) б)

Рисунок 3 - АСМ-изображение фронтальной поверхности (1а), барьерного слоя (2а) и трехмерное АСМ-изображение фронтальной поверхности (б) сквозной области матричной платформы

Как показали многочисленные исследования последних лет, физико-химические свойства наноразмерных структур отличаются как от свойств отдельных атомов и молекул, так и от свойств массивных тел состоящих из огромного числа атомов или молекул. Установление закономерностей объединения атомов и молекул в нано-размерные кластеры, комплексы и агрегаты и умение контролировать условия такого объединения позволят сформировать большое количество новых наноструктур с наперед заданными свойствами.

Поиск методов получения новых 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 в структуре таких ансамблей возможно оптическими методами, что делает актуальным изучение их оптических и спектроскопических свойств. Методами колебательной спектроскопии изучены процессы образования нанокластеров перхлоратных соединений шестивалентного урана с рядом органических лигандов (диметиформамид ДМФА, диметилсульфоксид ДМСО) при механохимическом активировании процессов лигандного обмена. Выбор указанных реагентов обусловлен с одной стороны тем фактом, что ион перхлората, как ацидолиганд, является одним из самых слабых лигандов и в процессе лигандного замещения можно будет создавать первую координационную сферу катиона состоящую только из нейтральных лигандов. С другой 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 эффективно могут замещать молекулы воды.

Химическая формула перхлорат уранила имеет следущий вид UO₂(ClO₄)₂5H₂O. Кристалл состоит из уранильной группы UO₂²⁺ и пяти молекул воды, входящих во внутреннюю координационную сферу, и двух ионов ClO₄ во внешней координационной сфере. В катионе [UO₂(OH₂)₅]²⁺ атом урана имеет пентоганально-бипирамидальную координацию. Средняя длина экваториальной связи U-O_(воды) = 2,45 А , аксиальной U-O_{(уранила)} = 1,71 А. Динамику замещения первой координационной сферы иона уранила анализировали на основании изменения положения полосы антисимметричного колебания уранильной группировки и если это было возможно изменения оптической плотности полосы деформационного колебания молекулы воды. ИК-спектры изучаемого вещества получали используя cпектрофотометр “SPECORD IR 75”. При приготовлении образцов компоненты смешивались в ступке в течение 45- 60 минут.

При замещении молекулы воды на молекулу нейтрального лиганда (ДМФА, ДМСО) происходит, вследствие большей донорной способности последнего, а следовательно и большего отрицательного заряда переносимого на уран, ослабевание связи U-O в уранильной группе, что в свою очередь приводит к уменьшению частоты антисимметричных колебаний этой группы. Чем больше молекул воды замещается, тем больше смещение этой полосы в область длинноволновых колебаний. Таки образом наблюдая за смещением, расщеплением и шириной данной полосы при увеличении концентрации нейтрального лиганда в образце, мы можем качественно описать комплексный состав изучаемого образца.

Из анализа ИК-спектров (см. таблицу 1) можно сделать заключение, что при смешивании перхлорат уранила с диметилсульфоксидом в соотношении 1:1, 1:2, .. , 1:6 образуются новые комплексы уранилперхлората с молекулами ДМСО в первой координационной сфере иона уранила, причем в зависимости от соотношения меняется концентрация этих комплексов. При концентрации ДМСО 1:1 и 1:2 спектральная полоса антисимметричных колебаний уранила к сожалению перекрывается с полосой поглощения ДМСО = 940 см^-1 . При соотношении 1:3 уже удается различить пик данной спектральной полосы _аs = 920 см^-1 иона уранила, причем сама полоса довольно широкая. При этом же соотношении спектральная полоса антисимметричных колебаний группы CIO₄ наиболее широкая, что подтверждает, как следует из вида _аs уранильной группы, наличие при данном соотношении наибольшего числа комплексов с относительно небольшой разбежкой в концентрациях. Происходит перекрытие данных полос, принадлежащих различным комплексам. При соотношении 1:4 происходит расщепление _аs(UO₂²⁺) на компоненты 950, 920 и 917 см^-1 . При дальнейшем увеличении концентрации ДМСО остаётся только одна полоса _аs = 917 см^-1 . Изменения оптической плотности полосы деформационного колебания воды в образцах уранилпехлората с различным содержанием ДМСО приведены в таблице 1.

Таблица

Аналогичные изменения наблюдаются в спектрах ИК поглощения в системах UO₂(ClO₄)₂5H₂O + nДМФА (см. таблицу 1). К сожалению, частичное перекрытие полосы валентных колебаний _c-o диметилформамида с полосой деформационных колебаний воды не дает, как в случае с ДМСО, такой наглядной картины падения оптической плотности последних при постепенном увеличении концентрации ДМФА. Однако дополнительные исследования полученных образцов в ИК области 2200-4000 см^-1 показали уменьшение оптической плотности валентных колебаний воды с увеличением концентрации ДМФА, что так же подтверждает замещение молекул воды молекулами ДМФА.

Изменяя время механохимической активации, можно целенаправлено получать нанокластеры уранила с 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 открытом воздухе, то есть он становится устойчивым к воздействию атмосферной влаги.

Таким образом, полученные экспериментальные образцы и основы технологии их создания могут найти широкое применение 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-induced liposome fusion. 58:833-839.

[3]. Wonderlin, W.F., A. Finkel, and R.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.