ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2014, том 50, № 1, с. 53-58
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ^^^^^^ СТРУКТУРЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ
УДК 539.21
ВЛИЯНИЕ ПОДЛОЖКИ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА НА МОРФОЛОГИЮ ПЛЕНОК ДИПЕПТИДА ^ЛЕЙЦИЛ-^ЛЕЙЦИН
© 2014 г. М. А. Зиганшин7, А. А. Бикмухаметова7, А. В. Герасимов7, В. В. Горбачук7,
С. А. Зиганшина2, А. А. Бухараев2
1Химический институт им. А.М. Бутлерова, Казанский федеральный университет,
Кремлевская 18, 420008, Казань e-mail: Marat.Ziganshin@kpfu.ru 2Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦРАН, 420029, Казань
Поступила в редакцию 14.03.2013 г.
Изучено влияние подложки и влажности воздуха на морфологию тонкой пленки дипептида ь-лей-цил-ь-лейцин. Для этого методом термоанализа определены условия получения тонкой пленки дипептида. С помощью атомно-силовой микроскопии изучена морфология пленок ь-лейцил-ь-лей-цина, нанесенных на поверхность высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) и слюды при различной влажности воздуха. Установлено, что на поверхности ВОПГ формируется пленка, равномерно покрытая нанообразованиями, размер и форма которых зависят от толщины пленки. На поверхности слюды происходит кристаллизации дипептида с образованием сложнокри-сталлических наноразмерных объектов. Увеличение влажности воздуха приводит к уменьшению геометрических размеров нанообразований на поверхности пленки дипептида в случае ВОПГ и усложнению структуры кристаллических агломератов при использовании слюды.
DOI: 10.7868/S0044185614010173
ВВЕДЕНИЕ
Способность короткоцепных олигопептидов к самоорганизации с образованием упорядоченных структур позволяет получать новые наноматериа-лы с уникальными свойствами [1—4]. Такие материалы биосовместимы [5], способны селективно связывать биологически активные вещества [6, 7], энантиомеры [8] и газы [9]. Они используются при изготовлении искусственных мембран с ионными каналами [10, 11], для трансфекции генного материала в клетки [12]. Олигопептиды относятся к так называемому классу "мягких материалов" (soft materials) [13], для которых возможно изменение взаимного расположения структурных фрагментов под действием внешних факторов [14]. Эту особенность можно использовать для формирования на поверхности пленок различных наноструктур [15—18], а также получения супергидрофобных поверхностей [19]. В ряде случаев могут быть получены наноструктуры, обладающие уникальной жесткостью, превосходящей жесткость стали [20].
Исследования процессов самоорганизации олигопептидов позволили установить, что форма и тип наноструктур на их основе зависит от аминокислотного состава [21, 22] и последовательности аминокислотных остатков [23, 24], от физико-химических свойств жидких растворителей, используемых при кристаллизации [25, 26], и па-
рообразных соединений, взаимодействующих с пленками олигопептидов [15—17, 20], а также от концентрации олигопептидов в растворе [28].
С другой стороны, изучение морфологии тонких пленок методами зондовой микроскопии [29] предполагает использование в качестве подложки различных неорганических материалов, специфические свойства которых (гидрофобность, наличие заряда, наличие дефектов, атомарно гладких террас и т.д.) также могут оказывать влияние на характер образующихся на их поверхности структур [30]. Кроме того, следует учитывать возможное влияние паров воды, содержащихся в воздухе, на морфологию пленок, т.к. вода способна адсорбироваться на поверхности подложек [31, 32] и может связываться олигопептидами [33].
В настоящей работе впервые было исследовано влияние типа подложки (ВОПГ или слюда) и влажности воздуха на морфологию тонкой пленки гидрофильного дипептида ь-лейцил-ь-лейцин методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Ранее было установлено, что этот дипептид способен связывать воду [33], алифатические спирты [34, 35] и ДМСО [36]. При кристаллизации из водных растворов формируются структуры в виде спиралевидных полых каналов [33], а при связывании спиртов образуются слоистые кристаллы [34, 35].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы. Дипептид ь-лейцил-ь-лейцин ЬЬ (СИет-1шрех) использовался без предварительной очистки.
h .......nh3
N~
Coo" LL
Органические растворители очищались непосредственно перед применением по стандартным методикам [37]. Содержание основного вещества в органическом соединении по данным газохро-матографического анализа было не менее 99.5%.
Совмещенный метод термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии с масс-спектрометрическим определением летучих продуктов разложения. Термическая стабильность дипептида, а также содержание воды в нем были определены методом совмещенной термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с помощью термоанализатора STA 449 С Jupiter (Netzsch, Германия), сопряженного с квадрупольным масс-спектрометром QMS 403 C Aëolos (Netzsch, Германия). Анализ проводился для образца массой 5 мг в алюминиевом тигле объемом 40 мкл с крышкой, имеющей
3 отверстия диаметром 0.5 мм, при постоянной скорости нагрева 10 K/мин в динамической атмосфере аргона при скорости потока 75 мл/мин [38].
Низкотемпературная дифференциальная сканирующая калориметрия. ДСК анализ проводился с помощью дифференциального сканирующего калориметра теплового потока DSC 204 F1 Phoenix (Netzsch, Германия). Для этого образец массой
4 мг помещался в стандартный алюминиевый тигель объемом 40 мкл, который закрывался крышкой с отверстием диаметром 0.5 мм. Образец охлаждался до —850С, затем нагревался до 1000С. Скорость изменения температуры 5 К/мин. Все измерения проводились в динамической атмосфере аргона при скорости потока 150 мл/мин.
Исследование морфологии тонкого слоя дипеп-тида. Морфология пленок дипептида LL исследовалась с помощью сканирующего зондового микроскопа "Solver P47Pro" (НТ-МДТ Россия) в полуконтактном режиме. Изображения пленок получали с использованием кремниевых кантилеве-ров с коэффициентом жесткости 2.5—22.5 Н/м и резонансной частотой 115—325 кГц.
Пленки LL диаметром ~5 мм для АСМ эксперимента были приготовлены на поверхности све-
жих сколов пластинок высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) (5 х 5 мм) и слюды (5 х 5 мм) путем нанесения 1 мкл раствора LL в метаноле (1 мг/мл) с последующим высушиванием в токе теплого воздуха 45°С. Средняя толщина пленок (40 нм) была оценена на основании площади пленки, массы наносимого дипептида и его плотности р = 1.156 г/см3, рассчитанной по данным монокристального рентгеноструктурно-го анализа [33].
Средняя квадратичная шероховатость поверхности (Rq) определялась по полученным АСМ изображениям по методике, описанной в работе [39].
Влажность воздуха определяли с помощью гигрометра психрометрического ВИТ-2, ошибка определения не превышала 1%.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Дипептид LL относится к классу гидрофильных дипептидов [22], поэтому в настоящей работе было определено содержание воды в исходном образце. Кроме того, для определения условий получения тонких пленок для последующего исследования их методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) были изучены теплофизические свойства дипептида. Результаты термического анализа порошка дипептида, полученные совмещенным методом термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии с масс-спектрометрическим определением летучих продуктов разложения (ТГ/ДСК/МС) и методом низкотемпературной дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), представлены на рис. 1. Изменение ДСК-сигналов на начальных участках, рис. 1, связано с нелинейностью нагрева.
Было установлено, что в результате нагревания образца до температуры 120°С изменение массы Am не превышает 0.7%, при этом не наблюдается усиления МС сигнала, соответствующего воде (m/z = 18), рис. 1а. Потеря массы образца выше 160°С, при которой в уходящих газах содержание паров воды (m/z = 18) и углекислого газа (m/z = 44) практически постоянно, может быть связана с возгонкой дипептида. Согласно результатам низкотемпературной ДСК при 65°С для LL наблюдается изменение фазового состояния, связанное с изменением теплоемкости материала, рис. 1б. Подобные процессы характерны для стеклообразных переходов "glass transition" в полимерах [40, 41]. Полученные результаты термоанализа позволили сделать следующие заключения: во-первых, образец дипептида не содержит воду и не нуждается в предварительной осушке, во-вторых, нагревание пленки до 45°С для удаления растворителя не приводит к изменению фазового состояния дипептида и, соответственно, не окажет влияния на морфологию пленки.
ТГ/%
100 80 60 40 20 0
ТГ
(а)
Ионный ток х10 10/A ДСК/(мВт/мг)
экзо
50 100 150 200 250 Температура, °C
- 1.0 - 3.5 0.2
- 0.5 0.1
- 0 " 3.0 0
- -0.5 _ - -1.0 2.5 -0.1
- -1.5- 2.0 -0.2
- -2.0 1 5 -0.3
300
ДСК/(мВт/мг) -|экзо
(б)
glass transition'
-80 -60 -40 -20 0 20 40 Температура, °C
60 80 100
Рис. 1. Результаты термоанализа образца ЬЬ, полученные методами ТГ/ДСК/МС анализа (а) и низкотемпературной ДСК (б).
Методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) была охарактеризована морфология пленки дипеп-тида LL, нанесенной из раствора в метаноле на поверхность высокоориентированного пироли-тического графита (ВОПГ) при температуре 25°С и относительной влажности воздуха 45%.
Были получены АСМ изображения пленки LL при последовательном перемещении зонда атом-но-силового микроскопа от края пленки (тонкая пленка), где хорошо видны кристаллографические ступеньки подложки, рис. 2а, б, через промежуточную часть, рис. 2в, г, к центру (толстая пленка), рис. 2д, е. Обнаружено, что с увеличением толщины пленки происходит изменение ее морфологии, связанное с укрупнением нанооб-разований на поверхности и изменением их формы от неправильной складчатой к сферической. Разброс по высоте составил 8, 22 и 11 нм, для края пленки, промежуточной части и центра, соответственно. Средняя квадратичная шероховатость поверхности Rq меняется в этом же ряду от 1.6 нм, до 4.8 нм и 2.5 нм. Высота нанообразований на тонкой пленке составила 3-5 нм, ширина 50-170 нм, рис. 2а. Более крупные нанообразования в средней части имели высоту 12-20
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.