КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2003, том 48, № 6 (Приложение), с. S30-S42
ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
УДК 538.87.91.97
Посвящается 60-летию Института кристаллографии РАН
ВОЗМОЖНОСТИ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ В ОБЛАСТИ
ПОЛНОГО ВНЕШНЕГО ОТРАЖЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЭНГМЮРОВСКИХ МОНОСЛОЕВ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ И
ТВЕРДОЙ ПОДЛОЖКЕ
© 2003 г. С. И. Желудева1, Н. Н. Новикова1, О. В. Коновалов1' 2, М. В. Ковальчук1, Н. Д. Степина1, Э. А. Юрьева3, И. В. Мягков4, Ю. К. Годовский5, Н. Н. Макарова6, А. М. Рубцов7, О. Д. Лопина7, А. И. Ерко8, А. Л. Толстихина1, Р. В. Гайнутдинов1, В. В. Лидер1,
Е. Ю. Терещенко1, Л. Г. Янусова1
1Институт кристаллографии РАН, Москва, Россия, E-mail: zheludeva@ns.crys.ras.ru 2Европейский центр синхротронного излучения (ESRF), г. Гренобль, Франция 3МНИИ Педиатрии и детской хирургии МЗ РФ, Москва, Россия 4Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина", Зеленоград, Россия 5Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва, Россия 6Институт элементоорганических соединений РАН, Москва, Россия 7Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия 8Синхротронный центр BESSY, Берлин, Германия Поступила в редакцию 05.06.2003 г.
Впервые экспериментально (синхротронная станция ID10B (ESRF)) получены угловые зависимости выхода флуоресценции от единичного органического монослоя на поверхности жидкости, модулированные эванесцентной/стоячей рентгеновской волной в области полного внешнего отражения рентгеновских лучей. Проведено сканирование волновым полем одной органической молекулы, что позволило получить информацию о положении в ней определенных ионов. Показано, что интенсивность волнового поля в молекулярном монослое определяется таким параметром, как площадь на одну молекулу, которая в случае лэнгмюровского слоя на поверхности жидкости может быть получена из изотермы сжатия. Это позволяет определить местоположение изучаемых ионов монослоя по отношению к границе раздела пленка/жидкость на основе анализа угловых зависимостей их характеристического флуоресцентного излучения. Возможности рассматриваемой методики продемонстрированы на примере лэнгмюровских слоев фталоцианинов, циклолинейных по-лиорганосилоксанов, фосфолипида на поверхности жидкости и белково-липидной пленки на основе Са-АТФазы на твердой подложке.
ВВЕДЕНИЕ
Техника Лэнгмюра-Блоджетт (ЛБ) [2] открыла уникальные возможности для создания слоистых структур из органических амфифильных молекул на твердой подложке, которые могут рассматриваться, в частности, как прообраз биологических мембран клеток живых организмов.
"High resolution X-ray fluorescence is having enormous impact in condenced matter studies...
If this can be successfully transferred to biological samples, it could provide the next leap in understanding of biological structure"9
J.E. Penner-Hahn [1]
Более того, на основе лэнгмюровских молекулярных слоев на поверхности жидкой субфазы возможно формирование белково-липидных
9 Высокоразрешающая рентгеновская флуоресценция дала огромный импульс изучению конденсированного вещества. Если она сможет быть успешно применена к исследованию биологических объектов, то обеспечит следующий скачок в понимании их структуры.
s30
мембранных систем, находящихся в нативном состоянии, в условиях, приближенных к физиологическим, для изучения их комформационного строения, особенности белково-липидных взаимодействий, структурно-функциональных свойств.
Предложенная в 1971 г. Николсоном и Синге-ром жидкомозаичная модель структуры мембраны описывает последнюю как бислой полярных липидов, в котором "плавают" молекулы белков, частично погруженные в мембрану, пронизывающие ее насквозь, либо удерживаемые непосредственно на ее поверхности. С точки зрения структурных исследований мы имеем дело со слоистой двумерной системой, толщина которой лежит в нанометровом диапазоне.
Естественно, что различные поверхностно-чувствительные рентгеновские методы, такие как рефлектометрия, двумерная поверхностная дифракция и др., получившие принципиально новые экспериментальные возможности с использованием источников синхротронного излучения и созданием рентгеновских спектрометров, оснащенных лэнгмюровской ванной, все более активно используются для изучения структуры названных выше объектов [3].
Одна из основных функций мембран - транспортная - предполагает селективный перенос ионов различных веществ через клеточную мембрану и имеет фундаментальное значение для всех живых организмов. Очевидно, что для изучения структурно-функциональных свойств модельной мембраны большой интерес могут представлять методики, дающие спектрально-селективную структурную информацию, такие как, например, метод стоячих рентгеновских волн (СРВ), развитый для кристаллических и слоистых систем [4, 5]. Этот метод основан на сочетании рентгеновского эксперимента в условиях дифракции или полного внешнего отражения рентгеновских лучей (ПВО) с регистрацией вторичного характеристического излучения (например, флуоресценции), возбужденного при фотоэлектрическом поглощении падающего рентгеновского пучка, и объединяет возможности высокоразрешающих структурных методик со спектральной чувствительностью получаемых данных.
Анализ угловых зависимостей интенсивности характеристического флуоресцентного излучения, модулированных сложным распределением в пространстве электромагнитного волнового поля (стоячая рентгеновская волна в условиях дифракции и ПВО и эвансцентная волна в условиях ПВО), позволяет напрямую с субангстремной точностью определять местоположение атома-источника вторичного излучения как внутри образца, так и на его поверхности.
Так в [6-9] при ПВО рентгеновского излучения от многослойных органических наносистем
на основе пленок Лэнгмюра-Блоджетт на твердой подложке продемонстрированы возможности прямого определения местоположения определенных ионов в слоистой структуре в направлении нормали к границам раздела, т.е. фактически заложены основы изучения процессов диффузии в объектах молекулярной электроники, транспортных функций искусственных мембран и т.п.
Первые, насколько нам известно, исследования границы раздела воздух/вода с помощью рентгеновской флуоресценции в области ПВО изложены в [10-12], которые в основном посвящены изучению профиля концентрации различных элементов в растворе у границы раздела воздух/вода и сегрегации ионов металла из раствора к границе. Это было сделано на основе анализа экспериментальных кривых, представляющих собой суперпозицию двух угловых зависимостей выхода флуоресценции - от объема и от слоя на поверхности.
Не менее интересным в свете сказанного выше является исследование непосредственно самих лэнгмюровских слоев на поверхности жидкой субфазы с помощью рассматриваемой методики, что требует проведение адаптации ее для подобных объектов, анализа ее возможности для локализации тех или иных типов атомов внутри мономолекулярного слоя в направлении нормали к поверхности жидкости. И прежде всего необходимо решить достаточно сложную экспериментальную задачу измерения угловых зависимостей выхода флуоресценции от определенных атомов монослоя на поверхности жидкости, модулированных сложным распределением волнового поля в области ПВО.
Данная работа представляет первые экспериментальные результаты, полученные на пути решения обозначенных выше задач.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Изучение местоположения атомов определенного сорта в слоистой структуре с помощью флуоресценции в области ПВО рентгеновских лучей основано на регистрации, помимо кривых отражения, угловых зависимостей выхода характеристического флуоресцентного излучения, возбуждаемого падающим первичным рентгеновским пучком. Как известно, в дипольном приближении фотоэффект пропорционален интенсивности электрического поля (Е) в центре атома. Вот почему угловые зависимости выхода характеристического флуоресцентного излучения, определяются двумя основными факторами: распределением интенсивности Е в направлении нормали г к границам раздела в слоистой структуре и положением изучаемых атомов по отношению к волновому полю, т.е. их местоположением в образце.
Интенсивность волнового поля
Рис. 1. Распределение интенсивности волнового поля в системе воздух/пленка/подложка для т> и, (1) и т < и, (2).
Зная распределение Е и измеряя угловые зависимости выхода флуоресценции, можно с ангстрем-ной точностью определить положение того или иного атома в слоистой структуре.
Прежде всего оценим качественно возможности обсуждаемой методики для системы воздух/пленка/подложка.
Отметим, что характерный масштаб изменений интенсивности электрического поля Е в направлении г как в области формирования стоячей рентгеновской волны в результате интерференции подающего и зеркально отраженного пучков, так и в области распространения экспоненциально затухающей эванесцентной волны, составляет десять и более нанометров. Именно это обстоятельство позволяет рассчитывать на применение обсуждаемой методики не только для локализации атомов, расположенных в пленках с толщинами нанометрового диапазона, например в многослойной лэнгмюровской структуре на основе слоев жирных кислот или фосфолипидов, но и для получения информации о положении атомов в "больших" органических молекулах, например, белковых, характерные размеры которых могут составлять десятки нанометров, организованных на твердой или жидкой подложке в виде монослоя.
В общем случае распределение волнового поля в системе вакуум/пленка/подложка зависит от соотношения между показателями преломления (а значит, и электронными плотностями) пленки П и подложки и, [5]. На рис. 1 представлено распределение интенсивности волнового поля Е для органической пленки толщиной 140 А на поверх-
ности воды для случаев щ > и, и щ < и, при б < бс, где бс - критический угол для воды. Видно, что для более "легкой пленки" (щ > и,) ПВО обеспечивается подложкой - водой над поверхностью которой формируется СРВ, а под поверхностью -затухающая эванесцентная волна. Наличие "тяжелой" пленки (щ < и,) практическ
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.