Silanisering av kisel och glimmer
Silanisering av kisel och glimmer är beläggningen av dessa material med ett tunt lager av självmonterande enheter.
Biologiska tillämpningar av silanisering
Analys av proteiner i nanoskala med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM) kräver ytor med väldefinierade topologier och kemi för många experimentella tekniker. Biomolekyler, särskilt proteiner, kan enkelt immobiliseras på en omodifierad substratyta genom hydrofoba eller elektrostatiska interaktioner. Emellertid är flera problem förknippade med fysisk adsorption av proteiner på ytor. Med metallytor har proteindenaturering, instabil och reversibel bindning, ospecifik och slumpmässig immobilisering av protein rapporterats.
Ett alternativ involverar interaktion av kemiskt modifierade ytor med proteiner under icke-denaturerande omständigheter. Kemisk modifiering av ytor ger möjligheten att exakt kontrollera ytans kemi, och med rätt kemiska modifieringar finns det flera fördelar med detta tillvägagångssätt. För det första är proteinerna som adsorberas på ytan mer stabila över ett brett spektrum av förhållanden. Proteinerna antar också en mer enhetlig orientering på ytan. Dessutom är den högre tätheten av proteinavsättning med större reproducerbarhet möjlig.
Kemisk modifiering av ytor har framgångsrikt använts i flera fall för att immobilisera proteiner för att få värdefull information. Till exempel har atomkraftsmikroskopi av DNA utförts med användning av glimmer belagd med 3-aminopropyltrietoxisilan ( APTES ). Den negativt laddade DNA-ryggraden band starkt till de positiva laddningarna på aminfunktionaliteten, vilket ledde till stabila strukturer som kunde avbildas både i luft och i buffert. I en nyligen genomförd studie av Behrens et al., användes aminterminerade kiselytor framgångsrikt för att immobilisera benmorfogenetiskt protein 2 (BMP2) för medicinska ändamål (jfr väteterminerad kiselyta ) . 14 Molekyler med amingrupper (särskilt APTES) är viktiga för biologiska tillämpningar, eftersom de möjliggör enkla elektrostatiska interaktioner med biomolekyler.
Funktionalisering av ytor med hjälp av självmonterade monolager
Självmonterade monolager (SAM) är ett extremt mångsidigt tillvägagångssätt som möjliggör exakt kontroll av ytegenskaper. Det introducerades 1946 av Bigelow et al., men det var inte förrän 1983 som det väckte stort intresse, när bildandet av SAMs av alkantiolater på guld rapporterades av Allara et al. Självmontering av monolager kan uppnås med hjälp av flera system. Grunden för självmontering är bildandet av en kovalent bindning mellan ytan och molekylen som bildar skiktet; och detta krav kan uppfyllas med användning av en mängd olika kemiska grupper såsom organosilaner vid hydroxylerade material (glas, kisel, aluminiumoxid, glimmer) och organiska svavelbaserade föreningar vid ädelmetaller. Även om det sistnämnda systemet har karaktäriserats väl, är mycket mindre känt om beteendet hos organosilanskikt på ytor och de underliggande mekanismerna som styr monolagers organisation och struktur.
Även om silanisering av silikatytor introducerades för mer än 40 år sedan, är processen för bildning av släta skikt på ytor fortfarande dåligt förstådd. Den troligen viktigaste orsaken till denna situation är att ett antal studier som har involverat silanisering som en del av proceduren inte har handlat om att noggrant karakterisera det bildade silanskiktet. Det enda resultatet som förenar nyare studier om karakteriseringen av silanskikt är centrerat på den extrema känsligheten hos reaktionerna som leder till bildandet av silanskikt. Faktum är att självmonterade lager av silaner på silikatytor har rapporterats vara beroende av olika parametrar såsom fuktighet, temperatur, föroreningar i silanreagenset och typen av silikatyta. För att konsekvent och reproducerbart göra olika funktionaliserade ytor med skikt som är molekylärt släta, är det viktigt att förstå silikatytornas kemi och de sätt på vilka olika parametrar påverkar naturen hos de självmonterade skikten.
Ytstruktur av kisel och glimmer
Kisel
Oxiderat kisel har studerats omfattande som ett substrat för avsättning av biomolekyler. Piranha-lösning kan användas för att öka ytdensiteten hos reaktiva hydroxylgrupper på kiselytan. –OH-grupperna kan hydrolysera och därefter bilda siloxanbindningar (Si-O-Si) med organiska silanmolekyler. Förberedelse av kiselytor för silanisering innebär avlägsnande av ytföroreningar. Detta kan uppnås genom att använda UV-ozon och piranhalösning . Speciellt Piranha-lösningen utgör en ganska hård behandling som potentiellt kan skada integriteten hos kiselytan. Finlayson-Pitts et al. undersökte effekten av vissa behandlingar på kisel och kom fram till att både grovheten (3-5 Å) och förekomsten av spridda stora partiklar bevarades efter 1 cykel av plasmabehandling. Emellertid var kiselytan signifikant skadad efter 30 behandlingscykler med piranhalösning eller plasma. I båda fallen introducerade behandlingen oregelbundenheter och stora aggregat på ytan (aggregatstorlek > 80 nm), varvid effekten var mer uttalad när piranha användes. I båda fallen gjorde flera behandlingar ytan otillräcklig för avsättning av små biomolekyler.
Glimmer
Glimmer är ett annat silikat som används allmänt som substrat för avsättning av biomolekyler. Glimmer har en märkbar fördel jämfört med kisel eftersom den är molekylärt slät och därför bättre lämpad för studier av små, platta molekyler. Den har en kristallin struktur med generisk formel K[Si3Al]O10Al2(OH)2 och innehåller ark av oktaedriskt hydroxylaluminium inklämt mellan två tetraedriska kiselskikt. I kiselskiktet ersätts en av fyra kiselatomer av en aluminiumatom, vilket genererar en skillnad i laddning som kompenseras av obundet K+ som finns i området mellan angränsande kiselskikt. Muskovitglimmer är mest mottaglig för klyvning längs planet som ligger i kaliumskiktet. När en nyklyvd glimmeryta placeras i kontakt med vatten kan hydratiserade kaliumjoner desorberas från glimmerytan, vilket leder till en negativ laddning vid ytan.
I likhet med kisel innehåller ytan av glimmer inte en märkbar täthet av silanolgrupper för kovalent vidhäftning av silaner. En nyligen genomförd studie rapporterade att nyklyvd glimmer bär 11 % silanolgrupper (dvs ungefär 1 av 10 kiselatomer bär en hydroxylgrupp). Även om det är möjligt att silanisering kan utföras med användning av obehandlad glimmer, kan den ökade tätheten av ytsilanolgrupper på aktiverad glimmer avsevärt förbättra kovalent bindning av silanmolekyler till ytan. Glimmer kan aktiveras genom behandling med argon/vattenplasma, vilket leder till en silanolytdensitet på 30 %. Arbete med aktiverade ytor introducerar ytterligare ett övervägande om stabiliteten hos silanolgrupperna på de aktiverade ytorna. Giasson et al. rapporterade att silanolgrupperna på nyklyvd glimmer som inte utsattes för någon behandling visade sig vara mer stabila under högvakuum jämfört med den plasmaaktiverade glimmern: efter 64 timmar var yttäckningen av silanolgrupperna för nyklyvd glimmerplasma ungefär detsamma, medan yttäckningen för aktiverad glimmer minskade 3-faldigt till 10 %.
Adsorption av molekyler på silikatytor
Adsorption beskriver processen genom vilken molekyler eller partiklar binder till ytor och är särskiljbar från absorption , varvid partiklarna sprids i huvuddelen av det absorberande materialet. Det adsorberade materialet kallas adsorbatet, medan ytan kallas adsorbenten. Det är vanligt att skilja mellan två typer av adsorption, nämligen fysisk adsorption (som består av intermolekylära krafter som håller det adsorberade materialet mot ytan) och kemisk adsorption (som består av kovalenta bindningar som binder det adsorberade materialet till ytan). Naturen hos det bildade adsorbatskiktet beror på interaktionerna mellan det adsorberade materialet och adsorbenten. Mer specifikt inkluderar mekanismerna involverade i adsorption jonbyte (ersättning av motjoner adsorberade från lösningen med liknande laddade joner), jonparning (adsorption av joner från lösningsfas till platser på substraten som bär motsatt laddning), hydrofob bindning ( icke-polär attraktion mellan grupper på substratytan och molekyler i lösning), polarisering av p-elektroner polära interaktioner mellan partiellt laddade platser på substratytan och molekyler som bär motsatta partiella laddningar i lösning, och kovalenta bindningar. Mångfalden av sätt för adsorption att ske ger en indikation på komplexiteten som är förknippad med att kontrollera typen av skikt som adsorberas.
Den typ av silan som används kan ytterligare förvärra problemet, som i fallet med APTES. APTES är den klassiska molekylen som används för immobilisering av biomolekyler och har historiskt sett varit den överlägset mest studerade molekylen inom området. Eftersom APTES innehåller tre etoxigrupper per molekyl kan den polymerisera i närvaro av vatten, vilket leder till lateral polymerisation mellan APTES-molekyler i horisontella och vertikala riktningar och bildning av oligomerer och polymerer som kan fästa på ytan.
Självmontering kan närma sig med hjälp av lösningsfasreaktioner eller ångfasreaktioner . I lösningsfasexperiment löses silanen i ett vattenfritt lösningsmedel och placeras i kontakt med ytan; i ångfasexperiment når endast ångan från silanen substratytan.
Lösningsfasreaktioner
Lösningsfasreaktion har historiskt sett varit den metod som har studerats mest, och en allmän konsensus som har utvecklats när det gäller de villkor som krävs för bildning av släta aminosilanfilmer inkluderar följande: (1) ett vattenfritt lösningsmedel såsom toluen krävs med en styvt kontrollerad spårmängd vatten för att reglera graden av polymerisation av aminosilaner vid ytan och i lösning; (2) bildning av oligomerer och polymerer gynnas vid högre silankoncentrationer (>10%); (3) måttliga temperaturer (60–90 °C) kan störa icke-kovalenta interaktioner som vätebindningar, vilket leder till färre silanmolekyler som är svagt bundna till ytan. Dessutom gynnar villkor (3) desorption av vatten från substratet in i toluenfasen20; (4) Sköljning med lösningsmedel såsom toluen, etanol och vatten efter silaniseringsreaktionen gynnar avlägsnandet av svagt bundna silanmolekyler och hydrolysen av kvarvarande alkoxibindningar i skiktet; (5) torkning och härdning vid hög temperatur (110 °C) gynnar bildandet av siloxanbindningar och omvandlar även ammoniumjoner till den neutrala aminen, som är mer reaktiv.
Ångfasreaktioner
Ångfassilanisering har ansetts som ett sätt att kringgå komplexiteten hos spårvatten i lösning och silanrenhet. Eftersom oligomerer och polymerer av silaner har ett försumbart ångtryck vid de reaktionstemperaturer som vanligtvis används, når de inte ytan av silikatet under avsättningen. Eftersom det inte finns något lösningsmedel i systemet är det lättare att kontrollera mängden vatten i reaktionen. Släta monoskikt har rapporterats för silaniseringar i ångfas av flera typer av silaner, inklusive aminosilaner, oktadecyltrimetoxisilaner och fluoralkylsilaner. Naturen för silanmolekylernas vidhäftning till substratet är emellertid osäker, även om siloxanbindningsbildning kan gynnas genom att substratet blötläggs i vatten efter avsättning.
I en nyligen genomförd studie av Chen et al., erhölls APTES-monoskikt konsekvent vid olika temperaturer och avsättningstider. Tjockleken på de erhållna skikten var 5 Å och 6 Å vid 70 °C respektive 90 °C, vilket motsvarar den ungefärliga längden av en APTES-molekyl och indikerar att monolager bildades på substraten i varje fall.