Silikon ve mika silanizasyonu - Silanization of silicon and mica

Silanizasyon nın-nin silikon ve mika bu malzemelerin ince bir tabaka halinde kendiliğinden birleşen birimlerle kaplanmasıdır.

Silanizasyonun biyolojik uygulamaları

Kullanarak proteinlerin nano ölçekli analizi atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), birçok deneysel teknik için iyi tanımlanmış topolojilere ve kimyalara sahip yüzeyler gerektirir. Biyomoleküller, özellikle proteinler, hidrofobik veya elektrostatik etkileşimler yoluyla basitçe değiştirilmemiş bir substrat yüzeyi üzerinde hareketsizleştirilebilir.[1] Bununla birlikte, proteinlerin yüzeyler üzerindeki fiziksel adsorpsiyonu ile ilgili çeşitli problemler vardır. Metal yüzeyler ile protein denatürasyonu, kararsız ve tersinir bağlanma, spesifik olmayan ve rastgele protein immobilizasyonu bildirilmiştir.[2]

Bir alternatif, kimyasal olarak değiştirilmiş yüzeylerin denatüre edici olmayan koşullar altında proteinlerle etkileşimini içerir.[2] Yüzeylerin kimyasal modifikasyonu, yüzeyin kimyasını hassas bir şekilde kontrol etme potansiyeli sağlar ve doğru kimyasal modifikasyonlarla bu yaklaşımın birçok avantajı vardır. İlk olarak, yüzeyde adsorbe edilen proteinler çok çeşitli koşullarda daha kararlıdır. Proteinler ayrıca yüzeyde daha homojen bir yönelim benimser. Ek olarak, daha yüksek tekrarlanabilirlik ile daha yüksek yoğunlukta protein birikimi mümkündür.

Yüzeylerin kimyasal modifikasyonu, değerli bilgiler elde etmek için proteinleri hareketsiz hale getirmek için birçok durumda başarıyla uygulanmıştır. Örneğin, DNA'nın atomik kuvvet mikroskobu görüntülemesi, 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES ). Negatif yüklü DNA omurgası, amin işlevselliği üzerindeki pozitif yüklere güçlü bir şekilde bağlanarak hem havada hem de tamponda görüntülenebilen stabil yapılara yol açar.[3] Behrens ve arkadaşları tarafından yakın zamanda yapılan bir çalışmada, aminle sonlandırılmış silikon yüzeyler, tıbbi amaçlar için kemik morfogenetik protein 2'yi (BMP2) hareketsiz hale getirmek için başarıyla kullanıldı (cf. hidrojenle sonlandırılmış silikon yüzey ). 14 Amin gruplu moleküller (özellikle APTES), biyomoleküllerle basit elektrostatik etkileşimlere izin verdikleri için biyolojik uygulamalar için önemlidir.[4]

Kendinden birleştirilmiş tek tabakalar kullanılarak yüzeylerin işlevselleştirilmesi

Kendinden montajlı tek tabakalar (SAM), yüzey özelliklerinin hassas kontrolüne izin veren son derece çok yönlü bir yaklaşımdır. 1946'da Bigelow ve diğerleri tarafından tanıtıldı.[5] ancak, altın üzerinde alkanetiyolatların SAM'lerinin oluşumunun Allara ve diğerleri tarafından bildirildiği 1983 yılına kadar yaygın ilgi çekmemiştir.[6] Tekli katmanların kendiliğinden montajı birkaç sistem kullanılarak gerçekleştirilebilir. Kendi kendine birleşmenin temeli, yüzey ile katmanı oluşturan molekül arasında kovalent bir bağ oluşmasıdır; ve bu gereklilik, hidroksillenmiş materyallerde (cam, silikon, alüminyum oksit, mika) organosilanlar ve asil metallerde organosülfür bazlı bileşik türleri gibi çeşitli kimyasal gruplar kullanılarak karşılanabilir.[6][7][8] İkinci sistem iyi karakterize edilmiş olsa da, organosilan tabakalarının yüzeyler üzerindeki davranışı ve tek tabakalı organizasyonu ve yapıyı kontrol eden altta yatan mekanizmalar hakkında çok daha az şey bilinmektedir.

Silikat yüzeylerin silanizasyonu 40 yıldan daha uzun bir süre önce tanıtılmış olmasına rağmen, yüzeylerde pürüzsüz tabakaların oluşumu süreci hala tam olarak anlaşılamamıştır. Muhtemelen bu durumun en önemli nedeni, prosedürün bir parçası olarak silanlaşmayı içeren bir dizi çalışmanın, oluşan silan tabakasını tam olarak karakterize etmekle ilgilenmemiş olmasıdır. Silan katmanlarının karakterizasyonu üzerine yapılan son çalışmaları birleştiren tek sonuç, silan katmanlarının oluşumuna yol açan reaksiyonların aşırı hassasiyeti üzerine odaklanmıştır.[8] Gerçekte, silikat yüzeyler üzerindeki kendiliğinden birleştirilmiş silan katmanlarının, nem, sıcaklık, silan reaktifindeki safsızlıklar ve silikat yüzey tipi gibi çeşitli parametrelere bağlı olduğu bildirilmiştir. Moleküler olarak pürüzsüz katmanlara sahip çeşitli işlevselleştirilmiş yüzeyleri tutarlı ve tekrarlanabilir bir şekilde yapmak için, silikat yüzeylerin kimyasını ve çeşitli parametrelerin kendi kendine birleştirilmiş katmanların doğasını etkileme yollarını anlamak çok önemlidir.

Silikon ve mika yüzey yapısı

Silikon

Okside silikon biyomoleküllerin biriktirilmesi için bir substrat olarak kapsamlı bir şekilde çalışılmıştır. Piranha çözeltisi, silikon yüzeyindeki reaktif hidroksil gruplarının yüzey yoğunluğunu artırmak için kullanılabilir. –OH grupları hidrolize olabilir ve ardından organik silan molekülleri ile siloksan bağları (Si-O-Si) oluşturabilir. Silanizasyon için silikon yüzeylerin hazırlanması, yüzey kirleticilerinin uzaklaştırılmasını içerir. Bu, UV-ozon kullanılarak sağlanabilir ve piranha çözümü. Özellikle Piranha çözümü, silikon yüzeyin bütünlüğüne potansiyel olarak zarar verebilecek oldukça sert bir işlem oluşturmaktadır. Finlayson-Pitts vd. belirli işlemlerin silikon üzerindeki etkisini araştırdı ve hem pürüzlülüğün (3-5 Å) hem de dağınık büyük parçacıkların varlığının 1 döngü plazma işleminden sonra korunduğu sonucuna vardı.[9] Bununla birlikte, silikon yüzey, piranha çözeltisi veya plazma ile 30 döngü işleminden sonra önemli ölçüde hasar gördü. Her iki durumda da, işlem yüzeyde düzensizlikler ve büyük agregalar oluşturdu (agrega boyutu> 80 nm), piranha kullanıldığında etki daha belirgindir. Her iki durumda da, birden fazla işlem yüzeyi küçük biyomoleküllerin birikmesi için yetersiz hale getirdi.

Mika

Mika biyomoleküllerin biriktirilmesi için yaygın olarak substrat olarak kullanılan başka bir silikattır. Mika, silikona göre gözle görülür bir avantaja sahiptir çünkü moleküler olarak pürüzsüzdür ve bu nedenle küçük, düz moleküllerle ilgili çalışmalar için daha uygundur.[10] Genel formül K [Si3Al] O10Al2 (OH) 2 ile kristal yapıya sahiptir ve iki silikon tetrahedral katman arasına sıkıştırılmış oktahedral hidroksil-alüminyum levhalar içerir.[11] Silikon katmanında, dört silikon atomundan biri, bir alüminyum atomu ile değiştirilerek, komşu silikon katmanları arasındaki bölgede bulunan bağlanmamış K + ile dengelenen bir yük farkı oluşturur.[11] Muskovit mika, potasyum tabakasında bulunan düzlem boyunca bölünmeye en duyarlıdır. Yeni yarılmış bir mika yüzeyi su ile temas ettirildiğinde, hidratlanmış potasyum iyonları mika yüzeyinden desorbe olabilir ve bu da yüzeyde negatif bir yüke yol açar.

Silikona benzer şekilde, mika yüzeyi, silanlarla kovalent bağlanma için kayda değer bir yoğunlukta silanol grupları içermez.[10] Yakın zamanda yapılan bir çalışma, yeni bölünmüş mika'nın% 11 silanol grubu taşıdığını (yani, yaklaşık 10 silikon atomundan 1'inin bir hidroksil grubu taşıdığını) bildirdi.[11] Silanizasyonun işlenmemiş mika kullanılarak gerçekleştirilmesi mümkün olmakla birlikte, aktifleştirilmiş mika üzerindeki yüzey silanol gruplarının artan yoğunluğu, silan moleküllerinin yüzeye kovalent bağlanmasını önemli ölçüde iyileştirebilir. Mika, argon / su plazması ile işlenerek aktif hale getirilebilir, bu da% 30'luk bir silanol yüzey yoğunluğuna yol açar.[11][12] Aktifleştirilmiş yüzeylerle çalışmak, aktifleştirilmiş yüzeyler üzerindeki silanol gruplarının stabilitesi hakkında başka bir hususu ortaya çıkarır. Giasson vd. herhangi bir işleme tabi tutulmamış taze bölünmüş mika üzerindeki silanol gruplarının, plazma ile aktive edilmiş mika ile karşılaştırıldığında yüksek vakum altında daha stabil olduğunu bildirmiştir: 64 saat sonra, silanol gruplarının yeni bölünmüş mika plazması için yüzey kaplaması kabaca olmuştur. aynı, aktif mika için yüzey kaplama 3 kat azaldı ve% 10'a düştü.[11]

Moleküllerin silikat yüzeylere adsorpsiyonu

Adsorpsiyon moleküllerin veya partiküllerin yüzeylere bağlandığı ve bunlardan ayırt edilebildiği süreci açıklar absorpsiyon bu sayede partiküller emici malzemenin hacmi içinde yayılır. Adsorbe edilen malzemeye adsorbat, yüzey ise adsorban olarak adlandırılır. İki tür adsorpsiyon, yani fiziksel adsorpsiyon (adsorbe edilmiş materyali yüzeye tutan moleküller arası kuvvetlerden oluşur) ve kimyasal adsorpsiyon (adsorbe edilmiş materyali yüzeye bağlayan kovalent bağlardan oluşan) ayırt etmek yaygındır. Oluşan adsorbat tabakasının doğası, adsorbe edilmiş materyal ile adsorban arasındaki etkileşimlere bağlıdır.[13] Daha spesifik olarak, adsorpsiyona dahil olan mekanizmalar arasında iyon değişimi (çözeltiden adsorbe edilen karşı iyonların benzer şekilde yüklü iyonlarla değiştirilmesi), iyon eşleşmesi (iyonların çözelti fazından ters yükü taşıyan substratlar üzerindeki alanlara adsorpsiyonu), hidrofobik bağlanma ( substrat yüzeyindeki gruplar ve çözelti içindeki moleküller arasındaki polar olmayan çekim), p-elektronların, substrat yüzeyindeki kısmen yüklü yerler ile çözelti içinde zıt kısmi yükler taşıyan moleküller arasındaki kutupsal etkileşimlerin polarizasyonu ve kovalent bağlar.[8][14] Adsorpsiyonun meydana gelmesinin çeşitli yolları, adsorbe edilen katman tipinin kontrol edilmesiyle ilişkili karmaşıklıkların bir göstergesini sağlar.

Kullanılan silan türü, APTES durumunda olduğu gibi sorunu daha da karmaşık hale getirebilir. APTES, biyomoleküllerin hareketsizleştirilmesi için kullanılan klasik moleküldür ve tarihsel olarak bu alanda bugüne kadar en çok çalışılan molekül olmuştur. APTES molekül başına üç etoksi grubu içerdiğinden, su varlığında polimerize olabilir, bu da APTES molekülleri arasında yatay ve dikey yönlerde yanal polimerizasyona ve yüzeye yapışabilen oligomer ve polimer oluşumuna yol açar.

Kendi kendine montaj ile yaklaşılabilir çözüm aşaması reaksiyonlar veya buhar fazı reaksiyonlar. Çözelti fazı deneylerinde, silan susuz bir çözücü içinde çözülür ve yüzey ile temas ettirilir; buhar fazı deneylerinde, substrat yüzeyine sadece silanın buharı ulaşır.[8]

Çözüm fazlı reaksiyonlar

Çözelti fazı reaksiyonu tarihsel olarak en çok çalışılan yöntem olmuştur ve pürüzsüz aminosilan filmlerin oluşumu için gerekli koşullarla ilgili olarak gelişen genel bir fikir birliği aşağıdakileri içerir: (1) toluen gibi susuz bir çözücü gereklidir yüzeyde ve çözelti içinde aminosilanların polimerizasyon derecesini düzenlemek için sıkı bir şekilde kontrol edilen eser miktarda su ile; (2) oligomerlerin ve polimerlerin oluşumu daha yüksek silan konsantrasyonlarında (>% 10) tercih edilir; (3) orta sıcaklıklar (60-90 ° C), hidrojen bağları gibi kovalent olmayan etkileşimleri bozarak, yüzeye zayıf bir şekilde bağlı olan daha az silan molekülüne yol açabilir. Ek olarak koşul (3), suyun substrattan toluen fazına20 desorpsiyonunu destekler; (4) Silanizasyon reaksiyonunu takiben toluen, etanol ve su gibi çözücülerle durulama, zayıf bir şekilde bağlanmış silan moleküllerinin çıkarılmasına ve tabakadaki tortusal alkoksi bağlarının hidrolizine yardımcı olur; (5) yüksek sıcaklıkta (110 ° C) kurutma ve sertleştirme, siloksan bağlarının oluşumunu kolaylaştırır ve ayrıca amonyum iyonlarını daha reaktif olan nötr amine dönüştürür.[8]

Buhar fazlı reaksiyonlar

Buhar fazı silanizasyona, çözelti içindeki iz suyu ve silan saflığının karmaşıklığını aşmanın bir yolu olarak yaklaşılmıştır.[8] Silan oligomerleri ve polimerleri, yaygın olarak kullanılan reaksiyon sıcaklıklarında ihmal edilebilir buhar basıncına sahip olduklarından, biriktirme sırasında silikatın yüzeyine ulaşmazlar. Sistemde çözücü olmadığı için reaksiyondaki su miktarını kontrol etmek daha kolaydır. Aminosilanlar, oktadesiltrimetoksisilan ve flüoalkil silanlar dahil olmak üzere çeşitli silan türlerinin buhar fazı silanizasyonları için pürüzsüz tek tabakalar bildirilmiştir. Bununla birlikte, silan moleküllerinin substrata bağlanmasının doğası belirsizdir, ancak siloksan bağı oluşumu, substratın birikmeyi takiben suda ıslatılmasıyla tercih edilebilir.

Chen ve diğerleri tarafından yapılan yakın tarihli bir çalışmada, APTES tek tabakaları, farklı sıcaklıklarda ve biriktirme sürelerinde tutarlı bir şekilde elde edilmiştir. Elde edilen katmanların kalınlıkları sırasıyla 70 ° C ve 90 ° C'de 5 Å ve 6 Å idi; bu, bir APTES molekülünün yaklaşık uzunluğuna karşılık gelir ve her durumda substratlar üzerinde mono tabakaların oluştuğunu gösterir.[8]

Referanslar

  1. ^ Younes-Metzler; Ben; Giorgi (2011). "Antifriz glikoprotein fraksiyonunun 8 kuru ve ıslak mika üzerinde adsorpsiyonu". Kolloidler ve Yüzeyler B: Biyolojik Arayüzler: 134–140.
  2. ^ a b Ferretti, S (2000). "Kendi kendine monte edilen tek tabakalar: Biyo yüzeylerin formülasyonu için çok yönlü bir araç". Analitik Kimyada TrAC Trendleri: 530–540.
  3. ^ Crampton, N .; Bonass, W. A .; Kirkham, J .; Thomson, N.H. (2005). "DNA'nın atomik kuvvet mikroskobu ile görüntülenmesi için aminosilan ile işlevselleştirilmiş mika oluşumu". Langmuir. 21: 7884–7891. doi:10.1021 / la050972q.
  4. ^ Aissaoui, N .; Bergaoui, L .; Landoulsi, J .; Lambert, J .; Boujday, S. (2012). "Silan tabakaları silikon yüzeyler: Etkileşim mekanizması, kararlılık ve protein adsorpsiyonu üzerindeki etki". Langmuir. 28: 656–665. doi:10.1021 / la2036778.
  5. ^ Nuzzo, R. G .; Allara, D.L. İki işlevli organik disülfitlerin altın yüzeylere adsorpsiyonu J. Am. Chem. Soc. 1983; 105, 4481-4483.
  6. ^ a b Wang, W .; Vaughn, M.W. (2008). "Cam yüzeyler üzerinde (3-aminopropil) trietoksisilan filmlerin morfolojisi ve amin erişilebilirliği". Tarama. 30: 65–77. doi:10.1002 / sca.20097.
  7. ^ Schlenoff, J. B .; Li, M .; Ly, H. (1995). Alkanetiyol tek tabakalarında "kararlılık ve kendi kendine değişim". J. Am. Chem. Soc. 117: 12528–12536. doi:10.1021 / ja00155a016.
  8. ^ a b c d e f g Zhu, M .; Lerum, M. Z .; Chen, W. (2012). "Silika üzerinde yeniden üretilebilir, homojen ve hidrolitik olarak kararlı aminosilan türevi tabakalar nasıl hazırlanır?". Langmuir. 28: 416–423. doi:10.1021 / la203638g. PMC  3243110.
  9. ^ McIntire, T. M .; Smalley, S. R .; Newberg, J. T .; Lea, A. S .; Hemminger, J. C .; Finlayson-Pitts, B.J. (2006). "Silikon üzerinde kendi kendine birleşen tek tabakaların kimyası ile ilişkili alt tabaka değişiklikleri". Langmuir. 22: 5617–5624. doi:10.1021 / la060153l.
  10. ^ a b Kim, S .; Christenson, H. K .; Curry, J.E. (2002). "Nemin, işlenmemiş ve plazma ile işlenmiş mika üzerinde kendi kendine birleşen bir oktadesiltrietoksisilan tek tabakanın stabilitesi üzerindeki etkisi". Langmuir. 18: 2125–2129. doi:10.1021 / la011020x.
  11. ^ a b c d e Liberelle, B .; Banquy, X .; Giasson, S. (2008). "Silanollerin ve aşılanmış alkilsilan tek tabakalarının plazma ile aktive edilmiş mika yüzeyler üzerindeki stabilitesi". Langmuir. 24: 3280–3288. doi:10.1021 / la703522u.
  12. ^ Wood, J .; Sharma, R. (1994). "Mika üzerinde sağlam bir hidrofobik tek tabakanın hazırlanması". Langmuir. 10: 2307–2310. doi:10.1021 / la00019a047.
  13. ^ Parida, S. K .; Dash, S .; Patel, S .; Mishra, B. K. Organik moleküllerin silis yüzeyine adsorpsiyonu. Adv. Colloid Interface Sci. 2006, 121, 77-110.
  14. ^ Paria, S .; Khilar, K. C. Hidrofilik katı-su arayüzünde yüzey aktif madde adsorpsiyonunun deneysel çalışmaları üzerine bir inceleme. Adv. Colloid Interface Sci. 2004, 110, 75-95.