Гергелі Антал, Ноемі Розлосник
Вступ
1. Ленгмюрські фільми
Плівки Ленгмюра - це поверхнево-активні речовини (миючі засоби), які розташовані на межі розділу двох різних середовищ, утворюючи цілісний єдиний шар. Ці два середовища є переважно рідко-газовими (про це буде сказано далі), рідше рідко-рідинними.
Миючі засоби також містять амфіфільні молекули, тобто гідрофільні та гідрофобні частини. Гідрофільна частина може бути, наприклад, карбоксил або сульфат, амін або спирт. Ці полярні групи залучають подібні до полярних середовищ, такі як вода. Серед сил між ними є кулонівський тип (
1/r 2, де r - відстань між молекулами). Гідрофобні (або олеофільні) групи, напр. різні вуглеводневі ланцюги набагато менш розчинні (або взагалі не) розчиняються у воді, і сили, що діють між ними, в першу чергу ван-дер-ваальські (
Структуру плівки Ленгмюра, ступінь її розташування можна простежити лише побічно, але дуже точно: скориставшись тим, що розташування призводить до безперервного зменшення поверхневого натягу рідини, що змінюється, т.зв. поверхневий тиск можна легко виміряти.
Ці плаваючі моношари діють як гнучкі мембрани під час багаторазового ущільнення-розширення. Якщо плівка сильно стиснеться, вона розіб’ється, втрачаючи свої пружні властивості; частина молекул витісняється за межі мономолекулярної площини, утворюючи два або більше шарів або "кротові тури" (рис. 2) у верхній частині плівки Ленгмюра. Крім того, молекули миючого засобу можуть розчинятися у субфазі (наприклад, шляхом утворення міцел), залежно від амфіпатичного балансу.
2. Техніка Ленгмюра-Блоджета
Плівки Ленгмюра-Блоджета на твердих, плоских носіях, т. Зв складаються з мономолекулярних шарів, послідовно нанесених на підкладку, плівки Ленгмюра. Якщо належним чином підготовлену підкладку з відповідними властивостями переміщати повільно, перпендикулярно межі розділу повітря-фаза, вона розірве плівку Ленгмюра, яка потім може зв’язуватися з підкладкою при розгладженні, покриваючи її мономолекулярним шаром.
Після встановлення та нанесення першого шару - у "щасливому" випадку - додаткові шари додаються до основи кожного разу, коли підкладка проходить через межу розділу повітря-фаза. (У "нещасному" випадку за першим зв'язуючим шаром не слід зв'язування подальших, і навіть цей перший шар може "замочити" підкладку на наступному кордоні повітря-рідина. Загалом, якщо рідина-підкладка межовий напрямок меніска та напрямок руху підкладки Таким чином, може бути створена багатошарова плівка, товщину якої можна оцінити за добутком окремої довжини молекулярного ланцюга та кількості перетинів межі розділу, пов’язаного з підкладкою (рис. .
Субстрати можна розділити на дві основні групи: гідрофобні та гідрофільні. Гідрофобний субстрат призводить до зв’язування плівки при першому зануренні, гідрофобні вуглеводневі ланцюги прилипають до також гідрофобного носія (рис. 4).
У випадку гідрофільного субстрату під час першого занурення відбувається лише невпорядкований перенос, оскільки гідрофобні ланцюги відштовхуються носієм, зануреним у саму рідину, тоді як під час подальшої екстракції плівка Ленгмюра прилипає до основи з гідрофільною половиною (рис. 5). Для обох типів підкладки додаткові шари прилипають один до одного в змінних положеннях під час подальших перетинів кордону.
3. Ванна Ленгмюра
Ванна Ленгмюра (рис. 6) - це пристрій, придатний для розташування моношарів амфіфільних матеріалів, вимірювання ізотерм площі поверхневого тиску та перенесення влаштованих моношарів на тверду опору. Основними його частинами є тефлонова ванна (a), (або дві) рухомі тефлонові перегородки (b), манометр поверхневого тиску (c) та занурювальний пристрій (d) для переміщення основи.
Ванна виготовлена з тефлону (політетрафторетилен), який багато в чому є найбільш придатним для цієї мети: він не забруднює підфазу, є хімічно по суті неактивним, не розчиняється в підфазі та має найбільш гідрофобні властивості з відомих полімерів ( наприклад, наповнена вода може випирати до висоти до декількох міліметрів).
Основою для вимірювання поверхневого тиску є пластинка Вільгельмі (рис. 6, в), невелика хроматографія або фільтрувальний папір, підвішений на межі повітря-рідина і намагається втягнутись у підфазу силою від поверхневого натягу рідини . Якщо стороння речовина (миючий засіб) поширюється на поверхні рідини, поверхневий натяг зменшується до такої міри, що вільна енергія поверхні мінімізується. Силу, що діє на паперову вставку, можна виміряти за допомогою мікроваги.
4. Фази плаваючого моношару
Після нанесення поверхнево-активної речовини на поверхню, поки молекули не ущільнюються, вони вільно плавають, рухаються по поверхні і можуть зіткнутися між собою; поводиться як двовимірний газ і може характеризуватися відповідним "загальним газовим законом":
де поверхневий тиск, A f - площа поверхні рідини, покритої моношаром, N - кількість молекул миючого засобу, k - постійна Больцмана, T - термодинамічна температура. Вводячи кількість A: = A f/N, яка є середньою площею поверхні рідини на молекулу миючого засобу, наше рівняння модифікується до такої форми:
Змінюючи площу, доступну для амфіфільних молекул, при постійній температурі, отриманий графік площі тиску відомий як ізотерма, згідно газової аналогії. Форма ізотерми характерна для конкретного ПАР; містить ділянки різного нахилу, що засвідчують упорядкування плівки та фазові переходи, що відбуваються в ній, при цьому вона стискається за допомогою перегородки (рис. 7).
5. LB плівкова сировина
Найбільш часто використовуваними плівкоутворюючими матеріалами є довголанцюгові жирні кислоти, їх солі, довголанцюгові спирти та різні ліпіди. (Насичений або ненасичений) вуглеводневий ланцюг забезпечує гідрофобні властивості цих матеріалів, тоді як полярні групи -COOH та -OH, відповідно, мають спорідненість до води, щоб приєднати молекули до водної субфази. Довжина вуглеводневого ланцюга також є критичною: напр. у разі насичених карбонових кислот гідрофобний вуглецевий ланцюг повинен мати довжину щонайменше 13 одиниць вуглецю; якщо менше цього, речовина розчиняється у воді.
Ефективність функціональних груп, приєднаних до вуглеводневого ланцюга, які відповідають за зв'язування з водною фазою, узагальнена в таблиці I:
6. Розчинники
Є деякі плівкоутворюючі матеріали Ленгмюра, які можуть мимовільно поширюватися на поверхні рідини. Такими властивостями є напр. рослинні олії. Однак більшість матеріалів можна лише належним чином розчинити в летючому розчиннику і перенести в підфазу. Використовуваний розчинник слід вибирати обережно, оскільки він впливає на плівкоутворювальні властивості розчиненої речовини. A II. У таблиці 1 наведено властивості деяких розчинників, що використовуються при нанесенні плівкоутворюючих матеріалів Ленгмюра:
7. Підкладки
Підкладки, як уже зазначалося, зазвичай поділяються на дві групи залежно від їх властивостей поверхні; існують гідрофільні та гідрофобні субстрати. Стандартна (26x76 мм) мікроскопна мікроскоп, полірована напівпровідникова кремнієва пластинка та щілинна слюдяна пластинка - чудові носії LB-плівки з гідрофільними властивостями в чистому стані.
(Кремній, що потрапляє на повітря, завжди утворює зв’язаний шар оксиду - це робить його поверхню гідрофільною.) Крім того, використовується незліченна кількість інших поверхонь (наприклад, вставки, виготовлені із суміші діатомової землі (SiO 2) та кремнію тощо). Гідрофільні субстрати можуть бути гідрофобними за допомогою відповідних процедур обробки.
8. Підфаза
Найчастіше використовуваною підфазою для дослідження мономолекулярних плівок є надчиста вода; однак це не єдина використана буферна рідина. Є також підфази, які крім води містять додаткові добавки (наприклад, HEPES, NaCl, NaNO 3, NaHCO 3, NaOH); ці добавки є насамперед регулюванням і стабілізацією рН, т. зв виконує буферну роль. Інші рідини з високим поверхневим натягом, такі як гліколь, гліцерин та ртуть, також можуть бути придатними підфазами. Однак не слід забувати, що підфаза зазвичай складається із взаємозалежних компонентів: зміна однієї рівноваги іонізації часто впливає і на інші рівноваги всередині підфази.
При низьких концентраціях (
10 -4 М) змішані в підфазі іони двовалентного металу можуть пов'язувати поверхневі молекули жирних кислот з їх карбоксильним киснем за допомогою іонного або ковалентного зв'язку, залежно від того, чи більша різниця в електронегативності між киснем карбонової кислоти та металевими протиіонами два: наприклад, Ca, Mg тощо) або менше (наприклад, Cd, Mn, Pb тощо). Рисунок 8 ілюструє ковалентний зв'язок Cd з жирними кислотами. Змішування двовалентних іонів металів у субфазу та зміна рН субфази забезпечує широкі можливості для управління одношаровими властивостями та багатошаровим перенесенням.
9. Запис фільму
Найпоширенішим способом нанесення плівки є вертикальне переміщення основи за допомогою моторизованого «підйомника» (ковша) (рис. 6, г). Швидкість занурення або виведення повинна бути повільною (кілька мм/хв), щоб зробити передачу якомога плавнішою.
Можливо, що амфіфільний матеріал прилипає до гідрофільного субстрату максимум в одному шарі під час послідовного занурення (наприклад, у випадку ліпідів). Потім можна нанести подальший шар, рівномірно "штовхаючи" основу рівномірно вниз (наприклад, за допомогою пінцета) паралельно поверхні рідини на межі розділу; тим часом інший шар прилипає до основи, у позиції, протилежній вже нанесеному шару. Це т.зв. Техніка Ленгмюра-Шефера.
Так звані вимірювання коефіцієнта передачі (TR) забезпечує надійну інформацію про ефективність та ступінь запису фільму. Визначення:
Цю швидкість можна легко визначити, оскільки площу підкладки можна легко розрахувати, тоді як площа перенесеного моношару повинна дорівнювати зменшенню поверхні підфази з амфіфільним покриттям під час перенесення у випадку чіткий, односторонній (!) переказ.
10. Біологічне застосування
Запитання щодо перевірки
Що таке фільми про Ленгмюра?
Як ми знімаємо фільми Ленгмюра? Які його властивості та фази?
Що таке фільми LB? Як виробляти?
Що таке ванна LB? Які основні деталі та для чого вони використовуються?
Якими повинні бути властивості плівкоутворюючих матеріалів? Що використовуються?
Які основні типи підкладок? Як вони впливають на зйомки?
Якими можуть бути завдання підфази?
Що таке ізотерма? Яка швидкість передачі?
Які біологічні програми можуть мати плівки Ленгмюра та ЛБ?