Langmuir-Blodgett тоғы: Молекулалық моноқабаттарды зерттеу құралы

Кіріспе

Лабораториялық жабдық

Лангмуир-Блоджетт шұңқыры (LB шұңқыры) – берілген субфазаның (көбінесе судың) бетінде молекулалардың моноқабаттарын сығыстыру және осы сығылу нәтижесінде туындайтын беттік құбылыстарды өлшеуге арналған зертханалық құрал. Ол сондай-ақ қатты дененің бетіне бір немесе бірнеше моноқабаттарды жағу үшін де қолданылуы мүмкін.

Шолу

Лангмуир-Блоджетт (LB) фильмінің идеясы алғаш рет 1917 жылы Ирвинг Лангмуир (Лангмуир, 1917) су бетінің бір қабатты моноқабаттарын қатты субстраттарға көшіруге болатындығын көрсеткен кезде мүмкін екені дәлелденді. 18 жыл өткен соң, Кэтрин Блоджетт осы бір қабатты фильмдердің бірнешеуін бір-бірінің үстіне қойып, көп қабатты фильмдер жасауға болатынын ашқанда маңызды ғылыми жетістікке қол жеткізді (Blodgett 1935). Содан бері LB пленкалары (және оларды жасауға арналған ванналар) 2D кристалдандырудан бастап Брюстер бұрышымен микроскопияға дейінгі әртүрлі ғылыми тәжірибелерде қолданылып келеді. LB ваннасының басты мақсаты – амфифильді молекулалардың моноқабаттарының қасиеттерін зерттеу болып табылады. Амфифильді молекула – гидрофобтық және гидрофильді домендері бар молекула (мысалы, сабын және жуғыш заттар). LB ваннасы зерттеушілерге сұйықтық бетінде амфифильді молекулалардың моноқабатын дайындауға, содан кейін осы молекулаларды бетте қысып немесе кеңейтуге мүмкіндік береді, осылайша молекулалық тығыздық немесе бір молекулаға шаққандағы аумақты өзгертеді. Бұл субфазаны (әдетте суды) ваннаға құйып, берілген амфифилді бетке жайып, содан кейін бетті кедергілермен қысып (суретті қараңыз) жүзеге асырылады. Моноқабаттың сұйықтықтың бетіндегі қысымға тигізетін әсері Вильгельми пластинасы, электрондық сым зондтары немесе басқа да детекторлар арқылы өлшенеді. LB пленкасын қатты субстратқа субстратты моноқабат арқылы батыру арқылы көшіруге болады. Лангмуир-Блоджетт липид мембранасын дайындау және беттік молекулалармен өзара әрекеттесуді зерттеу үшін де кеңінен қолданылады. Жасуша мембраналары әртүрлі белоктармен күрделі. Сондықтан жасуша мембранасы модельдік мембраналарда қарапайым жүйеде белгілі бір функцияны зерттеу үшін имитацияланады. Мысалы, липидті моноқабатты ауа-су интерфейсіне жаға беріп, суға белокты енгізуге болады. Беттік қысымның өзгеруі белоктардың мембранаға адсорбция кинетикасы туралы тікелей ақпарат бере алады. Амфифильді материалдардан басқа, Лангмуир-Блоджетт ванналары қазіргі кезде бақыланатын тығыздықтағы нанобөлшектердің жабындарын жасау үшін де жиі қолданылады. Дереккөздің сенімділігі жоқ: күні=2024 жылғы сәуір айы.

The idea of a Langmuir–Blodgett (LB) film was first proven feasible in 1917 when Irving Langmuir (Langmuir, 1917) showed that single water surface monolayers could be transferred to solid substrates. 18 years later, Katharine Blodgett made an important scientific advance when she discovered that several of these single monolayer films could be stacked on top of one another to make multilayer films (Blodgett 1935). Since then, LB films (and subsequently the troughs to make them) have been used for a wide variety of scientific experimentation, ranging from 2D crystallization of proteins to Brewster angle microscopy. The LB trough's general objective is to study the properties of monolayers of amphiphilic molecules. An amphiphilic molecule is one that contains both a hydrophobic and hydrophilic domain (e. g. soaps and detergents). The LB trough allows investigators to prepare a monolayer of amphiphilic molecules on the surface of a liquid, and then compress or expand these molecules on the surface, thereby modifying the molecular density, or area per molecule. This is accomplished by placing a subphase (usually water) in a trough, spreading a given amphiphile over the surface, and then compressing the surface with barriers (see illustration). The monolayer's effect on the surface pressure of the liquid is measured through use of a Wilhelmy plate, electronic wire probes, or other types of detectors. An LB film can then be transferred to a solid substrate by dipping the substrate through the monolayer. Langmuir Blodgett is also used extensively to prepare the lipid membrane and investigate the interactions with surface molecules. Cell membrane are complicated with various proteins embedded in them. The cell membrane is therefore mimicked in model membranes to investigate a particular function in simplified system. For example, a lipid monolayer can be deposited on air water interface and protein can be injected into the water. The change in the surface pressure can provide the direct information to the adsorption kinetics of proteins into the membrane. In addition to amphiphilic materials, Langmuir Blodgett Troughs are commonly used nowadays to create nanoparticle coatings with controlled packing density. Unreliable source: date=April 2024

Материалдар

Алғашқы тәжірибелерде, науа мыс сияқты металдардан жасалды. Бірақ, субфазаның металл иондарымен ластануы қиындықтар тудырды. Бұған қарсы күресу үшін, бір кезде шыны науалар қолданылды, олар шыны тесіктерінен ластануды болдырмау үшін балауызбен жабылды. Алайда, бұл әдіс тефлон (политетрафторэтилен) сияқты, қалыпты еріткіштерде ерімейтін пластиктерге алмастырылды. Тефлон гидрофобты және химиялық тұрақты, сондықтан ол өте қолайлы материал болып табылады және бүгінде ең көп қолданылатын материал. Кейде металл немесе шыны науалар тефлонның жұқа қабатымен жабылады, бірақ олар толық ПТФЕ науалардай берік емес. Егер қысылу полярлы сұйық, мысалы су, және дисперсті сұйық, мысалы май, арасындағы интерфейсте жүргізілсе, сұйық-сұйық тәжірибелері үшін науа көбінесе ПОМ (полиоксиметилен) материалынан жасалады. ПОМ гидрофильдігі жоғары және сұйық-сұйық интерфейсін тұрақтандыруға көмектеседі.

Лангмуир-Блодгет құмыраларының дайындамалары

Кез келген беттік эксперимент компоненттердің максималды тазалығы мен кемшіліксіздігін қажет етеді. Тіпті кішкентай ластанулар да нәтижелерге маңызды әсер ете алады. Егер сулы субфаза қолданылса, судағы органикалық заттарды жою үшін су тазартылып, кедергісі 1.8 ГОм м-ден кем болмауы үшін деионизациялануы керек. 1 ppm-ға дейінгі шағын ластанулар моноқабаттың мінез-құлқын күрт өзгерте алады. 2006 жылы алкантиолдың өздігінен құрастырылған моноқабаттарындағы тасымалдану режимі тікелей электрондық туннельдеу екенін көрсетті. Лангмуир-Блоджетт суықтары нанобөлшектерді жабуда ерекше артықшылықтарға ие, бұл оларды нанобөлшектері бар жоғары күрделі жабындар жасауға қабілетті етеді. Осы артықшылықтардың кейбіреулеріне молекулалардың тығыздығын және жабылған қабаттың қалыңдығын дәл бақылау кіреді. Сондай-ақ, LB әдісі субстраттардың әртүрлі геометриясын және әртүрлі нанобөлшек материалдарын пайдалануда әмбебаптылықты қамтамасыз етеді. Екіншіден, LB суығы әртүрлі сұйықтықтардың беттік кернеуі және берілген жүйенің беттік қысымы сияқты интерфейстік қасиеттерді сынау үшін тәжірибелік құрал ретінде қолданылуы мүмкін. Жүйені сондай-ақ дәрі-дәрмектердің липидтермен қалай өзара әрекеттесетінін бақылауға немесе липидтердің саны мен ауданының арақатынасы өзгергенде олардың қалай орналасатынын көруге арналған бақылау механизмі ретінде пайдалануға болады. Лангмуир-Блоджетт суықтары Лангмуир-Блоджетт пленкаларын жасау және Лангмуир пленкаларын сипаттау эксперименттерінде қолданылуы мүмкін. LB пленкалары қазір молекулалық электрониканың құрылыс блоктары ретінде қолданылады. Суықтар графен парақтарын (Li және басқалар, 2008) және сұйық кристалды дисплейлерді (LCD) (Рассел Таннер, Такаяма, Сугимура, ДеСимон және Самульски, 2007) сияқты наноөлшемді электрониканы жасау үшін пленкалар жасауға қолданылуы мүмкін. Бұдан өзге, жасушалардың жабысуын жақсарту немесе биофильмдердің қасиеттерін зерттеу үшін биологиялық материалдардан пленкалар жасауға болады (Янг және басқалар, 2002). Лангмуир-Блоджетт суықтарының Лангмуир пленкаларын сипаттаудағы пайдалылығының мысалы – ауа-су интерфейсіндегі кванттық нүктелердің беттік қасиеттерін талдау. Судың беті өте тегіс қасиетке ие, оны контейнердің мөлшеріне дейін кеңейтуге болады. Судың орташа квадраттық қателігі (RMS) рентген сәулесінің шағылысуымен өлшенгенде 3,2 Å құрайды. Бұл ерекшелік Лангмуир суықтарын ковалентті моноқабатты парақтарды және тіпті 2D полимерлерді синтездеу және сипаттау үшін қолайлы кандидат етеді.

Any type of surface experiment requires maximal cleanliness and purity of components. Even small contaminations can have substantial effects on results. If an aqueous subphase is used, the water must be purified to remove organics and deionized to a resistivity not less than 1.8 GΩ m. Impurities as small as 1ppm can radically change the behavior of a monolayer. showed in 2006 that direct electron tunneling was the mode of transportation in alkanethiol self assembled monolayers

Langmuir Blodgett Troughs have unique advantages in nanoparticle deposition, making them capable of creating highly sophisticated coatings with nanoparticles. Some of the advantages include a precise control on the packing density of the molecules and the thickness of the deposited layer. Also LB method is flexible in using different geometries of substrates and different nanoparticle materials. Secondly, the LB trough can be used itself as an experimental device to test interfacial properties such as the surface tension of various fluids, as well as the surface pressure of a given system. The system can also be used as an observation mechanism to watch how drugs interact with lipids, or to see how lipids arrange themselves as the number to area ratios are varied. Langmuir–Blodgett troughs can be used for experiments in the fabrication of Langmuir–Blodgett films and the characterization of Langmuir films. LB films are now used as the building blocks of molecular electronics. Troughs can be used to make films for the fabrication of nanoscale electronics such as graphene sheets (Li et al., 2008), and LCDs (Russell Tanner, Takayama, Sugimura, DeSimone & Samulski, 2007). In addition films can be made of biological materials (Yang et al., 2002) to improve cell adhesion or study the properties of biofilms. An example of Langmuir–Blodgett troughs' utility in characterizing Langmuir films is the analysis of surface properties of quantum dots at the air water interface. Surface of water has an immensely smooth nature that could be extended as large as the size of its container. The root mean square (RMS) roughness of water is 3.2 Å, as measured by X ray reflectivity. This feature makes Langmuir troughs a suitable candidate for synthesis and characterization of covalent monolayer sheets and even 2D polymers.