Троги Лангмюра-Блоджетт: принцип работы и применение.

Введение

Лабораторное оборудование

Пробирка Лангмюра-Блоджетт (LB-пробирка) — это лабораторный прибор, используемый для сжатия монослоев молекул на поверхности заданной подфазы (обычно воды) и измерения поверхностных явлений, возникающих при этом сжатии. Также может применяться для нанесения одного или нескольких монослоев на твердый субстрат.

Обзор

Идея пленки Лангмюра–Блоджетт (LB) впервые была подтверждена как осуществимая в 1917 году, когда Ирвинг Лангмюр (Langmuir, 1917) показал, что монослои на поверхности воды могут быть перенесены на твердые подложки. Спустя 18 лет, Катарине Блоджетт удалось сделать важный научный прорыв, обнаружив, что несколько таких монослойных пленок можно укладывать друг на друга, создавая многослойные пленки (Blodgett 1935). С тех пор пленки LB (и, впоследствии, желоба для их создания) используются в широком спектре научных экспериментов, от двумерной кристаллизации белков до микроскопии под углом Брюстера. Основная задача LB-желоба – изучение свойств монослоев амфифильных молекул. Амфифильная молекула содержит как гидрофобный, так и гидрофильный фрагмент (например, мыла и моющие средства). LB-желоб позволяет исследователям формировать монослой амфифильных молекул на поверхности жидкости, а затем сжимать или расширять эти молекулы на поверхности, тем самым изменяя молекулярную плотность или площадь на молекулу. Это достигается путем помещения подфазы (обычно воды) в желоб, распределения заданного амфифила по поверхности и последующего сжатия поверхности барьерами (см. иллюстрацию). Влияние монослоя на поверхностное натяжение жидкости измеряется с помощью пластины Вильгельми, электронных зондов или других типов детекторов. Затем пленку LB можно перенести на твердую подложку, погружая подложку в монослой. Метод Лангмюра–Блоджетт также широко используется для приготовления липидных мембран и изучения взаимодействий с поверхностными молекулами. Клеточные мембраны сложны и содержат различные встроенные белки. Поэтому клеточная мембрана моделируется в модельных мембранах для изучения конкретной функции в упрощенной системе. Например, липидный монослой можно осадить на границе раздела воздух-вода, а белок ввести в воду. Изменение поверхностного давления может предоставить прямую информацию о кинетике адсорбции белков в мембрану. Помимо амфифильных материалов, LB-желоба в настоящее время часто используются для создания покрытий из наночастиц с контролируемой плотностью упаковки. Ненадежный источник: дата=апрель 2024

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

Материалы

В ранних экспериментах желоб первоначально изготавливался из металлов, таких как латунь. Однако возникли трудности, связанные с загрязнением подфазы ионами металлов. Для решения этой проблемы некоторое время использовались стеклянные желоба с восковым покрытием, чтобы предотвратить загрязнение из стеклянных пор. В конечном итоге от этого отказались в пользу пластиков, нерастворимых в обычных растворителях, таких как тефлон (политетрафторэтилен). Тефлон гидрофобен и химически инертен, что делает его высокоподходящим материалом и наиболее часто используемым для желобов в настоящее время. Иногда используются металлические или стеклянные желоба, покрытые тонким слоем тефлона; однако они не так долговечны, как цельные желоба из ПТФЭ. В случае экспериментов «жидкость-жидкость», когда сжатие выполняется на границе полярной жидкости, такой как вода, и дисперсной жидкости, такой как масло, желоб обычно изготавливается из ПОМ (полиоксиметилена). ПОМ более гидрофилен и способствует поддержанию стабильности межфазной границы жидкость-жидкость.

Приготовления из кормушек Langmuir/Blodgett

Любой тип поверхностного эксперимента требует максимальной чистоты и чистоты компонентов. Даже незначительные загрязнения могут существенно повлиять на результаты. Если используется водная подфаза, воду необходимо очистить от органических веществ и деионизировать до удельного сопротивления не менее 1,8 ГОм. Примеси в концентрации всего 1 ppm могут радикально изменить поведение монослоя. В 2006 году было показано, что прямой электронный туннелирование является механизмом переноса в самособирающихся монослоях алкантиолов. Лангмюировские желоба обладают уникальными преимуществами при осаждении наночастиц, что позволяет создавать высокотехнологичные покрытия с наночастицами. К этим преимуществам относится точный контроль плотности упаковки молекул и толщины осажденного слоя. Метод ЛБ также гибок в использовании различных геометрий подложек и различных материалов наночастиц. Кроме того, лангмюировский желоб может использоваться сам по себе в качестве экспериментальной установки для изучения межфазных свойств, таких как поверхностное натяжение различных жидкостей, а также поверхностное давление системы. Система также может служить инструментом наблюдения за взаимодействием лекарственных препаратов с липидами или за организацией липидов при изменении отношения числа частиц к площади. Лангмюировские желоба могут использоваться для экспериментов по изготовлению пленок Лангмюира-Блоджетт и характеризации пленок Лангмюира. ЛБ-пленки в настоящее время используются в качестве строительных блоков молекулярной электроники. Желоба могут быть использованы для создания пленок для изготовления наноэлектроники, такой как листы графена (Li et al., 2008) и ЖК-дисплеи (Russell Tanner, Takayama, Sugimura, DeSimone & Samulski, 2007). Кроме того, можно создавать пленки из биологических материалов (Yang et al., 2002) для улучшения адгезии клеток или изучения свойств биопленок. Примером применения лангмюировских желобов для характеризации пленок Лангмюира является анализ поверхностных свойств квантовых точек на границе раздела воздух-вода. Поверхность воды обладает чрезвычайно гладкой структурой, которую можно расширить до размеров емкости. Среднеквадратичное (RMS) отклонение шероховатости воды составляет 3,2 Å, измеренное методом рентгеновской отражательной способности. Эта особенность делает лангмюировские желоба подходящим кандидатом для синтеза и характеризации ковалентных монослойных пленок и даже 2D-полимеров.

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.