ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НАНО - И БИООБЪЕКТОВ
МЕТОДАМИ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
, ,
Саратовский государственный университет им.
e-mail: *****@***ru
Среди множества методов, позволяющих произвести визуализацию нанообъектов и измерение неоднородности распределения параметров вдоль поверхности материалов нано - и микроразмерных систем, наибольшее распространение получили электронная и сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Среди зондовых методов по частоте и разнообразию применений можно выделить атомно-силовую микроскопию (АСМ), туннельную (СТМ), и Кельвин-зондовую силовую микроскопию (КЗСМ). Данные методы наиболее часто используются для характеризации органических [1], в частности полимерных [2] и биологических [3] материалов. Также зондовые методы являются незаменимым инструментом для измерений при создании гибридных и биосенсорных структур на основе твердой полупроводниковой подложки и органических компонентов (ферментов, ДНК, бактерии и т. д.) [4-5]. Благодаря тому, что указанные органические нано- микрообъекты имеют эффективный заряд в растворе, то для создания таких структур часто используют метод послойной адсорбции заряженных слоев из раствора. Однако при таком методе получения слоев не всегда удается даже с помощью высокочувствительных зондовых методов определить качество нанесения того или иного последующего монослоя из-за существенной неоднородности предыдущего слоя, либо схожести их параметров.
Поэтому целью данной работы являлось повышение качества визуализации монослоя наноразмерных объектов, например, молекул фермента после их адсорбции из раствора на поверхность структуры Si/SiO2/полиэтиленимин.
В качестве фермента использовали глюкозооксидазу (GOx, тип X-S, Sigma Aldrich). Молекула данного фермента является димером, который состоит из двух одинаковых субъединиц с молекулярной массой 80 кДа, каждая из частей содержит одну молекулу флавинадениндинуклеотида (ФАД), которая является активным центром фермента. В широком диапазоне pH раствора молекула GOx имеет эффективный отрицательный заряд. Размер молекулы: 6,0×5,2×7,7 нм3. Для иммобилизации GOx на поверхности монокристаллического кремния использовали буферный слой катионного полиэлектролита полиэтиленимина (ПЭИ).
Рельеф поверхности полученных структур измерялся методом АСМ в полуконтактном режиме при помощи зондовой станции NTEGRA Spectra. Измерения проводились по двухпроходной методике: на 1-ом проходе записывался рельеф поверхности в полуконтактном режиме, а на 2-ом - этот рельеф отслеживался при прохождении над образцом на постоянной высоте 10 нм (при этом амплитуда колебания зонда должна быть значительно меньше) для определения поверхностного электрического потенциала методом зонда Кельвина. Для измерений использовался кремниевый кантилевер NSG11/Pt длиной 130 мкм с платиновым напылением. Анализ АСМ-изображений производился при помощи программы Gwyddion 2.40.
Для того, чтобы на АСМ-изображении можно было увидеть столь не большие по размеру молекулы GOx, шероховатость буферного слоя ПЭИ должна быть существенно ниже размера GOx. Как было показано нами ранее в [5, 6], шероховатость слоя ПЭИ можно снизить на 30-50%, если в процессе адсорбции ПЭИ освещать полупроводниковую подложку со стороны раствора светом с длинами волн из области собственного поглощения кремния.
Помимо АСМ метода, эффективно использование КЗСМ, т. к. изменение поверхностного потенциала будет коррелировать со знаком заряда адсорбируемых молекул (ПЭИ — катионный полиэлектролит и при его нанесении потенциал увеличивается, GOx имеет отрицательный заряд в водном растворе и после её нанесения потенциал уменьшится).
Результаты показаны на рис.1.
Рис. 1. Рельеф поверхности для «чистого» Si после перекисно-аммиачной обработки (а), после нанесения слоя ПЭИ в темноте (б) и при фотостимулированной адсорбции (в). Рельеф поверхности (г и д, соответственно) и поверхностный потенциал (е и ж) для фотостимулированного нанесения GOx поверх «темнового» (г, е) и «светового» (д, ж) слоя ПЭИ
При нанесении ПЭИ на гладкую поверхность кремния в темноте, шероховатость увеличивается на 40% (при этом высота неровностей достигает 4,7 нм), а при фотостимулированной адсорбции только на 10%, причем максимальная высота неровностей поверхности полимерного слоя снижается до 1,75 нм. При нанесении GOx на чистую обработанную пластину кремния существенных изменений морфологии и поверхностного потенциала не наблюдается, несмотря на значительные размеры GOx по сравнению с шероховатостью «чистого» кремния. Это означает малое количество молекул GOx, иммобилизованных на поверхности Si/SiO2 без буферного слоя ПЭИ.
Изменения поверхностного потенциала коррелируют с типом адсорбируемых полиэлектролитов. При нанесении ПЭИ потенциал поверхности увеличивается, а при нанесении отрицательно заряженных молекул GOx потенциал поверхности уменьшается. Но в случае использования более шероховатого буферного слоя ПЭИ, ни по АСМ, ни по КЗСМ-изображениям не возможно визуально распознать скопления молекул GOx (рис.1 г, е). А в случае менее шероховатой поверхности ПЭИ: на АСМ-изображении видны скопления высотой до 7,3 нм, что коррелирует с размерами GOx (рис.1д); также на КЗСМ-изображениях наблюдается значительный контраст (рис.1ж), которого нет на рис.1е.
Таким образом, используя фотостимулированную адсорбцию молекул буферного полиэлектролитного слоя можно добиться визуального определения эффективности иммобилизации нанообъектов, не углубляясь в статистические методы анализа.
Библиографический список
1. Domanski A. L., Sengupta E., Bley K., Untch M. B., Weber S., Landfester K., Weiss C. K., Butt H. J., Berger R. Kelvin probe force microscopy in nonpolar liquids // Langmuir. 2012. V. 28. P. 13892−13899.
2. Yenice Z., Karg M., Klitzing R. Ordering of polystyrene nanoparticles on substrates pre-coated with different polyelectrolyte architectures // Int. J. Mol. Sci. 2013. V. 14. P. 12893-12913.
3. Ong Y.-L. Razatos A., Geogiou G., Sharma M. M. Adhesion forces between E. coli and biomaterial surfaces // Langmuir. 1999. V. 15. P. 2719-2725.
4. , , О. Ф., Светоиндуцированная нековалентная фиксация днк и синтетических полиионов на поверхности монокристаллов кремния // Журнал структурной химии. 2009. Т. 50 (5). С. 999-1006.
5. Malyar I. V., Gorin D. A., Santer S., Stetsyura S. V. Photocontrolled Adsorption of Polyelectrolyte Molecules on a Silicon Substrate // Langmuir. 2013. V. 29(52). P. 16058–16065.
6. , Santer S., Влияние освещения на параметры полимерного покрытия, осаждаемого из раствора на полупроводниковую подложку // ПЖТФ. 2013. Т. 39(14). С. 69-76.
Сведения об авторах
– аспирант 1 курса кафедры материаловедения, технологии и управления качеством СГУ им. ,
– к. т.н., доцент кафедры материаловедения, технологии и управления качеством СГУ ,
– к. ф.-м. н, доцент кафедры материаловедения, технологии и управления качеством СГУ им. ,
Вид доклада устный/стендовый
