способ модификации гидрофобных поверхностей

Формула изобретения

1. Способ модифицирования гидрофобной поверхности, включающий нанесение на поверхность модифицирующего монослоя молекул сложного состава, содержащих функциональную группу, участок, образующий водородные связи, и гидрофобный участок, при этом в качестве функциональной группы молекула содержит, по меньшей мере, одну группу, выбранную из ряда NH₂, СООН, СНО, ONH₂, SH, в качестве участка, образующего водородные связи, молекула содержит фрагменты -NH(CH ₂)_nCO-, где n=1-5, а в качестве гидрофобного участка молекула содержит фрагмент -(СН₂ )_n-, где n=5-12, или такой же фрагмент с одной или несколькими вставками гетероатомов, выбранных из ряда О, S, NH.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наносят монослой молекул, характеризующихся формулой [Gly ₄-NHCH₂]₂C ₁₀H₂₀, где Gly - глициновые остатки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам модифицирования гидрофобных поверхностей, в частности модифицирования поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), и может найти применение в сканирующей зондовой микроскопии, в иммуноферментном анализе, в создании биочипов, а также для придания гидрофобным поверхностям других поверхностных свойств.

Известен способ модифицирования гидрофобной поверхности, раскрытый в статье:

"Manipulation and Overstretching of Genes on Solid Substrates" Nikolai Severin, Jolrg Barner, Alexey A.Kalachev, and Julrgen P.Rabe, NANO LETTERS, 2004, Vol.4, No. 4, 577-579.

Авторы модифицировали поверхность ВОПГ путем нанесения монослоя октодециламина и додециламина из хлороформа или бензола при помощи спинера.

К недостаткам способа относится то, что наносимый монослой содержит водонерастворимые молекулы, между которыми существует только гидрофобное взаимодействие, соответственно, модифицированная поверхность проявляет гидрофобные свойства. Для нанесения монослоя октодециламина и додециламина на поверхность требуется специальное устройство - спинер. Кроме того, алкилы на поверхности образуют ламели, что свидетельствует о неоднородности монослоя.

Наиболее близким к предложенному является способ модифицирования гидрофобных поверхностей путем нанесения на поверхность монослоя полимерных молекул, содержащих гидрофильные боковые цепочки и гидрофобные боковые цепочки (US 6759388, опуб. 06.07.2004). Полимер является смесью молекул различной молекулярной массы, причем весьма большой. Во-первых, это не позволяет получить поверхность с высокой гладкостью, т.к. в известном способе шероховатость модифицированной поверхности составляет 7-12 Ангстрем (в заявленном способе - 1-2 Ангстрема). Во-вторых, непостоянство молекулярного состава полимера не позволяет получить идентичные поверхности в одинаковых условиях. Кроме того, время модификации молекулами полимера велико - часы (в заявленном способе - минуты).

Техническим результатом заявленного способа является обеспечение высокой гладкости поверхности, воспроизводимости свойств модифицированных поверхностей и сокращение времени модифицирования.

Технический результат достигается способом модифицирования гидрофобной поверхности, включающим нанесение на поверхность модифицирующего монослоя, в соответствии с которым наносят монослой молекул сложного состава, содержащих функциональную группу, участок, образующий водородные связи, и гидрофобный участок, при этом:

в качестве функциональной группы молекула содержит, по меньшей мере, одну группу, выбранную из NH₂, СООН, СНО, ONH₂, SH, в качестве участка, образующего водородные связи - фрагменты -NH(CH₂) _nCO-, где п=1-5, а в качестве гидрофобного участка молекула содержит фрагмент -(CH₂) _n- или фрагмент -(CF₂) _n-, где п=5-12, или такой же фрагмент с одной или несколькими вставками гетероатомов, таких как О, S, NH.

В наилучшем воплощении изобретения наносят монослой молекул, характеризующихся формулой [Gly₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₁₀, где Gly - глициновые остатки.

В частном воплощении изобретения монослой наносят на поверхность высокоориентированного пиролитического графита.

Суть предложенного способа - использование молекул индивидуального вещества, имеющих в составе гидрофобную часть и гидрофильную часть, несущую требуемую функциональную группу (NH₂, СООН, и т.д.) и одновременно имеющую участок (часть), способный образовывать межмолекулярные водородные связи.

Гидрофобная часть молекулы обеспечивает взаимодействие с гидрофобной поверхностью, а часть молекулы, способная образовывать межмолекулярные водородные связи, обеспечивает взаимодействие между соседними молекулами. Таким образом, на гидрофобной поверхности образуется мономолекулярная пленка, в которой каждая молекула взаимодействует с соседними в монослое молекулами (через образование водородных связей) и с гидрофобной поверхностью (посредством гидрофобного взаимодействия), причем ориентация молекул в слое (в пленке) строго определена этими взаимодействиями, так что функциональная группа экспонирована в противоположном от поверхности направлении и доступна для дальнейшего использования.

Далее изобретение описывается примерами со ссылками на фиг.1-3.

Фиг.1. Формула молекулы, соответствующая одному из предлагаемых составов молекул.

Фиг.2. Изображение поверхности ВОПГ после модификации предлагаемым способом, полученное при помощи атомно-силового микроскопа (АСМ).

Фиг.3. Изображение молекул ДНК, адсорбированных на поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), модифицированного предлагаемым методом, полученное при помощи АСМ.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Для модификации поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) использовали молекулы: [Gly ₄-NHCH₂]₂C ₁₀H₂₀ (фиг.1), где 1 - аминогруппа, 2-4 глициновых остатка, 3 - углеводородная цепочка С ₁₀Н₂₀.

Такая молекула в водном растворе складывается пополам и образует молекулу с предлагаемой в данном патенте структурой:

- функциональная часть (две аминогруппы);

- полиглициновый участок (4×2 глициновых остатка), способный образовывать межмолекулярные водородные связи;

- гидрофобный участок (углеводородная цепочка С ₁₀Н₂₀).

Пример конкретного выполнения.

На свежий скол ВОПГ наносили каплю раствора [Gly₄-NHCH₂] ₂С₁₀Н₂₀, растворенного в воде, объемом 50 мкл и концентрацией 0,01 мг/мл. Выдерживали 5-10 минут и удаляли струей азота или сжатого воздуха.

После такой процедуры поверхность графита оказывается полностью покрытой монослоем [Gly₄-NHCH ₂]₂C₁₀H ₂₀.

После инкубирования свежесколотого ВОПГ в 0,01 мг/мл водном растворе этого вещества на поверхности ВОПГ образуется почти бездефектный монослой из таких молекул (фиг.2). На АСМ-изображении виден слой, образованный этими молекулами, видны также небольшие дефекты в монослое, но их количество незначительно. Средняя шероховатость поверхности после нанесения монослоя [Gly₄ -NHCH₂]₂С ₁₀Н₂₀ составляет около 0,2 нм, до модификации, в то время как до модификации поверхность свежесколотого ВОПГ имеет шероховатость менее 0,05 нм, что свидетельствует об образовании монослоя. Меняется также смачиваемость поверхности - после модификации она становится более гидрофильной, что видно по растеканию капли воды, нанесенной на модифицированный ВОПГ. До модификации поверхность свежесколотого ВОПГ полностью несмачиваема водой. Шероховатость поверхности менее 0,2 нм, видны атомарные ступеньки на кристалле ВОПГ.

Активность поверхности после модификации проверялась путем осаждения на нее молекул ДНК. Известно, что молекулы ДНК не адсорбируются на поверхности ВОПГ в силу ее гидрофобности и инертности. Однако после модификации предлагаемым методом поверхность ВОПГ приобретает положительный заряд и молекулы ДНК, имеющие отрицательный заряд в воде, связываются с ней (фиг.3).

Для реализации предложенного изобретения аналогичным образом использовались также следующие вещества:

[SH-[NH-CH ₂-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀

[COOH-[NH-CH₂-CO] ₄-NHCH₂]₂C ₁₀H₂₀

[CHO-[NH-CH ₂-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀

[ONH₂-[NH-CH ₂-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀

[H-[NH-C₂H ₄-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀

[H-[NH-C₃H ₆-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀

[H-[NH-C₄H ₈-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀

[H-[NH-C₅H ₁₀-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀

[H-[NH-C₂H ₄-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀S

[H-[NH-C₂H ₄-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀NH

[H-[NH-C₂H ₄-CO]₄-NHCH₂ ]₂C₁₀H ₂₀O

Использование всех указанных модифицирующих веществ позволяет получить указанный ранее технический результат, поскольку все они являются индивидуальными веществами (олигомерами), монослой которых обеспечивает гладкую и ровную поверхность (1-2 Ангстрема) и идентичность образцов, полученных с одним и тем же веществом в одинаковых условиях. Время модификации для всех указанных веществ составляет несколько минут.

Аналогичным образом модифицировалась поверхность слюды, которая была предварительно гидрофобизована при помощи триметилхлорсилана.

Процедура гидрофобизации слюды:

Свежесколотая пластина слюды выдерживалась в парах триметилхлорсилан в течение 15-20 минут, затем нагревалась в атмосфере аргона до 100°С и выдерживалась в этих условиях в течение 10 минут. После такой процедуры поверхность слюды становилась несмачиваемой водой, т.е. гидрофобной. Процедура модификации гидрофобной поверхности слюды была полностью аналогична процедуре модификации графита. Отличием являлась слегка повышенная шероховатость поверхности - 0.2-0.4 нм. По способности адсорбировать молекулы ДНК данная поверхность совпадала с поверхностью ВОПГ.

Таким же образом можно модифицировать поверхность кремния и оксида кремния. Процедура точно такая же, как и для слюды, предварительная гидрофобизация триметилхлорсиланом. Это может иметь интерес для микроэлектроники, т.к. все технологии используют кремний или оксид кремния (кварц).

Так же можно модифицировать поверхность углеродных нанотрубок, так как она близка к поверхности ВОПГ.

Применение водорастворимого препарата в отличие от растворов в бензоле или хлороформе более экологически безвредно и не требует специальных условий (вытяжной вентиляции, например).

Дополнительное взаимодействие между молекулами при помощи водородных связей делает покрытие более прочным. Так, при сканировании при помощи АСМ молекулы ДНК не сдвигаются зондом, а в приведенном аналоге они могут сдвигаться.

Модификация достигается простым погружением или смачиванием образца в растворе и не требует дополнительного оборудования - спинера или центрифуги.

Модифицирование поверхности с применением водорастворимых молекул приводит к образованию на поверхности самоорганизованного монослоя без образования ламелей, причем функциональные группы в монослое ориентированы от поверхности вверх к раствору. Модифицированная поверхность не вносит дополнительных искажений в форму наблюдаемых молекул ДНК.

Смачиваемость или частичная смачиваемость позволяет существенно расширить границы использования данных подложек, например можно наносить другие биомолекулы или вирусные частицы, которые не могут быть нанесены на гидрофобную поверхность.

Изобретение не ограничивается приведенным примером, а также может быть использовано в следующих областях:

1. Модифицирование поверхности ВОПГ для использования в качестве подложки при наблюдении биополимеров и др. биообъектов методом сканирующей зондовой микроскопии.

2. Модифицирование поверхности пластика и стекла для адсорбции клеток или антител, для применения в иммуноферментном анализе.

3. При использовании специальных функциональных групп, способных к специфическому связыванию, для создания биочипов. Т.е. из раствора на такую поверхность будут осаждаться только те биообъекты, которые имеют сродство к этим функциональным группам.

4. Покрытие поверхности имплантантов для лучшей биосовместимости.

5. Для придания гидрофобным поверхностям других поверхностных свойств - повышения сорбционной способности или повышения смачиваемости. Например, в текстильной промышленности, для лучшего окрашивания красителями шерстяных или других тканей.