Атомно-силовая микроскопия углеродных наноструктур, биомакромолекул и их комплексов

• Автор: Образцова, Екатерина Александровна
• Шифр специальности: 01.04.07, 02.00.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Оглавление
Введение

Литературный обзор

1.1 Углеродные наноструктуры

1.1.1 Углеродные нанотрубки

1.1.2 Графен и графит

1.2 биологические макромолекулы

1.2.1 Нуклеиновые кислоты

1.2.2 Белки

1.2.3 Вирусы

1.2.4 Биополимеры бактериальных клеток

1.3 Действие углеродных нанотрубок на биологические объекты
1.4 Методы исследования наноструктур
1.4.1 Атомносиловая микроскопия
1.4.2 Комбинационное рассеяние света
2. Экспериментальные методики и материалы
2.1 АСМ оборудование и обработка данных
2.2 Оборудование для регистрации спектров КРС
2.3 Углеродные нанотрубки и графитные наноматериалы
2.4 Биологические объекты
3. Исследование общих закономерностей и особенностей физических свойств наноструктурированных углеродных материалов
3.1 Спектроскопия комбинационного рассеяния в одностенных углеродных нанотрубках
3.2 Спектроскопия комбинационного рассеяния в массивных образцах графита и тонких графитовых пленках
3.3 Разработка метода получения графена на различных подложках
3.4 Определение числа атомных слоев в графеновых кластерах с использованием статистического анализа АСМ изображений
3.5 Резонансное КРС в графеновых кластерах с различным числом слоев. Механизм двойного резонанса. Определение числа слоев в кластерах графена из совместного анализа данных АСМ и КРС
4. Изучение биологических микро и нанообъектов методом АСМ
4.1 Исследование стабильности флуоресцентных белков
4.2 АСМ исследование бактериального флуоресцентного сенсора
4.3 Изучение нитевидных РНКсодержащих растительных вирусов с помощью АСМ
4.4 Анализ стабильности вирусных частиц при образовании комплексов вирусбелок
5. Влияние одностенных углеродных нанотрубок на биологические объекты
5.1 Изучение комплексов одиночных углеродных нанотрубок и молекул ДНК методами АСМ и КРС
5.2 Анализ влияния углеродных нанотрубок на частицы нитевидных РНКсодержащих растительных вирусов
5.3 Изучение процесса взаимодействия углеродных нанозрубок с живыми бактериальными клетками.
Основные результаты
Библиография


Интерпретация экспериментальных результатов была проведена на основе известных теоретических подходов и новых моделей, разработанных в результате сотрудничества с другими лабораториями в рамках работы по теме диссертации. Для характеризации биологических макромолекул и частиц до и после взаимодействия с углеродными структурами в большинстве случаев был использован метод атомносиловой микроскопии. Оказывая минимальное внешнее, воздействие этот метод позволяет исследовать структуру, размеры и форму объектов, которые в данном случае завися т от внешних воздействий. Кроме этого, были использованы такие методы, как флуоресцентная спектроскопия, оценка способнос ти бактерий к делению и дыханию. Для оценки полученных результатов использовали известные характерис тики для биологических объектов. Углерод является уникальным элементом. Электронная конфигурация атома углерода обуславливает формирование нескольких различных кристаллических модификаций этого элемента в конденсированном состоянии. В атоме углерода содержится 4 валентных электрона, располагающихся на 2я и 2р орбиталях. Одна 2я и две или три
2р орбитали могут образовать соответственно Бр или Бр гибриды. Три гибридизованные орбитали в эр2 гибридизации образуют сильные связи, расположенные под углом 0, и слабые связи, образованные за счет частичного перекрытия соседних оставшихся негибридизованными рорбиталей. Долгие годы считалось, что углерод может образовывать в конденсированном состоянии лишь эти две кристаллические формы алмаз и графит. Однако в последние десятилетия были открыты новые формы углерода. В году были впервые обнаружены молекулы С6о и С 1, существование которых было предсказано еще в начале х годов 2, 3. Таким образом, полученная молекула представляет собой фигуру, напоминающую футбольный мяч и состоящую из правильных шестиугольников и правильных пятиугольников, в вершинах которой расположены атомы углерода. Происхождение термина фуллереп связано с именем американского архитектора Б. Фуллера, который применял похожие структуры при конструировании куполообразных зданий. В процессе синтеза фуллеренов образуются также и другие структуры, составленные, как и в случае графита, из шестичленных колец углерода. Одной из таких структур, привлекших значительное внимание ученых благодаря своим уникальным электронным, механическим, оптическим и проводящим свойствам являются углеродные нанотрубки. Многостенные углеродные нанотрубки были обнаружены в году 4. Вскоре после этого была зарегистрирована также их однослойная форма 5, 6. До недавнего времени единственной не реализованной экспериментально оставалась двумерная форма углерода графен, представляющий собой двумерную моноатомную гексагональную сетку углерода. При исследовании сажи, получающейся как побочный продукт при синтезе фуллеренов, в году японский ученый Сумио Иджима обнаружил многостенные углеродные нанотрубки 4. Однако, и до этого времени в некоторых работах сообщалось о наблюдении волокнистых углеродных структур 7 Открытие Иджимы инициировало целый ряд теоретических исследований, предсказавших возможность синтеза не только многостенных, но и одностенных углеродных нанотрубок ОУН. Экспериментально ОУН были обнаружены тем же Иджимой в году 6. Целенаправленный синтез одностенных нанотрубок был впервые произведен в году в группе Смолли методом каталитического лазерного испарения графита, где в качестве катализатора была использована смесь Со . К настоящему моменту развито более различных методов синтеза ОУН электродуговой синтез И, лазерное испарение композитных графитовых мишеней с внедренными катализаторами 8, , , каталитический пиролиз углеродсодержащих газов и др. Углеродные нанотрубки являются квазиодномерными кристаллами, имеющими цилиндрическую структуру, сформированную одной или несколькими полосами искривленных графитовых плоскостей Рис. Обычно они имеют диаметр порядка 0. Таким образом, эти структуры можно рассматривать как бесконечно длинные вдоль оси цилиндры, в каждом поперечном сечении которых
б
Рис. Схематическое изображение одностенных углеродных нанотрубок различного тина а нанотрубка типа кресло, б нанотрубка типа зигзаг.