Карельский Государственный Педагогический Университет

Вид материала

Содержание

Водородный показатель
Вывод значения pH
Некоторые значения pHВеществ Роль pH
Определение значения pH
Белки (Слайд) теперь рассмотрим сенсор белка, но снача разберем, сто же такое белок
Общие сведения о биологической функции белков
Функции белка
Сенсор белка
Si -НП (слева) и присоединенный к Si
Вирус гриппа
Дезоксирибонуклеиновая кислота
Химический состав
Репликация ДНК
Существуют несколько форм двойной спирали ДНК.
Сенсор ДНК

Подобный материал:

Карельский Государственный Педагогический Университет

Наносенсоры

Выполнил: Шлямин Ю.

(2006 г.)

Простой метод синтеза кремниевых нанотрубок

последние несколько лет растет интерес к получению и исследованию физико-химических свойств кремниевых нанотрубок, возможность получения которых длительное время подвергалась сомнению. Многолетние усилия экспериментаторов, подкрепленные теоретическими расчетами, увенчались успехом: за первыми работами, сообщающими о синтезе Si нанотрубок, последовали эксперименты с детальными подробностями о структуре этих объектов и об их поведении в различных условиях. Одна из работ подобного рода выполнена группой китайских исследователей (Nanjing Univ., City Univ. Hong Kong, Southwest Jiaotong Univ.), которые разработали простой и быстрый метод получения Si нанотрубок [1].

Тщательно очищенную пластину кремния, легированного бором, в течение 10 мин. травили разбавленной плавиковой кислотой HF, а затем в течение 60 мин. при температуре 50^оС дополнительно травили раствором плавиковой кислоты (5моль/л), содержащим 0.02моль/л азотнокислого серебра, промывали деионизованной водой и просушивали на воздухе. После удаления толстой серебряной пленки, образовавшейся на поверхности пластины, поверхность исследовали с помощью СЭМ и рентгеновского фотоэлектронного спектрометра. Оказалось, что на поверхности пластины образовались однородно распределенные и ориентированные перпендикулярно ее плоскости нанопрововолочки длиной ~20мкм и диаметром в диапазоне 30 – 200нм. Все проволочки заканчиваются чашеобразной головкой. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопии показывает, что основным материалом нанопроволочек является кремний, в то время как основным материалом чашеобразных головок - серебро. Наблюдения, выполненные с помощью электронного микроскопа на различных стадиях роста нанопроволочек, показывают, что на первой стадии роста образуются кремниевые нанотрубки, которые по мере роста преобразуются в проволочки.

Среди различных подходов к синтезу Si нанотрубок эффективным оказался гидротермальный метод, примененный китайскими исследователями из Hunan University [2]. В качестве исходного материала при синтезе использовали суспензию мелкодисперсного монооксида кремния SiO (средний размер частиц 73мкм, плотность 2.1г/см³) в деионизованной воде, которую вводили в реактор, нагреваемый до температуры 470^оС. Для перемешивания суспензии реактор вращался в течение часа. Образовавшуюся суспензию исследовали в просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения и обнаружили, что она состоит из многослойных Si нанотрубок с внешним диаметром ~18нм, диаметром внутреннего канала ~3.5 нм и расстоянием между стенками соседних нанотрубок 0.31нм. Самые тонкие из наблюдавшихся Si нанотрубок имели диаметр 8нм и диаметр внутренней полости ~2нм. Большинство нанотрубок заканчивается полукруглой чашечкой. На вид кремниевые нанотрубки аналогичны углеродным. Нанотрубки имеют шероховатую поверхность, покрытую слоем аморфного оксида кремния толщиной 2 – 3нм.

перед тем как начать рассказывать о pH – сенсорах, вспомним, что такое pH

Водородный показатель

Водоро́дный показа́тель, pH , — это мера активности ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов выраженной в ссылка скрыта на литр:

История

Это понятие было введено в 1909 году датским химиком ссылка скрыта. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода, или pondus hydrogenii — вес водорода. Вообще в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную -lgX, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода (H⁺), или, точнее, термодинамическую активность ссылка скрыта — ионов.

Вывод значения pH

В чистой воде при 22 °C концентрации ионов водорода ([H⁺]) и гидроксид-ионов ([OH^-]) одинаковы и составляют 10^-7 моль/л, это напрямую следует из определения ионного произведения воды, которое равно [H⁺] · [OH^-] и составляет 10⁻¹⁴ моль²/л² (при 25 °C).

Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. Когда [H⁺] > [OH^-] говорят, что раствор является кислым, а при [OH^-] > [H⁺] — щелочным.

Некоторые значения pHВеществ

Роль pH

Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто завистит от pH среды. Для поддержания определённого значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований или на производстве применяют ссылка скрыта, которые позволяют сохранять практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении в раствор небольших количеств кислоты или щёлочи.

Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред.

Кислостность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность ссылка скрыта и ссылка скрыта, поэтому для нормального функционирования организма поддержание ссылка скрыта является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию ссылка скрыта.

Определение значения pH

Для определения значения pH растворов широко используют несколько методик. Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять pH-метром или определять аналитически путём.

Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются ссылка скрыта — сложные органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды.

Использование специального прибора — ссылка скрыта — позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ссылка скрыта гальванической цепи, включающей специальный ссылка скрыта, потенциал которого зависит от концентрации ионов H⁺ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.

Аналитический объёмный метод —также даёт точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакции. Точка эквивалентности — момент, когда титранта точно хватает чтобы полностью завершить реакцию, — фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объём добавленного раствора титранта, вычисляется кислотность раствора.

pH - сенсоры

Идея полупроводникового нанопроволочного (НП) сенсора [1] очень проста – сопротивление цилиндрика из полупроводника (например, p - Si , Ø= 10-50нм) чрезвычайно сильно зависит от того, сколько и каких заряженных частиц осело на поверхность плёнки SiO_x , неизбежно формируемой на кремниевой нанопроволоке на воздухе. Химики уже давно научились таким образом «очувствлять» поверхность SiO₂, что после обработки на неё адсорбируется только то, что нужно, а что не нужно – не прилипает. К примеру, простейший (и важнейший!) сенсор – это тот, который реагирует на рН (водородный показатель) среды. Известно, что у чистой воды рН=7, а у «нечистой» рН Характер нечистот (кислоты или основания) и даже их количество можно определить по отклонению рН от семёрки.

Так вот, если поверхность Si -НП (с двумя омическими контактами по краям) покрыть 3-аминопропил-этоксисиланом (АПТЭС), то сверхминиатюрный рН - датчик готов (см. рис.1). Дело в том, что 3-аминопропил-этоксисиланом (АПТЭС) покрывает поверхность SiO₂плёнкой толщиной всего в один монослой (так называемый самоорганизованный монослой) с торчащими наружу группами NH₂. В зависимости от кислотности среды эти группы могут или отдавать один протон или, наоборот, присоединять его из раствора, т.е. заряжаться, что незамедлительно сказывается на кондактансе ( I/U ) Si -НП. Причём на каждое изменение рН среды Si -НП скачком меняет своё сопротивление.

Белки (Слайд) теперь рассмотрим сенсор белка, но снача разберем, сто же такое белок

Белки́ — сложные высокомолекулярные природные органические вещества, построенные из аминокислот, соединённых пептидными связями. Последовательность аминокислот в белке определена геном и зашифрована в генетическом коде. Хотя это генетическое кодирование определяет 20 "стандартных" аминокислот, расположение их в белке (протеине) дает возможность создания бесчисленного количества разных протеинов. Белки могут работать совместно, для того чтобы достигнуть определенной функции, и они часто связываются для того чтобы сформировать стабилизированный комплекс.

Общие сведения о биологической функции белков

Так как и другие биологические макромолекулы (полисахариды, липиды) и нуклеиновые кислоты, белки - необходимые компоненты всех живых организмов, и участвуют в каждом внутреннем процессе клетки. Много белков катализируют биохимические реакции и существуют для поддержки метаболизма. Другие белки имеют структурно-механические функции, пример: белок в ссылка скрыта, который формирует систему поддержки формы клетки. Белки также важны в сигнализировании клеток, иммунных реакциях, прилипании клетки, и цикле клеточных процессов. Они являются обязательными компонентами в питании человека и животных, так как все необходимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме, и должны поступать из еды. Через процесс пищеварения животные разлагают поглощенные белки при помощи ферментов на свободные аминокислоты, которые потом можно использовать для синтезирования нужных протеинов. Названние «протеин» (синоним «белку»)происходит от греческого πρώτα; ("прота"), то есть - "главным образом важности". Изначально белки были описаны и приобрели название только в 1838 году. Однако их центральная роль в организмах не была признана до 1926 года.

Структура Белков - Примеры изображения трёхмерной структуры биологической еденицы белка. Слева на слайде изображена "палочковая" модель, с изображением всех атомов и связей между ними. Цветами показаны элементы. Внизу изображены структурные мотивы, α-спирали и β-листы. Справа изображены атомы в соответсвии с их Ван-Дер-Ваальсовыми радиусами.

Функции белка

Белки осуществляют ссылка скрыта и энергетические превращения. Белки входят в состав клеточных структур — ссылка скрыта или секретируются во внеклеточное пространство.

Структурная функция

Структурные белки, такие как ссылка скрыта и ссылка скрыта обеспечивают фиброзную основу соединительных тканей у ссылка скрыта. Белки входят в состав клеточных ссылка скрыта. Также белки формируют ссылка скрыта, обеспечивающий поддержание формы клетки и участвующий во внутриклеточном транспорте.

Каталитическая функция

ссылка скрыта (ссылка скрыта), которые служат ссылка скрыта химических реакций в организме. Пример — ссылка скрыта, расщепляющий белки в процессе пищеварения.

Защитная функция

Белки, составляющие имунную систему, защищают организм от ссылка скрыта, путем генерации имунного ответа. Пример — ссылка скрыта.

Регуляторная функция

Полипептидные (белковые) ссылка скрыта и ссылка скрыта. Примеры — ссылка скрыта, который регулирует концентрацию ссылка скрыта в ссылка скрыта и ссылка скрыта, который передает сигналы воспаления.

Транспортная функция

Транспортные белки, такие как ссылка скрыта, который переносит ссылка скрыта из легких к остальным тканям и ссылка скрыта от тканей к легким.

Энергетическая функция

Как запасной источник ссылка скрыта.

Моторная и сократительные функции

Целый класс ссылка скрыта, участвует в сокращении мышц (ссылка скрыта), активном и направленном внутриклеточном транспорте (ссылка скрыта, ссылка скрыта).

Сенсор белка

Если нужно детектировать конкретный белок (например, стрептовидин), то поверхность Si -НП следует покрыть бычьим альбумином, меченным биотинамидокапроилом, который является селективным рецептором для стрептовидина. А дальше всё по той же схеме. Присевший на функционализированную поверхность SiO₂ стрептовидин меняет заряд на этой поверхности, а значит и кондактанс нанопроволоки. Поэтому для определения этого конкретного протеина достаточно иметь батарейку, вольтметр и амперметр (конечно, если у вас уже есть функционализированная Si -НП с двумя омическими контактами).

Слайд. Нанонопроволчный сенсор для белков: а) наглядная схема – модифицированная Si -НП (слева) и присоединенный к Si-НП стрептовидин (справа); b) изменение кондактанса при адсобции 250 нМ стрептовидина на функционализированную SiO_x -оболочку Si-НП из n -фемтомолярного раствора (n>10) протеина; с) немодифицированная Si-НП: нет протеина – нет и реакции.
d) при пропускании над сенсором буферного раствора; e ) при адсорбции 25 нМ стрептовидина ( n =10).

Вирус гриппа

так же существуют сенсоры вирусов. Один из таких сенсоров представлен на слайде. Он детектирует вирус гриппа, заметим, что Si -НП наносенсор даёт вполне измеримый сигнал даже, если на него попал всего один вирус «А»

Схема детектирования одиночного вируса. Показаны два нанопроволочных прибора (1 и 2), модифицированные различными рецепторами. Дальняя (красная) НП «очувствлена» для захвата вируса «гриппа А», а ближняя (синяя)– нет. Графики справа показывают, как Si-НП реагируют на адсорбцию и десорбцию одиночного вируса.

А теперь представьте, что в вашем распоряжении имеется 10ⁿнанопроволок, и каждая из них настроена на какого-то своего возбудителя заболевания. Поскольку речь идёт о нанопроволоках, то 10³-10⁴ их разместятся (вместе с контактами, которые, на самом деле и занимают наибольшую площадь) на размере спичечной головки. Далее на мультинанопроволочный сенсор помещается капля крови (или пота, или слюны, или мочи) и через секунду компьютер бесстрастно расскажет о попавших в организм возмутителях спокойствия. И это – не мечта, а вполне обозримое будущее полупроводниковой нанопроволочной сенсорики.

Стоит ли теперь удивляться, что по прогнозам к 2010 году рынок нанотехнологических изделий только для биомедицинских применений составит 3.4 млрд. долл.? Скорее всего, действительность превзойдёт все самые смелые прогнозы. гриппа. Идейная сторона процесса детектирования отдельных вирусов показана на рис.

ну а теперь разберем Сенсор ДНК, но для начала вспомним, что представляет собой ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — биополимер, содержащийся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах. Является носителем ссылка скрыта и наследственных признаков.

Химический состав

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) представляет собой полимерный остов, состоящий из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы, к которому прикреплены азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин). ДНК заряжена отрицательно, так как фосфат в её составе несёт отрицательный заряд.

ДНК является последовательностью ссылка скрыта, каждый из которых содержит одно из четырёх азотистых оснований — ссылка скрыта (G), ссылка скрыта (A) (ссылка скрыта), ссылка скрыта (T) и ссылка скрыта (C) (ссылка скрыта), связанное с дезоксирибозой, к последней, в свою очередь, присоединена фосфатная группа. Соседние нуклеотиды в цепи соединены между собой фосфодиэфирной связью, образованной 3'-гидроксильной (3'-ОН) и 5'-фосфатной группами (5'-РО₃). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК.

Функции

ДНК является носителем ссылка скрыта, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью ссылка скрыта. Генетическая информация ссылка скрыта при экспрессии ссылка скрыта в процессах ссылка скрыта и ссылка скрыта. Передача генетической информации следующему поколению происходит в результате ссылка скрыта.

Локализация

Большинство природных ДНК имеет двухцепочечную структуру, линейную (ссылка скрыта и некоторые ссылка скрыта) или кольцевую (ссылка скрыта, ссылка скрыта и ссылка скрыта). Линейную одноцепочечную ДНК содержат некоторые ссылка скрыта и ссылка скрыта. В клетках эукариот ДНК располагается главным образом в ядре в виде набора ссылка скрыта. Помимо ядра ДНК входит в состав митоходрий и хлоропластов растений, обеспечивая автономный синтез белков в этих ссылка скрыта. Бактериальная (прокариоты) ДНК представлена одной кольцевой молекулой ДНК.

Изменение последовательности ссылка скрыта в ДНК (ссылка скрыта) может приводить к генетическим нарушениям в организме.

Структура двойной спирали ДНК была открыта ссылка скрыта и ссылка скрыта в 1953 году. Работа впоследствии была отмечена ссылка скрыта.

Формы двойной спирали ДНК

Репликация ДНК

Молекула ДНК, состоящая из двух спиралей, удваивается при делении клетки. Удвоение ДНК основано на том, что при расплетении нитей к каждой нити можно достроить комплементарную копию, таким образом получая две нити молекулы ДНК, копирующие исходную.

Здесь также указан один из параметров ДНК, это шаг спирали, на каждый полный виток приходится 10 пар оснований, заметим, что один шаг – это не между ближайшими выступами, а через один, так как у ДНК есть малая бороздка и большая. Через большую бороздку с ДНК взаимодействуют белки, которые распознают последовательность нуклеотидов. Шаг спирали равен 34 ангстрем, а диаметр двойной спирали – 20 ангстрем.

Существуют несколько форм двойной спирали ДНК.

А-форма - 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований отклонены от нормали к оси спирали на 20

. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Высота витка 28Å. Такие же параметры у гибрида из одной цепи ДНК и одной цепи РНК.

В основной - В-форме на виток приходится 10 комплементарных пар. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36

. Диаметр спирали 20Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12Å, а пиримидиновый - 8Å.

С-форма - шаг спирали 31Å, 9.3 пар оснований на виток, угол наклона к перпендикуляру 6

.

Все три формы - правозакрученные спирали.

Есть еще несколько форм правых спиралей и всего одна левая спираль (Z -форма). Высота витка в Z-форме -44.5 Å, на виток приходится 12 пар нуклеотидов. Ни А-, ни Z- формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (белки или суперспирализация).

Сенсор ДНК

дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в двойной спирали которой посредством всего четырёх оснований (аденин, тимин, гуанин и цитозин) записано всё – от цвета глаз до предрасположенности к болезни Альцгеймера. Поэтому сенсор, который может детектировать последовательность этих оснований в ДНК, это, возможно, наиболее важный для медицины сенсор. Кремниевые нанопроволоки с успехом справляются и с этой задачей.

Развитие продвинутых биологических датчиков могло бы значительно воздействовать на области геноинженерии и на биомедицинские диагностики. В этом отношении, нанодатчики, основанные на нанотрубках получили значительное внимание.

На слайде схемное изображение сенсорного устройства, состоящего из SiNW (желтый) и канала (зеленый), стрелки указывают направление потока.

(B) Поверхность SiNW с рецептором РНК. (C) Образование дуплекса PNA-ДНК.

Зависимость проводимости от времени, записанные данным стройством, показано на слайде.

Фигура 2 (A) В реальном времени ответа проводимости от устройство SiNW functionаlized с рецептором PNA. Стрела отмечает пункт вовремя, когда 60 fM образца ДНК ВЕСА было добавлено. Вкладка показывает изображение РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА типичного устройства SiNW с источником (S) и дренажом (D), указанным; бар масштаба составляет 1 м.. (B) Зависимая проводимость времени в свободном от ДНК решении; стрела указывает пункт вовремя, когда новый образец решения был добавлен. (C) Проводимость против времени для SiNW со связанным рецептором PNA на наличие 100 fM образца (1) ДНК Mu и следующего дополнения (стрела) секунды 100 fM образца ДНК Mu. (D) Проводимость против времени для PNA-functionаlized СЗ устройства в течение потока свободного от ДНК решения (1), 100 fM ДНК (2) Mu, свободного от ДНК решения (3), и 100 fM ДНК ВЕСА (4).

Литература:

1. ПерсТ 5_19:

J. Crystal Growth 2005, 277, 145
Phys. Rev. Lett. 2005, 95 116102
2. Science 2001, 293, 1289
Proceedings of 40^th Conference on chemical research: “Chemistry on the nanometer scale”, October 21-22, 1996, Houston, Texas, pp.165-187 (1997).
Molecular Nanoelectronics, Ed. by M.A.Reed and T.Lee, American Scientific Publishers, pp.199-227 (2003).
NanoLetters 2004, 4, 51
Proc.Nat.Acad.Sci. 2004, 101, 14017 ссылка скрыта
Proc.Natl.Acad.Sci. 2005, 102, 3208
Nano life from $910m to $3.4bn by 2010.
См. ссылка скрыта

3. pH, белок, Днк - dia.org

Blog