Samoorganizujące się monowarstwy: Zalety czystych alkanotioli

Maxi Boeckl, Dr., Daniel Graham, Dr.

Senior Scientists, Asemblon, Inc.

Material Matters 2006, 1.2, 3

Samoorganizacja: Od natury do laboratorium

W latach 80-tych naukowcy odkryli, że alkanotiole spontanicznie montują się na metalach szlachetnych. Ta nowa dziedzina nauki otworzyła drzwi do prostego sposobu tworzenia powierzchni o praktycznie dowolnej chemii poprzez umieszczenie złotego podłoża w milimolarnym roztworze alkanetiolu w etanolu. W rezultacie na powierzchni metalu powstają krystaliczne monowarstwy, zwane monowarstwami samoorganizującymi się (SAM).¹

Na przestrzeni lat mechanizm procesu samoorganizacji został dobrze zbadany i wyjaśniony. Naukowcy odkryli, że typowa monowarstwa alkanotiolowa tworzy strukturę (√3 × √3)R30°² na złocie z łańcuchami tiolowymi odchylonymi o około 30 stopni od normalnej powierzchni.^3-6 Dokładna struktura monowarstwy zależy od chemii łańcucha.

Samoorganizacja stanowi podstawę wielu naturalnych procesów, w tym fałdowania białek, transkrypcji i hybrydyzacji DNA oraz tworzenia błon komórkowych. Proces samoorganizacji w przyrodzie jest regulowany przez siły wewnątrz- i międzycząsteczkowe, które prowadzą cząsteczki do stabilnego, niskoenergetycznego stanu. Siły te obejmują wiązania wodorowe, oddziaływania elektrostatyczne, oddziaływania hydrofobowe i siły van der Waalsa.

Podobnie jak w przypadku samoorganizacji w przyrodzie, istnieje kilka sił napędowych do montażu alkanotioli na powierzchniach metali szlachetnych. Pierwszą z nich jest powinowactwo siarki do powierzchni złota. Naukowcy odkryli, że oddziaływanie siarki ze złotem jest rzędu 45 kcal/mol, ³ tworząc stabilne, półkowalencyjne wiązanie; dla porównania, siła wiązania C-C wynosi ~83 kcal/mol.

Kolejną siłą napędową montażu są hydrofobowe oddziaływania van der Waalsa między węglami metylenowymi w łańcuchach alkanowych. W przypadku monowarstw alkanotiolowych interakcja ta powoduje przechylenie łańcuchów tiolowych w celu maksymalizacji interakcji między łańcuchami i obniżenia ogólnej energii powierzchniowej. Dobrze uporządkowana monowarstwa powstaje z łańcucha alkanowego o długości co najmniej 10 atomów węgla. W przypadku łańcuchów węglowych o tej długości, oddziaływania hydrofobowe między łańcuchami mogą przezwyciężyć rotacyjne stopnie swobody cząsteczek.^6,7

Prostą cząsteczkę alkanotiolu pokazano na Rysunku 1.Cząsteczka alkanetiolu może być postrzegana jako zawierająca 3 części: grupę wiążącą siarkę do przyłączenia do powierzchni metalu szlachetnego, łańcuch dystansowy (zwykle składający się z grup metylenowych, (CH₂)_n) i funkcjonalną grupę czołową. Jak wspomniano powyżej, atom siarki i węgle w grupach metylenowych działają jako główne siły napędowe do montażu alkanetioli. Grupa czołowa stanowi następnie platformę, na której można zastosować dowolną pożądaną grupę do wytworzenia powierzchni o dowolnym typie chemicznym.

Rysunek 1. Schematyczny diagram cząsteczki tiolu.

Grupa siarki łączy cząsteczkę z powierzchnią złota. Grupa ta może być zaprojektowana tak, aby zapewnić praktycznie dowolną chemię powierzchni, zdolność wiązania lub właściwości.

Poprzez prostą zmianę grupy głównej można stworzyć powierzchnię, która jest hydrofobowa (metylowa grupa główna), hydrofilowa (hydroksylowa lub karboksylowa grupa główna), odporna na białka (grupa główna glikolu etylenowego) lub umożliwia wiązanie chemiczne (NTA, azydek, karboksyl, aminowe grupy główne). Umożliwia to badaczowi niestandardowe zaprojektowanie powierzchni do pełnienia dowolnej pożądanej funkcji.

Self-Assembly: Czystość ma znaczenie

SAM są zwykle wytwarzane z 1 mM roztworu pożądanego alkanotiolu w etanolu. Początkowe tworzenie monowarstwy jest bardzo szybkie, a pokrycie monowarstwą jest osiągane w ciągu kilku sekund lub minut. Początkowo utworzona monowarstwa nie jest dobrze uporządkowana i zawiera wiele defektów w łańcuchach. Z czasem warstwy stają się bardziej uporządkowane i dobrze upakowane. Raportowane czasy montażu różnią się w literaturze, ale zazwyczaj wynoszą od 12 godzin do 2 dni.

Tworzenie dobrze złożonej monowarstwy może zależeć od czystości stosowanego alkanetiolu. Obecność nawet niskich poziomów zanieczyszczeń może skutkować nieuporządkowaną, nieidealną monowarstwą. Wiele typowych zanieczyszczeń w związkach tiolowych to tiolowane cząsteczki prekursorowe, które nie zostały oddzielone podczas procesu oczyszczania. Te cząsteczki prekursorowe mogą być albo alkanetiolami o prostym łańcuchu, którym brakuje grup głównych produktu końcowego, albo mogą być cząsteczkami używanymi do wprowadzenia tiolowej grupy funkcyjnej do cząsteczki prekursorowej (takiej jak kwas tiooctowy). Ponieważ związki te zawierają również tiolowe grupy funkcyjne, mogą konkurować z interesującym alkanotiolem o dostępne miejsca na powierzchni. Konkurencyjna adsorpcja może być szczególnie problematyczna w przypadku alkanetioli ze złożonymi lub nieporęcznymi grupami głównymi. Nieporęczne grupy głów mogą zmniejszać siłę napędową do montażu poprzez zakłócanie ściśle upakowanego układu łańcuchów alkanowych. Przy tej zmniejszonej sile napędowej do montażu, prosty łańcuch lub małe zanieczyszczenia tiolowe mogą konkurować z interesującym alkanetiolem na powierzchni.

Efekty te zostały zauważone we wczesnych badaniach nad samoorganizacją alkanetioli i przeprowadzono kilka szczegółowych badań nad preferencyjną adsorpcją jednego alkanetiolu w porównaniu z innym. Adsorpcja z rozcieńczonego roztworu w etanolu mieszaniny dwóch alkanetioli, jednego z polarną, a drugiego z niepolarną grupą główną, wykazała, że preferowana była adsorpcja alkanetiolu z niepolarną grupą główną.⁷ Bain et al. zauważyli również, że alkanetiole z równoważnymi grupami głównymi, ale dłuższymi łańcuchami adsorbowały się preferencyjnie w stosunku do krótszych alkanetioli.⁴Kiedy próbuje się celowo uzyskać mieszaną monowarstwę, w której dwie lub więcej grup funkcyjnych występuje w pożądanym stosunku, bardzo trudno jest przewidzieć względne stężenie powierzchniowe na podstawie stężenia roztworu i zazwyczaj konieczna jest krzywa kalibracyjna.⁴ Przykładem jest Nelson et al.którzy badali mieszane monowarstwy biotynylowanego alkanetiolu zmieszanego z merkaptoheksadekanem lub (1-merkapto-11-undecylo)tetra(glikolem etylenowym) i skorelowali stężenie roztworu ze stężeniem powierzchniowym za pomocą spektroskopii elektronowej do analizy chemicznej (ESCA) i wtórnej spektrometrii masowej czasu przelotu (ToF-SIMS).⁸ Badanie to wykazało, w jaki sposób skład powierzchni i roztworu w mieszanych monowarstwach może się znacznie różnić i dlaczego krzywa kalibracji jest niezbędna podczas projektowania mieszanych powierzchni monowarstwowych.

Jako demonstracja wpływu zanieczyszczeń tiolowych w tworzeniu SAM, Tabela 1 pokazuje dane składu powierzchni ESCA z serii SAM przygotowanych z roztworów tiolowych, które zostały celowo wzbogacone "zanieczyszczeniami". Do tego eksperymentu użyto roztworów (1-merkapto-11-undecylo)tetra(glikolu etylenowego) (PEG₄ thiol, Prod. Nr  674508) zmieszano z 0%, 1% i 10% (v/v) kwasem tiooctowym (TAA). Wszystkie monowarstwy zostały przygotowane z 1 mM roztworów w absolutnym etanolu. Procenty pokazane dla różnych składników tiolowych są procentami objętościowymi.

Tabela 1. Dane składu ESCA z monowarstw tiolowych PEG4 z i bez "zanieczyszczeń". Wszystkie dane przedstawiono w procentach atomowych. Dla każdej próbki pokazano dwa miejsca analizy. †PEG4 tiol = (1-merkapto-11-undecylo)tetra(glikol etylenowy); Prod. Nr 674508 TAA = kwas tiooctowy

Pierwszą obserwacją odnotowaną w Tabeli 1 jest wzrost procentowej zawartości atomowej złota wraz ze wzrostem ilości kwasu tiooctowego w roztworze montażowym. Sygnał złota pochodzi ze złotego podłoża znajdującego się pod monowarstwą. Sygnał złota jest tłumiony przez warstwę monowarstwy. Cieńsza lub bardziej nieuporządkowana warstwa powoduje zmniejszenie tłumienia sygnału (wzrost sygnału złota). Sugeruje to, że dodanie nawet 1% kwasu tiooctowego do roztworu montażowego spowodowało znaczne zmniejszenie grubości monowarstwy. Kwas tiooctowy jest małą cząsteczką, która po wprowadzeniu do monowarstwy zakłóciłaby lokalny porządek monowarstwy, powodując odnotowany spadek grubości warstwy.

Tabela 2 pokazuje dane z Tabeli 1 przeskalowane bez sygnału złota. Pozwala to na porównanie procentowej zawartości atomowej z oczekiwaną na podstawie składu atomowego mieszaniny roztworów. Jak widać w tabeli 2, wartości eksperymentalne są dobrze porównywalne z wartościami obliczonymi. Procent atomowy siarki jest zwykle niższy niż oczekiwano ze względu na tłumienie przez leżącą monowarstwę. Tak jest w przypadku 100% PEG₄tiolu. Fakt, że dane dotyczące siarki z pozostałych dwóch monowarstw są zbliżone do przewidywanych liczb, sugeruje, że warstwy są nieuporządkowane (co jest zgodne z procentowym udziałem atomów złota) lub że na powierzchni znajduje się duża ilość kwasu tiooctowego (który ma wysoki względny procent siarki w porównaniu z innymi atomami).

Tabela 2. Dane składu ESCA z monowarstw tiolowych PEG4 z i bez "zanieczyszczeń" przeskalowane bez sygnału złota. Wszystkie dane są pokazane w procentach atomowych. Dla każdej próbki pokazano dwa miejsca analizy. Wartości pogrubione to obliczone procenty atomowe w oparciu o stosunek mieszaniny roztworów użytych związków. †PEG4 tiol = (1-merkapto-11-undecylo)tetra(glikol etylenowy); Prod. Nr 674508 TAA = kwas tiooctowy

Interesujące jest to, że patrząc na Tabelę 2, można by pomyśleć, że skoro względny procent węgla i tlenu nie zmienia się znacząco od próbki do próbki, to powierzchnie są nadal czystym PEG₄ tiolem. Jedynie wysoki procent siarki odróżnia próbki i wskazuje, że prawdopodobnie obecne jest zanieczyszczenie.

Ogólnie rzecz biorąc, dane te pokazują, że nawet niewielkie ilości zanieczyszczeń w roztworze mogą powodować znaczące różnice w składzie i strukturze monowarstwy. Najlepszym sposobem na uniknięcie tych problemów jest stosowanie cząsteczek o najwyższej możliwej czystości.

Wyniki podobne do tych zaobserwowano, gdy kwas tiooctowy był obecny w próbkach PEG₃ i PEG₆ tiolowych. Obie te próbki wykazały wyższe niż oczekiwano sygnały złota i siarki, wskazując, że warstwy były nieuporządkowane i obecne było zanieczyszczenie siarką. Najważniejszą właściwością alkanotioli poli(glikolu etylenowego) (PEG_n tioli) jest zdolność do tworzenia niezanieczyszczającej monowarstwy samoorganizującej się, ale obecność tylko niewielkich ilości zakończonych kwasem karboksylowym PEG_n tioli (prawdopodobnie wprowadzonych z materiału wyjściowego poli(glikolu etylenowego)) prowadzi do znacznej adsorpcji białek, czyniąc powierzchnię bardziej zanieczyszczającą niż samo złoto, jak wykazali Roberts et al.⁹

Interferencja zanieczyszczeń tiolowych z tworzeniem monowarstwy została również opisana w przypadku montażu tiolowanego DNA na złocie.¹⁰ Stwierdzono, że obecność zanieczyszczenia tiolowego, ditiotreitolu, utrudniała montaż tiolowanego DNA na powierzchni złota. Autorzy wykazali, że gdy do montażu użyto zanieczyszczonego tiolowego DNA, procent atomowy charakterystycznych pierwiastków DNA (P, N) nie wzrastał wraz ze wzrostem czasu montażu, jak miało to miejsce w przypadku czystszych próbek. Wydłużenie czasu montażu skutkowało natomiast zwiększeniem ilości cząsteczek zanieczyszczeń na powierzchni. Próbki przygotowane ze stosunkowo czystego DNA wykazywały logiczne trendy dla elementów DNA w montażu szeregów czasowych.

Self-Assembly: Nieograniczone możliwości

SAM zostały wykorzystane do badań i zastosowań w wielu dziedzinach. Kilka przykładów obejmuje zwilżanie powierzchni, właściwości przeciwporostowe, elektrochemię, pasywację powierzchni, wiązanie białek, montaż DNA, odporność na korozję, tablice biologiczne, interakcje komórkowe i elektronikę molekularną. Te i inne tematy zostały podsumowane w poprzednich artykułach przeglądowych.^11-13

SAM naprawdę otworzyły drzwi do bezpośredniej inżynierii powierzchni. Tylko wyobraźnia ogranicza możliwości dostępne dla zainteresowanych badaczy. Rysunek 2 przedstawia schematyczne diagramy kilku możliwych zastosowań monowarstw alkanotiolowych. Tego typu zastosowania będą prawdopodobnie opierać się na alkanetiolach o wysokiej czystości z grupami głównymi, takimi jak te wymienione w Tabeli 3.

Rysunek 2. Możliwe zastosowania monowarstw alkanotiolowych. A) Powierzchnie nieporowate B) SAM ze specyficznymi receptorami wiążącymi C) Podpory komórkowe do natywnego wzrostu komórek i badań D) Elektronika molekularna E) Mikromacierze F) Separacje.

Tabela 3. Niektóre przykłady grup głowic przydatne w zastosowaniach pokazanych na rysunku 2.

Referencje

1. Nuzzo RG, Allara DL. 1983. Adsorption of bifunctional organic disulfides on gold surfaces. J. Am. Chem. Soc.. 105(13):4481-4483. https://doi.org/10.1021/ja00351a063

2. Strong L, Whitesides GM. 1988. Structures of self-assembled monolayer films of organosulfur compounds adsorbed on gold single crystals: electron diffraction studies. Langmuir. 4(3):546-558. https://doi.org/10.1021/la00081a009

3. Dubois LH, Nuzzo RG. 1992. Synthesis, Structure, and Properties of Model Organic Surfaces. Annu. Rev. Phys. Chem.. 43(1):437-463. https://doi.org/10.1146/annurev.pc.43.100192.002253

4. Bain CD, Whitesides GM. 1989. Formation of monolayers by the coadsorption of thiols on gold: variation in the length of the alkyl chain. J. Am. Chem. Soc.. 111(18):7164-7175. https://doi.org/10.1021/ja00200a040

5. Bain CD, Whitesides GM. 1989. Modeling Organic Surfaces with Self-Assembled Monolayers. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.. 28(4):506-512. https://doi.org/10.1002/anie.198905061

6. Porter MD, Bright TB, Allara DL, Chidsey CED. 1987. Spontaneously organized molecular assemblies. 4. Structural characterization of n-alkyl thiol monolayers on gold by optical ellipsometry, infrared spectroscopy, and electrochemistry. J. Am. Chem. Soc.. 109(12):3559-3568. https://doi.org/10.1021/ja00246a011

7. Bain CD, Evall J, Whitesides GM. 1989. Formation of monolayers by the coadsorption of thiols on gold: variation in the head group, tail group, and solvent. J. Am. Chem. Soc.. 111(18):7155-7164. https://doi.org/10.1021/ja00200a039

8. Nelson KE, Gamble L, Jung LS, Boeckl MS, Naeemi E, Golledge SL, Sasaki T, Castner DG, Campbell CT, Stayton PS. 2001. Surface Characterization of Mixed Self-Assembled Monolayers Designed for Streptavidin Immobilization. Langmuir. 17(9):2807-2816. https://doi.org/10.1021/la001111e

9. Molecular Self-Assembly - Material Matters v1n2. [Internet]. Available from: https://www.scribd.com/document/12704111/Molecular-Self-Assembly-Material-Matters-v1n2

10. Lee C, Canavan HE, Gamble LJ, Castner DG. 2005. Evidence of Impurities in Thiolated Single-Stranded DNA Oligomers and Their Effect on DNA Self-Assembly on Gold. Langmuir. 21(11):5134-5141. https://doi.org/10.1021/la0472302

11. Love JC, Estroff LA, Kriebel JK, Nuzzo RG, Whitesides GM. 2005. Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology. Chem. Rev.. 105(4):1103-1170. https://doi.org/10.1021/cr0300789

12. Chaki NK, Vijayamohanan K. 2002. Self-assembled monolayers as a tunable platform for biosensor applications. Biosensors and Bioelectronics. 17(1-2):1-12. https://doi.org/10.1016/s0956-5663(01)00277-9

13. Ulman A. 1996. Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers. Chem. Rev.. 96(4):1533-1554. https://doi.org/10.1021/cr9502357