CC BY
14ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 1997, том 39, № 1, с. 90-103
УДК 541.64:539.2
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МЕМБРАНЫ НА ОСНОВЕ МОНОСЛОЕВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ МОНОМЕРОВ1 (Обзор)
© 1997 г. С. Ю. Зайцев*, В. В. Егоров**, В. П. Зубов**
* Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
117871 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 ** Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии
117871 Москва, ул. Скрябина, 23 ***Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
119831 Москва, пр. Вернадского, 86 Поступила в редакцию 09.07.96 г. Принята в печать 14.08.96 г.
Синтезирован ряд поверхностно-активных и липидоподобных мономеров с полимеризующимися группами (акриловыми, метакриловыми, диеновыми, диииовыми) в гидрофильной или гидрофобной частях молекулы. Детально исследована их полимеризация в монослоях. Найдены общие закономерности и особенности кинетики полимеризации поверхностно-активных мономеров в монослоях на границе раздела жидкосгь-газ. На основе синтезированных мономеров получены функциональные полимерные мембраны с иммобилизованными белками (глюкозооксидазой, бактериородопсином, фотосинтетическими реакционными центрами), перспективные для применения в биосенсорных устройствах, молекулярной электронике и медицинской диагностике.
ВВЕДЕНИЕ
Ультратонкие ориентированные мембраны (прежде всего моно- и мультислои различных ПАВ, поверхностно-активных мономеров (ПАМ), а также их полимеров) - уникальные системы для изучения химических реакций, протекающих на границе раздела фаз. К одной из наиболее интересных реакций относится радикальная полимеризация ПАМ в ориентированных системах [1-4]. Исследование этого процесса вносит существенный вклад в решение таких проблем химии полимеров как управление процессом полимеризации и получение полимеров с заданными структурой и свойствами. Кроме того, указанные системы являются удобными моделями для структурно-функционального исследования биологических мембран и их компонентов [4-6]. Такие модели особенно ценны при изучении процессов самоорганизации биологически активных молекул, молекулярного узнавания и транспорта, протекающих в биомембранах [5-8]. В практическом плане полимерные монослои, а также функциональные ультратонкие ориентированные мембраны на их основе, перспективны для применения в биосенсорных устройствах, молекулярной электронике, голографии и медицинской диагностике [8-15].
В отличие от традиционных ПАВ, монослои ПАМ и соответствующих полимеров, особенно
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 95-03-08496).
кинетические аспекты полимеризации ПАМ в монослое, изучены мало и фрагментарно. Некоторые аспекты этой проблемы нашли свое отражение в обзорах Ringsdorf [1], Fendler [2], Арсла-нова [3] и других [4—6].
Цель настоящей работы заключалась в том, чтобы выявив общие закономерности полимеризации в монослоях ряда специально синтезированных ПАМ с заданной структурой, предложить основные принципы создания функциональных ультратонких ориентированных мембран на основе синтетических и природных полимеров с комплексом требуемых свойств.
СИНТЕЗ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ И ЛИПИДОПОДОБНЫХ МОНОМЕРОВ
В работе проведен направленный синтез широкого круга поверхностно-активных и липидоподобных мономеров, которые можно классифицировать по следующим основным признакам: природе головной группы (катионная, анионная, неионная); положению полимеризующейся группы в гидрофильной или гидрофобной частях молекулы; количеству полимеризующихся групп в одной молекуле ПАМ (одна или две); количеству гидрофобных цепей в одной молекуле ПАМ (одна или две). В настоящем обзоре представлены некоторые наиболее важные, с нашей точки зрения, представители каждого из типов ПАМ:
тетракоза-11,13-дииновая кислота (ТДК)
СН3(СН2)9-С=С-С=С-(СН2)5СООН, 1,2-ди-0-тетракоза-11,13-дииноилглицеро-3-фосфорилхолин (ТДФХ)
СН3(СН2)9С -С=С(СН2)5СООСН2 СН3(СН2)9С^С-С=С(СН2)5СООСН о
СН20Р0СН2СН2Й(СН3)3, сг
октадека-7,9-диеновая кислота (БДК)
СН3(СН2)5-СН=СН-СН=СН-(СН2)7СООН, 1,2-ди-0-октадека-7,9-диеноилглицеро-З-фосфорилхолин (ДОДЛ) СН3(СН2)5СН =СН -СН=СН(СН2)7С00СН2 СН3(СН2)5СН =СН -сн=СН(СН2)7СООСН о
СН2ОРОСН2СН2Й(СН3)3, ОТ
12-кето-10-октадеценовая кислота (ОДК)
СН3(СН2)7С -СН =СН -(СН2)бСООН, О
1,2-ди( 12-кето-10-октадеценоил)глицеро-3-фосфорилхолин (ОДФХ)
СН3(СН2)7С -СН =СН -(СН2)6С00СН2
О I
СН3(СН2)7С-СН=СН-(СН2)6С00СН о
О СН20Р0СН2СН2Й(СН3)3,
сг
винилстеарат СН3(СН2)16СОО-СН=СН2, И-акрилоилоктадециламид (АКОДА)
СН3(СН2)17ШС-СН=СН2, О
ГЧ-акрилоилфосфатидилэтаноламид (АКФЭ)
СН3(СН2)15С00СН2 СН3(СН2)15С00СН О
СН20Р0СН2СН2МН-с-сн=сн2> он о
НД-диметил,К-цетилацетилметакрилоилэтиламмоний бромид (МА-1бВг)
СН3(СН2)1б0ССН2А(СН3)2(СН2)2-0-С -С=СН2ВГ О О СН3
Наиболее широко представлены анионактив- ных ПАВ является ацилирование соответствующей
ные соединения, содержащие полимеризующиеся функциональной фуппы ангидридами акриловой
группы в гидрофильной головке (акриловые, мет- или метакриловой кислот. Например, ацилирова-
акриловые); на конце алифатической цепи (акри- ние октадециламина (ОДА), фосфатидилэтанол-
ловые, метакриловые) или в середине алифатиче- амина или дипальмитоилфосфатидилэтаноламина
ской цепи (дииновые, диеновые, кетоеноновые). (ДПФЭ) по первичной аминогруппе акрилоилхло-
Одним из наиболее простых и удобных методов ридом в различных органических растворителях
введения полимеризующихся групп в гидрофиль- дает возможность получить АКОДА, АКФЭ или
ную область молекул синтетических или природ- 1Ч-акрилоилдипальмитоилфосфатидилэтаноламид
А, нм2/молекула
Рис. 1. Изотермы поверхностное давление-площадь на молекулу для монослоев ТДК (/) и ее полимеров, полученных при давлении 10 (2) и 30 мН/м (5). Пояснения в тексте.
(АКДПФЭ) соответственно [16-18]. Этот достаточно простой метод позволяет синтезировать указанные вещества с высоким выходом (вплоть до 93%).
Синтез широкого круга катионактивных аммонийных ПАМ, также содержащих полимеризу-ющиеся группы в гидрофильной части молекул, детально описан в работах [19-21].
Липидоподобные неионные ПАМ с полимери-зующимися группами в середине алифатической цепи (дииновые, диеновые, кетоеноновые) синтезированы путем замещения алифатических цепей природных липидов на цепи, содержащие указанные группы [1, 22, 23]. Первый этап синтеза - гидролиз природных липидов щелочью с получением глицерофосфата, который в дальнейшем переводили в кадмиевый комплекс [24]. На втором этапе предварительно синтезированные жирные кислоты с полимеризующимися группами переводили в ангидриды. Заключительным этапом синтеза являлась реакция полученных ангидридов с кадмиевым комплексом глицерофосфата.
Например, путем окисления и последующей изомеризации рецинолевой кислоты получали ОДК, содержащую сопряженные связи С=С и С=0 в середине алифатической цепи [23]. Ключевой момент синтетической схемы - ацилирование кадмиевого комплекса глицерофосфохолина действием ОДК в присутствии Ы,М'-дициклогексилкарбо-диимида с образованием соответствующего поли-
меризующегося кетоенонового липида (ОДФХ). Эта схема является универсальной для синтеза липидов с полимеризующимися группами в середине гидрофобной части молекул и применима для получения соответствующих дииновых и диеновых производных лецитина [1, 22, 23]. Выбор лецитина, который является цвиттер-ионом в широком диапазоне рН, не случаен, так как он - наиболее важный структурный элемент биологических мембран, легко выделяется и относительно устойчив [24].
Соединения, содержащие полимеризующиеся группы на конце алифатической цепи, синтезированы ацилированием спиртовых групп оксикислот с различной длиной алифатической цепи ангидридами акриловой или метакриловой кислот [25]. По указанной схеме путем ацилирования метакри-лоилхлоридом спиртовых групп 12-гидроксидоде-кановой и 16-гидроксигексадекановой кислот получали их метакрилоильные производные [26]. 12-(Метакрил оилокси)додеканову ю (12-М АДДК) и 16-(метакрилоилокси)гексадекановую кислоты (16-МАГДК) переводили в присутствии триэтил-амина в соответствующие ангидриды, которые использовали в дальнейшем для ацилирования глицерофосфохолина. Образующиеся моно- и ди-замещенные производные лецитина с полимеризующимися группами на концах алифатических цепей очищали колоночной хроматографией [26]. Структура синтезированных ПАМ подтверждена методами УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии.
Такой широкий набор соединений позволил провести детальное сравнительное исследование поверхностно-активных свойств и особенностей полимеризации ПАМ, а также определить наиболее приемлемые структуры для последующей иммобилизации биологически активных соединений.
СВОЙСТВА МОНОСЛОЕВ ПАМ И ИХ ПОЛИМЕРОВ
Все синтезированные ПАМ способны образовывать монослои на границе раздела вода-воздух. Основным методом изучения поведения молекул ПАВ в монослое является снятие изотерм типа площадь А, приходящаяся на молекулу ПАВ-по-верхностное давление п. По этим изотермам экстраполяцией линейного участка кривых на ось абсцисс определяют площадь А0, приходящуюся на молекул вещества в монослое, а также коэффициент К, представляющий собой тангенс угла наклона экстраполированной прямой (рис. 1). Величина К характеризует линейную деформацию молекулы в монослое при соответствующем поверхностном давлении и является мерой жесткости (упругости) слоя. Путем построения перпендикуляра из точек перегиба на кривых к оси абсцисс и ординат получают величины давления 7СК
и площади Ак, при которых происходит коллапс монослоя (рис. 1).
Изотермы к-А для ПАМ, содержащих полиме-ризующиеся группы в гидрофобной части молекул (прежде всего дииновых и диеновых кислот), имеют как правило три ярко выраженные области (рис. 1, кривая 1): при больших площадях и низких давлениях (жидкоконденсированное состояние I); при малых площадях и больших давлениях (жидкоконденсированное состояние II) и область перехода между ними в виде плато [27-29]. Состояние монослоя ТДК, при котором площадь на молекулу более чем в 2 раза превышает площади сечения алифатической цепи, характеризуется постепенным "подъемом" из горизонтального в вертикальное положение относительно поверхности раздела фаз (при небольшом увеличении поверхностного давления) концевого участка алифатической цепи С перегибом в области дииновой связи. Стабильность этой "напряженной" структуры (состояние I) невелика, поскольку уже при давлении порядка 20 мН/м происходит коллапс такой конформации (рис. 1). В области перехода, при практически постоянном давлении, площадь на молекулу уменьшается более чем в 2 раза, что свидетельствует о постепенной переориентации всех молекул до стабильной конформации, в которой алифатическая цепь полностью вытянута и
Таблица 1. Значения основных параметров монослоев некоторых ПАМ
строго перпендикулярна поверхности раздела фаз (состояние II).
Структура образующегося полимера существенно зависит от того, в каком состоянии (I или II) монослоя протекает полимеризация, но в любом случае образуется линейный полимер с системой сопряженных связей, что легко контролируется спектрофотометрически [27-29]. При полимеризации в состоянии I (71 = 10 мН/м) образующийся полимерный монослой (рис. 1, кривая 2) обнаруживает давление коллапса, которое существенно выше, чем для монослоя мономера в состоянии I, но несколько ниже, чем в состоянии II (рис. 1, кривая /). В случае полимеризации этого же мономера в состоянии II (л = 30 мН/м) образующийся полимерный монослой (рис. 1, кривая 3) также находится в жидкоконденсированном состоянии с давлением коллапса большем, чем характерно для монослоя мономера (рис. 1, кривая 1). Таким образом, путем полимеризации удается стабилизировать определенные конформации молекул ТДК (состояния I и П монослоя). Аналогичные результаты были получены при полимеризации ПАМ, содержащих сопряженные связи С=С и С-0 в середине апкильной цепи [30] или метакриловые группы на конце гидрофобной части молекул [26].
Конкретные значения основных параметров монослоев ряда наиболее важных ПАМ и полимеров приведены в табл. 1 и 2 соответственно.
ПАМ Л0, нм2/молекул пк, мНУм Ак, нм2/молекул Кх 10"16, мН молекул/м3
Винилстеарат 0.235 26.5 0.190 5.82
АКОДА 0.250 60.7 0.165 7.14
ТДК 0.675 20.5 0.470 1.11
ТДФХ 1.005 24.5 0.305 0.35
БДК 0.320 35.7 0.185 2.50
ДОДЛ 0.685 55.6 0.300 1.44
ОДК 0.315 35.5 0.180 2.63
ОДФХ 0.925 52.5 0.515 1.28
АКДПФЭ 0.515 49.5 0.360 3.19
ДПФЭ 0.415 62.2 0.360 11.31
МА-16Вг 1.040 41.0 0.150 0.42
Таблица 2. Значения основных параметров монослоев некоторых поверхностно-активных полимеров
Полимеры на основе А0, нм2/молекул кк, мН/м Ак, нм2/молекул К х. 10"16, мН молекул/м3
Винилстеарат 0.250 62.3 0.205 13.83
АКОДА 0.310 68.1 0.190 5.68
ТДК 0.520 64.3 0.220 2.14
ТДФХ 0.585 30.0 0.205 0.79
ОДФХ 0.700 53.0 0.480 2.40
ДОДЛ 0.530 62.0 0.167 1.71
АКДПФЭ 0.492 72.4 0.357 5.36
МА-16ВГ 0.510 58.0 0.250 2.38
я, мН/м
А, нм2/молекула
Рис. 2. Изотермы поверхностное давление-площадь на молекулу для монослоев МА-16Вг (7) и МА-16С1 (2). Область I - жидкорасгянутое; области II и III - жидкоконденсированные состояния монослоя с низкой и высокой плотностью упаковки молекул мономера.
Синтетические ПАМ с полимеризующимися группами (акриловыми или метакриловыми) в гидрофильной части молекул занимают несколько большие площади (А0 и Ак), чем исходные ПАВ или их насыщенные аналоги (табл. 1), что свидетельствует о наличии кроме жидкоконденсированного также и жидкорастянутого состояния монослоев таких ПАМ. Из тс-А-изотерм для аммонийных ПАМ - 1Ч,М-диметил, 1Ч-цетилацетилметакрилоил-этиламмоний хлорид (МА-16С1) и МА-16Вг [19-21], содержащих полимеризующиеся группы в гидрофильной части молекул, следует наличие трех ярко выраженных областей (рис. 2): жидкорастянутого состояния (при больших площадях и давлениях до 5-10 мН/м); жидкоконденсированного состояния I в области давлений 10-30 мН/м и жидкоконденсированного состояния П вплоть до давления коллапса порядка 42 мН/м. Анализ на молекулярных моделях Стьюарта позволил отнести состояние I (площадь на молекулу -1.1 нм2) к упаковке головных гидрофильных групп ПАМ, а состояние II (площадь на молекулу -0.7 нм2) - к плотной упаковке гидрофобных алифатических цепей ПАМ [21]. После полимеризации таких ПАМ в монослое наблюдается уменьшение площади, приходящейся на мономерное звено полимера, по сравнению с площадью на молекулу соответствующего
мономера и существенное увеличение давления коллапса монослоя. Это означает, что монослои ПАМ после полимеризации становятся более жесткими и прочными (табл. 2). Аналогичные результаты были получены при полимеризации монослоев аналогов фосфолипидов, содержащих акриловые или метакриловые группы в гидрофильной части ПАМ [17, 18].
На характер тс-А-изотерм, кроме природы мономера, оказывает влияние температура, рН, концентрация и состав ионов в водной субфазе, а также скорость сжатия монослоя, что было детально проанализировано в работах [19-21,26-30].
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ПАМ И УСЛОВИЙ
РЕАКЦИИ НА КИНЕТИКУ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ПАМ В МОНОСЛОЯХ
Кинетику полимеризации ПАМ в монослое можно исследовать по изменению таких параметров как площадь монослоя, поверхностное давление, потенциал, вязкость, оптическая плотность и других, но не гравиметрически из-за исключительно малых количеств вещества на границе раздела фаз. Наиболее удобным является контроль изменения площади монослоя при постоянном поверхностном давлении [27-32], что является двумерным аналогом дилатометрического метода [33]. Полимеризацию можно инициировать фотохимически, термически (в присутствии радикальных инициаторов в монослое или в водной субфазе) или окислительно-восстановительной парой из водной субфазы. Наиболее эффективен и удобен для кинетического исследования вариант инициирования полимеризации ПАМ непосредственно УФ-облучением монослоя с X = 250-260 нм без инициатора [1,4]. Ранее было найдено, что полимеризация ПАМ ингибируется кислородом воздуха [19,28] и сильным ингибитором радикальных процессов - стабильным радикалом тетраметил-пипиридин-1Ч-оксилом (ТЕМПО) [19, 31, 32]. Это указывает на радикальный механизм процесса.
Поскольку уменьшение площади монослоя прямо пропорционально конверсии мономера [19,26-30], приведенную скорость полимеризации ПАМ в монослое v^ определяли как скорость изменения площади монослоя, нормированную по его максимальной контракции к концу полимеризации ПАМ [19,26,29-32].
Для ряда ПАМ показано [19], что в пределах погрешности эксперимента порядок реакции полимеризации по мономеру близок к единице, а по инициатору - 0.5. Поэтому для описания реакции радикальной полимеризации ПАМ в монослое использовали известное уравнение скорости полимеризации в объеме для случая бимолекулярного обрыва [33]. Скорость полимеризации ПАМ в монослое, деленная на концентрацию мономера, при
постоянном поверхностном давлении 10 мН/м оказалась значительно больше, чем обычно наблюдается при полимеризации этих или аналогичных ПАМ в объеме (в растворе или в массе). Для выяснения причин этого явления были оценены значения констант для МА-16Вг (табл. 3) в рамках схемы расчета констант элементарных реакций полимеризации ПАМ в монослоях, предложенной в работе [32]. Сравнение полученных значений с объемными (в растворе и мицеллах ПАМ) показывает, что переход от истинных к мицел-лярным растворам и далее - к монослоям ПАМ сопровождается некоторым ростом к^ (175, 210 и 200-300 л/моль с соответственно). Причина же высоких скоростей полимеризации ПАМ в монослоях - по-видимому, значительное увеличение скорости инициирования при переходе от объемных (неориентированных) к организованным системам.
Как показано в работах [19,34], структура ассо-циатов мономеров оказывает существенное влияние на протекание полимеризации в них. В монослое изменение структуры легко регулируется путем изменения величины поверхностного давления. Использование этого подхода позволило детально исследовать зависимость кинетики полимеризации ПАМ различного строения от величины поверхностного давления в монослое.
Установлено, что для одно- и двуцепных диино-вых мономеров (ТДК и ТДФХ), содержащих поли-меризующиеся группы в середине гидрофобной части молекул, приведенная скорость полимеризации близка к нулю при низких величинах поверхностного давления (<0.5 нМ/м) (рис. За). Это обусловлено стерическими затруднениями для реакции роста цепи [1, 27]. По мере увеличения поверхностного давления (до величины порядка 10 мН/м) скорость полимеризации резко возрастает, что
объясняется все более удобным для реакции роста цепи взаимным расположением полимеризую-щихся групп молекул ПАМ. Максимумы на кривых Упр-п наблюдаются при 12 и 8 мН/м для ТДК и ТДФХ соответственно. При этом абсолютные значения скорости полимеризации для ТДФХ почти в 400 раз ниже, чем для ТДК. При дальнейшем увеличении поверхностного давления до 20 мН/м скорость полимеризации для этих соединений резко уменьшается, что связно с переходом от состояния I к состоянию П в монослоях указанных ПАМ. Если поверхностное давление больше 20 мН/м, то скорость полимеризации монослоев ТДК остается постоянной и достаточно высокой, тогда как для липидоподобного ТДФХ - близка к нулю (рис. За). Это можно объяснить стерическими затруднениями при взаимодействии полимеризую-щихся групп в жидкоконденсированном состоянии монослоя с плотной упаковкой алифатических цепей. В этом случае особенно важна взаимная ориентация молекул ПАМ, связанная с геометрией молекул. Так, объемная полярная группа ТДФХ способствует вертикальному смещению молекулы относительно друг друга в плоскости раздела фаз, что препятствует реакции роста цепи. Для ТДК такое смещение должно быть незначительно, поскольку диаметр полярной группы в молекуле жирной кислоты близок к диаметру углеводородной цепи. Указанные эффекты доказывают влияние строения молекул ПАМ и структуры монослоя на реакцию полимеризации дииновых мономеров, имеющую топохимический характер [27,28].
Обнаруженная зависимость скорости полимеризации от давления (с одним резким максимумом), по-видимому, является универсальной для всех ПАМ, содержащих полимеризующиеся группы различной природы в середине жирных ал-кильных цепей. Еще одним примером тому может служить зависимость скорости полимеризации
Таблица 3. Кинетические параметры радикальной полимеризации МА-16Вг в монослое при различных значениях концентрации ингибитора ТЕМПО и поверхностного давления
71, МН/М Vnpxl0-4,c-' [ТЕМПО] х 1Г6, моль/л *Р ко х 10~8
л/моль с
2.5 3.1 1.3 170 0.4
2.5 3.1 0.8 150 -
2.5 3.1 2.0 210 -
2.5 3.1 4.0 200 -
5.0 2.55 0.6 280 1.7
10.0 1.8 0.4 320 4.4
15.0 1.0 -0.3 -230 -7.5
20.0 0.8 -0.3 -190 -7.8
Примечание. [ТЕМПО] рассчитано исходя из концентрации МА-16Вг в монослое 4 моль/л (293 К, УФ-облучение с X. = 254 им, v„ = 1.4 х Ю-4 моль/л с).
^рХКЯс"1
(а)
-о/ • 2~
"пр
х 104, <
о•
о
о •
о ° О о О О
о о
пр
10
х 104, С"
30 50
я, мН/м
(б)
□ / А
А 2
в □ □
□ ▲
10
•Д л
30
50
я, мН/м
д
д
(В)
• 1
д 2
10
20
30 40 я, мН/м
Рис. 3. Зависимость приведенной скорости полимеризации от поверхностного давления для монослоев следующих мономеров: а - ТДК (/) и ТДФХ (2); б - АКФЭ (/) и ОДФХ (2); в - МА-16Вг (/) и МА-16С1 (2).
ОДФХ в монослое от величины поверхностного давления [30, 35] (рис. 36). Однако максимум скорости в этом случае наблюдается при достаточно высоком давлении, равном 35 мН/м, что находит свое объяснение в структуре мономера.
Иной вид имеет зависимость скорости полимеризации от давления для монослоев ПАМ, содержащих полимеризующуюся группу на конце гидрофильной части молекулы [4]. Так, скорость полимеризации АКФЭ (рис. 36) максимальна при минимальном поверхностном давлении и резко уменьшается при небольшом начальном его возрастании [35]. Минимум на кривой vap-к наблюдается при давлении 5 мН/м, а затем следует небольшое повышение скорости. Широкий максимум в области давлений 10-15 мН/м постепенно переходит в область незначительного уменьшения скорости при больших величинах давления (вплоть до 40 мН/м) [35].
Аналогичные зависимости получены для ряда аммониевых ПАМ, содержащих полимеризую-щиеся группы (акриловые или метакриловые) в гидрофильной части молекул. В качестве примера на рис. Зв приведены зависимости скорости полимеризации от давления для монослоев МА-16Вг и МА-16С1, которые состоят также из трех участков. Их сравнение с изотермами к-А для указанных мономеров (рис. 2) показывает, что границы участков на зависимости vпp-к удовлетворительно совпадают с границами соответствующих состояний монослоя мономера. Это позволяет связать кинетические особенности полимеризации аммониевых ПАМ со структурой их монослоев, как ранее было показано на примере дииновых и диеновых ПАМ. Как видно из рис. Зв, увеличение поверхностного давления приводит к резкому понижению скорости полимеризации в области жид-корастянутого состояния монослоя. При полимеризации жидкоконденсированного монослоя с низкой плотностью упаковки молекул скорость возрастает, а далее уменьшается для жидкоконденсированного монослоя с высокой плотностью упаковки молекул мономера.
Обнаруженные явления хорошо соответствуют закономерностям, наблюдаемым в процессе радикальной полимеризации указанных ПАМ в мицеллярных растворах [34]. Зависимость приведенной скорости полимеризации от концентрации МА-16Вг в растворе также состоит из трех участков, границы которых совпадают с критическими концентрациями мицеллообразования и перехода между мицеллярными структурами, образуемыми молекулами мономера в воде. Очевидно, что каждому уровню структурной организации молекул ПАМ в воде соответствует определенное состояние его монослоя на поверхности водной субфазы. Следовательно, должно существовать соответствие в полимеризационном поведении ПАМ в его ассоциатах в объеме и на границе раздела фаз.
При давлениях, несколько меньших давления коллапса, монослой находится в жидкоконденсиро-ванном состоянии с плотностью упаковки молекул,
близкой к максимальной, а в объеме это соответствует области сосуществования анизотропных и сферических мицелл ПАМ. Для обеих систем скорость полимеризации уменьшается с повышением концентрации мономера. Основной причиной этого эффекта в объеме является отсутствие полимеризации в анизотропных мицеллах мономера (низкая подвижность молекул мономера, сочетающаяся с взаимным расположением двойных связей, не способствующим протеканию полимеризации), доля которых по мере концентрирования системы возрастает одновременно с убыванием количества полимеризующихся сферических мицелл ПАМ. По-видимому, причина понижения скорости полимеризации в области жидкоконден-сированного состояния монослоя МА-16Вг аналогична и выражается в "сверхсжатии" молекул ПАМ, вынуждающем их смещаться вертикально относительно друг друга и перпендикулярно поверхности раздела фаз. На это указывает и обнаруженное понижение величины максимальной контракции монослоя после полимеризации по мере его концентрирования в этой области, наличие остаточных связей С=С и близость значений давления коллапса монослоя до и после УФ-облучения.
Сравним поведение ПАМ при полимеризации в жидкоконденсированном состоянии монослоя с' низкой плотностью упаковки молекул и в области концентраций ККМ-1 - ККМ-П в объеме, соответствующих сферическим мицеллам ПАМ. Увеличение давления, вызывающее уплотнение монослоя, приводит к повышению скорости полимеризации. В объеме рост скорости полимеризации ПАМ при увеличении плотности его сферических мицелл также наблюдается, например, при переходе к мицеллам с большим размером алифатического радикала или меньшим размером проти-воиона в молекуле [34,36]. Это явление объясняется понижением величины константы скорости бимолекулярного обрыва цепи в результате увеличения микровязкости мицелл. Аналогично можно объяснить и увеличение скорости полимеризации ПАМ монослоя при повышении поверхностного давления. В пользу этого свидетельствует возрастание вязкости монослоя пропорционально росту поверхностного давления [11].
В области жидкорастянутого состояния монослоя МА-16Вг, как и в процессе уменьшения концентрации ПАМ ниже ККМ-1 в объеме, наблюдается резкое увеличение скорости полимеризации. Причину такого эффекта в растворе следует искать в изменении соотношения величин констант скорости реакций роста и бимолекулярного обрыва цепи при разбавлении системы [32]. Уменьшение концентрации ионогенного мономера в истинном растворе его в воде способствует повышению степени диссоциации ионогенных групп как мономера, так и радикала роста. В результате уменьшаются величины кр и кц, причем последняя
в значительно большей степени (средний заряд растущего радикала выше, чем заряд мономера), что приводит к возрастанию скорости полимеризации. То же, по-видимому, можно отнести и к полимеризации на границе раздела вода-газ в области I монослоя (табл. 3).
На прямую аналогию в поведении ПАМ различной структуры при их полимеризации в монослоях на границе раздела фаз и в их мицеллах в объеме указывают и данные о полимеризации ПАМ, различающихся размером противоиона в молекуле. На рис. Зв приведены зависимости скорости полимеризации от величины поверхностного давления для МА-16С1 в монослое. Как следует из их сравнения с соответствующими данными для МА-16Вг, общий характер зависимостей при изменении размера противоиона в молекуле мономера сохраняется. В то же время величина скорости полимеризации в области жидкоконден-сированных слоев для МА-16С1 несколько выше, чем для МА-16Вг. Подобный эффект, как отмечено выше, наблюдали ранее и в области мицел-лярных структур мономеров и связывали с уменьшением константы скорости бимолекулярного обрыва цепи при переходе к более плотно упакованным мицеллам мономера, имеющего меньший противоион в гидрофильной группе [34]. Можно полагать, что причина эффекта, обнаруженного в монослоях ПАМ, аналогична. На это указывает увеличение плотности упаковки жидкоконденси-рованных монослоев при переходе от МА-16Вг и МА-16С1 [19-21].
Известно, что добавки различных соединений оказывают влияние на коллоидно-химическое поведение, в частности на сгруктурообразование в монослоях ПАВ на границе раздела фаз [5, 6]. В этой связи было изучено влияние на сгруктурообразование и полимеризацию одно- и двуцепных ПАМ в монослое добавок различной природы [37-41]: солей, спиртов и кислот с различной длиной алифатической цепи, цетилтриметиламмоний бромида, синтетических полимеров, а также водорастворимых и мембранных белков.
Как видно из рис. 4а, увеличение концентрации МаВг в водной субфазе вызывает сначала рост, а затем понижение скорости полимеризации МА-16Вг. При этом наблюдается уплотнение слоя, возможно, с появлением в нем новой фазы с большей плотностью и прочностью, что следует из повышения давления коллапса монослоя до 65.5 мН/м и появления перегиба на я-А-изотерме МА-бВг в присутствии соли в водной субфазе [37]. Первоначальное возрастание скорости процесса связано с уменьшением величины скорости обрыва цепи за счет увеличения вязкости монослоя, а дальнейшее понижение - с переходом части молекул мономера в "неполимеризующееся" состояние (скорость реакции роста цепи близка к нулю).
УпрХЮ4,^1
пр
2.5
1.5
0.5
(а)
Д 1 ш 2 о 3 • 4
Я
о
-3 -1
[моль/л]
^хЮ* с"1 2.5
1.5
0.5
(б)
А 1
я 2
о 3 • 4
о ■ ■
20
40
60 80
Рис. 4. Зависимость приведенной скорости полимеризации МА-16Вг в монослое от логарифма концентрации добавок в воде (а) и от концентрации добавок в монослое (б), а: 1 - ЫаВг, 2'- ПЭГ, 3 - ПАК, 4 - без добавки; 6:1- иммуноглобулин, 2 - предельный аналог ПАМ, 3 - цетиловый спирт, 4 - без добавки.
Последнее характеризуется низкой подвижностью молекул ПАМ (диффузионный фактор) и таким их взаимным расположением, которое не способствует протеканию реакции роста цепи (структур-но-стерический фактор). В пользу этой трактовки свидетельствует также и неполная полимеризация мономера в монослое при высокой концентрации электролита в водной субфазе (уменьшение величины максимальной контракции монослоя после полимеризации).
Увеличение концентрации водорастворимых полимеров типа ПАК и ПЭГ в водной субфазе вызывает уменьшение скорости полимеризации мономера, более значительное - в случае ПАК (рис. 4а). При этом наблюдается "расширение" мо-
нослоя [37], что свидетельствует либо о встраивании добавки, либо о ее взаимодействии с мономером. Поскольку отрицательно заряженная ПАК способна связывать положительно заряженные ПАМ с образованием поликомплексов, уменьшение скорости полимеризации МА-16Вг связано, по-видимому, с выводом из зоны реакции части мономера в виде комплекса [37]. Дополнительным свидетельством этого является непрерывное расширение монослоя при увеличении концентрации ПАК, которое наблюдается даже при высоких давлениях, что указывает на частичное встраивание ПАК в монослой и прочное ее удерживание. Более того, в данном случае уменьшается давление коллапса монослоя при сохранении гомогенности системы. Обнаружено значительное уменьшение максимальной контракции монослоя, что означает сохранение части ПАМ в незаполимери-зованном виде. Наименьшая скорость полимеризации наблюдается в условиях, оптимальных для образования комплекса ПАМ-ПАК при рН 8.1 (рис. 4а).
Интересно рассмотреть влияние добавок типа ПАВ, практически не растворимых в воде. При добавлении в монослой цетилтриметиламмоний бромида (ЦТАБ) или предельного аналога ПАМ скорости полимеризации мономера понижается по мере увеличения концентрации добавки (рис. 46). При этом наблюдается расширение монослоя за счет встраивания ПАВ, однако монослой остается гомофазным. Сказанное выше позволяет полагать, что причиной понижения скорости полимеризации в этих случаях, как и в мицеллах в объеме [40], является уменьшение концентрации мономера при увеличении количества неполимеризующе-гося ПАВ, способного к образованию смешанного монослоя. В пользу этого свидетельствует неизменность величины максимальной контракции монослоя. Важно, что ПАВ остается в составе монослоя и после полимеризации. На это указывает уменьшение давления коллапса смешанного монослоя МА-16Вг-ЦТАБ (52.5 мН/м) после полимеризации по сравнению с полимерным монослоем МА-16Вг (62.5 мН/м).
При добавлении цетилового спирта к монослою ПАМ (рис. 46) скорость полимеризации мономера сначала возрастает, а затем понижается. Аналогичные явления отмечены при растворении электролита в субфазе (рис. 4а), однако цетиловый спирт в условиях эксперимента весь находится в монослое и не теряется даже при больших значениях поверхностного давления. Это позволяет предположить, что первоначальное повышение скорости полимеризации есть не что иное как уменьшение константы обрыва цепи в результате увеличения вязкости монослоя за счет встраивания в него гидрофобного спирта. Дальнейшее понижение скорости полимеризации связано с уменьшением концентрации ПАМ в результате
разбавления его монослоя спиртом. Сохранение величины максимальной контракции в этом случае при одновременном понижении давления коллапса полимера свидетельствует о полной полимеризации мономера с сохранением цетилового спирта в монослое.
При добавлении к монослою ПАМ иммуноглобулина обнаруживается также сначала увеличение, а затем уменьшение скорости полимеризации мономера (рис. 46). Одновременно происходит расширение монослоя, что свидетельствует о встраивании белка в слой. В результате этого увеличивается вязкость монослоя, прилегающего к иммуноглобулину, вызывая уменьшение величины скорости реакции обрыва цепи, что приводит к возрастанию скорости полимеризации. При дальнейшем возрастании количества белка достигается его критическая концентрация, при которой подвижность ПАМ столь низка, что он неспособен к участию в реакции роста цепи (диффузионный контроль, реакции). Исходя из значения критической концентрации иммуноглобулина показано, что влияние молекулы белка распространяется на почти 4000 молекул ПАМ в монослое. Это хорошо согласуется с данными по липид-белковым взаимодействиям в биомембранах [7]. Уменьшение скорости полимеризации ПАМ было обнаружено и при увеличении концентрации в монослое мембранных белков типа фотосинтетических реакционных центров [42].
Из анализа приведенных выше данных следует, что соединения, способные изменять расположение или подвижность молекул ПАМ в монослоях, оказывают существенное влияние на кинетику радикальной полимеризации мономеров на границе раздела фаз. Это важно иметь в виду на практике, например, при создании матриц для иммобилизации биологически активных соединений путем полимеризации ПАМ в монослоях.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЛЬТРАТОНКИЕ
ОРИЕНТИРОВАННЫЕ МЕМБРАНЫ С ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ БЕЛКАМИ
Как для моделирования биомембран, так и для практического использования мембранных систем очень важно создавать полимерные моно- и муль-тислои ПАМ с функциональными элементами. Этого можно достигнуть, например, путем иммобилизации в монослои ПАМ ионоселективных краун-эфиров или пептидных ионофоров (способных селективно связывать катионы щелочных металлов), фоточувствительных азо- или сгириловых красителей (способных к обратимой цис-транс-изомеризации под действием облучения при определенных длинах волн), поверхностно-активных нуклеозидов (способных связывать комплементарные пуриновые или пиримидиновые основания), биорецепторов (для молекулярного узнавания суб-
стратов) типа систем биотин-стрептавидин или антитело-антиген. Наиболее важными как в фундаментальном, так и в прикладом аспектах примерами функционализации монослоев ПАМ являются, по нашему мнению, иммобилизация водорастворимых ферментов (типа глюкозооксидазы) или мембранных белков (типа бактериородопсина или бактериальных фотосинтетических реакционных центров).
Биосенсоры на основе полимерных монослоев с адсорбированной глюкозооксидазой
Наиболее активные исследования по биосенсорам в настоящее время сконцентрированы в области создания электродов с иммобилизованными ферментами [13, 14, 43]. Для создания таких систем широко обсуждаются достоинства техники Ленгмюра-Блодже [44—48]. Однако получить стабильные монослои ферментов на границе раздела вода-воздух долгое время не удавалось вследствие их высокой растворимости в водной субфазе и быстрой денатурации на границе раздела фаз [7]. Только недавно и практически одновременно несколько групп исследователей [43—48] добились успеха в получении адсорбционных слоев глюкозооксидазы на поверхности монослоев различных ПАВ или липидов и создании на их основе ферментных электродов.
Показано, что глюкозооксидаза значительно сильнее адсорбируется на монослои положительно заряженных смесей липидов типа фосфатидил-холина с ЦТАБ, чем на монослои цвиттер-ионных или отрицательно заряженных липидов [44]. В то же время давление коллапса липид-белковых монослоев практически не отличается от такового для исходных монослоев липидов, что свидетельствует об их высокой стабильности. Повышенную адсорбцию фермента на смешанные монослои фосфатидилхолин-ЦТАБ можно объяснить электростатическим взаимодействием отрицательно заряженных участков белковых глобул с положительно заряженными аммониевыми и холиновы-ми группами ПАВ при нейтральных рН. Одновременно проведенная оценка активности и распределения фермента в "ленгмюровской ванне" показала, что концентрация и активность белка в слое существенно выше в присутствии предварительно сформированного монослоя липида [44]. Полученные липид-белковые монослои достаточно стабильны при высоких поверхностных давлениях (20-40 мН/м), что позволило перенести их на специальные электроды с образованием мульти-слойных структур заданной толщины, которые могут служить как биосенсоры на глюкозу [45].
С целью улучшения параметров такого биосенсора использовали МА-16Вг - полимеризующийся аналог ЦТАБ. Этот положительно заряженный ПАМ способен образовывать стабильный монослой в отсутствие других липидов, что приводит к
/, нА 20 h
10
Si
■ D
□ О
В ° •
□
о ▲
—I—
G
О
□
О А
■ 5
□ 4
о 3
• 2
А 1
_1_
2 6 10 с, ммоль/л
Рис. 5. Зависимость амперометрического отклика / от концентрации глюкозы с в электрохимической ячейке с платиновым электродом, покрытым двумя (1), четырьмя (2), шестью (5), восемью (4) и десятью (5) смешанными монослоями МА-16Вг-глюкозооксидаза.
Время, мин
Рис. 6. Обратимые изменения площади от времени фотоактивации (570 нм) для исходных монослоев АКБР с АКФЭ (У) и бактериородопси-на (2), а также монослоев бактериородопсина с АКФЭ (3) и АКБР с АКФЭ (4) после их полимеризации при 10 мН/м на 0.5 М растворе КС1. Стрелки вниз и вверх - включение и выключение облучения соответственно.
повышению суммарного положительного заряда монослоя ПАМ и увеличивает адсорбцию фермента на такой монослой. Наиболее важным результатом является линейная зависимость амперометрического сигнала биосенсора от концентрации глюкозы в области 0.5-5.0 ммоль/л (рис. 5). При дальнейшем увеличении концентрации глюкозы сигнал возрастает нелинейно, что можно объяснить как субстратным насыщением молекул фермента, так и кинетическим контролем амперометрического сигнала. Обнаружена линейная зависимость величины сигнала от числа нанесенных на электрод липид-белковых монослоев и от величины поверхностного давления, при котором осуществлялся перенос липид-белковых монослоев на электрод [49]. Оба эффекта связаны с изменением количества фермента на электроде при указанных условиях. После полимеризации монослоя МА-16Вг с адсорбированным ферментом, улучшается воспроизводимость измерений и увеличивается срок службы биосенсора за счет того, что жесткий полимерный монослой липида предотвращает постепенное вымывание фермента с поверхности электрода [49]. Таким образом, тонкопленочной технологией впервые получен биосенсор, способный измерять глюкозу в физиологической области концентраций.
Мембраны на основе бактериородопсина и его смесей с полимеризующимися липидами
Бактериородопсин - это мембранный светочувствительный белок, обеспечивающий трансмембранное разделение заряда ("протонный насос") при
поглощении кванта света [7]. Поскольку бактериородопсин является гидрофобным белком, неудивительно, что он сам, даже без добавления липида, способен образовывать стабильные монослои на границе раздела фаз. Наиболее простым и удобным, по нашему мнению, является метод получения монослоев бактериородопсина при нанесении его из водной суспензии на различные солевые подложки [50-53]. Нативность бактериородопсина в моно- и мультислоях была подтверждена спектральными и фотоэлектрическими измерениями [52, 53], методами туннельной микроскопии и брюстеровского рассеяния [54].
Наиболее важные результаты были получены при изучении функционирования бактериородопсина и его производного, модифицированного ак-рилоилхлоридом по аминогруппам лизина (АКБР), под действием излучения в диапазоне 530-600 нм (максимум поглощения бактериородопсина 570 нм) в монослоях ПАМ и полимеров [51]. С началом облучения (стрелка вниз на рис. 6) всей поверхности монослоя бактериородопсина (А, = 570 нм) площадь монослоя уменьшается и через 4—5 мин достигает постоянных значений (поверхностное давление постоянно и равно 20 мН/м). После прекращения облучения (стрелка вверх на рис. 6) величина площади монослоя начинает медленно возвращаться к исходному значению. Указанные эффекты можно объяснить конформационными изменениями белка, связанными с его функциональной активностью. Обнаружено, что обратимое изменение площади монослоя для смешанных монослоев бактериородопсина или АКБР с липидами,
в том числе с полимеризующимся липидом АКФЭ (рис. 6, кривая 1), несколько больше, чем для индивидуального белка (рис. 6, кривая 2). По-видимому, это связано с большей подвижностью бактериоро-допсина в липидном окружении. Полимеризация липида при малой интенсивности УФ-облучения (X = 254 нм) лишь немного уменьшает обратимые изменения площади смешанного монослоя бакте-риородопсин-АКФЭ при фотоактивации белка (рис. 6, кривая 3). Иными словами, иммобилизация бактериородопсина в пленку линейного полимера не существенно ограничивает конформационную подвижность белка. С другой стороны, сополиме-ризация АКБР ("полифункционального макромономера") с АКФЭ в смешанном монослое при 254 нм уменьшает величину таких обратимых фотоизменений площади монослоя более чем на порядок (рис. 6, кривая 4). Следовательно, химическая иммобилизация модифицированного белка в липидное окружение с образованием сшитого полимерного монослоя значительно ограничивает конформационную подвижность бактериородопсина в возбужденном состоянии фотоцикла. Эти эффекты могут быть важны при создании фото-хромных материалов и "биочипов" на основе бактериородопсина.
Мембраны на основе белков реакционных центров и их смесей с липидами
Реакционные центры фотосинтетических бактерий представляют собой хромофор-белковые комплексы, способные к фотоиндуцированному направленному переносу электрона через биомембраны [7]. В настоящее время получены и исследованы монослои реакционных центров из пурпурных (Rhodopseudomonas viridis, Rhodobacter sphaeroides дикий тип и штамм R-26) и зеленых (Chloroflexus aurantiacus) фотосинтетических бактерий [55-58]. Изотермы к-А для всех указанных реакционных центров имеют два участка с различным наклоном кривой, каждый из которых соответствует определенному состоянию монослоя [57]. При низких давлениях и больших площадях на молекулу (жидкорастянутое состояние) поведение монослоев реакционных центров определяется молекулами детергента или липида, которые "обволакивают" гидрофобную поверхность белковых глобул и препятствуют агрегации реакционных центров в водной суспензии. При давлениях выше 32 мН/м вплоть до давлений коллапса монослоев, наблюдается область жидкоконденси-рованного состояния чисто белкового монослоя [57], в котором далее изучали функционирование реакционных центров.
Использование специальных полимеризую-щихся липидоподобных мономеров позволило существенно влиять на ориентацию реакционных центров из Rb. sphaeroides в смешанных монослоях
t
CQ 5
JJ I
>п
1-Т7.-1
60 с
Рис. 7. Фотоэлектрический потенциал ленгмю-ровских пленок, состоящих из 10 монослоев белков реакционных центров из ЯЬ. зрЬаеимёез -АКФЭ (1 : 10, моль/моль) (а) из 25 монослоев белков реакционных центров из ЯЬ. ярИаегснёез -ТДК (1:100, моль/моль) (б) при фотоактивации. Стрелки вниз и вверх - включение и выключение облучения соответственно.
вплоть до изменения на прямо противоположную и увеличить стабильность монослоев реакционных центров, что явилось важнейшим результатом исследований [58]. Так, пленки на основе реакционных центров и АКФЭ (мольное соотношение 1:10) после полимеризации полностью сохраняли свои спектральные и фотоэлектрические свойства (рис. 7). В ответ на вспышку света наблюдались характерные окислительно-восстановительные превращения в полосе поглощения димера бактерио-хлорофилла при 855 нм. Знак фотопотенциала и кинетика его генерации как до, так и после полимеризации совпадали с таковыми для пленок индивидуальных реакционных центров из Rb. врЬаекм-des (плюс на 8п02-электроде) [58]. В то же время смешанные пленки на основе реакционных центров из Rb. зрЬаеп^ез и ТДК (мольное соотношение 1:100) как до, так и после полимеризации обнаруживали противоположный знак фотопотенциала (минус и 8п02-электроде) (рис. 7) [58].
Таким образом, ориентация белковых молекул в монослое может изменяться искусственно и затем фиксироваться путем использования специальных ПАМ, что открывает новые перспективы для фоточувствительных материалов на их основе.
Авторы благодарны Е.А. Барышниковой, В.П. Верещетину, Е.П. Гришиной, H.A. Калаби-ной, A.A. Клямкину, О.С. Новиковой и Е.П. Плясовой за помощь в работе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бадер X., Дорн К., Хупфер Б., Рингдорф X. // Успехи химии. 1987. Т. 56. № 12. С. 2028.
2. Fendler J.H. Membrane Mimetic Chemistry: Characterizations and Applications of Micelles, Microemulsions, Monolayers, Bilayers, Vesicles, Host-Guest Systems and Polyions. New York: Wiley, 1982.
3. Арсланов B.B. // Успехи химии. 1994. Т. 63. № 1. С. 3.
4. Егоров В.В., Зайцев С.Ю., Зубов В.П. // Высокомо-лек. соед. А. 1991. Т. 33. № 8. С. 1587.
5. Birdi K.S. Lipid and Biopolymer Monolayers at Liquid Interfaces. New York; London: Plenum Press, 1989.
6. Ulman A. An introduction to Ultrathin Organic Films from Langmuir-Blodgett to Self-assembly. Boston: Acad. Press, 1991.
7. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. M.: Просвещение, 1987.
8. Львов Ю.М., Ерохин В.В., Зайцев С.Ю. // Биоло-гич. мембраны. 1990. Т. 7. № 9. С. 917.
9. Roberts G.G. // Sensors and Actuators. 1983. V. 4. P. 131.
10. Kuhn H. //Thin Solid Films. 1989. V. 178. P. 1.
11. Блинов Л.М. // Успехи физ. наук. 1988. Т. 155. № 3. С. 443.
12. Блинов Л.М. // Успехи химии. 1983. Т. 52. № 8. С. 1263.
13. Гевод B.C., Ксенжик О С., Решетняк ИЛ. И Био-логич. мембраны. 1988. Т. 5. № 12. С. 1237.
14. Moriizumi Т. //Thin Solid Films. 1988. V. 160. P. 413.
15. Курочкин И.Н., Попов Б.Н., Чернов С.Ф. // Биоло-гич. мембраны. 1990. Т. 7. № 10. С. 1068.
16. Зайцев С.Ю., Звонкова E.H., Зубов В.П. // Биоорган. химия. 1986. Т. 12. № 12. С. 1675.
17. Зайцев С.Ю., Зубов В.П. // Биологии, мембраны. 1988. Т. 5. № 3. С. 252.
18. Zaitsev S.Yu., Zubov V.P. // Makromol. Chem., Macro-mol. Symp. 1991. V. 46. P. 9.
19. Клямкин A.A. Дис. ... канд. хим. наук. М.: КЛГУ, 1992.
20. Егоров В.В., Зайцев С.Ю., Клямкин A.A., Зубов В.П. И Высокомолек. соед. А. 1990. Т. 32. № 5. С. 949.
21. Егоров В В., Зайцев С.Ю., Клямкин A.A., Ксено-фонтова О.Б., Зубов В.П. // Коллоид, журн. 1990. Т. 52. № 4. С. 770.
22. Hupfer В., Ringsdorf Н. // Chem. Phys. Lipids. 1983. V. 33. P. 263.
23. Молотковский К).Г., Дергоусов A.A., Бергельсон Л.Д. // Биоорган, химия. 1988. Т. 14. № И. С. 1557.
24. Бергельсон Л.Д., Дятловицкая Э.В., Молотковский Ю.Г., Батраков С.Г., Барсуков Л.И., Прока-зова Н.В. Препаративная биохимия липидов. М.: Наука, 1981.
25. Regen S.L., Singh A., Oehme G., Singh M. // J. Am. Chem. Soc. 1982. V. 104. № 3. P. 791.
26. Новикова О.С. Дипломная работа. M.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1994.
27. Day D., Ringsdorf Н. // J. Polym. Sei., Polym. Lett. Ed. 1978. V. 16. P. 205.
28. Hupfer В., Ringsdorf H., Schupp H. // Makromol. Chem. 1981. V. 182. № 1. P. 247.
29. Гришина Е.П. Дипломная работа. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1991.
30. Плясова Е.П. Дипломная работа. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1990.
31. Егоров В В., Клямкин A.A. // Вестн. МГУ. Сер. 2, Химия. 1992. Т. 33. № 2. С. 197.
32. Егоров В.В., Клямкин A.A., Зубов В.П. // Вестн. МГУ. Сер. 2, Химия. 1995. Т. 36. № 5. С. 488.
33. Багдасарьян X. Теория радикальной полимеризации. М.: Наука, 1966.
34. Егоров В.В., Батракова Е.В., Зубов В.П. // Высокомолек. соед. А. 1988. Т. 30. № 9. С. 1895.
35. Зайцев С.Ю., Клямкин A.A., Плясова Е.П., Вере-щетин В.П., Зубов В.П. // Высокомолек. соед. Б. 1995. Т. 37. №10. С. 1762.
36. Егоров В.В., Батракова Е.В., Орлов Ю.Н., Зубов В.П., Кабанов В.А. // Высокомолек. соед. Б. 1985. Т. 27. № 2. С. 87.
37. Егоров В.В., Клямкин A.A., Зубов В.П. //Высокомолек. соед. А. 1992. Т. 34. № 11. С. 61.
38. Егоров В.В., Ксенофонтова О.Б., Бондарев В.Н., Супрун Н.В., Клямкин A.A., Новаковский В.Б., Зайцев С.Ю. // Вестн. МГУ. Сер. 2, Химия. 1991. Т. 32. № 5. С. 526.
39. Себякин ЮЛ., Смирнова Ю.В., Клямкин A.A., Ксенофонтова О.Б., Зайцев С.Ю., Егоров В.В., Евстигнеева Р.П. И Докл. РАН. 1992. Т. 322. № 5. С. 929.
40. Егоров В.В., Ксенофонтова О.Б., Клямкин A.A. I/ Коллоид, журн. 1991. Т. 53. № 1. С. 14.
41. Егоров В.В., Ксенофонтова О.Б., Батракова Е.Б. И Коллоид, журн. 1991. Т. 53. № 2. С. 143.
42. Калабина H.A., Зайцев С.Ю., Зубов В.П. // Биоло-гич. мембраны. 1994.Т. И. № 3. С. 324.
43. Scheller F., Schubert F., Neumann В., Pfeiffer D., Hintsche R., Dransfeld !., Wollenherger U., Renne bergR., War sinke A„ Johansson G„ Skoog M.. YangX., Bogdanovskaya V., Buckmann A„ Zaitsev S.Yu. // Biosensors and Bioelectronics. 1991. V. 6. № 3. P. 245.
44. Зайцев С.Ю., Ханке Т., Волленбергер У., Эберт Б., Калабина H.A., Зубов В.П., Шеллер Ф. И Биоорган, химия. 1991. Т. 17. №6. С. 767.
45. Zaitsev S.Yu. II Colloids and Surfaces. 1993. V. 75. P. 211.
46. Sriyudthsak M„ Yamagishi H„ Moriizumi T. // Thin Solid Films. 1988. V. 160. P. 463.
47. Okahata Y., Тsuruta Т., Ijiro К., Ariga К. // Langmuir. 1988. V. 4. Р. 1373.
48. Arizawa S„ Yamamoto R. // Thin Solid Films. 1992. V. 210/211. P. 443.
49. Zaitsev S.Yu. // Sensors and Actuators. B. 1996. V. 24/25. P. 177.
50. Зайцев С.Ю.,Дзехцер СВ., Зубов В.П. // Биоорган, химия. 1988. Т. 14. № 6. С. 850.
51. Zaitsev S.Yu., Dzekhtser S.V., Zubov V.P. // Studia Bio-physica. 1989. V. 132. № 1/2. P. 105.
52. Lykashev E.P., Zaitsev S.Yu., Kononenko AA., Zubov V. Р. // Studia Biophysica. 1989. V. 132. № 1/2. P. 111.
53. Лукашев Е.П., Зайцев С.Ю., Кононенко A.A., Зубов В.П. II Докл. АН СССР. 1989. Т. 308: № 1. С. 225.
54. Зайцев С.Ю., Маак Ю., Мебиус Д., Зубов В.П. И Биологич. мембраны. 1994. Т. 11. № 4. С. 525.
55. Калабина Н.А., Зайцев С.Ю., Кутузов М.А., Золотарев А.С., Лукашев В.П., Кононенко А.А., Абду-лаев Н.Г., Зубов В.П. // Биологич. мембраны. 1990. Т. 7. № 10. С. 1086.
56. Zaitsev S.Yu., Kalabina N.A., Zubov V.P., Luka-shev E.P., Kononenko A.A., Uphaus R.A. // Thin Solid Films. 1992. V. 210/211. P. 723.
57. Zaitsev S.Yu., Kalabina N.A., Zubov V.P., Chumanov G., Gaul D., Cotton T.M. // Colloids and Surfaces. 1993. V. 78. P. 211.
58. Kalabina N.A., Zaitsev S.Yu., Zubov V.P., Luka-shev E.P., Kononenko А.А.Ц Makromol. Chem., Macro-mol. Symp. 1996. V. 106. P. 193.
Functional Polymeric Membranes Based on Monolayer Films of Surface-Active Monomers
S. Yu. Zaitsev*, V. V. Egorov**, and V. P. Zubov***
*Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117871 Russia **Moscow State Academy of Veterinary Medicine and Biotechnology, ul. Skryabina 23, Moscow, 117871 Russia ***Lomonosov State Academy of Fine Chemical Technology, pr. Vernadskogo 86, Moscow, 119831 Russia
Abstract—A series of surface-active and lipid-like monomers, having polymerizable groups (acrylic, meth-acrylic, dienoic, and dioic) in hydrophilic and hydrophobic parts of molecules, were synthesized. Polymerization reactions of these monomers in monolayers were studied in detail. The general laws and the kinetic features of polymerization of the surface-active monomers in monolayers at the liquid-gas interface were established. The synthesized monomers were used to obtain functional polymeric membranes with immobilized proteins (glucose oxidase, bacteriorhodopsin, photosynthetic reaction centers) having good prospects for applications in biosensor devices, molecular electronics, and medical diagnostics.
