CC BY
10ШДЖЭИ Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #11, 2016
ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП НА ПОВЕРХНОСТИ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ПРОЕКЦИИ КАПЛИ
Стебко Д.С.
студент Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»
Белорус А.О.
Аспирант кафедры микро- и наноэлеткроники Санкт-Петербургского Государственного электротехнического
университета «ЛЭТИ» Букина Я.В.
студент Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»
Пастухов А.И.
студент Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»
Предложены методы исследования характеристик поверхности пористых материалов для их использования в качестве наноконтейнеров для адресной доставки лекарств. Получены данные по характеризации свойств поверхности пористого кремния, полученного при различных условия анодирования.
Ключевые слова: пористый кремний, локальная доставка лекарств, индикаторный метод, метод проекции капли, методы характеризации поверхности.
INVESTIGATION OF THE FUNCTIONAL GROUPS AT THE SURFACE OF POROUS SILICON BY USING METHOD OF THE DROP PROJECTION
Stebko D.S.
student of the St. Petersburg State, Electrotechnical University "LETI" Belorus A.O.
PhD student Department of Micro- and Nanoelectronics St. Petersburg State Electrotechnical University "LETI"
Bukina Y.V.
student of the St. Petersburg State, Electrotechnical University "LETI" Pastukhov A.I.
student of the St. Petersburg State, Electrotechnical University "LETI"
A method of investigating the characteristics of the surface of porous materials for use as nanocontainers for targeted drug delivery. Data has been collected on characterization of surface properties of por-Si received under different conditions of anodization.
Keywords: porous silicon, targeted drug delivery, an indicator method, method of drop projection, characterization methods of the surface.
Развивающимся направлением биомедицины является адресная доставка лекарств. Для данной отрасли необходимы материалы с определенными характеристиками, такие как высокая пористость, развитость поверхности, определенные функциональные группы на поверхности, гидрофобность или гидрофильность материала [1-4]. Следовательно, необходимы и соответствующие методы исследования данных характеристик.
Пористый кремний (por-Si) является перспективным материалом для применения в качестве наноконтейнера для адресной доставки лекарств. Пористый кремний, получаемый при разных условиях, можно рассматривать как целый класс полупроводниковых материалов, так как его свойства могут варьироваться в значительном диапазоне в зависимости от условий синтеза [5-9]. Существуют методы исследования, позволяющие определить характеристики пористого кремния, важные для его применения в адресной доставке лекарств [1, 10-12].
Индикаторный метод позволяет качественно определять функциональные группы на поверхности нерастворимых твердых веществ. Образец помещают в водный раствор индикатора, который изменением цвета сигнализирует о наличии определенных поверхностных соединений, обладающих кислотно-основными и донорно-акцепторными свойствами. Использование широкого набора индикаторов с различными значениями pKа позволяет получать
распределение адсорбционных центров по величинеpKа. Параллельно с основной реакцией, проводят исследование реакции индикатора на раствор, из которого образец был удален после контакта с водой (контрольный раствор). Использование контрольного раствора позволяет исключить изменение рН раствора индикатора за счет взаимодействия воды с поверхностью исследуемого материала. Проводятся спектрофотометрические измерения каждого раствора. Сравнение коэффициента пропускания для раствора после контакта с индикатором и для контрольного образца позволяет определить количество адсорбируемого индикатора. Этот метод чрезвычайно чувствителен и позволяет различать функциональные группы одного и того же химического состава, отличающиеся только распределением электронной плотности.
Индикаторы с наиболее низкими значениями рК селективно адсорбируются на активных центрах основного Льюисовского типа. Далее по мере увеличения величины рК индикаторов их селективная адсорбция происходит на Бренстедовских кислотных, Бренстедовских основных и Льюисовских кислотных центрах [12]. Информация о функциональных группах на поверхности позволяет повысить эффективность процесса инкапсуляции лекарственных средств.
Данным методом были исследованы 2 серии образцов, отличающиеся условиями получения [13]. Серии отличают-
44
© Стебко Д. С., Белорус А. О., Букина Я. В., Пастухов А. И., 2016
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #11, 2016 Ш11Ж9И
ся плотностью тока анодирования, 30 и 80 мА/см2. Результаты эксперимента сведены в таблицу 1.
Таблица 1.
PKa Индикатор Предполагаемый тип поверхностных центров Содержание поверхностных центров, нмоль/ см2
плотность тока анодирования 30 мА/см2 плотность тока анодирования 80 мА/см2
2,5 Метанитроанилин Кислотные гидроксилы =81-ОН 28,5 25,2
6,4 Бромкрезоловый пурпурный Близкие к нейтральным гидроксилы =81(ОН)2 7,24 24,9
8,8 Тимоловый синий Основные гидроксилы -81(ОН)3 1,17 10,1
14,2 Этиленгликоль Атомы 81 6,1 356
Как видно из полученных данных, функциональный состав поверхности регулируется в зависимости от плотности тока анодирования. Поверхность образцов, полученных при плотности тока анодирования 30 мА/см2, преимущественно заполнены адсорбционными центрами с величиной рКа, соответствующие кислотным гидроксилам =81-ОН. Увеличение плотности тока до 80 мА/см2 приводит к значительному увеличению содержания поверхностных адсорбционных центров, в первую очередь к увеличению содержания кислотных центров Льюиса, соответствующих атомам 81.
Определение поверхностных функциональных групп пористого кремния, полученного при определенных условиях, требует значительного количества образцов в серии. Целесообразно исследовать функциональные группы не во всем диапазоне рК , а сконцентрироваться на определенных значениях рК . На возможность функционализации поверхности пористого кремния биомаркерами значительно влияет наличие определённых поверхностных функциональных групп [14]. Поэтому, определив гидрофильность или гидро-фобность поверхности, можно с большой точностью предположить кислотные, основные или близкие к нейтральным центры адсорбированы на поверхности пористого материала. Таким образом можно выбрать диапазон значений рКа, наиболее интересный для исследования. Это позволяет сократить количество необходимых образцов в серии, что
ведет к ускорению процесса измерения. Для выбора этих значений может быть использован метод определения краевого угла смачивания.
Слои пористого кремния были получены методом электрохимического анодного травления в однокамерной ячейке с использованием раствора-электролита на основе плавиковой кислоты. В процессе получения варьировалась плотность тока анодирования.
Краевой угол смачивания полученных слоёв определялся методом проекции капли. Для этого на слои рог-81 механическим дозатором были нанесены капли воды, после чего полученные изображения фиксировались. Исследование данного параметра производилось с помощью стенда, собранного в лаборатории «УНЛ Наноматериалы» на кафедре микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. Ульянова (Ленина), изображение которого приведено на рисунке 1 [15]. Стенд состоит из закрепленного измерительного микроскопа с горизонтальной оптической осью, расположенной в одной плоскости с исследуемым образцом. Для получения измерений краевого угла смачивания (в виде цифрового изображения), также был создан виртуальный прибор в программной среде ЬаЬУ1ЕШ для дальнейшей обработки полученных изображений.
Рис.1. Схематическое изображение стенда для измерения краевого угла смачивания 1 - пример получаемого изображения капли на мониторе компьютера 2 - цифровой ШБ-микроскоп «01§1Ы1сго 2.0» 3 - кнопка получения снимка и включения/выключения подсветки 4 - система крепления микроскопа 5 - рычаг регулировки фокусного расстояния микроскопа 6 - оптическая ось микроскопа 7 - капля, наносимая с помощью дозатора 8 - подложка (в нашем случаем пленка полимера, нанесенная на стекло) 9 - столик с подвижным механизмом 10 - подвижный механизм
Расчёт краевого угла смачивания производится в программной среде ЬаЬУ1ЕШ, с помощью разработанного про-
граммного обеспечения «Measurement of contact angle» [16] по цифровому изображению, полученному в ходе экспери-
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #11, 2016
мента. Принцип работы виртуального прибора заключается в том, что программа, обрабатывая изображение, получает данные о диаметре и высоте капли и производит расчет краевого угла смачивания методом «проекции капли». Точность расчета угла по данной методике оценивается в 1-5 градусов.
Данный прибор позволяет значительно упростить процедуру получения значения угла смачивания из экспе-
риментальных изображений, поскольку программа автоматически производит расчет угла, что даёт возможность экономить время при обработке данных [17].
Было исследовано 6 серий образцов, полученных при разных плотностях тока анодирования. Полученные данные представлены в виде графика зависимости плотности тока анодирования образцов от измеренного краевого угла смачивания (рисунок 2).
Рис. 2. Изменение краевого угла смачивания в зависимости от плотности тока анодирования
Полученные результаты говорят о том, что гидрофильные свойства материала изменяются нелинейно, имеется максимум для образцов, полученных при плотности тока 30 мА/см2 (краевой угол смачивания 43°). Образцы, полученные при плотностях тока 5 и 120 мА/см2, проявляют гидрофобные свойства (краевой угол смачивания 108° и 121° соответственно). При плотности тока анодирования 50 и 80 мА/см2 образцы не обладают ярко выраженной ги-дрофобностью (краевой угол смачивания 56° и 71° соответственно).
Таким образом с помощью полученных данных по измерениям краевого угла смачивания можно дать рекомендацию для проведения экспериментов индикаторным методом для образцов пористого кремния при плотностях тока анодирования 5 и 120 мА/см2 и предположить высокую концентрацию поверхностных центров (Si atoms) с pKa приблизительно равным 14 на поверхности пористого кремния.
Работа выполнялась в рамках проектной части госзадания Минобрнауки РФ № 16.2112.2014/К по теме «Получение и исследование пористых систем, функционализированных наноматериалами, применений в фотонике, сенсорике и медицине».
Список литературы:
1. Исследование, технология и использование нанопористых носителей лекарств в медицине / Под общей редакцией Шевченко В.Я., Киселева О.И., Соколова В.Н. // СПб.: Изд-во Химиздат - 2015.
2. Белорус А.О., Мараева Е.В., Спивак Ю.М. Современные методы анализа параметров пористой структуры материалов. исследование порошков пористого кремния методом капиллярной конденсации. Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2015. Т. 2. С. 11-14.
3. Морфология и свойства поверхности пористого кремния для адресной доставки лекарств / Спивак Ю.М., Белорус А.О., Селезнев Б.И., Мошников В.А. // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. -2015. - № 8 (91). - С. 77-80.
4. Preparation and investigation of porous silicon nanoparticles for targeted drug delivery / Spivak Yu.M., Maraeva E.V., Belorus A.O., Molchanova A.V., Nigmadzyanova N.R. // Smart Nanocomposites. - 2013. - Т. 4. - № 1. - С. 115-118.
5. Исследование фотолюминесценции пористого кремния, полученного методом фотоэлектрохимического травления / Белорус А.О., Кошевой В.Л., Спивак Ю.М., Левицкий В.С., Мошников В.А. // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. - 2015. - № 23 (187). - С. 126-132.
6. Исследование влияния технологических условий получения на толщину слоев пористого макро- и мезокремния / Семенова П.Ю., Спивак Ю.М. // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения - 2015. - Т. 15 - №3. -С. 173-175.
7. Porous silicon nanoparticles for target drug delivery / Belorus A.O., Bespalova K., Bobkov A.A., Permyakov N.V. // European Conference on Innovations in Technical and Natural Sciences. - 2015. - P. 31-36.
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #11, 2016 Ш11Ж9И
8. Беспалова К.А., Белорус А.О., Шайдаров Л.В., Третьяков А.В. Investigation of the influence of etch process upon the morphology of the porous silicon particles. Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2015. Т. 7. С. 10-13.
9. Porous silicon nanoparticles for target drag delivery: structure and morphology / Спивак Ю.М., Белорус А.О., Somov P.A., ТуленинС.С., Bespalova K.A., Мошников В.А. //Journal of Physics: Conference Series. - 2015. - Т. 643. - С. 012022.
10. The study of porous silicon powders by capillary condensation / Belorus A.O., Maraeva E.V., Spivak Y.M., Moshnikov V.A. // Journal of Physics: Conference Series. - 2015. - Т. 586. - № 1. - С. 12-17.
11. Кошевой В.Л., Белорус А.О., Левицкий В.С. Исследование распределения параметра кристалличности для плёнок mc-Si, полученных методом PECVD, с помощью рамановской спектроскопии. Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 19 (183). С. 118-123.
12. Гаврилов, В.Ю. Физико-химические основы адсорбционного анализа дисперсных и пористых материалов: учебное пособие - Новосибирск: Изд-во НХТК, 2007. - 66с.
13. Surface functionality features of porous silicon prepared and treated in different conditions / Spivak Yu.M., Myakin S.V., Moshnikov V.A., Panov M.F., Belorus A.O., Bobkov A.A. // Journal of Nanomaterials. - 2016. - Т. 2016.
14. Morphology and internal structure of porous silicon powders in dependence on the conditions of post-processing / A. O. Belorus • K. Bespalova • Yu. M. Spivak // Conference Paper - February 2016 - DOI: 10.1109/EIConRusNW.2016.7448108 -Conference: 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW)
15. Новые наноматериалы. Синтез. Диагностика. Моделирование: лабораторный практикум / Александрова О. А., АлешинА.Н., Белорус А.О., Бобков А.А., Гузь А.В., Кальнин А.А., Кононова И.Е., Левицкий В.С., Мазинг Д.С., Мараева Е.В.,Матюшкин Л.Б., Москвин П.П., Мошников В.А., Муратова Е.Н., Налимова С.С., Пономарева А.А., Пронин И.А., Спи-вакЮ.М. / / Санкт-Петербург, 2015.
16. Белорус А.О., Комлев А.А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014613394, // Measurement of contact angel (MofCA) 26 марта 2014 г.
17. Исследование поведения наночастиц порошков пористого кремния методом «растекающейся капли» / Белорус А.О. // Современная наука: теоретический и практический взгляд; сборник статей Международной научно-практической конференции под ред. Сукиасян А.А.. - 2015. - С. 3-10.
МИКРОКЛОНАЛЬНОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ ПЛОДОВЫХ КУЛЬТУР (ОБЗОР)
Сулейманова Севиль Джаваншир кызы,
Научно-исследовательский институт плодоводства и чаеводства Министерства Сельского Хозяйства Азербайджанской
Республики, диссертант
В области проблем, решаемых в растениеводстве с помощью метода культуры тканей, вегетативное микроклональное размножение растений наиболее подробно изучено и широко внедрено в производство. Наибольшие практические результаты достигнуты на основе этой технологии и создана биоиндустрия микроклонального размножения растений. Из статьи можно будет получить представление об изученности данного вопроса.
Ключевые слова: микроклональное размножение растений, посадочный материал, плодовые культуры, in vitro.
MICROCLONAL PROPAGATION OF FRUIT CROPS (REVIEW)
Suleymanova Sevil Javanshir qizi,
Research Institute of fruit and tea growing Ministry of Agriculture of the Republic of Azerbaijan, postgraduate student
In the field of the problems to be solved in plant culture method using tissues, vegetative micropropagation most extensively studied and widely applied in industry. The greatest practical results achieved based on this technology and created bioindustry micropropagation plant propagation. From the article it will be possible to get an idea of the study of this issue.
Keywords: microclonal propagation of plants, planting material, fruit crops, in vitro.
Введение
Достижения научно-технического прогресса невозможны без внедрения принципиально новых биотехнологий в производство. Значительное место в разработке приоритетных направлений науки занимает метод культуры растительных клеток, тканей и органов. С помощью этого метода представляется возможность резко повысить морфогене-тический потенциал растительного организма в интересах хозяйственной деятельности человека. Метод позволяет решить ряд практических проблем, таких как получение сортовых линий на основе сомаклональной изменчивости; гаплоидов и гомозиготных растений с применением мутагенов и стрессовых условий; массовое размножение оздоров-
ленных растений; получение биологически активных соединений и т.д. Эти крупные народно-хозяйственные проблемы решаются на основе особенностей биологии растительной клетки in vitro и прежде всего на ее способности в результате процессов деления и дифференциации воспроизводить целое растение. Безусловно, что решение указанных выше проблем потребует проведения глубоких исследований с участием высококвалифицированных кадров.
Теорией и принципом разработки этой биотехнологии является положение о возможности индукции дифференциации и органогенеза, возникновения биологической формы из одной растительной клетки, ее способности образовывать целое растение. Клетка in vivo в составе ткани
© Сулейманова Севиль Джаваншир кызы, 2016
47
