Silanization of silicon and mica
सिलिकॉन और अभ्रक का सिलानीकरण इन सामग्रियों का स्व-संयोजन इकाइयों की एक पतली परत के साथ लेप है। परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (ए. एफ. एम.) का उपयोग करके प्रोटीन के सिलनीकरण नैनोस्केल विश्लेषण के जैविक अनुप्रयोगों के लिए कई प्रयोगात्मक तकनीकों के लिए अच्छी तरह से परिभाषित टोपोलॉजी और रसायन विज्ञान वाली सतहों की आवश्यकता होती है। जैव अणु, विशेष रूप से प्रोटीन, को हाइड्रोफोबिक या इलेक्ट्रोस्टैटिक अंतःक्रियाओं के माध्यम से केवल एक अपरिवर्तित सब्सट्रेट सतह पर स्थिर किया जा सकता है। हालांकि, कई समस्याएं सतहों पर प्रोटीन के भौतिक अवशोषण से जुड़ी हैं। धातु की सतहों के साथ, प्रोटीन विकृतीकरण, अस्थिर और प्रतिवर्ती बंधन, प्रोटीन के अनिर्दिष्ट और यादृच्छिक स्थिरीकरण की सूचना मिली है। एक विकल्प में गैर-विकृत परिस्थितियों में प्रोटीन के साथ रासायनिक रूप से संशोधित सतहों की अंतःक्रिया शामिल है। सतहों का रासायनिक संशोधन सतह के रसायन विज्ञान को सटीक रूप से नियंत्रित करने की क्षमता प्रदान करता है, और सही रासायनिक संशोधनों के साथ, इस दृष्टिकोण के कई फायदे हैं। सबसे पहले, सतह पर अवशोषित प्रोटीन स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में अधिक स्थिर होते हैं। प्रोटीन सतह पर अधिक समान अभिविन्यास भी अपनाते हैं। इसके अतिरिक्त, अधिक प्रजनन क्षमता के साथ प्रोटीन निक्षेपण का उच्च घनत्व संभव है। मूल्यवान जानकारी प्राप्त करने के लिए प्रोटीन को स्थिर करने के लिए कई उदाहरणों में सतहों के रासायनिक संशोधन को सफलतापूर्वक लागू किया गया है। उदाहरण के लिए, डी. एन. ए. की परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी इमेजिंग 3-एमिनोप्रोपाइलट्राइथोक्सीसिलेन (ए. पी. टी. ई. एस.) के साथ लेपित अभ्रक का उपयोग करके की गई है। नकारात्मक रूप से आवेशित डीएनए रीढ़ की हड्डी अमाइन कार्यक्षमता पर सकारात्मक आवेशों के लिए दृढ़ता से बंधी होती है, जिससे स्थिर संरचनाएँ होती हैं जिन्हें हवा और बफर दोनों में चित्रित किया जा सकता है। बेहरेन्स एट अल द्वारा हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, एमाइन-समाप्त सिलिकॉन सतहों का सफलतापूर्वक उपयोग चिकित्सा उद्देश्यों के लिए हड्डी के मॉर्फोजेनेटिक प्रोटीन 2 (बीएमपी 2) को स्थिर करने के लिए किया गया था। हाइड्रोजन-समाप्त सिलिकॉन सतह)। 14 अमाइन समूहों वाले अणु (विशेष रूप से ए. पी. टी. ई. एस.) जैविक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि वे जैव अणुओं के साथ सरल विद्युतस्थैतिक अंतःक्रिया की अनुमति देते हैं। सेल्फ-असेंबल्ड मोनोलेयर्स (एसएएम) का उपयोग करके सतहों का कार्यात्मककरण सेल्फ-असेंबल्ड मोनोलेयर्स (एसएएम) एक अत्यंत बहुमुखी दृष्टिकोण है जो सतह की विशेषताओं के सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है। इसे 1946 में बिगेलो एट अल द्वारा पेश किया गया था, लेकिन यह 1983 तक नहीं था जब इसने व्यापक रुचि को आकर्षित किया, जब सोने पर एल्केनेथियोलेट्स के एसएएम के गठन की सूचना अल्लारा एट अल द्वारा दी गई थी। मोनोलेयर के स्व-संयोजन को कई प्रणालियों का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। स्व-संयोजन का आधार सतह और परत बनाने वाले अणु के बीच एक सहसंयोजक बंधन का निर्माण है और इस आवश्यकता को विभिन्न रासायनिक समूहों जैसे हाइड्रॉक्सिलेटेड सामग्री (कांच, सिलिकॉन, एल्यूमीनियम ऑक्साइड, अभ्रक) में ऑर्गेनोसिलेन्स और उत्कृष्ट धातुओं में ऑर्गेनोसल्फर-आधारित यौगिक प्रजातियों का उपयोग करके पूरा किया जा सकता है। जबकि बाद की प्रणाली को अच्छी तरह से चिह्नित किया गया है, सतहों पर ऑर्गेनोसिलेन परतों के व्यवहार और मोनोलेयर संगठन और संरचना को नियंत्रित करने वाले अंतर्निहित तंत्र के बारे में बहुत कम जानकारी है। यद्यपि सिलिकेट सतहों का सिलनीकरण 40 वर्ष से अधिक समय पहले शुरू किया गया था, फिर भी सतहों पर चिकनी परतों के निर्माण की प्रक्रिया को अभी भी बहुत कम समझा गया है। संभवतः इस स्थिति का सबसे महत्वपूर्ण कारण यह है कि प्रक्रिया के हिस्से के रूप में सिलेनकरण को शामिल करने वाले कई अध्ययन सिलेन परत को पूरी तरह से चिह्नित करने से संबंधित नहीं हैं। एक परिणाम जो सिलेन परतों के लक्षण वर्णन पर हाल के अध्ययनों को एकीकृत करता है, उन प्रतिक्रियाओं की अत्यधिक संवेदनशीलता पर केंद्रित है जो सिलेन परतों के गठन की ओर ले जाती हैं। वास्तव में, सिलिकेट सतहों पर साइलेन की स्व-एकत्रित परतें आर्द्रता, तापमान, साइलेन अभिकर्मक में अशुद्धियों और सिलिकेट सतह के प्रकार जैसे विभिन्न मापदंडों पर निर्भर होने की सूचना मिली है। आणविक रूप से चिकनी परतों के साथ विविध कार्यात्मक सतहों को लगातार और पुनः उत्पन्न करने के लिए, सिलिकेट सतहों के रसायन विज्ञान और उन तरीकों को समझना महत्वपूर्ण है जिनमें विभिन्न पैरामीटर स्व-एकत्रित परतों की प्रकृति को प्रभावित करते हैं। सिलिकॉन और अभ्रक सिलिकॉन ऑक्सीकृत सिलिकॉन की सतह संरचना का जैव अणुओं के जमाव के लिए एक सब्सट्रेट के रूप में व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है। पिरान्हा घोल का उपयोग सिलिकॉन की सतह पर प्रतिक्रियाशील हाइड्रॉक्सिल समूहों के सतह घनत्व को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। - OH समूह हाइड्रोलाइज कर सकते हैं और बाद में कार्बनिक सिलेन अणुओं के साथ सिलोक्सेन संबंध (Si-O-Si) बना सकते हैं। सिलानीकरण के लिए सिलिकॉन सतहों की तैयारी में सतह के दूषित पदार्थों को निकालना शामिल है। यह यूवी-ओज़ोन और पिरान्हा घोल का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। विशेष रूप से पिरान्हा घोल काफी कठोर उपचार का गठन करता है जो संभावित रूप से सिलिकॉन सतह की अखंडता को नुकसान पहुंचा सकता है। फिनलेसन-पिट्स आदि। सिलिकॉन पर कुछ उपचारों के प्रभाव की जांच की और निष्कर्ष निकाला कि खुरदरापन (3-5 Å) और बिखरे हुए बड़े कणों की उपस्थिति दोनों को प्लाज्मा-उपचार के 1 चक्र के बाद संरक्षित किया गया था। हालांकि, पिरान्हा घोल या प्लाज्मा के साथ उपचार के 30 चक्रों के बाद सिलिकॉन की सतह काफी क्षतिग्रस्त हो गई थी। दोनों ही मामलों में, उपचार ने सतह पर अनियमितताओं और बड़े समुच्चय (कुल आकार> 80 एनएम) की शुरुआत की, जब पिरान्हा का उपयोग किया गया तो प्रभाव अधिक स्पष्ट हो गया। दोनों ही मामलों में, कई उपचारों ने छोटे जैव अणुओं के जमाव के लिए सतह को अपर्याप्त बना दिया। अभ्रक अभ्रक एक अन्य सिलिकेट है जिसका व्यापक रूप से जैव अणुओं के जमाव के लिए सब्सट्रेट के रूप में उपयोग किया जाता है। अभ्रक सिलिकॉन पर एक उल्लेखनीय लाभ रखता है क्योंकि यह आणविक रूप से चिकना होता है और इसलिए छोटे, सपाट अणुओं के अध्ययन के लिए बेहतर अनुकूल होता है। इसमें सामान्य सूत्र K [Si3Al] O10Al2 (OH) 2 के साथ एक क्रिस्टलीय संरचना है और इसमें दो सिलिकॉन टेट्राहेड्रल परतों के बीच सैंडविच किए गए ऑक्टाहेड्रल हाइड्रॉक्सिल-एल्यूमीनियम की चादरें होती हैं। सिलिकॉन परत में, चार सिलिकॉन परमाणुओं में से एक को एल्यूमीनियम परमाणु द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिससे चार्ज में अंतर पैदा होता है जो पड़ोसी सिलिकॉन परतों के बीच के क्षेत्र में मौजूद अनबाउंड K + द्वारा ऑफसेट होता है। मस्कोवाइट अभ्रक पोटेशियम परत में स्थित तल के साथ दरार के लिए सबसे अधिक संवेदनशील है। जब एक ताजा कटा हुआ अभ्रक की सतह को पानी के संपर्क में रखा जाता है, तो हाइड्रेटेड पोटेशियम आयन अभ्रक की सतह से अवशोषित हो सकते हैं, जिससे सतह पर नकारात्मक चार्ज हो सकता है। सिलिकॉन के समान, अभ्रक की सतह में साइलेन द्वारा सहसंयोजक लगाव के लिए सिलानोल समूहों का एक सराहनीय घनत्व नहीं होता है। हाल के एक अध्ययन में बताया गया है कि ताजा कटा हुआ अभ्रक 11 प्रतिशत सिलानोल समूह रखता है (यानी, 10 में से लगभग 1 सिलिकॉन परमाणु हाइड्रॉक्सिल समूह रखता है)। यद्यपि यह संभव है कि अनुपचारित अभ्रक का उपयोग करके सिलनीकरण किया जा सकता है, सक्रिय अभ्रक पर सतह सिलानोल समूहों के बढ़े हुए घनत्व से सतह पर सिलेन अणुओं के सहसंयोजक लगाव में काफी सुधार हो सकता है। अभ्रक को आर्गन/जल प्लाज्मा के साथ उपचार द्वारा सक्रिय किया जा सकता है, जिससे 30 प्रतिशत का सिलानोल सतह घनत्व होता है। सक्रिय सतहों के साथ काम करना सक्रिय सतहों पर सिलानोल समूहों की स्थिरता के बारे में एक और विचार का परिचय देता है। जियासोन एट अल। ताजा कटा अभ्रक पर सिलानोल समूह जो किसी भी उपचार के अधीन नहीं थे, प्लाज्मा-सक्रिय अभ्रक की तुलना में उच्च निर्वात के तहत अधिक स्थिर पाए गएः 64 घंटों के बाद, ताजा कटा अभ्रक प्लाज्मा के लिए सिलानोल समूहों का सतह कवरेज लगभग समान था, जबकि सक्रिय अभ्रक के लिए सतह कवरेज 3 गुना घटकर 10 प्रतिशत हो गया। सिलिकेट सतहों पर अणुओं का अवशोषण अवशोषण उस प्रक्रिया का वर्णन करता है जिसके द्वारा अणु या कण सतहों से जुड़ते हैं और अवशोषण से अलग होते हैं, जिससे कण अवशोषित करने वाली सामग्री के बड़े हिस्से में फैलते हैं। अधिशोषित पदार्थ को अधिशोषक कहा जाता है, जबकि सतह को अधिशोषक कहा जाता है। दो प्रकार के अधिशोषण के बीच अंतर करना आम है, अर्थात् भौतिक अधिशोषण (जिसमें सतह पर अधिशोषित सामग्री को पकड़ने वाले अंतर-आणविक बल होते हैं) और रासायनिक अधिशोषण (जिसमें अधिशोषित सामग्री को सतह पर ले जाने वाले सहसंयोजक बंधन होते हैं)। गठित अधिशोषक की परत की प्रकृति अधिशोषित सामग्री और अधिशोषक के बीच बातचीत पर निर्भर करती है। विशेष रूप से, अधिशोषण में शामिल तंत्रों में आयन विनिमय (समान रूप से आवेशित आयनों द्वारा विलयन से अवशोषित प्रति-आयनों का प्रतिस्थापन), आयन युग्मन (विलयन चरण से आयनों का अधिशोषण जो विपरीत आवेश वाले सब्सट्रेट पर साइटों पर होता है), हाइड्रोफोबिक बंधन (सब्सट्रेट सतह पर समूहों और विलयन में अणुओं के बीच गैर-ध्रुवीय आकर्षण), सब्सट्रेट सतह पर आंशिक रूप से आवेशित साइटों और विलयन में विपरीत आंशिक आवेश वाले अणुओं के बीच पी-इलेक्ट्रॉन ध्रुवीय अंतःक्रियाओं का ध्रुवीकरण और सहसंयोजक बंधन शामिल हैं। अवशोषण होने के विभिन्न तरीके अवशोषित परत के प्रकार को नियंत्रित करने से जुड़ी जटिलताओं का संकेत देते हैं। उपयोग किए जाने वाले साइलेन का प्रकार समस्या को और बढ़ा सकता है, जैसा कि एपीटीईएस के मामले में होता है। ए. पी. टी. ई. एस. जैविक अणुओं के स्थिरीकरण के लिए उपयोग किया जाने वाला शास्त्रीय अणु है और ऐतिहासिक रूप से अब तक इस क्षेत्र में सबसे व्यापक रूप से अध्ययन किया गया अणु रहा है। चूँकि ए. पी. टी. ई. एस. में प्रति अणु तीन एथॉक्सी समूह होते हैं, यह पानी की उपस्थिति में बहुलक हो सकता है, जिससे क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर दिशाओं में ए. पी. टी. ई. एस. अणुओं के बीच पार्श्व बहुलककरण होता है और सतह से जुड़ने वाले ऑलिगोमर्स और पॉलिमर का निर्माण होता है। समाधान-चरण प्रतिक्रियाओं या वाष्प-चरण प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके स्व-संयोजन से संपर्क किया जा सकता है। समाधान-चरण प्रयोगों में, सिलेन को एक निर्जल विलायक में भंग कर दिया जाता है और सतह के संपर्क में रखा जाता है; वाष्प-चरण प्रयोगों में, केवल सिलेन का वाष्प सब्सट्रेट सतह तक पहुंचता है। समाधान-चरण प्रतिक्रियाएं ऐतिहासिक रूप से वह विधि रही है जिसका सबसे अधिक अध्ययन किया गया है, और एक सामान्य सहमति जो चिकनी एमिनोसिलेन फिल्मों के निर्माण के लिए आवश्यक स्थितियों के संबंध में विकसित हुई है, उसमें निम्नलिखित शामिल हैंः (1) सतह पर और घोल में एमिनोसिलेन के बहुलककरण की डिग्री को नियंत्रित करने के लिए पानी की कठोर रूप से नियंत्रित ट्रेस मात्रा के साथ टोल्यून जैसे निर्जल विलायक की आवश्यकता होती है; (2) उच्च सिलेन सांद्रता (> 10 प्रतिशत) पर ऑलिगोमर्स और पॉलिमर का निर्माण पसंद किया जाता है; (3) मध्यम तापमान (60-90 °C) हाइड्रोजन बॉन्ड जैसे गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं को बाधित कर सकता है, जिससे कम सिलेन अणुओं की आवश्यकता होती है जो कमजोर टेटली होते हैं। इसके अतिरिक्त, स्थिति (3) सब्सट्रेट से टोल्यूनि चरण 20 में पानी के अवशोषण का पक्ष लेती है; (4) सिलानीकरण प्रतिक्रिया के बाद टोल्यूनि, इथेनॉल और पानी जैसे विलायकों से धोने से कमजोर बंधन वाले सिलेन अणुओं को हटाने और परत में अवशिष्ट एल्कॉक्सी लिंकेज के हाइड्रोलिसिस का पक्ष लेता है; (5) उच्च तापमान (110 डिग्री सेल्सियस) पर सुखाना और ठीक करना सिलोक्सेन लिंकेज के गठन का पक्ष लेता है और अमोनियम आयनों को तटस्थ एमाइन में भी परिवर्तित करता है, जो अधिक प्रतिक्रियाशील है। वाष्प-चरण प्रतिक्रिया वाष्प-चरण सिलनीकरण को विलयन और सिलेन शुद्धता में ट्रेस पानी की जटिलताओं को दरकिनार करने के तरीके के रूप में देखा गया है। चूँकि साइलेन के ऑलिगोमर्स और पॉलिमर में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले प्रतिक्रिया तापमान पर वाष्प का दबाव नगण्य होता है, इसलिए वे निक्षेपण के दौरान सिलिकेट की सतह तक नहीं पहुंचते हैं। चूँकि प्रणाली में कोई विलायक नहीं है, इसलिए प्रतिक्रिया में पानी की मात्रा को नियंत्रित करना आसान है। कई प्रकार के साइलेन के वाष्प-चरण साइलैनाइजेशन के लिए चिकनी मोनोलेयर की सूचना दी गई है, जिसमें एमिनोसिलेन, ऑक्टाडेसिलट्राइमेथोक्सीसिलेन और फ्लूअल्किल साइलेन शामिल हैं। हालांकि, सब्सट्रेट के साथ सिलेन अणुओं के लगाव की प्रकृति अनिश्चित है, हालांकि जमा होने के बाद सब्सट्रेट को पानी में भिगोकर सिलोक्सेन बंधन निर्माण का पक्ष लिया जा सकता है। चेन एट अल द्वारा हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, ए. पी. टी. ई. एस. एकल परतों को अलग-अलग तापमान और निक्षेपण समय पर लगातार प्राप्त किया गया था। प्राप्त परतों की मोटाई क्रमशः 70 डिग्री सेल्सियस और 90 डिग्री सेल्सियस पर 5 Å और 6 Å थी, जो एक ए. पी. टी. ई. एस. अणु की अनुमानित लंबाई से मेल खाती है और इंगित करती है कि प्रत्येक मामले में सब्सट्रेट पर एक परतें बनती हैं। संदर्भ सिलिकॉन नैनोटेक्नोलॉजी