Nanopatterning and functionalization of phospholipid-based Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer films

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche.

Étude par microscopie à force atomique de la séparation de phase latérale de monocouches Langmuir-Schaefer de DPPC/DLPC

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude par microscopie à force atomique de la séparation de phase latérale de monocouches Langmuir-Schaefer de DPPC/DLPC

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie.

Fabricação e caracterização de filmes Langmuir e Langmuir-Blodgett de derivados do politiofeno

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Formation of one-dimensional capped ZnO nanoparticle assemblies at the air/water interface

The self-assembling behavior and microscopic structure of zinc oxide nanoparticle Langmuir-Blodgett monolayer films were investigated for the case of zinc oxide nanoparticles coated with a hydrophobic layer of dodecanethiol. Evolution of nanoparticle film structure as a function of surface pressure (π) at the air-water interface was monitored in situ using Brewster’s angle microscopy, where it was determined that π=16 mN/m produced near-defect-free monolayer films. Transmission electron micrographs of drop-cast and Langmuir-Schaefer deposited films of the dodecanethiol-coated zinc oxide nanoparticles revealed that the nanoparticle preparation method yielded a microscopic structure that consisted of one-dimensional rodlike assemblies of nanoparticles with typical dimensions of 25 x 400 nm, encased in the organic dodecanethiol layer. These nanoparticle-containing rodlike micelles were aligned into ordered arrangements of parallel rods using the Langmuir-Blodgett technique.

Structural and Electrochemical Properties of Lutetium Bis-Octachloro-Phthalocyaninate Nanostructured Films. Application as Voltammetric Sensors

Thin films of the bis[2,3,9,10,16,17,23,24-octachlorophthalocyaninate] lutetium(III) complex (LuPc2Cl32) have been prepared by the Langmuir-Blodgett and the Langmuir-Schaefer (LS) techniques. The influence of the chlorine substituents in the structure of the films and in their spectroscopic, electrochemical and sensing properties has been evaluated. The pi-A isotherms exhibit a monolayer stability greater than the observed in the unsubstituted analogue (LuPc2), being easily transferred to solid substrates, also in contrast to LuPc2. The LB and LS films present a linear growth forming stratified layers, monitored by UV-VIS absorption spectroscopy. The latter also revealed the presence of LuPc2Cl32 in the form of monomers and aggregates in both films. The FTIR data showed that the LuPc2Cl32 molecules present a non-preferential arrangement in both films. Monolayers of LB and LS were deposited onto 6 nm Ag island films to record surface-enhanced resonance Raman scattering (SERRS), leading to enhancement factors close to 2 x 10(3). Finally, LB and LS films deposited onto ITO glass have been successfully used as voltammetric sensors for the detection of catechol. The improved electroactivity of the LB and LS films has been confirmed by the reduction of the overpotential of the oxidation of catechol. The enhancement of the electrocatalytic effect observed in LB and LS films is the result of the nanostructured arrangement of the surface which increases the number of active sites. The sensors show a limit of detection in the range of 10(-5) mol/L.

Supramolecular arrangements of an organometallic forming nanostructured films

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Electrical and electrochemical measurements in nanostructured films of polythiophene derivatives

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Systematic studies of the interaction between amyloid beta-protein and lipids

The amyloid peptide (Aß), a normal constituent of neuronal and non-neuronal cells, has been shown to be a major component of the extracellular plaque of Alzheimer’s disease (AD). The interaction of Aß peptides with the lipid matrix of neuronal cell membranes plays an important role in the pathogenesis of AD. In this study, we have developed peptide-tethered artificial lipid membranes by the Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer methods. Anti-Aß40-mAb labeled with a fluorophore was used to probe the Aß40 binding to the model membrane system. Systematic studies on the antibody or Aß-membrane interactions were carried out in our model systems by Surface Plasmon Field-Enhanced Fluorescence Spectroscopy (SPFS). Aß adsorption is critically determined by the lipid composition of the membranes. Aß specifically binds with membranes of sphingomyelin, and this preferential adsorption was markedly amplified by the addition of sterols (cholesterol or 25-OH-Chol). Fluorescence microscopy indicated that 25-OH-Chol could also form micro-domains with sphingomyelin as cholesterol does at the conditions used for the built-up of the model membranes. Our findings suggest that micro-domains composed of sphingomyelin and the sterols could be the binding sites of Aß and the role of sphingomyelin in AD should receive much more attention. The artificial membranes provide a novel platform for the study on AD, and SPFS is a potential tool for detecting Aß-membrane interaction. Numerous investigations indicate that the ability of Aß to form fibrils is considerably dependent upon the levels of ß-sheet structure adopted by Aß. Membrane-mediated conformational transition of Aß has been demonstrated. In this study, we focus on the interaction of Aß and the membranes composed of POPC/SM/25-OH-Chol (2:1:1). The artificial membrane system was established by the methods as described above. Immunoassy based on a pair of monoclonal antibodies (mAbs) against different epitopes was employed to detect the orientation of the Aß at the model membranes. Kinetics of antibody-Aß binding was determined by surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS). The attempt has also been made to probe the change in the conformation of Aß using SPFS combined with immunoassay. Melatonin was employed to induce the conformational change of Aß. The orientation and the conformational change of Aß are evaluated by analysing kinetic/affinity parameters. This work provides novel insight into the investigation on the structure of Aß at the membrane surface.

Biomimetic bilayer membranes made from polymers and lipids

Amphiphile Blockcopolymere sind in der Lage in Wasser Morphologien auszubilden, die analog sind zur hydrophil-hydrophob-hydrophil-Struktur von natürlichen Lipiddoppelschichten. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die Präparation und Charakterisierung von oberflächengestützten Polymerdoppelschichten aus Polybutadien-b-Polyethylenoxid (PB-PEO) beschrieben. Für die Herstellung dieser Strukturen wurden zwei unterschiedliche Präparationsstrategien verfolgt. Der erste Weg besteht aus einer zweistufigen Methode, bei der im ersten Schritt organisierte Monoschichten mittels Langmuir-Blodgett-Transfer auf Gold übertragen und kovalent angebunden werden. Im zweiten Schritt werden hydrophobe Wechselwirkungen ausgenutzt, um über Langmuir-Schaefer-Transfer eine weitere Schicht aufzubringen. Somit wurden homogene Architekturen erzeugt, die oberflächengestützten Lipiddoppelschichten gleichen. Als alternativer, einstufiger Ansatz zur Herstellung von Polymerdoppelschichten wurde das Spreiten von Polymervesikeln auf Gold verfolgt. Auch hierdurch ließen sich Doppelschichtstrukturen mit einer vollständigen Oberflächenbedeckung erzeugen. Die hergestellten Polymerdoppelschichten besitzen eine Dicke von 11-14 nm, die von der Präparationsmethode abhängt. Die Polymerstrukturen weisen bei Trocknung für 1.5 h eine Stabilität gegenüber Luft auf. Bei längeren Trocknungszeiten von ca. 12 h kommt es zu einer Reorganisation der Oberfläche. Dies deutet darauf hin, dass Wasser dazu notwendig ist die Strukturen auf lange Sicht zu stabilisieren. Um die Biokompatibilität der Polymerschichten nachzuweisen, wurden die Wechselwirkungen mit dem membranaktiven Peptid Polymyxin B und dem Transmembranprotein α-Haemolysin gezeigt. Mobilität ist ein wichtiger Faktor für die korrekte Funktion vieler Transmembranproteine. Um die laterale Diffusionsdynamik innerhalb der künstlichen Strukturen zu untersuchen, wurde die Mobilität eines integralen Modellpeptids und von fluoreszierenden Membransonden gemessen. Es konnte mit einzelmolekülempfindlichen Techniken gezeigt werden, dass das α-helikale Peptid und die kleinen Fluoreszenzfarbstoffe frei im hydrophoben Kern der Polymerdoppelschicht diffundieren können. Die Diffusion von beiden Spezies scheint stark von der Fluidität der Polymermatrix beeinflusst zu sein. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmet sich der Entwicklung eines angemessenen, lipidbasierten Referenzsystems für zukünftige Proteinuntersuchungen. Hierzu wurde eine neue Methode zu Herstellung von peptidgestützten Lipiddoppelschichtmembranen entwickelt. Dies wurde durch kovalente Befestigung eines Thiopeptids an einen Goldfilm und darauffolgende Anbindung eines Lipids erreicht. Zur Ausbildung der Lipiddoppelschicht auf dem Lipopeptidunterbau wurder der Rapid Solvent Exchange verwendet. Die Ausbildung der Lipiddoppelschicht wurde sowohl auf microskopischer als auch auf makroskopischer Ebene nachgewiesen. Im letzten Schritt wurde die Anwendbarkeit des Modelsystems für elektrochemische Messungen durch den funktionalen Einbau des Ionentransporters Valinomycin unter Beweis gestellt.

Evolution of Langmuir waves in a plasma contaminated by variable-charge impurities

The propagation of Langmuir waves in nonisothermal plasmas contaminated by fine dust particles with variable charge is investigated for a self-consistent closed system. Dust charge relaxation, ionization, recombination, and collisional dissipation are taken into account. It is shown that the otherwise unstable coupling of the Langmuir and dust-charge relaxation modes becomes stable and the Langmuir waves are frequency down-shifted.

The Single Langmuir Probe under Orbital-Limited Conditions in a Low-Density Collisional Plasma

The cylindrical Langmuir probe under orbital-limited conditions was used to determine the charge density in a low-density collisional plasma. The Langmuir's theory was applied to both electron and ion saturation currents in their respective accelerating regions. Present study indicates that the length of the probe significantly affects the probe characteristics. A probe of suitable length under orbital-limited conditions may be useful under the experimental conditions where the radius of the probe is much smaller than the Debye lengt.

Shear banding in a yield stress bearing Langmuir monolayer

We examine the shear-thinning behaviour of a two dimensional yield stress bearing monolayer of sorbitan tristearate at air/water interface. The flow curve consists of a linear region at low shear stresses/shear rates, followed by a stress plateau at higher values. The velocity profile obtained from particle imaging velocimetry indicates that shear banding occurs, showing coexistence of the fluidized region near the rotor and solid region with vanishing shear-rate away from the rotor. In the fluidized region, the velocity profile, which is linear at low shear rates, becomes exponential at the onset of shear-thinning, followed by a time varying velocity profile in the plateau region. At low values of constant applied shear rates, the viscosity of the film increases with time, thus showing aging behaviour like in soft glassy three-dimensional (3D) systems. Further, at the low values of the applied stress in the yield stress regime, the shear-rate fluctuations in time show both positive and negative values, similar to that observed in sheared 3D jammed systems. By carrying out a statistical analysis of these shear-rate fluctuations, we estimate the effective temperature of the soft glassy monolayer using the Galavatti-Cohen steady state fluctuation relation.

In Situ Electrochemical Polymerization at Air-Water Interface: Surface-Pressure-Induced, Graphene-Oxide-Assisted Preferential Orientation of Polyaniline

In situ electrochemical polymerization of aniline in a Langmuir trough under applied surface pressure assists in the preferential orientation of polyaniline (PANI) in planar polaronic structure. Exfoliated graphene oxide (EGO) spread on water surface is used to bring anilinium cations present in the subphase to air-water interface through electrostatic interactions. Subsequent electrochemical polymerization of aniline under applied surface pressure in the Schaefer mode results in EGO/PANT composite with PANT in planar polaronic form. The orientation of PANI is confirmed by electrochemical and Raman spectroscopic studies. This technique opens up possibilities of 2-D polymerization at the air-water interface. Electrochemical sensing of hydrogen peroxide is used to differentiate the activity of planar and coiled forms of PANI toward electrocatalytic reactions.