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.

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.

Study of molecular orientation in Langmuir-Blodgett films by FTIR

The structure information of orientation and packing of molecular chains can be obtained from infrared transmission and reflection-absorbance (RA) spectra. In the present paper, on the basis of Umemura et al., their FORTRAN program of minicomputer was developed and can be run on 486 personal computer. By comparison of infrared transmission and RA intensities, surface enhancement factors and molecular orientation angle were calculated using the above program, and the influence of complex refractive index, angle of incidence, and thickness of LB film were discussed. These results are consistent with that of Umemura et al.

Langmuir-Blodgett film of phycobilisomes from blue-green alga Spirulina platensis

The phycobilisomes were isolated from blue-green alga Spirulina platensis, and could form monolayer film at air/water interface. The monolayer film of phycobilisomes was transferred to newly cleaved mica, and coated with gold. Scanning tunneling microscope was used to investigate the structure of the Langmuir-Blodgett film of phycobilisomes. It was shown that phycobilisomes in the monolayer arrayed in rows with core attaching on the substrate surface and rods radiating towards the air phase, this phenomenon was similar to the arrangement of phycobilisomes on cytoplasmic surface of thylakoid membrane in vivo. The possible applications of the Langmuir-Blodgett film of phycobilisomes were also discussed.

Enhanced activity of horseradish peroxidase in Langmuir-Blodgett films of phospholipids

The immobilization of enzymes in nanostructured films has potential applications, e.g. in biosensing, for which the activity may not only be preserved, but also enhanced if optimized conditions are identified. Optimization is not straightforward because several requirements must be fulfilled, including a suitable matrix and film-forming technique. In this study, we show that horseradish peroxidase (HRP) has its activity enhanced when immobilized in Langmuir-Blodgett (LB) films, in conjunction with dipalmitoylphosphaticlylglycerol (DPPG). Incorporation of HRP into a DPPG monolayer at the air-water interface was demonstrated with compression isotherms, and Polarization-Modulation Infrared Reflection Absorption Spectroscopy (PM-IRRAS). From the PM-IRRAS data, we inferred that HRP was not denatured when adsorbed on a pre-formed, low pressure DPPG monolayer. A change in orientation was induced by the phospholipid matrix, with the amide C=O and NH groups from HRP being oriented perpendicular to the surface, parallel to the DPPG acyl chains, i.e. the alpha-helix was inserted into the monolayer. The mixed DPPG-HRP monolayer could be transferred onto solid supports, to which HRP activity was ca. 23% higher than in solution. The control of molecular architecture and choice of a suitable phospholipid matrix allowed HRP-containing LB films to be used in sensing peroxide. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Filmes de Langmuir-Blodgett de nanopartículas de prata

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Langmuir-Blodgett 薄膜诱导晶体生长研究

近年来，Langmuir—Blodgett（LB）薄膜诱导晶体生长的方法引起了人们的极大关注。通过优化LB膜的结构和化学性质可以调控晶体的结构、形貌、取向、晶型。本论文在此领域的主要研究内容如下： (1) 制备了硬脂酸和十八胺两种具有不同结构和官能团的LB膜，然后把这两种膜垂直浸入到中性的甘氨酸溶液中。实验结果表明用不同结构和化学性质的LB膜不仅可以调控晶体的结构、形貌和取向，并且可以在相同的溶液中诱导出不同晶型的晶体。 (2) 制备了Y型硬脂酸LB膜，然后把这种模板以不同的方式浸入到氯化钾溶液中。通过改变LB膜模板在溶液中的放置方式，控制溶液中的诱导成核和自发成核的过程，从而生成不同形貌的氯化钾晶体。 (3)我们研究了不同热力学状态的LB膜诱导五水硫酸铜晶体生长过程。结果表明LB膜即使在液态状态下，仍有诱导晶体生长的能力。且LB膜的热力学状态对晶体的形貌和取向有很大的影响。 另外，我们在以上工作之外，还作了两项其他工作。 (4) 研究了各种羧酸类（甲酸、乙酸、丙酸）、丙酮、醇类（甲醇、乙醇、丙醇、丁醇）对谷氨酸溶液结晶晶型的影响。结果表明：当70°C的谷氨酸饱和溶液快速冷却搅拌到0°C时，有羧酸类物质存在时可以得到β型晶体;而当有酮类、醇类、或无添加剂时在相同条件下得到α型晶体。 (5) 利用LB技术制备了聚苯乙烯和硬脂酸的混合薄膜。实验结果证明PS和SA在混合LB膜中是相分离的。其过程是PS在空气/水界面上首先发生聚集,然后这种聚集的程度随着膜压的增加而增大.并且PS在空气-LB膜界面上在空气/LB膜界面上的聚集程度随着时间仍继续发生改变。

十八胺及其相关物质Langmuir-Blodgett膜的制备和性质研究

Langmuir-Blodgett（LB）膜技术由于在电子学、非线性光学以及化学传感器等领域具有潜在的应用前景而引起了人们的研究兴趣，其中它的热稳定性对LB膜的应用领域和范围具有一定的影响。本论文在此领域的主要研究内容如下： 利用LB膜技术分别制备了十八胺及硬脂酸、氘代硬脂酸的多层LB膜，采用变温傅立叶变换红外光谱研究了三种LB膜的相变行为。实验发现：十八胺LB膜在55-75 oC温度区间内发生相变，其CH2对称和反对称伸缩振动频率向高能量区发生明显移动；硬脂酸LB膜在70-80 oC的温度区间内发生了明显的相转变，CH2对称和反对称伸缩振动的强度比在升温过程中也有显著改变；氘代硬脂酸LB膜的相行为发生在65-70 oC的温度区间内。 利用LB膜技术制备了十八铵硬脂酸盐(C18H37NH3+C17H35COO-, ODASA)与十八铵氘代硬脂酸盐(C18H37NH3+C17D35COO-, ODASA-d35) Langmuir-Blodgett (LB)膜，使用变温傅立叶变换红外透射光谱研究了它们的热行为。发现LB膜中十八铵硬脂酸盐分子的两个碳氢链高度有序，然而在十八铵氘代硬脂酸盐LB分子中的来自于十八胺的碳氢链部分无序，即在常温下有一些扭曲构象存在于碳氢链中。而十八铵硬脂酸盐的热稳定性也与十八铵氘代硬脂酸盐的热稳定性有些不同。在十八铵硬脂酸盐LB膜中，碳氢链在85 oC到90 oC的温度区间内发生非常明显的有序-无序变化。而在十八铵氘代硬脂酸盐LB膜中，碳氢链和来自于硬脂酸的氘代的烃链各自呈现出不同的热行为，即：碳氢链在80-90 oC的温度区间发生有序-无序变化，尤其是在80-85 oC的温度范围内这个变化非常显著；而氘代的烃链则在70 oC到85 oC这个较长的温度区间发生缓慢的相变。 分别制备了十八铵十二酸盐 （C18H37NH3+C11H23COO-，ODALA）和十八铵二十四酸盐（C18H37NH3+C23H45COO-,ODATA）LB膜，并用变温傅立叶变换红外透射光谱法研究了十八铵十二酸盐和十八铵二十四酸盐LB膜的热行为，比较了十八铵十二酸盐、十八铵硬脂酸盐和十八铵二十四酸盐这三种双链化合物LB膜的热行为。温度相关的红外光谱显示，这三种物质LB膜的热稳定性取决于碳链的长度。其中，十八铵十二酸盐LB膜在50-65 oC的温度区间内发生相变。对应的，十八铵二十四酸盐LB膜在80-90 oC的温度范围内发生有序-无序变化。令人感兴趣的是，十八铵二十四酸盐LB膜的相变温度与十八铵硬脂酸盐LB膜的相变温度基本一样，都是80-90 oC，也即在十八铵二十四酸盐和十八铵硬脂酸盐两种LB膜中，即使二十四酸取代了硬脂酸对前者的热稳定性的影响非常小。以上结果说明，在双长链化合物中，有效链长度取决于双链中的较短的那个烃链，从而来决定膜的热稳定性。在十八铵二十四酸盐LB膜中，十八胺的全部碳链对膜的热稳定性有贡献，而二十四酸的碳链则只有部分（有效部分）烃链有贡献。 制备了十八胺单层和多层LB膜和粒径为几个纳米的金纳米粒子。由于十八胺在pH值小于10.3的溶液中氨基带正电荷，使其置于金纳米溶胶中，利用带正电荷的十八胺和附着负电荷的金纳米粒子之间的静电作用，使得金纳米颗粒成功地吸附组装到十八胺的有序分子膜中，形成有规律的纳米颗粒层。通过紫外-可见光谱、红外光谱以及扫描电镜观察到，金纳米颗粒通过这种方法能够很好的组装在有机分子膜上，而且由于十八胺LB膜的高度有序性使得金纳米颗粒的组装层有序。而且，不同层数的十八胺LB膜对金纳米粒子呈现出不同的吸附行为。 测量了含微量甲醇（体积分数为0.04%~0.24%）的系列乙醇水溶液的近红外光谱，利用近红外光谱分析建立了预测甲醇含量的定量分析模型。比较了用外部检验法（Test Set-Validation）和交叉检验法(Cross-Validaton)建立的数学模型以及研究了使用外部检验法时校正集和检验集样品数的改变对模型预测结果的影响。结果发现，当校正集样品数为15检验集样品数为6（总样品数为21）时，使用外部检验法建立的数学模型预测结果较好，外部检验与交叉检验的预测均方根误差（分别为RMSEE和RMSEP）都较小（分别为0.0105和0.0115）而且很接近。结果表明，近红外光谱方法简单，准确而且实用。

Nucleation and growth of CUSO4 center dot 5H(2)O crystals on the liquid state stearic acid Langmuir-Blodgett film

Oriented crystallization of CUSO4 center dot 5H(2)O on a Langmuir-Blodgett (LB) film of stearic acid has been studied in the temperature ranges of 73-68 degrees C and 53-20 degrees C, respectively. This is the first time that the LB film at temperature above its melting point has been served as a template to induce nucleation and growth of crystals. The experimental results demonstrated that the LB film in the liquid state has the ability of directing the nucleation and growth of crystals. Moreover, X-ray diffraction patterns of the as prepared crystals revealed that the orientation of the attached crystals on the LB film is affected by temperature greatly.

Control for oriented growth of large size KCl crystals by the competition between spontaneous and induced nucleation/growth on a Langmuir-Blodgett film

Langmuir-Blodgett (LB) film of stearic acid was used as template to induce the nucleation and growth of KCl crystals when the KCl solution was cooled from 50 to 25 degrees C. When the LB film template was vertically dipped into the solution, only induced crystals with (1 1 0) orientation were formed. However, if the template was horizontally placed into solutions, both the induced nuclei at the solution/film interface and spontaneous nuclei formed in solution were simultaneously absorbed onto the LB film, and then grew further to form crystals. X-ray diffraction (XRD) patterns and optical microscopy images showed that the orientation and morphology of the crystals were controlled properly by changing the orientation and position of the LB films in the solutions.

Infrared spectroscopic study on thermal behavior of Langmuir-Blodgett films of octadecyl ammonium octadecanoate and octadecylammonium octadecanoate-d(35)

Langmuir-Blodgett (LB) films of octadecylammonium octadecanoate (C(18)H(37)j7NH(3)(+)C(17)H(35)COO(-),ODASA) and octadecylammonium octadecanoate-d(35) (C18H37+NH3+C17D35COO-, ODASA-d(53)) were prepared and their thermal behaviors were investigated by variable-temperature Fourier transform infrared transmission spectroscopy. It was found that the two hydrocarbon chains of ODASA molecule in LB films are highly ordered while that protonated (H) chain in ODASA-d(35) is partially disordered with some gauche conformers introduced at room temperature.

Nucleation and growth of glycine crystals with controllable sizes and polymorphs on Langmuir-Blodgett films

Control of crystal polymorph and size is very important in many application fields. Herein we demonstrate that Langmuir-Blodgett (LB) films of stearic acid (SA) and octadecylamine (ODA) can serve as templates and generate different polymorphs of glycine crystals. In the neutral aqueous solutions, gamma-glycine crystallizes on LB films of ODA while the polymorphic outcome becomes the (x-form on LB films of SA. These observed results could be explained by the electrostatic interactions and geometric lattice matching at the LB film/crystal interfaces, respectively. By keeping the appropriate supersaturation, we have successfully controlled the number of crystals grown on LB films; for example, in some certain cases, only one piece of crystal was grown on LB films in solution. Therefore, large crystals of centimeter size could be prepared. These experimental results suggest a new approach to produce an organic crystal with bulk scale.

An infrared study on Langmuir-Blodgett films of octadecylammonium octadecanoate: FWHM and the vibrational coupling

The monolayer of the mixture of octadecanoic acid and octadecylamine with molar ratio 1: 1 has been investigated at the air-water interface. It was found that the monolayer shows a rather stable state at the surface pressure of 30 mN/m and this monolayer can be transferred onto a CaF2 plate by Langmuir-Blodgett (LB) technique. The infrared spectra of LB films indicated that octadecyl ammonium octadecanoate is formed by an intermolecular proton exchange between adjacent carboxylic and aminic groups (COO- and NH3+). In three-layer LB film, the CH2 scissoring mode of the long hydrocarbon chains of octadecyl ammonium octadecanoate shows a broad band feature at about 1468 cm(-1) while this vibrational mode of three-layer LB film of the mixture (1: 1) of deuterated stearic acid and octadecylamine (octadecylammonium octadecanoate-d35, C18H37NH3+C17D35COO-) only shows a narrow band. The broad feature of the CH2 scissoring mode in octadecylammonium octadecanoate probably originates from the coupling between the chain of stearic acid and that of octadecylamine while this kind of coupling could be completely removed in octadecylammonium octadecanoate-d35.