12. Biopolymere. Anwendungen: Sensoren, Detektoren, Displays, Komponenten in elektrischen Schlatkreisen Modellsysteme

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1 12. Biopolymere 12.1 Organische dünne Filme Langmuir Filme = organische Polymere auf flüssigen Oberflächen Langmuir-Blodgett Filme = organische Polymere auf festen Oberflächen Anwendungen: Sensoren, Detektoren, Displays, Komponenten in elektrischen Schlatkreisen Modellsysteme Amphiphile Moleküle, zb: Carboxylsäuren und ihre Salze bestehen aus einer polaren Kopfgruppe (in Wasser löslich) und einem unpolaren Schwanz mit (CH 2 ) n und n>12 50% Arachidinsäure Molekülen werden an der Luft/Wasser Grenzfläche ionisiert Möglichkeit mit 2 Barrieren in einem Langmuir-Trog diese Moleküle zu ordnene: Es gibt verschiedenen Phasen (gasflüssig-fest) und Phasenübergaänge zwischen diesen. Oberflächendruck als Maß für die Ordnung 1

2 Im geordneten Zustand nun die Chance die organischen Moleküle auf Träger zu transferieren (= Langmuir-Blodgett Technik): Dazu wird spezielles Behältnis, die sogenannte Filmwaage verwendet. Langmuir-Blodgett: - hydrophobes Substrat (zb Si) oder hydrophiles Substrat (zb Glass, Quarz) - konstante Druck bei Übertrag feedback-loop - bei jedem Passieren des organischen Langmuir Films findet ein Übertrag statt - es gibt also einen Unterschied zwischen ungeraden und geraden Schichten - van der Waals WW dominiert - durch Wiederholung werden Multischichten aufgebaut - T Transferverhältnis = bedeckte Trägerfläche / Verlust an Fläche des Films im Trog T=1 ist ideal T<1 steht für unvollständigen Transfer T>1 bedeutet, daß Moleküle in der Subphase (unter Langmuir Film) verloren wurden Wichtig: erschütterungsfrei, gleichmäßige computergesteuerte Bewegng des Substrates, staubfrei sonst DEFEKTE!! 2

3 Grundsätzlich gibt es 3 verschiedene Typen für die Deposition: a) y-typ: hydrophiles Substrat wechselwirkt mit den hydrophilen Kopfgruppen b) x-typ: hydrophobes Substrat wechselwirkt mit den hydrophoben Schwanz c) z-typ: hydrophiles Substrat wechselwirkt mit den hydrophilen Kopfgruppen 3

4 12.2 Lipid Doppelschichten Aggregation der amphiphilen Monomere zu Lipiddoppelschichten durch hydrophoben Effekt Konfigurationsentropie der Wassermoleküle wird durch den direkten Kontakt mit Kohlenwasserstoffkette reduziert In Doppelschicht nur noch an den Enden Kontakt zwischen Wasser und Kohlenwasserstoffmolekülen Doppelschicht als elastische Platte behandeln (Lifschitz): Biegesteifigkit (=elastisches Modul) χ Spontane Krümmungsenergie (=Maß für die Membran Asymetrie) C o Randspannung R Krümmungenergie der ebenen Platte A χ C o 2 /2 Kugel statt Platte: keine Randenergie mehr, da kein Kontakt zwischen Wasser und Kohlenwasserstoffmolekülen Vesikel (Liposom) Kugel mit Fläche A=4πR 2 Krümmungsenergie der Kugel (Vesikel) A χ (2/R-C o ) 2 /2 Kugel hat für große R die geringere Energie 4

5 12.3 Vesikel Änderung der Temperatur induziert eine Transformation der Form des Vesikels wegen Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Doppelschicht>>Wasser) Änderung der Fläche bei konstantem Volumen axialsymmetrische Formen mit minimaler Krümmungsenergie: 5

6 12.4 Biomembranen Grundbaustein für die räumliche Struktur von Biomaterie Schematischer Aufbau von Biomembran: in Doppelschicht von Lipiden sind Proteine eingebettet also Membran nicht nur Stützwand der Zelle, sondern eine selektive Barriere für den Austausch zwischen Zellinneren und Umgebung Aufgaben der membranständigen Proteine: Rezeptoren für Hormone, Drogen, Arzneimittel, Umweltgifte, Antikörper Regulieren die Ionenpermeabilität der Membran Aufgabe der membran: Verhält sich wie 2dim Lösung für Proteine, Flüssigkeitsverhalten wichtig für das Überleben der Zellen Typischer Widerstand Ωcm 2 Verschiedene Arten Proteine in Membran zu verankern: 1) Protein mit Membranüberspannender α-helix 2) Protein mit einer Reihe von α-helices aus Überstruktur 3) Protein mit hydrophober Seitengruppe verankert 4) Bindung über Phospholipid Anker 5) Bindung über Proteine, die in anderer Membran verankert sind 6