Свойства молекул, лежащие в основе молекулярной элементной базы информатики

Основные положения лекции 4

Диапазон размеров от 1 до 10 нм соответствует размерам средних и больших молекул. Поэтому молекулярная элементная база информатики является важной составной частью и одновременно продолжением наноэлектронной элементной базы в субнанометровую область размеров. Молекулярная элементная база используется в природе уже миллиарды лет и является основой информационных процессов в живых клетках, в одноклеточных и в многоклеточных организмах.

Молекулы – это квантовые объекты, проектирование, моделирование и поиск путей усовершенствования которых невозможны без квантово-механических расчетов и без "квантово-механического стиля мышления". Для рассмотрения их взаимодействий приходится применять модели атомных и молекулярных орбиталей, гибридизации атомных орбиталей, учитывать особенности энергетических спектров атомов и молекул, их пространственную конфигурацию, способность к поляризации электронных оболочек, взаимодействие спинов электронов и ядер. Квантовая химия позволяет рассчитать на современных компьютерах даже довольно сложные молекулы или их фрагменты, в частности, взаимное пространственное расположение атомов, углы между химическими связями, энергии основных и возбужденных состояний, и т.п. и даже промоделировать и показать в виде видеороликов, как именно происходит перестройка молекулы при химических взаимодействиях.

Большим преимуществом молекул как элементов информатики является то, что все молекулы одного типа одинаковы. В то время, как "надмолекулярные" элементы информатики, формируемые даже с применением точнейших нанотехнологий, всегда имеют определенный "разброс" своих характеристик.

При построении молекулярных устройств и наноструктур, являющихся активными элементами информатики, часто используют достижения супрамолекулярной химии, в частности такие надмолекулярные конструкции, как комплексы типа "хозяин-гость" (кавитанды, криптанды, "осьминоги"), катенаны, ротаксаны и т.п. Супрамолекулярные структуры отличаются высокой степенью селективности, создают дополнительные широкие возможности для "молекулярной инженерии", – т.е. для конструирования нужных молекул и молекулярных комплексов "по заказу".

Любое из свойств молекул можно применить для кодирования, передачи, хранения и обработки информации. Исторически первым свойством молекул, использованным природой еще на добиологической стадии химической эволюции на Земле, было свойство молекулярного распознавания. Это свойство широко используют и в новейшей информатике, в первую очередь для создания сенсоров.

Одними из них являются сенсоры "с люминесцентным маркером". Это – специально синтезированные макромолекулы, в состав которых входят распознаватель, селективно взаимодействующий с аналитом, и сигнализатор – звено, имеющее выраженную люминесцентную активность. В составе макромолекулы эти два звена взаимодействуют так, что, когда к распознавателю присоединяется частица контролируемого аналита или когда на него действует специфический внешний фактор, то это приводит к гашению или, наоборот, к стимулированию люминесценции сигнализатора. Синтезирован, например, люминесцентный молекулярный сенсор для выявления присутствия в окружающей среде органофосфатов. Распознавателем в нем является фермент органофосфатгидролаза, а сигнализатором – карбоксинафтофлуоресцеин.

Множество молекулярных наносенсоров создано с использованием "специализированных" наночастиц (НЧ) золота и серебра. С этой целью поверхность НЧ сначала химически "пассивируют", высаживая на нее тонкий слой гидрогеля (до 10-20 атомов углерода в цепи), который образует самоупорядоченный мономолекулярный слой с плотной упаковкой. Потом на слой гидрогеля химически высаживают молекулы-распознаватели. Подготовленные таким образом НЧ металла называют "специализированными" или "селективными", а если молекулы-распознаватели имеют биологическое происхождение, то "биоселективными".

Биоселективные НЧ уже несколько десятилетий используют в иммунохроматографическом анализе. Уже разработаны и применяются иммунохроматографические тест-полоски для выявления свыше 150 видов заболеваний, для оценки наличия в крови человека широкой гаммы гормонов, антител, ферментов, наркотических веществ. Широко используют также другие виды колориметрических молекулярных сенсоров, значительное изменение окраски которых позволяет увидеть присутствие аналита в растворе "невооруженным глазом", безо всяких приборов. Уже созданы колориметрические молекулярные сенсоры для выявления наличия in vivo десятков важных биологических молекул при довольно малых концентрациях с использованием минимальных объемов пробы.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое "молекулярная элементная база информатики"?
2. Почему мы относим ее к наноэлектронной элементной базе информатики? В каком смысле она является "продолжением НЭБИ в область пикоэлектронной элементной базы информатики"?
3. Что Вы можете сказать об использовании молекулярной элементной базы информатики в природе? Как долго используется в природе эта элементная база?
4. Почему молекулы являются уже целиком квантовыми объектами? Что Вы можете сказать о возможностях современной квантовой химии?
5. Мешает ли использованию молекул в информатике то, что все молекулы одного типа являются тождественными?
6. Что такое "супрамолекулярная химия"? Приведите примеры супрамолекулярных структур.
7. Что такое "молекулы-кавитанды"? "Молекулы-криптанды"? "Краун-эфиры"? Изобразите структурную схему последних.
8. Что такое "молекулярная инженерия"? Назовите два основных характерных признака супрамолекулярных структур.
9. Почему сенсоры являются неотъемлемой составной частью элементной базы информатики?
10. Как устроены молекулярные сенсоры с люминесцентным маркером? Объясните принцип их функционирования.
11. Как устроены специализированные (селективные) наночастицы металла? Изобразите их наноархитектуру.
12. Что такое "иммунохроматографический анализ"? Начертите устройство и опишите принципы функционирования иммунохроматографической тестовой полоски.
13. Что такое "колориметрические наносенсоры"? На каком принципе они функционируют?
14. Как устроены наносенсоры, предназначенные для выявления присутствия в растворе олигомеров? Как они функционируют?
15. Что такое "молекулярное распознавание"? Чем обусловлена его несравненная избирательность, селективность?