הרכבה עצמית של קרום שומנים היברידי מסוממים עם מולקולות אורגניות הידרופוביות בממשק מים/אוויר
Summary
אנו מדווחים על פרוטוקול לייצור קרום שומנים היברידי בממשק המים/אוויר על ידי סימום ביטל השימנים עם נחושת (II) 2,9,16,23-טטרה-אטרה-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) מולקולות. קרום שומנים היברידית וכתוצאה מכך יש מבנה כריך שומנים/CuPc/שומנים. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם גם על היווצרות של ננו-חומרים פונקציונליים אחרים.
Abstract
בשל תכונותיהם הייחודיות, כולל עובי דק במיוחד (3-4 0m), התנגדות גבוהה במיוחד, נזילות ויכולת הרכבה עצמית, ניתן לתפקד בקלות שכבות שומנים ונעשה בהם שימוש ביישומים שונים כגון חיישנים ביולוגיים והתקנים ביולוגיים. במחקר זה, הצגנו מולקולה אורגנית מיכנית: נחושת (II) 2,9,16,23-טטרה-אטרה-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) כדי קרום שומנים סמים. קרום היברידי CuPc / שומנים צורות בממשק מים / אוויר על ידי הרכבה עצמית. בממברנה זו, מולקולות CuPc הידרופובי ממוקמים בין הזנבות הידרופוביים של מולקולות שומנים, ויוצרים מבנה כריך שומנים/CuPc/שומנים. מעניין, דוטל שומנים היברידיים יציב אוויר יכול להיווצר בקלות על ידי העברת קרום היברידי על כנוע Si. אנו מדווחים על שיטה פשוטה לשילוב ננו-חומרים במערכת דו-שכבתית שומנים, המייצגת מתודולוגיה חדשה לזיוף חיישנים ביולוגיים וביו-ניסויים.
Introduction
כמו מסגרות חיוניות של קרום התא, הפנים של תאים מופרדים מבחוץ על ידי מערכת דו שכבתי שומנים. מערכת זו מורכבת פוספוליפידים אמפיפיליים, אשר מורכבים אסתר זרחנית הידרופילית “ראשים” וחומצות שומן הידרופוביות “זנבות”. בשל נזילות יוצאת דופן ויכולת הרכבה עצמית של דו-שכבות שומנים בסביבה מים1,2, דו-שכבות שומנים מלאכותיים ניתן ליצור בשיטותפשוטות 3,4. סוגים שונים של חלבוני קרום, כגון ערוצי יון, קולטני קרום ואנזימים, שולבו דו-שכבת שומנים מלאכותיים לחקות וללמוד את הפונקציות של קרוםהתא 5,6. לאחרונה, bilayers שומנים כבר מסוממים עם ננו חומרים (למשל, חלקיקים מתכת, גרפן, ופחמן צינורות) כדי ליצור קרום היברידיפונקציונלי 7, 8,9,10,11,12,13. שיטה בשימוש נרחב עבור יצירת קרום היברידי כזה כרוך היווצרות של שלביות שומנים מסוממים, אשר מכילים חומרים הידרופוביים כגון שונה Au-חלקיקים7 או צינורות פחמן 11, ואת שלבי השומנים וכתוצאה מכך הם התמזגו לתוך שכבות שומנים נתמך פלנר. עם זאת, גישה זו מורכבת וגוזלת זמן, מה שמגביל את השימושים הפוטנציאליים של קרום היברידי כזה.
בעבודה זו, קרום שומנים היו מסוממים עם מולקולות אורגניות לייצר קרום שומנים היברידיים שנוצרו בממשק מים / אוויר על ידי הרכבה עצמית. פרוטוקול זה כולל שלושה שלבים: הכנת הפתרון המעורב, היווצרות קרום היברידי בממשק המים/האוויר, והעברת הממברנה לערכת Si. בהשוואה לשיטות אחרות שדווחו בעבר, השיטה המתוארת כאן פשוטה יותר ואינה דורשת מכשור מתוחכם. בשיטה זו, קרום שומנים היברידיים יציב אוויר עם שטח גדול יותר ניתן ל שנוצרו בזמן קצר יותר. הננו-חומר המשמש במחקר זה הוא מולקולה אורגנית מוליכים למחצה, נחושת (II) 2,9,16,23-טטרה-אטרה-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc), אשר נמצא בשימוש נרחב במספר יישומים, כולל תאים סולריים, פוטודטים, חיישני גז וזרז14,15. CuPc, מולקולה אורגנית קטנה עם מבנה מינורי, יש זיקה גבוהה “זנבות” של צמד פוספוליפידים למאפיינים ההידרופוביים שלה. קבוצות אחרות דיווחו כי מולקולות CuPc יכול להרכיב את עצמו על משטחים גביש יחיד עם היווצרות של מבניםמסודרים מאוד 16,17. לכן, זה מאוד אפשרי כי מולקולות CuPc יכול להיות משולב לתוך bilayers שומנים באמצעות הרכבה עצמית.
אנו מספקים תיאור מפורט של ההליכים המשמשים להקמת ממברנות ולספק כמה הצעות ליישום חלק של הליך זה. בנוסף, אנו מציגים כמה תוצאות מציגות של קרום הליפים ההיברידי, ולדון יישומים פוטנציאליים של שיטה זו.
Protocol
Representative Results
Discussion
בתמיסה הקדמה של קרום היברידי, ממס אורגני מעורב (כלורופורם ו hexane) ולא כלורופורם טהור משמש כדי להמיס שומנים וCuPc. אם נעשה שימוש בכלורופורם טהור, הצפיפות של תמיסת הקדמה תהיה גבוהה יותר ממים. לכן, סביר להניח כי הפתרון ישקע לקרקעית המים ולא יתפשט על פני המים. הוספת הקסאן, ממס בצפיפות נמוכה, לפתרון ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית CREST של סוכנות המדע והטכנולוגיה של יפן (JPMJCR14F3) ומענק באיידס מהחברה יפן לקידום המדע (19H00846 ו- 18K14120). עבודה זו בוצעה בחלקה במעבדה לננואלקטרוניקה וספינטרוניקה, מכון המחקר לתקשורת חשמלית, אוניברסיטת טוהוקו.
Materials
| Chloroform | Wako Chemicals | 033-08631 | |
| CuPc | Sigma-Aldrich | 423165 | |
| DPhPc | Avanti Polar Lipids | 850356C | |
| Glass vials with screw cap | Nichiden-Rike Glass Co., Ltd | 6-29801 | |
| Hexane | Wako Chemicals | 084-03421 | |
| Membrane filters | Merck Millipore Ltd. | R8CA42836 | |
| Micro-syringe | Hamilton | 80530 | |
| Peristaltic pump | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | 11914199 | |
| Vortex mixer | Scientific Industries, Inc. | SI-0286 |
References
- Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J., Ninham, B. W. Theory of self-assembly of lipid bilayers and vesicles. Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes. 470 (2), 185-201 (1977).
- Venable, R. M., Zhang, Y., Hardy, B. J., Pastor, R. W. Molecular dynamics simulations of a lipid bilayer and of hexadecane: an investigation of membrane fluidity. Science. 262 (5131), 223-226 (1993).
- Ide, T., Ichikawa, T. A novel method for artificial lipid-bilayer formation. Biosensors and Bioelectronics. 21 (4), 672-677 (2005).
- Funakoshi, K., Suzuki, H., Takeuchi, S. Lipid bilayer formation by contacting monolayers in a microfluidic device for membrane protein analysis. Analytical Chemistry. 78 (24), 8169-8174 (2006).
- Kongsuphol, P., Fang, K. B., Ding, Z. Lipid bilayer technologies in ion channel recordings and their potential in drug screening assay. Sensors and Actuators B: Chemical. 185, 530-542 (2013).
- Demarche, S., Sugihara, K., Zambelli, T., Tiefenauer, L., Voros, J. Techniques for recording reconstituted ion channels. Analyst. 136 (6), 1077-1089 (2011).
- Sakaguchi, N., Kimura, Y., Hirano-Iwata, A., Ogino, T. Fabrication of Au-nanoparticle-embedded lipid bilayer membranes supported on solid substrates. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (17), 4474-4481 (2017).
- Schulz, M., Olubummo, A., Binder, W. H. Beyond the lipid bilayer: interaction of polymers and nanoparticles with membranes. Soft Matter. 8 (18), 4849-4864 (2012).
- Wang, J., Wei, Y., Shi, X., Gao, H. Cellular entry of graphene nanosheets: the role of thickness, oxidation and surface adsorption. RSC Advances. 3 (36), 15776-15782 (2013).
- Vögele, M., Köfinger, J., Hummer, G. Molecular dynamics simulations of carbon nanotube porins in lipid bilayers. Faraday Discussions. 209, 341-358 (2018).
- Kanomata, K., Deguchi, T., Ma, T., Haseyama, T., Miura, M., Yamaura, D., Tadaki, D., Niwano, M., Hirano-Iwata, A., Hirose, F. Photomodulation of electrical conductivity of a PCBM-doped free-standing lipid bilayer in buffer solution. Journal of Electroanalytical Chemistry. 832, 55-58 (2019).
- Barnoud, J., Rossi, G., Monticelli, L. Lipid Membranes as Solvents for Carbon Nanoparticles. Physical Review Letters. 112, 068102 (2014).
- Dichello, G. A., et al. Preparation of liposomes containing small gold nanoparticles using electrostatic interactions. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 105, 55-63 (2017).
- Sullivan, P., Heutz, S., Schultes, S. M., Jones, T. S. Influence of codeposition on the performance of CuPc−C60 heterojunction photovoltaic devices. Applied Physics Letters. 84 (7), 1210-1212 (2004).
- Miyata, T., Kawaguchi, S., Ishii, M., Minami, T. High sensitivity chlorine gas sensors using Cu−phthalocyanine thin films. Thin Solid Films. 425 (1-2), 255-259 (2003).
- Barrena, E., de Oteyza, D. G., Dosch, H., Wakayama, Y. 2D supramolecular self-assembly of binary organic monolayers. ChemPhysChem. 8 (13), 1915-1918 (2007).
- Xiao, K., et al. Surface-induced orientation control of CuPc molecules for the epitaxial growth of highly ordered organic crystals on graphene. Journal of the American Chemical Society. 135 (9), 3680-3687 (2013).
- Feng, X., Ma, T., Yamaura, D., Tadaki, D., Hirano-Iwata, A. Formation and characterization of air-stable lipid bilayer membranes incorporated with phthalocyanine molecules. The Journal of Physical Chemistry B. 123 (30), 6515-6520 (2019).
- Wu, Y., He, K., Ludtke, S. J., Huang, H. W. X-ray diffraction study of lipid bilayer membranes interacting with amphiphilic helical peptides: diphytanoyl phosphatidylcholine with alamethicin at low concentrations. Biophysical Journal. 68 (6), 2361-2369 (1995).
- Zaitseva, S. V., Bettini, S., Valli, L., Kolker, A. M., Borovkov, N. Y. Atypical film-forming behavior of soluble tetra-3-nitro-substituted copper phthalocyanine. ChemPhysChem. 20 (3), 422-428 (2019).
- Ghani, F., Gojzewski, H., Riegler, H. Nucleation and growth of copper phthalocyanine aggregates deposited from solution on planar surfaces. Applied Surface Science. 351, 969-976 (2015).
