Kontrollere størrelse, form og stabilitet av supramolecular Polymers i Water

Summary

Målet med dette forsøket er å bestemme og kontrollere størrelsen, formen og stabiliteten selv monterte discotic amphiphiles i vann. For vandige baserte supramolecular polymerer slik grad av kontroll er svært vanskelig. Vi bruker en strategi med både frastøtende og tiltrekkende interaksjoner. De eksperimentelle teknikkene som brukes for å karakterisere dette systemet er stort sett gjelder.

Abstract

For vandige baserte supramolecular polymerer, er det samtidig kontroll over form, størrelse og stabilitet svært vanskelig ^en. Samtidig er evnen til å gjøre det svært viktig i lys av en rekke programmer i funksjonell myke materie, inkludert elektronikk, biomedisinsk teknikk og sensorer. I det siste, vellykkede strategier for å kontrollere størrelsen og formen på supramolecular polymerer vanligvis fokusert på bruk av maler ^2,3, end cappers ⁴ eller selektive løsningsmidler teknikker ^5.

Her har vi avsløre en strategi basert på selv-montering discotic amphiphiles som fører til kontroll over stakken lengde og form av bestilte kirale columnar aggregater. Ved å balansere elektrostatiske frastøtende handlinger på hydrofile felg og attraktive ikke-kovalente krefter innenfor hydrofobe kjernen i polymerizing byggekloss, klarer vi å skape små og diskrete sfæriske objekter ^6,7. Øktsynge saltkonsentrasjon å skjerme de avgifter induserer en kule-til-rod overgang. Forbløffende nok er denne overgangen til uttrykk i en økning av cooperativity i temperaturavhengig selv-montering mekanisme, og mer stabile aggregater er oppnådd.

For vår undersøkelse velger vi en benzen-1 ,3,5-tricarboxamide (BTA) kjerne koblet til en hydrofil metall chelate via en hydrofob, fluorisert L-fenylalanin baserte spacer (Scheme 1). Metallet chelate valgt er en Gd (III)-DTPA kompleks som inneholder to overordnede gjenværende avgifter per komplekse og nødvendigvis to teller ioner. Den endimensjonale vekst av summen er regissert av π-π stabling og intermolekylære hydrogenbindinger. Men elektrostatiske og frastøtende krefter som oppstår fra de avgifter på GD (III)-DTPA kompleks start begrense endimensjonale vekst av BTA-baserte discotic gang en viss størrelse er nådd. På millimolær konsentrasjoner formet samlet har en spherisk form og en diameter på rundt 5 nm som utledes fra ^en H-NMR spektroskopi, liten vinkel X-ray spredning, og kryogenisk transmisjonselektronmikroskopi (Cryo-TEM). Styrken på elektrostatiske frastøtende samspillet mellom molekyler kan reduseres ved å øke salt konsentrasjon av de bufrede løsninger. Denne screening av tiltalen induserer en overgang fra sfæriske tilslag til avlange stenger med en lengde over 25 nm. Cryo-TEM gjør det mulig å visualisere de endringer i form og størrelse. I tillegg tillater CD spektroskopi for å utlede det mekanistiske detaljer om selv-montering prosesser før og etter tilsetning av salt. Viktigere, den cooperativity-en viktig funksjon som dikterer de fysiske egenskapene til den produserte supramolecular polymerer-øker dramatisk ved screening de elektrostatiske interaksjoner. Denne økningen i cooperativity resulterer i en betydelig økning i den molekylære vekten av de dannet supramolecular polymerer i vann.

Protocol

Scheme en. Self-montering av BTA-baserte discotics i citratbuffer inn sfæriske tilslag viser diameter på ca 5 nm, ved millimolær konsentrasjoner av byggekloss. Øke ionisk styrke ved tilsetning av NaCl resulterer i dannelsen av langstrakte stenger med en diameter på rundt 3 nm og lengde> 25 nm. Klikk her for å se større figur . 1. Klargjøre en BTA-Gd (III) DTPA Solutions for CD spektroskopi og måling av temperaturavhengig CD Spectra som en funksjon av NaCl Konsentrasjon Forbered en 100 mm citratbuffer (pH 6,0). Forbered en 100 mm citratbuffer (pH 6,0) med 2 M NaCl. Løs 0,254 mg BTA-GD (III) DTPA (MW = 3184 g • mol -1) i 10 ml 100 mM citratbuffer, tArget konsentrasjonen 8 • 10 -3 mm av BTA-GD (III) DTPA. Sonicate løsningen i 5 minutter. Fyll en en cm UV cuvet med løsningen og måle en CD spekter fra 230 til 350 nm og en CD kjøling kurve på høyeste intensitet CD band (f.eks λ = 269 nm) 363-283 K med en hastighet på 1 K min – 1. Tilsett samme volum på 2 M NaCl bufret løsning til sitrat bufret løsning av BTA-GD (III) DTPA for å øke ionisk styrken til 1 M NaCl, fortynne de discotics til halve konsentrasjonen, målkonsentrasjon 4 • 10 -3 mM av BTA-GD (III) DTPA. Vortex løsningen med økt ionisk styrke i 5 minutter. Gjenta en CD spekter fra 230 til 350 nm og en CD kjøling kurve på høyeste intensitet CD bandet 363-283 K med en hastighet på 1 K min -1. 2. Montering av T-avhengige CD data til en modell for T-avhengeent selv-montering De rå CD data ble eksportert til Origin 8.5 og normalisert. Dette ble oppnådd ved å definere CD effekt på det høyeste målte temperaturen lik 0, og CD effekt ved laveste målte temperatur som lik en. Siden betydningen av CD-effekten er proporsjonal med graden av aggregering 8, de normaliserte CD-kurver er proporsjonal med graden av aggregering. De normaliserte data ble montert ved hjelp av lineær kurve alternativet i OriginPro 8,5 ved hjelp av en T-avhengig selv-montering modell utledet av van der Schoot 8,9. I denne modellen er en nukleasjon og en forlengelse regime skilles. Først graden av aggregering i forlengelsen regimet (T <t e) ble montert ved hjelp av følgende ligning: ligningen over inneholder (ved siden den variable temperatur, t, og graden aggregation Φ n) tre parametre, dvs. entalpien forlengelse h e, forlengelsen temperatur t e (temperaturen der selv-montering starter) parameteren sat, som er innført for å sikre at n > • s -1. Som en referanse, selv-diffusjon av HDO i D 2 O ble målt i en Varian 2 Hz D 2 O standard utvalg og kalibrert til sin standard verdi. Modellen brukes til å beregne hydrodynamisk radius R H av aggregatene er Stokes-Einstein forhold for spredningen av en sfærisk partikkel. 5. Representative Resultater En H-DOSY NMR og SAXS målinger på BTA-M (III)-DTPA: sfæriske objekter i citratbuffer Den ioniske karakter de perifere GD (III) komplekser introduserer frustrasjon i den endimensjonale vekst av discotic monomerer hvis kjerne er designet for å polymerisere inn langstrakte stang-lignende aggregater. Balansen mellom attraktive og frastøtende interaksjoner kontrollerer størrelsen og formen på aggregatene (Scheme 2). Scheme to. En effektiv teknikk for å bestemme størrelsen og formen av partikler i løsningen er synkrotron kilde liten vinkel X-ray spredning (SAXS). BTA-GD (III)-DTPA ble oppløst i en citratbuffer løsningen og SAXS profilene ble registrert og montert i regionen 0,01 <q <0,1 a -1. en skråning nærmer seg null i lav-q-regionen (q <0,06 Å -1) indikerer mangel på form anisotropi samlet, tyder tilstedeværelsen av sfæriske objekter (figur 1). de data målt ved ulike konsentrasjoner ble utstyrt med homogen monodisperse sfærisk factor fører til beregnet radius, r, 3,2 nm. den beregnede geometriske radius monomerisk discotic bta-gd (iii)-dtpa er 3,0 nm, noe som antyder tilslag et sideforhold nær en. <br /> Figur 1. SAXS profiler for BTA-Gd (III)-DTPA i citratbuffer (100 mm, pH 6) på 0,5 og 1,0 mm (topp). DOSY NMR av BTA-Y (III)-DTPA i 50 mm D 6-succinate buffer på 1,0 mm (nederst). Klikk her for å se større figur . For å gi ytterligere bevis for sfærisk form og nanometer-størrelse på selv monterte gjenstander, utførte vi en H diffusjon bestilles NMR spektroskopi (1 H-DOSY NMR) (figur 1). DOSY-NMR tillater bestemmelse av diffusjon koeffisientene for tilslag, hvorfra den hydrodynamiske radius (R H) kan beregnes. Siden Gud (III) er svært paramagnetiske og 1 H signalene ville dermed utvides betydelig, endret vi Gd (III) for diamagnetic Y (III). De diffusjon koeffisientene til den aggregerte diamagnetic discotic amphiphile i en deuterert succinate buffer (50 mM, PH 6, c = 1 mm) ble funnet å være 0.69×10-10 m 2 s -1. Via Stokes-Einstein forhold, beregner vi en hydrodynamisk radius R H på 2,9 nm for diskrete gjenstander av sfærisk størrelse (tabell 1). Denne størrelsen er i utmerket avtale med verdien fra SAXS data for BTA-Gd (III)-DTPA. BTA-M (III)-DTPA [Mm] D t en [10 -10 m 2 s -1] R H en [Nm] R b [Nm] 1 0,69 2.9 3.2 en fra DOSY; b fra SAXS Tabell 1. Resultater av SAXS og DOSY mål for BTA-M (III)-DTPA. Cryo-TEM på BTA-Gd (III)-DTPA: fra sfæriske objekter til langstrakte nanorods Ytterligere bevis for vellykket kontroll over endimensjonal stack lengde ble hentet fra Cryo-TEM mikrografer. På grunn av forglassing av de vandige løsninger kryogenisk TEM bevarer strukturelle morfologi av selv-montert aggregater og unngår tørking påvirker relatert til konvensjonell TEM prøveopparbeidelse. Figur 2 (til venstre) viser at BTA-Gd (III)-DTPA produserer forventet sfæriske objekter med diameter nær 6 nm ved en 1 mm konsentrasjon, som bekrefter resultatene fra SAXS og DOSY målinger. Ifølge disse funnene, har vi kunnet skaffe selv monterte diskrete objekter som kan betraktes som supramolecular tilsvarende dendrittiske makromolekyler 10. . Figur 2 Cryo-TEM bildene for BTA-GD (III)-DTPA (venstre) 1 mm vitrifiseres ved 298 K i citratbuffer (100 mm, pH 6), representerer skala bar 50 nm;(Høyre) 1 mM vitrifiseres ved 298 K i citratbuffer (100 mm, pH 6) og en samlet NaCl konsentrasjon av 5 M, representerer skala bar 50 nm. Så langt har vi bare jobbet i bufrede løsninger med lav ionisk styrke. Men hvis elektrostatiske frastøtende kreftene i perifere belastes M (III)-DTPA komplekser på BTA-Gd (III)-DTPA er på opprinnelsen til den frustrerte endimensjonale vekst, forventet vi at det å øke ionisk styrke bufret miljø, bruker en inert 01:01 salt med svært hydrert counterions, bør redusere elektrostatiske interaksjoner og dermed en annen type selv-montert objekt skal formes. I citratbuffer bestående 5 M NaCl denne effekten ble faktisk observert (Figur 2, til høyre). Dannelsen av høyt sideforhold stang-aktig supramolecular polymerer er tydelig observert i Cryo-TEM mikrografer på høy ionisk styrke. Elektrostatisk screening er den mest sannsynlige forklaringen på dette funnet. Formen endres fra en spherisk samlet på ca 6 nm i diameter til avlange stenger med en diameter på 6 nm og lengde på opptil flere hundre nanometer. CD målinger av BTA-Gd (III)-DTPA: slått på kooperativ selv-montering ved å øke ionisk styrke Rundskriv dichroism (CD) spektroskopi måler forskjellen i absorbsjon mellom venstrehendt og høyrehendt sirkulært polarisert lys. Når en spiralformede objekt har en foretrukket spiralformede forstand, venstre-og høyrehendte sirkulært polarisert lys vil bli absorbert i ulik grad, og dermed gir opphav til en CD-effekt. Siden de intermolekylære hydrogenbindinger dannes mellom rad BTA-Gd (III)-DTPA innenfor tilslag, er stilt opp i en spiral mote og stereogenic senteret på L-fenylalanin moiety favoriserer en spiralformede følelse over den andre, forventer vi en klar CD spekteret fra BTA-Gd (III)-DTPA baserte aggregater 11,12. I tillegg er temperaturavhengig CD spektroskopi en kraftigverktøy for å vurdere selv-montering mekanisme av BTA-GD (III)-DTPA polymerisering og gjør det mulig å utlede konklusjoner om stabiliteten i de dannet aggregater 13. Som et eksempel, blir romtemperaturen CD spektra av BTA-GD (III)-DTPA (8×10 -3 mm eller 4×10 -3 mm i en 100 mm citratbuffer) med økende saltkonsentrasjon (0 M NaCl til 1,0 M NaCl) gitt i Figur 3A. Selv om en betydelig lavere konsentrasjon brukes for CD målingene, viser den klare Cotton effekten tilstedeværelse av intakte tilslag, selv ved micromolar konsentrasjoner. Formen på CD spektrum endringene på å øke salt konsentrasjon, som er en god indikasjon for reduserte interaksjoner i periferien av de stabler og bedre pakking av discotics. I tillegg CD kjøling kurvene til de samme løsningene (363-283 K, målt ved λ = 269 eller 278 nm) viser tydelige forskjeller i form (figur 3B). APforeldre T e-temperaturen der aggregering begynner-skifter til høyere temperaturer ved høyere saltinnhold og en stadig mer samarbeidsvillig mekanisme, preget av en mer brå økning i CD-effekten, blir tydelig. Mens kjøling kurven ved 0 M NaCl er best beskrevet av en isodesmic selv-montering prosess, er kjøling kurve på 1,0 M NaCl typisk for et kooperativ selv-montering prosess 14. I det første tilfellet er alle foreningens konstanter antas å være lik, mens i sistnevnte tilfelle selv-montering skjer i minst to forskjellige stadier. I det første trinnet, trenger en "kjerne" som skal dannes som er energisk svært ugunstig. Etter avkjøling under en kritisk polymerisasjon temperatur, følger tøyelighet og eksponentiell vekst i supramolecular polymerer av høy molekylvekt. Kvantifisere termodynamiske parametere til selv-montering av BTA-GD (III)-DTPA på 0 og 1 M NaCl ved hjelp av en samarbeidsvillig modell avslører tydelig nedgang i K <sub> a, som er dimensjonsløs aktivering konstant åtte. Lavere verdier for K en indikerer en høyere grad av cooperativity i selv-montering prosess, som er uttrykt i dannelsen av svært langstrakte supramolecular polymerer som er observert i Cryo-TEM. BTA-GD (III)-DTPA C NaCl K en 8 x10 -3 mM 0 M 5 10 -2 4 x10 -3 mM 1 M 1 10 -4 Tabell 2. Grad av cooperativity uttrykt ved K en i temperaturavhengig selv-montering av BTA-GD (III)-DTPA som en funksjon av NaCl konsentrasjon (C NaCl). Figur 3. BTA-Gd (III)-DTPA i en 100 mm citratbuffer (c = 8 x10 -3 mm ved lav ionisk styrke og 4 x10 -3 mm ved høy ionisk styrke) A] CD spektra målt ved 293 K som en funksjon av ionisk styrke , c NaCl = 0 M – 1,0 M, molar ellipticity Δε beregnes slik: Δε = CD-effekt / (cxl) der c er konsentrasjonen av BTA i mol L -1 og l er den optiske veilengden i cm ; B] Tilsvarende CD kjøling kurver målt ved λ = 269 nm for 0 M NaCl og 278 nm for 1 M NaCl-løsninger uttrykt som grad av aggregering Φ n som en funksjon av NaCl konsentrasjonen c NaCl = 0 M – 1,0 M, Φ n beregnes ved å dividere den målte CD-effekt ved maksimal CD-effekt.

Discussion

De selv-montering discotic amphiphiles diskutert i dette bidraget inneholder Gd (III)-DTPA komplekset er for tiden under etterforskning som romanen magnetisk resonans imaging (MRI) midler som kombinerer høy kontrast med tunbare utskillelse ganger. ^Femten Derfor detaljene i deres selv- montering atferd og deres stabilitet under forskjellige forhold er av avgjørende betydning. Kombinasjonen av spektroskopiske (CD og NMR), spredning (SAXS) og mikroskopi (Cryo-TEM) teknikker tillater visualisering av de dannet strukturer og kvantifisering av deres termodynamiske parametere. Denne kombinasjonen av teknikker er generelt gjelder for selv-montering molekyler, så lenge en fortrinnsrett spiralformede følelse i det studerte systemet tillater en forskjell i absorpsjon av venstre-og høyrehendte sirkulært polarisert lys.

Materials

Name of the reagent/equipment	Company	Catalogue number	Comments
BTA-Gd(III)-DTPA			Made in-house
BTA-Y(III)-DTPA			Made in-house
CD spectroscopy	Jasco	Jasco J-815 spectropolarimeter
NMR	Varian	Varian Unity Inova 500 spectrometer	5-mm ID-PFG probe of Varian
cryo-TEM	FEI	cryoTITAN TEM
SAXS	Dutch-Belgian beamline (BM26B) at the European Synchotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France