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Chemistry

एकल धातु नैनोकणों के उच्च संकल्प शारीरिक विशेषता

Published: June 28, 2019 doi: 10.3791/58257
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1, 1,3
1Physical Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 2Department of Chemical Engineering, Columbia University, 3Department of Applied Physics and Applied Math, Columbia University

Summary

यहाँ, हम एक जैविक नैनोपोर आधारित इलेक्ट्रॉनिक मंच का उपयोग कर एक अणु सीमा पर असतत धातु ऑक्सीजन समूहों, polyoxometalates (POMs) का पता लगाने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं। विधि इन अणुओं के अध्ययन में इस्तेमाल पारंपरिक विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान उपकरणों के लिए एक पूरक दृष्टिकोण प्रदान करता है.

Abstract

अलग-अलग अणुओं का पता लगाया जा सकता है और जिसकी विशेषता उस डिग्री को मापती है जिसके द्वारा वे एक नैनोमीटर-स्केल छिद्र के माध्यम से बहने वाली आयनिक धारा को कम करते हैं। संकेत अणु के भौतिक गुणों और छिद्र के साथ इसकी बातचीत की विशेषता है. हम यह प्रदर्शित करते हैं कि जीवाणु प्रोटीन एक्सोटॉक्सिन स्टेफिलोकोकस ऑरियस अल्फा हेमोलिसिन (जेडएचएल) द्वारा निर्मित नैनोपोर एकल अणु सीमा पर पॉलीऑक्सोमेटल्स (पीओएम, एनिओनिक धातु ऑक्सीजन क्लस्टर) का पता लगा सकता है। इसके अलावा, समाधान में 12-फॉस्फोतुंगस्टिक एसिड पोम (पीटीए, एच3पीडब्ल्यू12ओ40) के कई अवक्रमण उत्पादों को एक साथ मापा जाता है। नैनोपोर विधि के एकल अणु संवेदनशीलता POMs परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए आवश्यक की तुलना में काफी कम सांद्रता पर विशेषता के लिए अनुमति देता है. इस तकनीक के लिए केमिस्टों के लिए एक नए उपकरण के रूप में काम करने के लिए polyoxometales या अन्य धातु समूहों के आणविक गुणों का अध्ययन कर सकता है, बेहतर POM सिंथेटिक प्रक्रियाओं को समझने के लिए, और संभवतः उनकी उपज में सुधार. परिकल्पनात्मक रूप से, दिए गए परमाणु का स्थान, या अणु में एक टुकड़े के घूर्णन, और धातु ऑक्सीकरण राज्य इस विधि के साथ जांच की जा सकती है. इसके अलावा, इस नई तकनीक समाधान में अणुओं की वास्तविक समय की निगरानी की अनुमति का लाभ है.

Introduction

एकल अणु स्तर पर जैव-अणु कनालिसाइट्स का पता लगाने नैनोपोरों का उपयोग करके और आयनिक वर्तमान मॉडुलन को मापने के द्वारा किया जा सकता है। आमतौर पर, नैनोपोरों को उनके निर्माण के आधार पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जाता है: जैविक (प्रोटीन या डीएनए ओरिगमी से इकट्ठे हुए)1,2,3, या ठोस राज्य (जैसे, के साथ निर्मित अर्धचालक प्रसंस्करण उपकरण)4,5. जबकि ठोस राज्य नैनोपोरों संभावित रूप से अधिक शारीरिक रूप से मजबूत के रूप में सुझाव दिया गया था और समाधान की स्थिति की एक विस्तृत श्रृंखला पर इस्तेमाल किया जा सकता है, प्रोटीन नैनोपोर्स इस प्रकार अब तक अधिक संवेदनशीलता प्रदान करते हैं, बेईमानी करने के लिए अधिक प्रतिरोध, अधिक बैंडविड्थ, बेहतर रासायनिक चयनात्मकता, और शोर अनुपात के लिए एक बड़ा संकेत.

प्रोटीन आयन चैनलों की एक किस्म, जैसे स्टैफिलोकोकस ऑरियसद्वारा बनाई गई एक - हेमोलिसिन (जेडएचएल), आयनों सहित एकल अणुओं का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है (जैसे , एच+ और डी+)2,3, पॉलीन्यूक्लिओटाइड्स (डीएनए) और आरएनए )6,7,8, क्षतिग्रस्त डीएनए9, पॉलीपेप्टाइड10, प्रोटीन (फोल्ड और सामने आया)11, पॉलिमर (पॉलीथीन ग्लाइकोल और अन्य)12,13 , 14, सोने के नैनोकण15,16,17,18,19और अन्य कृत्रिम अणु20.

हमने हाल ही में यह प्रदर्शित किया है कि एकल अणु स्तर पर धातु समूहों, पॉलीऑक्सोमेलेट्स (पीओएम) का भी आसानी से पता लगाया जा सकता है और उनकी विशेषता भी हो सकती है। POMs असतत नैनोस्केल anionic धातु ऑक्सीजन समूहों है कि 182621में खोज की गई हैं, और तब से, कई और अधिक प्रकार संश्लेषित किया गया है. विभिन्न आकारों, संरचनाओं, और polyoxometalates के मौलिक रचनाओं कि अब उपलब्ध हैं रसायन विज्ञान22,23,उत्प्रेरक24, सामग्री विज्ञान 25 सहित गुणों और अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए नेतृत्व किया ,26, और जैव चिकित्सा अनुसंधान27,28,29.

पोम संश्लेषण आम तौर पर एक आत्म-असेम्बली प्रक्रिया है जो मोनोमेरिक धातु लवण की आवश्यक मात्रा को मिलाकर आम तौर पर पानी में किया जाता है। एक बार गठन, POMs आकार और आकार के एक महान विविधता प्रदर्शन. उदाहरण के लिए, केगिन पॉलीओनियन संरचना, ग्म12व्40ु- एक हेटेरोटोम (एक्स) से बना है जो चार ऑक्सीजनों से घिरा हुआ है ताकि टेट्राफलक (क्यू आवेश है)। हेटेरोटोम 12 अष्टफलकीय एमओ6 इकाइयों (जहां एम - संक्रमण धातुओं को उनके उच्च ऑक्सीकरण अवस्था में) द्वारा निर्मित पिंजरे के भीतर केंद्रीय रूप से स्थित है, जो पड़ोसी साझा ऑक्सीजन परमाणुओं द्वारा एक दूसरे से जुड़े हुए हैं। जबकि टंगस्टन पॉलीऑक्सोमेटल्स संरचना अम्लीय स्थितियों में स्थिर होती है, हाइड्रॉक्साइड आयनों से धातु-ऑक्सीजन (एम-ओ) बांड30के जल-अपघटित दरार का कारण बन जाता है। इस जटिल प्रक्रिया के परिणामस्वरूप एक या अधिक एमओ6 ऑक्टाहेदरल उपइकाइयों का नुकसान होता है, जिससे मोनोरिक्त और त्रिरिक्त प्रजातियों के गठन और अंततः POMs के पूर्ण अपघटन के लिए होता है। यहाँ हमारी चर्चा पीएच 5.5 और 7.5 पर 12-फॉस्फोतुंगस्टिक एसिड के आंशिक अपघटन उत्पादों तक सीमित होगी।

इस प्रोटोकॉल का लक्ष्य एक जैविक नैनोपोर आधारित इलेक्ट्रॉनिक मंच का उपयोग कर एकल अणु सीमा पर असतत धातु ऑक्सीजन समूहों का पता लगाने के लिए है। इस विधि समाधान में धातु समूहों का पता लगाने की अनुमति देता है। विलयन में अनेक प्रजातियों में पारंपरिक विश्लेषणात्मक विधियों की तुलना में अधिक संवेदनशीलता के साथ भेदभाव किया जा सकताहै. इसके साथ, पोम संरचना में सूक्ष्म अंतर स्पष्ट किया जा सकता है, और सांद्रता में एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए आवश्यक उन लोगों की तुलना में काफी कम है। महत्वपूर्ण बात यह है कि यह दृष्टिकोण भी ना8HPW9O341के isomeric रूपों के भेदभाव की अनुमति देता है.

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Protocol

नोट: नीचे दिए गए प्रोटोकॉल इलेक्ट्रॉनिक BioSciences (EBS) Nanopatch डीसी सिस्टम के लिए विशिष्ट है. हालांकि, यह आसानी से अन्य इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी उपकरण के लिए अनुकूलित किया जा सकता है जो प्लैनार लिपिड बाइलेयर झिल्ली के माध्यम से वर्तमान को मापने के लिए उपयोग किया जाता है (मानक लिपिड बाइलेयर झिल्ली कक्ष, यू-ट्यूब ज्यामिति, खींचे माइक्रोकैपिलरी आदि)। वाणिज्यिक सामग्री और उनके स्रोतों की पहचान प्रयोगात्मक परिणामों का वर्णन करने के लिए दिया जाता है। किसी भी मामले में इस पहचान मानक और प्रौद्योगिकी के राष्ट्रीय संस्थान द्वारा सिफारिश मतलब है, और न ही यह मतलब है कि सामग्री सबसे अच्छा उपलब्ध हैं.

1. समाधान और एनालाइट तैयारी

  1. ट्रेस कार्बनिक प्रजातियों को दूर करने के लिए एक प्रकार-1 जल शोधन प्रणाली से 18 एमजेड-सेमी पानी के साथ सभी इलेक्ट्रोलाइट समाधान तैयार करें और फिर आयन चैनल रिकॉर्डिंग से ठीक पहले एक 0ण्222 डिग्री वैक्यूम फिल्टर के माध्यम से सभी इलेक्ट्रोलाइट समाधानों को फ़िल्टर करें।
    नोट: झिल्ली नैनोपोर प्रणाली की स्थिरता और लंबी उम्र के लिए पानी की गुणवत्ता एक महत्वपूर्ण कारक है।
  2. जंगली प्रकार $HL.
    1. MSDS सावधानियों का पालन करें जब $HL विष प्रोटीन से निपटने.
    2. मिक्स लाइओफिलाइज्ड वाइल्ड-टाइप मोनोमेरिक एस ऑरेस -हेमोलिसिन (जेड एचएल) पाउडर को 1 8 एम जेड-सेमी पानी के साथ 1 मिलीग्राम/एमएल पर मिलाएं। नमूने के 10 से 30 डिग्री सेल्सियस को क्रायो-सुरक्षित अपकेंद्रित्र ट्यूबों में वितरित करें, तरल नाइट्रोजन में जल्दी से फ्रीज फ्लैश करें और फिर -80 डिग्री सेल्सियस पर स्टोर करें। वैकल्पिक रूप से, शुद्ध preformed heptameric का उपयोग करें -HL31|
  3. लिपिड 1,2-Diphytanoyl-sn-ग्लिसेरो-3-फॉस्फोकोलिन (DPhyPC) को 0.2 मिलीग्राम/एमएल में n-decane को एक 4 एमएल ग्लास scintillation शीशी में एक polytetrafluoroethyleneeflon-coated टोपी के साथ भंग करें। एक महीने तक बार-बार उपयोग के लिए समाधान को 4 डिग्री सेल्सियस पर संग्रहीत करें.
  4. फॉस्फोटंगस्टिक अम्ल समाधान तैयार की।
    1. फॉस्फोटंगस्टिक एसिड पाउडर को संभालने के दौरान एमएसडीएस सावधानियों का पालन करें और एच3पीडब्ल्यू12ओ40 की 57.6 मिलीग्राम को भंग करके एक 2 एम फॉस्फोतुंगस्टिक एसिड स्टॉक समाधान तैयार करें 1 एम नैकल और 10 एमएम नाएच2पीओ4 समाधान, जो शेयर समाधान का गठन किया.
    2. इस घोल का 5 एमएल ली और पीएच को 3 एम नाह के साथ 5.5 कर के लिए समायोजित करें। स्टॉक विलयन के अन्य 5 एमएल के पीएच को 3 M NaOH के साथ 7.5 तक समायोजित करें।
      नोट: पीएच 5.5, 12-फॉस्फोतुंगस्टिक एसिड (पीटीए, एच3पीडब्ल्यू12ओ40) में मुख्य रूप से मोनोरिक्त आयन [पीडब्ल्यू11ओ39]7-में विघटित हो जाता है।

2. टेस्ट सेल विधानसभा

  1. निर्माता के निर्देशों के अनुसार परीक्षण सेल इकट्ठा.
  2. एक एजी/एगसीएल तार को ब्लीच (सोडियम हाइपोक्लोराइट) में 600 ग्रिट सैंडपेपर के साथ brading के बाद 10 मिनट के लिए भिगो दें। क्वार्ट्ज नैनोपोर झिल्ली (QNM) के अंदर इलेक्ट्रोड स्थिति.
  3. QNM के बाहर एक चांदी के तार में एम्बेडेड एक बेलनाकार AgCl गोली इलेक्ट्रोड प्लेस.
  4. एक बार परीक्षण सेल की स्थापना की है, बिजली की आपूर्ति और डेटा अधिग्रहण कार्यक्रम पर बारी. सुनिश्चित करें कि DC वर्तमान पठन परीक्षण कक्ष में समाधान के अभाव में 0 pA है।
  5. QNM के चेहरे के ऊपर बफर इलेक्ट्रोलाइट समाधान जोड़ने के लिए और आयनिक वर्तमान संतृप्त प्रवर्धक संतृप्त करने के लिए एक तरल पदार्थ लाइन के माध्यम से परीक्षण सेल से जुड़े सिरिंज का प्रयोग करें। यदि यह नहीं करता है, QNM भरा हो सकता है. इसे साफ करने के लिए 300 मिमी एचजी से अधिक एक पॉप वोल्टेज (जेड 1 वी) और/या एक दबाव लागू करें। अगर वह काम करता है, वोल्टेज और दबाव को कम.

3. लिपिड Bilayer गठन

  1. समाधान स्तर QNM के चेहरे के ऊपर अच्छी तरह से है ताकि परीक्षण सेल में समाधान भरें. फिर सिरिंज के माध्यम से समाधान स्तर को चेहरे के नीचे कम करें, ताकि वर्तमान शून्य हो जाए।
  2. लिपिड शीशी में एक 10 डिग्री पिपेट टिप डुबकी. पिपेट टिप के पीछे के अंत पर पुश और सभी दिखाई लिपिड को दूर करने के लिए शीशी के किनारे पर नल।
  3. परीक्षण सेल में समाधान के हवा-पानी इंटरफ़ेस पर पिपेट टिप को स्पर्श करें जब समाधान स्तर QNM के चेहरे से ऊपर है और लिपिड को समान रूप से फैलाने के लिए दो से पांच मिनट तक प्रतीक्षा करें।
  4. धीरे धीरे QNM के चेहरे के नीचे समाधान के स्तर को कम जब तक वर्तमान संतृप्त करता है, और फिर धीरे धीरे एक लिपिड bilayer झिल्ली के रूप में QNM के चेहरे पिछले समाधान स्तर बढ़ा.
    1. एक बार एक bilayer के रूप में प्रकट होता है(यानी, जब वर्तमान शून्य करने के लिए चला जाता है), यह दबाव बढ़ाने के द्वारा कई बार popping की कोशिश और सुनिश्चित करें कि QNM भरा नहीं है. लिपिड bilayer झिल्ली में सुधार करने के लिए, QNM के चेहरे के नीचे समाधान के स्तर को कम करने और धीरे धीरे इसे बढ़ा.
  5. यदि लिपिड बाइलेयर झिल्ली पहली बार नहीं बनाती है, तो चेहरे के नीचे समाधान को कम करें और इसे फिर से उठाएं। यदि यह 3 परीक्षणों के बाद नहीं बना है, तो 3.2 और 3.3 में वर्णित के रूप में अधिक लिपिड जोड़ें.
  6. एक झिल्ली बनाने के बाद, लागू क्षमता शून्य है जब वर्तमान ऑफसेट शून्य करने के लिए सेट करें।

4. HL Pore गठन

  1. चैनल निर्माण को सक्षम करने के लिए परीक्षण सेल (मात्रा ख् 200 डिग्री सेल्सियस) में शुद्ध पूर्वनिर्मित का 2ण्5 ग जोड़ें एचएल हेप्टामेरिक प्रोटीन नमूना (या मोनोमेरिक जेडएचएल का 250 एनजी) जोड़ें।
  2. एक द्वि परत का गठन किया हैके बाद एक गैस तंग सिरिंज के साथ bilayer पर दबाव बढ़ाएँ, QNM से झिल्ली का विस्तार करने के लिए, और नैनोपोर प्रविष्टि की सुविधा. आम तौर पर 40 से 200 mmHg के बीच लागू वापस दबाव उठाएँ, प्रत्येक QNM पर निर्भर करता है.
    नोट: ईबीएस सॉफ्टवेयर एक स्वचालित प्रविष्टि सुविधा है कि एक उच्च पूर्वाग्रह लागू होता है (आमतौर पर 200 से 400 एमवी) pores गठन प्रेरित करने के लिए और फिर स्वचालित रूप से माप पूर्वाग्रह के लिए वांछित वोल्टेज कम कर देता है एक बार एक एकल चैनल रूपों.
  3. नैनोपोर के रूप के बाद, सम्मिलन दाब के लगभग 1$2 तक पश्च दाब को कम करें। यदि कई चैनलों मनाया जाता है, उन्हें काफी दबाव को कम करने से हटा दें.

5. नैनोपोर में धातु क्लस्टर विभाजन

  1. इलेक्ट्रोड असंतुलन के लिए खाते में, डीसी ऑफसेट वोल्टेज इस तरह सेट करें कि जब लागू क्षमता शून्य करने के लिए सेट किया गया है वहाँ कोई मापा वर्तमान है.
  2. पोम नमूना जोड़ने से पहले, यह सुनिश्चित करने के लिएएक नियंत्रण प्रयोग करें कि जलाशय में कोई संदूषक (जैसे, पिछले प्रयोग से POMs का पता लगाएँ)। विशेष रूप से, सत्यापित करें कि कोई सहज वर्तमान नाकेबंदी मौजूद हैं किसी भी POMs के अभाव में -120 mV करने के लिए -120 mV के लिए एक लागू क्षमता के तहत एक आयनिक वर्तमान ट्रेस प्राप्त करें।
    नोट: $HL चैनल की असममित संरचना के कारण (चित्र 1), आयनिक धारा की महानता धनात्मक और ऋणात्मक अनुप्रयुक्त विभवों के लिए भिन्न होगी। इस अनुप्रयुक्त वोल्टता के ऊपर मापी गई विद्युत धारा का अनुपात झिल्ली में एचएल नैनोपोर के अभिविन्यास का सूचक है।
  3. 1 से 5 एमएम एकाग्रता पर धातु क्लस्टर समाधान के साथ जलाशय फ्लशिंग द्वारा पोम नमूना जोड़ें। वैकल्पिक रूप से, $HL चैनल के दूसरे छोर में POMs के विभाजन का अध्ययन करने के लिए सेल असेंबली से पहले केशिका में नमूना लोड.
  4. नैनोपोर में अलग-अलग POMs के विभाजन की वजह से क्षणिक वर्तमान नाकेबंदी का पता लगाने के लिए निर्माता के सॉफ्टवेयर का उपयोग कर आयनिक वर्तमान रिकॉर्ड। आयनिक वर्तमान नाकाबंदी गहराई, घटना आवृत्ति, और नाकाबंदी के निवास समय वितरण से अणु के भौतिक और रासायनिक गुणों का अनुमान.

6. आयन चैनल रिकॉर्डिंग और डेटा विश्लेषण

  1. एक उच्च प्रभाव, कम शोर एम्पलीफायर और डेटा अधिग्रहण प्रणाली का उपयोग कर आयनिक वर्तमान समय श्रृंखला माप प्राप्त करें. -120 mV के एक लागू वोल्टेज पर माप प्रदर्शन (चैनल cis पक्ष के लिए संबंधित) प्रत्येक पीएच के लिए.
  2. संकेत है, जो बाद में 500 kHz(यानी, 2 ms/point) पर digitized है करने के लिए एक कम पास 100 kHz 8-पोल Bessel फिल्टर लागू करें। समय श्रृंखला से घटनाओं निकालें और MOSAIC सॉफ्टवेयर सॉफ्टवेयर 32,33में ADEPT एल्गोरिथ्म का उपयोग कर घटनाओं का विश्लेषण .

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Representative Results

पिछले दो दशकों में, झिल्ली से बंधे प्रोटीन नैनोमीटर पैमाने पर pores बहुमुखी एकल अणु सेंसर के रूप में प्रदर्शन किया गया है. Nanopore आधारित माप निष्पादित करने के लिए अपेक्षाकृत सरल हैं.  इलेक्ट्रोलाइट समाधान से भरे दो कक्षों को विद्युत इन्सुलेट लिपिड झिल्ली में एम्बेडेड नैनोपोर द्वारा अलग किया जाता है। या तो एक पैच-क्लैम्प एम्पलीफायर या एक बाहरी बिजली की आपूर्ति एजी/एगसीएल इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट जलाशयों में डूबे के माध्यम से नैनोपोर भर में एक इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता प्रदान करता है। विद्युत क्षेत्र अलग-अलग आवेशित कणों को छिद्र में चलाता है, जो आयनिक धारा में क्षणिक कटौती का उत्पादन करता है जो कणों के आकार, आकार और आवेश पर निर्भर करता है। एक कंप्यूटर प्रोग्राम लागू वोल्टेज और मॉनिटर को नियंत्रित करता है, वास्तविक समय में, आयनिक वर्तमान नाकेबंदी अणुओं के कारण reversibly pores में विभाजन. वर्तमान प्रवर्धित है और एक कम शोर, उच्च प्रतिबाधा क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर और एक डेटा अधिग्रहण कार्ड का उपयोग कर डिजीटल के साथ वोल्टेज में परिवर्तित.

यहाँ, हम एक जैविक नैनोपोर के साथ polyoxometalates का पता लगाने के लिए एक सामान्य प्रक्रिया प्रदान करते हैं. जैसा कि चित्र 2में देखा गया है , POMs के योग से पहले अबाधित चैनल में -120 mV की अनुप्रयुक्त संभाव्यता पर 100 pA का माध्य खुला चैनल होता है। POMs के अलावा क्षणिक नाकेबंदी पैदा करता है और लगभग 80% से आयनिक वर्तमान कम हो जाती है. जैसा कि आशा की जाती है, क्योंकि इन कणों को ऋणावेशित किया जाता है, जब अनुप्रयुक्त विभव की ध्रुवता उलट जाती है तो नाकेबंदी नहीं होती। ध्यान दें कि अगर POMs pores दीवार के साथ बातचीत नहीं किया, वे के बारे में में है pores के माध्यम से फैलाना होगा 100 एन एस, जो अभी तक भी एक पारंपरिक पैच दबाना एम्पलीफायर के साथ पता लगाया जा संक्षिप्त है. इस प्रकार, एक दिए गए कण के रंध्र में खर्च होने वाले अधिकांश समय कण और छिद्र के बीच अन्योन्यक्रिया का प्रत्यक्ष परिणाम होता है। एक आयनिक वर्तमान नाकाबंदी घटना की अवधि निवास समय, ताओ (जेड) के रूप में परिभाषित किया गया है।

इस विधि की उपयोगिता को समझाने के लिए, हम पीएच 5.5 तथा थ् 7-5 पर 12-फॉस्फोतुंगस्टिक अम्ल (PTA, H3PW12O40) के अपघटन की निगरानी करने के लिए किसी $HL नैनोपोर के उपयोग पर चर्चा करते हैं। इस अपघटन 31पी NMR माप के साथ मनाया जा सकता है, लेकिन एकाग्रता की जरूरत है 2 m जबकि नैनोपोर माप कम से कम की जरूरत है 30 डिग्री, नैनोपोर माप संवेदनशीलता की वजह से. पीएच 5.5 में, [पीडब्ल्यू11ओ39]7- प्रमुख प्रजाति30है।

डेटा विश्लेषण सापेक्ष नाकाबंदी गहराई अनुपात के हिस्टोग्राम की गणना करके किया जाता है(अर्थात्,और lt;i;gt;iogt;, जहां और lt;igt; pore में POM के साथ माध्य धारा है और मतलब खुला चैनल वर्तमान है). माध्य वर्तमान नाकाबंदी गहराई अनुपात के हिस्टोग्राम पर -120 mV और पीएच 5.5 पर एक छोटी चोटी दर्शाती है औरमैंgt; / , हरी). हम मान लेते हैंकि ये शिखर क्रमशः 31पी एनएमआर के आधार पर ख्च 2 ड ह23े6- तथा ख्प् 11 व्397-के अनुरूप हैं। 31 पी एनएमआर अध्ययनों से पता चलता है कि पीएच में वृद्धि से इन दो प्रजातियों की सापेक्ष सांद्रता में परिवर्तन होता है और चित्र 3में दर्शाए गए दो चोटियों के क्षेत्र में परिवर्तन से इसका जन्म होता है।

जब पोम विलयन को चह 7ण्5 पूर्व स्थितिके लिए अनुमत किया जाता है, तो दो-प्रमुख प्रजातियों के आंशिक अवक्रमण के कारण अकार्बनिक लवणों (अर्थात् मुक्त फॉस्फेट, एचएक्सपीओ4 43+x) के लिए कुल पोम सांद्रता कम हो जाती है और टंगस्टेट, WO42आयनों). सापेक्ष नाकाबंदी गहराई अनुपात के हिस्टोग्राम भी दो प्रमुख चोटियों से पता चलता है (चित्र 3, नारंगी),लेकिन साथ 20 गुना कम घटनाओं (जो पता चलता है पीएच 7.5 पर कुल पोम एकाग्रता लगभग 20 गुना कम है कि पीएच 5.5 पर से कम है, अगर POMs के लिए नैनोपोर की कैप्चर दक्षता दो पीएच मानों में समान है)। यह ध्यान रखना दिलचस्प है कि पीएच 7.5 और उससे अधिक समय पर, यहां पाई गई पोम प्रजातियों का फॉस्फेट और टंगस्टेट आयनों में उनके विघटन के कारण उनकी कम सांद्रता के कारण 31पी एनएमआर स्पेक्ट्रम में पाया गया था।

छिद्र में प्रत्येक घटना के निवास समय व्यक्तिगत आयनिक वर्तमान नाकेबंदी की अवधि से परिभाषित किया गया है. निवास समय का वितरण विभिन्न प्रजातियों है कि मौजूद हैं में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है. यह पहले दिखाया गया था कि पॉली (एथिलीन ग्लाइकोल) के एक अलग आकार के पॉलिमर की वजह से नाकाबंदी के लिए, उस बहुलक के प्रत्येक आकार के लिए निवास समय वितरण अच्छी तरह से एक घातीय द्वारा वर्णित है। इस परिणाम से पता चलता है कि बहुलक की अन्योन्यक्रिया एक साधारण उत्क्रमणीय रासायनिक अभिक्रियाहै 12,13,20.

चित्र 4 यह दर्शाता है कि दो चोटियों के लिए निवास समय वितरण पीएच 5-5 और 7.5 में अच्छी तरह से विभेदित किया गया था। दो विशेषताएं स्पष्ट हैं. सबसे पहले, सभी शर्तों के तहत, कई घातीयों प्रत्येक वितरण है, जो पता चलता है कि प्रत्येक प्रजाति के भीतर POMs की विविधताओं रहे हैं फिट करने के लिए आवश्यक हैं. दूसरा, pores में POMs के निवास समय पीएच 5.5 पर उन लोगों की तुलना में पीएच 7.5 पर बहुत कम कर रहे हैं, जो pores और POMs के बीच बातचीत के कमजोर पता चलता है. यह पहले से दर्शाया गया है कि चह में परिवर्तन HL चैनल लुमेन में अथवा उसकेनिकट नियत आवेशों की सापेक्ष संख्या को परिवर्तित करता है। ये परिवर्तन सीधे छिद्र के अंदर पोमों के विभाजन के साथ बातचीत को बदल देंगे और इसलिए उनके निवास समय34,35में संशोधन करेंगे .

Figure 1
चित्र 1: प्रयोगात्मक सेटअप का Schematic आरेख. अलग-अलग पॉलीऑक्सोमेटालेट अणुओं के नैनोपोर आधारित लक्षणीकरण के लिए विधि। एक प्रोटीन नैनोपोर जो 4 एनएम मोटी लिपिड बाइलेयर झिल्ली में स्वयं इकट्ठा होता है, कांच केशिका और बड़े जलाशय में जलीय इलेक्ट्रोलाइट समाधानों से स्नान किया जाता है। नैनोपोर निगमन की सहायता के लिए गैस तंग सिरिंज के साथ कांच केशिका पर दबाव डाला जाता है। एक संभावित ट को अग/एगसीएल इलेक्ट्रोड की एक मेल जोड़ी के साथ झिल्ली के पार लागू किया जाता है और एक आयनिक धारा(उदा.ना+ और सीएल- )को छिद्र के माध्यम से ड्राइव करता है। वर्तमान एक उच्च प्रतिबाधा एम्पलीफायर के साथ वोल्टेज में परिवर्तित कर दिया जाता है, डिजिटल कनवर्टर करने के लिए एक एनालॉग के साथ digitized (ADC) और एक कंप्यूटर पर संग्रहीत. कंप्यूटर सॉफ्टवेयर एनालॉग कनवर्टर करने के लिए एक डिजिटल के माध्यम से लागू क्षमता को नियंत्रित करता है (डैक) और पर नज़र रखता है, वास्तविक समय में, क्षणिक वर्तमान नाकेबंदी एकल अणुओं कि pores में विभाजन की वजह से. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: नैनोपोर-आधारित अलग-अलग धातु-नानोकणों का पता लगाना। आयनिक वर्तमान समय श्रृंखला निशान का एक उदाहरण है कि पहले और नैनोपोर उपकरण के लिए एक पोम समाधान के अलावा होने के बाद. pores में व्यक्तिगत anionic POMs के विभाजन मतलब खुला pores वर्तमान में क्षणिक वर्तमान कटौती का कारण बनता है, और lt;iogt;  (ठीक है) एक विशिष्ट घटना, नाकाबंदी के माध्य वर्तमान का चित्रण ([lt;igt;] और निवास समय (जेड) के कण के pores में. लागू क्षमता थी -120 एमवी, और समाधान निहित 1 एम NaCl, 10 m NaH2PO4 पीएच 5.5 पर. सिस डिब्बे में 12-फॉस्फोटंगस्टिक एसिड का 30 डिग्री सेल्सियस भी था। वर्तमान नाकाबंदी गहराई अनुपात (औरमैंऔर gt;/ यहाँ प्रयोग की जाने वाली परिस्थितियों के अंतर्गत, जब पीओएम उपस्थित नहीं होते हैं तो जेडएचएल चैनल द्वार नहीं होता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: पीएच 5.5 और 7.5 पर वर्तमान नाकाबंदी गहराई अनुपात के हिस्टोग्राम। पिम-प्रेरित आयनिक धारा नाकाबंदी गहराई अनुपात के हि5 5 (हरे) तथा 7.5 (नारंगी) के हिस्टोग्राम एक अनुप्रयुक्त विभव ट र् -120 उ.मी. प्रत्येक पीएच मान पर मौजूद दो चोटियों उन परिस्थितियों के तहत समाधान में ज्ञात प्रबल पोम प्रजातियों के अनुरूप हैं। 0 और 1 की वर्तमान नाकाबंदी गहराई अनुपात क्रमशः एक पूरी तरह से अवरुद्ध और खुले छिद्र से मेल खाती है। हिस्टोग्राम 0.001 की एक बिन चौड़ाई के साथ बनाया गया था और डेटा अधिग्रहण समय से विभाजित करके गिनती / कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4: निवास समय वितरण और कई घातीयों के साथ फिटिंग. दो-प्रमुख प्रजातियों (चित्र 4में 1 और 2 ) के कारण पोम-प्रेरित वर्तमान नाकेबंदी के लिए निवास समय का वितरण एक अर्द्ध-लॉग प्लॉट में पीएच 5-5 और 7.5 में मनाया गया। दोनों प्रजातियों के लिए, निवास बार स्पष्ट रूप से उच्च पीएच मूल्य है, जो pores और POMs के बीच बातचीत से पता चलता है पर कम कर रहे हैं बदल गया. ठोस लाइनों डेटा के लिए एक घातीय मिश्रण मॉडल के फिट बैठता है. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

उनके निओनिक आवेश के कारण, पीओएम संभावित रूप से इलेक्ट्रोस्टैटिक अन्योन्यक्रियाओं के माध्यम से कार्बनिक प्रति-संक्षायनी धनायनों के साथ संबद्ध होते हैं। इसलिए, POMs के साथ जटिल गठन से बचने के लिए उचित समाधान स्थितियों और सही इलेक्ट्रोलाइट वातावरण (विशेष रूप से समाधान में cations) की पहचान करने के लिए महत्वपूर्ण है। बफर विकल्प में विशेष देखभाल की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, tris (hydroxymethyl) एमिनोमेथेन और साइट्रिक एसिड-बफर किए गए समाधानों के साथ POMs की कैप्चर दर फास्फेट बफर किए गए समाधान की तुलना में काफी कम है, क्योंकि पहले दो बफ़र्स में से कोई भी पोम के साथ एक जटिल बना तेहैं जो नहीं है नैनोपोर के साथ दृढ़ता से बातचीत। इसके अलावा, NaCl इलेक्ट्रोलाइट जानबूझकर KCl के बजाय इस्तेमाल किया गया था (के रूप में के रूप में अच्छी तरह के रूप में अन्य क्षार धातुओं) की वर्षा से बचने के लिए [PW11O39]7- द्वारा K+.

निवास समय वितरण की सटीक माप के लिए महत्वपूर्ण एक पर्याप्त उच्च बैंडविड्थ पर वर्तमान को मापने की क्षमता है. उदाहरण के लिए, तेजी से वितरित निवास समय के साथ वहाँ लंबे समय से कम निवास समय के साथ कहीं अधिक नाकेबंदी कर रहे हैं, और निवास समय वितरण का एक सटीक आकलन बेहतर डेटा का एक बड़ा सौदा इकट्ठा करके हासिल की है(यानी, यह एक बैंडविड्थ प्रणाली की विद्युत समाई की अनुमति देता है के रूप में उच्च पर प्राप्त). नैनोपोर स्पेक्ट्रोस्कोपी में इस स्थिति को प्राप्त करने के लिए, सिस्टम क्षमता (झिल्ली और आवारा समाई) को कम किया जाना चाहिए। आवारा समाई सभी जोड़ने केबल की लंबाई कम और उच्च गुणवत्ता वाले विद्युत संपर्कों का उपयोग करके कम है. झिल्ली समाई bilayer की सतह क्षेत्र को कम करके कम से कम है, समर्थन सामग्री की मोटाई में वृद्धि(यानी, क्वार्ट्ज, polytetrafluoroethylene, आदि),और उजागर समर्थन सामग्री के क्षेत्र को कम इलेक्ट्रोलाइट के लिए. व्यवहार में, एक विशिष्ट साधन की आवारा समाई (जेड 2 पीएफ) झिल्ली के लिए शोर को सीमित कर देगी - 1 माइक्रोन व्यास में 5 माइक्रोन तक। यह विधि की सीमा का गठन किया. उदाहरण के लिए, छोटे और अत्यधिक आवेशित एकल अणुओं का पता लगाना उनके अपेक्षाकृत कम निवास समय के कारण चुनौतीपूर्ण हो सकता है।

जिस क्रियाविधि के द्वारा दाब चैनल प्रविष्टि के नियंत्रण में सक्षम बनाता है, वह पूरी तरह से समझ में नहीं आता है। क्वार्ट्ज माइक्रोकैपिलरी का व्यास बहुत छोटा होता है जिस पर झिल्ली का निर्माण होता है। दबाव लागू करने से झिल्ली उभार का कारण बनेगी (इसलिए झिल्ली की सतह के क्षेत्र में वृद्धि होगी) और संभवतः झिल्ली पतली हो जाएगी। दोनों प्रभाव दर जिस पर चैनल झिल्ली में फार्म का होगा वृद्धि होगी. जब एक एकल चैनल स्वतः रूप से बनता है, तो अतिरिक्त चैनलों की प्रविष्टि को रोकने के लिए दबाव को कम करें। यदि एचएल सांद्रता पर्याप्त रूप से कम है तो थोक जलीय प्रावस्था से गैर-सम्मिलित - HL को निकालने की आवश्यकता नहीं है।

संरचनाओं और polyoxometalates के आरोप वर्तमान में NMR, पराबैंगनी दृश्य, इन्फ्रारेड और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, मास स्पेक्ट्रोमेट्री, और एक्स-रे विवर्तन सहित पारंपरिक विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान तकनीकों का उपयोग कर अध्ययन कर रहे हैं। हम उम्मीद करते हैं कि नैनोपोर माप POMs के इन और अन्य भौतिक गुणों की विशेषता के पूरक होंगे, साथ ही कम एकाग्रता पर उनके उच्चारण का अध्ययन, जो बेहतर polyoxometalates के सिंथेटिक मार्ग को समझने में मदद मिलेगी गठन. यह भी पहले दिखाया गया था कि $HL pores भी trivacant Keggin फार्म ना8HPW9O34 3430के 2 isomers के बीच भेद कर सकते हैं.

संक्षेप में, हमने दिखाया है कि एक झिल्ली से बंधे प्रोटीन नैनोपोर का उपयोग एक सरल उच्च-रिज़ॉल्यूशन विद्युत माप का उपयोग करके समाधान में टंगस्टन ऑक्साइड धातु समूहों (हेटेरोपॉलीटंगस्टेट्स) का पता लगाने और उनकी विशेषता के लिए किया जा सकता है। इस उपन्यास दृष्टिकोण द्वारा वहन संवेदनशीलता POM संरचना में सूक्ष्म अंतर है कि सांद्रता है कि काफी कम कर रहे हैं पर विभिन्न पीएच मूल्यों पर उठता है पर सूक्ष्म अंतर की ट्रैकिंग की अनुमति देता है (gt; 70 गुना) ऐसे NMR के रूप में पारंपरिक तरीकों के लिए आवश्यक से स्पेक्ट्रोस्कोपी. नैनोपोर्स की एकल अणु का पता लगाने की क्षमता के कारण, विधि में पता लगाने की वास्तविक सीमा लंबे समय तक वर्तमान को मापने के द्वारा बहुत कम किया जा सकता है (पोम एकाग्रता के अनुपात में कब्जा दर तराजू)।

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Disclosures

कोई नहीं.

Acknowledgments

हम एक postdoctoral फैलोशिप के लिए यूरोपीय आणविक जीव विज्ञान संगठन से वित्तीय सहायता के लिए आभारी हैं (जे.ई.) और NIH NHGRI से अनुदान (जे.जे.के.) के लिए. हम प्रोफेसर Jingyue जू और सेर्गेई Kalachikov (कोलंबिया विश्वविद्यालय) heptameric प्रदान करने के लिए की मदद की सराहना करते हैं , और प्रोफेसर जोसेफ Reiner (वर्जिनिया राष्ट्रमंडल विश्वविद्यालय) के साथ प्रेरणादायक विचार विमर्श के लिए.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nanopatch DC System Electronic Biosciences, Inc., EBS
Millipore LC-PAK Millipore vacuum filter
1,2-Diphytanoyl-sn- Glycero-3-Phosphocholine (DPhPC) Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL 850356P
Decane, ReagentPlus, ≥99%, Sigma-Aldrich D901
αHL List Biological Laboratories, Campbell, CA
Ag wire Alfa Aesar
2 mm Ag/AgCl disk electrode In Vivo Metric E202
High-impedance amplifier system Electronic Biosciences, San Diego, CA
quartz capillaries
custom polycarbonate test cell
Data Processing and Analysis MOSAIC https://pages.nist.gov/mosaic/
Phosphotungstic acid hydrate Sigma-Aldrich 455970
Sodium Chloride Sigma-Aldrich S3014
sodium phosphate monobasic monohydrate Sigma-Aldrich 71507

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References

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रसायन विज्ञान अंक 148 नैनोपोर जेड-हेमोलिसिन लिपिड बाइलेयर सिंगल-अणु विश्लेषण पॉलीऑक्सोमेटल्स आइसोमर्स
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Ettedgui, J., Forstater, J., Robertson, J. W., Kasianowicz, J. J. High Resolution Physical Characterization of Single Metallic Nanoparticles. J. Vis. Exp. (148), e58257, doi:10.3791/58257 (2019).

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