We present a protocol for engineering the corona phase of near infrared fluorescent single walled carbon nanotubes (SWNTs) using amphiphilic polymers and DNA to develop sensors for molecular targets without known recognition elements.
Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the optical window where biological samples are most transparent. Here, we outline techniques to adsorb amphiphilic polymers and polynucleic acids onto the surface of SWNTs to engineer their corona phases and create novel molecular sensors for small molecules and proteins. These functionalized SWNT sensors are both biocompatible and stable. Polymers are adsorbed onto the nanotube surface either by direct sonication of SWNTs and polymer or by suspending SWNTs using a surfactant followed by dialysis with polymer. The fluorescence emission, stability, and response of these sensors to target analytes are confirmed using absorbance and near-infrared fluorescence spectroscopy. Furthermore, we demonstrate surface immobilization of the sensors onto glass slides to enable single-molecule fluorescence microscopy to characterize polymer adsorption and analyte binding kinetics.
एकल-दीवार कार्बन नैनोट्यूब (SWNTs) atomically कार्बन परमाणुओं की पतली परत लंबे, पतले सिलेंडरों है कि अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुणों का प्रदर्शन में लुढ़का कर रहे हैं। 1 इस तरह के गुण एक बैंड अंतराल के निकट अवरक्त (NIR) प्रतिदीप्ति exciton पुनर्संयोजन कि अत्यधिक अपने स्थानीय पर्यावरण के प्रति संवेदनशील है के माध्यम से उत्सर्जन के उत्पादन में शामिल हैं। SWNTs के निर उत्सर्जन निकट अवरक्त खिड़की जिसमें प्रकाश के प्रवेश गहराई जैविक ऊतक के लिए अधिक से अधिक है के भीतर गिर जाता है। , SWNT प्रदर्शनी एक बड़ी स्टोक्स बदलाव photobleach नहीं है, और झपकी नहीं है: 2,3 इसके अतिरिक्त, SWNTs कई अद्वितीय जैविक fluorophores के विपरीत असामान्य सुविधाओं दिखा रहे हैं। 4 हाल ही में, इन विशेषताओं का शोषण जीव विज्ञान के लिए आवेदन पत्र के साथ उपन्यास आणविक सेंसर की एक वर्गीकरण के विकास के लिए प्रेरित किया है। 5,6 असंशोधित, तथापि, SWNTs पानी में अघुलनशील हैं, और व्यक्तिगत SWNTs के निलंबन प्राप्त करने के लिए एक चुनौती हो सकती है। 7.8 Bundliएनजी और समाधान में SWNTs के एकत्रीकरण उन्हें संवेदन अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त प्रतिपादन उनकी बैंड अंतराल प्रतिदीप्ति, 2 अंधेरा कर सकते हैं।
जलीय घोल में व्यक्ति कार्बन नैनोट्यूब dispersing उनकी सतह को संशोधित hydrophobicity संचालित एकत्रीकरण को रोकने के लिए की आवश्यकता है। 9 सहसंयोजक संशोधन SWNTs पानी में घुलनशील, 10 प्रस्तुत कर सकते हैं और साथ ही साथ विशिष्ट बंधन रसायन शास्त्र प्रदान करते हैं, SWNT जाली में दोष साइटों को कम करने या उनके प्रतिदीप्ति उत्सर्जन में कटौती। 13 कि हाइड्रोफोबिक और गड़बड़ी गड़बड़ी स्टैकिंग बातचीत के माध्यम से नैनोट्यूब की सतह को सोखना – इसके बजाय, SWNT functionalization surfactants, लिपिड, पॉलिमर और डीएनए 9,11 उपयोग करके पूरा किया जा सकता है। जिसके परिणामस्वरूप रासायनिक सतह-क्रियाशील SWNTs आसपास के वातावरण को अपने प्रभामंडल चरण के रूप में जाना जाता है। कोरोना चरण के लिए perturbations नैनोट्यूब की सतह पर यात्रा excitons पर एक बड़ा प्रभाव हो सकता है, स्त्राव SWNT को modulations के कारणउत्सर्जन escence। यह प्रभामंडल चरण और SWNT प्रतिदीप्ति कि SWNT के बड़े क्षेत्र की सतह पर विशिष्ट बंधन तौर तरीकों को शामिल करके नया आणविक सेंसर विकसित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता बीच इस संवेदनशील रिश्ता है। analyte बाध्यकारी पर SWNT प्रभामंडल चरण के लिए perturbations, स्थानीय अचालक पर्यावरण में परिवर्तन करने के लिए नेतृत्व हस्तांतरण चार्ज, या जाली दोष है, जो सभी SWNTs की प्रतिदीप्ति उत्सर्जन मिलाना एक संकेत पारगमन तंत्र के रूप में सेवा करने के लिए कर सकते हैं शुरू कर सकते हैं। 18 प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों 19 और नाइट्रिक ऑक्साइड 14 यह दृष्टिकोण डीएनए सहित अणुओं के कई अलग अलग वर्गों का पता लगाने, 15,16 ग्लूकोज 17 और ऐसे एटीपी के रूप में छोटे अणुओं के लिए उपन्यास फ्लोरोसेंट सेंसर के विकास में इस्तेमाल किया जाता है। 20,21 हालांकि, इन तरीकों में सीमित कर रहे हैं कि वे लक्ष्य analyte के लिए एक ज्ञात बाध्यकारी साधन के अस्तित्व पर भरोसा करते हैं।
हाल ही में, एक अधिक सामान्य एप्लिकेशनफ्लोरोसेंट सेंसर डिजाइन करने के लिए एक प्रकार की मछली SWNTs गैर covalently amphiphilic heteropolymers, फॉस्फोलिपिड, और polynucleic एसिड के साथ क्रियाशील का उपयोग कर विकसित किया गया था। इन अणुओं को कार्बन नैनोट्यूब सतहों सोखना व्यक्ति SWNTs 22 की अत्यधिक स्थिर निलंबन का उत्पादन करने के लिए – 25 अद्वितीय प्रभामंडल चरणों के साथ कि विशेष रूप से प्रोटीन 26,27 या न्यूरोट्रांसमीटर डोपामाइन सहित छोटे अणुओं बाध्य कर सकते हैं। 28 – 30 इंजीनियरिंग SWNTs और विशेष रूप से बाँध लक्ष्य analytes को तितर-बितर करने के लिए प्रभामंडल चरण के रूप में प्रभामंडल चरण आणविक मान्यता (CoPhMoRe) कहा जाता है। 28 छोटे आकार, कम विषाक्तता, उच्च स्थिरता और CoPhMoRe SWNT सेंसर की unbleaching निर प्रतिदीप्ति उन्हें विस्तारित समय हल माप के लिए इन विवो संवेदन के लिए उत्कृष्ट उम्मीदवार हैं। 6 हाल ही में काम प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन और ऑक्सीजन प्रजातियों के ऑप्टिकल पता लगाने के लिए संयंत्र के ऊतकों में अपने आवेदन दिखाया गया है। 31CoPhMoRe SWNT सेंसरों के लिए एक विशेष रूप से रोमांचक आवेदन जहां इस तरह के विद्युत संवेदन या immunohistochemistry के रूप में अन्य तकनीकों, स्थानिक संकल्प, अस्थायी समाधान है, और विशिष्टता की कमी से ग्रस्त ऐसे विवो में डोपामाइन के रूप में न्यूरोट्रांसमीटर के लेबल मुक्त पता लगाने के लिए संभावित है।
डिजाइनिंग और खोज CoPhMoRe SWNT सेंसर अब तक छितरे पुस्तकालय के आकार और रासायनिक विविधता से रोका गया है, एक विशेष लक्ष्य के लिए एक सेंसर पाने की संभावना सीमित है। तिथि करने के लिए, शोधकर्ताओं ने ही उपलब्ध संयुग्मित, सह-ब्लॉक, जैविक और biomimetic पॉलिमर कि SWNT सेंसरों के लिए के रूप में कार्यात्मक सक्रिय dispersants काम आ सकते हैं की सतह खरोंच है। यहाँ, हम दोनों SWNTs dispersing और उच्च throughput प्रदर्शन के लिए और एकल SWNT सेंसर विश्लेषण के लिए उनके प्रतिदीप्ति निस्र्पक के लिए अलग अलग तरीके प्रस्तुत करते हैं। विशेष रूप से, हम polynucleic एसिड oligom के साथ कोटिंग SWNTs के लिए प्रक्रिया की रूपरेखा तैयारनेताओं के रूप में अच्छी तरह से प्रत्यक्ष sonication का उपयोग कैसे डायलिसिस द्वारा surfactant विनिमय के माध्यम से amphiphilic पॉलिमर के साथ SWNT functionalize करने के रूप में। हम (जीटी) 15 डीएनए और पॉलीथीन ग्लाइकोल rhodamine आइसोथियोसाइनेट (RITC खूंटी RITC) के साथ क्रियाशील उदाहरण के रूप में इस्तेमाल करते हैं। हम (जीटी) 15 डीएनए डोपामाइन का पता लगाने के लिए एक CoPhMoRe संवेदक के रूप में SWNTs के उपयोग के प्रदर्शन। अन्त में, हम एक अणु सेंसर माप, जो लक्षण वर्णन या एक अणु संवेदन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है प्रदर्शन के लिए प्रक्रियाओं की रूपरेखा तैयार।
SWNTs आसानी से, एसडीएस या ssDNA के साथ सीधे sonication के माध्यम से जलीय घोल में निलंबित कर रहे हैं के रूप में जिसके परिणामस्वरूप SWNT बहुलक संकर की कोलाइडयन फैलाव द्वारा प्रदान की ऑप्टिकल घनत्व में वृद्धि से संकेत दिय?…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by Burroughs Wellcome Fund Career Award at the Scientific Interface (CASI), a Simons Foundation grant, and a Brain and Behavior Research foundation young investigator grant.
sodium chloride | Fisher Scientific | S271-1 | |
sodium dodecyl sulfate | Sigma Aldrich | L6026 | |
sodium cholate hydrate | Sigma Aldrich | C6445 | |
tris base (Trizma base) | Sigma Aldrich | 93362 | |
hydrochloric acid | Fisher Scientific | A144-212 | |
Amine-PEG-amine,NH2-PEG-NH2 | Nanocs Inc | PG2-AM-5k | |
rhodamine B isothiocyanate | Sigma Aldrich | 283924 | |
fluorescein isothiocyanate | Sigma Aldrich | F7250 | |
dichloromethane | Sigma Aldrich | 676853 | |
dimethylformamide | Sigma Aldrich | D4551 | |
N,N-diisopropylethylamine | Sigma Aldrich | D125806 | |
diethyl ether | Sigma Aldrich | 673811 | |
Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride | Sigma Aldrich | C4706 | |
5’-thiol-modified DNA | Integrated DNA Technologies | ||
methoxypolyethylene glycol maleimide | Sigma Aldrich | 63187 | |
100k Da spin filters | Millipore | ||
HiPCO Super purified single walled carbon nanotubes | Integris | HiPco SuperPurified | |
phosphate buffered saline | Sigma Aldrich | P5493 | |
anti static gun | Milty | Milty Zerostat 3 | |
centrifuge | Eppendorf | 5415 D | |
ultra sonicator | Cole Parmer | CV18 | |
dialysis cassettes | Thermo scientific | Slide-A-Lyzer G2 87722 | |
BSA-biotin | Thermo scientific | 29130 | |
Neutravidin protein | Thermo scientific | 31000 | |
(3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES) | Sigma Aldrich | 440140 | |
inverted microscope | Zeiss | Axio Observer.Z1 | |
kinematic mirrors | ThorLabs | KM200-E03 | |
periscope | ThorLabs | RS99 | |
immersion oil | Zeiss | Immersol 518f | |
100X objective | Zeiss | Plan-apochromat 100X oil, 1.4NA, PH3, 420791-9911-000 | |
20X objective | Zeiss | N-Achroplan 0.45 NA, 420953-9901-000 | |
cover glass | Healthrow Scientific | HS159879H | |
dopamine hydrochloride | Sigma Aldrich | H8502 | |
infrared 2d array camera | Princeton Instruments | NIRvana | |
infrared 1d sensor array | Princeton Instruments | PyLoN IR | |
nIR spectrograph | Princeton Instruments | SCT-320 | |
planoconvex lens | ThorLabs | LA1384 | |
wellplates (glass bottom) | Corning | 4580 |