단일 벽 탄소 나노 튜브에 바이오 모방 고분자와 공학 분자 인식
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
단층 카본 나노 튜브 (SWNT로)를 원자 적으로 탄소수 박층 고유 전자 및 광학 특성을 나타내는 길고 얇은 실린더로 압연된다. 1 이러한 특성은 지역 환경에 매우 민감 여기자 재조합을 통해 근적외선 (NIR) 형광 방출을 생산하는 밴드 갭을 포함한다. 단일 벽 탄소 나노 튜브의 근적외선 발광 광의 관통 깊이가 생체 조직에 대한 최대 인 근적외선 윈도우 내에. , SWNT 전시 큰 스톡스 이동 photobleach하지 않으며, 깜박하지 않습니다 : 2,3는 또한 단일 벽 탄소 나노 튜브는 유기 형광 달리 비정형 몇 가지 독특한 특징을 나타낸다. 4 최근, 이러한 특성을 활용하는 생물학에 응용 프로그램과 새로운 분자 센서의 구색의 개발을 주도하고있다. 5,6- 미 변성 그러나, 단일 벽 탄소 나노 튜브는 물에 불용성이며, 개별 단일 벽 탄소 나노 튜브의 현탁액을 얻는 것이 어려울 수있다. 7, 8 BundliNG 및 솔루션의 단일 벽 탄소 나노 튜브의 응집이 감지 애플리케이션에 적합을 렌더링 자신의 밴드 갭 형광, 2를 당황하게 할 수 있습니다.
수용액 중에서 개개의 탄소 나노 튜브를 분산하는 것은 소수성 구동 응집을 방지하기 위해 그 표면을 수정이 필요하다. 공유 변형의 SWNT를 수용성 10 렌더링뿐만 아니라 화학 특이 적 결합을 부여 할 수 있지만 9 SWNT 격자의 결함 부위를 감소 또는 형광 방출을 경감. 소수성 및 PI-PI 스태킹 상호 작용을 통해 나노 튜브 표면에 흡착 13 – 대신 SWNT 기능화 계면 활성제, 지질, 폴리머 및 9,11 DNA를 사용하여 달성 될 수있다. 표면 작용 화 된 단일 벽 탄소 나노 튜브를 둘러싼 얻어진 화학적 환경의 코로나 단계로 지칭된다. 코로나 위상 섭동은 불소 SWNT하는 변조를 일으키는 나노 튜브 표면 상에 여기자 이동에 큰 영향을 미칠 수있다방출을 escence. 이 코로나 위상 SWNT의 큰 표면적 상에 특이 적 결합 양상을 통합하여 새로운 분자 센서를 개발하는 데 이용 될 수 SWNT 형광 간의 중요한 관계이다. 분석 물을 결합시 SWNT 코로나 위상 섭동은 로컬 유전체 환경의 변화로 이어질 전하 전송 또는 신호 전달기구로 사용하기 위해 단일 벽 탄소 나노 튜브의 형광 방출을 조절할 수 모두의 격자 결함을 도입 할 수있다. (14)이 방법은 DNA 분자를 포함한 다양한 종류의 검출, 15, 16 17 글루코스 및 ATP와 같은 작은 분자에 대한 신규 한 형광 센서의 개발에 사용되는 18 반응성 산소 종 (19) 및 산화 질소. (20, 21) 그러나, 이러한 접근법들은 표적 피검위한 공지 결합 양상의 존재에 의존하는 것을 제한한다.
최근,보다 일반적인 응용 프로그램형광 센서를 설계에 바퀴벌레가 아닌 공유 양친 heteropolymers, 인지질 및 다핵 산으로 기능화 된 단일 벽 탄소 나노 튜브를 사용하여 개발되었다. 특히 단백질의 26, 27 또는 신경 전달 물질 도파민을 포함한 소형 분자를 결합 할 수있는 독특한 코로나 단계 25 – 이들 분자는 개별 단일 벽 탄소 나노 튜브 (22)의 매우 안정한 현탁액을 생성하기 위해 탄소 나노 튜브 표면에 흡착. 28-30 공학의 SWNT와 특이 적으로 결합 분석 대상 물질을 분산시키는 코로나 상으로서 코로나 위상 분자 인식 (CoPhMoRe)이라한다. (28) 작은 크기, 낮은 독성, 높은 안정성 및 CoPhMoRe SWNT 센서의 unbleaching 근적외선 형광 그들에게 오랜 시간 해결 측정을위한 생체 감지를위한 우수한 후보자를합니다. (6) 최근 연구 반응성 질소와 산소 종의 광학 검출을위한 식물 조직에서 응용 프로그램을 보여 주었다. (31)이러한 전기 화학적 검출 또는 면역 조직 화학 염색과 같은 다른 기술, 공간 해상도, 시간 해상도 및 특이성의 부족으로 고통 곳 CoPhMoRe SWNT 센서 특히 흥미로운 응용 프로그램은 생체 내에서 도파민과 같은 신경 전달 물질의 라벨없는 검출에 대한 가능성이다.
디자인 및 발견 CoPhMoRe SWNT 센서는 지금까지 특정 대상을위한 센서를 찾을 가능성을 제한 분산제 라이브러리의 크기, 화학적 다양성을 억제하고있다. 지금까지 연구에만 사용할 복합, 공동 블록, 생물학적, SWNT 센서에 대한 기능적 활성 분산제를 제공 할 수 생체 모방 고분자의 표면을 긁어있다. 여기, 우리는 모두 단일 벽 탄소 나노 튜브를 분산과 높은 처리량 검사 및 단일 SWNT 센서 분석을 위해 자신의 형광을 특성화하기위한 다른 방법을 제시한다. 구체적으로, 우리는 다핵 산 oligom와 코팅의 SWNT 절차 개요ERS 투석에 의해 계면 활성제 교환을 통해 양친 매성 고분자와 단일 벽 탄소 나노 튜브를 기능화하는 방법뿐만 아니라 직접 초음파를 사용하여. 우리는 예로서 로다 민 이소 티오 시아 네이트 (RITC-PEG-RITC)와 작용 (GT) 15 -DNA 및 폴리에틸렌 글리콜을 사용합니다. 우리는 도파민 검출 용 센서로서 CoPhMoRe (GT) 15 -DNA 벽 탄소 나노 튜브의 사용을 입증한다. 마지막으로, 특성 또는 단일 분자 검출에 사용할 수있는 단일 분자 센서 측정을 수행하는 과정을 설명합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
얻어진 SWNT 폴리머 하이브리드의 콜로이드 분산 물에 의해 제공되는 광학 밀도의 증가에 의해 표시된 바와 같이 단일 벽 탄소 나노 튜브는 용이 SDS 또는 ssDNA를 직접 초음파를 통해 수용액에 현탁된다. SDS와 ssDNA를이 분산 및 소수성 또는 파이 – 파이 상호 작용을 통해 단일 벽 탄소 나노 튜브 표면에 흡착하여 단일 벽 탄소 나노 튜브의 번들을 가용화. 또한, 이러한 게놈 DNA, 양친 성 중합체, 공액 중…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
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