एकल धातु नैनोकणों के उच्च संकल्प शारीरिक विशेषता
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.
Protocol
Representative Results
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 समा…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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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