단일 금속 나노 입자의 고분해능 물리적 특성화
Summary
여기서, 우리는 생물학적 나노기공 기반 전자 플랫폼을 사용하여 단일 분자 한계에서 이산 금속 산소 클러스터, 폴리옥소메탈레이트(POMs)를 검출하는 프로토콜을 제시한다. 이 방법은 이러한 분자의 연구에 사용되는 전통적인 분석 화학 도구에 대한 보완적인 접근법을 제공합니다.
Abstract
개별 분자는 단일 나노미터 규모의 기공을 통해 흐르는 이온 전류를 감소시키는 정도를 측정하여 검출및 특징화될 수 있다. 신호는 분자의 물리 화학적 특성과 기공과의 상호 작용의 특징입니다. 우리는 세균성 단백질 외독신 황색포도상 황색포도상 혈우병 알파 헤몰리신(αHL)에 의해 형성된 나노기공이 단일 분자 한계에서 폴리옥소금속류(POMs, 음이온 금속 산소 클러스터)를 검출할 수 있음을 입증한다. 또한, 용액내 12-인산화산 POM(PTA, H3 PW12O40)의다중 분해 제품을 동시에 측정한다. 나노 기공 방법의 단일 분자 감도는 POMs가 핵 자기 공명 (NMR) 분광학에 필요한 것보다 훨씬 낮은 농도로 특징 지어질 수 있게 합니다. 이 기술은 화학자가 polyoxometalates 또는 다른 금속 클러스터의 분자 특성을 연구하고 POM 합성 공정을 더 잘 이해하고 수율을 향상시키는 새로운 도구역할을 할 수 있습니다. 가설적으로, 주어진 원자의 위치, 또는 분자 내의 단편의 회전, 및 금속 산화 상태는 이 방법으로 조사될 수 있었다. 또한, 이 새로운 기술은 용액내의 분자의 실시간 모니터링을 허용하는 장점이 있다.
Introduction
단일 분자 수준에서 생체 분자 분석을 검출하는 것은 나노 기공을 사용하고 이온 전류 변조를 측정하여 수행 할 수 있습니다. 전형적으로, 나노 기공은 그들의 제조에 따라 2개의 종류로 나뉩니다:생물학 (단백질 또는 DNA 종이접기에서 각자 조립된) 1,2,3,또는 고체 상태 (예를들어,제조된 반도체 처리도구) 4,5. 고체 나노 기공은 잠재적으로 물리적으로 더 견고하고 다양한 솔루션 조건에서 사용될 수 있지만, 지금까지 단백질 나노 기공은 더 큰 감도, 더 큰 대역폭, 더 나은 화학 물질을 제공합니다. 선택성, 그리고 더 큰 신호 대 잡음 비.
황색포도상구균α-헤몰리신(αHL)에 의해 형성된 것과 같은 다양한 단백질 이온 채널은 이온(예를들어,H+및 D+)을 포함한단일 분자를 검출하는데 사용될 수 있으며,2,3,폴리뉴클레오티드(DNA) 및 RNA)6,7,8,손상된 DNA9,폴리펩타이드10,단백질 (접혀 전개)11,폴리머 (폴리에틸렌 글리콜 등)12,13 , 14,금 나노 입자15,16,17,18,19,및 기타 합성 분자20.
우리는 최근에 αHL 나노 기공또한 쉽게 검출하고 단일 분자 수준에서 금속 클러스터, 폴리 옥소 금속 (POMs)을 특성화 할 수 있음을 입증했다. POMs는 182621에서발견된 이산 나노 스케일 이온 금속 산소 클러스터이며, 그 이후로 더 많은 유형이 합성되었습니다. 현재 이용 가능한 폴리옥소금속의 다양한 크기, 구조 및 원소 조성물은 화학22,23,촉매24,재료 과학 25를 포함한 다양한 특성 및 응용 분야로 이어졌습니다. ,26, 및 생물 의학 연구27,28,29.
POM 합성은 일반적으로 단모금속 염의 증식iometric에 필요한 양을 혼합하여 물에서 수행되는 자가 조립 공정이다. 일단 형성되면, POM은 크기와 모양의 큰 다양성을 전시한다. 예를 들어, 케긴 폴리아니온 구조, XM12O40q-는 4개의 산소로 둘러싸인 하나의 이종(X)으로 구성되어 사각체를 형성한다(q는 전하). 이종은 12 개의 팔수hedral MO6 단위 (M = 높은 산화 상태에서 전이 금속)에 의해 형성 된 케이지 내에 중앙에 위치하며, 이는 인접한 공유 산소 원자에 의해 서로 연결되어 있습니다. 텅스텐 폴리 옥소 금속 구조는 산성 조건에서 안정되어 있지만, 수산화 이온은 금속 산소 (M-O) 결합(30)의가수 분해 절단으로 이어진다. 이 복잡한 과정은 하나 이상의 MO6 옥타트드럴 하위 단위의 손실을 초래하여, 모노 빈 및 삼각 종의 형성으로 이어지고 결국 POMs의 완전한 분해로 이어집니다. 여기서 논의하는 것은 pH 5.5 및 7.5에서 12-포스포텅스틱산의 부분 분해 산물로 제한될 것이다.
이 프로토콜의 목표는 생물학적 나노기공 기반 전자 플랫폼을 사용하여 단일 분자 한계에서 이산 금속 산소 클러스터를 검출하는 것입니다. 이 방법을 사용하면 용액에서 금속 클러스터를 감지할 수 있습니다. 용액내의 다종은 종래의 분석방법(33)보다 더 높은 감도로 구별될 수 있다. 그것으로, POM 구조에 있는 미묘한 다름은 해명될 수 있고, NMR 분광학을 위해 요구된 그들 보다는 현저하게 더 낮은 농도에서. 중요한 것은, 이 접근법은 Na8HPW9O341의이소성 형태의 차별을 허용한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
음이온 전하로 인해 POM은 정전기 상호 작용을 통해 유기 카운터 양이온과 관련이 있습니다. 따라서 POM을 사용하여 복잡한 형성을 피하기 위해 적절한 용액 조건과 올바른 전해질 환경(특히 용액의 양이온)을 식별하는 것이 중요합니다. 버퍼 선택에서 특별한 주의가 필요합니다. 예를 들어, 트리스(hydroxymethyl)아미노메탄 및 구연산 완충액을 함유한 POM의 포획률은 인산 완충액의 경우보다 현저히 낮…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 박사 후 펠로우십 (J.E.)에 대한 유럽 분자 생물학 기구의 재정 적 지원과 NIH NHGRI (J.J.K.)의 보조금에 감사드립니다. 우리는 교수 진규 주와 세르게이 칼라치코프 (컬럼비아 대학) heptameric αHL을 제공하고, 교수 조셉 레이너 (버지니아 커먼 웰스 대학)와 영감을 토론에 대한 도움을 주셔서 감사합니다.
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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