Synthesis, Assembly und Charakterisierung von Monolayer Protected Gold-Nanopartikeln Films für die Protein-Monoschicht Elektrochemie

1. Hexanethiolate Monolayer Protected Goldcluster Synthese

Hexanethiolate funktionalisierten Monoschicht geschützten Goldcluster (MPL) sind nach einem 2:1 1-Hexanthiol (C6), Gold Molverhältnis einer durchschnittlichen Struktur der Au ₂₂₅ (C6) ₇₅ zu produzieren. ^4-9 Spezifische Änderungen an der Brust Reaktion synthetisiert, wie Ligand-Typ, bestimmte Thiol-to-Gold-Verhältnis, Temperatur und Reaktionszeit Fördermenge, oder Post-Synthese-Behandlungen, können ^9-11 Ernte ein breites Spektrum von MPC mit unterschiedlichen Kerngrößen und funktionelle Schutz-Gruppe. ⁴ Die MPC ungefähre ( Durchschnitt) Kompositionen von MPC mit verschiedenen Alkanthiol Gruppen funktionalisiert werden durch Protonen ⁽¹ H) Kernspinresonanz (NMR)-Analyse von Jod-zerlegt Proben bestimmt werden.

1. Lösen Sie 1,1 g Tetraoctylammoniumbromid (TOABr) in 30 ml Toluol mit entsprechenden Abzug Belüftung.
2. Lösen Sie 0,38 g Natriumborhydrid (NaBH ₄₎ in ca. 20 ml 18 MOhm hochgereinigt Wasser (UP H ₂ O) und lassen Sie sie über Eis für mindestens 30 min kalt stellen.
3. Lösen Sie 0,31 g Tetrachlorogoldsäure (HAuCl ₄₎ in ca. 20 ml UP H ₂ O und quantitativ die Lösung Mischung auf die TOABr-Toluol-Lösung mit einer zusätzlichen ~ 5 ml UP H ₂ O, um Phasen-Transfer der wässrigen Gold Lösung für das nicht-wässrigen Lösung. Stir rigoros unter leichtem für 30 min begrenzt, so dass die gebrannte Orange wässrige und klare wässrige Phasen gut vermischen.
4. Übertragung sowohl der klaren wässrigen und nicht wässrigen Phasen Burnt Orange in einen Scheidetrichter. Verwerfen der wässrigen (unteren) Schicht und dekantieren des nicht-wässrigen (top)-Schicht in eine saubere Flasche.
5. Add C6 in einem Verhältnis von 2:1 mit HAuCl ₄ der wässrigen Lösung. Stir für 30 min zu einer Au (I) polymer, wie durch einen Farbwechsel von rot-orange, um eine hellgelbe, fast farblose Lösung gefunden zu bilden.
6. Übertragen Sie die Reaktionsmischung auf eine isolierte Eisbad und Chill bis 0 ° C für mindestens 30 min unter Rühren.
7. Quantitativ und schnell fügen Sie die gekühlte NaBH _4-Lösung zum Reaktionsgemisch, um Au (I) auf ein metallisches Gold in Gegenwart von Thiolen zu reduzieren, sofort bildet eine dicke, schwarze Lösung von MPC bei der Zugabe. Stir Reaktion über Nacht bei 0 ° C.
8. Übertragen Sie die Reaktionsmischung in einen Scheidetrichter, verwerfen Sie die wässrige (untere Schicht) in einen Abfallbehälter Becherglas und Rotations-Verdampfung der wässrigen (oben) Toluolschicht in der Nähe komplette Trockenheit Verlassen eines schweren, schwarzen Schlamm in den Kolben.
9. Niederschlag den Mittelmeer-Partnerländern, indem Acetonitril und damit über Nacht sitzen.
10. Sammeln PLM nach Vakuumfiltration unter Verwendung einer Glasfritte mittlerer Porosität mit Gummi-Armaturen und Nebenwirkungen bewaffneten Kolben mit Aspirator und spülen Sie mit reichlich Acetonitril.
11. Lassen MPCs an der Luft trocknen, wiegen Produkt, charakterisieren durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und NMR-Analyse und Speicherung begrenzt für die zukünftige Verwendung. Erhalten TEM-Aufnahmen von Drop-Casting MPCs in Toluol auf Formvar / carbon Trägerfolie auf Kupfer Gitter (400 mesh) und den Betrieb des TEM Instrument 80-100 kV gelöst. Die durchschnittliche Kerngröße kann anhand Bildanalyse-Software wie Image J (freeware) werden.

2. Film Assembly: Dithiol-Verbindung MPC Film Assembly for Protein Monolayer Elektrochemie

Die Gold-Substrat wird zunächst elektrochemisch gereinigt und verändert mit einer C6 SAM vor dem Eintauchen in abwechselnden Lösungen dithiol Verbindungsmoleküle und C6 geändert MPCs um ein "dip-Zyklus", die mehrmals wiederholt, um schließlich bilden eine Dithiol-linked MPC Film Montage . Wie in früheren Studien beschrieben, ² der ursprünglichen Plasmid für die Pseudomonas aeruginosa Azurin (AZ) Protein wurde freundlicherweise von Dr. Corey Wilson von der Rice University und AZ gegeben wurde, als eine gereinigte und lyophilisierte Pulver von der University of Richmond Professor Dr. Jonathan vorgesehen Dattelbaum, die anschließend mit 4,4 mM Kaliumphosphatpuffer (KPB, pH = 7,0, μ = 10 mM) wurde rehydriert zu einer 5-10 uM Lösung zu erstellen, wie durch UV-sichtbaren (UV-Vis) verifiziert.

1. Montieren Sie die elektrochemischen (Echem) Sandwich-Zelle in der folgenden Reihenfolge von unten nach oben: Zuerst Lucite Halteplatte, gold Substrat als Arbeitselektrode, Messing elektrischen Kontakt zur Gold-Arbeitselektrode, zuerst Gummidichtung, Viton-O-Ring, dass die Elektrode Bereich definiert (0,32 cm ^2), Glas Zellkörper, zweite Gummidichtung, und zweitens Lucite Halteplatte. Die gesamte Zelle wird zusammengehalten durch Gewindestangen gehalten und sorgfältig angezogen Flügelmuttern. Die Zelle ist mit einem handelsüblichen gekauft Referenzelektrode, dass ein Glaszylinder Häuser mit 1 M gesättigte KCl, Ag / AgCl Referenz-Draht und eine Pt-Hilfselektrode Draht montiert.
2. Elektrochemisch sauber the Goldsubstrat indem Cyclovoltammetrie (CV) in das Potenzial Fenster von 0,2 bis 0,9 V, 0,2 bis 1,2 V und 0,2 bis 1,35 V (gegen Ag / AgCl, KCl) bei 100 mV / s in einer Lösung von 0,1 MH ₂ SO ₄ und 0,01 M KCl.
3. Messen Sie den Ladestrom des gereinigten blanken Gold-Substrat, indem CV unter "Normalbedingungen", darunter ein potenzielles Fenster von 0,1 bis 0,4 V (gegen Ag / AgCl, KCl) gescannt bei 100 mV / s in KPB. ¹ Discard KPB und spülen nacheinander mit UP H ₂ O, Ethanol (EtOH), UP H ₂ O und EtOH.
4. Setzen Sie das gereinigte Goldsubstrat auf ~ 300 ul 5 mM C6-Lösung in EtOH und über Nacht sitzen, um eine geordnete C6 SAM zu bilden. Discard C6-Lösung aus der Zelle und spülen Sie nacheinander mit EtOH, UP H ₂ O, EtOH und UP H ₂ O.
5. Messen Sie den Ladestrom des SAM bei Standardbedingungen. Discard KPB und spülen Sie nacheinander mit UP H ₂ O, EtOH, UP H ₂ O und EtOH. Der Ladestrom sollte deutlich von der bloßen Gold Messung (Schritt 2.3) verringert werden. ¹
6. Setzen Sie das SAM modifizierte Gold-Substrat ~ 300 ul 5 mM 1,9-nonanedithiol (NDT)-Lösung in EtOH und lassen Sie sie für 1 Stunde auf interdisperse NDT sitzen Verknüpfung Moleküle innerhalb der C6 SAM. Discard NDT-Lösung und spülen Sie sukzessive und gründlich mit EtOH, UP H ₂ O, EtOH, UP H ₂ O, und Methylenchlorid (CH ₂ Cl _2).
7. Setzen Sie den Gold-Substrat zu einer MPC-Lösung von CH ₂ Cl ₂ (~ 1 mg / mL) unter Rühren durch langsames Einleiten von N _2-Gas für 1 Stunde. Wenn nötig, ersetzen verdampft MPC Lösung mit mehr CH ₂ Cl _2. Dies ist die Verankerung MPC Schicht der Folie Montage. Discard MPC-Lösung und sukzessive wieder gründlich mit CH ₂ Cl _2, UP H ₂ O, und KPB.
8. Messen Sie den Ladestrom des MPC-Schicht bei Standardbedingungen. Discard KPB und spülen Sie nacheinander mit UP H ₂ O und CH ₂ Cl _2.
9. Setzen Sie den Gold-Substrat auf ~ 300 ul 5 mM NDT Lösung von CH ₂ Cl ₂ unter Rühren durch langsames Einleiten von N _2-Gas für 20 min.
10. Discard NDT und gründlich mit CH ₂ Cl _2. Wiederholen Sie die Schritte 2,7 und 2,8 auf den zweiten MPC Schicht der Folie Montage hinterlegen.
11. Um weitere MPC-Schichten, die Schritte 2.9 und 2.10 Kaution wiederholt werden. Mit jedem zusätzlichen MPC Schicht eine entsprechende Erhöhung der Ladestrom zu beobachten ist.
12. Nach der vernetzten MPC-Film abgeschlossen ist, spülen Sie den Film veränderte Substrat mit KPB. AZ-Protein ist auf der MPC-Film Montage durch Einspritzen von ~ 150 ul ~ 5-10 uM Lösung von AZ KPB in die Echem Sandwich-Zelle und damit zu sitzen verschlossen und im Kühlschrank mindestens 1 Stunde adsorbiert.
13. Entfernen Sie die Echem Zelle aus dem Kühlschrank und lassen Sie ihn in der Nähe von Raumtemperatur zurückzukehren. Gründlich mit KPB, füllen Echem Zelle mit KPB und Blase KPB gründlich mit N _2-Gas für 10 min.
14. Protein-Monoschicht elektrochemische Untersuchungen werden als CV in das Potenzial Fenster von -0,25 V durchgeführt bis 0,25 V (gegen Ag / AgCl, KCl) gescannt bei 100 mV / sec in KPB.

3. Film Assembly: Dithiol-Verbindung MPC Film Assembly for Optical-Tracking

Vor wachsenden MPC Schichten für optische Auswertung werden Glasträger Abschnitte mit Piranha-Lösung (ACHTUNG! 02.01 konzentrierter H ₂ SO ₄ und H ₂ O ₂₎ vorgereinigt und mit (3-Mercaptopropyl)-trimethoxysilan (3-MPTMS ). ^1-2 MPC Filme werden dann auf diese modifizierten Glas montiert Folien mit der "dip-Zyklus"-Technik wie zuvor beschrieben.

1. Spülen Sie ein 3-MPTMS modifizierte Glasträger mit CH ₂ Cl ₂ und stellen Sie es in einer MPC-Lösung von CH ₂ Cl ₂ (~ 1 mg / mL) für 1 h unter Rühren auf einem Schüttler bei niedriger Geschwindigkeit. Damit ist der erste MPC Schicht der Folie Montage durch Verankerung MPCs der Mercaptane Endgruppen des Silans. Spülen Sie die Folie gründlich mit CH ₂ Cl _2, trocken und mit N _2-Gas. Werfen Sie einen UV-Vis-Spektrum (400 bis 1000 nm) der Folie, und spülen Sie wieder mit CH ₂ Cl _2.
2. Legen Sie die Folie in einer 5 mM NDT Lösung von CH ₂ Cl ₂ für 1 Stunde unter Rühren auf einem Schüttler bei niedriger Geschwindigkeit. Spülen Sie die Folie mit CH ₂ Cl _2.
3. Legen Sie die Folie in einer MPC-Lösung für 1 Stunde unter Rühren auf einem Schüttler bei niedriger Geschwindigkeit. Damit ist die zweite MPC Schicht der Folie Montage. Spülen Sie die Folie gründlich mit CH ₂ Cl _2, trocken, mit N _2-Gas, und werfen Sie einen UV-Vis-Spektrum (400 bis 1000 nm) der Folie. Die Absorption über das gesamte Spektrum sollte zunehmend als zusätzliche MPC Schichten, um den Film Montage adsorbiert werden.
4. Um weitere MPC-Schichten, Str. Kautioneps 3,2-3,3 wiederholt werden.

4. Charakterisierung der Monolayer Protected Gold-Cluster Film Assemblies von Cross Sectional Transmission Electron Microscopy

TEM-Querschnitte sind durch re-embedding en face eingebetteten Filmen. ^{2, 12} Hierzu wird zunächst Anbringen eines MPC-Film auf einem 3-MPTMS modifizierte Glasträger auf ein sauberes, Standard-Mikroskop montiert getan Dauerpräparate mit Embed 812 Epoxidharz für erlaubt verbessertes Handling während des Verfahrens weiter unten. Seien Sie vorsichtig mit der aufgebrachten Wärme höheren Temperaturen wird die PLM innerhalb des Films zu zersetzen.

1. Mix einbetten 812 Epoxidharz und damit für mindestens 12 Stunden zu verdicken.
2. Füllen Sie eine "00" BEEM Kapsel mit Epoxidharz und invertieren auf der Oberseite des MPC Film Probe (hergestellt in Abschnitt 3). Legen Sie den Druck auf die Kapsel, so dass eine Blase an der Spitze der Kapsel steigt, wodurch eine Abdichtung zwischen dem Epoxidharz und MPC Film Probe. Lassen Sie für mindestens 18 Stunden bei 60 ° C polymerisieren und dann kühlen die Dias auf Raumtemperatur.
3. Hitze gerahmte Dias für 20 sec auf einem Aluminium-Heizplatte bei 200 ° C, um die Entfernung des Blocks mit angeschlossenem MPC en face Film zu erleichtern.
4. Schneiden Sie die Probe mit dem Film aus der BEEM Kapsel Block mit einem Juwelier gesehen.
5. Re-betten die zu entfernende Bereich in einem Silizium-flache Form mit dem MPC-Film nach oben mit Blick auf den Innenraum des Siliziums gut. Füllen Sie das Silizium auch mit Epoxidharz bei Raumtemperatur und lassen Sie es mindestens 18 Stunden bei 60 ° C polymerisieren Kühlen Sie die Probe auf Raumtemperatur.
6. Erhalten dünne Probe Abschnitten von 60-80 nm auf einem Leica UCT Ultramikrotom mit einem Diamant-Messer Schnitte senkrecht geschnitten, um des Messers Schneide.
7. Ort geschnitten Abschnitte über Formvar / carbon Trägerfolie auf Kupfer Gitter (400 mesh) und nehmen TEM-Aufnahmen vorbereitet Querschnitte der MPC-Film Baugruppen.

5. Repräsentative Ergebnisse:

Abbildung 1 Double-Layer-Ladestrom Überwachung des MPC Film Wachstum für insgesamt 5 Eintauchen Zyklen (Wechsel Exposition gegenüber MPC und NDT-Lösungen). Ladestrom erhöht systematisch mit jedem Eintauchen Zyklus, den Zusatz "Schichten" des MPC, um den Film (Abb. 2). Die Cyclovoltammogramme wurden unter Verwendung eines potentiellen Fenster von 0,1 bis 0,4 V (gegen Ag / AgCl, KCl) bei 100 gescannten mV / s in 4,4 mM Kaliumphosphatpuffer (pH = 7,0, μ = 10 mm). Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von ML Vargo, CP Gulka, JK Gerig, CM Manieri, JD Dattelbaum, CB Marks, NT Lawrence, ML Trawick und MC Leopold, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society.

Abbildung 2 (a) Schematische Darstellung der AZ Protein adsorbiert zu einem Dithiol-linked MPC Film Montage. (B) Typische Cyclovoltammogramm für AZ adsorbiert MPC Film Montage unter Verwendung eines potentiellen Fenster von -0,25 bis +0,25 V (gegen Ag / AgCl, KCl) bei 100 mV / s gescannt in 4,4 mM Kaliumphosphatpuffer (pH = 7,0, μ = 10 mm).

Abbildung 3 Vertreter UV-Vis spektralen Überwachung einer Dithiol-linked MPC Film Wachstum auf einem 3-MPTMS modifizierte Glasträger. Ein Sprung Zyklus besteht aus einer Exposition der Glasträger zu NDT Linker Lösung folgte ein Engagement in MPC-Lösung. Jeder weitere Dip Ergebnisse des Wachstums in der Schichtdicke und einer gleichzeitigen Absorption zu erhöhen. Da die Zahl der Tauchzyklen steigt, ist die Oberflächen-Plasmon-Band allmählich bei ~ 520 nm definiert. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von ML Vargo, CP Gulka, JK Gerig, CM Manieri, JD Dattelbaum, CB Marks, NT Lawrence, ML Trawick und MC Leopold, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society.

Abbildung 4 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Querschnitt Bildanalyse einer Dithiol-linked MPC Film Montage. Kleines Bild: Typische TEM-Aufnahme von hexanethiolate funktionalisierten MPCs in dem Film Montage verwendet. TEM-Analyse ermittelt eine durchschnittliche Gold Kerndurchmesser von den Mittelmeer-Partnerländern zu ~ 2 nm mit Hilfe von Image J-Analyse. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von ML Vargo, CP Gulka, JK Gerig, CM Manieri, JD Dattelbaum, CB Marks, NT Lawrence, ML Trawick und MC Leopold, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society.

Protein-Monoschicht Elektrochemie ist eine effektive Technik, um Wechselwirkungen zwischen Redox-Proteinen und synthetischen adsorptive Plattformen zu studieren. Die Wirksamkeit dieser Strategie ist jedoch abhängig von der Fähigkeit, eine Adsorption-Schnittstelle mit einem hohen Grad an molekularer Ebene steuern Ingenieur. Die MPC-basierten Plattformen, die das Protokoll erstellt stellen speziell entwickelt Plattformen, die in der Lage, eine homogenere Proteinadsorption Umgebung ³ ermöglichen und erleichtern ET über einen größeren Abstand ² im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, die PME Alkanthiolat SAMs sind. Eine Stärke des MPC Film Montage einer elektrochemischen Schnittstelle ist seine Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit an andere Redox-Proteine ​​unterschiedlicher Größe und Oberflächenchemie /-Funktion, verschiedene Nanomaterialien und alternative Elektrode Konfigurationen sowie. Zum Beispiel ist das beschriebene Verfahren leicht auf ET-Studien von Cytochrom c (Cyt c) durch einfache Ort-Austausch-Reaktionen auf der äußersten Schicht der Mittelmeer-Partnerländer in die Baugruppe integriert angepasst. ¹¹ Wie cyt c kationische und ist in der Lage, Substrate zu binden elektrostatisch, können Carbonsäure-terminierte Alkanthiole Thiole werden Ort-Austausch in den peripheren Liganden der Mittelmeer-Partnerländer mit der modifizierten Elektrode Schnittstelle zu einer elektrostatischen angetrieben Immobilisierung des Proteins zu erleichtern, mit der anschließenden elektrochemischen Analyse identisch zu sein, dass hier beschrieben. ¹ Zum Einstellen der Größe des MPC auf verschiedene Größen von Proteinen, Anpassungen an die Brust Synthese, wie das Ändern Thiol-to-Gold-Verhältnisse anzupassen, Reaktionstemperatur / Fördermenge, ergeben eine breite Palette von MPC Durchmesser, die den ungefähren Durchmesser eines Zielproteins übereinstimmen . ^9-10

Das allgemeine Verfahren, vor allem sich wiederholende Zyklen der Exposition gegenüber Partikeln und Molekülen verbinden (Layer-by-layer) wurde erfolgreich eingesetzt, um dünne Filme Einbeziehung einer Vielzahl von verschiedenen Nanomaterialien zu schaffen. Zum Beispiel haben wässrigen Nanopartikel (NPs) mit verschiedenen Schutzschichten und einzigartigen optischen Eigenschaften zu Filmen, die ausschließlich mit elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Polyelektrolyten Brücken miteinander verbunden worden vernetzt. ¹³ Die gleiche Strategie hat auch den Bau von hoch optisch empfindlichen Film aufgebracht Baugruppen mit Nano-Shell oder hohle NPs.

Während die hier beschriebene Verfahren nutzt kundenspezifische elektrochemischen Zellen und Gold-Substraten, ist es leicht an allgemeiner Elektroden, elektrochemische Konfigurationen und elektroanalytische Techniken. Zusätzlich zu all den Filmen beschrieben in der Lage, auf verdampft Goldelektroden und Glasträger gebaut werden, haben die Filme auch leicht auf gemeinsame Gold Disk-Elektroden, die leicht verfügbar sind aus CH Instruments oder bioanalytische Systeme (BAS) montiert. Obwohl Cyclovoltammetrie weiterhin die primäre elektrochemische Technik in PME werden, haben wir vor kurzem erfolgreich Protein-Monoschicht ET mit einer Vielzahl von anderen elektrochemischen Techniken, einschließlich Schritt, Puls und Impedanz Techniken analysiert. ¹⁴

Forschung und Entwicklung von auf Nanomaterialien basierenden Schnittstellen für Proteinadsorption sind im Gange, aber die MPC-Film-Baugruppen in diesem Bericht beschriebenen stellen eine wirkungsvolle und verbesserte Strategie für PME Studien. Das Verfahren ist relativ einfach und kann von Studierenden und Wissenschaftlern auf allen Ebenen durchgeführt werden, wodurch sehr vielseitig Filme, die leicht an spezifische Protein-Targets bei Bedarf angepasst werden können.