يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

التجميع الذاتي للأغشية الدهنية الهجينة مخدر مع جزيئات عضوية اغذية في المياه / الهواء واجهة

3.5K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/60957

⸱

مايو 1, 2020

 ,  ,  , 
1Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University, 2Advanced Institute for Materials Research, Tohoku University

في هذه المقالة

ملخص

نحن تقرير بروتوكول لإنتاج غشاء الدهون الهجين في المياه / الهواء واجهة عن طريق المنشطات ثنائي الدهون مع النحاس (II) 2،9،16،23-tetra-tert-butyl-29H، 31H-phthalocyanine (CuPc) جزيئات. غشاء الدهون الهجين الناتجة لديها الدهون / CuPc / هيكل شطيرة الدهون. ويمكن أيضا تطبيق هذا البروتوكول على تشكيل المواد النانوية الوظيفية الأخرى.

الملخص

بسبب خصائصها الفريدة، بما في ذلك سمك فائقة (3-4 نانومتر)، مقاومة فائقة، سيولة وقدرة على التجمع الذاتي، يمكن أن تكون ثنائية الدهون وظيفية بسهولة واستخدمت في تطبيقات مختلفة مثل أجهزة الاستشعار الحيوية والأجهزة الحيوية. في هذه الدراسة، قدمنا جزيء عضوي مُنطَّع: النحاس (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) لأغشية الدهون المخدرة. وCuPc / الدهون غشاء الأشكال الهجين في المياه / الهواء واجهة عن طريق التجميع الذاتي. في هذا الغشاء، وتقع جزيئات CuPc مسعور بين ذيول مسعور من جزيئات الدهون، وتشكيل الدهون / CuPc / هيكل شطيرة الدهون. ومن المثير للاهتمام، يمكن أن تكون ثنائية الدهون الهجينة مستقرة الهواء بسهولة عن طريق نقل الغشاء الهجين على الركيزة Si. نحن الإبلاغ عن طريقة واضحة لدمج المواد النانوية في نظام ثنائي الطبقات الدهون، والذي يمثل منهجية جديدة لتصنيع أجهزة الاستشعار البيولوجية والكافات الحيوية.

المقدمة

كأطر أساسية لأغشية الخلايا ، يتم فصل داخل الخلايا من الخارج من خلال نظام ثنائي الطبقات الدهنية. هذا النظام يتكون من phospholipids amphiphilic ، والتي تتكون من هيدروفيلي الفوسفورية إستر "رؤساء" والأحماض الدهنية ampphobic "ذيول". نظرا للسيولة ملحوظا وقدرة التجميع الذاتي من ثنائيات الدهون في بيئة مائي1,2, يمكن تشكيل ثنائي الدهون الاصطناعي باستخدام أساليب بسيطة3,4. وقد أدرجت أنواع مختلفة من البروتينات الأغشية، مثل قنوات الأيونات، مستقبلات الأغشية والإنزيمات، في ثنائي الدهون الاصطناعية لتقليد ودراسة وظائف أغشية الخلايا5،6. في الآونة الأخيرة، وقد تم دس ثنائيات الدهون مع المواد النانوية (على سبيل المثال، الجسيمات النانوية المعدنية، الجرافين، والأنابيب النانوية الكربونية) لتشكيل أغشية هجينة وظيفية7،8،9،10،11،12،13. وهناك طريقة تستخدم على نطاق واسع لتشكيل مثل هذه الأغشية الهجين ينطوي على تشكيل vesicles الدهون مخدر, التي تحتوي على مواد مبيدة للماء مثل جسيمات Au-nano7 المعدلة أو الأنابيب النانوية الكربون11, ثم يتم تنصهر vesicles الناتجة في ثنائيات الدهون المدعومة من ألواح. ومع ذلك، فإن هذا النهج معقد ويستغرق وقتا طويلا، مما يحد من الاستخدامات المحتملة لمثل هذه الأغشية الهجينة.

في هذا العمل، تم غمس أغشية الدهون مع جزيئات عضوية لإنتاج أغشية الدهون الهجينة التي تشكلت في المياه / الهواء واجهة عن طريق التجميع الذاتي. يتضمن هذا البروتوكول ثلاث خطوات: إعداد الحل المختلط، وتشكيل غشاء هجين في واجهة الماء/الهواء، ونقل الغشاء إلى الركيزة SI. وبالمقارنة مع الأساليب الأخرى التي تم الإبلاغ عنها سابقاً، فإن الطريقة الموصوفة هنا أبسط ولا تتطلب أجهزة متطورة. باستخدام هذه الطريقة، يمكن تشكيل أغشية الدهون الهجينة المستقرة الهواء مع مساحة أكبر في وقت أقصر. المواد النانوية المستخدمة في هذه الدراسة هي جزيء عضوي شبه الموصلة، النحاس (II) 2،9،16،23-tetra-tert-butyl-29H،31H-phthalocyanine (CuPc)، والذي يستخدم على نطاق واسع في عدد من التطبيقات، بما في ذلك الخلايا الشمسية، الضوئيات وأجهزة الاستشعار الغاز وحفز14،15. CuPc، جزيء عضوي صغير مع بنية قارئة، لديه تقارب عالية ل "ذيول" الثنائي فوسفوليبيدس لخصائصه المهضّمة. وأفادت مجموعات أخرى أن الجزيئات CuPc يمكن تجميع الذاتي على الأسطح أحادية الكريستال مع تشكيل هياكل أمر عال16،17. ولذلك، فمن الممكن جدا أن جزيئات CuPc يمكن دمجها في ثنائيات الدهون من خلال التجميع الذاتي.

نقدم وصفا مفصلا للإجراءات المستخدمة لتشكيل الأغشية وتقديم بعض الاقتراحات لتنفيذ هذا الإجراء بسلاسة. بالإضافة إلى ذلك، نقدم بعض النتائج الحالية للأغشية الدهنية الهجينة، ومناقشة التطبيقات المحتملة لهذه الطريقة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1- إعداد حل هجين

  1. غسل أربع قوارير الزجاج 4 مل المتاح وقبعات المسمار (مع الأختام المغلفة PTFE) في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 10 دقيقة في الماء المقطر (تنقية مع نظام الترشيح)، تليها الإيثانول والكلوروفورم، على التوالي. جفف قوارير الزجاج والقبعات في تيار من غاز النيتروجين.
  2. في صندوق القفازات اللاهوائية، أعد محلول الأسهم CuPc (10 ملغ/مل) في قارورة زجاجية مغسولة عن طريق حل مسحوق CuPc في الكلوروفورم.
  3. تصفية الحل CuPc من خلال 0.2 ميكرومتر اثيلين البوليتيترافلور (PTFE).
  4. تخزين الحل المصفاة في قارورة الزجاج غسلها مليئة النيتروجين، وختم القارورة مع parafilm.
  5. اتخاذ 1،2-diphytanoyl-sn-glycero-3-فوسفوتشولين (DPhPC) محلول الكلوروفورم (25 ملغ /مل) من -80 درجة مئوية ثلاجة والسماح لها لتدفئة إلى درجة حرارة الغرفة.
  6. حرك حل DPhPC باستخدام خلاط دوامة عند 2300 دورة في الدقيقة لمدة 10 ق.
  7. شطف الزجاج الحقنة الصغيرة مع الكلوروفورم لمدة 5 مرات.
  8. نقل 200 ميكرولتر من محلول الكلوروفورم DPhPC إلى قارورة زجاجية مغسولة مسبقًا باستخدام الحقنة المغسولة. يتبخر المذيب في القارورة مع تيار لطيف من النيتروجين.
  9. شطف الزجاج الحقنة الصغيرة 5 مرات مع الكلوروفورم.
  10. إضافة 202.6 μL من الكلوروفورم إلى القارورة الزجاجية مع DPhPC باستخدام حقنة تنظيفها.
  11. إضافة 47.4 μL من 10 ملغم / مل الحل CuPc في حل DPhPC. يجب أن تكون نسبة العث DPhPC إلى CuPc 10:1.
  12. شطف الزجاج الحقنة الصغيرة 5 مرات مع الكلوروفورم.
  13. إضافة 250 ميكرولتر من الهيكسان إلى الحل باستخدام الحقنة. وينبغي أن يكون التركيز النهائي للمحلول 10 ملغ / مل.
  14. اخلط الحل المعد باستخدام خلاط دوامة عند 2300 دورة في الدقيقة لمدة 10 ق.
  15. تصفية الحل CuPc من خلال 0.2 ميكرومتر اثيلين البوليتيترافلور (PTFE).
  16. ختم الزجاج مع قارورة. ضعه في حقيبة مختومة قبضة مليئة النيتروجين ووضع كيس مختومة قبضة في ثلاجة في -20 درجة مئوية.
    ملاحظة: بعد الخطوة 1.13، تم حل DPhPC و CuPc في مذيب مختلط، والذي كان يتألف من الكلوروفورم والهيكسان (نسبة حجم 1:1). بالإضافة إلى ذلك، لا تقتصر نسبة العث من DPhPC إلى CuPc على 10:1. مع تركيز ثابت من الدهون (10 ملغ / مل), يمكن استخدام نسب مختلفة من العث. وفقا لنتائج التجارب السابقة، ويفضل مجموعة من 10:1 إلى 3:1 لتشكيل غشاء الدهون الهجين عالية الجودة.

2. تشكيل غشاء هجين في واجهة الماء / الهواء

  1. قص ركائز Si (3 سم × 3 سم) من رقاقة Si.
  2. تنظيف 3 سم × 3 سم Si ركائز في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 10 دقيقة في الماء النقي، تليها الإيثانول ثم الكلوروفورم. علاج الركيزة Si مع البلازما O2 لمدة 5 دقائق لإزالة المواد العضوية الممتزة من السطح وتحسين الهيدروفيليا.
  3. اغسلي منقار تفلون بقطر داخلي 7.5 سم مع تدفق الماء النقي لمدة 3 دقائق.
  4. وضع الركيزة سي تنظيفها في كوفر PTFE غسلها. الركيزة مائلة بزاوية 30° إلى الأفقي.
  5. صب كمية كافية من المياه النقية في منقار تفلون حتى يتم غمر الركيزة Si بأكملها.
  6. اتخاذ حل هجين المعدة من الفريزر والسماح لها لتدفئة إلى درجة حرارة الغرفة.
  7. حرك الحل الهجين باستخدام خلاط دوامة في 2300 دورة في الدقيقة لمدة 15 s.
  8. شطف الزجاج الحقنة الصغيرة (50 ميكرو لتر) 5 مرات مع الكلوروفورم.
  9. إسقاط 3-5 μL من الحل الهجين على سطح الماء باستخدام حقنة لتشكيل غشاء الدهون الهجين العائمة.
    ملاحظة: عند إسقاط الحل، من المهم أن تحمل القطرة قريبة من سطح الماء (أقل من 1 سم). وتجدر الإشارة أيضا إلى أن غشاء هجين من طبقة واحدة غير مرئي للعين المجردة، ولكن الغشاء الهجين متعدد الطبقات يظهر كغشاء رقيق أزرق اللون. من أجل نقل الغشاء الهجين متعدد الطبقات إلى الركيزة Si ، من المهم إسقاط الحل المختلط في أقرب وقت ممكن إلى الركيزة Si.

3. نقل الغشاء على الركيزة Si

  1. بعد تبخر المذيبات العضوية (سيستغرق أقل من 2 ثانية) ، قم بخفض مستوى الماء بمعدل 3 مم / دقيقة عن طريق ضخ المياه من خلال أنبوب مطاطي مدفوع بمضخة م peristaltic ، لنقل الغشاء الهجين العائم على الركيزة Si.
  2. بعد اكتمال عملية النقل (حوالي 5 دقائق) ، ضع الركيزة Si على ممسحة غرفة نظيفة ، والسماح لجميع المياه المتبقية لتتبخر.
    ملاحظة: إن خفض مستوى المياه بمعدل منخفض كهذا يعمل على تقليل اضطراب المياه وحماية الغشاء.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

كما شكلت غشاء له لون أزرق فاتح موحد بسبب وجود جزيئات CuPc. عادة ما تكون مساحة الغشاء الملون عدة سنتيمترات مربعة. في الشكل 1A والشكل 1B، نعرض صورة مجهرية وصورة مجهر القوة الذرية (AFM) (بما في ذلك ملف تعريف الارتفاع) لغشاء الدهون الهجين على الركيزة Si. في صورة AFM ، يكون الغشاء في أعلى اليسار سميكًا ، بسماكة 79.4 نانومتر ، وذلك في أسفل اليمين رقيق ، بسمك 4.9 نانومتر. يظهر الغشاء الرقيق خشونة السطح من Ra = 0.4 نانومتر، وهو قريب من الركيزة Si النظيفة. وبالإضافة إلى ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

في حل السلائف للغشاء الهجين، يتم استخدام مذيب عضوي مختلط (الكلوروفورم والهيكسان) بدلاً من الكلوروفورم النقي لإذابة الدهون وCub. وإذا استخدم الكلوروفورم النقي، فإن كثافة محلول السلائف ستكون أعلى من الماء. ولذلك، فمن المرجح جدا أن المحل بالوعة إلى قاع المياه بدلا من أن تنتشر على سطح الماء. إضافة الهيكسان، وهو مذيب منخفض الكثافة، إلى حل السلائف، يضمن أن الحل سوف تطفو على سطح الماء وتشكل غشاء هجين موحد بعد تبخر المذيبات. وتجدر الإشارة أيضا إلى أنه بعد الحل مباشرة يأتي في اتصال مع سطح الماء، لوحظ دائما موجة سطحية طفيفة، ربما ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

وقد تم دعم هذا العمل من قبل برنامج CREST من الوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا (JPMJCR14F3) و غرانت في الإيدز من الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (19H00846 و 18K14120). وقد تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في مختبر الإلكترونيات النانوية وS spintronics، معهد بحوث الاتصالات الكهربائية، جامعة توهوكو.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
كلوروفورمواكو  المواد الكيميائية033-08631
CuPcSigma-Aldrich423165
DPhPcAvanti Polar Lipids850356C
قوارير زجاجية مع غطاء لولبيNichiden-Rike Glass Co.، Ltd6-29801
HexaneWako & nbsp ؛ المواد الكيميائية084-03421
مرشحات الغشاءMerck Millipore Ltd.R8CA42836
حقنة صغيرةهاميلتون80530
مضخة معججةطوكيو ريكاكاي المحدودة11914199
خلاط دوامةالصناعات العلمية ، Inc.SI-0286

المراجع

  1. Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J., Ninham, B. W. Theory of self-assembly of lipid bilayers and vesicles. Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes. 470 (2), 185-201 (1977).
  2. Venable, R. M., Zhang, Y., Hardy, B. J., Pastor, R. W. Molecular dynamics simulations of a lipid bilayer and of hexadecane: an investigation of membrane fluidity. Science. 262 (5131), 223-226 (1993).
  3. Ide, T., Ichikawa, T. A novel method for artificial lipid-bilayer formation. Biosensors and Bioelectronics. 21 (4), 672-677 (2005).
  4. Funakoshi, K., Suzuki, H., Takeuchi, S. Lipid bilayer formation by contacting monolayers in a microfluidic device for membrane protein analysis. Analytical Chemistry. 78 (24), 8169-8174 (2006).
  5. Kongsuphol, P., Fang, K. B., Ding, Z. Lipid bilayer technologies in ion channel recordings and their potential in drug screening assay. Sensors and Actuators B: Chemical. 185, 530-542 (2013).
  6. Demarche, S., Sugihara, K., Zambelli, T., Tiefenauer, L., Voros, J. Techniques for recording reconstituted ion channels. Analyst. 136 (6), 1077-1089 (2011).
  7. Sakaguchi, N., Kimura, Y., Hirano-Iwata, A., Ogino, T. Fabrication of Au-nanoparticle-embedded lipid bilayer membranes supported on solid substrates. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (17), 4474-4481 (2017).
  8. Schulz, M., Olubummo, A., Binder, W. H. Beyond the lipid bilayer: interaction of polymers and nanoparticles with membranes. Soft Matter. 8 (18), 4849-4864 (2012).
  9. Wang, J., Wei, Y., Shi, X., Gao, H. Cellular entry of graphene nanosheets: the role of thickness, oxidation and surface adsorption. RSC Advances. 3 (36), 15776-15782 (2013).
  10. Vögele, M., Köfinger, J., Hummer, G. Molecular dynamics simulations of carbon nanotube porins in lipid bilayers. Faraday Discussions. 209, 341-358 (2018).
  11. Kanomata, K., Deguchi, T., Ma, T., Haseyama, T., Miura, M., Yamaura, D., Tadaki, D., Niwano, M., Hirano-Iwata, A., Hirose, F. Photomodulation of electrical conductivity of a PCBM-doped free-standing lipid bilayer in buffer solution. Journal of Electroanalytical Chemistry. 832, 55-58 (2019).
  12. Barnoud, J., Rossi, G., Monticelli, L. Lipid Membranes as Solvents for Carbon Nanoparticles. Physical Review Letters. 112, 068102(2014).
  13. Dichello, G. A., et al. Preparation of liposomes containing small gold nanoparticles using electrostatic interactions. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 105, 55-63 (2017).
  14. Sullivan, P., Heutz, S., Schultes, S. M., Jones, T. S. Influence of codeposition on the performance of CuPc−C60 heterojunction photovoltaic devices. Applied Physics Letters. 84 (7), 1210-1212 (2004).
  15. Miyata, T., Kawaguchi, S., Ishii, M., Minami, T. High sensitivity chlorine gas sensors using Cu−phthalocyanine thin films. Thin Solid Films. 425 (1-2), 255-259 (2003).
  16. Barrena, E., de Oteyza, D. G., Dosch, H., Wakayama, Y. 2D supramolecular self-assembly of binary organic monolayers. ChemPhysChem. 8 (13), 1915-1918 (2007).
  17. Xiao, K., et al. Surface-induced orientation control of CuPc molecules for the epitaxial growth of highly ordered organic crystals on graphene. Journal of the American Chemical Society. 135 (9), 3680-3687 (2013).
  18. Feng, X., Ma, T., Yamaura, D., Tadaki, D., Hirano-Iwata, A. Formation and characterization of air-stable lipid bilayer membranes incorporated with phthalocyanine molecules. The Journal of Physical Chemistry B. 123 (30), 6515-6520 (2019).
  19. Wu, Y., He, K., Ludtke, S. J., Huang, H. W. X-ray diffraction study of lipid bilayer membranes interacting with amphiphilic helical peptides: diphytanoyl phosphatidylcholine with alamethicin at low concentrations. Biophysical Journal. 68 (6), 2361-2369 (1995).
  20. Zaitseva, S. V., Bettini, S., Valli, L., Kolker, A. M., Borovkov, N. Y. Atypical film-forming behavior of soluble tetra-3-nitro-substituted copper phthalocyanine. ChemPhysChem. 20 (3), 422-428 (2019).
  21. Ghani, F., Gojzewski, H., Riegler, H. Nucleation and growth of copper phthalocyanine aggregates deposited from solution on planar surfaces. Applied Surface Science. 351, 969-976 (2015).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

عملية التجميع الذاتيفثالوسيانين النحاسنظام الطبقة الدهنية المزدوجةالمجهر البؤريمجهر القوة الذريةتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقةنقل الركيزة السيليكونيةتصنيع المستشعر الحيوي
التجميع الذاتي للأغشية الدهنية الهجينة مخدر مع جزيئات عضوية اغذية في المياه / الهواء واجهة
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.