RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
zh_CN
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Adrianna Kolberg1, Christiane Wenzel1, Thorsten Hugel1,3, Markus Gallei2, Bizan N. Balzer1,3
1Institute of Physical Chemistry,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2Chair in Polymer Chemistry,Saarland University, 3Cluster of Excellence livMatS at FIT - Freiburg Center for Interactive Materials and Bioinspired Technologies,University of Freiburg
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
探针分子附于原子力显微镜(AFM)悬臂尖端是研究其物理特性的关键技术。这使我们能够通过基于 AFM 的单分子力光谱,确定聚合物的拉伸力、解吸力和长度,具有高可重复性。
原子力显微镜(AFM)基于单分子力光谱是研究单个聚合物和表面相互作用的理想工具。对于真正的单分子实验,探针分子的共价附着至关重要,因为只有这样,才能获得数百个具有相同单个分子的力延伸痕迹。许多痕迹反过来是必要的,以证明单个分子单独被探测。此外,钝化对于防止单个探针分子和 AFM 悬臂尖端之间以及 AFM 悬臂尖端和底层表面之间的意外相互作用至关重要。此处介绍的功能化协议是可靠的,可轻松应用于各种聚合物。在力延伸痕迹中检测到特征单分子事件(即拉伸和高原)。从这些事件中,可以获得拉伸力、脱解力和脱离长度等物理参数。这对在单分子水平上精确研究刺激反应系统尤其重要。作为示范性系统,聚(乙二醇)(PEG)、聚(N-异丙烯酰胺)和聚苯乙烯(PS)从SiOx(用于PEG和PNiPAM)和疏水性自组装单层表面(PS)在水环境中拉伸和脱盐。
自20世纪80年代发明以来,原子力显微镜(AFM)已成为自然科学中最重要的成像技术之一,具有亚纳米空间分辨率、亚皮牛顿力分辨率和在各种溶剂和温度条件下测量的可能性2、3、4、5、6、7。3,4,5,6,72
除了成像88,9,AFM9用于执行单分子力光谱(SMFS),深入了解单个聚合物和表面之间的粘合相互作用,单聚合物的物理特性和蛋白质77,10,11,12,13,14,15,1610,11,12,13,14,15,16的展开机制。在常规的 SMFS 实验中,功能化悬臂尖端与表面接触,使 AFM 悬臂尖端的聚合物进入此表面。通过从表面收回 AFM 悬臂尖端,AFM 悬臂的偏转变化将转换为导致力延伸曲线4的力。拉伸力、脱脂力和脱脂长度等物理参数可确定为取决于不同参数,如拉力速度、表面停留时间、入表面入缩进深度、温度、溶剂17、18以及固体基板、聚合物薄膜17,或支撑脂质双层19、20、21、2220,21,22等不同表面19。此外,,聚合物可以探测不同的空间方向,从而研究聚合物23、24、25、26,24,25的摩擦特性。26
被调查的聚合物附价附着在AFM悬臂尖端对于此类研究至关重要。因此,单分子事件与一个和相同的聚合物绑定到AFM悬臂尖端的高产量,防止任何偏差的结果,由于校准的弹簧常数的AFM悬臂27,28,不同的连接点29或不同的聚合物(与不同的轮廓长度),如在纳米钓鱼实验27,3030,31,32的情况下。,31,32此外,与其他聚合物的相互作用以及平均效应可以广泛防止18,28。18,对于聚合物附价到AFM悬臂尖端,可以应用不同类型的化学修饰,其中许多在赫曼森33书中总结。基于胺和硫醇的链接反应以及咔嗒声化学代表了AFM悬臂尖端功能化34、35、36、37、38、39、40、41、42中最常用的方法。34,35,36,37,38,39,40,41,42Becke等人40展示了如何使用1-乙酰-3-(3-二甲基氨基丙基)卡博迪米德(EDC)/NHS化学将蛋白质附在AFM悬臂尖端。然而,上述功能组倾向于交叉链接,从而导致功能43,44,44的丢失。此外,在溶液43中,carbodiimids表现出快速水解的倾向。马利米德和三醇群通常更稳定,不表现出交联反应。提出的协议是参考文献35、39,39中给出的先前发布的协议的优化。
在这里,提出了一个可靠的功能化协议,可以很容易地调整到大量的不同聚合物,无论轮廓长度或疏水性等特性。通过实例选择三种不同的聚合物:亲水聚乙烯乙二醇 (PEG) 和聚聚(N-异丙烯酰胺) (PNiPAM) 以及高摩尔质疏水聚苯乙烯 (PS)。为了提供具有适当链接分子的共价结合功能,选择这三种聚合物作为功能端组采用电传性二醇乳酸。链接分子本身通常是一种短的PEG聚合物,有两个活性位点,一端是硅烷组,另一端是雄性酰胺组。前者使AFM悬臂尖端的共价附价,后者与功能化高摩尔质量聚合物的thiol组结合反应。此外,非活性 PEG 链接器分子充当钝化层,以防止探头聚合物与 AFM 悬臂尖端之间以及 AFM 悬臂尖端和底层表面之间不必要的相互作用。
注:有关原理图概述,请参阅图 1。
1. 试剂设置
注:用于此协议的聚合物是:雄性-聚乙烯乙二醇-三氧西烷(硅烷-PEG-mal, 5 kDa),铁醇-聚乙烯乙二醇-硅醇(HS-PEG-SH,35 kDa),铁醇端端聚酰胺(N-异丙烯酰胺)(PNiPAM-SH,637 kDa)和铁醇端端聚苯乙烯(PS-SH,1.3 mDa)。
2. 设备设置
注:使用用不锈钢或玻璃制成的钳子和烧杯。使用倒钳进行安全夹持(例如,型号 R3 SA 具有低弹簧常数)。
3. 提示功能化
注:所有步骤都应在烟雾罩中执行,以避免吸入有机蒸汽。此外,还需要手套、实验室外套和眼部保护。每一步都使用硝酸盐或乳胶手套,以避免污染。使用甲苯时,请戴上耐溶剂手套。所有步骤(除非另有说明)均在 RT 处完成。每一步均使用新设备和手套以避免可能的交叉污染。
4. 表面准备
5. 数据采集
注:此处显示的所有测量均采用超纯水进行,使用 Cypher ES AFM 使用加热和冷却样品阶段进行温度变化。通常,可以使用所有提供液体测量功能的 AFM。
6. 数据评估
注: 对于数据评估,使用基于 Igor Pro 的自定义编写的软件执行以下步骤。
以下示例显示了聚合物 PEG、PNiPAM 和 PS 的单分子拉伸和脱脱的结果。所有 AFM 悬臂提示均按照上述协议进行了功能化。PEG 和 PNiPAM 在 SiOx上测量,温度变化。有关 PEG 和 PNiPAM 由此产生的与温度相关的拉伸曲线的详细讨论,请参阅 Kolberg,等人18不同的力延伸图案是恒定力的高原(例如,当从水中的黄金4、27、39、5127中甲基端端烷醇 (SAM) 的自组装单4层脱氧器中解出 PS 时)。39,51
示例 1:水中 PEG 和 PNiPAM 的拉伸
水中与温度相关的拉伸行为是使用单 PNiPAM 和 PEG 聚合物在一端与 AFM 悬臂尖端并另一端的 SiOx表面物理床共价地测量的。校准和清洁控制实验(不到 2% 的力延伸曲线显示单个分子事件)后,为每个 AFM 悬臂至少记录了两个力图。通过在每个温度下记录至少一个力图来执行与温度相关的实验。当只出现少数拉伸事件时,相应的 AFM 悬臂被丢弃,并取取芯片的下一个 AFM 悬臂(通常按 MLCT-Bio-DC 的 C、B、D 和 E 顺序)。对于 PEG 的模范数据,在 500 个测量的力延伸曲线(19%)中,95 个拉伸事件被观察到。对于 PNiPAM,600 个力延伸曲线中 252 条显示拉伸模式 (42%)。为了更好地比较力延伸曲线,生成了每个温度的单一主曲线。为此,只选择拉伸事件至少为500 pN的曲线,其中构象波动和溶剂效应可以忽略不计。最后考虑的伸展次数是3在278K,7在298K和4在318K为PEG和4在278K,3在298K和3在318KPNiPAM18。
生成主曲线的过程如图3所示。所选的力延伸曲线(图 3A)被重新缩放为长度为 L0(以 500 pN 的力进行扩展),参见图 3B。附着力峰显示表面和AFM悬臂尖端之间未特异性粘附的很大变化,但不影响聚合物拉伸行为。合并重新缩放的力延伸曲线后,它们由图 3C所示的双标平滑求平均值。为此,高斯滤波器在等于平滑参数2053的水平上,将来自Pascal三角形的规范化系数的数据卷在一起。最后,如图3D中给出的每个温度,都获得了主曲线。放大显示温度对力扩展行为的影响最显著的范围。
PEG (A) 和 PNiPAM (B) 的温度行为的比较可以在图 4中找到。对于PEG,随着温度的升高,拉伸力的减少。当温度从278度提高到318K时,在100 pN时,在100 pN处重新缩放的扩展增加约5%。对于 PNiPAM,可以揭示一个相反的温度相关变化。当温度从278度升高到328K时,在100 pN处观察到100 pN下重新缩放的延伸量减少约1%。此外,通过确定曲线下的任何给定力值的面积,可以从力延伸主曲线中获得拉伸自由能。这可用于提取能量和各热带贡献的拉伸自由能量的帮助下,分子动力学(MD)模拟18。
示例 2:水中 SAM 表面的 PS 脱吸
PS从水中的SAM表面的解脱可用于确定脱盐力和长度,从而量化疏水性相互作用。校准后,在表面的两个不同点至少记录了两个力图。当聚合物附着成功时,力延伸曲线显示恒力的高原,作为特征特征,参见图5A和图5C。当探针键的动力学比 AFM 悬臂尖端(准平衡)的拉取速率快得多时,观察到高原状脱盐。高原式力延伸曲线的去附力通过集成力延伸轨迹54,直接提供附着力自由能量。它们用于测定液体环境中表面单聚合物的静电、分散和疏水性相互作用以及摩擦特性2,42、4、23、51、54、55。,23,51,54,55
恒定力的每个高原都装有一个sigmoidal曲线,以确定脱毛力和脱毛长度,然后绘制成方图。直方图装有高斯,以提取最大值和标准差。为了更好的概览,解吸力和长度值在散点图中一起显示,如图5B和图 5D所示。
对于水中SAM上的聚苯乙烯,确定的脱盐力对应于先前获得的值19、23,23。由于脱盐长度与聚合物轮廓长度51相关,因此脱盐长度分布可作为相关聚合物通过功能端部组与AFM悬臂尖端共价结合的证明。因此,脱盐长度用作指纹。
对于连接到 AFM 悬臂尖端的多个聚合物,可以在力延伸曲线56中观察到高原级联(离散步数)。每个高原代表聚合物在不同延伸处的解渗。图5C和图5D的实验显示了同时连接到AFM悬臂尖端的两种聚合物的典型案例。通过拟合最终破裂,可以发现脱模长度的双模态分布,而脱模力则显示出狭窄的分布。在这种情况下,较小的解波长度可以在90%的力延伸曲线中找到,无论是作为单个高原,还是作为较长高原上的附加高原,如图5C所示。在获得的力延伸曲线的37%中,发现较高的脱盐长度。因此,脱盐长度分布可用于确定连接到 AFM 悬臂尖端的不同聚合物的数量。一般来说,脱盐长度值的窄分布很好地表明,在获得的力延伸曲线中探测了一个聚合物和同一聚合物。同时,可以使用相应力延伸的叠加来确定是否测量了单个聚合物。
在证明单个PS聚合物的共价结合后,可以进行不同的基材(固体表面以及聚合物薄膜)、溶剂条件、温度、拉力速度或居住时间。

图 1:提示功能化过程的原理图概述。包括 AFM 悬臂尖端的化学改性(1) 血浆活化 (2) 硅化/PEGygy 和 (3) 聚合物附件。此外,还展示了所用聚合物的详细化学结构,即PEG、PNiPAM和PS。请点击此处查看此图形的较大版本。

图 2:消除力延伸曲线中的干扰。(A) 查找一个力延伸曲线,显示沿延伸的正弦力信号伪影,但没有单个分子拉伸事件。(B) 选择具有单个分子事件的力延伸曲线,该曲线将从正弦伪影中校正。(C) 叠加曲线以控制曲线的正弦伪影是否真正匹配。(D) 通过从 (B) 中减去力延伸曲线 (A) 获得具有直线基线的力延伸曲线。尽管粘附峰不能用于进一步分析,但力延伸曲线现在针对伪影进行了校正,从而在单个分子事件区域获得更准确的力值(此处: > 0.2 μm 的扩展)。请点击此处查看此图形的较大版本。

图 3:在 298 K 时从 PEG 的力延伸曲线确定主曲线。(A) 实验数据在 298 K,使用 7 力延伸曲线。在 500 pN(B)的力下重新缩放至长度 L0后,力延伸曲线可以通过双标平滑来合并并求平均值,从而获得主曲线(C)。重新缩放的曲线作为点给出,而主曲线显示为实线。最后,可以比较不同温度的所得主曲线(D)。放大表示温度对力扩展行为的影响最明显的范围。请点击此处查看此图形的较大版本。

图4:PNiPAM和PEG与温度相关的主曲线的比较。对于PEG,当温度升高(A)时,在100 pN(中力范围)处观察到重新缩放的扩展增加,而对于PNiPAM,则显示相反的温度相关偏移(B)。请点击此处查看此图形的较大版本。

图5:分析水中SAM上PS的力延伸曲线。(A) 具有高原(紫色)的西格莫达尔拟合的模范力延伸曲线(蓝色)。此外,箭头标记高原的确定力(红色)和长度(绿色)。sigmoidal 拟合获得的解吸力和脱毛长度值显示在散点图中,生成的直方图装有高斯。(B) 确定的平均脱盐力和脱盐长度值为 (112 × 6) pN 和 (659 × 7) nm,其中 93% 的力延伸曲线显示此类单高原事件。(C) 同时连接到 AFM 悬臂尖端的两种聚合物的模范力延伸曲线(蓝色)。在这里,脱毛力显示平均力值为 (117 × 5) pN 的单模态分布,而可找到双模态分布,用于解吸长度,从而平均长度值为 (656 × 9) nm 和 (1050 × 16) nm。(D) 90% 的采样力延伸曲线仅显示单个高原事件。请点击此处查看此图形的较大版本。
作者声明他们没有相互竞争的财务利益。
探针分子附于原子力显微镜(AFM)悬臂尖端是研究其物理特性的关键技术。这使我们能够通过基于 AFM 的单分子力光谱,确定聚合物的拉伸力、解吸力和长度,具有高可重复性。
B.N.B. and T.H. acknowledge funding by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany's Excellence Strategy – EXC-2193/1 – 390951807, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – EXC-2193/1 – 390951807, and grant HU 997/1-13 (project # 420798410).M.G.承认由赫森州高等教育、研究和艺术部在LOEWE项目框架内的部分支持。我们感谢沃尔夫冈·布朗纳博士和弗劳恩霍夫应用固态物理研究所AAF的Agne Zukauskaite博士捐赠高品质的金涂层硅片。
| 1-十二硫醇 (≥98%) | Sigma-Aldrich,美国 | 417364-500ML | 用于 SAM |
| 氨溶液 (30%) | Roth,德国 | CP17.2 | 用于清洁 |
| Cypher ES | Asylum Research,牛津仪器公司,美国 | - | AFM |
| 乙醇 (≥99.9%) | Roth,德国 | PO76.1 | 溶剂 |
| 金涂层硅片 | Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF,德国 | - | 用于 SAM |
| 高分辨率复制化合物 | Microset Products Ltd,英国 | 101RF | 粘合剂 |
| 过氧化氢溶液 | Sigma-Aldrich,美国 | H1009 | 用于清洁 |
| Igor Pro | Wavemetrics,美国 | - | 软件环境 |
| Tetra-30-LF-PC | Diener Electronic,德国 | - | 等离子室 |
| 马来酰亚胺-聚乙二醇-三乙氧基硅烷 | 创意PEG作品,美国 | PHB-1923 | 连接聚合物 |
| MLCT-Bio-DC | 美国 | 布鲁克MLCT-Bio-DC | AFM 悬臂 |
| Prime CZ-Si 晶片,n 型(荧光粉) TTV < 10 µm | MicroChemicals,德国 | WSA40600250 P1314SNN1 | 硅片 |
| Purelab Chorus 1, 18.2 MΩ cm | Elga LabWater,德国 | 10034-540 | 超纯水源 |
| R3 SA | Vomm GmbH,德国 | 5803 空白 | 镊子 |
| 硫醇封端聚(N-异丙基丙烯酰胺) | Gallei Group,萨尔大学,德国 | - | PNiPAM 探针聚合物 |
| 巯基封端聚苯乙烯 | 聚合物 来源,加拿大 | P40722-SSH | PS 探针聚合物 |
| 巯基-聚乙二醇-硫醇 | Creative PEGWorks,美国 | PSB-615 | PEG 探针聚合物 |
| 甲苯 (99.99%) | Fisher Chemicals | T324-500 | 溶剂 |