הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

הרכבה עצמית של קרום שומנים היברידי מסוממים עם מולקולות אורגניות הידרופוביות בממשק מים/אוויר

3.5K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/60957

⸱

1 במאי 2020

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

במאמר זה

סיכום

אנו מדווחים על פרוטוקול לייצור קרום שומנים היברידי בממשק המים/אוויר על ידי סימום ביטל השימנים עם נחושת (II) 2,9,16,23-טטרה-אטרה-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) מולקולות. קרום שומנים היברידית וכתוצאה מכך יש מבנה כריך שומנים/CuPc/שומנים. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם גם על היווצרות של ננו-חומרים פונקציונליים אחרים.

תקציר

בשל תכונותיהם הייחודיות, כולל עובי דק במיוחד (3-4 0m), התנגדות גבוהה במיוחד, נזילות ויכולת הרכבה עצמית, ניתן לתפקד בקלות שכבות שומנים ונעשה בהם שימוש ביישומים שונים כגון חיישנים ביולוגיים והתקנים ביולוגיים. במחקר זה, הצגנו מולקולה אורגנית מיכנית: נחושת (II) 2,9,16,23-טטרה-אטרה-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) כדי קרום שומנים סמים. קרום היברידי CuPc / שומנים צורות בממשק מים / אוויר על ידי הרכבה עצמית. בממברנה זו, מולקולות CuPc הידרופובי ממוקמים בין הזנבות הידרופוביים של מולקולות שומנים, ויוצרים מבנה כריך שומנים/CuPc/שומנים. מעניין, דוטל שומנים היברידיים יציב אוויר יכול להיווצר בקלות על ידי העברת קרום היברידי על כנוע Si. אנו מדווחים על שיטה פשוטה לשילוב ננו-חומרים במערכת דו-שכבתית שומנים, המייצגת מתודולוגיה חדשה לזיוף חיישנים ביולוגיים וביו-ניסויים.

מבוא

כמו מסגרות חיוניות של קרום התא, הפנים של תאים מופרדים מבחוץ על ידי מערכת דו שכבתי שומנים. מערכת זו מורכבת פוספוליפידים אמפיפיליים, אשר מורכבים אסתר זרחנית הידרופילית "ראשים" וחומצות שומן הידרופוביות "זנבות". בשל נזילות יוצאת דופן ויכולת הרכבה עצמית של דו-שכבות שומנים בסביבה מים1,2, דו-שכבות שומנים מלאכותיים ניתן ליצור בשיטותפשוטות 3,4. סוגים שונים של חלבוני קרום, כגון ערוצי יון, קולטני קרום ואנזימים, שולבו דו-שכבת שומנים מלאכותיים לחקות וללמוד את הפונקציות של קרוםהתא 5,6. לאחרונה, bilayers שומנים כבר מסוממים עם ננו חומרים (למשל, חלקיקים מתכת, גרפן, ופחמן צינורות) כדי ליצור קרום היברידיפונקציונלי 7, 8,9,10,11,12,13. שיטה בשימוש נרחב עבור יצירת קרום היברידי כזה כרוך היווצרות של שלביות שומנים מסוממים, אשר מכילים חומרים הידרופוביים כגון שונה Au-חלקיקים7 או צינורות פחמן 11, ואת שלבי השומנים וכתוצאה מכך הם התמזגו לתוך שכבות שומנים נתמך פלנר. עם זאת, גישה זו מורכבת וגוזלת זמן, מה שמגביל את השימושים הפוטנציאליים של קרום היברידי כזה.

בעבודה זו, קרום שומנים היו מסוממים עם מולקולות אורגניות לייצר קרום שומנים היברידיים שנוצרו בממשק מים / אוויר על ידי הרכבה עצמית. פרוטוקול זה כולל שלושה שלבים: הכנת הפתרון המעורב, היווצרות קרום היברידי בממשק המים/האוויר, והעברת הממברנה לערכת Si. בהשוואה לשיטות אחרות שדווחו בעבר, השיטה המתוארת כאן פשוטה יותר ואינה דורשת מכשור מתוחכם. בשיטה זו, קרום שומנים היברידיים יציב אוויר עם שטח גדול יותר ניתן ל שנוצרו בזמן קצר יותר. הננו-חומר המשמש במחקר זה הוא מולקולה אורגנית מוליכים למחצה, נחושת (II) 2,9,16,23-טטרה-אטרה-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc), אשר נמצא בשימוש נרחב במספר יישומים, כולל תאים סולריים, פוטודטים, חיישני גז וזרז14,15. CuPc, מולקולה אורגנית קטנה עם מבנה מינורי, יש זיקה גבוהה "זנבות" של צמד פוספוליפידים למאפיינים ההידרופוביים שלה. קבוצות אחרות דיווחו כי מולקולות CuPc יכול להרכיב את עצמו על משטחים גביש יחיד עם היווצרות של מבניםמסודרים מאוד 16,17. לכן, זה מאוד אפשרי כי מולקולות CuPc יכול להיות משולב לתוך bilayers שומנים באמצעות הרכבה עצמית.

אנו מספקים תיאור מפורט של ההליכים המשמשים להקמת ממברנות ולספק כמה הצעות ליישום חלק של הליך זה. בנוסף, אנו מציגים כמה תוצאות מציגות של קרום הליפים ההיברידי, ולדון יישומים פוטנציאליים של שיטה זו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הכנת פתרון היברידי

  1. לשטוף ארבעה בקבוקונים זכוכית חד פעמית 4 מ"ל וכובעי ברגים (עם אטמים מצופה PTFE) באמבט אולטראסוניות במשך 10 דקות במים מזוקקים (מטוהר עם מערכת סינון), ואחריו אתנול וכלורופורם, בהתאמה. לייבש את בקבוקונים זכוכית וכובעים בזרם של גז חנקן.
  2. בתא כפפה אנאירובי, להכין פתרון מלאי CuPc (10 מ"ג / מ"ל) בבקתון זכוכית שטופה על ידי המסת CuPc אבקה בכלורופורם.
  3. סנן את פתרון CuPc באמצעות קרום 0.2 μm polytetrafluoroethylene (PTFE).
  4. לאחסן את הפתרון המסונן במבען זכוכית שטף מלא חנקן, ולאטום את הבקבוקון עם parafilm.
  5. קח את 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-פוספוכולין (DPhPC) כלורופורם פתרון (25 מ"ג / מ"ל) מתוך -80 ° C מקרר ולאפשר לו להתחמם לטמפרטורת החדר.
  6. מערבבים את פתרון DPhPC באמצעות מערבל מערבולות ב- 2300 סל"ד עבור 10 שניות.
  7. יש לשטוף מזרק מיקרו זכוכית עם כלורופורם במשך 5 פעמים.
  8. העבר 200 μL של פתרון כלורופורם DPhPC לתוך בקבוקון זכוכית שטף מראש באמצעות מזרק שטף. לאדות את הממס במבעון עם זרם עדין של חנקן.
  9. לשטוף מזרק מיקרו זכוכית 5 פעמים עם כלורופורם.
  10. הוסף 202.6 μL של כלורופורם לקלון הזכוכית עם DPhPC באמצעות מזרק נקי.
  11. הוסף 47.4 μL של פתרון CuPc מסונן 10 מ"ג/מ"ל לפתרון DPhPC. יחס החתרן הטוחנת של DPhPC ל- CuPc צריך להיות 10:1.
  12. לשטוף את מזרק מיקרו זכוכית 5 פעמים עם כלורופורם.
  13. הוסף 250 μL של הקסאן לפתרון באמצעות המזרק. הריכוז הסופי של הפתרון צריך להיות 10 מ"ג/מ"ל.
  14. מערבבים את הפתרון המוכן באמצעות מערבל מערבולות ב-2,300 סל"ד ל-10 שניות.
  15. סנן את פתרון CuPc באמצעות קרום 0.2 μm polytetrafluoroethylene (PTFE).
  16. לאטום את בקבוקון הזכוכית עם parafilm. מכניסים אותה לשקית אטומה עם אחיזה מלאה בחנקן ומכניסים את האחיזה אטומה למקפיא ב-20 מעלות צלזיוס.
    הערה: לאחר שלב 1.13, DPhPC ו CuPc היו מומסים בממס מעורב, אשר היה מורכב כלורופורם ו hexane (יחס נפח של 1:1). בנוסף, יחס הטוחנת הטוחנת של DPhPC ל- CuPc אינו מוגבל ל- 10:1. עם ריכוז קבוע של שומנים (10 מ"ג/מ"ל), ניתן להשתמש ביחסי טוחנות שונים. על פי תוצאות ניסיוניות קודמות, טווח בין 10:1 ל-3:1 מועדף על יצירת קרום שומנים היברידי באיכות גבוהה.

2. היווצרות קרום היברידי בממשק המים/האוויר

  1. גזור Si מצעים (3 ס"מ על 3 ס"מ) מוופל Si.
  2. לנקות את 3 ס"מ x 3 ס"מ Si מצעים באמבטיה אולטראסוניות במשך 10 דקות במים מטוהרים, ואחריו אתנול ולאחר מכן כלורופורם. לטפל במצוע Si עם פלזמה O2 במשך 5 דקות כדי להסיר חומרים אורגניים adsorbed מפני השטח כדי לשפר את ההידרופיליות.
  3. שוטפים את הטלית טפלון בקוטר פנימי של 7.5 ס"מ עם מים מטוהרים זורמים למשך 3 דקות.
  4. שים את הצוללת הנקייה של סי בחתמת ה-PTFE השטופה. ההתעוות מוטה בזווית של 30° לאופקי.
  5. יוצקים כמות מספקת של מים מטוהרים לתוך הפקק טפלון עד כל המצע Si הוא שקוע.
  6. להוציא תמיסה היברידית מוכנה מהמקפיא ולאפשר לו להתחמם לטמפרטורת החדר.
  7. מערבבים את הפתרון ההיברידי באמצעות מערבל מערבולת ב-2,300 סל"ד ל-15 שניות.
  8. לשטוף מזרק מיקרו זכוכית (50 μL) 5 פעמים עם כלורופורם.
  9. Drop 3-5 μL של הפתרון ההיברידי על פני המים באמצעות המזרק כדי ליצור קרום שומנים היברידי צף.
    הערה: כאשר הפתרון הוא ירד, חשוב להחזיק את הטיפה קרוב (פחות מ 1 ס"מ) פני המים. יש לגם לנכון לכך שממברנה היברידית חד שכבתית אינה גלויה לעין בלתי, אך קרום היברידי רב שכבתי מופיע כפלם דק בצבע כחול. על מנת להעביר את קרום היברידי רב שכבתי לשקוע Si, חשוב לרדת הפתרון המעורב קרוב ככל האפשר לשקוע Si.

3. העברת הממברנה לשקוע Si

  1. לאחר אידוי של ממס אורגני (זה ייקח פחות מ 2 שניות), להוריד את מפלס המים בקצב של 3 מ"מ / דקה על ידי שאיבת המים דרך צינור גומי אשר מונע על ידי משאבה פריסלטית, כדי להעביר את קרום היברידי צף על הצוללת Si.
  2. לאחר השלמת תהליך ההעברה (כ-5 דקות), מניחים את ה-Si את העיבוד על מגב נקי, ומאפשרים לכל שאריות המים להתאדות.
    הערה: הורדת מפלס המים בקצב כה נמוך משמשת לצמצום מערבולות המים ולהגנה על הממברנה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

קרום כ-יצר יש צבע כחול בהיר אחיד בשל הנוכחות של מולקולות CuPc. האזור של קרום צבעוני הוא בדרך כלל כמה סנטימטרים רבועים. בדמות 1A ו- איור 1B,אנו מציגים תמונה מיקרוסקופית ותדמית מיקרוסקופ של כוח אטומי (AFM) (כולל פרופיל גובה) של קרום הליפיד ההיברידי עלמצע Si. בתדמית AFM, הממברנה בפינה השמאלית העליונה עבה, עם עובי של 79.4 נק', ושימין התחתון דק, בעובי של 4.9 נק'. הממברנה הדקה מראה חספוס פני השטח של Ra = 0.4 ננומטר, אשר קרוב לזה של המצע Si ניקה. בנוסף, בהתבסס על מדידו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

בתמיסה הקדמה של קרום היברידי, ממס אורגני מעורב (כלורופורם ו hexane) ולא כלורופורם טהור משמש כדי להמיס שומנים וCuPc. אם נעשה שימוש בכלורופורם טהור, הצפיפות של תמיסת הקדמה תהיה גבוהה יותר ממים. לכן, סביר להניח כי הפתרון ישקע לקרקעית המים ולא יתפשט על פני המים. הוספת הקסאן, ממס בצפיפות נמוכה, לפתרון מבשר, מבטיח כי הפתרון יצוף על פני המים ויוצר קרום היברידי אחיד לאחר אידוי של הממס. יש לצוין גם כי מיד לאחר שהפתרון בא במגע עם פני המים, תמיד נצפה גל פני השטח קל, אולי בשל התפשטות הממברנה והממס האורגני, מה שישנה את מתח פני השטח ש...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

לסופרים אין מה לחשוף.

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית CREST של סוכנות המדע והטכנולוגיה של יפן (JPMJCR14F3) ומענק באיידס מהחברה יפן לקידום המדע (19H00846 ו- 18K14120). עבודה זו בוצעה בחלקה במעבדה לננואלקטרוניקה וספינטרוניקה, מכון המחקר לתקשורת חשמלית, אוניברסיטת טוהוקו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
כלורופורםוואקו  כימיקלים033-08631
CuPcסיגמא-אולדריץ'423165
DPhPcאוונטי קוטב ליפידים850356C
בקבוקוני זכוכית עם מכסה בורגNichiden-Rike Glass Co., Ltd6-29801
הקסאןWako  כימיקלים084-03421
מסנני ממברנהMerck Millipore Ltd.
מיקרו-מזרקהמילטון80530
משאבה פריסטלטיתטוקיו Rikakikai ושות', בע"מ
מערבל מערבולתתעשיות מדעיות, בע"מת"י 0286
R8CA4283611914199

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

תהליך הרכבה עצמיתנחושת פתללוציאניןמערכת שכבה ליפידית כפולהמיקרוסקופיה קונפוקליתמיקרוסקופיית כוח אטומיאנליזת רנטגן מפזר אנרגיההעברה למצע סיליקוןייצור ביו-חיישן
הרכבה עצמית של קרום שומנים היברידי מסוממים עם מולקולות אורגניות הידרופוביות בממשק מים/אוויר
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.