私たちは、両親媒性ポリマーとDNAを使用して近赤外蛍光単層カーボンナノチューブ(SWNT)のコロナ相を工学的に操作し、既知の認識要素を持たない分子標的のセンサーを開発するためのプロトコルを提示します。
方法論記事
私たちは、両親媒性ポリマーとDNAを使用して近赤外蛍光単層カーボンナノチューブ(SWNT)のコロナ相を工学的に操作し、既知の認識要素を持たない分子標的のセンサーを開発するためのプロトコルを提示します。
半導体単層カーボンナノチューブ(SWNT)は、近赤外線で蛍光を発する光学活性ナノマテリアルの一種で、生物学的サンプルが最も透明な光学窓と一致します。ここでは、両親媒性ポリマーと多核酸をSWNTの表面に吸着してコロナ相を操作し、低分子とタンパク質の新しい分子センサーを作成する技術について概説します。これらの機能化されたSWNTセンサーは、生体適合性と安定性を兼ね備えています。ポリマーは、SWNTおよびポリマーの直接超音波処理または界面活性剤を用いてSWNTを懸濁し、続いてポリマーによる透析によってナノチューブ表面に吸着される。これらのセンサーの蛍光発光、安定性、および標的分析物に対する応答は、吸光度および近赤外蛍光分光法を使用して確認されます。さらに、センサーをスライドガラス上に表面固定化することで、単一分子蛍光顕微鏡でポリマーの吸着と分析物の結合速度を特徴づけることができます。
単層カーボンナノチューブ(SWNT)は、アトミックの炭素原子の薄い層は、固有の電子的及び光学的特性を示す細長い円筒に巻かれています。 1このような特性は、その地域の環境に非常に敏感である励起子再結合を介して、近赤外(NIR)蛍光発光を生成するバンドギャップが含まれます。 SWNTのNIR放射は、光の侵入深さは、生物学的組織のために最大である近赤外窓内に入ります。 2,3また、SWNTは、有機蛍光色素分子とは対照的に、非定型のいくつかのユニークな特徴を示す:SWNTの展示大きなストークスシフト、退色しない、と点滅しません。 4最近、これらの特性を活用することは生物学への応用を有する新規分子センサーの品揃えの発展につながっています。 5,6未修飾は、しかしながら、SWNTは、水に不溶性であり、そして個々のSWNTの懸濁液を得ることが課題であることができます。 7,8 BundliNGの溶液中の単層カーボンナノチューブの集合体は、感知用途には適さない、それらをレンダリングそれらのバンドギャップ蛍光、2を難読化することができます。
水溶液中での個々のカーボンナノチューブを分散させて疎水性主導凝集を防止するために、それらの表面を修飾する必要があります。共有結合修飾は、単層カーボンナノチューブを、水溶性、10レンダリングならびに特定の結合化学を付与することができるが9、SWNT格子の欠陥サイトが減少またはそれらの蛍光発光を和らげます。疎水性およびπ-πスタッキング相互作用を介してナノチューブ表面に吸着13 -代わりに、SWNTの官能化は、界面活性剤、脂質、ポリマー及びDNA 9,11を使用することによって達成することができます。表面官能性SWNTの周囲の結果として生じる化学的環境は、そのコロナ相と呼ばれます。コロナ相の摂動はSWNTフッ素に変調を引き起こし、ナノチューブ表面上を移動する励起子に大きな影響を持つことができescence排出。これは、SWNTの大きな表面積に特異的な結合様式を組み込むことにより、新たな分子センサーの開発に利用することができるコロナ相とSWNTの蛍光との間のこの敏感な関係です。検体を結合するとSWNTコロナ相の摂動は、局所誘電環境の変化につながる電荷移動、またはシグナル伝達機構として機能するSWNTの蛍光放出を調節することができるすべてが格子欠陥を導入することができます。 14このアプローチは、DNA、15,16グルコース17ならびにATP、18の反応性酸素種19および窒素酸化物などの小分子を含む分子の多くの異なるクラスの検出のための新規蛍光センサーの開発に使用されます。 20,21しかし、これらのアプローチは、それらが標的分析物のための既知の結合様式の存在に依存しているという点で制限されています。
最近では、より一般的なアプリ蛍光センサーを設計するゴキブリは非共有結合性の両親媒性ヘテロ、リン脂質、およびポリ核酸で官能単層カーボンナノチューブを使用して開発されました。具体的には、タンパク質26,27または神経伝達物質のドーパミンを含む小分子を結合することができるユニークなコロナ相25 -これらの分子は、個々の単層カーボンナノチューブ22の非常に安定な懸濁液を生成するために、カーボンナノチューブの表面に吸着します。 28から30エンジニアリングのSWNTと特異的に結合する標的分析物を分散させるコロナ相としてコロナ相分子認識(CoPhMoRe)と呼ばれます。 28小型、低毒性、高い安定性とCoPhMoRe SWNTセンサーのunbleaching NIR蛍光はそれらに延長時間分解測定のための生体内検知のための優秀な候補となっています。 6最近の研究は、反応性窒素および酸素種の光学的検出のための植物組織における自分のアプリケーションを示しています。 31CoPhMoRe SWNTセンサーにとって特に刺激的な用途は、電気化学センシングまたは免疫組織化学などの他の技術は、空間分解能、時間分解能、および特異性の欠如に苦しんでいるような、生体内でドーパミンなどの神経伝達物質のラベルフリーの検出、の可能性です。
設計とCoPhMoRe SWNTセンサーを発見は、これまで特定のターゲットのためのセンサを発見する可能性を制限し、分散剤ライブラリーのサイズおよび化学的多様性によって拘束されています。現在までに、研究者は、唯一のSWNTセンサーのためのような機能的に活性な分散剤を提供することができ利用できる共役、共同ブロック、生物学的および生体模倣ポリマーの表面に傷しています。ここでは、両方の単層カーボンナノチューブを分散させ、高スループットスクリーニングのための単一のSWNTセンサー分析のためのそれらの蛍光を特徴付けるための別の方法を提示します。具体的には、ポリ核酸oligomとコーティングのSWNTのための手順を概説します者透析により界面活性剤交換により両親媒性ポリマーとSWNTを官能する方法だけでなく、直接超音波処理を使用して。私たちは、例として、ローダミンイソチオシアネート(RITC-PEG-RITC)で官能(GT)15 -DNAおよびポリエチレングリコールを使用しています。私たちは、ドーパミンの検出のためのCoPhMoReセンサとして(GT)15 -DNA SWNTの使用を示します。最後に、我々は、特性評価または単一分子検出のために使用することができる単一分子センサーの測定を行うための手順の概要を説明します。
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注意:使用する前に、関連するすべての物質安全データシート(SDS)を参照してください。ナノ材料は、それらのバルク材料の対応と比較して、追加の危険性を有していてもよいです。工学的制御(ヒュームフード、ノイズエンクロージャ)と個人用保護具(安全眼鏡、ゴーグル、白衣、完全長ズボン、クローズドつま先の靴)を含むすべての適切な安全対策を使用してください。
バッファー、界面活性剤、およびポリマー溶液の調製
単層カーボンナノチューブ(SWNTの)懸濁液の調製
表面固定化SWNTセンサーの調製
4.蛍光分光法とSWNTセンサーの顕微鏡観察
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単層カーボンナノチューブは、直接超音波処理により透析交換により界面活性剤及び両親媒性ポリマーの両方を使用して水溶液中に懸濁させました。 図1は、SC、RITC-PEF20-RITCを使用して中断し、鉄カルボニル触媒による方法(HiPCO法)を用いて成長させ、かつ、単層カーボンナノチューブを示している(GT)15 -DNA。 SDS(またはポリマー)とSWNTの光学密度を超音波処理した後に劇的に増加させ、遠心分離による精製( 図1)を介して凝集し、汚染物質の除去の際に減少します。中断SWNTの濃度を定量化nmの632での吸光度の測定。 28
SWNTの懸濁液の光物理的特性は、吸光度および蛍光分光法を用いて特徴付けられます。 図2(GT)15 -DNAとRITC-PEG20-RITCを使用...
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得られたSWNTポリマーハイブリッドのコロイド分散系によって提供される光学密度の増加によって示されるように、単層カーボンナノチューブを容易に、SDS又は一本鎖DNAとの直接的な超音波処理を介して、水溶液中に懸濁されます。 SDSおよびssDNAが分散し、疎水性またはπ-π相互作用を介してSWNT表面上に吸着させることによってSWNTのバンドルを可溶化します。さらに、ゲノムDNA、両親媒性ポリマー、共役ポリマーおよび脂質のような他のポリマーは、SCまたはSDSを用いて懸濁したサンプルを透析によって単層カーボンナノチューブの表面に吸着することができます。例えば、PEGのような親水性ポリマーは、ブロック共重合体の表面吸着を可能にするために、このようなRITCまたはFITCなどの疎水性「アンカー」を有する末端変性することができます。プローブ先端の超音波処理の高出力にさらされると、またはSWNTに低い結合親和性を有するポリマーのためのせん断または分解を受けやすいポリマーのために、透析は安定したSWNT-ポリマー懸濁液を製造するための最良の方法です。ポリマーENCAPS以下のピュレーションは、遠心分離が均一に分散サンプルを残すために大規模なSWNT...
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著者らは開示するものは何もない。
この研究は、サイモンズ財団の助成金、および脳行動研究財団の若手研究者助成金である、科学界のバロウズ・ウェルカム基金キャリア賞(CASI)によって支援されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 塩化ナトリウム | フィッシャー・サイエンティフィ | S271-1 | |
| ドデシル硫酸ナトリウム | シグマ・アルドリッチ | L6026 | |
| チョル酸ナトリウム水和物 | シグマ・アルドリッチ | C6445 | |
| トリス塩基 (トリズマ塩基) | シグマ・アルドリッチ | 93362 | |
| 塩酸 | フィッシャー・サイエンティフィック | A144-212 | |
| アミン-PEG-アミン、NH<サブ>2-PEG-NH<サブ>2 | >ナノクス株式会社 | PG2-AM-5k | |
| ローダミンBイソチオシアネート | シグマアルドリッチ | 283924 | |
| オレセインイソチオシアネート | シグマアルドリッチ | F7250 | |
| ジクロロメタン | シグマアルドリッチ | 676853 | |
| ジメチルホルムアミド | シグマアルドリッチ | D4551 | |
| N,N-ジイソプロピルエチルアミン | Sigma Aldrich | D125806 | |
| ジエチルエーテル | Sigma Aldrich | 673811 | |
| Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride | Sigma Aldrich | C4706 | |
| 5'-チオール修飾DNA | 統合されたDNA技術 | ||
| メトキシポリエチレングリコール マレイミド | Sigma Aldrich | 63187 | |
| 100 kDaスピンフィルター | ミリポア | ||
| HiPCO 超精製単層カーボンナノチューブ | Integris | HiPco 超精製 | |
| リン酸塩緩衝生理食塩水 | Sigma Aldrich | P5493 | |
| 静電気防止ガン | ミルティ | ミルティゼロスタット3 | |
| 遠心分離機 | エッペンドルフ | 5415 D | |
| 超音波発生器 | コールパー | マーCV18 | |
| 透析カセット | サーモサイエンティフィック | スライド-A-ライザーG2 87722 | |
| BSA-ビオチン | サーモサイエンティフィック | 29130 | |
| トラビジンタンパク質 | サーモサイエンティフィック | 31000 | |
| (3-アミノプロピル)トリエトキシシラン (APTES) | Sigma Aldrich | 440140 | |
| 倒立顕微鏡 | ツァイス | Axio Observer.Z1 | |
| キネマティックミラー | ThorLabs | KM200-E03 | |
| ペリスコープ | ThorLabs | RS99 | |
| 浸漬油 | ツァイ | ス イマーゾール 518f | |
| 100倍対物レンズ | イス | プランアポクロマート 100X オイル、1.4NA、PH3、420791-9911-000 | |
| 20X 対物レンズ | Zeiss | N-Achroplan 0.45 NA、420953-9901-000 | |
| カバーガラス | Healthrow Scientific | HS159879H | |
| dopamine hydrochloride | Sigma Aldrich | H8502 | |
| 赤外線 2Dアレイカメラ | プリンストンインスツルメンツ | NIRvana | |
| 赤外線1Dセンサーアレイ | プリンストンインスツルメンツ | PyLoN IR | |
| nIR分光器 | プリンストンインスツルメンツ | SCT-320 | |
| 平凸レンズ | ThorLabs | LA1384 | |
| ウェルプレート(ガラス底) | コーニング | 4580 |
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