도파민에 대한 선택성 향상을 위한 세로토닌 반응성 ssDNA-SWCNT 나노센서의 머신러닝 지원 라만 스펙트럼 분석

Summary

이 프로토콜은 ssDNA로 감싼 SWCNT 나노센서의 라만 스펙트럼 분석을 설명하며, 머신러닝 모델의 도움을 통해 도파민에 대한 세로토닌의 선택적 측정을 개선할 수 있게 합니다.

Abstract

세로토닌(5-하이드록시트립타민, 5-HT)은 신경조절에 중요한 역할을 하지만, 현재의 검출 방법으로는 5-HT를 높은 민감도와 선택성으로 실시간으로 감지하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 우리는 이전에 근적외선 세로토닌 나노센서(nIRHT)를 개발했는데, 이는 ssDNA로 감싸진 단일 벽 탄소 나노튜브로 구성되어 5-HT를 민감하게 감지합니다. 하지만 nIRHT의 형광 반응은 5HT와 도파민(DA)을 구별하지 못해 실용적 응용이 제한됩니다. 본 연구에서는 라만 분광학과 머신러닝을 결합하여 이러한 선택성 문제를 극복했습니다. G-밴드 스펙트럼 특징은 5HT와 DA가 nIRHT에 결합하는 뚜렷한 특징을 보여주었으며, DA가 G-밴드 억제를 더 크게 유발하는 경우가 나타났습니다. 우리는 분석물질 특이적 스펙트럼 변화를 분리하기 위해 차분 라만(ΔRaman)을 사용했고, 분류를 위해 세 가지 머신러닝 모델을 훈련시켰습니다. ΔRaman을 사용한 무작위 숲 모델은 95.8%의 정확도로 최적의 성능을 달성했으며, 원시 라만 스펙트럼을 사용한 모델보다 훨씬 뛰어난 성능을 보였습니다. 이 접근법은 특이성이 향상되어 아세틸콜린, GABA, 글루타메이트에 대한 반응이 거의 없었고, 생리학적 적용에 적합한 0.1 μM의 검출한계를 달성했습니다. 이 라만 기반 접근법은 비선택적 nIRHT 형광 센서를 강력한 신경전달물질 구별이 가능한 플랫폼으로 전환하여 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 기반 분자 센싱에서의 선택성 문제를 극복합니다.

Introduction

세로토닌(5-하이드록시트립타민, 5-HT)은 기분, 인지, 수면, 식욕을 조절하는 중요한 신경전달물질이며, 기능 장애는 우울증, 불안 및 기타 신경정신과 장애와 관련이^{있습니다.} 생물학적 시스템에서 세로토닌 역학을 실시간으로 모니터링하는 것은 시냅스 전달의 밀리초 단위와^{신경 조직의} 복잡한 화학 환경 때문에 여전히 도전적입니다. 신경전달물질 검출 기술의 상당한 발전에도 불구하고, 세로토닌에 대한 높은 감도와 분자 선택성을 모두 달성하는 것은 여전히 상당한 분석 과제를 제시하고 있습니다.

현재 세로토닌 검출 방법은 전통적인 분석 기법부터 신흥 나노센서 플랫폼에 이르기까지 다양합니다. 전기화학 검출을 이용한 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC-ED)는 여전히 금본위로 남아 있으며, 0.056 nM의 검출 한계와 우수한 재현성을 달성^합니다. 하지만 HPLC는 광범위한 샘플 준비와 15-30분 분석 시간이 필요해^{실시간 모니터링이} 불가능합니다. 고속 스캔 순환 볼트탐트(FSCV)는 탄소 섬유 미세전극에서 초초 수준의 시간 해상....

Protocol

1. ssDNA 기능화된 SWCNT nIRHT 나노센서 제작

1. 1.5mL 튜브에 1mg의 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT), 100 μL 100 mM E6#9 ssDNA, 1x 인산염 완충 생리식염수(PBS) 900 μL를 결합합니다.
   주의: 건조한 SWCNT 분말은 흡입 위험이 있습니다. 분말은 인증된 화학 연기 후드 안에 보관하고, 마스크와 장갑 등 적절한 개인 보호 장비를 착용하세요.
2. 혼합물을 욕조 소닉케이터로 5분간 분산시킵니다. 3mm 프로브가 장착된 팁 소닉네이터를 사용해 50% 진폭으로 얼음 목욕에서 30분간 초음파 처리합니다.
3. 초음파 처리된 용액을 21,500 x g 에서 1시간 원심분리하여 비분산 단단핵 CNT를 침전시킵니다. 850 μL의 상상액을 조심스럽게 수집하여 새 튜브로 옮깁니다.
4. 수집된 SWCNT 현탁액의 흡광도를 632nm 파장에서 측정합니다. SWCNT 소멸 계수 0.036 (mg/L)⁻¹ cm⁻¹을 사용하여 농도를 계산합니다. 최종 nIRHT 센서 용액은 4°C에서 보관하여 추가 사용을 기다립....

Results

E6#9 ssDNA 기능화된 SWCNT 나노센서(nIRHT)는 이전에 SELEC 방법론으로 개발되었으며, 5HT 결합 시 가역적 nIR 형광 증강을 보여 시험관 내 및 체외 내 실시간 5HT 영상 ¹²를 가능하게 합니다. E6#9 서열(5'-CCCCCCACCACCACACACACACTACCCCC-3')은 SWCNT를 감싸 5HT의 결합 부위를 만듭니다. 하지만 이 센서는 특이성이 부족합니다: 5-HT와 DA 모두 비슷한 강도 증가를 초래하여 DA와 5-HT를 구별하는 데 한계가 있습니다.

이 한계를 극복하기 위해 우리는 라만 분광법을 사용하여 신경화학물질과 nIRHT 나노센서 간의 분자 수준 상호작용을 조사했습니다. nIRHT 나노센서 용액의 라만 분석은 G-밴드 영역(~1580 ^cm-.......

Discussion

라만 분광 분석은 nIRHT 센서의 특이성을 크게 향상시켰으며, 이는 기존 형광 반응으로는 달성할 수 없는 능력이었습니다. 우리는 DA가 5HT에 비해 G⁻ 밴드(1570 ^cm-1)의 더 뚜렷한 억제를 유도하는 것을 관찰했습니다. 이러한 차등 신호는 SWCNT 표면의 분자 방향과 결합 기하학적 차이에서 비롯된 것으로 보입니다. 구체적으로, DA의 카테콜 부분은 SWCNT 표면과 더 강한 π-π 상호작용을 형성하여 더 큰 전자 교란을 유도하고, 이는 강화된 G⁻ 억제로 나타난다. 반면, 5HT의 인돌 링 시스템은 전자 결합이 약해 내재된 라만 신호를 더 많이 보존하는 것으로 보입니다. 이러한 차별적 상호작용은 구조적으로 유사한 두 신경전달물질을 구별하는 명확한 분광학적 근거를 제공합니다.

연속 모니터링을 위한 나노센서의 실용적 타당성을 평가하기 위해, 우리는 APTES 코팅 유리 기판에 고정된 나노센서.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
HiPCo raw	그리고 nbsp; 나노인테그리스
iDus1.7 InGaAs	안도르	DU490A-1,9
라만터치	나노 포톤
비브라 셀 130	소닉스