Apresentamos um protocolo para engenharia da fase corona de nanotubos de carbono fluorescentes de parede única (SWNTs) usando polímeros anfifílicos e DNA para desenvolver sensores para alvos moleculares sem elementos de reconhecimento conhecidos.
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Apresentamos um protocolo para engenharia da fase corona de nanotubos de carbono fluorescentes de parede única (SWNTs) usando polímeros anfifílicos e DNA para desenvolver sensores para alvos moleculares sem elementos de reconhecimento conhecidos.
Os nanotubos de carbono semicondutores de parede única (SWNTs) são uma classe de nanomateriais opticamente ativos que fluorescem no infravermelho próximo, coincidindo com a janela óptica onde as amostras biológicas são mais transparentes. Aqui, descrevemos técnicas para adsorver polímeros anfifílicos e ácidos polinucléicos na superfície de SWNTs para projetar suas fases corona e criar novos sensores moleculares para pequenas moléculas e proteínas. Esses sensores SWNT funcionalizados são biocompatíveis e estáveis. Os polímeros são adsorvidos na superfície do nanotubo por sonicação direta de SWNTs e polímero ou pela suspensão de SWNTs usando um surfactante seguido de diálise com polímero. A emissão de fluorescência, estabilidade e resposta desses sensores aos analitos alvo são confirmadas usando espectroscopia de absorbância e fluorescência no infravermelho próximo. Além disso, demonstramos a imobilização da superfície dos sensores em lâminas de vidro para permitir que a microscopia de fluorescência de molécula única caracterize a adsorção do polímero e a cinética de ligação do analito.
-walled nanotubos de carbono (nanotubos de carbono) são atomicamente finas camadas de átomos de carbono enroladas em cilindros longos e finos que apresentam propriedades eletrônicas e ópticas únicas. 1 Essas propriedades incluem uma band-gap produção de infravermelho próximo (NIR) de emissão de fluorescência através de recombinação éxciton que é altamente sensível ao seu ambiente local. A emissão de NIR de nanotubos de carbono cai dentro da janela de infravermelho próximo, em que a profundidade de penetração da luz é máxima para o tecido biológico. 2,3 Além disso, nanotubos de carbono exibem várias características únicas atípicas em contraste com fluoróforos orgânicos: SWNT exibem um grande deslocamento de Stokes, não photobleach, e não piscar. 4 Recentemente, explorando estas características tem levado ao desenvolvimento de uma variedade de sensores moleculares novos com aplicações em biologia. 5,6 não modificado, no entanto, nanotubos de carbono são insolúveis em água, e a obtenção de suspensões de nanotubos individuais pode ser um desafio. 7,8 Bundling e agregação de SWNTs em solução pode ofuscar sua fluorescência band-gap, 2 tornando-os inadequados para aplicações de detecção.
Dispersar os nanotubos de carbono individuais em solução aquosa requer modificando sua superfície para evitar a agregação orientado a hidrofobia. 9 Enquanto modificação covalente pode tornar nanotubos de carbono solúvel em água, 10, bem como conferir a química de ligação específica, os locais de defeitos na estrutura SWNT reduzir ou diminuir a sua emissão de fluorescência. Em vez disso, SWNT funcionalização pode ser realizado usando agentes tensioactivos, lípidos, polímeros e ADN de 9,11 - 13, que adsorvem a superfície do nanotubo através de interacções hidrofóbicas e de empilhamento pi-pi. O ambiente circundante química resultante nanotubos de carbono funcionalizado de superfície é referido como a sua fase de corona. Perturbações para a fase de corona pode ter um grande impacto sobre excitons que viajam na superfície do nanotubo, fazendo com modulações de SWNT fluorescence emissões. É esta relação sensível entre a fase de corona e de fluorescência SWNT que podem ser exploradas para desenvolver novos sensores moleculares através da incorporação de modalidades de ligação específicos para a área de superfície grande da SWNT. Perturbações para a fase de corona SWNT sobre analito de ligação pode conduzir a alterações no ambiente dieléctrico local, transferência de carga, ou introduzir defeitos de rede, todos os quais podem modular a emissão de fluorescência dos nanotubos de carbono para servir como um mecanismo de transdução de sinal. 14 Esta abordagem é utilizada no desenvolvimento de novos sensores fluorescentes para a detecção de muitas classes diferentes de moléculas de ADN, incluindo, glicose 15,16 e 17 de pequenas moléculas, tais como ATP, 18 espécies de oxigénio reactivas e 19 óxido nítrico. 20,21 No entanto, estas abordagens estão limitadas na medida em que dependem da existência de uma modalidade de ligação conhecida para o analito alvo.
Recentemente, um app mais genéricobarata para a concepção de sensores fluorescentes foi desenvolvido usando nanotubos de carbono não-covalentemente funcionalizados com heteropolímeros anfifílicos, fosfolípidos e ácidos polinucleicos. Estas moléculas de adsorver a superfícies de nanotubos de carbono para produzir suspensões altamente estáveis de SWNTs individuais 22 - 25 com fases corona únicas que podem se ligam especificamente proteínas 26,27 ou pequenas moléculas, incluindo o neurotransmissor dopamina. 28-30 Engenharia da fase de corona para dispersar SWNTs e especificamente analitos alvo de ligação é referido reconhecimento molecular de fase como corona (CoPhMoRe). 28 O tamanho pequeno, baixa toxicidade, alta estabilidade e unbleaching fluorescência NIR de sensores CoPhMoRe SWNT torná-los excelentes candidatos para detecção in vivo para medições resolvidas no tempo prolongados. 6 trabalho recente mostrou suas aplicações em tecidos de plantas para a detecção óptica de espécies de nitrogênio e de oxigênio reativo. 31Uma aplicação particularmente interessante para sensores CoPhMoRe SWNT é o potencial para a detecção de etiqueta livre de neurotransmissores, tais como dopamina, in vivo, onde outras técnicas, tais como a detecção electroquímica ou imuno-histoquímica, sofrem de uma falta de resolução espacial, resolução temporal, e especificidade.
Projetando e descobrindo sensores CoPhMoRe SWNT até agora tem sido restringido pelo tamanho e química diversidade da biblioteca dispersante, limitando a probabilidade de encontrar um sensor para um alvo particular. Até à data, os investigadores apenas arranhamos a superfície do conjugado disponível, co-block, biológicos e polímeros biomiméticos que poderiam servir como dispersantes funcionalmente ativos para sensores SWNT. Aqui, apresentamos métodos diferentes, tanto para dispersar SWNTs e caracterizar sua fluorescência para triagem de alto rendimento e para a análise do sensor SWNT única. Especificamente, nós descrevem o procedimento para nanotubos de carbono de revestimento com oligom ácido polinucleicoers usando sonicação directo, bem como a forma de funcionalizar SWNT com polímeros anfifílicos através da troca de surfactante por diálise. Usamos (GT) 15 -ADN e polietileno glicol funcionalizado com rodamina isotiocianato (RITC-PEG-RITC) como exemplos. Nós demonstramos a utilização de (GT) 15 -ADN nanotubos de carbono como um sensor para a detecção CoPhMoRe de dopamina. Por fim, descrevem os procedimentos para a realização de medições do sensor molécula de solteiro, que podem ser utilizados para a caracterização ou simples detecção molécula.
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Cuidado: Por favor, consulte todas as folhas de dados de segurança pertinentes (SDS) antes do uso. Nanomateriais podem ter riscos adicionais em comparação com o seu homólogo material a granel. Use todas as práticas de segurança adequadas, incluindo controles de engenharia (coifa, do cerco de ruído) e equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, óculos de proteção, jaleco, calça de corpo inteiro, fechou-toe sapatos).
1. Preparação do Tampão, surfactante e Polymer Solutions
2. Preparação de uma única carbono vítreo suspensões (SWNTs)
3. Preparação de Superfície Imobilizado Sensores SWNT
4. espectroscopia de fluorescência e microscopia de SWNT Sensores
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Nanotubos de carbono foram suspensas em solução aquosa usando ambos os surfactantes e polímeros anfifílicos por sonicação directa e por troca de diálise. A Figura 1 mostra nanotubos de carbono, cresceu utilizando o método catalisada carbonilo de ferro (HiPCO), suspenso usando SC, RITC-PEF20-RITC e (GT) 15 -DNA. A densidade óptica de uma nanotubos de carbono com SDS (ou polímero) aumenta dramaticamente após sonicação e diminui após a remoção de agregados e cont...
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Nanotubos de carbono são prontamente suspenso em solução aquosa através de sonicação directa com SDS ou ADNcs, como indicado por um aumento na densidade óptica proporcionado pela dispersão coloidal do híbrido SWNT-polímero resultante. SDS e ssDNA dispersa e solubiliza feixes de nanotubos de carbono por adsorção na superfície do SWNT através de interacções hidrofóbicas ou pi-pi. Além disso, outros polímeros, tais como o ADN genómico, os polímeros anfifílicos, polímeros conjugados e lípidos, pode ser adsorvido sobre a sup...
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Os autores não têm nada a divulgar.
Este trabalho foi apoiado pelo Burroughs Wellcome Fund Career Award na Scientific Interface (CASI), uma bolsa da Simons Foundation e uma bolsa de jovem investigador da Brain and Behavior Research Foundation.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| cloreto de sódio | Fisher Scientific | S271-1 | |
| dodecil sulfato de sódio | Sigma Aldrich | L6026 | |
| hidrato de colato de sódio | Sigma Aldrich | C6445 | |
| base tris (base Trizma) | Sigma Aldrich | 93362 | |
| ácido clorídrico | Fisher Scientific | A144-212 | |
| Amina-PEG-amina, NH2-PEG-NH2 | Nanocs Inc | PG2-AM-5k | |
| isotiocianato de rodamina B | Sigma Aldrich | 283924 | |
| isotiocianato de fluoresceína | Sigma Aldrich | F7250 | |
| diclorometano | Sigma Aldrich | 676853 | |
| dimetilformamida | Sigma Aldrich | D4551 | |
| N,N-diisopropiletilamina | Sigma Aldrich | D125806 | |
| éter dietílico | Sigma Aldrich | 673811 | |
| cloridrato de tris(2-carboxietil)fosfina | Sigma Aldrich | C4706 | |
| DNA modificado com 5'-tiol | Tecnologias | ||
| DNA metoxipolietilenoglicol maleimida | Sigma Aldrich | 63187 | |
| Filtros de rotação de 100 kDa | Millipore | ||
| HiPCO Nanotubos de carbono de parede única super purificados | Integris | HiPco SuperPurified | |
| fosfato tamponado solução salina | Pistola antiestática Sigma Aldrich | P5493 | |
| Milty | Milty Zerostat 3 | ||
| centrífuga | Eppendorf | 5415 D | |
| ultra sonicator | Cole Parmer | CV18 | |
| de diálise | Thermo scientific | Slide-A-Lyzer G2 87722 | |
| BSA-biotina | Thermo scientific | 29130 | |
| Proteína neutravidina | Thermo scientific | 31000 | |
| (3-Aminopropil) trietoxissilano (APTES) | Sigma Aldrich | 440140 | |
| microscópio invertido | Zeiss | Axio Observer.Z1 | |
| espelhos cinemáticos | ThorLabs | KM200-E03 | |
| periscópio | ThorLabs | RS99 | |
| óleo de imersão | Zeiss | Immersol 518f | |
| 100X objetivo | Zeiss | Óleo plano-apocromático 100X, 1.4NA, PH3, 420791-9911-000 | |
| 20X objetiva | Zeiss | N-Achroplan 0.45 NA, 420953-9901-000 | |
| vidro de cobertura | Healthrow Scientific | HS159879H | |
| cloridrato de dopamina | Sigma Aldrich | H8502 | |
| câmera infravermelha da disposição 2D | Princeton Instruments | NIRvana | |
| disposição infravermelha do sensor 1D | Princeton Instruments | PyLoN IR | |
| nIR espectrógrafo | Princeton Instruments | SCT-320 | |
| de ThorLabs | LA1384 | ||
| (parte inferior de vidro) | Corning | 4580 |
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