Summary
우리는 구리 (II) 2,9,16,23 테트라 - 테르트 - 부틸 -29H,31H -phthalocyanine (CuPc) 분자와 지질 이중 층을 도핑하여 물 / 공기 인터페이스에서 하이브리드 지질 막을 생산하기위한 프로토콜을보고합니다. 그 결과 하이브리드 지질 막에는 지질/CuPc/지질 샌드위치 구조가 있습니다. 이 프로토콜은 또한 다른 기능성 나노 물질의 형성에 적용될 수 있다.
Abstract
초박형 두께(3-4nm), 초고저항성, 유동성 및 자체 조립 능력을 포함한 독특한 특성으로 인해 지질 이중층은 쉽게 기능화될 수 있으며 바이오 센서 및 바이오 장치 와 같은 다양한 응용 분야에서 사용되었습니다. 이 연구에서는, 우리는 평면 유기 분자를 소개했습니다: 구리 (II) 2,9,16,23-테트라 테르트 부틸-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) 지질 막을 도프. CuPc/지질 하이브리드 멤브레인은 자체 조립에 의해 물/공기 인터페이스에서 형성됩니다. 이 막에서 소수성 CuPc 분자는 지질 분자의 소수성 꼬리 사이에 위치하여 지질 /CuPc / 지질 샌드위치 구조를 형성합니다. 흥미롭게도, 공기 안정하이브리드 지질 이중층은 하이브리드 멤브레인을 Si 기판으로 이송하여 쉽게 형성될 수 있다. 우리는 생체 센서 및 바이오 장치의 제조를위한 새로운 방법론을 나타내는 지질 이중 층 시스템에 나노 물질을 통합하기위한 간단한 방법을보고합니다.
Introduction
세포막의 필수적인 프레임 워크로, 세포의 내부는 지질 이중 층 시스템에 의해 외부에서 분리된다. 이 시스템은 수혈성 인지질로 구성되어 있으며, 이는 소수성 인에스테르 "머리"와 소수성 지방산 "꼬리"로 구성됩니다. 수성 환경에서 지질 양층의 놀라운 유동성 및 자체 조립 능력으로 인해1,2,인공 지질 양층은 간단한 방법을 사용하여 형성 될 수있다3,4. 이온 채널, 막 수용체 및 효소와 같은 다양한 유형의 막 단백질이 인공 지질 바이레이어에 통합되어 세포막5,6의기능을 모방하고 연구하고 있다. 최근에는 지질 이중층이 나노물질(예: 금속 나노입자, 그래핀 및 탄소 나노튜브)으로 도핑되어 기능성 하이브리드멤브레인7,8, 9,10,11,12, 13을형성하고 있다. 이러한 하이브리드 멤브레인을 형성하는 데 널리 사용되는 방법은 변형된 Au-나노입자7 또는 탄소나노튜브(11)와같은 소수성 물질을 포함하는 도프 지질 소포의 형성을 포함하고, 그 결과 소포는 그 때 평면 지원 지질 이중층으로 융합된다. 그러나 이 방법은 복잡하고 시간이 많이 소요되어 이러한 하이브리드 멤브레인의 잠재적 사용을 제한합니다.
이 작품에서 지질 막은 자체 조립에 의해 물/공기 인터페이스에서 형성된 하이브리드 지질 막을 생성하기 위해 유기 분자로 도핑되었습니다. 이 프로토콜은 혼합 용액의 준비, 물/공기 인터페이스에서 하이브리드 멤브레인 형성, 막을 Si 기판으로 옮기는 세 가지 단계를 포함합니다. 이전에 보고된 다른 방법에 비해 여기에 설명된 방법은 더 간단하며 정교한 계측이 필요하지 않습니다. 이 방법을 사용하여, 더 큰 면적을 가진 공기 안정하이브리드 지질 막은 짧은 시간에 형성될 수 있다. 본 연구에서 사용되는 나노 물질은 반전도 유기 분자, 구리 (II) 2,9,16,23-테트라 -테르트 부틸-29H,31H -phthalocyanine (CuPc)이며, 태양 전지, 광검출기, 가스 센서 및 촉매14,15을포함한 다수의 응용 분야에서 널리 사용된다. CuPc, 평면 구조를 가진 작은 유기 분자, 그것의 소수성 특성에 인지질 듀오의 "꼬리"에 대 한 높은 친화력을 가지고. 다른 그룹은 CuPc 분자가 고도로 정렬된 구조물16, 17의형성을 가진 단결정 표면에 자가 조립할 수 있다는 것을보고했습니다. 따라서, CuPc 분자가 자기 조립을 통해 지질 이중층으로 통합될 가능성이 높다.
우리는 멤브레인을 형성하고 원활하게이 절차를 구현하기위한 몇 가지 제안을 제공하는 데 사용되는 절차에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 또한, 우리는 하이브리드 지질 막의 몇 가지 현재 의 결과를 제시하고,이 방법의 잠재적 인 응용 프로그램에 대해 논의.
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Protocol
1. 하이브리드 솔루션 의 준비
- 4mL 일회용 유리 바이알과 나사 캡 4개(PTFE 코팅 씰)를 초음파 욕조에 넣고 증류수(여과 시스템으로 정제)한 다음 에탄올과 클로로폼을 각각 세척합니다. 질소 가스의 스트림에 유리 바이알과 캡을 건조.
- 혐기성 장갑 상자에 는 클로로폼에 분말 CuPc를 용해하여 세척 유리 유리 바이알에 CuPc 스톡 솔루션 (10 mg /mL)을 준비하십시오.
- 0.2 μm 폴리테트라플루오로로틸렌(PTFE) 멤브레인을 통해 CuPc 용액을 필터링합니다.
- 여과된 용액을 질소로 채워진 세척 유리 유리 바이알에 보관하고 바이알을 파라필름으로 밀봉합니다.
- -80°C 냉장고에서 구입한 1,2-디피타노일-센-글리세로-3-인포콜린(DPhPC) 클로로폼 용액(25 mg/mL)을 타고 실온으로 따뜻하게 해주도록 한다.
- 10s에 대한 2300 rpm에서 소용돌이 믹서를 사용하여 DPhPC 솔루션을 저어.
- 유리 마이크로 주사기를 클로로폼으로 5회 헹구는 다.
- DPhPC 클로로폼 용액의 200 μL을 세척된 주사기를 사용하여 미리 세척된 유리 바이알로 옮기습니다. 부드러운 질소 스트림으로 유리병에서 용매를 증발시다.
- 유리 마이크로 주사기를 클로로폼으로 5번 헹구습니다.
- 청소된 주사기를 사용하여 DPhPC를 사용하여 유리 바이알에 클로로폼 202.6 μL을 추가합니다.
- DPhPC 용액에 필터링된 10 mg/mL CuPc 용액의 47.4 μL을 추가합니다. DPhPC대 CuPc의 어금니 비율은 10:1이어야 합니다.
- 유리 마이크로 주사기를 클로로폼으로 5번 헹구는 다.
- 주사기를 사용하여 용액에 헥산 250 μL을 추가합니다. 용액의 최종 농도는 10 mg /mL이어야합니다.
- 10 s에 대한 2300 rpm에서 소용돌이 믹서를 사용하여 준비 된 솔루션을 혼합합니다.
- 0.2 μm 폴리테트라플루오로로틸렌(PTFE) 멤브레인을 통해 CuPc 용액을 필터링합니다.
- 파라필름으로 유리 유리병을 밀봉합니다. 질소로 채워진 그립 밀봉 가방에 넣고 -20 °C의 냉동실에 그립 밀봉 가방을 놓습니다.
참고: 1.13단계 후, DPhPC와 CuPc는 클로로폼과 헥산(1:1의 부피 비율)으로 구성된 혼합 용매에 용해되었다. 또한, DPhPC대 CuPc의 어금니 비율은 10:1로 제한되지 않는다. 지질의 일정한 농도 (10 mg/mL), 다른 어금니 비율을 사용할 수 있습니다. 이전 실험 결과에 따르면, 10:1에서 3:1까지의 범위는 고품질 하이브리드 지질 막을 형성하는 것이 바람직하다.
2. 물/공기 인터페이스에서 하이브리드 멤브레인 형성
- Si 웨이퍼에서 Si 기판 (3cm x 3cm)을 잘라냅니다.
- 3cm x 3cm Si 기판을 초음파 욕조에서 10 분 동안 정화 된 물에 청소한 다음 에탄올과 클로로폼을 청소하십시오. Si 기판을O2 플라즈마로 5분 동안 치료하여 표면에서 흡착된 유기 물질을 제거하고 친성성을 개선합니다.
- 3 분 동안 흐르는 정제 수와 7.5cm의 내지름7.5cm로 테플론 비커를 씻으라.
- 세척 된 PTFE 비커에 세척 된 Si 기판을 넣습니다. 기판은 수평으로 30°의 각도로 기울어져 있습니다.
- 전체 Si 기판이 침수될 때까지 테플론 비커에 충분한 양의 정제수를 붓습니다.
- 준비된 하이브리드 용액을 냉동실에서 꺼내 실온으로 따뜻하게 해보세요.
- 15s에 대한 2300 rpm에서 소용돌이 믹서를 사용하여 하이브리드 솔루션을 저어.
- 유리 마이크로 주사기 (50 μL)를 클로로폼으로 5 번 헹구습니다.
- 주사기를 사용하여 주사기를 사용하여 유체 표면에 하이브리드 용액의 3-5 μL을 떨어뜨려 부동 하이브리드 지질 막을 형성합니다.
참고: 용액을 떨어뜨리면 물방울을 수면(1cm 미만)에 가깝게 유지하는 것이 중요합니다. 또한 단일 층 하이브리드 멤브레인이 육안으로는 보이지 않지만 다층 하이브리드 멤브레인이 얇고 푸른 색 필름으로 나타납니다. 다층 하이브리드 멤브레인을 Si 기판으로 전송하기 위해서는, Si 기판에 가능한 한 가깝게 혼합 용액을 떨어뜨리는 것이 중요하다.
3. 막을 시 기판으로 옮기다
- 유기 용매의 증발 후 (2 초 미만소요될 것이다), 연동 펌프에 의해 구동되는 고무 튜브를 통해 물을 펌핑하여 3mm / 분의 속도로 수위를 낮추고, 시 기판에 부동 하이브리드 멤브레인을 전송합니다.
- 이송 과정이 완료된 후(약 5분) 시기기판을 클린룸 와이퍼에 놓고 잔류물이 모두 증발하도록 한다.
참고: 이러한 낮은 속도로 수위를 낮추는 것은 물의 난류를 최소화하고 멤브레인을 보호하는 역할을 합니다.
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Representative Results
형성된 멤브레인은 CuPc 분자의 존재로 인해 균일한 밝은 파란색을 가지고 있습니다. 색깔의 멤브레인의 영역은 일반적으로 여러 평방 센티미터입니다. 도 1A 및 도 1B에서,우리는 Si 기판상에서 하이브리드 지질 막의 현미경 영상및 원자력 현미경(AFM) 영상(높이 프로파일 포함)을 나타낸다. AFM 이미지에서 왼쪽 상부의 멤브레인은 두께가 79.4nm이고 오른쪽 하단에는 두께가 4.9nm인 얇은 것으로 두껍습니다. 얇은 멤브레인은 세척된 Si 기판에 가까운 Ra = 0.4 nm의 표면 거칠기를 보여줍니다. 또한, 다중 측정에 기초하여 멤브레인 두께는 5-nm증분(18)을가진 이산 분포를 나타낸다. DPhPC 지질 이중층 멤브레인의 보고된 두께는 약 4nm19이므로,5nm 얇은 멤브레인은 CuPc 도핑 지질 이중층 멤브레인이며 두꺼운 멤브레인이 도핑 지질 이중층의 스택으로 구성된다는 결론을 내릴 수 있다.
에너지 분산 X선(EDX) 분석은 Si 기판상에서 하이브리드 멤브레인의 조성물을 더욱 조사하기 위해 사용되었다. 도 2에나타난 데이터에서 산출한 바와 같이, Cu, P, N 및 C와 같은 대표적인 요소의 원자비율은 0.33%, 0.97%, 4.06%, 68.56%이다. 3 대1(DPhPC 대 CuPc)의 어금니 비율이 하이브리드 멤브레인을 준비하는 데 사용되었다는 점을 고려할 때, Cu:P:N:C의 이론적 어금니비율은 하이브리드 멤브레인의 측정 원소 비율에 가까운 1:3:11:192여야 하며, 이는 지질과 CuPc 분자 사이의 비율이 필름 형성 및 전달 과정 후에 유지된다는 것을 나타낸다.
그림 1: CuPc로 성형 된 하이브리드 멤브레인. (A)하이브리드 멤브레인의 공초점 현미경 이미지. (B) 하이브리드 멤브레인의 AFM 이미지. (B)에도시된 멤브레인은 두께가 79.4nm이고 4.9nm의 두께를 가진 연속 단층 하이브리드 멤브레인을 포함하는 하이브리드 다층 멤브레인을 포함한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2: Si 기판상에서 하이브리드 멤브레인의 EDX 패턴. 피쳐에 해당하는 요소가 그림에 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
하이브리드 멤브레인의 전구체 용액에서, 순수한 클로로폼이 아닌 혼합 유기 용매(클로로폼 및 헥산)가 지질및 CuPc를 용해하는 데 사용된다. 순수 클로로폼을 사용하는 경우 전구체 용액의 밀도가 물보다 높을 것입니다. 따라서 용액이 수면에 퍼지기보다는 물 바닥으로 가라앉을 가능성이 높습니다. 저밀도 용매인 헥산을 전구체 용액에 첨가하여 용액이 용매의 증발 후 수면에 떠 균일한 하이브리드 멤브레인을 형성하도록 합니다. 또한 용액이 수면과 접촉한 직후, 멤브레인과 유기 용매의 확산으로 인해 수면의 장력을 변화시킬 수 있는 약간의 표면파가 항상 관찰된 것으로 나타났습니다. 하이브리드 멤브레인은 초박하고 깨지기 쉽기 때문에 작은 교란으로 눈에 띄는 균열이 형성되는 멤브레인의 손상이 손상됩니다. 따라서, 추가 손상을 방지하기 위해, 멤브레인 주위의 공기 흐름을 최소화하고 하이브리드 멤브레인의 형성 후 물의 진동을 방지하는 것이 매우 중요하다. 가능하면 테플론 비커를 진동 격리 테이블에 배치해야 합니다.
잘 확립 된 Langmuir-Blodgett (LB) 방법은 널리 소수성 꼬리가 공기를 지향하는 동안 지질의 소수성 머리가 물을 지향하는 물 / 공기 인터페이스에서 지질 단층층을 형성하는 데 사용됩니다. LB 방법과는 달리 CuPc 분자로 도핑함으로써, 당사의 방법은 이중층 구조를 가진 하이브리드 멤브레인을 한 단계로 물/공기 인터페이스에서 형성하도록 허용했습니다. 하이브리드 멤브레인에서, 소수성 CuPc 분자는 지질 분자의 소수성 "꼬리"사이에 위치하고 있으며 흥미로운 지질 /CuPc / 지질 샌드위치 구조를 형성한다고 가정합니다. 우리는 형광 공명 에너지 전송 (FRET) 측정(18)을수행하여 이러한 가정을 확인했다.
또한, 상술한 동일한 프로토콜에 따라 DPhPC대 CuPc에 대한 여러 가지 다른 어금니 비율을 사용하여 필름 형성 과정을 반복했습니다. 일반적으로, 낮은 CuPc 비율(예를 들어, 어금니 20:1)은 높은 CuPc 비율(예를 들어 3:1 및 10:1)을 사용하여 제조된 것보다 밝은 색상과 더 작은 면적을 가진 하이브리드 멤브레인을 초래하였다. CuPc 분자가 이중층 형성을 지원하고 접착제로 작용하여 넓은 영역을 가진 멤브레인의 형성을 초래하는 것으로 보입니다. 또한, 지질 분자가 없는 경우, CuPc 분자는 용매 증발 후수면(20)및 고체 기판(21)에 모두 응집되는 경향이 있다. 그러나, 하이브리드 멤브레인의 경우, XRD 결과는 CuPc 분자가 하이브리드멤브레인(18)에서작은 결정을 형성하기 위해 집계되지 않았음을 나타냈다. 이것은 CuPc 분자의 집합이 CuPc와 지질의 소수성 "꼬리"의 상호 작용에 의해 방지되었다는 것을 건의합니다. 그러나, 더 많은 CuPc 분자가 지질 용액(예: 1:1의 어금반)을 준비하는 데 사용되었을 때, 하이브리드 멤브레인은 어두운 청색을 보일 뿐만 아니라 CuPc 분자도 멤브레인에서 눈에 띄게 응집된다. CuPc 분자(1.7 nm)의 크기가 지질 분자(약 1nm)의 헤드 그룹의 직경보다 약간 더 크다는 점을 고려하면 3:1보다 높은 어금니 비가 집계된 CuPc 분자를 함유한 필름을 초래하는 경향이 있다. 대표적인 실험에서 사용된 10:1의 어금니 비율은 멤브레인 영역과 바람직하지 않은 응집 사이의 절충이다.
설명된 프로토콜에 따라 샌드위치 구조를 가진 하이브리드 지질 멤브레인이 물/공기 인터페이스에서 형성되었다. CuPc 분자로 도핑함으로써, 하이브리드 지질 막은 지질 이중층 구조의 응용 프로그램을 크게 확장 할 광전도 및 광촉매 특성을 포함하여 반전도 분자의 기능의 일부를 소유 할 것이다. 또한 도핑 물질이 CuPc 분자에 국한되지 않는다는 점에 유의해야합니다. 우리는 또한 지질 / Pc / 지질 샌드위치 구조를 가진 유사한 하이브리드 멤브레인을 형성했다 2,9,16,23 테트라 - 테르트 -butyl-29H,31H -phthalocyanine (H2PC) 및 아연 2,9,16,23 테트라 - 테르트 - 하지만 틸 - 29H, 31H-phcytan 재료로. 다른 그룹은 표면 변형 된 Au 나노 입자, 그래 핀 나노 시트 및 풀러렌이 지질 이중 층7,9,12내부에서 안정화 될 수 있음을 입증했다. 따라서, 다른 소수성 분자 및 나노 물질로 지질 이중층을 도프할 수 있으며, 이는 하이브리드 지질 막의 적용 범위를 더욱 확장할 수 있다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 일본과학기술청(JPMJCR14F3)의 CREST 프로그램과 일본과학진흥협회(19H00846, 18K14120)의 교부금 프로그램에 의해 지원되었다. 이 작품은 부분적으로 나노 전자 및 스핀 트로닉스연구소, 도호쿠 대학 전기 통신 연구소에서 수행되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chloroform | Wako Chemicals | 033-08631 | |
| CuPc | Sigma-Aldrich | 423165 | |
| DPhPc | Avanti Polar Lipids | 850356C | |
| Glass vials with screw cap | Nichiden-Rike Glass Co., Ltd | 6-29801 | |
| Hexane | Wako Chemicals | 084-03421 | |
| Membrane filters | Merck Millipore Ltd. | R8CA42836 | |
| Micro-syringe | Hamilton | 80530 | |
| Peristaltic pump | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | 11914199 | |
| Vortex mixer | Scientific Industries, Inc. | SI-0286 |
References
- 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).
- 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).
- Ide, T., Ichikawa, T. A novel method for artificial lipid-bilayer formation. Biosensors and Bioelectronics. 21 (4), 672-677 (2005).
- 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).
- 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).
- Demarche, S., Sugihara, K., Zambelli, T., Tiefenauer, L., Voros, J. Techniques for recording reconstituted ion channels. Analyst. 136 (6), 1077-1089 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Vögele, M., Köfinger, J., Hummer, G. Molecular dynamics simulations of carbon nanotube porins in lipid bilayers. Faraday Discussions. 209, 341-358 (2018).
- 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).
- Barnoud, J., Rossi, G., Monticelli, L. Lipid Membranes as Solvents for Carbon Nanoparticles. Physical Review Letters. 112, 068102 (2014).
- Dichello, G. A., et al. Preparation of liposomes containing small gold nanoparticles using electrostatic interactions. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 105, 55-63 (2017).
- 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).
- 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).
- Barrena, E., de Oteyza, D. G., Dosch, H., Wakayama, Y. 2D supramolecular self-assembly of binary organic monolayers. ChemPhysChem. 8 (13), 1915-1918 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
