在这里,我们提出了一个协议,使用基于生物纳米孔的电子平台,在单分子极限处检测离散金属氧簇、多氧金属酸盐(POM)。该方法为研究这些分子的传统分析化学工具提供了补充方法。
单个分子可以通过测量它们减少流经单个纳米刻度孔的离子电流的程度来检测和特征。信号是分子的物理化学性质及其与孔隙相互作用的特征。我们证明,由细菌蛋白外毒素金黄色葡萄球菌α溶酶(αHL)形成的纳米孔可以在单分子极限处检测多氧金属酸盐(POM、离子金属氧簇)。此外,同时测量溶液中12磷酸POM(PTA,H3PW12O40)的多种降解产物。纳米孔法的单分子灵敏度使POM的显著浓度显著低于核磁共振(NMR)光谱。该技术可作为化学家研究多氧金属酸盐或其他金属簇的分子特性,更好地了解POM合成工艺,并可能提高其产量的新工具。假设,可以使用这种方法研究给定原子的位置或分子中片段的旋转以及金属氧化状态。此外,这项新技术的优点是能够实时监测溶液中的分子。
使用纳米孔和测量离子电流调制,可以在单分子水平上检测生物分子分析物。通常,纳米孢子根据其制造分为两类:生物(由蛋白质或DNA折纸自行组装)1、2、3或固态(例如,由半导体加工工具)4,5.虽然固态纳米孔被认为具有潜在的物理上更坚固,可用于广泛的溶液条件,但迄今为止,蛋白质纳米孔具有更高的灵敏度、更强的抗结垢性、更大的带宽、更好的化学性选择性,以及更大的信噪比。
各种蛋白质离子通道,如金黄色葡萄球菌α-溶酶(αHL)形成的通道,可用于检测单个分子,包括离子(例如,H+和D=2,3,多核苷酸(DNA)和RNA)6,7,8,损坏的DNA9,多肽10,蛋白质 (折叠和展开)11,聚合物 (聚乙烯乙二醇等)12,13,14、金纳米粒子15、16、17、18、19等合成分子20。
我们最近证明,αHL纳米孔还可以轻松地在单分子水平上检测和表征金属簇,多氧金属酸盐(POM)。POM 是 1826年发现的离散纳米级电子金属氧簇,自那时以来,已经合成了更多类型。现在可用的多氧金属酸盐的不同尺寸、结构和元素组合物具有广泛的特性和应用,包括化学 22、23、催化24、材料科学25 ,26和生物医学研究27,28,29。
POM 合成是一种自组装过程,通常通过混合所需的单体金属盐量来在水中进行。一旦形成,POM 表现出巨大的大小和形状的多样性。例如,Keggin聚苯乙烯结构,XM12O40q-由一个异构体(X)组成,四氧包围形成四面体(q是电荷)。异构体位于由12个八面体MO6单位(其中M = 在高氧化状态下过渡金属)形成的保持架内,由相邻的共享氧原子相互连接。虽然钨多氧金属结构在酸性条件下稳定,氢氧化离子导致金属氧(M-O)键30的水解裂解。这种复杂的过程导致一个或多个MO6八面体亚单位的损失,导致形成单空和三空物种,并最终完全分解POM。我们在这里的讨论将仅限于pH5.5和7.5的12磷酸的部分分解产物。
该协议的目的是使用基于生物纳米孔的电子平台在单分子极限处检测离散金属氧团。此方法允许检测溶液中的金属簇。溶液中的多个物种可以比传统的分析方法更灵敏地进行区分33。通过它,可以阐明POM结构的细微差异,其浓度明显低于NMR光谱所需的浓度。重要的是,这种方法甚至允许对Na8HPW9O341的等同形式进行区分。
由于其离子电荷,POM 可能通过静电相互作用与有机计数器阳离子相关联。因此,确定适当的溶液条件和正确的电解质环境(尤其是溶液中的阳离子)以避免与 POM 形成复杂情况非常重要。在缓冲液选择中需要特别小心。例如,使用三联甲酸甲烷和柠檬酸缓冲溶液的POM的捕获率明显低于磷酸盐缓冲溶液中的捕获率,这可能是因为前两个缓冲液中的任何一个与POM形成复合物,而POM不会与纳米孔的强相互作用。此…
The authors have nothing to disclose.
我们感谢欧洲分子生物学组织为博士后奖学金(J.E.)和NIH NHGRI(J.J.K.)提供的赠款提供财政支助。我们感谢朱景岳教授和谢尔盖·卡拉奇科夫教授(哥伦比亚大学)提供半球 +HL 的帮助,以及与弗吉尼亚联邦大学约瑟夫·赖纳教授的鼓舞人心的讨论。
Nanopatch DC System | Electronic Biosciences, Inc., EBS | ||
Millipore LC-PAK | Millipore vacuum filter | ||
1,2-Diphytanoyl-sn- Glycero-3-Phosphocholine (DPhPC) | Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL | 850356P | |
Decane, ReagentPlus, ≥99%, | Sigma-Aldrich | D901 | |
αHL | List Biological Laboratories, Campbell, CA | ||
Ag wire | Alfa Aesar | ||
2 mm Ag/AgCl disk electrode | In Vivo Metric | E202 | |
High-impedance amplifier system | Electronic Biosciences, San Diego, CA | ||
quartz capillaries | |||
custom polycarbonate test cell | |||
Data Processing and Analysis MOSAIC | https://pages.nist.gov/mosaic/ | ||
Phosphotungstic acid hydrate | Sigma-Aldrich | 455970 | |
Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | |
sodium phosphate monobasic monohydrate | Sigma-Aldrich | 71507 |