Caracterização física de alta resolução de nanopartículas metálicas únicas
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para detectar clusters de oxigênio de metal discretos, polioxometalatos (POMs), no limite de molécula única usando uma plataforma eletrônica baseada em nanoporos biológica. O método fornece uma aproximação complementar às ferramentas analíticas tradicionais da química usadas no estudo destas moléculas.
Abstract
As moléculas individuais podem ser detectadas e caracterizadas medindo o grau pelo qual reduzem a corrente iónica que flui através de um único poro da nanômetro-escala. O sinal é característico das propriedades físico-químicas da molécula e suas interações com os poros. Nós demonstramos que o nanoporo dado forma pelo Staphylococcus da exotoxina da proteína bacteriana aureus alfa hemolisina (αhl) pode detectar polyoxometalates (poms, grupos aniônicos do oxigênio do metal), no único limite da molécula. Além disso, os produtos múltiplos da degradação do ácido POM de 12 phosphotungstic (PTA, H3picowatt12O40) na solução são medidos simultaneamente. A única sensibilidade da molécula do método do nanoporo permite que os poms sejam caracterizados em concentrações significativamente mais baixas do que exigidas para a espectroscopia da ressonância magnética nuclear (RMN). Esta técnica poderia servir como uma ferramenta nova para que os químicos estudem as propriedades moleculars dos polyoxometalates ou dos outros conjuntos metálicos, para compreender melhor processos sintéticos de POM, e para melhorar possivelmente seu rendimento. Hipoteticamente, a localização de um determinado átomo, ou a rotação de um fragmento na molécula, e o estado de oxidação do metal poderiam ser investigados com este método. Além disso, esta nova técnica tem a vantagem de permitir o monitoramento em tempo real de moléculas em solução.
Introduction
A detecção de analitos biomoleculares no nível da molécula única pode ser realizada usando nanoporos e medindo modulações de corrente iónica. Tipicamente, os nanoporos são divididos em duas categorias com base na sua fabricação: biológica (automontada a partir de proteínas ou DNA origami)1,2,3, ou Solid-State (por exemplo, fabricado com ferramentas de processamento de semicondutores)4,5. Enquanto os nanoporos de estado sólido foram sugeridos como potencialmente mais robustos fisicamente e podem ser usados em uma ampla gama de condições de solução, os nanoporos proteicos até agora oferecem maior sensibilidade, mais resistência a incrustantes, maior largura de banda, melhor produto químico selectividade, e uma maior relação sinal/ruído.
Uma variedade de canais de íons proteicos, como o formado por Staphylococcus aureus α-hemolisina (αhl), pode ser usado para detectar moléculas únicas, incluindo íons (por exemplo, H+ e D+)2,3,polinucleotídeos (DNA e RNA)6,7,8, DNA danificado9, polipeptídeos10, proteínas (dobradas e desdobradas)11, polímeros (polietileno glicol e outros)12,13 , 14, nanopartículas de ouro15,16,17,18,19, e outras moléculas sintéticas20.
Nós demonstramos recentemente que o nanoporo do αhl pode igualmente facilmente detectar e caracterizar aglomerados metálicos, polyoxometalates (poms), a nível da única molécula. Poms são discretos nanoescala metal aniônico clusters de oxigênio que foram descobertos em 182621, e desde então, muitos outros tipos foram sintetizados. Os tamanhos diferentes, as estruturas, e as composições elementares dos polyoxometalates que estão agora disponíveis conduziram a uma escala larga das propriedades e das aplicações que incluem a química22,23, catálise24, ciência material25 ,26, e pesquisa biomédica27,28,29.
A síntese de POM é um processo de automontagem tipicamente realizado em água misturando as quantidades estequiometricamente exigidas de sais de metal monoméricos. Uma vez formados, os POMs exibem uma grande diversidade de tamanhos e formas. Por exemplo, a estrutura do polyanion de Keggin, XM12O40q- é compor de um heteroátomo (X) cercado por quatro oxigênios para dar forma a um tetraedro (q é a carga). O heteroátomo está centralmente localizado dentro de uma gaiola formada por 12 octaédricos MO6 unidades (onde M = metais de transição em seu estado de alta oxidação), que estão ligados uns aos outros pelos vizinhos átomos de oxigênio compartilhado. Quando a estrutura dos polyoxometalates do tungstênio for estável em circunstâncias ácidas, os íons do hidróxido conduzem ao clivagem hidrolítica de ligações do metal-oxigênio (M-O)30. Este processo complexo resulta na perda de uma ou mais subunidades octaédrica do MO6 , levando à formação de espécies monovacantes e trivagas e, eventualmente, à completa decomposição dos poms. Nossa discussão aqui será limitada aos produtos parciais da decomposição do ácido 12 phosphotungstic em pH 5,5 e em 7,5.
O objetivo deste protocolo é detectar clusters de oxigênio de metal discretos no limite da molécula única usando uma plataforma eletrônica baseada em nanoporos biológica. Este método permite a detecção de aglomerados metálicos em solução. Várias espécies em solução podem ser discriminadas com maior sensibilidade do que os métodos analíticos convencionais33. Com ele, as diferenças sutis na estrutura de POM podem ser elucidadas, e em concentrações marcadamente mais baixas do que aquelas exigidas para a espectroscopia de RMN. É importante ressaltar que essa abordagem permite até mesmo a discriminação de formas isoméricas de na8HPW9O341.
Protocol
Representative Results
Discussion
Devido a sua carga aniônicos, os poms associam provável com as cátions orgânicas do contador através das interações eletrostáticas. Portanto, é importante identificar as condições de solução adequadas e os ambientes de eletrólitos corretos (especialmente cátions em solução) para evitar a formação complexa com POMs. Um cuidado particular é exigido na escolha do amortecedor. Por exemplo, a taxa de captura de POMs com tris (hidroximetil) aminometano e soluções tamponadas com ácido cítrico é signific…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos o apoio financeiro da Organização Europeia de biologia molecular para uma bolsa de pós-doutorado (a je) e uma subvenção da NIH NHGRI (a J.J.K.). Agradecemos a ajuda dos professores Jingyue Ju e Sergey Kalachikov (Universidade de Columbia) para fornecer αHL heptamérica, e para discussões inspiradoras com o Professor Joseph Reiner (Virginia Commonwealth University).
Materials
| 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 |
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